一種基于ArcGIS的平原地區(qū)水系特征評價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水利工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于ArcGIS的平原地區(qū)水系特征 評價(jià)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 平原水系的發(fā)育受人類活動(dòng)干擾強(qiáng)烈，水系發(fā)育已經(jīng)違背了自然水系的發(fā)育規(guī) 律，且難以像自然水系用DEM自動(dòng)提取河網(wǎng)一樣提取水系并進(jìn)行分級，從而導(dǎo)致平原地區(qū) 河流數(shù)量、長度的統(tǒng)計(jì)難以進(jìn)行。
[0003] 現(xiàn)有的平原地區(qū)水系結(jié)構(gòu)定量方法多樣而統(tǒng)一性欠缺。平原河網(wǎng)區(qū)高程差別較 小，無明顯的上下游之分，水系一般縱橫交錯(cuò)呈網(wǎng)格狀，水系的分布和結(jié)構(gòu)（或格局）難以 直接用傳統(tǒng)的地貌學(xué)分級方法加以描述。從已有的文獻(xiàn)看，目前水系結(jié)構(gòu)定量方法主要有 水面率、河面率、河網(wǎng)密度、河流頻度、河流發(fā)育系數(shù)、河網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度、河網(wǎng)復(fù)雜度、河流 (鏈）曲度、長度比、分支比、盒維數(shù)、Horton維數(shù)等指標(biāo)。定量的方法因研究區(qū)地形特點(diǎn)、 河網(wǎng)數(shù)據(jù)的獲取途徑不同而有差異。
[0004] -些表征自然水系結(jié)構(gòu)的指標(biāo)被較直接地應(yīng)用到平原水系中。如長度比、分支比 和Horton維數(shù)。長度比、分支比等指標(biāo)的設(shè)立是基于自然水系各級別長度和數(shù)量具有指數(shù) 變化的特征，而自然水系的級別劃分（如Stralher分級）是基于水系發(fā)育自上游開始到下 游級別增加，河道變寬和河長變大這一規(guī)律。而平原水系由于其地貌特征和形成的原因與 自然水系（如樹枝狀水系）有很大的不同，借用自然水系結(jié)構(gòu)指標(biāo)能夠一定程度上定量平 原區(qū)水系結(jié)構(gòu)特征，但廣泛的使用還需要進(jìn)一步的理論分析和實(shí)踐驗(yàn)證。
[0005] 指標(biāo)的低效重復(fù)現(xiàn)象。如河網(wǎng)分維數(shù)與河網(wǎng)密度有顯著相關(guān)。如何選擇一些少而 精的指標(biāo)，既能減少大量的指標(biāo)帶來的低效分析，又能充分的表現(xiàn)平原地區(qū)水系結(jié)構(gòu)的特 點(diǎn)和變化，是目前水系結(jié)構(gòu)研究迫切需要?dú)w納總結(jié)的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種充分表現(xiàn)平原地區(qū)水系結(jié)構(gòu)的 特點(diǎn)和變化，評價(jià)效率高的基于ArcGIS的平原地區(qū)水系特征評價(jià)方法。
[0007] 本發(fā)明技術(shù)方案為提供一種基于ArcGIS的平原地區(qū)水系特征評價(jià)方法，包括如 下步驟：
[0008] 步驟1 :對紙質(zhì)地形圖掃描，并基于ArcMAP進(jìn)行配準(zhǔn)、投影，得到有地理坐標(biāo)系和 投影的圖片；
[0009] 步驟2 :將步驟1所得圖片根據(jù)水系分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水系分級，對各級水系分別進(jìn)行 數(shù)字化，所述水系分級標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)河寬進(jìn)行分級，所述水系分級包括主干河道、一級支流、二 級支流三個(gè)等級；且其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為：d彡20m、20m > d彡IOm和d < 10m，d為河寬；根據(jù) 水系分級，在ArcCatalog中分別建立各級水系圖層，對步驟1所得圖片進(jìn)行數(shù)字化，數(shù)字化 結(jié)束后進(jìn)行拓?fù)湫拚玫綌?shù)字平原河網(wǎng)圖；
