Упражнение 15 Цифровое моделирование рельефа

Скачать данные и файл отчета

15.1 Введение

Цель — научиться на основе цифровой модели рельефа выделять водотоки и их водосборные бассейны в автоматическом режиме. Осуществлять расчет статистики по высотам в рамках выделенных бассейнов

Параметр	Значение
Теоретическая подготовка	Растровая модель пространственных данных. Цифровые модели рельефа (ЦМР) и их типы, построение ЦМР, построение производных поверхностей (углы наклона, направление тока, площадь водосбора). Гидрологический анализ ЦМР и его принципы.
Практическая подготовка	Знание основных компонент интерфейса ArcGIS Desktop (каталог, таблица содержания, карта). Настройка символики и подписей объектов. Создание базы геоданных и классов пространственных объектов. Инструменты геообработки ArcToolbox. Создание компоновки карты: название легенда, масштаб, градусная сетка.
Исходные данные	Цифровая модель рельефа по данным топографической карты масштаба 1:200 000.
Результат	Карта водотоков и их водосборных бассейнов, построенная по ЦМР, с указанием средней высотой каждого бассейна.
Ключевые слова	Цифровая модель рельефа, гидрологический анализ ЦМР.

15.1.1 Контрольный список

• Добавить на карту цифровую модель рельефа и визуализировать ее методом послойной окраски
• Построить растр направлений тока
• Построить растр площади водосбора
• Выделить тальвеги путем запроса
• Присвоить тальвегам порядок по методу Стралера
• Векторизовать тальвеги
• Получить устья тальвегов
• Разделить устья впадающих водотоков
• Привязать полученные точки к растру аккумуляции тока
• Построить водосборные бассейны
• Конвертировать полученные бассейны в векторный вид
• Рассчитать статистику по высотам в пределах бассейнов
• Привязать рассчитанную статистику к площадям бассейнов
• Подписать бассейны по значению средней высоты
• Завершить оформление карты в режиме компоновки

15.1.2 Аннотация

Цифровые модели рельефа играют важную роль в гидрологическом и геоморфологическом анализе. Одно из основных приложений ЦМР, позволивших значительно упростить анализ речных систем, — это автоматизированное построение водосборов и расчет их морфометрических характеристик.

В задании вам предстоит автоматически выделить тальвеги и водосборы по цифровой модели рельефа. Тальвеги будут классифицированы вами согласно их порядкам, а для каждого бассейна определена средняя высота. Задание завершается оформлением карты в режиме компоновки.

15.2 Оформление данных

В начало упражнения ⇡

1. Скопируйте каталог Ex15 в свою папку.

2. Подключитесь в окне каталога к вашей папке Ex15. Убедитесь, что в ней находится база геоданных Ex15.gdb.

3. Используя контекстное меню базы данных, назначьте ее базой данных по умолчанию.

4. Добавьте на карту слой dem. Это цифровая модель рельефа в растровом формате.

5. Измените оформление слоя следующим образом:

   Параметр	Значение
   Способ отображения	Classified
   Интервал	С равным шагом (Defined Interval), сечение 20 м.
   Цветовая шкала	Scale_termo2:

   Диалог примет следующий вид:

   

6. Измените красный цвет шкалы на оранжевый. Для этого в контекстном меню цветовой шкалы выберите команду Properties…. В появившемся диалоге дважды щелкните на бело-красном градиенте и замените красный цвет на оранжевый Electron Gold:

   

7. Завершите настройку шкалы, нажав ОК и еще раз ОК.

8. Измените сортировку значений на вкладке Symbology таким образом, чтобы вверху оказались самые большие высоты. Нажмите ОК, чтобы закрыть диалог настройки слоя.

9. Измените название слоя dem на «Послойная окраска».

10. Дополнительно к послойной окраске постройте горизонтали, чтобы усилить пластику рельефа. Для этого запустите инструмент геообработки Spatial Analyst Tools > Surface > Contour и заполните его параметры следующим образом:

    Параметр	Значение
    Input Raster	Послойная окраска
    Output Polyline Features	…\Ex15\Ex15.gdb\contours
    Contour interval	20

    Величина сечения рельефа указывается в параметре Contour Interval. Остальные параметры оставьте по умолчанию и нажмите ОК. Полученный слой будет добавлен на карту.

