ARCINFO在流域水文分析中的应用

ARC/INFO在山区水文分析中的应用杨忠平，卢文喜，赵军海(吉林大学 环境与资源学院，吉林 长春 130026)摘要：将地理信息系统(GIS)与流域研究相结合。

首先建立了吉林某山区的数字高程模型(DEM)，然后运用ARC/INFO中的表面分析功能，实现了GIS在流域水文分析中的应用。

对所建立的山区DEM模型进行坡度、坡向、流线和流域等分析，并在此基础上预测降水的汇流方向，计算流域面积，取得了较好效果。

关键词：GIS，ARC/INFO，水文分析，流域1 引言地理信息系统（GIS，Geographical Information System）是对空间数据进行采集、编辑、存储管理、查询分析、显示制图、综合应用等处理的综合性技术。

它以计算机软、硬件为基础，是人类对客观世界中具有空间特征的事物、关系和过程进行描述、模拟、分析和优化，进而利用所得到的规律指导人类改造客观世界的一种强有力的工具[1]。

目前，GIS技术已广泛应用于流域开发与规划管理当中。

首先，GIS已成为体现流域水资源区域性、空间性与动态性特点的技术保证之一。

在GIS信息稠密的背景下，使水资源研究的高度综合与深入分析的协调统一成为可能。

其次是强化了动态分析功能。

GIS已具备了分析流域水的汇集演变过程和描述未来变化趋势的能力。

再次是提高了可视化技术在流域开发、规划管理领域中的地位和作用。

生动直观的图形图像不仅是研究成果的主要表现形式，也是重要的研究手段和研究成果实用化的有效途径[2]。

将ARC/INFO和数字高程模型(DEM)相结合运用到实际中，对一个特定的区域进行坡度、坡向、流线和流域等分析。

由于坡度和坡向是对区域山地的一般属性分析，这里只做简单的介绍。

本文的重点在于基于DEM模型运用ARC/INFO的表面分析功能对山区进行降雨流线分析和流域汇水面积的计算，这对于环境规划（进行污染源的追踪分析），划分流域范围，计算降雨总量，对水情的观察和预报都有着非常重要的实际意义和应用价值。

2 数字高程模型(DEM)的建立2.1 绘制等高线数字底图2.1.1数据输入空间资料的输入可以采用平板数字化、HEADS-UP数字化等多种输入方法。

本文以《吉林省国土资源地图集》为基础，绘制小区域山区地形图，用扫描仪输入计算机中，作为底层，再新建COVERAGE，描绘及输入图层中的各项信息。

2.1.2 建立一组配准点TIC为了把COVERAGE配准到对应的地面上，我们必须从源地图上获取一些坐标值已知的配准点，并且储存为X，Y值(地面位置)。

TIC点的位置应该包含整个区域，图层的叠加是以TIC点为对应点的。

2.1.3 创建主控COVERAGE创建一个主控TIC COVERAGE最少包括四个TIC点，且要包含整个区域。

为方便实现图层的迭加，在创建其它的COVERAGE时，也要用相同的TIC点。

2.1.4 建立拓扑关系尽管高程和ID输入了ARC/INFO，但地理数据库并没有完全建立，直到拓扑关系的建立和检验错误步骤完成之后，这个数据库才真正有用。

不管创建新的COVERAGE，还是对一个已经存在的COVERAGE进行空间信息的修改(添加、删除或移动)，都必须以建立拓扑关系为基础。

创建拓扑关系可用两种方法：BUILD和CLEAN。

两者的区别在于CLEAN命令能完成BUILD 命令所无法完成的拓扑工作；但CLEAN命令会给你的编辑的区域引入一些误差，相当于加上或减去了在COVERAGE编辑的区域中指定的FUZZY的容量值。

