Arcgis操作第九章水文分析

1、第九章水文解析水文解析是DEM数据应用的一个重要方面。利用DEM生成的集水流域和水流网络，成为大多数地表水文解析模型的主要输入数据。表面水文解析模型研究与地表水流有关的各种自然现象比方洪水水位及泛滥情况，划定受污染源影响的地区，展望当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等。基于DEM地表水文解析的主要内容是利用水文解析工具提取地表水流径流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络（包括河流网络的分级等）以及对研究区的流域进行切割等。经过对这些基本水文因子的提取和解析，可再现水流的流动过程，最后达成水文解析过程。本章主要介绍ArcGIS水文解析模块的应用。ArcGIS供应的水文解析模块

2、主要用来建立地表水的运动模型，辅助解析地表水流从哪里产生以及要流向哪处，再现水流的流动过程。同时，经过水文解析工具的应用，有助于认识排水系统和地表水流过程的一些基本看法和要点过程。ArcGIS将水文解析中的地表水流过程会集到ArcToolbox里，如图11.1所示。主要包括水流的地表模拟过程中的水流方向确定、洼地填平、水流累计矩阵的生成、沟谷网络的生成以及流域的切割等。本章1至5节主若是依照水文解析中的水文因子的提取过程对ArcGIS中的水文解析工具逐一介绍。文中所用的DEM数据在光盘中chp11文件夹下的tutor文件夹里面，每个计算过程以及每一节所产生的数据存放在tutor文件夹的resu

3、lt文件夹里面，文件名与书中所命名同样，读者能够利用该数据进行参照练习。本章最后一节还供应了三个水文解析应用的实例。11.1ArcToolBox中的水文解析模块9.1无洼地DEM生成DEM一般被认为是比较圆滑的地形表面的模拟，但是由于内插的原因以及一些真实地形（如喀斯特意貌）的存在，使得DEM表面存在着一些凹陷的地区。这些地区在进行地表水流模拟时，由于低高程栅格的存在，使得在进行水流流向计算时在该地区获取不合理的或错误的水流方向。因此，在进行水流方向的计算从前，应该第一对原始DEM数据进行洼地填充，获取无洼地的DEM。洼地填充的基本过程是先利用水流方向数据计算出DEM数据中的洼地区域，尔后计算

4、出这些的洼地区域的洼地深度，最后以这些洼地深度为参照而设定填充阈值进行洼地填充。水流方向提取水流方向是指水流走开每一个栅格单元时的指向。在ArcGIS中经过将中心栅格的8个邻域栅格编码，水流方向即可由其中的某一值来确定，图11.2水流流向编码栅格方向编码如图11.2所示。比方：若是中心栅格的水流流向左边，则其水流方向被赋值为16。输出的方向值以2的幂值指定是由于存在栅格水流方向不能够确定的情况，此时需将数个方向值相加，这样在后续办理中从相加结果便能够确定相加时中心栅格的邻域栅格情况。水流的流向是经过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差来确定。距离权落差是指中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格

5、间的距离，栅格间的距离与方向有关，若是邻域栅格对中心栅格的方向值为2、8、32、128，则栅格间的距离为2倍的栅格大小，否则距离为1。ArcGIS中的水流方向是利用D8算法（最大距离权落差）来计算水流方向的。详细计算步骤以下：在ArcMap中单击ArcToolbox图标，启动ArcToolbox；张开SpatialAnalysisTools工具箱，打开Hydrology工具集；双击FlowDirection工具，弹出（如图11.3所示）水流方向（FlowDirection）计算对话框；1）Inputsurfacedata文本框中选择输入的DEM数据：dem。2）在Outputflowdirec

6、tionraster文本框中命名计算出来的水流方向文件名为flowdir，并选择保留路径；3）若选中Forcealledgecellstoflowoutward(Optional)前的复选框，指全部图11.3水流方向FlowDirection计算对话框在DEM数据边缘的栅格的水流方向全部是流出DEM数据地区。默认为不选择。这一步为可选步骤；（4）输出dropraster。dropraster是该栅格在其水流方向上与其周边的栅格之间的高程差与距离的比值，以百分比的形式记录，它反响了在整个地区中最大坡降的分布情况。这一步为可选步骤；（5）单击OK按钮，达成操作。按钮，达成操作。计算出的水流方向数据

