參考湯國(guó)安、楊昕等編著的《地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程第二版》 利用水文分析（流量）和表面分析（坡向變率）得到山脊和山谷線(xiàn)

文章目錄

• 1、基本概念
• 1.1 正地形
• 1.2 負(fù)地形
• 正負(fù)地形的影響
• 2、水文分析方法
• 2.1 基本思想原理
• 2.2 技術(shù)路線(xiàn)
• 2.3 操作步驟
• 2.3.1 正負(fù)地形的提取
• 2.3.2 利用水文分析思想和工具提取研究區(qū)域的山脊線(xiàn)
• 2.3.3 利用水文分析思想和工具提取研究區(qū)域的山谷線(xiàn)
• 2.3.4 利用水文分析提取山脊線(xiàn)和山谷線(xiàn)結(jié)果
• 3、表面分析方法
• 3.1 基本思想原理
• 3.2 技術(shù)路線(xiàn)
• 3.3 操作步驟
• 4、圖解建模方法與思路
• 4.1 建立概念模型
• 4.2 構(gòu)建圖解模型
• 4.3 模型的使用
• 4.4 運(yùn)行結(jié)果
• 4.5 模型文件與參考圖書(shū)pdf下載
• 5、方法評(píng)價(jià)
• 5、文章參考與致謝

1、基本概念

1.1 正地形

是相對(duì)高于鄰區(qū)或新構(gòu)造上升地區(qū)的地形。山地、高原、丘陵都是正地形。世界上許多石油礦床與高地、丘陵、特別是穹隆或背斜構(gòu)造形成的正地形有關(guān)。天然氣、金屬礦床常常形成或儲(chǔ)存在上述正地形中。

1.2 負(fù)地形

是相對(duì)低于鄰區(qū)或新構(gòu)造下沉地區(qū)的地形。洼地、盆地都是負(fù)地形。負(fù)地形是沉積物堆積的有利條件，也是沖刷微弱的場(chǎng)所。煤、石油、鋁土、鐵、泥炭、鹽類(lèi)和錳結(jié)核等沉積礦床多形成在盆地、凹地、平原和洋盆等負(fù)地形中。

正負(fù)地形的影響

負(fù)地形的地貌格局決定了一些地區(qū)不斷地接納、匯聚、堆積，在外力作用下，由四周正地形區(qū)搬運(yùn)遷移的陸相碎屑物。“夷平填洼”是不可改變的自然地理過(guò)程中外營(yíng)力作用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，只要這種正負(fù)地形差異格局的存在，就將持續(xù)地進(jìn)行下去，直至夷平或填平。

2、水文分析方法

2.1 基本思想原理

通過(guò)對(duì)零值的匯流累積值的柵格的提取就可以得到分水線(xiàn)，也就得到了山脊線(xiàn)。對(duì)于山谷線(xiàn)可以利用反地形的特點(diǎn)，可以利用一個(gè)較大的數(shù)值減去原始的DEM數(shù)據(jù)得到與原始地形完全相反的地形數(shù)據(jù)，使得原始的DEM中的山脊變成反地形的山谷，而原始DEM中的山谷在反地形中就變成了山脊。山谷線(xiàn)的提取就可以在反地形中利用提取山脊線(xiàn)的方法進(jìn)行提取。但是此方法提取出的山脊和山谷位置有些偏差，可以利用正、負(fù)地形加以糾正。

2.2 技術(shù)路線(xiàn)

2.3 操作步驟

2.3.1 正負(fù)地形的提取

1、 在A(yíng)rcMap中加載樣區(qū)的原始DEM數(shù)據(jù).
2、 選擇【Spatial Analyst工具】|【鄰域分析】|【焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)】，以11×11的窗口計(jì)算平均值。
3、 選擇【Spatial Analyst工具】|【地圖代數(shù)】|【柵格計(jì)算器】，將原始DEM減去平均值DEM，獲得正負(fù)地形數(shù)據(jù)。
4、 選擇【Spatial Analyst工具】|【重分類(lèi)】|【重分類(lèi)】，分別進(jìn)行兩次重分類(lèi)。一次將大于0的區(qū)域賦值為1（正地形），小于0的區(qū)域賦值為0，另一次將小于0的區(qū)域賦值為1（負(fù)地形），大于0的區(qū)域賦值為0。

2.3.2 利用水文分析思想和工具提取研究區(qū)域的山脊線(xiàn)

1、 在A(yíng)rcMap中加載樣區(qū)的原始DEM數(shù)據(jù)。
2、 洼地填充：選擇【Spatial Analyst工具】|【水文分析】|【填洼】，輸入表面柵格數(shù)據(jù)。選擇將所有洼地全部填充，所以不需要計(jì)算洼地深度，Z limit為默認(rèn)值。

