ArcGIS水文分析實戰教程（6）河流提取與河網分級

本章導讀：ArcGIS水文分析模塊提供了3個工具用作河網提取。GIS和測繪專業人員無法理解，用作水文分析連DEM數據都能拿到了（精度較高的DEM數據在我國都屬於涉密數據），難道就沒法拿到精度較低的線狀河流數據？利用DEM數據來生成河流網絡，除了一定的工作量之外，結果還可能不如實測的河流精度高，這樣做有點多此一舉了。筆者認爲這恰好反映出行業的差距。水文分析更多的是關心河流的鏈接關係，河流與流域之間的關係，而非精確的圖形和空間位置。本章內容在操作上屬於簡單類型，筆者會更多的從水文分析角度去解釋分析結果。 BY 李遠祥

分析流程

ArcGIS水文分析工具箱提供了【河流鏈接】、【河網分級】、【柵格河流矢量化】3個工具用作河流提取和分級定義。如下圖所示

河流提取的全過程爲創建無凹陷點DEM–>流向分析–>流量統計–>定義地表最小的地表徑流–>河流鏈接–>柵格河流矢量化。

關於創建無凹陷點DEM可以參考《ArcGIS水文分析實戰教程（3）DEM數據準備》、《ArcGIS水文分析實戰教程（4）地形預處理》內容；流向分析、流量統計和定義最小的地表徑流，在《ArcGIS水文分析實戰教程（5）細說流向與流量》多了詳細的解讀。

矢量河流提取

在上一章中講到的針對流量柵格進行了條件函數的定義，河網的形狀大概就出來了。但這個數據表達的只是一系列大於一定蓄積柵格的像元點，原則上它也只是離散點，儘管看起來像連續的河流。如下圖

可以從圖例中看到這個結果的像元值範圍從10000-309111 . 【河網鏈接】工具就是利用統計後的柵格數據與流向數據，連接一個像元點，利用流向判斷出不同的河流，並把像元點連接成線。說白了就是將像元點串起來並做了不同線段的劃分。下圖是河流鏈接的示意圖

這個示意圖是從ArcGIS軟件中截取出來的，一般的水文從業都能看懂，但這個圖不夠專業，顯然是出自於程序員之手。筆者在第二章《ArcGIS水文分析實戰教程（2）ArcGIS水文分析工具的基本原理》曾經引用過相關的示意圖，下圖就是水文學上常見的河流鏈

從兩張圖對比可見，水文學上的分類要比ArcGIS上的更加細緻，光是鏈接便分爲外鏈和內鏈，沒有河流匯入的鏈接是外鏈，有其他水系匯入的河流爲內鏈；交互點也分爲河源、節點和出口，分別對應外鏈的起點、內鏈的起點、樹狀河網的最低點。

這麼說來，是不是說ArcGIS軟件的河網鏈接就不夠專業呢？其實並不是這樣的！因爲在水文學上鍊接是爲了反映出河流之間的關係，最終是爲河流分級服務的。而ArcGIS還提供了河流分級工具，很好的對應水文分析的要求。
【河流鏈接】分析需要的是執行過條件函數後的流量統計柵格，也就是說篩選過流量的柵格數據，並且需要流向柵格進行參考。如下圖

從分析結果可以看到，鏈接之後離散的像元會被串聯起來，形成獨立的河流。如下圖所示，河網已經被串聯成27條河流，但仍然使用柵格的形式表示。

如果不關注河流的分級，只用作河流線體的提取（測繪專業的人就喜歡這麼幹），直接使用【柵格河網矢量化】工具進行矢量河流數據的生成。如下圖

這裏要求的【河流柵格數據】，最低限度就是執行過河流鏈接的結果，當然也可以是【河流分級】之後的結果。

下圖是生成的矢量河流結果

矢量河流會生成一些特殊的字段作爲標記，例如arcid字段，記錄的是元素網格的id，grid_code記錄的是河流的唯一Id，因爲在河網鏈接的時候已經對蓄積像元進行了計算，並確定了柵格河流，而from_node和to_node就是記錄河段從哪個流量柵格流向下一個流量柵格。所以，如果將grid_code相同的河段全部選擇，那它就是一個完整的鏈接（有可能是外鏈也有可能是內鏈）

如果不考慮分級的情況生成唯一的河流，那麼可以使用【融合】工具對上面的矢量河流線要素進行融合，如下圖設置

最終結果就是合併爲原來的27條河流，如下圖

###河網分級
在水文學上，河流鏈接不是爲了提取矢量河流，而是爲河流分級做準備。水文學更多的是關注河流之間的關係、河流與流域的關係，而非河流本身的圖形；即便關注的是單個河流的幾何圖形，但一般也會跟高程帶上關係，例如河流比降。所以，河流鏈接之後，一般就是對河流進行分級了。
前面部分提及過ArcGIS的河流鏈接與水文學的鏈接的一些差異，但因爲最終提供了河網分級功能，所以在鏈接部分並沒有影響。
水文學上的河網分級在第二章《ArcGIS水文分析實戰教程（2）ArcGIS水文分析工具的基本原理》的時候已經做了詳細的論述，常用的有霍頓分級、斯特拉勒分級、施裏夫分級、沙依達格分級。通過下圖可以重溫一下其分級的基本原理

