ArcGIS水文分析實戰教程（3）DEM數據準備
ArcGIS的水文分析工具需要DEM數據才能執行，因此在使用之前必須要準備好DEM數據並且針對DEM數據進行預處理。本章節內容介紹如何根據已有的數據製作和處理DEM，並實現水文分析前的數據預處理。BY 李遠祥
ArcGIS的水文分析工具集是對地表形成徑流的模擬，使用DEM作爲計算的參數，主要的後期數據都是準對DEM進行生成的，如流向柵格、流量柵格這兩個重要的參數。
DEM製作
對於能夠直接拿到DEM數據的人來說，基本上可以忽略掉這個章節的內容。在大多數情況下，水文分析人員是沒有DEM數據的，儘管可以從網上可以下載到插值後30米的全球免費的DEM數據，但由於數據的精度太低，作爲普通的大流域研究勉強可以使用，但作爲中小流域級別的研究那就相當無力了。
一般情況下，某一研究區域的等高線和部分高程控制點數據，以及行政邊界數據是可以協調到的。但由於ArcGIS的水文分析工具需要的是DEM數據，那就需要利用這些數據生成原始的DEM。
生成DEM的方式很多人會想到利用等值線和高程控制點生成Tin，然後利用Tin轉換爲DEM。這種方式非常普遍。不論在GIS的教程還是水文學的教程中都有介紹。
ArcGIS的3D分析擴展模塊提供了上述的工具進行轉換，也算是在同一個軟件中一起處理所有的問題了。
下圖是一份常見的等高線、高程控制點、邊界等數據。
數據出了邊界之外，每一層的數據中都帶有高程屬性。調用ArcGIS 3D分析模塊，【3D Analyst】–【數據管理】–【創建TIN】雙擊調用。
在選擇參數的時候，分別設置數據如下。
從圖上看，凡是涉及到有高程值的數據必須懸賞高程字段，但工具中的SF Type 就相當不好選了。如果是高程控制點，那麼選擇【Mass_Points】絕對沒有異議。但等高線部分可以選擇的除了【Mass_Points】之外還有【Hard_Line】和【Soft_Line】。
這裏硬線和軟線到底怎麼選擇？ArcGIS的工具提示是
隔斷線和麪表面類型具有 Hard 和 Soft 限定符，指示要素所表示的沿表面的斜坡是平滑還是尖銳的不連續部分。
這是一個比較難懂的說明。大致上可以理解爲兩條等高線之間如果構成不規則三角形，採用Hard的話在這兩條線之間的區域會平滑一些，採用Soft的話基本上就是直接過渡，形成最大的高差。
這本來是一個測繪學的問題，但由於現在要在水文分析前使用，那麼這些細節參數就值得推敲了。前面章節已經詳細介紹過ArcGIS的水文分析工具的基礎算法是D8單流向算法，徑流只會向一個方向流動。筆者認爲，如果等高距過大和等高線密度比較稀疏，採用Hard的做法是比較好的，防止出現了尖銳的三角形頂點，導致彎曲的徑流拉直線生成，但這種做法也就是對徑流線進行了一些平滑，損失一些精度。如果數據的精度比較高，區域的等高線稠密並且控制點足夠多，推薦使用soft的方式，這樣徑流線會更加精準流動。
對於具有大面積水，如湖泊、水庫等地類，那就可以設置爲Replace類型。這樣在遇到水面邊界的時候不會進行三角化處理，統一以一個高程值填充了該區域。
在創建Tin工具中大量出現了Hard和Soft的選項，原理跟上面所說的一樣，需要考慮的最主要因素就是等高線的稠密程度。
對於行政邊界來說，一般採用clip類型來處理，在邊界處裁剪掉數據。不然，在邊界處就會出現非常深得三角點。
而另一類型Erase ，則是挖空區域，使其沒有鏤空沒有數據。不過這種情況很少見。
關於sf type的說明，可以查看ArcGIS相關幫助。但這一部門相當難以理解，即便測繪人員能夠理解，但由於缺乏水文分析原理的支撐，一般也不清楚使用不同的方式會對水文分析結果產生哪些影響。
按照上述的參數設置，生成的結果如下
接下來就可以通過【3D Analyst】–【轉換】–【由Tin轉出】–【Tin轉柵格】工具轉成DEM數據。值得注意的是，該處的類型選擇必須選擇浮點型，如下圖
爲什麼要選擇浮點型去構建DEM。如果站在測繪的這個程度上，浮點型的DEM跟整形的區別不大，畢竟都是通過TIN去構建生成的，一些小數點位數實際意義不大。但站在水文分析的去考慮就不一樣了。前面章節已經說明過ArcGIS的水文分析是基於D8單流向算法的，在有凹陷的DEM數據下會形成斷流，從而不能匯聚成河流。而整形的DEM時對TIN的高程作了四捨五入的操作，硬生生的將地形起伏特徵去除。別看都是小數點後的數值，D8算法決定了其流向，哪怕是相差0.001米，足以改變流向。取整後的DEM數據會形成特殊的凹陷區或者平坦區，從而導致徑流無法自然形成。而這些凹陷區（平坦區域實際上屬於大得凹陷區）在ArcGIS的水文分析工具中稱之爲“匯”，是必須找出來並且填平的。
