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Funktion "Fließrichtung"

Mit der Spatial Analyst-Lizenz verfügbar.

Übersicht

Eine der Hauptvoraussetzungen für das Ableiten hydrologischer Eigenschaften einer Oberfläche besteht darin, die Fließrichtung aus den einzelnen Pixeln im Raster bestimmen zu können. Die Funktion "Fließrichtungs-Raster" verwendet eine Oberfläche als Eingabe und erstellt ein Fließrichtungs-Raster von jedem Pixel zu seinem jeweils tiefer gelegenen Nachbarn mit der steilsten Neigung. Die Funktion "Fließrichtung" unterstützt drei Modellierungsmethoden: D8 (acht Richtungen), Multiple Flow Direction (MFD) und D-Infinity (DINF).

Hinweise

Weitere Informationen zu einer bestimmten Methode zur Modellierung der Fließrichtung finden Sie unten im entsprechenden Abschnitt.

D8-Methode

Die Fließrichtungsoption D8 modelliert die Fließrichtung von jedem Pixel zum jeweiligen Nachbarn mit der steilsten Neigung. Der gesamte Fluss ist auf diesen Nachbarn mit der steilsten Neigung ausgerichtet. Die Ausgabe des Richtungstyps D8 ist ein ganzzahliges Raster, dessen Werte zwischen 1 und 255 liegen. Die Werte für jede Richtung vom Mittelpunkt sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

Fließrichtungscodes

Wenn beispielsweise die Richtung der stärksten Absenkung links von dem aktuellen bearbeiteten Pixel liegt, wird ihre Fließrichtung als 16 codiert. Das nachfolgende Beispiel zeigt, wie Höhenwerte in Fließrichtungscodes umgewandelt werden.

Abbildung: Fließrichtung
In Fließrichtungscodes umgewandelte Höhenwerte

Wenn der Wert eines Pixels niedriger als der seiner acht Nachbarn ist, wird diesem Pixel der Wert des niedrigsten Nachbarn zugewiesen und der Abfluss erfolgt in Richtung dieses Pixels. Wenn mehrere Nachbarn den niedrigsten Wert aufweisen, ist dem Pixel immer noch dieser Wert zugewiesen, der Fluss wird jedoch anhand einer der beiden im Folgenden beschriebenen Methoden definiert. Diese Methode dient zum Entfernen von Senken, die als Rauschen betrachtet werden.

Eine Senke ist ein Pixel oder ein Satz räumlich verbundener Pixel, deren Fließrichtung keiner der acht gültigen Werte in einem Fließrichtungs-Raster zugewiesen werden kann. Dies kann auftreten, wenn alle Nachbarpixel höher als das bearbeitete Pixel sind oder wenn zwei Pixel ineinander fließen und somit eine Schleife aus zwei Pixeln erstellen.

  • Wenn ein Pixel in mehrere Richtungen die gleiche Änderung im Z-Wert aufweist und dieses Pixel zu einer Senke gehört, gilt die Fließrichtung als nicht definiert. In solchen Fällen ist der Wert für dieses Pixel im Ausgabe-Fließrichtungs-Raster die Summe dieser Richtungen. Wenn beispielsweise die Änderung im Z-Wert nach rechts (Fließrichtung = 1) und nach unten (Fließrichtung = 4) identisch ist, ist die Fließrichtung für das betreffende Pixel 1 + 4 = 5.
  • Wenn ein Pixel in mehrere Richtungen die gleiche Änderung im Z-Wert aufweist und nicht zu einer Senke gehört, wird die Fließrichtung über eine Lookup-Tabelle zugewiesen, die die wahrscheinlichste Richtung definiert. Siehe Greenlee (1987) unten.

Mit dem Parameter Abfluss von Randzellen nach außen erzwingen in der deaktivierten Standardeinstellung erfolgt der Fluss bei einem Pixel am Rand des Oberflächen-Rasters hin zum inneren Pixel mit der steilsten Abnahme beim Z-Wert. Wenn die Absenkung kleiner oder gleich 0 ist, erfolgt der Fluss bei dem Pixel aus dem Oberflächen-Raster hinaus.