11. Переименуйте слой в «Горизонтали» и измените его оформление следующим образом:

    Параметр	Значение
    Цвет линии	Черный
    Толщина линии	0,2
    Прозрачность	90%

    Изображение примет следующий вид:

    

Снимок экрана №1. Изображение рельефа методом горизонталей с послойной окраской

Сохраните документ карты в свою папку Ex15 под именем Ex15_DemAnalysis.mxd.

15.3 Направление тока

В начало упражнения ⇡

Растр направления тока показывает в каждой ячейке направление максимального уклона. Он необходим для построения водосборных бассейнов и прочих задач гидрологического и морфометрического анализа.

Для построения растра направлений тока запустите инструмент Spatial Analyst Tools > Hydrology > Flow Direction и заполните его параметры следующим образом:

Параметр	Значение
Input Raster	Послойная окраска
Output flow direction raster	…\Ex15\Ex15.gdb\dir

Нажмите ОК. Полученный слой будет добавлен на карту:

Снимок экрана №2. Растр направления тока

15.4 Водосборная площадь (аккумуляция тока)

В начало упражнения ⇡

Растр аккумуляции тока в каждой ячейке хранит количество ячеек, дренируемых выше по склону. Фактически, это число показывает водосборную площадь для каждой ячейки. Площадь водосбора необходима для автоматического выделения водотоков (тальвегов) по цифровой модели рельефа.

1. Для построения растра аккмуляции тока запустите инструмент Spatial Analyst Tools > Hydrology > Flow Accumulation и заполните его параметры следующим образом:

   Параметр	Значение
   Input Raster	dir
   Output flow accumulation raster	…\Ex15\Ex15.gdb\acc

   Нажмите ОК. Полученный слой будет добавлен на карту.

2. Чтобы сделать отображение растра аккумуляции тока более наглядным, откройте его свойства и на вкладке Symbology измените растяжку гистограммы на метод Histogram Equalize (Выравнивание гистограммы):

   

   Картографическое изображение примет следующий вид:

   

Снимок экрана №3. Растр аккумуляции тока

15.5 Выделение и классификация водотоков

В начало упражнения ⇡

Выделение тальвегов осуществляется на основе растра аккумуляции тока. Вы просто задаете запрос следующего вида: «Водотокам принадлежат те пикселы, в которых значение аккумуляции тока больше заданной величины. Остальные пикселы сделать пустыми».

1. Для реализации этого запроса используйте инструмент Spatial Analyst > Conditional > Set Null со следующими параметрами:

   Параметр	Значение
   Input Conditional Raster	acc
   Expression Value	VALUE < 2000
   Input false raster or constant value	1
   Output raster	…\Ex15\Ex15.gdb\str

   По результатам выполнения данного инструмента будут выделены все водотоки, в которых значение аккумуляции тока более 2000.

2. Измените цвет полученных пикселов на белый, чтобы они были хорошо видны. Изображение примет следующий вид:

   

   Снимок экрана №4. Водотоки, полученные по растру аккумуляции тока

   Полученные водотоки можно ранжировать по порядкам.

   При упорядочении водотоков методом Стралера номер порядка увеличивается только в том случае, когда встречаются водотоки одного порядка. Водотоки, которые не имеют притоков, имеют порядок равный 1.

3. Запустите инструмент Spatial Analyst Tools > Hydrology > Stream Order и заполните его параметры следующим образом:

   Параметр	Значение
   Input Stream Raster	str
   Input Flow Direction Raster	dir
   Output raster	…\Ex15\Ex15.gdb\strorder
   Method of Stream Ordering	STRAHLER

   Нажмите ОК, чтобы запустить инструмент. Растр классифицированных водотоков будет добавлен на экран. Если все выполнено верно, расцветка водотоков должна соответствовать их порядкам от 1 до 4.

   

   Снимок экрана №5. Водотоки, классифицированные методом Стралера

15.6 Векторизация водотоков

В начало упражнения ⇡

1. Для получения векторных линий водотоков воспользуйтесь инструментом Spatial Analyst Tools > Hydrology > Stream to Feature и заполните его параметры согласно следующей таблице:

   Параметр	Значение
   Input Stream Raster	strorder
   Input Flow Direction Raster	dir
   Output Polyline Features	…\Ex15\Ex15.gdb\streams
   Simplify Polylines	Да

   После запуска инструмента в таблицу содержания будут добавлены векторные линии водотоков.

2. Переименуйте полученный слой в Водотоки.