該工具中還有【採樣距離】參數，採樣距離默認使用的是OBSERVATIONS設置，表示該DEM像元的列數，也就說用多少列來表示該區域。建議使用另一參數CELLSIZE，這可以直接定義像元網格的大小。如果使用OBSERVATIONS，後期還需要通過區域寬長和列數去換算單位網格的大小，非常不方便。水文分析的匯水區大小定義時，筆者認爲還是使用單位網格大小比較直觀。可以參考前面的文章，裏面有詳細的敘述。
參數設定好後可以直接生成DEM，如下圖
這樣DEM就生成完畢，可以作爲水文分析的基礎數據了。
另一種DEM快捷生成方法
如果使用等值線+高程控制點方式去生成TIN，在由TIN轉DEM，對一般水文分析人員，甚至是部分GIS人員都比較難以理解清楚其每個參數的作用。由於DEM數據是要作爲水文分析的基礎，因此很多參數的調整必須謹慎選擇，所以，水文分析的原理是十分重要的。
如果害怕上述方式過於複雜和難懂，可以嘗試一種新的方法，那就是【地形轉柵格】工具。這個工具在【spatial】擴展模塊中，不需要用到3D分析模塊，與水文分析工具同屬於一個擴展。Esri將其工具放置在【插值分析】工具箱，如下圖所示
可見該工具其定位。但不得不說該工具確實非常的強大，看下圖的設置
其操作非常簡單，它定義了地形中常見的九種類型：
- PointElevation - 表示表面高程的點要素類。Field 用於存儲點的高程。
- Contour - 表示高程等值線的線要素類。Field 用於存儲等值線的高程。
- Stream - 河流位置的線要素類。所有弧線必須定向爲指向下游。要素類中應該僅包含單條弧線組成的河流。此輸入類型沒有 Field 選項。
- Sink - 表示已知地形凹陷的點要素類。此工具不會試圖將任何明確指定爲匯的點從分析中移除。所用 Field 應存儲了合理的匯高程。如果選擇了 NONE，將僅使用匯的位置。
- Boundary - 包含表示輸出柵格外邊界的單個面的要素類。在輸出柵格中，位於此邊界以外的像元將爲 NoData。此選項可用於在創建最終輸出柵格之前沿海岸線裁剪出水域。此輸入類型沒有 Field 選項。
- Lake - 指定湖泊位置的面要素類。湖面內的所有輸出柵格像元均將指定爲沿湖岸線所有像元高程值中最小的那個高程值。此輸入類型沒有 Field 選項。
- Cliff - 懸崖的線要素類。必須對懸崖線要素進行定向以使線的左側位於懸崖的低側，線的右側位於懸崖的高側。此輸入類型沒有 Field 選項。
- Exclusion - 輸入數據應被忽略的區域的面要素類。這些面允許從插值過程中移除高程數據。通常將其用於移除與堤壁和橋相關聯的高程數據。這樣就可以內插帶有連續地形結構的基礎山谷。此輸入類型沒有 Field 選項。
- Coast - 包含沿海地區輪廓的面要素類。位於這些面之外的最終輸出柵格中的像元會被設置爲小於用戶所指定的最小高度限制的值。此輸入類型沒有 Field 選項。
考慮得非常周到，不是說九種地形數據必須都有，而是針對性的越齊全越好。還有一點就是該工具對等高線的支持非常友好，如果輸入要素數據類型爲等值線，則算法將先根據等值線的曲率生成概化的表面形態。然後該算法會將等值線作爲高程信息的源。等值線最適合大比例數據，因爲此時等值線和拐角可準確地指示出河流和山脊。在較小比例下，對等值線的拐角點進行數字化並將其用作輸入點要素類可能同樣有效且消耗更少。可以看到該工具出來的結果本身就能很好的呈現山脊和河流。在水文分析中這就是分水線和水系了。
關鍵部分還有在可選參數中，地形強化參數。默認使用的是ENFORCE。
- ENFORCE— 該算法將嘗試移除遇到的所有匯，無論是“真”是“僞”匯。
- NO_ENFORCE— 匯不會被填充。
- ENFORCE_WITH_SINK— 輸入要素數據中已指出爲匯的點表示已知的地形凹陷並且將不會被更改。輸入要素數據中未指出的所有匯均將視爲僞匯，算法將嘗試填充此匯。僞匯數量超過 8,000 個將導致工具無法使用。
這樣的話在數據生成過程中就已經移除掉“匯”，避免了後期的處理。
筆者認爲這個工具簡直就是爲水文分析工具而生的。屬於非常好的輔助工具。既簡單而且有實在，將水文分析所需的數據特性很好的表現出來。該工具在ArcGIS10.0及更高的版本中有集成。
總結
對於水文分析前的DEM數據生成，有着非常明顯的定義，傳統的測繪人員是不清楚這些細節的；而水文研究者對於GIS數據更是完全不瞭解。本章的主要特點就是從水文分析原理的角度去解釋DEM製作的一些細節，力圖讓DEM數據能夠準確的還原基礎地形，並且準確的生成主要的地形特徵。
如果讀者對水文分析感興趣的話，可以持續關注CSDN的GIS製圖樂園，以及微信公衆號【GIS製圖樂園】。BY 李遠祥
