59
MORPHOMETRIC ANALYSIS: A stepbystep guide Authored by: ESS2222 Fall 2013 Participants

MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

 

 

MORPHOMETRIC ANALYSIS: 

A step‐by‐step guide  

 

Authored by: 

ESS2222 Fall 2013 Participants  

   

Page 2: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

1  

TABLE OF CONTENTS 

 1. Basemap Construction – Lindsay Schoenbohm 

p. 2‐11 

 

2. Watershed Delineation – Lindsay Schoenbohm 

p. 12‐17 

 

3. Plotting Axis – Lindsay Schoenbohm 

p. 18‐19 

 

4. Swath Profiles – Phil Greene and Mark Higgins 

p. 20‐21 

 

5. Catchment Area, Outlet Spacing, Relief, Elongation and Basin Relief Ratio – April Dalton and Tassos 

Venetikidis 

p. 22‐29 

 

6. Hypsometry – Neil Krystopowicz and Sara Mazrouei 

p. 30‐37 

 

7. Volume/Area Ratio – Luke Nicholson and Renjie Zhou 

p. 38‐43 

 

8. Vf Ratio – James McCarthy and Maria Tibbo 

p. 44‐50 

 

9. Mountain Front Sinuosity – Magdalena Sobel and Shawn Vanderkerkhove 

p. 51‐57 

 

10. Range Asymmetry – Magdalena Sobel and Shawn Vanderkerkhove 

p. 58 

 

 

   

Page 3: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

There are

resolution

 

SRTM dat

details ab

after you 

USGS site

 

http://ear

 

Note that

HydroSHE

coastlines

useful, bu

especially

 

http://hyd

 

Most of th

Japanese 

created th

available 

here: 

 

http://gde

 

1.1 Get st

Log in and

Search in 

 

 

e a number of

n of ~90 m, an

ta can be obta

bout SRTM da

download th

 is here: 

rthexplorer.u

t you can also

EDS. You’ll ha

s and other p

ut they’re also

y since what w

drosheds.cr.u

he time I end

Ministry of E

hrough stacki

in 1 degree ti

em.ersdac.jsp

tarted 

d/or register w

the same me

1

f sources for D

nd ASTER‐bas

ained for free

ta – you may

e data the pr

sgs.gov/ 

o get “hydrolo

ve to read th

roblems with

o changing th

we’re interest

usgs.gov/inde

 up using AST

conomy, Trad

ng a number

iles. These ar

pacesystems.

with the site 

enu. 

 

. BASEMA

DEM data, bu

sed, with a re

e from the US

y run into a fe

ocedure is th

ogically correc

rough the sit

h the DEMs so

e DEMs in wa

ted in is the s

ex.php 

TER‐based DE

de and Indust

 of overlappin

e the data I w

or.jp/ 

using the me

P CONSTR

ut two commo

esolution of ~3

SGS using thei

ew snags, but 

he same as fo

cted” SRTM‐b

e to get all th

o that they ar

ays that you d

tream netwo

EMs called GD

try, although 

ng ASTER ima

will describe in

enu options o

RUCTION 

only‐used, fre

30 m.  

ir EarthExplo

it’s basically 

r ASTER‐base

based data fro

he details, but

e hydrologica

don’t control,

ork. More info

DEM, which is

it’s affiliated

ages with diff

n the process

n the left side

ee sources ar

rer site. I won

pretty straigh

ed data descri

om the USGS

t basically the

ally connecte

, which can b

o here: 

s actually ava

 with NASA. T

ferent look di

sing steps bel

e of the page

e SRTM, with

n’t go into mo

htforward an

ibed below. T

S, called 

ey fix the sink

d. This can be

be dangerous,

ilable throug

The DEMs are

rections. The

ow. Basic info

. Then click o

h a 

ore 

The 

ks, 

h the 

ey’re 

on 

Page 4: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

1.2 Choos

This will o

one‐degre

generous 

later.  

 

Click next

purpose o

of them, p

 

 

Once the 

about how

se and downl

open a map‐b

ee grid. Click 

here… if you

t. This will tak

on the next pa

presumably), 

tiles have do

w you want to

load data 

based tool. Na

start, then cli

’re not sure y

ke you to anot

age and click 

then click do

wnloaded, un

o structure yo

avigate to you

ick on all tiles

you’ll need a t

ther page wh

agree. On th

ownload.  

nzip them and

our files. It’s a

ur area of inte

s you are inte

tile or not, do

 

here you can v

e next page, c

d put them in

a pain to mov

erest. Availab

erested in dow

ownload it an

view the tiles

click on the t

 

n the right pla

ve them once

ble data will b

wnloading. It’

nyway as it wi

s. Click next. S

iles you wish 

ace. Think pre

e you’ve start

be indicated b

’s better to be

ill be a pain to

Select your 

to download

etty carefully 

ed a project. 

by 

o add 

d (all 

Page 5: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

usually wo

level in th

 

1.3 Merge

Open Arc

 

Add your 

Add the d

 

Navigatin

project – 

 

Once you

next step 

the top to

 

  

This will o

ould create a

hat folder. 

e tiles in ArcG

MAP.  

tiles to the p

dem.tif for eac

g in ArcMAP 

using this but

 

r tiles are add

is to merge t

oolbar: 

open a window

 

 GIS folder un

GIS.  

roject by eith

ch tile. 

 

is annoying. Y

tton. 

ded you shou

the tiles into o

w packed wit

nder whateve

her clicking on

You’ll probab

uld see black a

one DEM. To 

th useful tool

er project I’m

n the “Add Da

bly need to ad

and white DE

do this you’ll

s that looks li

 working on a

ata…” button

dd a folder – t

M tiles whos

l need to ope

ike this:  

and save the 

 and navigati

the top level f

e edges do no

en ArcToolbox

tiles at the to

ng to the file

folder of you

ot match up. 

x using this ic

op 

s. 

The 

on in 

Page 6: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

To mosaic

 

Data M

 

This will o

Output Lo

in the Ras

so I usual

feature, I 

some ann

a geodata

tool. It wi

should loo

 

 

1.4 Repro

Next, you

if you don

doesn’t h

 

c the tiles, na

Management 

open a new w

ocation where

ster Dataset N

ly name it like

guess), you’r

noying reason

abase. Specify

ll automatica

ok like this: 

oject raster 

 need to repr

n’t do this righ

ave the right 

vigate within

Tools ‐> Rast

window. Drag 

e you want th

Name with Ex

e this: Range_

re working on

n. Don’t add a

y the Number

ally add the m

roject the ras

ht you’ll run i

length scale 

 the toolbox 

ter ‐> Raster D

and drop all o

he file saved. 

xtension field.

_geog. Range

n. But the tota

an extension –

r of Bands as 

merged DEM t

ter from geog

nto problems

set for some 

as follows an

Dataset ‐> Mo

of your tiles i

This will usua

. At this point

e will correspo

al length of th

– you want th

1. All other fi

to your projec

graphic to UT

s later with th

reason. 

d double clic

osaic to New 

nto the Input

ally be your to

t your data ar

ond to whate

he name can’

he default, wh

elds can be le

ct. The Mosai

TM coordinat

he hillshade a

k on the last 

Raster 

t Raster Field

op level folde

re in a geogra

ever mountain

t exceed 13 c

hich will give 

eft alone. Hit 

ic to New Ras

es. I’m not re

and slope rast

entry: 

. Specify in th

er. Give the n

aphic projecti

n range (or ot

characters for

save the rast

OK to run th

ster window 

 

eally sure why

ters. I think it

he 

ame 

ion, 

ther 

ter as 

y, but 

Page 7: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

Start by d

works fine

 

http://ww

 

Open ArcT

 

Data M

 

This will o

Input Coo

Navigate t

typically n

right of th

 

 

Projec

 

And then 

Technique

around 30

 

 

etermining th

e: 

ww.dmap.co.u

Toolbox again

Management 

open a new w

ordinate Syste

to the right fo

name this one

hat field and n

ted Coordina

follow throug

e to Bilinear. T

0 m for GDEM

he correct UT

uk/utmworld

n and navigat

Tools ‐> Proj

window. Drag 

em window au

older and give

e Range_utm

navigating as 

te System ‐> 

gh with the a

This is key!! T

M data. Hit OK

TM zone. The

.htm 

te as follows:

ections and T

the merged D

utomatically w

e the output 

. Specify the 

follows: 

UTM ‐> WGS 

ppropriate H

The Output Ce

K to run. The 

re are lots of 

Transformatio

DEM into the 

with GCS_WG

DEM a name

Output Coord

1984 ‐> 

emisphere an

ell Size should

completed w

google‐able 

on ‐> Raster ‐>

 Input Raster

GS_1984 if yo

e in the Outpu

dinate System

nd UTM zone

d be automat

window should

ways to do th

> Project Ras

r field. This sh

ou’re using GD

ut Raster Data

m by clicking o

e. Click OK. Se

tically popula

d look like thi

 

his, but this o

ster 

hould populat

DEM data. 

aset field. I 

on the icon to

et the Resamp

ted and shou

is: 

one 

te the 

o the 

pling 

uld be 

Page 8: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

1.5 Clip R

You now w

anything)

notice tha

projection

grid to a s

shapefile 

 

First, crea

this, first o

this symb

 

  

From ArcC

level folde

>Shapefile

case), and

 

 

This will a

need to e

 

Make sure

>Toolbars

aster 

want to work

and reopen a

at the bounda

n. Your DEM m

smaller area. 

