ArcGIS水文分析實戰：雨量計算與流量統計

ArcGIS中的雨量計算
在水文學中關于雨量計算有好幾種方法，其中等雨量線法和泰森多邊形法最為流行。
泰森多邊形法
泰森多邊形法相對比較簡單，利用雨量站點生成泰森多邊形，將站點的雨量值賦值到該面上，以該站點的雨量值作為全流域（區域）的降雨值。在早年雨量站網建設還沒完善的時候，大多數水文局采用該方式進行雨量計算，甚至流域的劃分都使用泰森多邊形方式，以更好的跟區域降雨量進行對接。
對于GIS人員來說，泰森多邊形實在最普通不過了。在ArcGIS中，可以直接使用工具生成。選擇好站點圖層之后，在輸出字段部分一定要選上【ALL】，這樣站點的信息就會賦到多邊形中去。如下圖所示

執行計算之后，可以對結果進行渲染，使用分級色彩的方式，對區域雨量進行重新的展示，下圖為對該區域雨量進行分級顯示，具體分為10級。

可以從該結果看出，每一個多邊形都有一個站點與之對應，而多邊形的雨量值就是站點的雨量值。

等雨量值法
等雨量法就是常在天氣預報里面看到的降雨分布圖，其原理有點像等高線，通過一系列的站點進行插值分析，并得出其空間分布規律。其中插值的效果跟站點的多少、空間分布情況都密切相關。下圖是海南省105個站點和26個站點的等雨量線圖

該圖出自芮孝芳老師的《水文學原理》
從圖上的結果可以看到站點的數量和分布對結果的影響是非常大的。
ArcGIS沒有提供專門的等雨量線生成工具，但在spatial 擴展中提供了如反距離權重法、克里金法、樣條函數法、自然鄰域法、趨勢面法等多個通用的插值工具。具體每一種插值方法有什么差異，不在本章里面做具體說明，讀者可以查看ArcGIS的官方幫助更好的理解。
針對之前做泰森多邊形的雨量站數據進行反距離權重法（IDW）插值分析。反距離權重法的做法是離參考點越遠，其權重影響就越小，其影響力是線性遞減的。設置如下圖

選擇好站點和Z值字段（記錄雨量的字段），基本上就可以進行插值了。但這個工具默認的搜索半徑是點數是 12 ，筆者根據區域特點將其設置為 5 。該參數的意義是最終的插值結果會同時受到5個站點的影響。使用距離作為參數也是類似的。在執行之前還要設置一下操作的區域，在工具的【環境】–【處理范圍】中選擇一個范圍，一般用的全流域的邊界。如下圖

用同樣的渲染方式對插值結果進行渲染，可以看到雨量的空間范圍分布

兩種計算方式的區別
泰森多邊形法相對比較簡單，其特點是以點代面去計算雨量值，在雨量站較少，分布不均勻的時候計算比較方便。尤其是在一些小區域，如果沒有太多的站點支持，不需要考慮大范圍空間降雨的影響，以少數的站點來計算面積，還是能夠比較快捷的得出結果的。
其缺點也是比較突出，因為其權重系數的固定的，以多邊形對應的站點值作為固定值，所以它不能反映降雨在空間分布的變化特性。
等雨量值法能夠充分考慮到降雨的空間分布變化情況，但任何站點的雨量值變化都會影響多個區域的情況，因此，基本上每一場降雨都需要重新計算。同時需要考慮到必須建有足夠多的雨量站點，不然計算結果與實際情況還是有比較大的差別。
等雨量值法考慮的是降雨的線性變化情況，但實際上降雨是一個復雜的過程，兩個站點之間區域的雨量值并非是線性變化，有的時候還需要考慮到地形的影響。
算法的改進
泰森多多邊形法沒有什么改進的空間，而且隨著站網的逐步完善，泰森多邊形的方式已經沒有使用的必要性了。現在主要考慮等雨量值法的一些改進。常見的改進方法出了根據區域特性來決定雨量站之間的權重影響（就像之前提及到的設置搜索半徑或者搜索距離）之外，會充分考慮一些地形管理。
同樣是反距離權重法，如果充分考慮到地形對降雨的影響，可以考慮使用隔斷線或隔斷面的方式去除掉地形的影響。如下圖，在一些高山地帶的兩側都有雨量站點，它們在投影平面上距離是比較相近的，但實際上該區域降雨會因地形導致西部降雨偏少、東部降雨偏多的情況。所以，如果直接讓所有站點參與計算，那么會導致該山區位置數據影響非常大。如下圖，按照不同的雨量值來渲染站點，查看山脊兩邊的站點信息。

再來看反距離權重法，在考慮地形的時候使用隔斷線進行計算分割，所有參數部分都與之前相同，唯獨將山脊數據作為隔斷線添加進去，設置如下圖

執行結果如下，為方便對比，筆者將兩張圖放在一起進行比較，上圖是加入隔斷線分析的結果，下圖沒有加入隔斷線

非常明顯的看到，在山脊的西邊，其雨量沒有受到山脊東邊的站點的數值影響，由于西邊的站點的數據比較少，其結果基本上與單個站點呈線性遞減，距離不遠的時候，其變化也不是特別大。
雨量計算與流量分析
在流量計算的時候，可以通過權重柵格進行計算。雨量分析結果就是很好的權重柵格。對于插值分析，出來的結果就是柵格數據，原則上是可以直接最為權重柵格參與到流量計算中去的。
流量計算倘若加入降雨柵格的話，在執行插值的時候必須主要將【輸出像元大小】設置為與DEM的像元大小相同，這樣才可以更好的對應賦值權重。設置如下圖，假如地形的像元大小為30*30 ，那么該參數就設置為30

總結
水文分析是一個復雜的過程，需要涉及到比較多的參數。每一類參數的計算都可以在GIS中找到對應的工具。但GIS畢竟是通用工具，所以一些細節的地方還需要根據水文的特性進行調節。否則，會影響整個分析結果。

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