7、结果如图11.4所示。图11.4利用FlowDirection工具计算出来的水流方向图洼地计算洼地区域是水流方向不合理的地方，能够经过水流方向来判断哪些地方是洼地，尔后对洼地填充。但是，其实不是全部的洼地区域都是由于数据的误差造成的，有很多洼地是地表形态的真实反响。因此，在进行洼地填充从前，必定计算洼地深度，判断哪些地区是由于数据误差造成的洼地而哪些地区又是真实的地表形态，尔后在洼地填充的过程中，设置合理的填充阈值。1.洼地提取1）双击Hydrology工具集中的Sink工具，弹出洼地计算对话框，如图11.5所示；（2）在Inputflowdirectionraster文本框中，选择水流方向数

8、据flowdir；3）在Outputraster文本框中，选择存放的路径以及重新命名输出文件为sink；图11.5洼地计算对话框（4）单击OK按钮，达成操作。计算结果如图11.6所示，深色的地区是洼地。图11.6计算出来的洼地区域2.洼地深度计算（1）双击Hydrology工具集中的Watershed工具，弹出流域计算对话框，如图11.7所示，它用来计算洼地的贡献地区；（2）在Inputflowdirectionraster文本框中选择水流方向数据flowdir，在Inputrasterorfeaturepourpoint文本框中选择洼地数据sink，在pourpointfield文本框中选择

9、value；3）在Outputraster文本框中设置输出数据的名称为watershsink；4）单击OK按钮，达成操作。计算出的洼地贡献地区如图11.8所示；图11.7洼地贡献地区计算对话窗口（watershed）图11.8计算出来的洼地贡献地区（5）计算每个洼地所形成的贡献地区的最低高程；1）打开SpatialAnalysisTools工具箱中Zonal工具集，双击ZonalStatistic工具，弹出如图11.9所示的分区统计对话框；2）在Inputrasterorfeaturezonaldata文本框中，选择洼地贡献地区数据watershsink；3）在Inputvalueraster

10、文本框中选择dem作为valueraster；4）在Outputraster文本框中将输出数据文件命名为zonalmin，存放路径保持不变；5）在统计种类选择的下拉菜单中选择最小值（MINIMUM）作为统计种类；图11.9分区统计对话框6）单击OK按钮，达成操作。（6）计算每个洼地贡献地区出口的最低高程即洼地出水口高程；1）打开SpatialAnalysisTools工具箱中Zonal工具集，双击ZonalFill工具，弹出如图11.10所示的ZoneFill对话框；2）在Inputzoneraster文本框中选择watershsink，在Inputweightraster文本框中选择dem，

11、在Outputraster文本框中将输出数据命名改为zonalmax；3）单击OK按钮，达成操作。（7）计算洼地深度。1）在ArcMap中加载SpatialAnalyst模块，单击SpatialAnalyst模块的下拉箭头，单击RasterCalculator命令，弹出RasterCalculator对话框，如图11.11所示；图11.10洼地贡献地区边缘最低高程计算对话框图11.11洼地深度计算对话框2）在文本框里面输入sinkdep=(zonalmax-zonalmin)，尔后单击evaluate按钮进行计算。对于以上（5）、（6）步的计算，能够利用SpatialAnalysisTools

12、工具箱中的MapAlgebra工具集的MultiMapOutput工具。如图11.12所示。对于第（5）步，在文本框中输入：E:chp11tutorresultzonalmin=zonalmin(E:chp11tutorresultwatershsink,E:chp11tutordem)；对于第（6）步，在文本框中输入：E:chp11tutorresultzonalmax=zonalfill(E:chp11tutorresultwatershsink,E:chp11tutordem)；图11.12mapalgebra计算对话框经过以上七步的运算，即可到全部洼地贡献地区的洼地深度，如图研究区地形

13、的解析，能够确定出哪些洼地区域是由数据误差而产生，的反响地表形态，从而依照洼地深度来设置合理的填充阈值。11.13所示。经过对哪些洼地区域又是真实图11.13计算出的洼地深度图洼地填充洼地填充是无洼地DEM生成的最后一个步骤。经过洼地提取此后，能够认识原始的DEM上可否存在着洼地，若是没有存在洼地，原始DEM数据就可以直接用来进行河网生成、流域切割等。而洼地深度的计算又为在填充洼地时设置填充阈值供应了很好的参照。双击Hydrology工具集中的Fill工具，弹出如图11.14所示的洼地填充对话框；在Inputsurfaceraster文本框中，选择需要进行洼地填充的原始DEM数据；在Outpu

