ARCGIS水文分析模型
ArcGIS ArcHydro水文分析
经过水文修正的DEM数据
• 洼地Sinks
– 洼地区域是水流方向不合理的地方，可以通过水流方向来判断那些地方 是洼地，然后再对洼地进行填充。有一点必须清楚的是，并不是所有的 洼地区域都是由于数据的误差造成的，有很多洼地区域也是地表形态的 真实反映，因此，在进行洼地填充之前，必须计算洼地深度，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，然后 在进行洼地填充的过程中，设置合理的填充阈值。
Elevation字段的值。
Arc Hydro Terrain Preprocessing
• DEM ReConditioning
–使用AGREE方法在DEM上刻画河流
• Burn Stream Slope
– 在DEM上刻画河流 –先使用Assing Stream Slope生成带斜率信息的河流
• Burn Walls
• Q&A提问
水文分析流程
DEM
FLOW DIRECTION
SINK
No
Are there any sinks?
Yes
FILL
Depressionless DEM
Apply Threshold
FLOW ACCUMULATION STREAM ORDER STREAM LINE STREAM LINK
内容概要
• 水文分析的目的和内容 • DEM数据模型 • Arc Hydro数据模型 • 水文分析的流程
– Arc Hydro Terrain Preprocessing (地形预分析) – Arc Hydro Network Processing (网络分析) – Arc Hydro Watershed Processing (集水区域分析) – Arc Hydro 的几个统计工具
ArcGIS之水文分析
ArcGIS教程之DEM水文分析详细图文教程，本教程和之前的两个教程有关联的，数据上是使用上一个教程的结果，步骤相互联系！最后会提供给大家数据和教程的链接！水文分析需要：1.理解基于DEM数据进行水文分析的基本原理。
2.利用ArcGIS的提供的水文分析工具进行水文分析的基本方法和步骤。
下面开始教程：工具/原料∙软件准备：ArcGIS? Desktop 10.0---ArcMap(spatial Analyst模块)∙数据准备：DEM（使用由本人前面的教程【ArcGIS地形分析--TIN及DEM的生成，TIN的显示】中使用的原始数据。
方法/步骤1.数据基础：无洼地的DEM在ArcMap中加载 DEM数据，右击DEM图层，点击缩放至图层，显示全部。
2.在【ArcToolbox】中，（要打开扩展模块）执行命令[SpatialAnalyst工具]——>[水文分析]——> [填洼]，按下图所示指定各参数，其中Z限制——填充阈值，当设置一个值后，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，也就是所有的洼地区域都将被填平。
之后点击确定即可。
3.确定后执行结果得到无洼地的DEM数据[Fill_dem1]4.关键步骤：流向分析在上一步的基础上进行，在【ArcToolbox】中，执行命令[SpatialAnalyst工具]——>[水文分析]——>[流向]，按下图所示指定各参数：5.确定后执行完成后得到流向栅格[Flowdir_fill1]，理解代表什么含义！6.计算流水累积量在上一步的基础上进行，在【ArcToolbox】中，执行命令[SpatialAnalyst工具]——>[水文分析]——>[流量]，按下图所示指定各参数：1.7确定后执行完成得到流水累积量栅格[flowacc_flow1]如图：7.提取河流网络首先，提取河流网络栅格。
ArcGIS教程ArcGIS中使用DEM数据进行水文分析-01
1. 概述这里，我们以水文分析为例，介绍一下如何使用ArcGIS进行水文分析。
2. 下载高程数据数据免费获取地址：https:///video/courseview/1b6aa2116c175f0e7cd137e23. 制作无洼地的DEM将下载的高程DEM数据加载到ArcMap内，在ArcToolbox点击"Spatial Analyst工具\水文分析\填洼"，如下图所示。
调用填洼工具其中Z限制为填充阈值，当设置一个值后，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，也就是所有的洼地区域都将被填平，如下图所示。
填洼设置点击确定后可以看到填洼后的DEM效果，如下图所示。
填洼后效果4. 流向分析在ArcToolbox中，点击"Spatial Analyst工具\水文分析\流向"，如下图所示。
调用流向工具在显示的流向对话框内，"输入表面栅格数据"一栏输入上一步得到的填洼后的DEM数据，设置好"输出流向栅格数据"，如下图所示。
流向设置点击确定之后可以得到流向数据，如下图所示。
120集ArcGIS视频教程在线观看地址：https:///video/courseview/1b6aa2116c175f0e7cd137e2https:///video/courseview/f7f5c081e53a580216fcfeed流向结果5. 流量分析在ArcToolbox中，点击"Spatial Analyst工具\水文分析\流量"，如下图所示。
调用流量工具在显示的流量对话框内，"输入流向栅格数据"一栏输入上一步得到的流向数据，设置好"输出积蓄栅格数据"，如下图所示。
120集ArcGIS视频教程在线观看地址：https:///video/courseview/1b6aa2116c175f0e7cd137e2https:///video/courseview/f7f5c081e53a580216fcfeed流量设置点击确定之后可以看到流量积蓄结果，如下图所示。
ArcGIS教程之DEM应用——水文分析
ArcGIS教程之DEM应用——水文分析DEM（数字高程模型）是一种地理信息系统（GIS）中常用的数据模型，它表示了地表的高程信息。