各種分級的方法這裏不再詳細論述。ArcGIS河網分級工具中之包含兩種分級方法，斯特拉勒分級和施裏夫分級，而分析工具中默認使用的是斯特拉勒分級法。

霍頓分級法：2級以上的河流均可以一直延伸到河源，但實際上它們的最上游都只具有1級河流的特徵。
斯持拉勒法：不可能像霍頓分級法一樣將2級以上河流都一直延伸到河源，因而總是將能通過全流域水量和泥沙量的河流作爲水系中最高級的河流的。斯持拉勒法主要不足是不能反映流域內河流級愈高，通過的水量和泥沙量也愈大的事實。
施裏夫和沙伊達格分級法：很好彌補了上述分級方法的缺陷，非常適合在數值上進行計算。

下圖是使用河流鏈接的結果數據進行輸入，結合流向柵格去做斯持拉勒河網分級

最終的結果是生成了一個三級分級，用紅綠藍三種顏色表示分級結果，如下圖所示

ArcGIS的幫助提示說的非常的含糊，在【河流柵格數據】中沒有具體說明是那一步驟生成的河流柵格，所以上面的例子就直接使用河網鏈接後的結果數據。後來筆者思考了一下，因爲這個分級工具還是需要流向柵格，【河流鏈接】工具也是需要流向柵格作爲參數，那是不是意味着這兩個工具是個平行的工具，而不是一個順序的工具。爲此筆者還特意做了一個嘗試，使用條件函數過濾後的流量數據作爲河流參與分析。

使用條件函數過濾後的流量數據作爲河流參與分析的結果跟想象中的一樣，通過查看圖形和兩個屬性表，發現是完全一致的。如果使用減法工具，兩個柵格結果相減，結果肯定就是完全爲nodata了。如下圖

使用這個工具還有一些需要注意的地方，如果輸入河流柵格數據和輸入流向柵格數據是從同一DEM數據獲取，則河網分級的輸出質量會更高。如果河流柵格數據是從柵格化的河流數據集獲取（即河流原來是矢量數據，爲了參與分級，先通過工具將矢量河流進行柵格化），則輸出可能不可用，因爲各像元的流向與河流像元的位置不對應。

對河網分級後的柵格數據進行矢量化，使用【柵格河流矢量化】工具，如下圖

其結果更加讓人滿意，因爲除了轉化爲矢量河流之外，還會自動的創建了河流鏈接。下圖可以通過屬性表看到生成的27條河流，跟前面所說的河流鏈接工具的結果是一樣的。

所以，從這個操作中可以得到一個重要的啓示。如果要進行河流鏈接的分析，最好是在【河網分級】之後進行。

柵格河流轉矢量河流

GIS對柵格計算的支持遠沒有對矢量數據的多，所以大多數情況下都需要將柵格數據轉換爲矢量數據進行分析。雖然ArcGIS提供了柵格轉矢量的工具，如【柵格轉線】、【柵格轉面】等。但作爲水文分析的話，在柵格河流轉換爲矢量河流時，遠沒有使用【柵格河流矢量化】效果那麼好。
從下面這張圖可以看出【柵格河流矢量化】的特點

利用分級後的河網可以做什麼？最直接的方式就是繪製河流的分級顯示圖。利用grid_code作爲標註顯示等級，使用【唯一值渲染】用不同大小的符號顯示河流，這樣就可以很直觀的反應出河網關係。下圖是使用斯持拉勒分級的河網分級圖

如果還需要特殊的表達和分析，後期還可以製作河網的邏輯示意圖，筆者會在後續的章節中介紹河網的邏輯示意圖。
除此之外，還可以通過河網生成河口出水口。這個非常簡單，因爲矢量河流已經生成好了，而且是帶數字化方向的。

數字化方向指的是線圖形在生成的時候從起點到終點的方向。
河網中的每一條河流其流向都是與數字化方向相同的。如果使用箭頭符號去表示其流向，可以很直觀的看出來。如下圖設置

然後將河網疊加兩次，進行觀察，通過其樹狀結構可以對比數字化方向與流向的關係

正式因爲有這一規則，那麼就可以使用【要素折點轉點】工具來捕捉其線段的終點，那這個終點就是河口的位置了。這個工具在【數據管理】–【要素】–【要素折點轉點】，執行時點類型選擇【end】，如下圖所示

這樣提取出來的就是河口的位置。這個點在水文分析中又稱之爲“出水口”或“傾瀉點”。如下圖所示：

這就是提取流域面的時候一個非常重的參數了。