14、tsurfaceraster文本框中设置输出文件名为filldem；在Zlimit文本框中输入阈值，在洼地填充过程中，那些洼地深度大于阈值的地方将作为真实地形保留，不予填充；系统默认情况是不设阈值，即全部的洼地区域都将被填平。单击OK按钮，达成操作。计算后的无洼地DEM如图11.15所示。图11.14洼地填充对话框图11.15经过洼地填充生成的无洼地DEM当一个洼地区域被填平此后，这个地区与周边地区再进行洼地计算，可能还会形成新的洼地。因此，洼地填充是一个不断屡次的过程，直到全部的洼地都被填平，新的洼地不再产生为止。9.2汇流累积量在地表径流模拟过程中，汇流累积量是基于水流方向数据计算获取的。

15、汇流累积量的基本思想是认为以规则格网表示的数字地面高程模型每点处有一个单位的水量，依照自然水流从高处流往低处的自然规律，依照地区地形的水流方向数据计算每点地方流过的水量数值，便获取了该地区的汇流累积量。由水流方向数据到汇流累积量计算的过程如图11.16所示。基于无洼地DEM的水流方向的计算。计算过程同上一节水流方向的计算同样，使用的水流方向数据汇流累积数据图11.16汇流累积量的计算DEM数据是无洼地DEM。将生成的水流方向文件命名为fdirfill；在获取水流方向此后，能够利用水流方向数据计算汇流累积量。双击Hydrology工具集中的FillAccumulation工具，打开汇流累积量计算

16、对话框。如11.17所示；（1）在Inputflowdirectionraster文本框中，图11.17汇流累积量计算对话框选择由无洼地DEM生成的水流方向栅格数据fdirfill；（2）在Outputaccumulationraster文本框中输出数据命名为flowacc；（3）在Inputweightraster文本框中输入权重数据，权重数据一般是考虑到降水、土壤以及植被等对径流影响的因素分布不平衡而获取的，对每一个栅格赋权重能更详细模拟该地区的地表特点。若是无权重数据，系统默认全部的栅格的权重为1；（4）单击OK按钮，达成操作。结果如图11.18所示。图11.18经过计算生成的汇流累积量

17、数据9.3水流长度水流长度平时是指在地面上一点沿水流方向到其流向起点（或终点）间的最大地面距离在水平面上的投影长度。水流长度直接影响地面径流的速度，从而影响对地面土壤的损害力。因此，水流长度的提取和解析在水土保持工作中有很重要的意义。目前，在ArcGIS中水流长度的提取方式主要有两种：顺流计算和溯流计算。顺流计算是计算地面上每一点沿水流方向到该点所在流域出水口的最大地面距离的水平投影；溯流计算是计算地面上每一点沿水流方向到其流向起点的最大地面距离的水平投影。ArcGIS中水流长度的提取操作以下：1.双击Hydrology工具集中的FlowLength工具，弹出计算水流长度的对话框，如图11.1

18、9所示；在Inputflowdirectionraster文本框中选择基于无洼地DEM提取出的水流方向数据fdirfill；在Outputraster文本框中命名输出的水流长度栅格数据文件名称。分别进行顺流计算和溯流计算，输出的数据文件分别命名为Flowlendown和Flowlenup；计算方向能够选择Downstream（顺流计算）或Upstream（朔流计算）；图11.19flowlength的计算窗口输入权重数据。顺流计算时，结果表示沿着水流方向到下游流域出水口中最长距离所流经的栅格数；溯流计算时，结果表示沿着水流方向到上游栅格的最长的距离的栅格数；当设置达成后，单击OK按钮，达成操作

