【正文】 Strahler分級是指劃分水系支流規(guī)模大小和相互關系的等級。這兩級水系通常接近分水嶺。這種命名方法使不同圖幅上同一級別的水系可以互相比較，不會發(fā)生水系級別劃分上的錯誤。 圖21 strahler分級和shreve分級示意圖 實驗區(qū)域及數據簡介 實驗區(qū)介紹實驗數據選取的是全國范圍內的幾個重點區(qū)域，經緯度起始點分別如表21所列。表21 實驗研究區(qū)域地理位置信息表編號緯度精度地區(qū)1N22N23E114E115廣東南部2N23N24E115E116廣東東部3N25N26E112E113湖南省4N27N28E100E101四川云南交界5N34N35E116E117山東省6N35N36E111E112山西省7N35N36E107E108陜西北部8N42N43E116E117內蒙古北部 實驗數據簡介試驗所用數據為Aster DEM數據，柵格數據柵格數為3601*3601，數據格式為Grid，所采用的投影坐標是西安80坐標系，數據空間分辨率大小為30米。ArcObjects包含了大量的可編程組件，從細粒度的對象（例如，單個的幾何對象）到粗粒度的對象（例如與現有ArcMap文檔交互的地圖對象）涉及面極廣，這些對象為開發(fā)者集成了全面的GIS功能。主要進行DEM數據的獲取和格式轉換。應用水文分析模塊對所有實驗數據進行水流方向，匯流累積量，河網以及流域的數據的提取，并且運用ArcGis中的柵格計算器模塊進行計算分析。它是由遙感領域的科學家采用交互式數據語言IDL(Interactive Data Language)開發(fā)的一套功能強大的遙感圖像處理。今天，眾多的影像分析師和科學家選擇ENVI來從遙感影像中提取信息。安全、地球科學、公用設施管理、遙感工程、水利、海洋、測繪勘察和城市與區(qū)域規(guī)劃等領域。而ArcGis軟件并不能很好的完成這一目標，所以用ENVI軟件進行這一項目。Excel 是微軟辦公套裝軟件的一個重要的組成部分，它可以進行各種數據的處理、統(tǒng)計分析和輔助決策操作，廣泛地應用于管理、統(tǒng)計財經、金融等眾多領域。與其配套組合的有：Word、PowerPoint、Access、InfoPath及Outlook,Publisher現在Excel2012010[1]、2007和老一點的Excel2003較為多見，Excel2002版本用的不是很多。最新的版本增添了許多功能。Excel2003支持VBA編程，VBA是Visual Basic For Application的簡寫形式。軟件的作用：由于本論文的后期需要運用數理統(tǒng)計方法進行大批量數據的統(tǒng)計分析工作，而這一方面就要用Excel軟件進行。3 基于DEM的溝谷網絡空間信息提取要實現溝谷網絡的提取分析需要先對數據進行河網的分析提取等前期工作，然后進行strahler分級和shreve分級，最后進行分析。本研究進行轉換坐標系是在ENVI中進行的，轉換的內容是WGS84坐標系轉成西安80坐標系，具體操作步驟如下：添加橢球體語法為 橢球體名稱,長半軸,短半軸。注：，由于翻譯原因，這里的英文名稱是Krassovsky，為了讓其他軟件平臺識別，這里新建一個Krasovsky橢球體。這里將“D_BEIJING_1954, Krasovsky, 12, 113, 41”和“D_Xian_1980,IAG75,0,0,0” 末端。)，這里我們選擇MapCustomize Map Projection，添加一個20度帶（6度）的坐標，添加的參數如下圖所示。選擇 File Save Projections，存儲新的或更改過的投影信息。，可以看到新建的坐標信息已經自動加入。由于數據的投影信息不是國際標準或者說其參數名稱不是標準的，所以在ENVI中有可能不能讀取數據的投影信息，這個時候就需要重新設定投影信息。選擇Change Projection，將前面定義好的WGS84坐標選上。選擇MapConvert Map Projecton,進行西安80的坐標轉換。 格式轉換——TIFF轉換GRID格式由于應用要求需要GRID格式文件，而下載的文件格式為Tiff格式，所以需要進行格式轉換，這在ArcGIS中就可以實現，方法很簡單：打開所需要轉換的文件，單擊右鍵菜單中的Data選下拉菜單中的Export Data， 彈出對話框Export Raster Data ，然后在Location中選擇一個保存位置， Format中選擇Grid，就可以實現Tiff到Grid的轉換。在ArcGIS 中通過將中心柵格的8 個鄰域柵格編碼，水流方向便可以其中的某一值來確定，柵格方向編碼如下表所示。