DEM数据可应用于水文分析中，用于了解地形变化，确定流域边界，计算高程梯度和流量以及生成洪水模型等。
首先，使用DEM数据可以帮助我们了解地形变化。
通过DEM数据，可以直观地显示出地表高程的变化情况，包括山脉、河谷和平原等。
通过分析DEM数据，可以揭示出地表的坡度、高程和凹凸等特征，从而帮助我们理解地势状况，为水文分析提供基础。
其次，DEM数据还可以用于确定流域边界。
流域是指一个水系集合区域，包括了这个区域内所有的河流和支流。
通过DEM数据，我们可以提取出流域的边界，确定流域的大小和范围。
这对于水文分析非常重要，因为流域的大小和范围会直接影响水文过程和水资源管理。
此外，DEM数据还可以用于计算高程梯度和流量。
高程梯度指的是地表高程变化的速率，通过计算DEM数据中相邻单元格之间的高程差，可以得到各个区域的高程梯度。
高程梯度的大小可以用来评估地表坡度的陡峻程度，对于水文分析中的洪水预测和土壤侵蚀等有重要作用。
而流量是指单位时间内流过其中一点的水的体积，通过计算DEM数据中各个单元格的高程和相邻单元格之间的高程差，可以估算出流量的大小，有助于相关水文过程的分析和模拟。
最后，DEM数据还可以用于生成洪水模型。
洪水模型是一种基于地理信息的模拟模型，通过模拟区域内降雨过程、地表径流和河流洪水来预测洪水的发生和扩展情况。
DEM数据是洪水模型中必不可少的输入数据，通过DEM数据可以确定地势状况、流域范围和河道网络等信息，从而建立准确的洪水模型，并进行相关的洪水分析和预测。
如何使用ArcGIS进行水文分析(完整版)
如何使用ArcGIS 进行水文分析对于做水利的朋友来说有时候需要进行水文的分析，今天给大家分享一下如何通过ArcGIS 进行水文分析，材料可以通过水经注万能地图下载器进行下载。
工具/ 原料水经注万能地图下载器ArcGIS方法/ 步骤1. 打开水经注万能地图下载器，框选上需要进行水文分析的地方并下载（图1）图12.下载完成后会自动导出成tif 格式的高程DEM数据，将其加载到ArcGIS 内（图2）。
【说明】：此处下载生成的tif 格式的图片即为大家常说的DEM数据，直接加载到ArcGIS 内即可使用。
图23. 点击“自定义”→“扩展模块”（图3），在弹出的对话框中将“空间分析”Spatial Analyst ）工具勾选上（图4）。
图3图44. 在ArcToolbox 中点击“ Spatial Analyst 工具”→“水文分析”→“填洼” （图5），在弹出的“填洼”对话框中按图 6 进行设置。
其中Z限制——填充阈值，当设置一个值后，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，也就是所有的洼地区域都将被填平。
【特别说明】：为了保证最终分析成功，在最终的结果之前，所有输出的数据都默认保存名称和路径，这就需要我们记清楚哪个名称是对应的哪个成果，后面会有用。
图5图65. 填洼完成后得到名称为“ Fill_tif3的填洼成果，在ArcToolbox 工具中点击Spatial Analyst 工具”→“水文分析”→“流向”图7 ），在弹出的“流向”对话框中进行如图8 所示的设置，将上一步得到的Fill_tif3 ”填洼数据作为表面栅格数据输入。
图7图86.完成后得到名称为“FlowDir_Fill2 的流向成果，在ArcToolbox 工具中点击Spatial Analyst 工具”→“水文分析”→“流量”（图9），在弹出的“流量”对话框中进行如图 10 的设置，将“FlowDir_Fill2 ”作为流向栅格数据进行输入。
arcgis水文分析
表的物理特性。
以DEM作为主要输入数据，采用
Hydrologic 生成集水流域和水流网络数据，
并对其的影响因子进行量化。
地貌 DEM 模拟 水文 生物
数字高程模型
…….
3
水文分析使用DEM数据 派生 其它水文特征：提 取河流网络、自动划分流域。 这些是描述某一 地区水文特征的重要因素。
4
• 基于格网DEM自动提取流域特征地貌和进行地形自动分割技
DEM
Flow Direction
Flow Accumulation
1
DEM
Flow Accumulation
Stream Network
& watershed
2
追踪分析实例—水文分析
地貌 地形因素 生物 ……. GIS 水文
空间分析中的水文分析Hydrologic 提供 一个功能用来研究与地表水流有关的地
• 沿水流路径计算流 域内每个栅格单元 到下游的最远距离 或上流汇入点流至 此栅格单元的路程
33
• 用以计算流域内最长的水流路径
34
500个栅格的 汇流区域
35
对该结构模型设计自动提取算法。
5
流域地貌形态结构定义
1）流域结构定义 • 可以使用一个具有根的树状图来描述流域 结构[Shreve]，目前绝大多数算法都沿用这 一描述方法。在此结构中主要包括三个部 分，即结点集、界线集和汇流区集。
6
沟谷段：一条具有两侧汇流区的线段 汇流区边界包括部分流域边界的汇流区
• 格网点流向定义
32
64
128
16
1
8
4
2
• 采用3×3窗口按8方向搜索计算最大坡向为各 网格点的流向。分别为8方向赋不同的代码。
第十节 ArcGIS的水文分析
• 河网提取
– 河网的生成分为四个步骤
1. 河网的生成基于汇集累积量数据，首先计算 汇集累积量
2. 设定阈值。不同级别的沟谷对应不同阈值， 应通过不断实验和其它资料确定合适的阈值 3. 栅格河网的形成。通过栅格计算器得到河网 数据 4. 栅格河网矢量化
• 流域分割
– 流域又称集水区域，是指流经其中的水流从一 个公共的出水口排出从而形成的一个集中的排 水区域，也就是河流的干流和支流所流过的整 个区域，也称为流域盆谷(Basin)
– 流域间的分界线称为分水岭(Watershed)
基于水文分析的山脊、山谷线提 取方法
反地形DEM 水流方向数据 汇流累计量 负地形 求均值后的DEM 正地形 相交 无洼地DEM 水流方向数据 汇流累计量 山脊线 山谷线
– 水流长度通常是指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 对地面土壤的侵蚀力