19、。两种方向计算出的结果如图11.20和图11.21所示。图11.20顺流方向上的水流长度图11.21逆流方向上的水流长度9.4河网的提取基于DEM的水文解析，其中一个内容就是要获取地表的水流网络。目前常用的河网提取方法是地表径流漫流模型：第一在无洼地DEM上利用最大坡降法获取每一个栅格的水流方向；尔后利用水流方向栅格数据计算出每一个栅格在水流方向上累积的栅格数，即汇流累积量。假设每一个栅格携带一份水流，那么栅格的汇流累积量就代表着该栅格的水流量。基于上述思想，当汇流量达到必然值的时候，就会产生地表水流，全部汇流量大于临界值的栅格就是潜藏的水流路径，由这些水流路径构成的网络，就是河网。河网的生成

20、1.河网的生成是基于汇流累积量数据的，其计算步骤见11.2节，这里用11.2节计算的汇流累计栅格数据flowacc作为基础数据；设定阈值。不同样级其余沟谷对应不同样的阈值，不同样研究地区同样级其余沟谷对应的阈值也是不同样的。因此，在设定阈值时，应经过不断的实验和利用现有地形图等其余资料辅助检验的方法来确定合适的阈值；3.栅格河网的形成。利用MapAlgebra工具集中的MultiMapOutput工具中的Con命令或Setnull命令进行有条件的盘问可获取栅格河网。其思想是利用所设定的阈值对整个地区解析并生成一个新的栅格图层，其中汇流量大于设定阈值的栅格的属性值设定为1，而小于或等于设定阈值的

21、栅格的属性值设定为无数据。栅格河网的生成也能够利用ArcMap中的SpatialAnalysis解析模块下的RasterCalculator计算。将计算出来的栅格河网命名为streamnet；栅格河网矢量化。在Hydrology工具集中双击StreamtoFeature工具，如图图11.22栅格河网变换成矢量河网对话框11.22所示；在Inputstreamraster文本框中，选择streamnet；在Inputflowdirectionraster文本框中，输入由无洼地计算出来的水流方向数据fdirfill；在Outputpolylinefeatures文本框中将输出的数据命名为strea

22、mfea。生成的矢量数据如图11.23所示。图11.23栅格河网变换成的矢量河网框StreamLink的生成Streamlink记录河网中一些节点之间的连接信息，主要记录河网的结构信息。如图11.24所示，Streamlink的每条弧段连接着两个作为出水滴或会集点的结点，也许连接着作为出水滴的结点和河网初步点。因此经过提取Streamlink能够获取每一个河网弧段的初步点和停止点。同样，也能够获取该汇水地区的出水滴。这些出水滴对于水量、水土流失等研究拥有重要意义。出水口点的确定，为进一步的流域切割做好了准备。操作以下：弧段结点图11.24Streamlink表示图1.在ArcMap里加载水流方

23、向数据fdirfill和栅格河网数据streamnet；双击Hydrology工具集中的StreamLink工具，弹出如图11.25所示的streamlink计算的对话框。在Inputstreamraster文本框中选择streamnet，在Inputflowdirectionraster文本框中选择fdirfill。在Outputraster文本框中将输出数据命名为StreamLink。OK按，达成操作。Streamlink的生成将格河网分成不包括合点的格河网片段，并片断行，其属性表中除了片段的ID号之外，着每个片段所包括的格个数。如11.26所示。图11.25StreamLink计算对话框

24、图11.26StreamLink的属性框河网分级的生成河网分是一个性的河流网以数字的形式划分。在地貌学中，河流的分是依照河流的流量、形等因素行。不同样的河网所代表的流累量不同样，越高，流累量越大，一般是主流，而那些低的河网是支流。于研究水流的运、流模式，及水土保持等拥有重要的意。在ArcGIS的水文解析中，供应两种常用的河网分方法：Strahler分和Shreve分。如11.27所示，Strahler分是将全部河网弧段中没有支流河网弧段分第1，两个1河网弧段流成的河网弧段第2，这样下去分第3，第4，向到达河网出水口。在种分中，当且当同的两条河网弧段流成一条河网弧段，弧段才会增加，于那些低弧段入