of the dimen

ate the shape

open ArcCata

ol in the tool 

Catalog, right

er, or create a

e. A new wind

d choose the 

automatically 

dit the shape

e your Editor 

s to turn it on

k in a differen

a new, empty

aries are no lo

may also be l

There are dif

sions I want a

file. A shapef

alog. You can 

bar at the to

t click on the f

a “shapefiles”

dow will open

same UTM zo

add a new sh

efile to create

is running an

. In the drop‐

t projection s

y project. Add

onger rectang

arger than yo

fferent ways o

and then use 

file is just vect

do this using

op of the proje

folder in whic

” folder unde

n. Name your

one as your p

 

hapefile to yo

e the polygon

nd available to

‐down menu 

system, so clo

d your new UT

gular and N‐S

ou need. You 

of doing this, 

it as a stamp

tor data that’

g the tap on th

ect window t

ch you want t

er the top leve

r Shapefile, ch

rojected rast

our project. T

o you as a too

in the Editor 

ose the arc pr

TM project D

S or E‐W beca

can fix both t

but my meth

p to clip out th

’s either poin

he right side o

hat looks like

to create the 

el). In the righ

hoose the fea

ter. The windo

his is just a b

olbar. If you d

toolbar, sele

roject (don’t 

DEM to the pr

ause of the ch

these problem

hod is to draw

he same area

nts, lines or po

of the project

e this: 

shapefile (ca

ht‐click windo

ature type (po

ow should loo

lank feature t

don’t see it, g

ct Start Editin

bother to sav

roject. You’ll 

hange in 

ms by clipping

w a “polygon”

a from the DE

olygons. To d

t or by clickin

an be your top

ow, go to New

olygon in this

ok like this: 

though – you

go to Customi

ng. This will b

ve 

g the 

” 

EM. 

ng on 

w‐

’ll 

ize‐

bring 

Page 9: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

up a new 

double‐cl

 

To draw t

  

Click on th

Rectangle

you can d

while you

back to th

 

Now, use 

 

‐> Data

 

Your DEM

the DEM a

 

 

The new D

window in w

icking on it. 

he polygon, o

he shapefile a

e should work

elete it by hit

 drag your cu

he Editor tool

the polygon 

a Manageme

M is the Input 

an appropriat

DEM will be a

which you nee

open the Crea

and then sele

k well for this 

tting delete o

ursor should m

bar, select th

to clip the DE

ent Tools ‐> Ra

Raster. Drag 

te name such

added to your

d to choose t

ate Features w

ect a tool in th

application. 

on your keybo

make your bo

he drop‐down

EM. Go to Arc

aster ‐> Raste

and drop you

h as Range_cl

r project. You

the layer or w

window by cl

he Constructio

Draw the pol

oard while the

oundaries ver

n menu and c

c Toolbox and

er Processing 

ur polygon sh

ip. Hit OK. Th

u can now del

workspace to 

licking on this

on Tools at th

ygon. If you d

e polygon is s

rtical/horizon

hoose Save E

d navigate as 

‐> Clip 

apefile into t

he window sh

lete the shap

edit. Choose 

s icon in the E

he bottom of 

don’t like you

selected. Hold

tal. Once you

Edits and then

follows: 

the Output Ex

ould look like

 

efile and unc

your polygon

Editor Toolba

the window. 

ur first attemp

ding down ta

u’re happy, go

n Stop Editing

xtent field and

e this: 

lipped DEM.

n by 

r: 

 

pt 

g. 

d give 

Page 10: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

1.6 Make

This is the

create a h

adding sh

 

Start with

up your w

Customize

show up i

know, eith

 

Navigate 

Spatia

 

Double‐cl

particular

 

Clicking o

folder and

Azimuth a

to run. Th

 

 

 the raster lo

e fun part. Yo

hillshade map

adows. 

h the hillshade

work environm

e‐> Extension

n your ArcTo

her can be us

in ArcToolbox

l Analyst Too

ick on Hillsha

r. Please explo

n Hillshade w

d give your H

and Altitude (

he completed

ook nice 

u can add col

p which you ca

e map. This w

ment before, 

s… and clickin

olbox window

sed. 

x to: 

ls ‐> Surface 

ade. Note tha

ore these on 

will bring up a

illshade raste

(the sun angle

 window will 

lor to the DEM

an layer unde

will make use 

you may nee

ng the boxes 

w. I’ll go with

t there are ot

your own! 

 new window

er an appropr

e) or the Z fac

look like this

M to show ele

er the DEM. T

of either 3D A

d to turn the

beside 3D An

 Spatial Analy

ther really us

w. Your Input 

iate name, lik

ctor if you wa

evation. It’s a

This will make

Analyst or Sp

se “extension

nalyst and Spa

yst Tools in th

eful tools in h

Raster is you

ke Range_hill

ant, but the d

also useful at 

e the DEM ea

patial Analyst.

ns” on by nav

atial Analyst. 

he following, 

here – contou

r DEM. Navig

. You can pla

default values

 

this point to 

sier to read b

. If you haven

vigating throu

Both options

but as far as 

ur and slope i

gate to the rig

y around with

s are fine. Hit 

by 

n’t set 

ugh 

s will 

in 

ght 

OK 

Page 11: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

In the me

transpare

 

Next, we’

will open 

It should l

 

 

 

Next, go t

Also note 

 

 

nu on the lef

ent next so th

ll work on the

a new windo

look like this:

to the Symbol

that you can

t, drag the hi

e hillshade ca

e DEM. In the

ow. Go to the 

 

logy tab. Click

 invert the co

llshade layer 

an be seen th

e menu on the

Display tab a

k on the Colo

olor ramps. M

10 

and place it b

rough it. 

e left, right cl

and look for T

or Ramp drop 

My preferred c

below the DE

lick on the DE

Transparency.

 

down menu 

color scheme

 

EM. We’ll mak

EM and select

. Start with 50

and set it to 

e looks like th

ke the DEM 

t Properties. T

0% in this fiel

what you wa

is: 

This 

ld.  

nt. 

Page 12: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

11  

Hit Apply to preview and OK once you’re happy. There are millions of things to play around with in these 

tabs. Feel free to explore! 

 

You should now have a nice‐looking DEM. 

 

1.7 Other things you might want to add to the project 

 

1. Slope maps are great and very useful. This in ArcToolbox under Spatial Analyst Tools ‐> Surface.  

 

2. Topographic contours are obviously useful as well, particularly for producing maps if you don’t want 

to use a DEM background. This is also in ArcToolbox under Spatial Analyst Tools ‐> Surface. 

 

3. Other shapefiles. For example, you might want to create sample locations (point), faults (polyline) or 

terrace surface (polygon). For any shapefile, follow the steps outline in 1.5 above for creating the 

clipping polygon. 

 

4. The accumulation array. You’ll create this when you do the watershed extraction in the next section. 

 

5. Other rasters – satellite imagery or jpegs of maps or air photos. The former will usually have 

projection information included, so it should be easy to add. Jpegs can be added but will need to be 

rectified, which is a process unto itself and not something I’ll go into here. 

 

   

Page 13: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

12  

2. WATERSHED DELINIATION  

In order to perform morphometric analysis you will now need to clip out the individual drainage basins 

you’re interested in analyzing. Typically these will be drainage basins in a fault‐bounded mountain range 

with their outlets chosen to be on the fault or at the range front. You’ll have to decide on how many 

basins you want to clip. You could choose only the basins that extend to the range divide, or only basins 

over a certain size. It will depend on the problem you’re trying to address. 

 

The basic workflow is to first create direction and accumulation rasters that tell you about how water 

should be routed around on the surface of the DEM, based on its topography. From this, you will 

manually choose the outlet points for the catchments you’re interested in. You will then use those 

outlet points to clip out the upstream watersheds, forming polygons. You then use these polygons to 

clip out little pieces of the DEM. The steps are as follows: 

 

2.1 Create a depressionless DEM 

All DEMs derived from satellite data will have “sinks.” These are essentially the result of the cellsize of 

the DEM being larger than the scale of the river bottom, particularly in mountainous terrain. These lead 

to artificially high pixels along drainages (because that particular pixel catches a lot of steep terrain on 

either side of the river, for example). These act sort of like dams to the theoretical flow of water in your 

dem (sinks) and need to be filled. Filling them will create artificial flat spots behind the dams, which can 

make your river channel step‐like if the sinks are severe, but there really isn’t another good way to deal 

with this problem. In most DEMs you won’t significantly notice this filling. It becomes more apparent in 

regions will internal drainage.  

 

To fill the sinks, in ArcToolbox, navigate to: 

 

Spatial Analyst Tools ‐> Hydrology ‐> Fill 

 

This will open a new window. The Input Surface Raster is your clipped DEM. Give a location and name to 

the Output Surface Raster (for example, Range_fill). Leave the z‐limit blank. You can tune this if you 

want – it can limit depth of the sinks you want to fill. It’s useful, for example, in regions of internal 

drainage where some of your “sinks” are real. This will automatically add a new raster to your project. 

There should be a difference between the lowest elevation of this raster and your original DEM. 

 

2.2 Create the direction array 

 In this step you will assign a flow direction to each cell. Flow direction is determined by looking for the 

lowest adjacent pixel for each pixel and then assigning an appropriate direction based on the arbitrary 

numbering scheme below. 

Page 14: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

To create 

 

Spatia

 

This will o

the Outpu

Environm

DEM. Clic

number is

 

2.3 Create

Now you’

in the DEM

the accum

 

Spatia

 

This will o

name to t

Environm

DEM. Acc

 

Your raste

right‐click

the data a

Toward th

window in

this. The l

will have 

to 5,000, 

them and

to start w

the direction

l Analyst Too

open a new w

ut Surface Ras

ents button a

k OK to run. T

s assigned a c

e the accumu

ll sort of integ

M. This is tells

mulation array

l Analyst Too

open a new w

the Output Su

ents button a

ept all other 

er will be mos

k on the layer

as classified in

he top of the 

n the lower ri

ower you set

low values an

for example, 

 a different c

with. This wind

n array, in Arc

ls ‐> Hydrolog

window. The In

ster (for exam

and confirm t

This will auto

color but it wo

ulation array 

grate the flow

s you about t

y, in ArcToolb

ls ‐> Hydrolog

window. The In

urface Raster 

and confirm t

defaults. Clic

stly black, but

 in the list on

n the panel o

next window

ght corner, c

t it, the more 

nd trunk chan

you’ll assign 

olor for all ce

dow should lo

cToolbox, nav

gy ‐> Flow Dir

nput Surface 

mple, Range_d

hat the Raste

matically add

on’t make mu

w information

he theoretica

box, navigate

gy ‐> Flow acc

nput flow dire

(for example

hat the Raste

k OK to run. T

t you might s

 the left and 

n the left. Do

w that pops up

lick on the fir

of the draina

nnels will have

one color to 

ells with a hig

ook like this w

13 

vigate to: 

rection 

Raster is you

dir). Open En

er Analysis ‐> 

d a new raste

uch sense. 