• 水流长度的提取和分析在水保工作中意义重大
– 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
DEM
水流方向
8领域栅格编码
• 无洼地DEM生成
– 洼地区域是水流方向不合理的地方，可以通过 水流方向来判断哪些地方是洼地，然后对洼地 进行填充 – 但是，并不是所有的洼地区域都是由数据的误 差造成的，有些洼地是地表形态的真实反映。 因此，在进行洼地填充之前，需要计算洼地深 度，判断哪些是由于数据误差造成的洼地哪些 又是真实的地形形态，然后在洼地填充的过程 中设置合理的填充阈值 – 洼地提取(Sink) – 洼地填充(Fill)
Arcgis水文分析
图11.5 洼地在断面图上的显示
产生原因：湖泊、喀斯特地貌、陷穴
无洼地DEM生成
• 洼地的计算步骤
➢ 启动ArcToolbox，展开Analysis Tools工具箱，打开 hydrology工具集
➢ 双击hydrology工具集中的sink工具，弹出洼地计算对话框
图11.6 洼地提取对话框
图11.7 洼地提取结果
无洼地DEM生成
• 洼地填充
洼地的存在，导致不能得到正确的真实的水流方向，在进行水 文分析之前需要进行洼地区域的填充。
填充前
填充后 图11.8 洼地填充示意图
无洼地DEM生成
• 洼地填充
由于有些洼地也是真实地形的反映，在填充前需要进行洼地深 度的计算，从而判定填充阈值。
➢洼地深度的计算 ➢洼地的填充
• 水流长度的计算
双击hydrology工具集中的的flow length工具，弹出水流长度的计算对 话框
图11.20 水流长度的计算
downstream方向上的水流长度
upstream方向上的水流长度
图11.21 两个不同的水流长度的示意图
河网的提取
水流网络是基于 DEM的水文分析 的其中一个主要 目的，也是地表 水流模拟的一个 重要过程。
图11.24 栅格河网矢量化操作
图11.25 得到的矢量化的河网图
河网的提取
• stream link的生成
Stream link是记录着河网 中的一些节点之间的连接 信息，主要记录着河网的 结构信息。
双击hydrology工具集中的 stream link工具，弹出如图所 示的stream link计算的对话框。
图11.10 洼地区域计算
图11.11 洼地区域最低高程计算
4.ARCGIS——建立水文模型
水文分析（均值变点的分析）实验步骤：第一步：填充（fill）打卡原dem图层在input surface raster里添加dem图层再点击OK运行即得到填充后的图层。
填充的含义是是图层成为一个平面，制图是在平面图层里提取需要的数据。
第二步：水流方向的提取（flow direction）双击该工具，在input surface raster里添加填充后的图层也就是fill名称的图层，点击OK运行得到水流方向的图层direction。
第三步：汇流累积量的计算（flow accumulation）双击该工具，在input flow direction raster里添加名称为direction的图层，点击OK运行得到汇流累积量的图层flowacc。
第四步：重分类（reclassify）在任务栏加载spatial analyst工具，点击其下拉菜单→→raster calculator 计算河流的累积量。
双击flowacc取一个阈值。
例如[flowacc]>=1000点击evaluate 得到汇流累积量的初等分类结果(用Con命令实现，eg：C on(“flowacc”>=1000,1))。
再进行重分类：在图层窗口选中calculation图层，再点击spatial analyst下拉菜单点击reclassify工具，将0改为nodata ,1改为1。
选在存储路径把结果可以命名为reclassify点击OK运行即得到重分类的结果。
第五步：汇流节点的计算（stream link）还是在水文分析工具箱里，打开stream link在input stream raster里添加reclassify图层，在input flow direction raster里添加direction图层，点击OK得到汇流节点数据streaml_recl1的图层。
第六步：集水区分析（watershed）在水文分析工具箱里打开watershed工具，在input flow direction raster里输入direction图层，在input raster or feature pour point data里输入streaml_recl1图层，点击OK得到集水区数据watersh_flow1图层。
ARCGIS水文分析
ARCGIS水文分析水文分析是指对水文要素（如降水、径流、水位等）及其相互关系进行分析研究的过程。
它对于水资源管理、水文预测、洪水防治、生态评估等方面具有重要意义，能够帮助人们更好地了解和利用水资源。
而ARCGIS作为一个具有强大空间分析功能的地理信息系统软件，可以有效地进行水文分析。
下面将分析ARCGIS在水文分析中的应用及其特点。
1.空间分布分析：ARCGIS可以对水文相关数据进行空间分布分析，如降水量、径流量、河流流向等。
通过空间分布分析，可以揭示出水文要素的空间差异，了解降水和径流的分布格局，为水资源的合理配置和水环境保护提供科学依据。
2.遥感数据分析：ARCGIS可以对水文要素进行遥感数据分析，如利用遥感影像数据提取水体分布、判断水资源利用状况、监测水质等。
遥感技术的应用可以弥补传统水文观测方法的不足，提供大范围、实时、高精度的水文信息，为水资源管理和水环境保护提供决策支持。
3.水质模拟分析：ARCGIS可以进行水质模拟分析，模拟水体的溶解氧、总磷含量、氨氮浓度等水质指标的分布变化。
通过水质模拟，可以评估水环境质量、预测水体污染扩散范围、优化排污方案，为水环境管理提供科学依据。
4.洪水分析与预测：ARCGIS可以进行洪水分析与预测，根据历史洪水资料和地形数据，模拟洪水发展过程，预测洪水的淹没范围和淹没时间。