[0010] 步驟3 :根據(jù)水系結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)，賦予步驟2所得數(shù)字平原河網(wǎng)圖的水系結(jié)構(gòu)特 征的水系特征參數(shù)；所述水系結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)為：一般特征、結(jié)構(gòu)特征、復(fù)雜性特征；所述一 般特征的參數(shù)包括河網(wǎng)密度和水面率，所述結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)包括河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)和面積長度 比，所述復(fù)雜性的參數(shù)包括盒維數(shù)；
[0011] 步驟4 :根據(jù)步驟2所得數(shù)字平原河網(wǎng)圖和步驟3所得水系特征參數(shù)對平原水系 進(jìn)行綜合評價(jià)。
[0012] 優(yōu)選的，上述的基于ArcGIS的平原地區(qū)水系特征評價(jià)方法中，所述紙質(zhì)地形圖為 1:5萬比例的紙質(zhì)地形圖時(shí)，一級支流河寬為15m，二級支流河寬為5m。
[0013] 優(yōu)選的，上述的基于ArcGIS的平原地區(qū)水系特征評價(jià)方法中，所述結(jié)構(gòu)特征的參 數(shù)還包括面積長度比。
[0014] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明技術(shù)方案對目前已使用過的平原地區(qū)水系結(jié)構(gòu)定量方 法從參數(shù)的含義、敏感性等方面進(jìn)行理論分析，比較各參數(shù)之間的異同和聯(lián)系，找出獨(dú)立變 量因子，減少多個(gè)參數(shù)之間表達(dá)重復(fù)的可能性。以往評價(jià)方法里采用數(shù)十項(xiàng)指標(biāo)，整個(gè)過程 比較繁瑣，而本發(fā)明通過5個(gè)指標(biāo)，其中面積長度比是本發(fā)明的新指標(biāo)，這樣可以全面系統(tǒng) 地表達(dá)平原河網(wǎng)的水系特征、水文特征。與以往的繁雜重復(fù)的指標(biāo)相比較，本發(fā)明的評價(jià)方 法更具系統(tǒng)性和科學(xué)性。
[0015] 本發(fā)明技術(shù)方案中的水系分級根據(jù)平原地區(qū)水系呈網(wǎng)格狀且受人為影響較大的 特征，根據(jù)河寬進(jìn)行分析，與以往的根據(jù)水系匯流特征（如Stralher分級）相比較，更符合 實(shí)際。水系指標(biāo)之間相互獨(dú)立，體系兼顧形態(tài)、數(shù)量、組成結(jié)構(gòu)、復(fù)雜性等特征，以最少的指 標(biāo)充分表征平原地區(qū)的水系特征。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的數(shù)字水系圖獲取流程圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的平原河網(wǎng)水系特征評價(jià)圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的實(shí)施例1的太湖流域杭嘉湖地區(qū)的分幅地形圖。
[0019] 圖4為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的實(shí)施例1的太湖流域杭嘉湖地區(qū)的分幅地形圖數(shù)字 化結(jié)果圖。
[0020] 圖5為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的實(shí)施例1的太湖流域杭嘉湖地區(qū)水系圖；
【具體實(shí)施方式】
[0021] 為詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實(shí)現(xiàn)目的及效果，以下結(jié)合實(shí)施方式 并配合附圖詳予說明。
[0022] 本發(fā)明關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)思在于：現(xiàn)有技術(shù)平原地區(qū)水系評價(jià)方法里采用數(shù)十項(xiàng)指標(biāo)， 整個(gè)過程比較繁瑣，而本發(fā)明通過5個(gè)指標(biāo)，全面系統(tǒng)地表達(dá)平原河網(wǎng)的水系特征、水文特 征。
[0023] 請參閱圖1和圖2,本發(fā)明提供一種基于ArcGIS的平原地區(qū)水系特征評價(jià)方法，包 括如下步驟：
[0024] 步驟1 :對紙質(zhì)地形圖進(jìn)行掃描得到tiff格式圖片，在ArcGIS9.x以上平臺 ArcMAP中進(jìn)行地形圖圖片的配準(zhǔn)、投影，得到有地理坐標(biāo)系和投影的圖片；
