電子報
河流對於生態及環境皆為重要的資源，其自源頭處一點一滴的收集雨水形成蝕溝或小野溪，慢慢積聚成綿延河流，最後流入大海。這些水流持續影響著地形地貌，卻也深深地被地形所影響 (圖1)。
過去要繪製水系網路如此複雜的資訊，常需要大量的圖資加上人工的經驗判斷或透過航照圖的描繪。然而，隨著資訊科技的進步，現在只需要簡單的操作步驟，就能快速的利用數值地表高程 (Digital Elevation Model, DEM) 製作出目標區域的河川水系圖。
本期電子報將介紹免費開放的HydroSHEDS全球水系圖及利用ArcGIS自製河川水系圖的相關操作，最後透過Google earth engine (GEE)線上展示河川水系圖的產製結果，同時比對兩種水系圖的差異。
HydroSHEDS (Lehner et al., 2008) 計畫係由美國世界野生動物基金會 (World Wildlife Fund US) 於2006年發起，旨在創建免費且具有一致尺度和解析度的水文數據產品 (如圖3，集水區邊界、河川水系圖和湖泊等) (.shp)。該計畫所提供的水文資訊，由於其全球尺度且無縫的特性，能提供給區域或大範圍水環境生態之相關研究應用及規劃，更利於水環境建模和生態保護等應用 (如圖4)。
HydroSHEDS的產品係使用NASA的太空梭雷達地形測繪任務 (Shuttle Radar Topography Mission, SRTM) 所得到的DEM產製而成，其解析度為3弧秒 (於赤道約90 m)。不過，北緯60°以上地區由於沒有SRTM高程數據，HydroSHEDS係透過解析度約1 km的HYDRO1kDEM產製此區域的相關水系圖資，以補遺資料缺漏部分。
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目前該計畫即將推出HydroSHEDS v2，其DEM數據來自德國航太署 (German Aerospace Agency, DLR) 和空中巴士 (Airbus) 合作的TanDEM-X所產製。透過TanDEM-X之DEM可產製解析度約12 m的精細水系及相關水文產品 (如圖5)。根據其發佈計劃，2022年將優先發布北緯60°以上地區的資料，並於2023年免費提供全球範圍的資訊。
隨著地理資訊在各領域上的蓬勃應用與發展，ArcGIS內建的各項功能也日趨專業化及自動化。倘若要進行水文相關的處理，勢必得了解工具箱中空間分析工具的水文分析模組(Spatial Analyst Tools > Hydrology)。
Hydrology模組主要係利用DEM建立地表水流模型，透過地理空間及數學分析，知道水來自何方及未來流向何處。這些水流資訊被廣泛應用於與地形、水文、水理等相關的領域。接下來，我們將以四個步驟介紹如何使用Hydrology模組，自製河川水系圖 (ArcMap及Pro適用)。
一、DEM處理
為了避免地形上有坑洞或凹陷處，使系統無法自動計算流向及流路，須先以Fill功能將DEM上的坑洞填平，範例將利用內政部於2015年所提供之20公尺網格數值地形模型資料進行示範 (圖6)。
二、分析流向
利用Flow Direction工具自動分析DEM之流向，系統會自動建立每個網格流到相鄰網格的流向Raster圖，並可調整D8、多流向 (Multiple Flow Direction, MFD) 或D-Infinity (DINF) 三種計算方法 (圖7)，介面操作如圖8所示。
三、分析流量
完成流向分析後，Flow Accumulation工具能自動匯集Flow Direction的數據，計算出每一個網格分別有多少數目的網格會累積匯流至此(以下簡稱為流量)，並自動建立每個網格的流量圖(Raster格式，圖9)。接下來，我們將流量圖設定網格顯示與否之上限值，當某網格之流量大於上限值時即顯示該網格(例如著紅色)，反之則不顯示。至此，已可看出河川水系圖之雛形 (圖10)。
四、完成河川水系圖Shapefile
接著，利用Raster Calculator調整Shapefile所要呈現之門檻值，將其轉換為0及1之Raster資料。本範例篩選Accumulation大於10,000 (集水區面積大於400 ha，20 m x 20 m x10,000) 之網格作為河川水系呈現，如圖11所示。最後，用大家熟悉的轉換工具 (Conversion Tools > From Raster > Raster to Polyline) 就能將Raster轉成Shapefile，方可調整線段粗細、顏色或其他向量屬性，如圖12所示。
GEE平台上目前已內建HydroSHEDS v1完整版 (解析度500 m)，供使用者直接從雲端上加載河川水系資料 (WWF HydroSHEDS Free Flowing Rivers Network v1) 進行操作。
同時，為分享前文利用ArcGIS所產製的河川水系圖與HydroSHEDS水系圖間的差異，我們以GEE展示介面 (full code) 將二種圖資比對呈現供讀者參考 (圖13)，藉由左側調整顯示之河川水系圖種類，或右上角直接勾選圖層，分別顯示各圖層差異。
然為了使底圖在視覺上能更加直觀以顯示河川周邊的高程變化，本展示介面利用內政部於2015年提供之DEM，以GEE之地形相關編碼製作高程陰影圖，再套疊DEM高程分布圖，完成圖資之展示介面 (圖14)。
相較於解析度為500 m的 HydroSHEDS水系圖，以內政部開放資料20 m DEM製作的水系圖線型更自然，明顯更符合地形，在後續分析應用上也將更精準。當然，如果今天分析的範圍著眼於整個亞洲甚至是全球，HydroSHEDS水系圖使用起來自然會更便利。
1. HydroSHEDS Technical Documentation
2. An overview of the Hydrology toolset—ArcGIS Pro | Documentation
3. Lehner, B., K. Verdin, and A. Jarvis (2008), New global hydrography derived from spaceborne elevation data, Eos Trans. AGU, 89(10), 93–94.