这对于洪水防治、抢险救灾等方面有着重要意义，可以提前进行预警，降低洪灾对人民生命财产的损失。
1.多源数据集成：ARCGIS能够集成多种数据源，如遥感数据、地理空间数据、气象数据等，实现水文数据的多源融合。
这样可以获得更完整、准确的水文信息，提高水文分析的精度和可靠性。
2.空间分析功能强大：ARCGIS具备强大的空间分析功能，可以对水文要素进行空间统计、空间差异性分析、空间插值等操作。
通过这些分析方法，可以揭示出水文要素的分布规律和变化趋势，为水文研究提供深入的认识。
3.模型建立与模拟：ARCGIS提供了水文模型的建立与模拟功能，如水文循环模型、水力模型等。
arcgis12第12课水文分析
2 ，否
1014 1011 1004 996
1019 1015 1007 999 (a)
1025 1021 1012 1003
1033 1029 1020 1003
(b)
0
0
1
2
0
0
2
6
(c)
0
0
2
3
0
1
2
3
4.5.3 流水累积量Flow Accumulation
• (A)所显示的是经过填充洼地后 的DEM栅格 （B)是流向栅格 （C)是流量栅格
4.5 水文分析
• 数据基础：无洼地的 DEM
• 关键步骤：流向分析
水文分析使用DEM数据 派生 其它水文特征： 提取河流网络、自动划分流域。 这些是描 述某一地区水文特征的重要因素。
排水系统
Drainage System
Watershed 流域
(Basin, Catchment, Contributing area)
Watershed Boundaries
(Drainage Divides) 流域边界
汇流点Pour Points (Outlets)
水文分析步骤
4.5.1数据基础:无洼地的DEM
• 被较高高程区域围绕的洼地是进行 水文分析的一大障碍，因此在确定 水流方向以前，必须先将洼地填充。
• 有些洼地是在DEM生成过程中带来 的数据错误，但另外一些却表示了 真实的地形如采石场或岩洞等。
• 确定汇流点以上的汇水区域 • 给定汇水区域面积－自动划分流域
流程Flow Length
• 沿水流路径计算 流域内每个栅格 单元到下游的最 远距离或上流汇 入点流至此栅格 单元的路程
Arcgis水文分析模块介绍
水文分析--arcgis水文分析模块水文分析是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分析模型的主要输入数据。
表面水文分析模型应用于研究与地表水流有关的各种自然现象如洪水水位及泛滥情况，或者划定受污染源影响的地区，以及预测当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等，应用在城市和区域规划、农业及森林、交通道路等许多领域，对地球表面形状的理解也具有十分重要的意义。
这些领域需要知道水流怎样流经某一地区，以及这个地区地貌的改变会以什么样的方式影响水流的流动。
基于DEM的地表水文分析的主要内容是：利用水文分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分割等。
通过对这些基本水文因子的提取和基本水文分析，可以在DEM表面之上再现水流的流动过程，最终完成水文分析过程。
本章主要介绍ArcGIS水文分析模块的应用。
ArcGIS提供的水文分析模块主要用来建立地表水的运动模型，辅助分析地表水流从哪里产生以及要流向何处，再现水流的流动过程。
同时，通过水文分析工具的应用，也可以有助于了解排水系统和地表水流过程的一些基本的概念和关键的过程，以及怎样通过ArcGIS水文分析工具从DEM数据上获取更多的水文信息。
图11.1 ArcToolBox中的水文分析模块ArcGIS9将水文分析中的地表水流过程集合到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分割等。
本章1至5节主要是依据水文分析中的水文因子的提取过程对ArcGIS中的水文分析工具逐一介绍。
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result文件夹里面，文件名与书中所命名相同，读者可以利用该数据进行参照联系。
ARCGIS水文分析
ARCGIS水文分析ARCGIS是一种流行的地理信息系统（GIS）软件，常用于水文分析和水资源管理。
它具有强大的空间数据建模和分析功能，可以帮助人们更好地理解和管理水资源。
在本文中，我们将探讨ARCGIS水文分析的一些重要应用，并介绍其基本原理和方法。
ARCGIS水文分析可以帮助人们研究和解决水资源管理中的许多问题。
其中一个重要的应用是水文建模。
水文建模使用地理数据和水文参数来模拟和预测水文过程，例如降水、蒸发、径流等。
ARCGIS提供了丰富的空间数据和工具，可以用于构建水文模型，并进行模拟和预测。
例如，可以使用ARCGIS中的DEM数据和气象数据来构建水文模型，以了解地形对水文过程的影响，预测洪水和干旱事件等。
ARCGIS还提供了许多其他的水文分析功能。
例如，它可以用于洪水风险评估。
通过分析地形、土地利用和水流等因素，可以确定潜在的洪水风险区域。
这种分析可以帮助政府和相关部门制定洪水预警和应急响应计划。
此外，ARCGIS还可以用于土地退化和水资源污染的分析。
通过分析土地利用、土壤类型和水流路径等因素，可以评估土地的健康状况，并识别水资源污染源。
这种分析可以帮助制定土地管理和保护策略，以提高水资源的质量和可持续性。
在进行ARCGIS水文分析时，有几个基本原理和方法需要了解。
首先是空间数据建模。
ARCGIS使用地理坐标系统和数据结构来存储和分析空间数据。
例如，DEM数据使用栅格数据结构来表示地形高度，而河流数据使用矢量数据结构来表示河道的几何形状。
其次是空间数据分析。
ARCGIS提供了许多空间数据分析工具，如地形分析、空间插值和缓冲区分析等。
这些工具可以帮助人们从空间角度分析和理解水文过程。
最后是模型构建和模拟。
