一种基于ArcGIS的平原地区水系特征评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种基于ArcGIS的平原地区水系特征 评价方法。
【背景技术】
[0002] 平原水系的发育受人类活动干扰强烈，水系发育已经违背了自然水系的发育规 律，且难以像自然水系用DEM自动提取河网一样提取水系并进行分级，从而导致平原地区 河流数量、长度的统计难以进行。
[0003] 现有的平原地区水系结构定量方法多样而统一性欠缺。平原河网区高程差别较 小，无明显的上下游之分，水系一般纵横交错呈网格状，水系的分布和结构（或格局）难以 直接用传统的地貌学分级方法加以描述。从已有的文献看，目前水系结构定量方法主要有 水面率、河面率、河网密度、河流频度、河流发育系数、河网结构稳定度、河网复杂度、河流 (链）曲度、长度比、分支比、盒维数、Horton维数等指标。定量的方法因研究区地形特点、 河网数据的获取途径不同而有差异。
[0004] -些表征自然水系结构的指标被较直接地应用到平原水系中。如长度比、分支比 和Horton维数。长度比、分支比等指标的设立是基于自然水系各级别长度和数量具有指数 变化的特征，而自然水系的级别划分（如Stralher分级）是基于水系发育自上游开始到下 游级别增加，河道变宽和河长变大这一规律。而平原水系由于其地貌特征和形成的原因与 自然水系（如树枝状水系）有很大的不同，借用自然水系结构指标能够一定程度上定量平 原区水系结构特征，但广泛的使用还需要进一步的理论分析和实践验证。
[0005] 指标的低效重复现象。如河网分维数与河网密度有显著相关。如何选择一些少而 精的指标，既能减少大量的指标带来的低效分析，又能充分的表现平原地区水系结构的特 点和变化，是目前水系结构研究迫切需要归纳总结的研究。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的针对现有技术存在的问题，提供一种充分表现平原地区水系结构的 特点和变化，评价效率高的基于ArcGIS的平原地区水系特征评价方法。
[0007] 本发明技术方案为提供一种基于ArcGIS的平原地区水系特征评价方法，包括如 下步骤：
[0008] 步骤1 :对纸质地形图扫描，并基于ArcMAP进行配准、投影，得到有地理坐标系和 投影的图片；
[0009] 步骤2 :将步骤1所得图片根据水系分级标准进行水系分级，对各级水系分别进行 数字化，所述水系分级标准依据河宽进行分级，所述水系分级包括主干河道、一级支流、二 级支流三个等级；且其对应的标准为：d彡20m、20m > d彡IOm和d < 10m，d为河宽；根据 水系分级，在ArcCatalog中分别建立各级水系图层，对步骤1所得图片进行数字化，数字化 结束后进行拓扑修正，得到数字平原河网图；
[0010] 步骤3 :根据水系结构特征指标，赋予步骤2所得数字平原河网图的水系结构特 征的水系特征参数；所述水系结构特征指标为：一般特征、结构特征、复杂性特征；所述一 般特征的参数包括河网密度和水面率，所述结构特征的参数包括河网发育系数和面积长度 比，所述复杂性的参数包括盒维数；
[0011] 步骤4 :根据步骤2所得数字平原河网图和步骤3所得水系特征参数对平原水系 进行综合评价。
[0012] 优选的，上述的基于ArcGIS的平原地区水系特征评价方法中，所述纸质地形图为 1:5万比例的纸质地形图时，一级支流河宽为15m，二级支流河宽为5m。
[0013] 优选的，上述的基于ArcGIS的平原地区水系特征评价方法中，所述结构特征的参 数还包括面积长度比。
[0014] 本发明的有益效果：本发明技术方案对目前已使用过的平原地区水系结构定量方 法从参数的含义、敏感性等方面进行理论分析，比较各参数之间的异同和联系，找出独立变 量因子，减少多个参数之间表达重复的可能性。以往评价方法里采用数十项指标，整个过程 比较繁琐，而本发明通过5个指标，其中面积长度比是本发明的新指标，这样可以全面系统 地表达平原河网的水系特征、水文特征。与以往的繁杂重复的指标相比较，本发明的评价方 法更具系统性和科学性。
[0015] 本发明技术方案中的水系分级根据平原地区水系呈网格状且受人为影响较大的 特征，根据河宽进行分析，与以往的根据水系汇流特征（如Stralher分级）相比较，更符合 实际。水系指标之间相互独立，体系兼顾形态、数量、组成结构、复杂性等特征，以最少的指 标充分表征平原地区的水系特征。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明【具体实施方式】的数字水系图获取流程图；