n – adding up

al drainage ne

to: 

cumulation 

ection raster 

e, Range_acc)

er Analysis ‐> 

This will auto

ee a hint of t

go to Propert

ouble click on 

p, set the num

rst number an

age network y

e high accum

all cells with 

her number f

when you’re d

r filled DEM. 

nvironment Se

Cell Size is se

r to your proj

p how many o

etwork of you

is your direct

. Open Enviro

Cell Size is se

matically add

he drainage p

ties. In the Sy

the classify b

mber of classe

nd set it lowe

you’ll see. Pix

mulation value

less than 5,00

flowing into t

done: 

Give a locatio

ettings, click o

et to the same

ject. It will loo

other cells flo

ur DEM. Very

tion array. Giv

onment Settin

et to the same

d a new raste

pattern. To m

ymbology tab,

button on the

es to 2. In the

er… you can p

xels at your d

es. If you set y

00 other cells

them. 5,000 is

 

on and name

on the 

e as your fille

ok funny… ea

w into each p

y useful. To cr

ve a location 

ngs, click on t

e as your fille

r to your proj

make it pretty,

, choose to sh

e right side. 

e Break Value

play around w

rainage divid

your break po

s flowing in to

s a good num

e to 

ed 

ach 

pixel 

reate 

and 

the 

ed 

ject. 

how 

es 

with 

es 

oint 

mber 

Page 15: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

 

Click OK t

You want 

assign som

the color,

your wind

 

 

o go back to t

the bulk of t

me shade of b

 double‐click 

dow should lo

the main pro

he cells, the o

blue to the hi

on the colore

ook like this: 

perties windo

ones with sm

gher value pi

ed box in the 

14 

ow. You’ll see

aller accumu

xels, which re

legend. Set t

 

e just two clas

lations, to be

epresent the 

to the desired

sses now in b

e transparent 

main drainag

d color. When

 

black and whit

and you can 

ge network. T

n you’re done

te. 

To set 

e, 

Page 16: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

Hit Apply 

 

2.4 Create

Pour poin

often wor

 

Start by c

same as t

Point in th

 

Zoom way

array is tu

any weird

 

Continue 

 

Watershe

the shape

to Open A

Field. In th

UNIQUEID

your edits

to see how it

e pour points

nts will be the

rks well to ch

reating a new

he map. Start

he constructio

y in to the loc

urned on. Plac

d looking area

placing point

eds are deline

efile attribute

Attribute Tabl

he new windo

D. Start anoth

s and stop ed

t looks. Play a

e lowermost p

oose them at

w point shape

t editing and 

on tools field

 

cation where 

ce a pour poi

as or tributary

ts until you’re

eated based o

 table. To do 

le. Click on th

ow that open

her editing se

iting. 

around with it

pixel in your f

t the range fro

efile with a na

open the cre

you want to 

nt by clicking

y junctions as

e done. Save y

on unique ide

this, right clic

e Table Optio

ns, create a fie

ssion and ent

15 

t until you’re 

future clipped

ont or directl

ame like Rang

ate features w

place the pou

 in the middle

s flow routing

your edits an

ntification nu

ck on the pou

ons icon ( )

eld of type Sh

ter an ID num

happy and th

d watersheds

y on the trac

ge_pp. Set the

window. Clic

ur point. Mak

e of a high ac

g can get com

d click Stop E

umbers, so no

ur points laye

)and in the dr

hort Interger, 

mber for each

hen hit OK. 

, so choose th

e of the rang

e coordinate 

k on the new

ke sure your a

ccumulation c

mplicated arou

Editing. 

ow you need 

er in the list o

rop down me

precision “0”

 pour point (i

hem carefully

e‐bounding f

system to be

w shapefile, cli

accumulation

cell. Try to av

und these poi

to define the

n the left and

enu, select Ad

” and name it

i.e. 1, 2, 3…). 

y. It 

fault.  

e the 

ick on 

oid 

ints. 

ese in 

d go 

dd 

Save 

Page 17: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

 

Now you 

a high acc

Start by se

window. S

accumula

 

Spatia

 

This will o

The Pour 

accumula

(for exam

try increa

 

2.5 Deline

This is exc

 

Spatia

 

This will o

Input rast

Field. Give

run. This w

in differen

 

2.6 Conve

You’ll wan

DEM. To m

need to snap

cumulation pi

electing Geop

Set the Proce

tion grid. Nex

l Analyst Too

open a new w

point field sh

ation raster is 

ple, Range_p

sing this num

eate Watersh

citing! You’re 

l Analyst Too

open a new w

ter or feature 

e a location a

will automati

nt colors! 

ert watershed

nt your water

make this con

p your pour po

ixel and (2) co

processing fro

ssing Extent  

xt, in ArcTool

ls ‐> Hydrolog

window. The In

ould be UNIQ

your accumu

ppr). It should

mber. Click OK

heds 

finally going 

ls ‐> Hydrolog

window. The In

pour point da

nd name to t

cally add a ne

d rasters to p

rsheds as poly

nversion, in A

oints. This wi

onvert your s

om the option

and Raster A

box, navigate

gy ‐> Snap Po

nput raster or

QUEID, define

ulation raster

d be fine to le

K to run. This w

to see if all o

gy ‐> Hydrolo

nput flow dire

ata  is your p

the Output Su

ew raster to y

polygons 

ygons for a bu

ArcToolbox, na

16 

ll (1) ensure t

hapefile into 

ns at the top 

Analysis ‐> Cel

e to: 

our Point 

r feature pou

ed in the prev

. Give a locat

ave snap dist

will automati

of this stuff wo

ogy 

ection raster

our point ras

urface Raster 

your project. 

unch of reaso

avigate to: 

that your pou

a raster that 

of the arc pro

ll Size propert

ur point data i

vious step. To

ion and name

tance as “0,” 

ically add a n

orked. In ArcT

is, you guesse

ster. Choose U

(for example

Ideally you’ll 

ons, including

ur points are d

you’ll use in 

oject. Open th

ties to the sa

is your pour p

o state the ob

e to the Outp

but if you run

ew raster to y

Toolbox, nav

ed it, your dir

UNIQUEID in t

e, Range_shed

see a bunch 

g using them t

directly locate

the next step

he Environme

me as your fl

point shapefil

vious, the Inp

put Surface Ra

n into problem

your project.

igate to: 

rection array.

the Pour Poin

ds). Click OK t

of watershed

to clip out th

ed on 

p. 

ents 

ow 

le. 

put 

aster 

ms, 

. The 

nt 

to 

ds, all 

Page 18: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

17  

 

Coversion Tools ‐> Raster to Polygon 

 

This will open a new window. The Input raster is the pour point raster created in the last step. Give a 

location and name to the Output polygon (for example, Range_sheds). Leave all other defaults. Click OK 

to run. This will automatically add a new shapefile to your project. Each watershed polygon will have its 

own pastel color. I prefer to make them hollow using the Properties window/Symbology tab.  

 

2.7 Create individual shapefiles for each watershed 

This is, unfortunately, as far as I can tell, a necessary step. You need to clip out your DEM in the next 

step. If you try to do it with all of the polygons in a single shapefile you’ll end up with a combined 

clipped area rather than individual basins. There may be a better way to do this though! Forging ahead… 

 

Open arc catalog. Copy and paste the watershed shapefile. Give the copies appropriate names (i.e. 

1_shed, 2_shed). Then add each to the project, one by one, start the editor, delete the polygons you 

don’t want, and stop editing. You may find it useful to group these into a folder in the list on the left. 

 

2.8 Clip out watershed DEMs 

Now, use each polygon to clip out the DEM. You’ll probably want to use the filled DEM, particularly if 

you’re going to do stream profile work later. In ArcToolbox, navigate to: 

 

‐> Data Management Tools ‐> Raster ‐> Raster Processing ‐> Clip 

 

Your Input Raster is the filled DEM. The Output Extent is the watershed polygon. Give the Output Raster 

Dataset a location and appropriate name (i.e. 1_dem_shed, 2_dem_shed…). You might want to create a 

separate folder for these in the lift on the left.  

 

You’re done! 

 

 

 

 

   

Page 19: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

For most 

drainages

range. It’s

watershed

 

3.1 Choos

This is sim

consider i

range. It s

topograph

Once you

want you

 

3.2 Measu

You’ll also

the outlet

You could

 

At this po

segments

the basins

up looking

 

 

Next, you

practice, t

intersecti

between t

cases when lo

s, you’ll want 

s useful, there

d along that a

se your plotti

mple. Just crea

its placement

should be mo

hic expressio

’re happy, sav

r plotting axis

ure the dista

o need to con

t point of the 

d also figure o

int, I usually c

s that are perp

s to the plotti

g like this: 

 need to mea

the easiest w

on of the plot

the intersecti

ooking at a m

to look at ho

efore, to plot

axis.  

ing axis 

ate a new line

t carefully, ho

ore or less in t

n of the range

ve your edits 

s to the a hea

nce of each c

nsider carefull

basins (or th

out a way to d

create a temp

pendicular to

ing axis. Crea

asure the dist

ay to do this 

tting axis and

ions of the pl

3. PLO

more‐or‐less li

w the various

 your data ag

e shapefile an

owever. It sho

the middle of

e or it could s

and stop edi

avy black line.

catchment alo

ly how you w

e pour points

define the cen

porary line sh

o the plotting 

te shapefile, 

tance of each 

is to measure

d the perpend

otting axis an

18 

OTTING AX

near mounta

s morphomet

gainst a “plott

nd draw a stra

ould be close 

f the range. It

start at the be

ting. Play aro

.  

ong the plott

want to plot yo

s you created

nter of the ba

hape file. I’ll p

axis and that

add it, start e

 

line segment

e each segme

dicular line fro

nd the perpen

XIS 

ain range with

tric indices ch

ting axis,” and

aight line alo

to parallel to

t could start a

eginning of fa

ound with the

ting axis 

our drainages

d during the w

asin and use t

populate this 

t connect the 

editing and dr

t from the en

ent (from the 

om the first w

ndicular lines 

h a bunch of p

hange along t

d define the d

ng your range

o the average 

at the beginni

aults with sur

e properties –

s. A common 

watershed de

that point.  

with a bunch

 outlet points

raw these lin

nd of the plott

end of the pl

watershed, th

 from the firs

perpendicula

the length of 

distance of ea

e. You’ll want

orientation o

ing of the 

rface expressi

– you probabl

practice is to

lineation pro

h of short line

s (or whateve

es. It might e

ting axis. In 

lotting axis to

hen the distan

st and second

the 

ach 

t to 

of the 

ion… 

o use 

cess). 

er) of 

nd 

o the 

nce 

Page 20: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

watershed

cumulativ

 

To make t

In the win

endpoints

is usually 

 

That’s it! 