ARCGIS提供了一些水文模型，如SWAT（Soil and Water Assessment Tool）和HEC-HMS（Hydrologic Engineering Center's Hydrologic Modeling System），用于模拟和预测水文过程。
基于ArcGIS的水文分析功能汇总
1基本原理DEM是数字高程模型的英文简称(Digital Elevation Mode)，是流域地形、地物识别的重要原始资料。
自20世纪60年代以来,在利用数字高程模型DEM提取流域水文特征,模拟地表水文过程方面,国内外都开展了大量的研究。
1.1基于DEM进行流域分析的原理从DEM提取流域特征，一个良好的流域结构模式是确定算法的前提和关键。
1967年ShreveL¨描述的流域结构模式一直被后来的水文学者所引用．并设计了一些成熟的算法。
Shreve使用一个具有一个根的树状图来描述流域结构(如图1所示)。
在这个结构中，主要包括两个部分，一部分是结点集，一部分是界线集。
沟谷结合点和沟谷源点共同组成一个沟谷结点集。
所有的沟谷段组成沟谷段集，形成一个沟谷网络；所有的分水线段组成分水线段集，形成一个分水线网络；沟谷段集和分水线段集共同组成界线集。
图1 流域结构模式图(a) (b)(c)(f)(d)(e)(g)(h)沟谷网络中的每一段沟谷都有一个汇流区域，这些区域由流域分水线集来控制。
外部沟谷段有一个外部汇流区．而内部沟谷段有两个内部汇水区，分布在内部沟谷段的两侧。
整个流域被分割成一个个子流域．每个子流域好象是树状图上的一片“叶子”。
Shreve的树状图流域结构模型是简单明确的．虽然沟谷网络的结点模型和线模型与在栅格DEM中用于表示沟谷结点和沟谷线的栅格点和栅格链之间存在着拓扑不一致性。
但它给出了沟谷网络、分水线网络和子汇流区的定义，明确表达了它们之间的相关关系，成为设计流域特征提取技术的基础。
1.2常用算法流向判定建立在3×3 的DEM 栅格网的基础上，其方法有单流向法和多流向法之分，但单流向法因其确定简单、应用方便而应用广泛。
1.2.1单流向法单流向法假定一个栅格中的水流只从一个方向流出栅格，然后根据栅格高程判断水流方向。
目前应用的单流向法是D8法。
此外，还有Rho8 方法、DEMON 法、Lea 法和D∞法等。
ArcGIS水文分析
1：水文分析法提取山脊与山谷线（1）山脊线的提取Fill：是用来对原始DEM进行洼地填充的工具，Input surface raster 文本框中选择原始DEM数据dem，将输出数据命名为filldem，因为选择的是将所有洼地全部填充，所有在填充容限Z limit为默认值。
Flow Direction：是计算水流流向的工具，在Input surface raster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。
Flow Accumulation：是对汇流累积量进行计算，选择flowdirfill作为输入的水流方向数据；输出数据命名为flowacc。
Con：对进行汇流累积量计算后的结果进行重分类，在input conditional raster 中选择对汇流累积量的DEM数据，在expression中输入公式value>0,在input true raster or constant value中输入1，在模型中将其重命名为value=1，输出数据命名为Con_FlowAcc。
Focal Statistics：计算平均高程，在input raster中选择原始DEM，将output raster命名为meandem，其余数据均采用默认值。
Minus：求解正地形与反地形，在value 1中输入dem，在value 2 中输入平均高程数据meandem，命名为Minus_dem。
Test：进行分类，在dem中高于平均高程的部分定义为正地形，在input raster 中输入数据Minus_dem，在where clause中输入value>0,命名为zhengdixing.Boolean And:求解山脊线，山脊线是累积流等于0，并且位于正地形的地方，两者求交集就是山脊线，将Con_FlowAcc与zhengdixing导入，输出结果命名为shanjixian。
gis水文分析
实验（五）水文分析1.实验目的通过Arctoolbox：水文分析工具位于[Spatial Analyst Tools]>>[Hydrology]之下。
2. 实验数据DEM2.实验步骤打开ArcMap，并打开dem数据。
如图所示1. 无洼地DEM生成（1）流向分析方法：在ArcMap中用左键单击ArcToolbox图标，启动ArcToolbox。
打开水文分析模块。
启动ArcToolbox，展开Spatial Analyst Tools工具箱，打开hydrology工具集。
双击Flow Direction工具，打开水流方向（Flow Direction）计算对话框。
Input surface data文本框中选择输入数据dem。
Output flow direction raster文本框中命名计算出来的水流方向文件名为flowdir，并选择保存路径。
在Force all edge cells to flow outward(Optional)前的复选框前打钩，所有在DEM数据边缘的栅格的水流方向全部是流出DEM数据区域。
默认为不选择。
这一步为可选步骤。
2 .洼地计算①洼地计算双击hydrology工具集中的Sink工具，弹出洼地计算对话框.在Input surface raster文本框中，选择水流方向数据flowdir。
在Output surface raster文本框中，选择存放的路径以及重新命名输出文件为sink。
单击OK计算出洼地提取结果。
②洼地深度计算双击hydrology工具集中的watershed工具，弹出流域计算对话框，用来计算洼地的贡献区域。
在Input flow direction raster文本框中选择水流方向数据flowdir，在Input raster or feature pour point文本框中输入洼地数据sink，在pour point field文本框中选择value。