[0025] 步驟2 :將步驟1所得地形圖圖片根據(jù)水系分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級，得根據(jù)水系分級標(biāo) 準(zhǔn)繪制的地形圖，所述水系分級標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)河寬進(jìn)行分級，所述水系分級包括主干河道、一級 支流、二級支流三個(gè)等級；且其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為：d彡20m、20m > d彡IOm和d < 10m，d為河 寬；
[0026] 根據(jù)上述水系分級，在ArcCatalog中分別建立各級水系圖層，分別對步驟1中的 圖片進(jìn)行數(shù)字化，數(shù)字化結(jié)束后進(jìn)行拓?fù)湫拚?，得到?shù)字平原河網(wǎng)圖；
[0027] 步驟3 :根據(jù)水系結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)，賦予步驟2所得數(shù)字平原河網(wǎng)圖的水系結(jié)構(gòu)特征 的水系特征參數(shù)；所述水系結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)為：一般特征、結(jié)構(gòu)特征、復(fù)雜性特征三類；所述 一般特征的參數(shù)包括河網(wǎng)密度和水面率，所述結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)包括河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)和面積長 度比，所述復(fù)雜性的參數(shù)包括盒維數(shù)；
[0028] 步驟4 :根據(jù)步驟2所得數(shù)字平原河網(wǎng)圖和步驟3所得水系特征參數(shù)對平原水系 進(jìn)行綜合評價(jià)。
[0029] 本發(fā)明將平原水系劃分為一般特征、結(jié)構(gòu)特征、復(fù)雜性特征等進(jìn)行描述：
[0030] -般特征的參數(shù)包括河網(wǎng)密度和水面率兩個(gè)參數(shù)。河網(wǎng)密度（Dr)即流域單位面 積上的河流總長度（Lr)，也就是水系總長與水系分布的面積的比值（式（1))。河網(wǎng)密度的 大小與一個(gè)地區(qū)的氣候、巖性、土壤、植被覆蓋等自然環(huán)境以及人類改造自然的各種措施有 關(guān)。流域河網(wǎng)密度大，表示流域分割強(qiáng)度大，對降水的蓄積能力強(qiáng)，而河網(wǎng)密度低則流域水 量調(diào)蓄能力較弱。水面率（Wp)是指河道和湖泊等水體多年平均水位下的水面積（Aw)占區(qū) 域總面積（A)的比例（式（2))，是河流水系分析中的常用指標(biāo)。
[0031] 結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)包括河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)（〇和河流面積長度比（RiJ兩個(gè)參數(shù)。支流 發(fā)育系數(shù)（Ku，ω = 1，2，……）是各級支流河流長度與主干河流長度的比值，表示各級支 流的發(fā)育程度。本發(fā)明用一級支流總長度（L1)和二級支流總長度（L2)之和與主干河流總 長度的比值表示河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)（K1,2)(式（3))。主干河流面積長度比（IV)是流域內(nèi)主干 河流的面積（Α。）與河流的總長度（L。）比值（式（4))，面積長度比越大，表明單位河長的河 流面積越大，河流過水能力增強(qiáng)，反之面積長度比小，河道束窄，過水能力變?nèi)酢?br>[0032] 復(fù)雜性特征參數(shù)用河網(wǎng)盒維數(shù)（D。）表示。盒維數(shù)將河網(wǎng)看作一個(gè)整體，統(tǒng)計(jì)河 網(wǎng)的復(fù)雜性，方法簡便。盒維數(shù)（D。）是應(yīng)用最多的分維數(shù)之一。其計(jì)算過程是用邊長為r 的盒子（或網(wǎng)格）覆蓋河網(wǎng)，其中有些盒子里有河流，有些盒子里沒有河流，統(tǒng)計(jì)有河流盒 子的數(shù)目，記為Dw。變換盒子的尺寸，這樣得到一系列Dw。當(dāng)r - 0時(shí)，得到盒維數(shù)（式

[0038] 實(shí)施例1
[0039] -種基于ArcGIS的平原地區(qū)水系特征評價(jià)方法，步驟為：
[0040] (A)獲取研究區(qū)域河網(wǎng)水系數(shù)據(jù)
[0041] AU掃描和配準(zhǔn)。對研究區(qū)1:5萬分幅地形圖進(jìn)行掃描，精度大于300dpi。在 ArcMap中加載掃描圖，圖層顯示設(shè)置為度（Degrees Decimal Minutes)，按照地形圖上坐標(biāo) 進(jìn)行配準(zhǔn)，導(dǎo)出（rectify)成tiff圖。在ArcCat