25、高弧段的情况，高弧段的不会改；Shreve分的第1河网的定与Strahler分是同样的，所不同样的是今后的分，两条1河网11111111121211112223224337Strahler分级Shreve分级11.27Strahler分级和Shreve分级表示图弧段流而成的河网弧段2河网弧段，那么于今后更高的河网弧段，其的定是由其入河网弧段的之和，如所示，当一条3河网弧段和一条4河网弧段流而成的新的河网弧段的7，种河网分到最后出水口的地址，其河网的数好是河网中全部的1河网弧段的个数。在ArcGIS中河网分的步以下：1.在ArcMap里加载水流方向数据fdirfill和栅格河网数据streamn

26、et；2.双击Hydrology工具集中的StreamOrder工具，弹出StreamOrder对话框。在Inputstreamraster文本框中选择Strahler分级和Streamoshr；streamnet，在Inputflowdirectionraster文本框中选择fdirfill。分别Shreve分级对河网进行分级，将输出数据分别命名为Streamostr和3.单击OK按钮，达成操作。计算出的两种河网分级分别结果如图11.28和图11.29所示。对于streamlink和streamorder计算出的栅格数据同样能够利用Hydrology工具集中的streamtofeature工

27、具将其转变成矢量数据便于进一步的研究和解析。图11.28河网的Strahler分级结果图11.29河网的Shreve分级结果9.5流域的切割流域（watershed）又称集水地区，是指流经其中的水流和其余物质从一个公共的出水口排出从而形成的一个集中的排水地区，如图11.30所示。也能够用流域盆地（basin）、集水盆地（catchment）或水流地区（contributingarea）等来描述流域。Watershed数据显示了地区内每个流域汇水面积的大小。汇水面积是指从某个出水口（或点）流出的河流的总面积。出水口（或点）即流域内水流的出口，是整个流域的最低处。流域间的分界线即为分水岭。分水线包

28、围的地区称为一条河流或水系的流域，流域分水线所包围的地区面积就是流域面积。集水地区界线集水地区出口分水岭子集水地区水流网络图11.30集水地区流域盆地的确定流域盆地是由分水岭切割而成的汇水地区，是经过对水流方向数据的解析确定出全部相互连接并处于同一流域盆地的栅格。第一要确定解析窗口边缘的出水口的地址，全部的流域盆地的出水口均处于解析窗口的边缘。流域盆地集水区的确定是找出全部流入出水口的上游栅格的地址。在ArcGIS中，流域盆地的计算的操作以下：1.双击Hydrology工具集中的Basin工具，打开流域盆地计算的对话框。如图11.31所示。2.输入水流方向数据fdirfill，设置输出数据文件

29、名为basin。3.单击OK按钮，达成操作。在ArcMap中加载上一节计算出的矢量河网数据在以及刚获取的basin数据，如图11.32所示。全部流域盆地的出口都在研究区域的界线上，利用流域盆地解析，可将感兴图11.31流域盆地计算的对话框趣的流域划分出来。图11.32计算出的流域盆地(线状图形为矢量河网数据)汇水区出水口的确定在水文解析中，平时需要基于更小的流域单元进行解析，这样就需要进行流域的切割。流域的切割第一要确定小级别流域的出水口的地址，能够经过SpatialAnalysisTools工具箱下的Hydrology工具集中的SnapPourPoint的工具来搜寻。它的思想是利用一个记录着

30、潜藏但其实不正确的小级别流域的出水口的地址的数据层，在该点地址上在以指定距离在汇流累积量的数据层上搜寻那些拥有较高汇流累积量栅格点的地址，这些搜寻到的栅格点就是小级其余流域的出水滴。也能够利用已有的出水滴的矢量数据。若是没有出水滴的栅格或矢量数据,能够用已生成的streamlink数据作为汇水区的出水口数据。由于streamlink数据中隐含着河网中每一条河网弧段的联系信息，包括弧段的起点和终点等，而弧段的终点能够看作是该汇水地区的出水口所在地址。集水流域的生成对于一个小集水流域的生成，思想以下：先确定出水滴，即该集水区的最低点，尔后结合水流方向数据，解析搜寻出该出水滴上游全部流过该出水口的栅

31、格，直到搜寻到流域的界线，即分水岭的地址。1.第一在ArcMap中打开水流方向数据fdirfill和流域出口点数据streamlink；双击Hydrology工具集中的Watershed工具，打开集水地区（贡献地区）计算的对话框。分别在水流方向数据和出水口数据的文本框中选择fdirfill和streamlink数据，设置输出数据文件名为watershed。OK按，达成操作。果如11.33所示，了更好的表流域的切割收效，在此窗口中加了流域盆地和矢量河网的数据。能够看出：通streamlink作流域的出水口数据所获取的集水地区是每一条河网弧段的集水地区，也就是要研究的最小沟谷的集水地区。图11.3