3、 基于無(wú)洼地的水流方向計(jì)算：選擇【Spatial Analyst工具】|【水文分析】|【流向】，輸入填洼后的表面柵格數(shù)據(jù)。

4、 匯流累積量的計(jì)算：選擇【Spatial Analyst工具】|【水文分析】|【流量】，輸入水流方向數(shù)據(jù)。

5、 匯流累積量為零值的提取：選擇【Spatial Analyst工具】|【地圖代數(shù)】|【柵格計(jì)算器】，輸入計(jì)算公式為facc0=（flowaa1==0），facc0為輸出數(shù)據(jù)，flowaa1為匯流累積量數(shù)據(jù)。

6、 數(shù)據(jù)光滑處理：上一步提取數(shù)據(jù)中很多不是山脊線(xiàn)，選擇【Spatial Analyst工具】|【鄰域分析】|【焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)】，以3×3窗口做平均值計(jì)算。

7、 輔助判斷山脊線(xiàn)位置：選擇【Spatial Analyst工具】|【表面分析】|【等值線(xiàn)】和【Spatial Analyst工具】|【表面分析】|【山體陰影】。

8、 選擇【Spatial Analyst工具】|【重分類(lèi)】|【重分類(lèi)】，以等高線(xiàn)圖和山體陰影圖判斷山脊線(xiàn)位置，調(diào)整分級(jí)臨界點(diǎn)，最終確定分界閾值為0.5541。將光滑處理后的數(shù)據(jù)二值化，接近1的部分賦值為1，其余部分賦值為0。

9、 消除存在于負(fù)地形區(qū)域中的錯(cuò)誤山脊線(xiàn)：選擇【Spatial Analyst工具】|【地圖代數(shù)】|【柵格計(jì)算器】，將重分類(lèi)后的數(shù)據(jù)與正地形數(shù)據(jù)相乘。

10、 獲得最終山脊線(xiàn)：選擇【Spatial Analyst工具】|【重分類(lèi)】|【重分類(lèi)】，將屬性值不為1的賦值為NoData。

2.3.3 利用水文分析思想和工具提取研究區(qū)域的山谷線(xiàn)

1、 在A(yíng)rcMap中加載樣區(qū)的原始DEM數(shù)據(jù)。
2、 獲取反地形：選擇【Spatial Analyst工具】|【地圖代數(shù)】|【柵格計(jì)算器】，計(jì)算公式為fandem=Abs(dem-2000),fandem為輸出數(shù)據(jù)，dem為原始DEM數(shù)據(jù)。

3、 水流方向計(jì)算（無(wú)需填洼）：選擇【Spatial Analyst工具】|【水文分析】|【流向】，輸入填洼后的表面柵格數(shù)據(jù)。

4、 匯流累積量的計(jì)算：選擇【Spatial Analyst工具】|【水文分析】|【流量】，輸入水流方向數(shù)據(jù)。

5、 匯流累積量為零值的提取：選擇【Spatial Analyst工具】|【地圖代數(shù)】|【柵格計(jì)算器】，輸入計(jì)算公式為facc0=（flowaa2==0），facc0為輸出數(shù)據(jù)，flowaa2為匯流累積量數(shù)據(jù)。

6、 數(shù)據(jù)光滑處理：上一步提取數(shù)據(jù)中很多不是山谷線(xiàn)（反地形中山脊線(xiàn)為原地形中的山谷線(xiàn)），選擇【Spatial Analyst工具】|【鄰域分析】|【焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)】，以3×3窗口做平均值計(jì)算。

7、 輔助判斷山谷線(xiàn)位置：選擇【Spatial Analyst工具】|【表面分析】|【等值線(xiàn)】和【Spatial Analyst工具】|【表面分析】|【山體陰影】。

8、 選擇【Spatial Analyst工具】|【重分類(lèi)】|【重分類(lèi)】，以等高線(xiàn)圖和山體陰影圖判斷山脊線(xiàn)位置，調(diào)整分級(jí)臨界點(diǎn)，最終確定分界閾值為0.65667。將光滑處理后的數(shù)據(jù)二值化，接近1的部分賦值為1，其余部分賦值為0。

9、 消除存在于負(fù)地形區(qū)域中的錯(cuò)誤山谷線(xiàn)：選擇【Spatial Analyst工具】|【地圖代數(shù)】|【柵格計(jì)算器】，將重分類(lèi)后的數(shù)據(jù)與負(fù)地形數(shù)據(jù)（不是反地形數(shù)據(jù)）相乘。

10、獲得最終山谷線(xiàn)：選擇【Spatial Analyst工具】|【重分類(lèi)】|【重分類(lèi)】，將屬性值不為1的賦值為NoData。

2.3.4 利用水文分析提取山脊線(xiàn)和山谷線(xiàn)結(jié)果

3、表面分析方法

3.1 基本思想原理

首先利用DEM數(shù)據(jù)提取地面的平面曲率及地表的正負(fù)地形，取正地形上平面曲率的大值即為山脊，負(fù)地形上平面曲率的大值為山谷。在實(shí)際應(yīng)用中，由于平面曲率的提取比較繁瑣，而坡向變率（SOA）在一定程度上可以很好地表征平面曲率。

