ArcGIS水文分析实战教程(9)雨量计算与流量统计

本章导读:降水是水文循环中重要的一环,降水包括雨、雪、雾、露、雹等,本章介绍的是降雨的环节。通过雨量站与插值的方式,实现雨量的空间分布就算,为水文分析提供依据。ArcGIS中没有雨量计算的明确工具,但可以通过其通用的工具进行分析。结合前面章节的流量统计方式,雨量结果可以作为蓄积栅格的权重参考。 BY 李远祥

ArcGIS中的雨量计算

在水文学中关于雨量计算有好几种方法,其中等雨量线法和泰森多边形法最为流行。

泰森多边形法

泰森多边形法相对比较简单,利用雨量站点生成泰森多边形,将站点的雨量值赋值到该面上,以该站点的雨量值作为全流域(区域)的降雨值。在早年雨量站网建设还没完善的时候,大多数水文局采用该方式进行雨量计算,甚至流域的划分都使用泰森多边形方式,以更好的跟区域降雨量进行对接。

对于GIS人员来说,泰森多边形实在最普通不过了。在ArcGIS中,可以直接使用工具生成。选择好站点图层之后,在输出字段部分一定要选上【ALL】,这样站点的信息就会赋到多边形中去。如下图所示

执行计算之后,可以对结果进行渲染,使用分级色彩的方式,对区域雨量进行重新的展示,下图为对该区域雨量进行分级显示,具体分为10级。

可以从该结果看出,每一个多边形都有一个站点与之对应,而多边形的雨量值就是站点的雨量值。

等雨量值法

等雨量法就是常在天气预报里面看到的降雨分布图,其原理有点像等高线,通过一系列的站点进行插值分析,并得出其空间分布规律。其中插值的效果跟站点的多少、空间分布情况都密切相关。下图是海南省105个站点和26个站点的等雨量线图

该图出自 芮孝芳 老师的 《水文学原理》

从图上的结果可以看到站点的数量和分布对结果的影响是非常大的。

ArcGIS没有提供专门的等雨量线生成工具,但在spatial 扩展中提供了如反距离权重法、克里金法、样条函数法、自然邻域法、趋势面法等多个通用的插值工具。具体每一种插值方法有什么差异,不在本章里面做具体说明,读者可以查看ArcGIS的官方帮助更好的理解。

针对之前做泰森多边形的雨量站数据进行反距离权重法(IDW)插值分析。反距离权重法的做法是离参考点越远,其权重影响就越小,其影响力是线性递减的。设置如下图

选择好站点和Z值字段(记录雨量的字段),基本上就可以进行插值了。但这个工具默认的搜索半径是 点数是 12 ,笔者根据区域特点将其设置为 5 。该参数的意义是最终的插值结果会同时受到5个站点的影响。使用距离作为参数也是类似的。在执行之前还要设置一下操作的区域,在工具的【环境】--【处理范围】中选择一个范围,一般用的全流域的边界。如下图

用同样的渲染方式对插值结果进行渲染,可以看到雨量的空间范围分布

两种计算方式的区别

泰森多边形法相对比较简单,其特点是以点代面去计算雨量值,在雨量站较少,分布不均匀的时候计算比较方便。尤其是在一些小区域,如果没有太多的站点支持,不需要考虑大范围空间降雨的影响,以少数的站点来计算面积,还是能够比较快捷的得出结果的。

其缺点也是比较突出,因为其权重系数的固定的,以多边形对应的站点值作为固定值,所以它不能反映降雨在空间分布的变化特性。

等雨量值法能够充分考虑到降雨的空间分布变化情况,但任何站点的雨量值变化都会影响多个区域的情况,因此,基本上每一场降雨都需要重新计算。同时需要考虑到必须建有足够多的雨量站点,不然计算结果与实际情况还是有比较大的差别。

等雨量值法考虑的是降雨的线性变化情况,但实际上降雨是一个复杂的过程,两个站点之间区域的雨量值并非是线性变化,有的时候还需要考虑到地形的影响。

算法的改进

泰森多多边形法没有什么改进的空间,而且随着站网的逐步完善,泰森多边形的方式已经没有使用的必要性了。现在主要考虑等雨量值法的一些改进。常见的改进方法出了根据区域特性来决定雨量站之间的权重影响(就像之前提及到的设置搜索半径或者搜索距离)之外,会充分考虑一些地形管理。

同样是反距离权重法,如果充分考虑到地形对降雨的影响,可以考虑使用隔断线或隔断面的方式去除掉地形的影响。如下图,在一些高山地带的两侧都有雨量站点,它们在投影平面上距离是比较相近的,但实际上该区域降雨会因地形导致西部降雨偏少、东部降雨偏多的情况。所以,如果直接让所有站点参与计算,那么会导致该山区位置数据影响非常大。如下图,按照不同的雨量值来渲染站点,查看山脊两边的站点信息。

再来看反距离权重法,在考虑地形的时候使用隔断线进行计算分割,所有参数部分都与之前相同,唯独将山脊数据作为隔断线添加进去,设置如下图

执行结果如下,为方便对比,笔者将两张图放在一起进行比较,上图是加入隔断线分析的结果,下图没有加入隔断线

非常明显的看到,在山脊的西边,其雨量没有受到山脊东边的站点的数值影响,由于西边的站点的数据比较少,其结果基本上与单个站点呈线性递减,距离不远的时候,其变化也不是特别大。

雨量计算与流量分析

前面章节《ArcGIS水文分析实战教程(5)细说流向与流量》提及过在流量计算的时候,可以通过权重栅格进行计算。雨量分析结果就是很好的权重栅格。对于插值分析,出来的结果就是栅格数据,原则上是可以直接最为权重栅格参与到流量计算中去的。

流量计算倘若加入降雨栅格的话,在执行插值的时候必须主要将【输出像元大小】设置为与DEM的像元大小相同,这样才可以更好的对应赋值权重。设置如下图,假如地形的像元大小为30*30 ,那么该参数就设置为30

总结

水文分析是一个复杂的过程,需要涉及到比较多的参数。每一类参数的计算都可以在GIS中找到对应的工具。但GIS毕竟是通用工具,所以一些细节的地方还需要根据水文的特性进行调节。否则,会影响整个分析结果。

如果读者对水文分析感兴趣的话,可以持续关注CSDN的GIS制图乐园,以及微信公众号【GIS制图乐园】。BY 李远祥

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