 

ds and so on)

ve distance by

the measurem

ndow that ope

s. The distanc

meters. You 

), recording e

y adding the s

ments, click o

ens, click on t

ce will appear

can copy and

 

ach in a sprea

segment mea

on the measur

the measure

r in the Meas

d paste this nu

19 

adsheet. Whe

asurements. 

re tool icon (

line icon (

ure tool wind

umber directl

en you’re don

) in the 

). You can t

dow. Be sure 

ly into your s

ne you can ca

bar at the to

then simply c

to note the u

preadsheet.  

alculate the 

op of your pro

lick on two 

units. The def

oject. 

ault 

Page 21: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

20  

4. SWATH PROFILES  

“Swath profiles condense elevation data to a single profile. The profile is similar to the ridgeline your eye 

would trace if you were standing in the valley looking up at a mountain range“ 

‐ GIS4Geomorphology.com 

Creating a Swatch Profile allows for visual representations of the topographic features of a profile. The 

advantage of a swath profile is that is that is condenses data from rectangular area with a custom width, 

rather than a single line profile.  

 

4.1 Rotating your DEM 

In order to measure a SWATH profile in ArcMap, we first need to rotate the targeted topography to a N‐

S orientation. First, measure the angle of the plotting axis relative to north by using a plotting axis. This 

is the angle which we will use to rotate the DEM to the proper orientation. Create a polyline shapefile, 

and draw a line along the topographic feature of interest. This line needs to be parallel to the Length of 

the swatch profile area, splitting the swatch box in 2. Note the angle of the line as you draw it, this is 

displayed at the bottom of the screen. This is the angle we will use to rotate the DEM to the proper 

orientation. 

 

Rotate the DEM using the rotate tool:  

Data Management Tools>Projects and Transformations>Raster>Rotate. 

 

 Input the DEM into the Input Raster space. Input the angle of clockwise rotation (measured 

already) in the angle box. Press ok. 

 

Using the Editor toolbar, highlight the swatch profile axis, select the rotate tool, and press a to 

input the same angle. Shift the plotting axis to the original position relative to the rotated DEM. 

Save your edits and stop editing. 

 

4.2 Clipping the Dem to the Swath Box 

 

Next you’ll need to choose the final boundaries of your swatch profile to encompass the range or 

topographic feature. Do this by creating a polygon. Create a shapefile in Arc Catalog. Draw a polygon to 

the preferred dimensions. Save your edits and stop editing. Change the colours of the polygon to ‘no 

colour’, with a black outline. This polygon will be used to create a new DEM with the custom dimensions 

of our swatch profile. Clip the DEM using the Clip Raster tool. 

 

Data Management > Raster > Raster Processing > Clip 

 

Page 22: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

21  

The input raster will be your rotated DEM, the output extent will be your newly created polygon. Make 

sure to check the box that reads: use input features for clipping geometry. Press OK. 

This should produce a new DEM, clipped to our SWATH box outline. 

 

4.3 Extracting SWATCH Profiles 

 

Measure Length of plotting axis using the measure tool, and convert it to cells. To do this you will need 

to check cell dimensions under properties > source > cell size. Divide the total length by the size of each 

cell. The answer is the length of your swath profile, in cell. Write it down, this number will be used for 

the next step. 

Next we will run a Focal Statistics function on our clipped DEM. 

Spatial Analyst > Neighbourhood > Focal Statistics 

 

Use the following inputs: 

Height = 1 cell 

Width = 2 x Long Dimension 

Units = Cells 

Statistics Type = Mean 

Press OK 

The output of the Focal Statistics function should be a polygon with a barcode pattern. 

Enable 3‐D Analyst. Click customize > extensions, and then click the box next to 3D‐Analyst. Once 

enabled, click customize > toolbars > 3‐D Analyst to access it.  

In the toolbar, set the target layer to your Focal Statistics output file, then click ‘interpolate line’. You 

then need to draw a straight line across the barcode Focal Statistics polygon. This should be drawn 

perpendicular to the barcode pattern. Then click on profile graph to produce the mean elevation profile.  

Once the profile is created, the data can be exported as a text file, including distance along the line, and 

elevation.  

Step X.3 must be repeated, creating a new Focal Statistics layer for both the Max and Min elevation. Just 

change the Statistics type input to Max or Min. 

4.4 Importing the Data to Excel and combining plots 

Export values to excel by right clicking on the graph and selecting the excel tab. Do this for each graph, 

and then combine the data in to one excel file. Plot the three series of data, with distance on the X axis 

and elevation on the Y axis. Start the Y axis values close to the minimum elevation data to highlight the 

relief (difference between max and min elevations.) 

Page 23: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

5. CA

An under

factors (i.

1964).  Ev

sensitivity

textbooks

drainage 

geomorph

assist  to

(http://ww

catchmen

software.

5.1 Catc

Catchmen

or by mea

clipped  o

Contents 

ATCHMEN

rstanding of  t

e. tectonism 

valuation  of 

y  to  tectonis

s  (Anderson 

basin  morp

hological real

o  the  imp

ww.gis4geom

nt area, outlet

 

chment Ar

nt area can be

asuring it dire

ut  catchmen

and then sele

NT AREA, O

the  relations

and climate 

a  variety  of

sm,  has  bee

&  Anderson

phometry  ca

m (e.g. Altın 

plementation

morphology.co

t spacing, reli

rea 

e calculated e

ectly by using

nts,  the  proce

ect Open Attr

OUTLET SPA

REL

hip of draina

change) was

f  morphologi

n  standard 

,  2010;  Burb

an  be  read

& Altın, 2011

n  of  drain

om).  Below 

ief, elongatio

either from t

g the measur

edure  is  as  f

ribute Table. 

22 

ACING, RE

LIEF RATIO

age basin mo

s established 

ical  features 

practice  that

bank  &  Ande

dily  sought 

1; Özkaymak &

nage  basin 

follows  a  s

n and basin r

he attribute t

ing tool of Ar

follows:  Right

LIEF, ELON

orphology  to 

fairly early o

of  drainage

t  is  now  inc

erson,  2012).

in  a  multit

& Sözbilir, 20

morphome

step  by  step

relief ratio fro

table of the a

rcGIS. Utilizin

t  click  on  ea

NGATION A

the effects o

on (Leopold, W

e  basins,  wit

corporated  i

.  Examples  o

tude  of  pu

012) and inter

etry  are 

p  guide  to  t

om DEM data

already clippe

ng the shapef

ach  catchmen

 

AND BASIN

of external  fo

Wolman, & M

h  regard  to 

n  geomorph

of  investigati

blications  in

rnet resource

easily  acce

the  calculatio

a introduced t

ed out catchm

files of the al

nt  at  the  Tab

orcing 

Miller, 

their 

hology 

on  of 

n  the 

es that 

essible 

on  of 

to GIS 

ments 

ready 

ble  of 

Page 24: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

Right click

Select Are

The numb

 

 

 

k on the id co

ea and press O

ber on the id 

lumn of the a

OK. 

column corre

attribute tabl

esponds to th

23 

e and select C

e area of that

Calculate Geo

t particular ca

ometry. 

atchment in s

 

 

square meterrs. 

Page 25: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

5.2 Out

Outlet  sp

previous o

For the fir

Click on th

Click on L

And then 

and the n

tlet Spacing

pacing  corres

outlet along t

rst and last ca

he Measure i

ine Measurem

progressively

ext (northern

ponds  to  the

the mountain

atchment of t

con. 

ment. 

y measure the

n, in this case

e  average  dis

n front strike,

the mountain

e distance of 

) outlet, so as

24 

stance  of  a  c

, and can be 

n range, of cou

an outlet bot

s to average t

catchment's 

measured us

urse, only on

th from the p

the distance.

outlet  from 

sing the ArcG

e measureme

previous (sou

the  next  an

GIS measuring

ent can be m

 

 

thern, in this

d  the 

g tool. 

ade. 

 case) 

Page 26: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

5.3 Reli

Relief, me

from the 

raster. 

By clicking

and lowes

5.4 Elon

Basin Elon

correspon

from  spec

tables  of

correspon

Minimum

Search fo

ef 

eaning the dif

extreme valu

g on each cat

st elevation in

ngation an

ngation is the

nds to the rel

cific  catchme

f  these  poly

nding  catchm

m Bounding Ge

r Minimum B

fference of th

ues of elevati

tchment on th

n meters. 

nd Basin Re

e ratio of the 

ief of a catch

ents  can be a

ygons  will  in

ments.  Fitting 

eometry tool 

ounding Geo

he highest to 

ion that are v

he Table of C

elief Ratio

length/width

hment divided

accomplished

nclude  values

a polygon  to

of the ArcGIS

metry on the

25 

lowest elevat

visually prese

ontents, the 

 of a particula

d by its length

d by  fitting a 

s  of  maximu

o  a particula

S toolbox. The

e Search tab.

tion, in a catc

ented  in the p

colour key fo

ar catchment

h. The extract

polygon  to 

um  length  a

ar  catchment 

e process goe

chment can b

properties of

or elevation e

t whereas the

tion of length

each  catchm

and  maximu

involves  the

es as follows.

be easily calcu

f each catchm

exhibits the hi

 

e Basin Relief 

h and width v

ent. The attr

m  width  fo

e utilization o

 

ulated 

ment's 

ighest 

f Ratio 

values 

ribute 

r  the 

of  the 

Page 27: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

Or in the AArc Toolbox, select Data MManagement 

26 

Tools>Featur

 

 

 

res>Minimum

 

m Bounding G

 

Geometry. 