3.2 技術(shù)路線(xiàn)

3.3 操作步驟

1、 求DEM坡向變率數(shù)據(jù)：選擇【Spatial Analyst工具】|【表面分析】|【坡向】，將得到的坡向數(shù)據(jù)再求一次坡度得到坡向變率數(shù)據(jù)，記為SOA1。
2、 求DEM最大值數(shù)據(jù)：選擇【Spatial Analyst工具】|【鄰域分析】|【焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)】，以11×11窗口做最大值計(jì)算得到DEM最大高程值。
3、 求反地形數(shù)據(jù)：選擇【Spatial Analyst工具】|【地圖代數(shù)】|【柵格計(jì)算器】，輸入公式為H-DEM（H為DEM最大高程值數(shù)據(jù)，DEM為原始DEM數(shù)據(jù)）得到反地形DEM數(shù)據(jù)。
4、 求反地形坡向變率數(shù)據(jù)：選擇【Spatial Analyst工具】|【表面分析】|【坡向】，基于反地形DEM數(shù)據(jù)求反地形DEM坡向變率數(shù)據(jù)，記為SOA2。
5、 求沒(méi)有誤差的DEM坡向變率：選擇【Spatial Analyst工具】|【地圖代數(shù)】|【柵格計(jì)算器】，輸入公式為SOA=（（[SOA1]+[SOA2]）-Abs（[SOA1]-[SOA2]））/ 2 ，得到?jīng)]有誤差的DEM坡向變率數(shù)據(jù)。
6、 求DEM平均值：選擇【Spatial Analyst工具】|【鄰域分析】|【焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)】，以11×11窗口做平均值計(jì)算得到DEM最平均值。
7、 獲得正負(fù)地形數(shù)據(jù)：選擇【Spatial Analyst工具】|【地圖代數(shù)】|【柵格計(jì)算器】，計(jì)算公式為C=DEM-B（C為輸出數(shù)據(jù)，DEM為原始DEM數(shù)據(jù)，B為DEM平均值數(shù)據(jù)）得到正負(fù)地形數(shù)據(jù)。
8、 提取山脊線(xiàn)：選擇【Spatial Analyst工具】|【地圖代數(shù)】|【柵格計(jì)算器】，計(jì)算公式為shanji=[C]>0&SOA>70。
9、 提取山谷線(xiàn)：選擇【Spatial Analyst工具】|【地圖代數(shù)】|【柵格計(jì)算器】，計(jì)算公式為shanji=[C]<0&SOA>70。

4、圖解建模方法與思路

4.1 建立概念模型

山脊線(xiàn)是處于正地形上且水流匯集量為0的點(diǎn)的集合;
山谷線(xiàn)是處于負(fù)地形上且在DEM反地形上水流匯聚量為0。

4.2 構(gòu)建圖解模型

4.3 模型的使用

4.4 運(yùn)行結(jié)果

部分山谷線(xiàn) 部分山脊線(xiàn)

4.5 模型文件與參考圖書(shū)pdf下載

鏈接：https://pan.baidu.com/s/1-IKBNU7zZeFhJoibaZq7Vw 提取碼：n4lg

5、方法評(píng)價(jià)

【基本思想是】

按照流水從高至低的自然規(guī)律，順序計(jì)算每一柵格點(diǎn)上的匯水量，然后按匯水量單調(diào)增加的順序，由高到低找出區(qū)域中的每一條匯水線(xiàn)。
根據(jù)得到的匯水線(xiàn)，通過(guò)計(jì)算找出各自匯水區(qū)域的邊界線(xiàn)，就得到了分水線(xiàn)

【評(píng)價(jià)】算法采用了DEM的整體追蹤分析的思路與方法，分析結(jié)果具有系統(tǒng)性好，還便于進(jìn)行相應(yīng)的徑流成因分析
【缺陷】該方法也存在以下兩個(gè)明顯的缺陷

由于該算法所計(jì)算的匯水量與高程有關(guān)，計(jì)算的結(jié)果必然是高程值大的地形特征線(xiàn)上的點(diǎn)的匯水量小，高程值小的地形特征線(xiàn)上的點(diǎn)的匯水量大。

由于該算法降格匯水區(qū)域的公共邊界視為分水線(xiàn)，因此它所確定的分水線(xiàn)均為閉合曲線(xiàn)，這與實(shí)際的地形特征線(xiàn)（山脊線(xiàn)）不符

5、文章參考與致謝

文章參考

https://blog.csdn.net/qq_40628258/article/details/83473964#_5
https://blog.csdn.net/summer_dew/article/details/82967666

感謝參考文章與當(dāng)時(shí)空間分析授課的許老師，也感謝自己的耕耘！^- ^

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的ArcGIS图解建模工具与DEM提取山脊、山谷线（水文分析、表面分析）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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