arcgis的水文分析工具详解
arcgis的水文分析工具详解接收雨水的区域以及雨水到达出水口前所流经的网络被称为水系。
流经水系的水流只是通常所说的水文循环的一个子集，水文循环还包括降雨、蒸发和地下水流。
水文分析工具重点处理的是水在地表上的运动情况。
流域盆地是将水和其他物质排放到公共出水口的区域。
流域盆地的其他常用术语还有分水岭、盆地、集水区或汇流区域。
该区域通常定义为通向给定出水口或倾泻点的总区域。
倾泻点是水流出某个区域的点。
该点通常是沿流域盆地的边界的最低点。
两盆地之间的边界称为流域分界线或分水岭边界。
水到达出水口前流经的网络可显示为树，树的底部是出水口。
树的分支是河道。
两条河道的交点称为结点或交汇点。
连接两个相邻交汇点或连接一个交汇点和出水口的河道的河段称为河流连接线。
•电脑•arcgis软件1.1描绘分水岭或定义河流网络时，您需要按照一系列步骤进行操作。
有些步骤是必需的，而其他步骤则属于可选步骤（取决于输入数据的特性）。
流经某表面的流向始终为最陡的下坡方向。
已知流出各像元的方向后，便可确定哪些像元以及多少像元流入某指定像元。
该信息可用于定义分水岭边界和河流网络。
以下流程图显示的是从数字高程模型 (DEM) 中提取水文信息（如分水岭边界和河流网络）的过程。
2.2无论您的最终目的如何，都必须从高程模型入手。
高程模型可用于确定哪些像元会流入其他像元（流向）。
但如果高程模型中存在错误或者构建的是喀斯特地貌模型，则某些像元位置可能比周围像元低。
如果存在此类情况，则流入像元的水均将无法流出。
这些洼地称为汇。
通过水文分析工具，您可以识别出汇并利用某些工具填充这些汇。
这样便可得到不存在洼地的高程模型。
然后您可以确定这个不存在洼地的高程模型中的流向。
3.3如果描绘的是分水岭，则需要识别出倾泻点（要了解汇流分水岭的位置）。
通常，这些位置为河流的河口或其他感兴趣的水文点（如水文测量站）。
使用水文分析工具，您可以指定倾泻点或者将河流网络用作倾泻点。
Arcgis操作水文分析
第九章水文分析生成的集水流域和水流网络，水文分析是DEMDEM数据应用的一个重要方面。
利用表面水文分析模型研究与地表水流有关的各成为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。
预测当某一地区的地貌改划定受污染源影响的地区，种自然现象例如洪水水位及泛滥情况，变时对整个地区将造成的影响等。
基于DEM地表水文分析的主要内容是利用水文分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分割等。
通过对这些基本水文因子的提取和分析，可再现水流的流动过程，最终完成水文分析过程。
本章主要介绍ArcGIS水文分析模块的应用。
ArcGIS提供的水文分析模块主要用来建立地表水的运动模型，辅助分析地表水流从哪里产生以及要流向何处，再现水流的流动过程。
同时，通过水文分析工具的应用，有助于了解排水系统和地表水流过程的一些基本概念和关键过程。
ArcGIS将水文分析中的地表水流过程集合到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分割等。
本章1至5节主要是依据水文分析中的水文因子的提取过程对ArcGIS中的水文分析工具逐一介绍。
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result文件图11.1 ArcToolBox中的夹里面，文件名与书中所命名相同，读者可以利用该数据进行水文分析模块参照练习。
本章最后一节还提供了三个水文分析应用的实例。
9.1 无洼地DEM生成DEM一般被认为是比较光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（如喀斯特地貌）的存在，使得DEM表面存在着一些凹陷的区域。
这些区域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区域得到不合理的或错误的水流方向。
ArcGIS 空间分析之水文分析
ArcGIS的水文分析功能模块包括11个工具，名称和功能分别为：1、Basin：盆域分析工具。
用于划分出研究区所有的流域盆地。
流域盆地是由分水岭分割而成的汇水区域。
它通过对水流方向数据的分析确定出所有相互连接并处于同一流域盆地的栅格。
流域盆地的确定首先是要确定分析窗口边缘的出水口的位置，也就是说，在进行流域盆地的划分中，所有的流域盆地的出水口均处于分析窗口的边缘。
当确定了出水口的位置之后，其流域盆地集水区的确定类同于洼地贡献区域的确定，也就是找出所有流入出水口的上游栅格的位置。
2、Fill：洼地填充工具。
在栅格数据表面填充洼地以去除数据的小瑕疵。
DEM被认为是比较光滑的地形表面模拟，但是由于内插的原因以及一些真实地形的存在，使得DEM表面存在着一些凹陷的区域，那么这些区域在进行地表水流模拟时，由于低高程的存在，从而使得在进行水流流向计算时在该区域得不到合理的或错误的水流方向，因此在进行水流方向的计算之前，应该首先对DEM 数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。
3、Flow Accumulation：流量工具。
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而来的。
对每一个栅格来说，其汇流累积量的大小代表着其上游有多少个栅格的水流方向最终汇流经过该栅格，汇流累积的数值越大，该区域越易形成地表径流。
4、Flow Direction：流向工具。
根据每个象元和它最邻近的八个象元之间的最大象元距离权落差来确定水的流向，得到一个流向的栅格数据，这种方法也叫D8算法。
5、Flow Length：水流长度工具。
水流长度通常是指在地面上一点沿水流方向到其流向起点(终点)间的最大地面距离在水平面上的投影长度。
6、Sink：洼地计算工具。