Page 28: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

In the dia

Select CO

 

logue box tha

NVEX HULL a

at pops up, dr

t the Geomet

rag and drop 

try Type optio

27 

a catchment 

on. 

 

 raster in the Input Featurres slot. 

 

 

Page 29: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

And check

Right  clic

Attribute 

k the "Add ge

k  on  the  new

Table. 

eometry chara

w  feature  th

acteristics as 

at  has  been 

28 

attributes to 

introduced 

 output" box

in  the  Table

  of  Contents

 

 

s  and  select Open 

Page 30: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

The attrib

meters) th

Referen

Altın, T. BCht

AndersonC

Burbank, H

Cooley, S.Leopold, 

FrÖzkaymak

Aht

 

 

bute table of 

hat can be ut

nces 

., & Altın, B. Nentral  Attp://dx.doi.o, R. S., & Andambridge: CaD. W., & Andoboken, N.J.:. W. (2013). GL. B., Wolmanreeman. k,  Ç.,  &  Sözbnatolia. ttp://dx.doi.o

the  fitted po

ilized to calcu

N. (2011). DeAnatolia, org/10.1016/jderson, S. P. (ambridge Univderson, R. S. : J. Wiley & SoGIS4Geomorpn, M. G., & M

bilir,  H.  (201Geomo

org/10.1016/j

 

olygon holds 

ulate both the

velopment anTurkey. 

j.geomorph.2(2010). Geomversity Press.(2012). Tectoons. phology: http:Miller, J. P. (19

2).  Tectonic orphology, j.geomorph.2

29 

the values o

e Basin Elong

nd morphomGeomorpho

2010.09.023morphology : t onic geomorp

://www.gis4g964). Fluvial p

geomorphol173–

2012.06.003

of maximum  l

gation and the

etry of drainaology,  1

the mechanic

phology (2nd 

geomorpholoprocesses in 

ogy  of  the  S–174(0), 

length and m

e Basin Relief

age network 125(4),  4

cs and chemis

ed.). Chiches

ogy.com.  geomorpholo

Spildağı  High128‐1

maximum wid

f Ratio. 

in volcanic te485‐503. 

stry of landsc

ster, West Su

ogy. San Fran

h  Ranges,  we40. 

dth  (in 

 

errain, doi: 

capes. 

ussex ; 

ncisco: 

estern doi: 

Page 31: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

30  

6. HYPSOMETRY  

Hypsometry  is  the measurement  of  land  elevation  relative  to  sea  level.  In  our  case  specifically,  it 

represents  the  relationship  between  elevation  and  basin  area,  watershed,  or  catchment  (Langbein, 

1947; Strahler, 1952).  Through hypsometric analysis, one can produce a Hypsometric Index (sometimes 

referred  to as Hypsometric  Integral) and Hypsometric Curve, which provide  insight  into  the erosional 

maturity and flood response of a basin (GIS 4 Geomorphology).  Hypsometric Curves may be generated 

for Basin Area (Hb), Channel Length (Hn), or R1 index (GIS 4 Geomorphology).  In this case, we will focus 

on using Hypsometric Curves  for basin  area  and elevation  to  calculate  the Hypsometric  Integral.   All 

these indices, used on their own or in conjunction with one another, can be effective in delineating local 

effects of denudation and tectonic uplift (GIS 4 Geomorphology).  

 

The Hypsometric Curve describes distribution of elevations across drainage basins or watersheds.   The 

curve  is constructed by plotting  the proportion of the total basin height  (h/H = relative height) versus 

the total basin area (a/A = relative area) (Keller and Pinter, 2002).   Total basin height H represents the 

relief within the basin (i.e. the difference between the maximum and minimum elevations in the basin) 

(Keller and Pinter, 2002).  Total surface area of the basin (A) is the sum of the areas between each pair 

of  adjacent  contour  lines  (Keller  and Pinter, 2002).    Total basin  area  (a)  represents  the  surface  area 

within the basin above a given  line of elevation h  (Keller and Pinter, 2002).   The hypsometric curve  is 

independent of differences  in basin size and relief, and area and elevation are plotted as a function of 

total  area  and  total  elevation,  therefore  drainage  basins  of  varying  sizes  can  be  compared  to  one 

another (Keller and Pinter, 2002). 

 

Hypsometric  curves  can  be  characterized  by  calculating  the  hypsometric  integral  using  the  following 

equation: 

 

 

 

 

HI  values  of  <0.30  are  generally  considered  to  be  tectonically  stable,  denuded,  or  mature  (e.g., 

Ozkaymak and  Sozbilir, 2012).   HI  values >0.60  indicated unstable, actively uplifting, or  young basins 

(e.g., Ozkaymak and Sozbilir, 2012).  However, Wilgoose and Hancock (1998) argue that HI values >0.50 

represent basins that are dominated by diffusive processes, and HI values <0.50 are dominated by fluvial 

erosion.   Flattened S‐shaped or more ‘linear’ hypsometric curves are generally represented a relatively 

stable  and mature,  but  still  developing  landscape  (Willgoose  and  Hancock,  1998).    However,  some 

authors have noted  that  some mature but  still developing  landscape  (HI = 50), may  continue  to and 

old/highly  mature  stage  without  decreasing  the  HI  value,  and  in  such  as  case  more  sophisticated 

numerical and statistical methods must be used to delineate the complex evolution of the basin (Harlin, 

1978;  Keller  and  Pinter,  2002).    Furthermore,  one must  use  caution when  interpreting HI  values  as 

similar  looking  curves  may  be  produced  by  complex  interactions  between  climate,  tectonics, 

sedimentation, and lithology (Bishop et al., 2002). 

Page 32: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

The  shap

processes

relatively 

diffusive 

Geomorp

elevations

higher ele

indicated 

 

Landscape

 

 

 

6.1 Follow

 

Open MA

navigation

your catch

create a b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e  of  a  hypso

s acting in a w

higher  eleva

hillslope  pro

hology).  A co

s (GIS 4 Geom

evations and 

dominance o

e age exhibite

w the followi

TLAB.  Near t

n bar.  Click o

hment_X.txt f

blank excel fil

ometric  curv

watershed.  A

ations,  and 

ocesses  such

oncave‐up cu

morphology).

transported 

of channelized

ed by 3 hypso

ng procedure

the top of you

on the 

files.  This fol

e into which t

ve  provides  u

A convex‐dow

one  could  p

  as  landslidi

rve may impl

.   Here, one c

to  lower are

d, fluvial, or a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ometric curve

e to perform 

ur window (b

icon (brow

der should al

the data will 

31 

useful  inform

wn curve indic

otentially  att

ing  and  inte

ly that the ma

can assume t

eas or advect

alluvial proces

es (GIS 4 Geom

hypsometry

elow the MAT

wse to folder)

lso contain th

be saved call

mation,  such 

cates that mo

tribute  this 

erill  erosion 

ajority of the 

that more ma

ed out of the

sses (GIS 4 Ge

morphology)

TLAB tool but

) to navigate t

he matlab file

ed something

as  the  dom

ore of the wa

to  a  young 

play  a  signif

 basin area lie

aterial has be

e basin, and 

eomorpholog

ttons), there 

to wherever y

e hypsometry

g like filenam

minant  geomo

tershed’s are

landscape,  w

ficant  role  (

es at relative

een removed

may subsequ

gy).   

will be a 

you have stor

.m and you sh

me_hyps.xls. 

orphic 

ea has 

where 

GIS  4 

ly low 

 from 

uently 

red 

hould 

Page 33: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

 

 

 

 

Double cl

hypsomet

code.  For

“filename

 

ick on the hyp

tric curve.  W

r the sake of t

e.txt” and size

psometry.m f

When you dou

this project, t

e of the bin, a

file, this is the

ble click on h

the two main 

at which the d

32 

e MATLAB co

ypsometry.m

things you sh

deafault is set

de that will b

m, a new wind

hould be conc

t to 50m.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

be used to cal

dow will appe

cerned about

culate the 

ear showing th

t in this code 

he 

are 

Page 34: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

 

At the top

magnifyin

Find what

Replace w

Now, hit t

replaced w

 

 

 

Now we w

size can b

with suffic

informatio

sizes!  Aga

Find what

p of your wind

ng glass).  Now

t: filename 

with: catchme

the “Replace 

with “catchm

want to repea

be adjusted at

cient values. 

on).  In this ca

ain, in the “Fi

t: 50 

dow, you will

w, enter the f

ent_1 

All’ button.  E

ment_1”. 

at the same p

t your own di

 Generally, 10

ase, we will u

nd and Repla

 see your edi

following: 

Everywhere t

procedure wit

scretion, with

0‐20 elevatio

use a 10 m bin

ace” window,

33 

tor tools and

he word “file

 

th the bin size

h the goal of 

n/pixel outpu

n size, but fee

 enter the fol

 buttons, clic

ename” appea

e, which is cu

producing a s

uts are suffici

el free to expe

llowing: 

ck on the “Fin

ared in the co

rrently set to

smooth eleva

ent (see next

eriment and t

 

d” icon (a litt

ode has now 

o 50m.  The bi

ation distribut

t step for mor

try different 

tle 

been 

in 

tion 

re 

bin 

Page 35: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

Replace w

Hit the “R

 

Close the 

word “run

appear, e

distributio

 

 

Copy you

organizat

example.x

 

The eleva

be copied

in the exa

to the num

dividing th

 

 

Now, calc

in the exa

C

Np

N

 The end r

with: 10 

Replace All” b

“Find” windo

n” underneat

levation on th

on will appea

r elevation an

ion purposes,

xls excel file.  

tion values sh

d into the “#p

ample, extend

mber of pixel

he #pixels by 

culate the “cu

ample to calcu

umulative = c

orm cumm =ixel #’s. 

orm elev = noo (elevat

esult should 

utton. 

