ArcGIS水文分析實戰教程（9）雨量計算與流量統計

ArcGIS水文分析實戰教程（9）雨量計算與流量統計

本章導讀：降水是水文循環中重要的一環，降水包括雨、雪、霧、露、雹等，本章介紹的是降雨的環節。經過雨量站與插值的方式，實現雨量的空間分佈就算，爲水文分析提供依據。ArcGIS中沒有雨量計算的明確工具，但能夠經過其通用的工具進行分析。結合前面章節的流量統計方式，雨量結果能夠做爲蓄積柵格的權重參考。 BY 李遠祥

ArcGIS中的雨量計算

在水文學中關於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爲流行。

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，以該站點的雨量值做爲全流域（區域）的降雨值。在早年雨量站網建設還沒完善的時候，大多數水文局採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。

對於GIS人員來講，泰森多邊形實在最普通不過了。在ArcGIS中，能夠直接使用工具生成。選擇好站點圖層以後，在輸出字段部分必定要選上【ALL】，這樣站點的信息就會賦到多邊形中去。以下圖所示

執行計算以後，能夠對結果進行渲染，使用分級色彩的方式，對區域雨量進行從新的展現，下圖爲對該區域雨量進行分級顯示，具體分爲10級。

能夠從該結果看出，每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裏面看到的降雨分佈圖，其原理有點像等高線，經過一系列的站點進行插值分析，並得出其空間分佈規律。其中插值的效果跟站點的多少、空間分佈狀況都密切相關。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》

從圖上的結果能夠看到站點的數量和分佈對結果的影響是很是大的。

ArcGIS沒有提供專門的等雨量線生成工具，但在spatial 擴展中提供瞭如反距離權重法、克里金法、樣條函數法、天然鄰域法、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麼差別，不在本章裏面作具體說明，讀者能夠查看ArcGIS的官方幫助更好的理解。

針對以前作泰森多邊形的雨量站數據進行反距離權重法（IDW）插值分析。反距離權重法的作法是離參考點越遠，其權重影響就越小，其影響力是線性遞減的。設置以下圖

選擇好站點和Z值字段（記錄雨量的字段），基本上就能夠進行插值了。但這個工具默認的搜索半徑是 點數是 12 ，筆者根據區域特色將其設置爲 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。使用距離做爲參數也是相似的。在執行以前還要設置一下操做的區域，在工具的【環境】--【處理範圍】中選擇一個範圍，通常用的全流域的邊界。以下圖

用一樣的渲染方式對插值結果進行渲染，能夠看到雨量的空間範圍分佈

兩種計算方式的區別

泰森多邊形法相對比較簡單，其特色是以點代面去計算雨量值，在雨量站較少，分佈不均勻的時候計算比較方便。尤爲是在一些小區域，若是沒有太多的站點支持，不須要考慮大範圍空間降雨的影響，以少數的站點來計算面積，仍是可以比較快捷的得出結果的。

其缺點也是比較突出，由於其權重係數的固定的，以多邊形對應的站點值做爲固定值，因此它不能反映降雨在空間分佈的變化特性。

等雨量值法可以充分考慮到降雨的空間分佈變化狀況，但任何站點的雨量值變化都會影響多個區域的狀況，所以，基本上每一場降雨都須要從新計算。同時須要考慮到必須建有足夠多的雨量站點，否則計算結果與實際狀況仍是有比較大的差異。

等雨量值法考慮的是降雨的線性變化狀況，但實際上降雨是一個複雜的過程，兩個站點之間區域的雨量值並不是是線性變化，有的時候還須要考慮到地形的影響。

算法的改進

泰森多多邊形法沒有什麼改進的空間，並且隨着站網的逐步完善，泰森多邊形的方式已經沒有使用的必要性了。如今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（就像以前說起到的設置搜索半徑或者搜索距離）以外，會充分考慮一些地形管理。

一樣是反距離權重法，若是充分考慮到地形對降雨的影響，能夠考慮使用隔斷線或隔斷面的方式去除掉地形的影響。以下圖，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致使西部降雨偏少、東部降雨偏多的狀況。因此，若是直接讓全部站點參與計算，那麼會致使該山區位置數據影響很是大。以下圖，按照不一樣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，全部參數部分都與以前相同，惟獨將山脊數據做爲隔斷線添加進去，設置以下圖

執行結果以下，爲方便對比，筆者將兩張圖放在一塊兒進行比較，上圖是加入隔斷線分析的結果，下圖沒有加入隔斷線

很是明顯的看到，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，因爲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

前面章節《ArcGIS水文分析實戰教程（5）細說流向與流量》說起過在流量計算的時候，能夠經過權重柵格進行計算。雨量分析結果就是很好的權重柵格。對於插值分析，出來的結果就是柵格數據，原則上是能夠直接最爲權重柵格參與到流量計算中去的。

流量計算假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】設置爲與DEM的像元大小相同，這樣才能夠更好的對應賦值權重。設置以下圖，假如地形的像元大小爲30*30 ，那麼該參數就設置爲30

總結

水文分析是一個複雜的過程，須要涉及到比較多的參數。每一類參數的計算均可以在GIS中找到對應的工具。但GIS畢竟是通用工具，因此一些細節的地方還須要根據水文的特性進行調節。不然，會影響整個分析結果。

若是讀者對水文分析感興趣的話，能夠持續關注CSDN的GIS製圖樂園，以及微信公衆號【GIS製圖樂園】。BY 李遠祥