arcmap 坡降工具_ArcGIS水文分析实战教程（10）河流平均比降计算

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ArcGIS水文分析实战教程(10)河流平均比降计算
本章导读：河流比降指的是河流任意两端点间的高程差与两点间的水平距离之比值，简单的概括为单位河长内的落差，其单位一般都是‰ 。河流(纵)比降对地质灾害、水运、水电、矿砂和新构造运动研究有实用价值。比降是水文学上重要的一项指标。在绝大部分的GIS通用平台上，都没有实现平均比降的计算，原因在于计算比降的条件比较苛刻，不符合通用GIS的要求。本章同样是一个实操章节，笔者将会利用ArcGIS软件，结合其ArcPy编写一个平均比降计算的工具，在通用GIS软件上实现河流平均比降计算。 BY 李远祥
河流比降
河流比降是很多水文研究者研究的内容，其水文意义非常的大。这里研究的河流比降指的是河流的纵比降，是河流任意两端点间的高程差与两点间的水平距离之比值，即单位河长的落差。
正是因为直接表达的是单位河长的落差，所以在水文学上其最直接的影响就是流速，带来更多的水动力引发的能量转移，如势能与动能的转化(涉及到水电站的建设)；河水对河床和河岸的冲刷，影响泥沙量；大面积持续降雨时，洪峰到来的时间和强度等。所以，比降在水文学上从来就不缺少话题。
河流的比降分为床面比降和水面比降。床面比降，用以表示河床纵断面地形的变化；水面比降即河流中任意两端点间的瞬时水面高程差与其相应水平距离之比，用以表明河流全程或分段的水面坡度，故又称水力坡度，通常说的河流比降就是河流水面比降。
在恒定均匀流情况下，水面坡度恰好等于河底坡度。所以，在没有大量断面数据支撑的情况下，根据地形和河流线型去研究的河流比降都是床面比降。
笔者在这里研究的都是床面比降，因为只考虑地形与河流本身的几何形状，没有任何的站点数据支撑。但在非洪水情况下，这个床面比降与水面比降基本上是吻合的。
在河流相距较短的两个点上计算河流比降，意义不是十分大。一般需要计算的是整个河流或者某一河段的平均比降，这对于空间跨度较大的河流来说才有研究价值。
本章研究的内容也就是河流(段)的平均比降。研究河流平均比降的方法有几种，比较流行的是【约翰斯通-克罗斯】法。其原理是根据比降大致均匀的原则，将河段划分为若干个子河段，然后去计算整体的平均比降。其公式如下：
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公式中个参数如下
S---- 河段平均河底比降
Li----第i个子河段长度
Si----第i个子河段河底比降
N---- 子河段数量
另一种方法是【劳伦斯】法，其需要经验系数和流速，相对来说比较复杂，需要结合测站的一些数据。由于笔者没有这些数据，就不作论述。
本章考虑的是在ArcGIS中实现【约翰斯通-克罗斯】法的计算。
河流比降与GIS的关系
利用GIS手段来研究水文，其核心方式是使用DEM数据去模拟水文过程。GIS的空间叠加能力非常的管用，非常简单的就能获取到河流线对应的DEM像元值，也就是河流对应的高程值，这样用于计算比降是非常有用的。最起码解决了河流高程点获取的问题。
河流沿线高程的获取，不能直接使用原始的DEM数据。原因有两点：
如果河流数据与DEM数据不是同一份数据，那么像元点与河流线的重合程度有待商榷。
如果河流数据与DEM数据吻合(或者河流数据直接从DEM数据提取出来的)，其高程的获取所依赖的DEM必须是填洼后的无凹陷点DEM。
河流线属于一维数据，DEM在平面上属于二维数据，其相交之后会产生一个像元点的连续像元。如果了解过D8单流向算法的话，就可以很容易理解，如果直接从原始DEM中获取像元值，其值有可能是一个汇点(凹陷点)。然而使用填洼后的DEM，可以确保该点与周边一点的高程持平。
下图是一个测试数据，黄色部分为河流线，点为河流的节点。包含两份DEM，一份是原始的DEM，一份是填洼过的DEM(Fill_DEM) 。河流是使用了前面章节介绍到的河流提取方法提取出来的线状河流。读者可以参考《ArcGIS水文分析实战教程(6)河流提取与河网分级》的做法去提取。
测试的主要内容是分两种情况打印河流各节点的高程值。一是获取原始DEM的高程值，而是获取填洼后的DE