輸出的方向值以2 的冪值指定是因為存在柵格水流 方向不能確定的情況，此時須將數個方向值相加，這樣在后續(xù) 處理中從相加結果便可以確定相加時中心柵格的鄰域柵格狀況。距離權落差是指中心柵格與鄰域柵格的高程差除以兩柵格間的距離，柵格間的距離與方向有關，如果鄰域柵格對中心柵格的方向值為3128，則柵格間的距離為2 的開平方根，否則距離為1。具體計算步驟如下：1. 在ArcMap 中用左鍵單擊ArcToolbox 圖標，啟動ArcToolbox。啟動ArcToolbox，展開Analysis Tools 工具箱，打開hydrology 工具集。（1） Input surface data文本框中選擇輸入數據dem。 （3） 在Force all edge cells to flow outward(Optional)前的復選框前打鉤，所有在DEM數據邊緣的柵格的水流方向全部是流出DEM數據區(qū)域。這一步為可選步驟。drop raster是該柵格在其水流方向上與其臨近的柵格之間的高程差與距離的比值，以百分比的形式記錄。這一步為可選步驟。 （6） 計算完成后，計算出的水流方向數據如下圖所示。有一點必須清楚的是，并不是所有的洼地區(qū)域都是由于數據的誤差造成的，有很多洼地區(qū)域也是地表形態(tài)的真實反映，因此，在進行洼地填充之前，必須計算洼地深度，判斷哪些地區(qū)是由于數據誤差造成的洼地而哪些地區(qū)又是真實的地表形態(tài)， 然后在進行洼地填充的過程中，設置合理的填充閾值。 （2） 在Input flow direction raster文本框中，選擇水流方向數據flowdir。 （4） 單擊OK進行洼地計算。圖34 計算出來的洼地區(qū)域（1） 雙擊hydrology工具集中的watershed工具，彈出流域計算對話框，用來計算洼地的貢獻區(qū)域。 （3） 在Output raster文本框中設置輸出數據的名稱為watershsink。顯示結果如圖所示。雙擊spatial analysis tools工具箱中zonal工具集下的zonal statistic工具。 3） 在Output raster文本框中將輸出數據文件命名為zonalmin，存放路徑保持不變。在統(tǒng)計類型選擇的下拉菜單中有軟件所提供的一些統(tǒng)計類型：分別是在分帶區(qū)域中統(tǒng)計的每一個分帶的平均值（mean）、最大值（maximum）、最小值（minimum）、分帶中的屬性值的變化值（rang）、標準差（std）以及總和（sum）。 以上設置完畢之后，單擊OK，完成計算。雙擊spatial analysis tools工具箱中zonal工具集下的zonal fill工具，彈出如圖9所示的分區(qū)統(tǒng)計對話框。 （7）計算洼地深度。經過以上七步的運算，就可得到所有洼地貢獻區(qū)域的洼地深度。洼地填充是無洼地DEM 生成的最后一個步驟。而洼地深度的計算又為在填充洼地時設置填充閾值提供了很好的參考。2. 在Input surface raster 文本框中，選擇需要進行洼地填充的原始DEM數據。 limit——填充閾值，當設置一個數值之后，在洼地填充過程中，那些洼地深度大于閾值的地方將作為真實地形保留，不予填充；系統(tǒng)默認情況是不設閾值，也就是所有的洼地區(qū)域都將被填平。圖36 填充后的無洼地DEM洼地填充的過程是一個反復的過程。因此,當數據量很大時，這個過程會持續(xù)一段時間。對每一個柵格來說，其匯流累積量的大小代表著其上游有多少個柵格的水流方向最終匯流經過該柵格， 匯流累積的數值越大，該區(qū)域越易形成地表徑流。圖37 水流方向數據轉換成匯流累積量的原理1. 基于無洼地DEM的水流方向的計算。將生成的水流方向文件命名為fdirfill。在得到水流方向之后，可以利用水流方向數據來計算匯流累積量。 （1） 在Input flow direction raster文本框中，選擇由無洼地DEM生成的水流方向柵格數據fdirfill。（3） 在Input weight raster文本框中輸入配權數據，配權數據一般是表示降水、土壤以及植被等對徑流影響的因素分布不平衡而形成的，更能詳細模擬該區(qū)域的地表特征。 （4） 點擊OK，完成計算。圖38 計算出來的匯流累積量顯示圖 溝谷網絡的生成和提取基于DEM 的水文分析，其中一個目的就是以DEM 數據為基礎，經過一些計算和處理而得到地表的水流網絡?；谏鲜鏊枷?