ow, and just t

h it.  Click thi

he left, and n

r as in the fig

nd pixel value

, I would reco

 

hould be ente

ixels” column

d your data so

s.  Follow the

the maximum

ummulative”, 

ulate these va

cumulative pi

 normalized c

ormalized eletion at each p

be a plot of “

to the right on

s button.  In y

umber of cor

gure below: 

es in MATLAB

ommend that

ered under th

n.  Organize t

orting to the #

e example tem

m elevation u

“norm cumm

alues for catc

xel number, f

cumulative va

evation pixel – min_e

norm cumm”

34 

n the find but

your main MA

rresponding p

 into the exam

t you create a

he “elevation”

he elevation 

#pixels colum

mplate to find

under the “ele

m”, and “norm

chment_1.   

from bottom 

alue; divide e

levation)/(ma

” versus “norm

tton, you will

ATLAB windo

pixels on the 

mple.xls spre

a new sheet fo

” column on t

values from 

mn so that the

d the “norma

evation” colu

m elev” colum

 to top. 

ach cumulati

ax_elev – min

m elev.” 

 see a “play” 

ow, 2 columns

right.  In addi

eadsheet for c

or every catc

the left, and t

smallest to l

e correct elev

alized” column

mn.   

mns, follow th

ve value by t

n_elev) 

button with t

s of numbers 

ition, an elev

catchment_1.

hment in the

the pixels sho

argest as sho

vation corresp

n values by 

he equations u

he sum of all 

the 

will 

ation 

.  For 

ould 

own 

ponds 

used 

the 

Page 36: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

Repeat th

 

 

6.2 Calcul

 

Navigate t

left (they 

should be

 

 

 

 

 

 

 

Now, righ

should ap

correspon

his process for

lating HI 

to the and op

are under “ca

e denoted “ca

ht‐click on cat

ppear: Rowid,

nding elevatio

r all catchme

pen your arc p

atchment_de

atchment_X”)

chment_1, an

 VALUE, and 

on, and COUN

nts. 

project. Find y

ems”), you ca

). 

nd click “Ope

COUNT.  Row

NT is the num

35 

your clipped 

n check them

n Attributes T

wid represent

mber of occurr

watershed D

m so that they

Table,” a sma

s the pixel nu

rences.   

EM’s in layer

y appear on y

all table with 

umber, VALUE

rs window on 

our map (the

three column

E is the 

the 

ey 

ns 

Page 37: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

 

 

Right‐click

frequency

 

 

You want 

spreadshe

the aforem

k on the word

y distribution 

to record the

eet (you shou

mentioned H

d “VALUE”, an

and various v

e maximum, m

uld save this a

I equation (se

 

nd go to “Stat

values.   

mean, minim

as a new xls fi

ee page 1).  

36 

tistics.”  A ne

um values fo

ile), and the s

w window wi

 

or catchment_

subsequent H

ill appear tha

_1 in your exa

HI value will b

 

at displays the

ample.xls 

e calculated u

using 

Page 38: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

Close the 

 

Take a bre

Courtesy of t

 

 

Reference Bishop, M.Himalayan GIS 4 Geomhttp://gis4 Harlin, J. M59‐72, 197

Keller, E.A.Langbein, W968c, p. 99

Ozkaymak,Geomorph

Strahler, ABulletin 63

Willgoose,limited cat

 

statistics and

eak and go on

hegaurdian.com 

es 

. P., Shroder Jr perspective. G

morphology.  H4geomorpholog

M., Statistical m78. 

., Pinter, N., 20W. B., et al.,  19‐114 

, Ç., Sozbilir, Hhology 173, 128

A.N., 1952. Hyp3, 1117–1141 

 G., Hancock, Gtchment. Earth

d attribute tab

n Facebook fo

., J. F., Bonk, RGlobal and Plan

Hypsometric Cugy.com/hypsom

moments of the

002. Second Ed947, Topograp

., 2012. Tecton8–140. 

sometric Žarea

G., 1998. Revish Surface Proce

 

ble for catchm

or 20 minutes

., & Olsenhollenetary Change

urves, HI, and Rmetric‐index‐in

e hypsometric 

dition. Active Tphic characteri

nic geomorpho

a–altitude. ana

siting the hypsoesses and Land

37 

ment_1.  Rep

s. 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

er, J. (2002). Ge, 32(4), 311 –3

R1 Index.  Accentegral/  

curve and its d

ectonics. Prenstics of drainag

ology of the Sp

alysis of erosio

ometric curve forms 23, 611–

eat the previ

eomorphic cha329. 

essed October 

density functio

tice‐Hall,  Uppge basins: U. S

pildağı High Ran

onal topograph

as an indicator– 623 

ous steps for

ange in high m

 31st, 2013.  

on, J. lnt. Assoc

per Saddle RiveS. Geol. Survey 

nges, western 

hy. Geological S

r of form and p

r all catchmen

ountains: A we

c. Math. Geol., 

er, 338 pp. Water Supply 

Anatolia. 

Society of Ame

process in tran

nts.  

estern 

10, 

Paper 

erica 

sport‐

Page 39: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

The volum

basin.  Im

resulting i

significant

basin mat

system is 

the interf

significant

2006). 

 

7.1 Gettin

Assuming

first step 

Raster > R

shape file

me/area ratio

mature drain

in a low volum

tly increasing

tures, it may e

approximate

luves would b

tly, leading to

ng Started 

g you are start

is to clip the D

Raster Proces

e), and check t

7. CAT

 of a basin is 

nage basins w

me/area ratio

g in volume, a

eventually re

ely equal, as a

become more

o a lower volu

ting with a pr

DEM to the w

sing > Clip to

the “Use Inpu

TCHMENT 

an important

will have a sma

o (RVA).  As the

although not a

ach a steady 

re the uplift a

e eroded, alth

ume, but a co

roject, filled D

watershed bo

ol). Select an 

ut Features” b

38 

VOLUME/

 

t metric in cla

all area, but a

e basin matu

as significantl

state, where 

and erosiona

hough the riv

onstant area, 

DEM and a po

undary.  Do t

input raster,

box.  Select a

/AREA RAT

assifying the p

a very low sed

res and uplift

ly in area, lea

the flux of m

l rates.  If, ho

er in the basi

and thus a lo

olygon shapef

this using the 

 and output e

n appropriate

TIO 

phase of deve

diment flux o

t occurs, the b

ading to a hig

material in and

owever, uplift

in will no long

ower RVA (Fran

file to outline

Clip tool (Dat

extent (make

e output nam

elopment of a

out of the syst

basin will inci

her RVA.  As th

d out of the 

t were to ceas

ger be incisin

nkel & Pazzag

e your basin, t

ta Manageme

e sure that thi

me and locatio

tem 

ise, 

he 

se, 

g as 

glia, 

the 

ent > 

is is a 

on. 

 

Page 40: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

The next s

Vertices t

Point Typ

 

Next, the 

Values to 

ORIGINAL

step is to con

o Points).  Yo

e as ALL. 

rim point ele

Points).  The 

L raster, not t

nvert the raste

our input feat

evation values

input point f

he clip.  Chec

er vertices to

ure is the sha

s must be ext

features are t

ck the second

39 

 points (Data 

ape file used f

tracted (Spati

he rim points

 box. 

 Managemen

for clipping.  

al Analyst To

s you just cre

nt tools > Feat

Name your fi

ools > Extracti

ated, and the

tures > Featu

ile, and leave 

 

on > Extract 

e raster is the

 

ure 

 

Page 41: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

You shoul

7.2 TIN/R

The next s

> Create T

TIN somet

columns t

already be

This TIN m

The input

Data Type

defaults. 

ld now have t

Raster Creatio

step is to crea

TIN), represen

thing approp

to change wh

e masspoints

must now be c

 is the TIN ca

e to Integer, a

to sets of poin

on 

ate a TIN surf

nting a cap fo

riate, and cho

at is there.  C

 and <none> 

converted to 

p you just ma

and Sampling

nts.  Remove 

face (3D Anal

or the watersh

oose your inp

Change height

respectively.

a raster (3D A

ade, and the o

 Distance to C

40 

the originals

yst Tools > Da

hed, as define

put feature cla

t_field to RAS

 

Analyst Tools

output is a ra

Cellsize.  Met

ata Managem

ed by your ex

ass as your ex

STERVALU.  S

s > Conversio

aster cap that

thod = Linear 

ment > TIN M

xtracted rimp

xtracted rimp

F_type and ta

 

n > From TIN 

t you must na

and Z Factor 

anagement >

points. Name 

points.  Click c

ag_field shou

> TIN to Rast

ame.  Set Out

= 1 should be

 

> TIN 

your 

cell 

uld 

ter).  

put 

Page 42: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

You can n

You may n

address th

Processin

original sh

Name you

 

7.3 Calcul

The first s

the unero

Input the 

appropria

now turn off t

notice the ras

his, you must

g > Clip). The

hape file used

ur raster clip a

late RVA 

step of calcula

oded surface, 

function you

ate location fo

he TIN. 

ster goes outs

t clip the raste

 input raster 

d to do the fir

and proceed.

ating the RVA 

and the DEM

 want calcula

or the output

side of the bo

er to the basi

is the raster y

rst clip.  Don’t

 

is to calculate

M topography

ated (Your clip

t. 

41 

oundaries of t

n boundary (

you just made

t forget to cli

e the differen

 (Spatial Anal

pped cap rast

the basin, as 

Data Manage

e from the TI

ck the “Use In

nce between 

lyst > Map Alg

ter – the origi

defined by yo

ement Tools >

N, and the ou

nput Feature

 

the clipped c

gebra > Raste

inal DEM file)

 

our rim point

> Raster > Ra

utput extent 

s” box again.

ap, represent

er calculator)

), and choose

ts.  To 

ster 

is the 

 

ting 

.   

e an 

Page 43: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

Before do

file.  Right

> Classifie

Hit “OK” a

oing any furth

t click on the 

ed, and click c

and go to the

her calculation

raster output

classify. Recor

e “Source” ta

n, you must f

t by your diffe

rd the “Sum”

b of the Prop

42 

ind the pixel 

erence calcul

and the “Cou

perties menu

count and th

lation, select 

unt”. 