[0017] 图2为本发明【具体实施方式】的平原河网水系特征评价图；
[0018] 图3为本发明【具体实施方式】的实施例1的太湖流域杭嘉湖地区的分幅地形图。
[0019] 图4为本发明【具体实施方式】的实施例1的太湖流域杭嘉湖地区的分幅地形图数字 化结果图。
[0020] 图5为本发明【具体实施方式】的实施例1的太湖流域杭嘉湖地区水系图；
【具体实施方式】
[0021] 为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式 并配合附图详予说明。
[0022] 本发明关键技术构思在于：现有技术平原地区水系评价方法里采用数十项指标， 整个过程比较繁琐，而本发明通过5个指标，全面系统地表达平原河网的水系特征、水文特 征。
[0023] 请参阅图1和图2,本发明提供一种基于ArcGIS的平原地区水系特征评价方法，包 括如下步骤：
[0024] 步骤1 :对纸质地形图进行扫描得到tiff格式图片，在ArcGIS9.x以上平台 ArcMAP中进行地形图图片的配准、投影，得到有地理坐标系和投影的图片；
[0025] 步骤2 :将步骤1所得地形图图片根据水系分级标准进行分级，得根据水系分级标 准绘制的地形图，所述水系分级标准依据河宽进行分级，所述水系分级包括主干河道、一级 支流、二级支流三个等级；且其对应的标准为：d彡20m、20m > d彡IOm和d < 10m，d为河 宽；
[0026] 根据上述水系分级，在ArcCatalog中分别建立各级水系图层，分别对步骤1中的 图片进行数字化，数字化结束后进行拓扑修正，得到数字平原河网图；
[0027] 步骤3 :根据水系结构特征指标，赋予步骤2所得数字平原河网图的水系结构特征 的水系特征参数；所述水系结构特征指标为：一般特征、结构特征、复杂性特征三类；所述 一般特征的参数包括河网密度和水面率，所述结构特征的参数包括河网发育系数和面积长 度比，所述复杂性的参数包括盒维数；
[0028] 步骤4 :根据步骤2所得数字平原河网图和步骤3所得水系特征参数对平原水系 进行综合评价。
[0029] 本发明将平原水系划分为一般特征、结构特征、复杂性特征等进行描述：
[0030] -般特征的参数包括河网密度和水面率两个参数。河网密度（Dr)即流域单位面 积上的河流总长度（Lr)，也就是水系总长与水系分布的面积的比值（式（1))。河网密度的 大小与一个地区的气候、岩性、土壤、植被覆盖等自然环境以及人类改造自然的各种措施有 关。流域河网密度大，表示流域分割强度大，对降水的蓄积能力强，而河网密度低则流域水 量调蓄能力较弱。水面率（Wp)是指河道和湖泊等水体多年平均水位下的水面积（Aw)占区 域总面积（A)的比例（式（2))，是河流水系分析中的常用指标。
[0031] 结构特征的参数包括河网发育系数（〇和河流面积长度比（RiJ两个参数。支流 发育系数（Ku，ω = 1，2，……）是各级支流河流长度与主干河流长度的比值，表示各级支 流的发育程度。本发明用一级支流总长度（L1)和二级支流总长度（L2)之和与主干河流总 长度的比值表示河网发育系数（K1,2)(式（3))。主干河流面积长度比（IV)是流域内主干 河流的面积（Α。）与河流的总长度（L。）比值（式（4))，面积长度比越大，表明单位河长的河 流面积越大，河流过水能力增强，反之面积长度比小，河道束窄，过水能力变弱。
[0032] 复杂性特征参数用河网盒维数（D。）表示。盒维数将河网看作一个整体，统计河 网的复杂性，方法简便。盒维数（D。）是应用最多的分维数之一。其计算过程是用边长为r 的盒子（或网格）覆盖河网，其中有些盒子里有河流，有些盒子里没有河流，统计有河流盒 子的数目，记为Dw。变换盒子的尺寸，这样得到一系列Dw。当r - 0时，得到盒维数（式
[0038] 实施例1
[0039] -种基于ArcGIS的平原地区水系特征评价方法，步骤为：
[0040] (A)获取研究区域河网水系数据
[0041] AU扫描和配准。对研究区1:5万分幅地形图进行扫描，精度大于300dpi。在 ArcMap中加载扫描图，图层显示设置为度（Degrees Decimal Minutes)，按照地形图上坐标 进行配准，导出（rectify)成tiff图。在ArcCat