洼地区域是水流方向不合理的地方，可以通过水流方向来判断那些地方是洼地，然后再对洼地进行填充。
有一点必须清楚的是，并不是所有的洼地区域都是由于数据的误差造成的，有很多洼地区域也是地表形态的真实反映，因此，在进行洼地填充之前，必须计算洼地深度，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，然后在进行洼地填充的过程中，设置合理的填充阈值。
ARCGIS水文分析模型
9.4Hydrol ogica l Model河流是重要的生态基础设施，起着物质运输、能量流动和生命涵养等重要作用。
在水体污染事件频发的今天，水文分析在环境领域的研究与决策中扮演者越来越重要的角色。
DEM是描述地球表面地形地貌信息空间分布的有序数值阵列，是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。
一般可以认为，DEM是以数字的形式按一定的结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的数字模型，也是地形形态和地貌起伏的数字描述。
DEM是进行河网提取和水文分析的一个有效数据源，借助相应的G I S软件，根据邻近栅格高程的对比，可以有效提取DEM中各个栅格的流向，进而获得汇流累积量矩阵，从而提取河网。
水文分析是D EM数字地形分析的一个重要方面，基于DEM的水文分析的主要功能是利用DEM提取数字水系的流域范围、提取河流网络以及支流对应的汇流区间、进行河网的分级等。
本节主要介绍A rcGI S水文分析模块的应用以及ArcGIS Model Builde r流程化的数据处理方式。
9.4.2无洼地DEM的生成与水流方向的提取数字高程模型(DEM)是以有序数值阵列来对地形表面的真实模拟。
但由于DEM的误差和一些特殊地貌形态的存在，使得DEM表面存在一些凹陷区域。
在进行DEM水文分析时，应当先对这些凹陷区域进行填充，否则将得不到合理的水流方向，进而提取出错误的河网。
利用ArcT oolBo x中的[Spatia l Analyst Tools]-[Hydrology]-[Fill]工具对DEM数据进行填充，输入栅格数据为DEM，输出栅格为F ill_d em，对于Z Limit不予填写，即系统默认不设阈值，所有的洼地都将被填平。
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9.4Hydrological Model
河流是重要的生态基础设施，起着物质运输、能量流动和生命涵养等重要作用。
在水体污染事件频发的今天，水文分析在环境领域的研究与决策中扮演者
越来越重要的角色。
DEM是描述地球表面地形地貌信息空间分布的有序数值阵列，是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。
一般可以认为，DEM是以数字的形式按一定的结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的数字模型，也是地形形态和
地貌起伏的数字描述。
DEM是进行河网提取和水文分析的一个有效数据源，借助相应的GIS软件，根据邻近栅格高程的对比，可以有效提取DEM中各个栅格的流向，进而获得汇流累积量矩阵，从而提取河网。
水文分析是DEM数字地形分析的一个重要方面，基于DEM的水文分析的主要功能是利用DEM提取数字水系的流域范围、提取河流网络以及支流对应的汇流区间、进行河网的分级等。
本节主要介绍ArcGIS水文分析模块的应用以及ArcGIS Model Builder流程化的数据处理方式。
9.4.2无洼地DEM的生成与水流方向的提取
数字高程模型(DEM)是以有序数值阵列来对地形表面的真实模拟。
但由于DEM的误差和一些特殊地貌形态的存在，使得DEM表面存在一些凹陷区域。
在进行DEM水文分析时，应当先对这些凹陷区域进行填充，否则将得不到合理的水流方向，进而提取出错误的河网。
利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Hydrology]-[Fill]工具对DEM数据进行填充，输入栅格数据为DEM，输出栅格为Fill_dem，对于Z Limit不予填写，即系统默认不设阈值，所有的洼地都将被填平。
对于DEM中的某一个格网，水流方向表征的是该格网表面的降水受重力作
用在地形表面约束下的离开该格网的方向，ArcGIS中默认的水流方向处理算法
是D8算法。
图9.1 填洼后的结果
如图9.2所示，将被处理的格网点X同其最邻近的8个格网点之间的坡降进行比较，被处理格网点中心与相邻8个格网点中，落差最大的一个格网点中心
之间的连线方向，定义为被处理格网点的水流方向，并且规定，一个格网点的
水流方向用一个特征码表示。
8个方向赋予不同的代码，每个格网有一个
n n
的数值，代表它流向相邻格网的方向。
2(0,1, (7)
图9.2 D8算法示意图
利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Hydrology]-[Flow Direction]来计算已经填洼的DEM的各个栅格的流向，输入栅格数据为Fill_dem，输出栅格为Flow_Dir，勾选Force all edge cells to flow outward，即所有边缘栅格的流向也均是向外的，对于Output Drop Raster则可以不予填写。
图9.3水流方向计算结果
9.4.3 汇流累积量的计算
如图2-2所示，假设每个格网的降水量均为1，沿坡度最陡原则确定的水流路径可以计算任何网格单元上的坡面集水面积，其集水面积的量值以网格数目的多少表示，从而每个单元网格的汇流数值代表了汇流到该网格上比其高程高的网格数目。
图9.4(a) 原始DEM矩阵图9.4 (b) 水流方向矩阵
图9.4 (c) 水流方向示意图图9.4 (d) 水流累计矩阵利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Hydrology]-[Flow Accumulation]来计算各个栅格的汇流累积量，输入流向栅格数据为Flow_Dir，输出栅格为Flow_Accu，权重不予输入，输出类型为整形。