.  Find the Ce

e area of the

Properties > 

 

ellsize and rec

 pixels for yo

Symbology 

cord it. 

ur 

Page 44: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

Your erod

you a volu

can be ca

then calcu

 

Works Cit

Minimum

ht

Frankel, K

fr

Ev

 

 

 

ded volume c

ume in m3 (in

lculated by m

ulated by div

ted 

m Eroded Volu

ttp://gis4geo

K., & Pazzaglia

rom the south

volution(398)

can then be ca

n the case of 

multiply Coun

viding volume

me. (2013). R

omorphology.

a, F. (2006). M

hern Rock Mo

), 419‐434. 

 

alculated, by

the example,

nt and the Ce

e by area (2,4

Retrieved Oct

com/calculat

Mountain fron

ountains. (S. W

43 

y multiplying 

, 3,355,751*2

llsize2 (381*2

424,705,156m

ober 31, 201

te‐basin‐volum

nts, base‐leve

Willet, Ed.) Te

the Sum and

26.88033048

26.880330482

m3/275,292.3

3, from GIS 4

me/ 

el fall, and lan

ectonics, Clim

d the Cell (pix2 = 2,424,7052 = 275,292.3

8m2 = 8807.7

4 Geomorpho

ndscape evolu

mate, and Lan

 

xel) size2, givin

5,156m3). The

38m2).  The RV

7). 

logy: 

ution: Insights

dscape 

ng 

e area 

VA is 

Page 45: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

The shape

uplift and

shapes: U

valleys wh

steep cha

may indic

tectonica

The shape

mathema

 

Where Vf

ridgeline, 

ratio is es

Deriving V

considera

location o

upstream

profiles ap

e of a catchm

 erosion. Diff

U‐shaped valle

here fluvial in

nnel gradient

cate changing

lly active area

e of a cross‐va

tically as follo

fw is the valle

and Esc is th

sentially a rat

Figur

Vf ratios is rel

ations as to ho

of the cross‐va

 from catchm

pproximately

ent in cross‐s

fering rates an

eys where sur

ncision rates a

t. Therefore, 

 rates of tect

as. 

alley profile is

ows (http://g

ey floor width

e elevation o

tio relating th

re 1: Defining th

latively simpl

ow one applie

alley profiles.

ment outlets, 

y halfway betw

8. 

section prima

nd styles of s

rface process

are high due t

the systemat

onism, as one

s determined

is4geomorph

, Eld is the ele

f the channel

he width of th

e Vf ratio. From

e using ArcGI

es this metho

. Multiple me

or at a fixed r

ween catchm

44 

Vf RATIO

arily reflects t

urface proces

es dominate 

to high uplift 

tic analysis of

e would expe

d quantitative

hology.com/v

2

evation of lef

l. The schema

he valley floo

http://gis4geom

S software (s

od in a meani

ethods exists, 

river discharg

ment headwat

the local [stea

sses and tecto

and rates of 

rates and du

f cross valley 

ect V‐shapes t

ely as the Vf r

vf‐ratio‐soon/

 

ft ridgeline, E

atic below (fig

r to the basin

 

morphology.com

see below). H

ngful way. Th

 such as placi

ge. For this pr

ters and catch

ady‐state] bal

onism create

tectonism are

e to the need

profiles along

to dominate i

atio, and is d

/): 

Erd is the elev

gure 1) shows

n relief.   

m/vf‐ratio‐soon/ 

owever, ther

he most critic

ing profiles at

roject, we pla

hment outlets

lance betwee

e two endmem

e low or V‐sh

d to maintain

g an active fa

in the most 

efined 

ation of the r

s us that the 

/

re are importa

al factor is th

t a fixed lengt

ce cross‐valle

s, and 

en 

mber 

aped 

 a 

ult 

right 

Vf 

ant 

he 

th 

ey 

Page 46: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

45  

approximately perpendicular to the channel axis. In some cases, catchments are heavily dissected by 

multiple tributaries. In these cases, we place profiles below the confluence of these tributary streams, in 

order to measure a valley profile with only one channel. 

Other important factors can influence Vf ratios and should be considered. For example, changes along 

the length of a range in lithology, climate, and joint/fracture spacing could significantly influence erosion 

rates in discrete catchments (Pedrera et al., 2009). Catchments of vastly different size may not 

accurately indicate varied tectonic influence through different Vf ratios, depending on the method 

selected for locating cross‐valley profiles. Therefore, Vf ratios are most reliable when employed in 

catchments of similar size, climate and lithology. For more context on Vf ratios see: 

‐ http://gis4geomorphology.com/vf‐ratio‐soon/ 

‐ Pedrera, A., Pérez‐Peña, J.V., Galindo Zaldívar, J., Azañón, J.M., Azor, A., 2009. Testing 

the sensitivity of geomorphic indices in areas of low‐rate active folding (eastern Betic 

Cordillera, Spain). Geomorphology: 105. 

‐ Hamdouni, R.E., Irigaray, C., Fernández, T., Chacón, J., Keller, E.A., 2007. Assessment of 

relative active tectonics, southwest border of the Sierra Nevada (southern Spain). 

Geomorphology: 96 

8.1 Setup 

After opening your project (e.g. Lemhi.mxd) in ArcMap, complete with delineated catchments and 

catchment DEMS, the first step is to enable the 3D analyst extension. To do so, click 

Customize>Extensions... and then check the box beside 3D Analyst. Now you are ready to open the 3D 

Analyst Toolbar by clicking Customize>Toolbars>3D Analyst. Once you do that the 3D analyst toolbar 

will appear on your screen as seen below: 

Page 47: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

Note that

the dropd

from the 

 

8.2 Interp

In order t

notice tha

where yo

you have 

headwate

created, a

t in order to u

down list. For 

left. 

polate a Line 

o interpolate

at the cursor 

u want to dra

oriented the 

ers and catchm

as below: 

use the toolba

this task we 

 a line to crea

changes to a 

aw your profi

profile in a w

ment outlet. 

ar for a given 

are intereste

ate our cross‐

set of crossh

le, and then d

way you see fi

Upon double

46 

catchment, y

d in the Inter

‐valley profile

airs. Start by 

drag your cur

t. Again, we p

e clicking, a bo

you must sele

rpolate Line t

e, select the I

clicking once

rsor across th

placed our pr

ox will come u

ect that catch

tool, which is 

nterpolate Li

e just outside 

e valley, and 

rofiles halfwa

up and highli

 

hment’s DEM 

the fifth icon

ine tool. You 

the catchme

double click 

ay between th

ght the line y

from 

will 

ent 

when 

he 

you 

Page 48: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

If you do 

satisfied w

8.3 Gener

Next, click

that you s

 

Your prof

not like the li

with your pro

rate a Profile

k the Profile G

specified in st

ile will look so

ne you have 

ofile line. 

 Graph 

Graph button

tep 2: 

omething like

drawn, simpl

n in the 3D An

e this: 

47 

y press delet

nalyst toolbar

e, and repeat

r to get a cros

t the process 

ss‐valley prof

until you are

file along the 

 

line 

 

Page 49: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

With this 

Feel free t

line outsid

highest po

example, 

slopes cha

valley floo

meander 

graph and

of the 3D 

remaining

 

 

 

 

 

 

graph you ca

to resize the 

de of the catc

oints in the ca

there are cle

ange more gr

or. A helpful h

across that w

d move on to 

analyst toolb

g catchments

n now extrac

graph to incr

chment of int

atchment. De

ar inflection p

radually, and 

hint is to choo

width. Once yo

the next catc

bar before try

ct the necessa

ease the prec

terest, the hig

etermining th

points which 

you must use

ose areas of l

ou have reco

chment. Be su

ying to interpo

48 

ary informatio

cision of the a

ghest points o

e width of th

help define t

e your own ju

ow enough s

rded all the n

ure to change

olate a line o

on described 

axes. Note th

on your graph

e valley floor

the floor of th

udgment in de

lope so that a

necessary info

e the catchme

n the next ca

in the introd

at, because y

h do indeed r

r is often diffi

he valley. In o

etermining th

a river presum

ormation, you

ent DEM in th

tchment. Sim

uction in Figu

you started yo

epresent the 

cult. In this 

other cases th

he bounds on

mably could 

u can close th

he dropdown

mply repeat fo

 

ure 1. 

our 

 

he 

 the 

he 

 list 

or all 

Page 50: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

49  

Be sure to record all data in excel, and its easiest if the Vf ratio is calculated automatically. Our data 

table is shown below: 

Catchment ELD ERD VfW ESC Vf 1 1714 1698 50 1658 1.04 2 1774 1760 50 1670 0.52 3 1670 1754 240 1625 2.76 4 1935 1920 95 1670 0.37 5 2015 1957 30 1871 0.26 6 1992 2036 45 1856 0.28 7 2070 2030 55 1802 0.22 8 2670 2475 60 2100 0.13 9 2557 2570 50 2195 0.14 10 2463 2410 100 2110 0.31 11 2545 2550 65 2240 0.21 12 2865 2720 65 2332 0.14 13 3025 3070 80 2745 0.26 14 2750 3110 100 2255 0.15 15 3035 2930 50 2642 0.15 16 2795 2640 60 2170 0.11 17 2930 2890 60 2565 0.17 18 2830 3100 60 2455 0.12 19 3035 2865 100 2498 0.22 20 2745 2755 50 2490 0.19 21 3070 3080 90 2370 0.13 22 2620 2635 60 2355 0.22 23 2855 2805 75 2565 0.28 24 2534 2595 125 2315 0.50 25 2800 2795 60 2390 0.15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 51: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

 

8.4 Consid

As previo

when you

profile, as

In this exa

just adjac

significant

separate v

below the

 

derations 

usly explaine

u draw a profi

s below: 

ample we see

ent to the ma

t topographic

values for val

e confluence o

d, some catch

ile across the 

e that there a

ain channel, a

c expression. 

lley‐floor wid

of these majo

 

hments are h

midpoint of 

re at least 3 s

and a much la

Determining 

th. So in thes

or tributaries 

50 

eavily dissect

the catchmen

separate chan

arger tributar

a Vf ratio he

se cases, we p

and the main

ted and conta

nt, you may y

nnels: the ma

ry that is sepa

re is meaning

placed our pro

n channel.  

ain multiple t

yield a bifurca

ain channel, a

arated by a rid

gless, as there

ofiles lower i

tributaries, so

ated cross‐va

a small tributa

dge with 

e are three 

n the catchm

o that 

lley 

 

ary 

ent, 

Page 52: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

We utilize

sinuosity/

asymmetr

 

From this 

            

Sm

Lm

b

fa

Ls

From this 

question. 