32、3集水地区的计算结果9.6实例与练习利用水文解析方法提取山脊、山谷线1.背景：作地形特点的山脊、山谷地形、地貌拥有必然的控制作用。它与山点、谷底点以及鞍部点等一起构成了地形及其起伏化的骨架构。同由于山脊拥有分水性，山谷拥有合水性特点使得它在工程用方面拥有特其余意。因此在数字地形解析中，山脊和山谷的提取和解析是拥有很大用价的。目的：认识基于DEM的水文解析方法提取出山脊和山谷的原理；掌握水流方向、流累量的提取原理及方法；能利用水文解析的方法与其余空解析方法相合以解决用。要求：1）利用水文解析思想和工具提取研究地区的山脊；2）利用水文解析思想和工具提取研究地区的山谷。4.数据：一幅25m分辨率的黄

33、土地貌DEM数据，地区面大有140km2。数据存放于随光/ChP11/Ex1目中。5.算法思想：山脊和山谷的提取上也是分水与水的提取。因此，能够利用水文解析的方法行提取。于山脊而言，由于它同也是分水，而分水的性即水流的起源点。因此，通地表径流模算此后，些格的水流方向都只拥有流出方向而不存在流入方向，也就是其栅格的汇流累积量为零。经过对零值的汇流累积值的栅格的提取，就可以获取分水线，即山脊线；对于山谷线而言，能够利用反地形的特点，即利用一个较大的数值减去原始的DEM数据，获取与原始地形完好相反的地形数据，使得原始的DEM中的山脊变成反地形的山谷，而原始DEM中的山谷在反地形中就变成了山脊，再利用

34、山脊线的提取方法就可以实现山谷线的提取。但是这种方法会出现提取出的山脊和山谷地址有些误差，能够利用正、负地形来加以纠正。基于DEM利用水文解析的方法提取山脊线和山谷的技术流程如图11.34所示。反地形DEM水流方向数据汇流累计量山谷线求交负地形原始DEM邻域解析求均值后的DEM正地形求交无洼地DEM水流方向数据汇流累计量山脊线图11.34山脊线和山谷线的提取流程图操作步骤（1）正负地形的提取1）启动ArcToolbox，张开AnalysisTools工具箱，打开Hydrology工具集。在ArcMap中加载研究地区的原始DEM数据，如图11.35所示；2）加载SpatialAnalyst模块，

35、单击SpatialAnalyst模块的下拉箭头，单击NeighborhoodStatistics菜单工具，利用邻域解析的方法以1111的窗口计算平均值。计算结果命名为meandem；3）单击SpatialAnalyst中的RasterCalculator菜单工具，对原始DEM数据与邻域解析此后的数据meandem做减法运算，并将运算结果重分为两级，分级界线为0，则大于0的地区在原始DEM上就是正地形地区，小于0的地区在原始DEM上就是负地形地区。图11.36正地形地区（图中深色地区）图11.37负地形地区（图中深色地区）11.35研究地区的DEM数据4）对上一步获取的二值化数据进行两次重分类，

36、一次将正地形地区属性值赋值为1，负地形地区属性赋值为0，命名为zhengdixing；另一次将正地形地区属性值赋值为0，负地形地区属性赋值为1，命名为fudixing。结果分别如图11.36、图11.37所示。（2）山脊线的提取1）在ArcMap中加载研究地区的原始DEM数据，如图11.35所示；2）洼地填充：双击Hydrology工具集中的Fill工具，进行原始DEM的洼地址填充。在Inputsurfaceraster文本框中选择原始DEM数据dem，将输出数据命名为filldem，由于选择的是将全部洼地全部填充，因此Zlimit为默认值；3）基于无洼地的水流方向的计算：双击Hydrology工具集中的FlowDirection工具，在Inputsurfaceraster文本框中选择填充过的无洼地DEM数据filldem，将输出的水流方向数据命名为flowdirfill；4）汇流累积量的计算：双击Hydrolo