图9.5汇流累积计算结果
9.4.4 河流栅格网络的提取
在汇流量栅格数据中，当网格中的汇水量达到某一阈值后，便可以判定这个网格有河网线穿过，并由此跟踪搜索出流域的全部河流网络。
因此，提取栅格河网时，只需提取出所有栅格中大于阈值的栅格即可。
利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Math]-[Logical] -[Greater than]来提取栅格河网，输入的第一个图层为Flow_Accu，输入的第二个数据位汇水量阈值，输出栅格为Threshold。
在实际操作中，我们将阈值设为10000。
然而在提取数字水系的过程中，汇水面积阈值是提取河流网络特征时的一个关键参量，其值越小，提取的河流网络越稠密、结构越复杂；反之提取的河流网络越稀疏、结构越简单。
过大或过小的阈值都会使所提取的河网与实际不相符，合理阈值的确定需要反复试验，并结合一定的理论来确定。
图9.6栅格河网的提取
9.4.5 河网分级及矢量化
河网分级是对一个线性的河流网络以数字标示的形式划分等级。
不同等级的河网所代表的汇流累积量不同，级别越高，汇流量越大，一般为主流，而级别较低的河网一般为支流。
河网分级最初是由Horton(1945)和Strahler(1952)提出的，是对自然界河网系统几何特征上自相似性的系统总结。
在ArcGIS中河网分级的实现方法如下，利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Hydrology]-[Stream Order]来实现，输入水流栅格为Threshold，输入流向栅格为Flow_Dir，对于河网的分级方法选择Strahler分级方法，输出栅格记为Str_Order。
图9.7栅格河网的分级
所得到的栅格河网不易于进行分析和表达，因此必须将栅格河网矢量化。
利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Hydrology]-[Stream To Feature]工具来实现，输入栅格河网数据为Str_Order，输入流向数据为Flow_Dir，输出矢量河
网记为Line_thre。
图9.8矢量河网的提取
9.4.6 集水流域的生成
集水流域(Watershed)是指流经其中的水流等物质从一个公共的出水口排除
而形成的一个集中的排水区域。
在划分了各等级的河网之后，ArcGIS还可以提
取整个大流域以及各等级河网对应的集水流域。
对于大流域的提取，只需在计算出水流方向矩阵后利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Hydrology]-[Basin]工具来实现，输入流向栅格为Flow_Dir，输出栅格记为Basin。
之后对Basin进行矢量化，在编辑状态下保留所需的流域多边形，可以利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Extraction]-
[ Extract by mask]工具进行栅格数据的裁剪，从而保留需要研究的栅格区域。
图9.9流域提取
对于各等级河网对应的集水流域，首先要确定小级别流域出水口的位置，利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Hydrology]-[Stream Link]工具来实现。
输入栅格河网数据为Str_Order，输入流向数据为Flow_Dir，输出Stream Link数据记为Link。
Link数据中隐含了河网中每一条河网弧段的连接信息，也包含了每一段河网的出水口位置。
之后利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Hydrology]-[Watershed]工具来提取各等级子流域的范围，输入水流方向栅格为Flow_Dir，输入出水口数据为Link，出水口字段信息默认不填，输出栅格记为Watershed，之后还可以将Watershed进行矢量化从而得到矢量集水域。
图9.10 最终提取的矢量河网和矢量集水域结果图
9.4.7 Model Builder的简介
从最初始的DEM到最后的包含河网等级的矢量河网和矢量集水域，前文经
历了很多的步骤。
在ArcGIS中，Model Builder是有具体框架结构与功能的流程化处理工具，可以将诸多步骤进行流程化处理，方便快捷。
Model Builder的优势如下：1)自动地理处理流程。
Model Builder可以把你分析和准备数据过程所用到的所有分析工具和数据通过流程化结合在一起。
每次更新操作都可以保存，并且重新运行。
2)共享地理处理知识。
Model的数据，工具都通过图形方式表示，通俗易懂，并且可以保存下来与别人共享，同时也可以保存在ArcSDE数据库中，或通过ArcGIS Server实现互联网共享。
3)记录与文档化。
Model的运行可以像Toolbox中的工具一样运行，并且还提供了图文结合的帮助，方便共享。
4)根据需要添加复杂模型。
模型可以包括复杂的处理过程，而一个模型中还可以包含子模型，并且可以实现处理过程的循环，实现更复杂的应用。
在ArcGIS10.0的Geopresessing菜单栏中选择Model Builder选项，可以拖拽数据或者Toolbox中的工具到Model中，利用连接线工具将工具箱与输入数据连接起来便可以组成一个简单的Model。
图9.11 Model Builder的界面以及与Tool的关系
如果将上述水文分析各步骤的结果与输入数据联系起来，就可以组成一个处理过程的流程图，如图9.12所示。
将流程图中的每个步骤在Model中实现，设置好各步骤的输入输出文件，只需运行模型便可以将所有结果一次性输出。
以下是水文模型Model的一部分。
图9.12 水文模型处理流程图9.12 水文模型Model 的一部分。