 

 

ed the web‐lin

/) seen below

ry. 

web page we

                

mf is the sin

mf is the sin

reak in slope

an slope (sha

s is the lengt

formula, we 

9. M

nk provided in

w, to obtain pe

e obtained th

                

uosity of a g

uous length

e observed b

allow). 

th of the fau

can now focu

MOUNTAIN

n the handou

ertinent back

he formula fo

     Smf = 

given range f

 of a line me

between the

ult feature as

us on determ

51 

N FRONT S

ut (http://gis4

ground inform

r range front 

Lmf / Ls

front. 

easured alon

e mountain f

ssociated wi

ining the ran

SINUOSITY

4geomorphol

mation on ho

asymmetry, 

                

ng an undula

front hill‐slo

ith the moun

ge front sinu

ogy.com/mo

ow to calculat

which is as fo

                

ating path de

ope (steep) a

ntain front. 

osity for the s

untain‐front‐

te range front

ollows: 

                

efined by th

and the alluv

system in 

(1) 

vial 

Page 53: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

 

Using Ar

1

o

th

2

th

 

 

 

 

cMap to De

.) Open the Le

pened the Le

hat consists o

.) Locate the 

he below ima

termine Sin

emhi.mxd file

mhi.mxd file,

of each of the 

‘measure’ too

ge), and activ

uosity. 

e located with

, you should s

active and no

ol in the ArcM

vate it by click

52 

hin the releva

see in the tab

on‐active laye

Map tool inte

king the icon.

ant assignme

ble of content

er files. 

rface in the u

nt 3 folder. O

ts on the left,

upper left of t

Once ArcMap 

, a dropdown

the screen (se

 

has 

 list 

een in 

Page 54: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

 

 

3

le

th

ta

lik

 

Fi

sh

4

fr

se

ab

p

(s

In

w

5

o

se

 

 

.) In order to 

eft within the 

hat it displays

an) areas with

ke the sample

irst, we will ca

hapefile in or

.) Use the me

rom equation

egments whic

bove in white

resent in the 

sinuosity.xls) 

n order to det

will edit so tha

.) On the righ

pen your inte

elect Home‐P

best measure

table of cont

s (in purple) a

h a slope less 

e pictured be

alculate Lmf a

der to constr

easure tool to

 (1). To meas

ch trace eithe

e. Once you re

measure too

as read from 

termine the t

at it traces the

t hand side o

erface should 

Project 3 > sel

e the Lmf valu

tents) that is t

areas of the m

than 10⁰. On

low. 

and Ls for eac

ain the total 

o measure the

sure the total 

er the fault, sh

each the end 

ol interface. E

the measure

otal range fro

e entire range

of the ArcMap

look similar t

ect new > sel

53 

ue, we must f

titled “Lemhi

map which hav

nce activated,

ch fault segm

range front s

e Lmf (A) and 

length of eac

hown above i

of the arc do

nter the value

 tool interfac

ont sinuosity 

e front. 

p interface, th

to that featur

lect shapefile

first activate 

_slp”. This lay

ve slope valu

, this layerfile

ment (Red) sep

inuosity.  

 Ls (B) length

ch fault segm

in red (B) or t

ouble click an

es for Lmf an

ce for each fa

we must crea

here is a ‘cata

red in the figu

e as shown be

the layerfile (

yerfile has be

es exceeding

e will make th

parately, then

s required to

ment, single cl

the slope‐bre

d read the ‘m

d Ls into an e

ult segment (

ate a new sha

alogue’ optio

ure below. W

elow.  

(located on th

een construct

g 10⁰ and (in g

he map area lo

n we will mak

o calculate Sm

ick in discrete

eak (A) shown

measured’ val

excel spreads

(labeled 1‐4).

apefile which 

n, click this. O

With this open

he 

ted so 

grey‐

ook 

ke a 

mf 

ue 

heet 

 

 we 

Once 

 

Page 55: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

ap

fe

d

. Continued.) 

ppear. Chang

eature type fi

ialogue box. S

Once you ha

ge the name o

ield. This don

Select project

ve selected ‘c

of the shapefi

ne, click the Ed

ted coodinate

54 

create new sh

ile to Sinuosit

dit button to 

es system > U

hapefile’ the 

ty, and select

bring up the 

UTM > WGS 1

following dia

t Polyline fro

spatial refer

1984 > Northe

alogue box wi

m the dropdo

ence propert

ern Hemisphe

ll 

own 

ties 

ere > 

Page 56: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

W

d

 

7

ap

co

8

th

an

fr

 

 

 

 

WGS 1984 UTM

ata set in use

.) Now that y

pparent on th

ontents on th

.) In order to 

he tool bar he

nd check it of

riendliness th

M zone 12N. T

e. 

ou have creat

he right hand

he far left in o

edit it we mu

eader. A drop

ff. There will 

at you pin thi

This will prov

ted a shapefi

 of the ArcMa

order to edit.

ust first activa

pdown list wil

now be an ed

is toolbar to t

55 

vide ArcMap w

le, it should n

ap interface. 

ate the editor

l appear, it is 

ditor bar visib

the header as

with the corre

now be visible

Drag the sha

r tool bar. To 

 alphabetical

ble for you to 

s shown in th

ect datum of 

e within the c

pefile into th

do this right‐

, so just scrol

use. I recom

e below figur

reference fo

catalogue 

e table of 

‐click anywhe

ll down to ed

mend for use

re. 

r the 

ere in 

itor 

er 

 

Page 57: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

9

Ed

se

d

Fe

th

 

 

10

 

 

 

 

.) Right‐click t

diting from th

egment. Now

own field. Bro

eatures. Next

he right side o

0.) Below the

the shapefile 

he list within 

w navigate bac

owse down th

t select the si

of your ArcMa

e create featu

“sinuosity’ a

the editor fie

ck to the Edit

he list to the 

nuosity shap

ap interface.

ure menu will 

56 

nd browse to

eld. We can n

or toolbar (d

bottom wher

efile from the

be a constru

o Edit in the d

ow edit the s

isplayed abov

re it says Edit

e dialogue bo

uction tools m

dropdown fiel

shapefile, i.e.,

ve) and select

ting Windows

ox below that

menu, select L

ld. Select Star

, create a line

t the Editor d

s. Select Crea

 will appear o

Line. 

rt 

drop 

ate 

on 

Page 58: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

 

 

 

 

10

to

fa

d

1

an

ex

12

(S

 

0. Continued

otal fault trac

ault segment,

ouble clicking

1.) Once you 

nd Ls for the 

xcel file sinuo

2.) By applyin

Smf) for each 

.) Once you h

e and total sl

, but this time

g. 

have drawn t

entire range 

osity.xls. 

ng equation (1

individual fa

 

have selected 

ope‐break tra

e unbroken fr

the feature, r

front feature

1) in the exce

ult segment i

57 

the line optio

ace as we did

rom one end 

repeat steps 2

e you have jus

el table you sh

n addition to

on shown ab

d using the m

of the range 

2, 3, and 4 to 

st drawn. Aga

hould now be

o the complet

ove, you can 

easure tool fo

to the other.

obtain meas

ain, put these

e able to calcu

e range front

begin drawin

or each indiv

 End the line 

urements of 

e values into t

ulate the sinu

t. 

ng the 

idual 

by 

Lmf 

the 

uosity 

Page 59: MORPHOMETRIC ANALYSIS: A step by step - … ANALYSIS: A step ... Add the d Navigatin project ... same UTM zo add a new sh file to create is running an. In the drop

 

To me

faulted

measu

perpen

 

1

2

3

ti

in

to

4

so

fa

5

Si

re

sp

6

(t

re

e

 W

ex

 

asure the ran

d side. The m

uring the rang

ndicular to th

.) Open the Le

.) Select the m

.) Measure to

p of the axis a

n the measure

otal length int

.) Now, we w

outhern tip w

aulted width (

.) In order to 

ingle click on 

ed) and doub

preadsheet (a

.) To measure

the same poin

ed) and exten

nter them as 

We will repeat

xcel spreadsh

nge asymmetr

easure tool w

ge asymmetry

he plotting axi

emhi.mxd file

measuring too

otal length of 

and then dou

e tool interfac

to an excel sp

ill measure th

we will measu

(B) and the ra

measure the 

the plotting a

le‐click. Read

asymmetry.xl

e the range w

nt as in 5) and

nding it to the

the total leng

t these two st

heet (asymme

10. RANG

ry we first ha

will be used to

y we will take

is.  

e located in th

ol. 

the plotting a

uble‐clicking o

ce. You shoul

preadsheet (a

he range widt

re out 5km. A

ange widths (

range width 

axis at the 5k

d the values a

s). 

width we will s

d draw a perp

e end of the r

gth into an ex

teps every 5k

etry.xls). 

58 

GE ASYMM

ve to measur

o do this. To o

e a series of m

he assignmen

axis (back line

on the northe

d get a meas

asymmetry.xls

th and range 

At the end of 

A). 

on the faulte

km interval an

nd enter them

select the me

pendicular lin

ange (purple)

xcel spreadsh

km until we re

METRY 

re the range w

obtain the req

measurements

nt 3 folder. 

e) by single‐c

ern most poin

surement of ~

s). 

width on the

each 5km int

ed side we wi

nd draw a per

m as the tota

easuring tool 

e to the plott

) and double‐

heet (asymme

each 70km an

width and ran

quired values

s every 5km a

licking on the

nt. Read the ‘m

~70km. Enter 

e faulted side

terval we will

ll select the m

rpendicular li

al length into 

again. Single 

ting axis start

‐click. Read th

etry.xls). 

nd report thes

nge width on 

s needed for 

along slices 

e southern m

measured’ va

the values fo

. Starting at t

 measure the

measuring too

ne to the fau

an excel 

click on the f

ting at the fau

he values and

se values  in 

the 

ost 

alue 

or the 

he 

ol. 

lt (in 

fault 

ult (in 

an