3. Визуализируйте водотоки в соответствии с их порядками от 1 до 4. Для этого настройте отображение слоя следующим образом:

   Параметр	Значение
   Способ отображения	Категории (Categories—Unique Values)
   Поле отображения (Value Field)	grid_code (в нем хранится порядок водотока после векторизации)
   Цвет линий	Steel Blue
   Толщина линий	1, 1.5, 2 и 3 пункта

   Диалог настройки отображения слоя должен выглядеть примерно следующим образом:

   

4. Нажмите ОК, чтобы применить настройки символики.

5. Измените название поля классификации в легенде с grid_code на «Порядок».

6. Отключите все слои, кроме слоев Водотоки, Горизонтали и Послойная окраска.

У вас должно получиться следующее картографическое изображение:

Снимок экрана №6. Классифицированные векторные линии водотоков

Сохраните документ карты.

15.7 Выделение и разделение устьевых точек

В начало упражнения ⇡

Водосборный бассейн в рабочем процессе гидрологического анализа ЦМР строится для одной точки. Если в качестве точки выбрать устье реки, то полученный бассейн будет соответствовать бассейну всей реки. Однако если устье является точкой слияния двух водотоков, будет построен бассейн, общий для обоих водотоков. Проблему можно решить, немного сдвинув конечные точки водотоков выше по течению. Для этого можно использовать следующую последовательность действий:

• Получить конечные точки водотоков (устья)

• Построить вокруг точек небольшие буферные зоны радиусом в 2R, где R — размер ячейки растра ЦМР (разрешение ЦМР)

• Полученными зонами обрезать исходные линии водотоков, таким образом их несколько укоротив

• Получить обновленные конечные точки водотоков, которые не совпадают для каждой пары сливающихся притоков.

Приведенная последовательность действий является классическим примером интерпретации задачи в терминах инструментов ГИС-анализа.

1. Запустите инструмент Data Management Tools > Features > Feature Vertices to Points со следующими параметрами:

   Параметр	Значение
   Input Features	Водотоки
   Output Feature Class	…\Ex15\Ex15.gdb\streams_ends
   Point Type	END (конечные точки)

2. Приблизьтесь к одной из точек слияния водотоков, пока не станут видны отдельные пикселы, чтобы внимательно наблюдать за тем, что будет происходить дальше.

   

3. Запустите инструмент Analysis Tools > Proximity > Buffer, который отвечает за построение буферных зон. Заполните его параметры следующим образом:

   Параметр	Значение
   Input Features	streams_ends
   Output Feature Class	…\Ex15\Ex15.gdb\streams_ends_Buffer
   Distance (Linear Unit)	200

   В таблицу содержания будут добавлены буферные зона вокруг устьев водотоков:

   

4. Обрежьте водотоки с помощью инструмента Analysis Tools > Overlay > Erase. Разберитесь самостоятельно, какие слои следует подставить в параметры Input Features и Erase Features. Назовите выходной слой streams_Erase.

   Отключите временно слои Водотоки и streams_ends_Buffer, результат будет выглядеть следующим образом:

   

5. Воспользовавшись снова инструментом Data Management Tools > Features > Feature Vertices to Points, постройте конечные точки для обрезанных водотоков. Будьте внимательны при выборе типа точек (параметр Point type). Назовите выходной класс streams_Erase_ends.

   Результат должен выглядеть примерно следующим образом:

   

   Снимок экрана №7. Точки слияния, смещенные выше по течению

6. Сохраните документ карты.

15.8 Построение водосборных бассейнов

В начало упражнения ⇡

Построение водосборных бассейнов состоит из трех операций: * привязка точек устья к растру аккумуляции тока, * проведение границ водосборов в растровом режиме, * векторизация бассейнов.

1. Запустите инструмент Spatial Analyst Tools > Hydrology > Snap Pour Point и заполните его параметры следующим образом:

   Параметр	Значение
   Input raster	streams_Erase_ends
   Input accumulation raster	acc
   Output raster	…\Ex15\Ex15.gdb\pour
   Snap Distance	100

   Остальные параметры оставьте по умолчанию. Параметр Snap distance указывает радиус поиска, в пределах которого вокруг каждой заданной точки устья будет искаться ячейка с максимальной аккумуляцией тока. В данном случае он равен 100 метрам — разрешению ЦМР.