，當匯流量達到一定值的時候，就會產生地表水流，那么所有那些匯流量大于那個臨界數值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構成的網絡，就是溝谷網絡。2. 設定閾值。閾值的設定應遵循科學、合理的原則。所以，在設定閾值時，應充分對研究區(qū)域和研究對象進行分析，通過不斷的實驗和利用現有地形圖等其它數 據輔助檢驗的方法來確定能滿足研究需要并且符合研究區(qū)域地形地貌條件的合適的閾值。柵格溝谷網絡的生成是利用map algebra 工具集中的multi map output 工具中的con命令或者setnull命令計算的，他們都是基于柵格進行有條件的查詢并將查詢結果賦予新的柵格數據中。柵格河網的生成是利用設定一個河網生成閾值，也可以利用ArcMap中的Spatial Analysis 分析模塊下的 Raster Calculator來計算出所有大于設定閾值的柵格，這些柵格就是溝谷網絡的潛在位置。4. 柵格溝谷網絡矢量化。柵格數據的矢量化時，選擇的是最短的路線繪制成線。在Input stream raster文本框中，選擇streamnet；在Input flow direction raster文本框中，輸入由無洼地計算出來的水流方向數局fdirfill；在Output polyline features文本框中將輸出的數據命名為streamfea。 圖39 生成的矢量河網顯示圖 溝谷網絡分級的生成溝谷網絡分級是對一個線性的河流網絡進行分級別的數字標識。而基于DEM提取的河網的分支具有一定的水文意義。溝谷網絡的分級同樣可以研究水流的運動、匯流模式，對于水土保持等也具有重要的意義。 如下圖所示，對于Strahler 分級來說，它是將所有河網弧段中沒有支流河網弧段分為第1 級，兩個1 級河網弧段匯流成的河網弧段為第2 級，如此下去分別為第3 級，第4 級， 一直到河網出水口。對于Shreve 分級而言，其第1級河網的定義 與Strahler分級是相同的，所不同的是以后的分級，兩條1級河網弧段匯流而成的河網弧段為2級河網弧段，那么對于以后更高級別的河網弧段，其級別的定義是由其匯入河網弧段的級別之和，如圖所示，當一條3級河網弧段和一條4級河網弧段匯流而成的新的河網弧段的級別就是7，那么這種河網分級到最后出水口的位置時，其河網的級別數剛好是該河網中所有的1級河網弧段的個數。 2. 雙擊hydrology工具集中的stream order工具，彈出stream order計算的對話框。 分別用Strahler分級和Shreve分級對河網進行分級，改輸出數據名稱分別設為Streamostr和Streamoshr，單擊OK完成。4 不同空間區(qū)域的溝谷網絡特征分析 基于分級溝谷網絡提取基本信息數據 收集分級與數目，匯流累積量三者的數據對所有地區(qū)的的DEM 數據進行strahler和shreve兩種分級后就進行數據的采集過程了，一共8個區(qū)域的DEM數據分別統(tǒng)計溝谷網絡分級后一個有多少個級別，每個級別的溝谷數目是多少，以及內個級別的平均匯流累計量是多少然后進行統(tǒng)計分析。每種分級的溝谷的數目需要選取每一級別然后從圖中再找出來。匯流累計量數據的提取的是選取一段河流，該段河流匯流量的最大之就是該段河流的匯流累積量。 = 編號7 y = R178。 = 編號5 y = R178。 = 編號3 y = R178。 = 編號1 y = R178。證明了河網分級與每個等級河道數目之間強烈的對應關系。strahler分級中等級和匯流累積量之間的關系1： y = R178。 = 3： y = R178。 = 5： y = R178。 = 7： y = R178。 = 同時對方程左右兩邊求對數得：1： lny = +2： lny = +3： lny = +4： lny = +5： lny = +6： lny = +7： lny = +8： lny = +圖42 strahler分級中等級和平均匯流量之間的關系首先，由于各個方程的R178。將原方程全部取對數后可以發(fā)現LnY 與X之間的線性關系強烈，并且山東等地區(qū)的斜率較小，二南方等地區(qū)的斜率較大。 = N24E116 y = R178。 = N28E101 y = R178。 = N36E112 y = R178。 = N43E117 y = R178。而在山西等地區(qū)流量變化較小，水流變化不明顯。5 結論和相關問題分析在論文研究中，取得的主要成果有：獲取了不同區(qū)域DEM數據，根據論文研究的需要，完成了DEM數據的格式、投影轉換等預處理操作；運用GIS的追蹤分