MFD-Methode (Multiple Flow Direction)

Der von Qin (2007) beschriebene MFD-Algorithmus teilt den Abfluss eines Pixels auf alle niedrigeren Nachbarzellen auf. Anhand der lokalen Terrainbedingungen wird flexibel ein Exponent für die Abflussverteilung generiert. Mit diesem wird der Anteil bestimmt, der in jedes niedrigere Nachbarpixel abfließt.

  • Die Ausgabe der MFD-Fließrichtung zeigt lediglich die D8-Fließrichtungen an. Bei MFD-Fließrichtungen kann es vorkommen, dass jedem Pixel mehrere gewünschte Werte zugeordnet sind (wobei jeder Wert einem Teil des Abflusses zu allen folgenden Nachbarpixeln entspricht); die Ausgabe lässt sich nur schwer visuell darstellen. Das Ausgabe-Raster einer MFD-Fließrichtung ist jedoch eine Eingabe, die vom Werkzeug Abflussakkumulation erkannt wird, das die proportionalen MFD-Fließrichtungen nutzt und den Abfluss von jedem Pixel zu allen niedrigeren Nachbarpixeln akkumuliert.

DINF-Methode (D-Infinity)

Die von Tarboton (1997) beschriebene Abflussmethode D-Infinity (DINF) beschreibt die Fließrichtung als steilste Neigung von acht dreieckigen Facetten, die auf Basis eines 3 x 3 großen und auf das betreffende Pixel zentrierten Pixelfensters entworfen werden. Die Ausgabe der Fließrichtung ist ein Gleitkomma-Raster, das als einzelner Winkel dargestellt wird und gegen den Uhrzeigersinn von 0 (in Richtung Osten) bis 360 (erneut in Richtung Osten) verläuft.

Parameter

ParameterBeschreibung

Raster

Das Eingabe-Raster, das eine kontinuierliche Höhenoberfläche darstellt.

Abfluss von Randzellen nach außen erzwingen

Gibt an, ob Randpixel immer nach außen fließen oder den normalen Flussregeln folgen.

  • Nein: Wenn die maximale Absenkung auf der Innenseite eines Randpixels größer als 0 ist, wird die Fließrichtung wie üblich bestimmt; andernfalls geht die Fließrichtung in Richtung Rand. Für Pixel, bei denen der Fluss vom Rand des Oberflächen-Rasters nach innen erfolgen sollte, wird tatsächlich diese Fließrichtung verwendet. Dies ist die Standardeinstellung.
  • Ja: Bei allen Pixeln am Rand des Oberflächen-Rasters erfolgt der Fluss vom Oberflächen-Raster nach außen.

Fließrichtungstyp

Gibt die bei der Berechnung von Fließrichtungen verwendete Abflussmethode an.

  • D8: Weist eine Fließrichtung mit der Abflussmethode D8 zu. Diese weist die Fließrichtung zur jeweiligen Nachbarzelle mit der steilsten Neigung zu. Dies ist die Standardeinstellung.
  • MFD: Weist eine Fließrichtung mit der Abflussmethode MFD zu. Diese weist eine proportionale Fließrichtung in mehrere Richtungen aller folgenden Nachbarzellen zu.
  • DINF: Weist eine Fließrichtung anhand der Abflussmethode D-Infinity zu und verwendet die steilste Neigung einer dreieckigen Facette.

Referenzen

Greenlee, D. D. 1987. "Raster and Vector Processing for Scanned Linework." Photogrammetric Engineering and Remote Sensing 53 (10): 1383–1387.

Qin, C, A. X. Zhu, T. Pei, B. Li, C. Zhou, and L. Yang. 2007. "An adaptive approach to selecting a flow partition exponent for a multiple flow directions algorithm." International Journal of Geographical Information Science 21 (4): 443-458

Tarboton, D. G., R. L. Bras und I. Rodriguez–Iturbe. 1991. "On the Extraction of Channel Networks from Digital Elevation Data." Hydrological Processes 5: 81–100.

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