   После выполнения инструмента в окрестности каждой точки появится привязанный пиксел:

   

2. Для построения границ водосборных бассейнов запустите инструмент Spatial Analyst Tools > Hydrology > Watershed и заполните его параметры следующим образом:

   Параметр	Значение
   Input flow direction raster	dir
   Input raster or feature pour point data	pour
   Pour point field	Value
   Output raster	…\Ex15\Ex15.gdb\wsh

   Полученный растр будет добавлен на экран, вы можете его расцветить в уникальных цветах, чтобы границы бассейнов хорошо читались:

   

   Снимок экрана №8. Растровый слой водосборных бассейнов

3. Конвертируйте полученные бассейны в векторные полигоны. Для этого запустите инструмент Conversion Tools > From Raster > Raster to Polygon со следующими параметрами:

   Параметр	Значение
   Input raster	wsh
   Field	Value
   Output polygon features	…\Ex15\Ex15.gdb\watersheds
   Simplify polygons	Да

4. Переименуйте полученный слой в «Водосборные бассейны» и измените его символ на тонкую красную линию без заливки.

5. Оставьте включенными следующие слои:

   • Водотоки
   • Водосборные бассейны
   • Горизонтали
   • Послойная окраска

6. Установите масштаб равным 1:400 000. Картографическое изображение примет следующий вид:

   

   Снимок экрана №9. Векторный слой водосборных бассейнов

15.9 Расчет, привязка и визуализация статистики по водосборным бассейнам

В начало упражнения ⇡

В пределах границ водосборных бассейнов возможно рассчитать различную статистику по данным ЦМР. Вам предлагается рассчитать статистику по высотам. Далее эту статистику необходимо присоединить к исходному слою бассейнов.

1. Запустите инструмент Spatial Analyst Tools > Zonal > Zonal Statistics as Table со следующими параметрами:

   Параметр	Значение
   Input raster or feature zone data	Водосборные бассейны
   Zone Field	Id
   Input Value Raster	Послойная окраска
   Output Table	…\Ex15\Ex15.gdb\stats
   Statistics Type	ALL

2. Откройте полученную таблицу, чтобы ознакомиться с ее содержимым:

Снимок экрана №10. Таблица статистики высот по водосборным бассейнам

1. Присоедините статистические данные к исходному слою с помощью инструмента Data Management Tools > Joins > Join Field со следующими параметрами:

   Параметр	Значение
   Input table	Водосборные бассейны
   Input join field	Id
   Join table	stats
   Output join field	ID
   Join fields	Выделите все поля (кнопка Select All)

   Диалог инструмента примет следующий вид:

   

   Нажмите ОК, чтобы запустить соединение таблиц. После выполнения инструмента, откройте атрибутивную таблицу слоя Водосборные бассейны, чтобы убедиться, что расчетные столбцы были добавлены:

   

2. Включите подписи слоя Водосборные бассейны по полю MEAN (средняя высота в пределах бассейна)

3. Чтобы избавиться от лишних значащих цифр, откройте таблицу слоя Водосборные бассейны и выберите в контекстном меню заголовка столбца MEAN команду Properties (свойства поля):

   

4. В открывшемся диалоге нажмите кнопку Numeric… и установите в окне Number Format округление до 1 знака после запятой:

   

   Если все выполнено верно, на карте должны быть подписаны средние высоты по каждому бассейну:

   

   Снимок экрана №11. Средние высоты водосборных бассейнов

5. Сохраните документ карты.

15.10 Оформление итоговой карты

В начало упражнения ⇡

1. Установите масштаб карты равным 1:500 000

2. Переключитесь в режим компоновки

3. Измените ориентировку листа на альбомную

4. Добавьте на карту численный масштаб и заголовок «Водотоки разных порядоков и их водосборные бассейны».

5. Добавьте легенду со следующими слоями: Водотоки, Водосборные бассейны и Послойная окраска.

6. Добавьте пометку «Для каждого бассейна указана средняя высота в метрах над уровнем моря»

7. Приведите внешний вид карты в соответствии с рисунком:

   

8. Полученную карту вставьте в отчет.

9. Сохраните документ карты.

15.11 Контрольные вопросы

В начало упражнения ⇡

1. Что представляет растр направления тока?

2. Что представляет собой растр аккумуляции тока?

3. Как можно выделить водотоки по растру аккумуляции тока?

4. Как получаются порядки рек методом Стралера?

5. После того как выделены водотоки, какую последовательность действий нужно выполнить, чтобы построить для них границы бассейнов?

6. Как можно рассчитать статистику по бассейнам? Опишите последовательность действий.