本文用的是CLEAN命令。

2.1.5属性编辑和显示新建的COVERAGE经过拓扑以后，就可以对具有不同属性的点、弧或多边形等进行属性编辑。

在点、弧或多边形的编辑环境下，先定义属性的名称，再对该点、弧或多边形属性进行赋值。

当需要在同一COVERAGE中的某个点、弧或多边形包括多项属性时，只须对其多次定义就可以了。

根据点、弧或多边形的不同属性可以将它们用不同的颜色或标志显示出来，也可以将它们的属性直接标识在图层中，给人以量化的结果。

当多张COVERAGE迭加时，防止点和弧的属性在标识的时候相互重迭，不利于查看，可以选择不同的属性文字显示位置。

一般的，多边形的属性标识在该多边形的几何中心的四周。

属性的编辑和显示是以后进行迭置分析和要素提取的重要前提，在设置点、弧或多边形的属性时，要注意与所需要显示颜色相吻合。

而且，多张COVERAGE中点、弧或多边形的显示形式要统一、协调，这样才有利于编辑和查看。

通过以上步骤，等高线数字化底图便制作完成。

2.2 TIN模型的建立在已建立的山区等高线数字底图的基础上，建立TIN模型。

TIN模型的生成主要是通过TIN模块实现的。

建立表面模型的资料源很多，TIN模块中，由等高线直接生成TIN模型比较简单，本文便采用这种方法建立TIN模型(见图1)。

栅格模型建立的方法很多，总的来说有插值法和转换法两种。

本文采用转换法将TIN 资料格式转换为栅格模型。

图1 山区立体TIN图图2 DEM高程图2.3 DEM模型的建立ARC/INFO中，在建立了TIN模型之后，先将图层由GRID格式（或TIN格式）转换为image格式；接着用load surface命令定义操作图层，选择光滑或条带的连接形式、数值间隔等参数；最后利用camera orientation命令对数字高程模型进行视角、距离、方位、辅助数轴、线条颜色等的调整以及可视性分析等等。

这样数字高程模型制作完成以后，当发觉数字高程模型的视角、方位、距离等参数不合适时，还可以用上述camera orientation 命令进行调整。

(见图2)3 模型应用与分析3.1坡度、坡向分析在GRID与TIN模块中，对于不同类型的面模型均可进行坡度、坡向分析。

在GRID中，slope和aspect函数可进行坡度、坡向分析。

在TIN中，也有两条命令可分别计算两种类型的坡度和坡向。

本文采用的是GRID模块中的slope命令(见图3、图4)。

3.2 流线、流域分析为了实现计算区域汇水量的计算，绘制了吉林东部山区小流域的流线和流域汇水面积分布图。

而且还进行了粗糙的水位图层叠置。

取得了较满意的效果。

流线和流域汇水面积可以分别通过GRID格式下的Generate flow lines命令和Generate watershede命令实现。

再运用TOOL工具下的measure命令来实现对汇水面积的计算。

见图5、6。

注：图中坡向分为八个方向，北、东北、东、东南、南、西南、西、西北。

它们的颜色表示依次为淡绿、红、绿、蓝、天蓝、紫、黄、土黄。

图3 山区坡度分析图注：图中坡向分为八个方向，北、东北、东、东南、南、西南、西、西北。

它们的颜色表示依次为淡绿、红、绿、蓝、天蓝、紫、黄、土黄。

图4 山区坡向分析图4 结论1. 对山区地形建立数字高程模型可以更直观的观察地形，打破了已往只能通过二维地图观察地形的局限，从而将对地形的二维研究提高到三维上来，也为以后更进一步对地形进行分析做好了充分的准备。

流线流域范围 流线流域范围 图5 平面流线、流域分析 图6 立体模型流线、流域分析2. 使用图层叠置可以使人们对一个地区的生态环境、自然环境、人为环境进行有效的分析，以便确定对环境起主要作用的方面。

本文进行的是水量的叠加，通过叠加，可以使人们直观的看到降雨之后在一个地区所聚集的水量。

结合缓冲区分析，还可以模拟河流的淹没情况，即初级的数字河流模型。

3. 水流的流线分析，可以准确的表示出水流流动方向，每一点都可以。

通过它我们可以进行污染源的追踪分析，知道了水流方向和所经过的地区，管理部门就可以采取有效措施控制水污染。

4. 通过流域汇水面积的计算，可以方便的知道一个地区的流域分布及其流域面积；并且还可以计算一次降雨的雨水总量，方便我们对水情的观察和预报，对水库的运行管理具有十分重要的实际应用价值。

参考文献：[1] 卢文喜. GIS的基本特征及其在地下水研究领域的应用前景[J].勘察科学技术，1997(1)：28-29.[2] 宫辉力.地理信息系统(GIS)在地下水领域应用的一些新进展[J].工程勘察，1996，（6）：28—36.[3] 李志林、朱庆.数字高程模型[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，2003.[4] 狄小春.地理信息系统教程(ARC/INFO介绍)[M].北京：中国科学院地理研究所，1993.[5] 樊红.ARC/INFO应用与开发技术[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，1999.The application of ARC/INFO in watershed hydrology analysesYang zhong-ping, Lu wen-xi, Zhao Jun-hai（College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun 130026, China）Abstract: In this paper Geographical Information System (GIS) and watershed studies are combined. Firstly, we build a Digital Elevation Model (DEM) for a mountain of jilin province, and then carry out the application of GIS in watershed hydrology analyses using the surface analysis function of ARC/INFO.Analyze the slope gradient, aspect, streamline and watershed based on the DEM model that we built before; and based on these, we predict the conflux direction after precipitation; calculate the area of the basin. The results are satisfied.Key words: GIS；ARC/INFO；Hydrology analyses；Watershed。