arcgis水文分析
ArcGIS专题操作之-水文分析
水文分析-DEM 应用一、实验目的与要求1.实验目的水文分析：根据DEM提取河流网络，进行河网分级，计算流水累积量、流向、水流长度、根据指定的流域面积大小自动划分流域。
通过本实验应达到以下目的：①理解基于DEM数据进行水文分析的基本原理。
②掌握利用ArcGIS提供的水文分析工具进行水文分析的基本方法和步骤。
2.实验要求①了解水文分析工具②DEM的预处理：填洼与削峰③流向分析④计算流水累积量⑤计算水流长度（流程）⑥提取河流网络⑦流域分析二、实验原理水文分析基本步骤①无洼地的DEMDEM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（如采石场或喀斯特地貌）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，从而使得在进行水流流向计算时得到不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，应该首先对原始DEM数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。
②关键步骤：流向分析―――流向分析原理水流方向是指水流离开每一个栅格单元时的指向。
在ArcGIS中通过将中心栅格的8个邻域栅格编码（D8算法），来确定水流方向。
方向约定如左图：共有八个方向，分别是2 的n 次方。
水流的流向是通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差来确定的。
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间的距离，栅格间的距离与方向有关，如果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SQRT(2)≈1.414 ，否则距离为1。
如果高程差为正值，则为流出；负值则为流入。
③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。
图有些地方的计算不是太理解④水流长度（流程）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。
如何使用ArcGIS进行水文分析.doc
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。
ArcGIS实验操作(十三)---基于DEM的水文分析
ArcGIS实验操作（十三）基于DEM的水文分析从DEM 中自动提取自然水系的算法过程如下：依据水总是沿斜坡最陡方向流动的原理, 确定DEM 中每一个高程数据点的水流方向；然后根据高程数据点的水流方向数据来计算每一个高程数据点的上游给水区, 再根据上游给水区高程数据, 用阈值法确定属于水系的高程数据点；最后, 根据水流方向数据, 从水系源头开始, 将整个水系追索出来。
数据：在data/Ex13/文件下：Dem数据要求：基于DEM，利用水文分析工具提取水流方向、汇流量积量、水流长度、河流网络、河网分级以及流域分割等。
操作步骤：1无洼地DEM生成DEM是比较光滑的地形表面模型，但由于DEM 误差以及一些真实地形或特殊地形的影响，使得DEM 表面存在一些凹陷的区域。
在进行水流方向计算时，由于这些区域的存在，往往得到不合理的甚至错误的水流方向。
因此，在进行水流方向的计算之前，应该首先对原始DEM数据进行洼地填充，得到无洼地的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，并计算洼地深度，然后，依据这些洼地深度设定填充阈值进行洼地填充。
1.1水流方向提取水流的流向是通过计算中心格网与邻域格网的最大距离权落差来确定。
对于每一格网。
水流方向指水流离开此网格的指向。
在ARCGIS中，通过对中心栅格的1、2、4、8、16、32、64、128等8个邻域栅格编码，中心栅格的水流方向便可有其中的某一值来确定。
例如，若中心栅格的水流流向左边，则水流方向赋值16。
启动ArcToolbox，应用水文分析模块(Hydrology) 下的流向确定(Flow Direction ) 命令, 生成8 方向水流流向图：水流方向图1.2洼地计算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，并进行填充。
但是，并非所有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，而哪些地区又是真实的地表形态。
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
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。
arcgis12第12课_水文分析
3）集水区域的生成 集水区域生成的思想如下：先确定出水 点，即该集水区的最低点，然后结合水流 方向，分析搜索出该出水点上游所有通过 该出水口的栅格，一直搜索到流域的边界， 即分水岭的位置为止。使用spatial analyst tools工具箱里，hydrology工具集中的 watershed工具。
9 提取流域盆地 双击hydrology工具集中的basin工具，
把streamnet数据层与basin叠加。
10 提取stream link 使用hydrology工具集下面的stream link工具。
11 集水区域的生成 使用hydrology工具集下面的watershed工具。
水文分析
河网的提取 流域的分割
一 河网的提取 1 河网的生成 1）河网及生成基于汇流累积量数据。 2）设定阈值。不同级别的沟谷对应不同的 阈值，不同区域相同级别的沟谷对应的阈 值也是不同的。所以在设定阈值时，应通 过不断的实验和现有地形图等其他资料辅 助检验的方法来确定。
3）河网的形成。利用arcmap中的spatial analyst分析模块下的raster calculator计算。 其思想是根据所设定的阈值对整个区域进 行判断，其中汇流量大于阈值的栅格。其 属性值赋为1，而小于或等于阈值的栅格设 置为No Data。 4）栅格河网矢量化。在hydrology工具集中双 击stream to feature工具。
4 计算得知原始DEM 有洼地，需要进行填洼处理。 双击hydrology工具集下的fill工具，进行填洼。
4 对填洼后的DEM 数据进行水流方向计算。
5 汇流累积数据的计算：双击hydrology工具集 下的flow accumulation工具。
ArcGIS之水文分析完整版
A r c G I S之水文分析Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】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 (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[SpatialAnaly st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[SpatialAnaly st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水文分析实列
练习9水文分析：依照DEM提取河流网络，计算流水积存量、流向、依照指定的流域面积大小自动划分流域水文分分析工具有两种途径利用水文分析功能：(1)通过Arctoolbox：水文分析工具位于[Spatial Analyst Tools]>>[Hydrology]之下如果Hydrology 工具集没有出现，可以选中某个工具箱后新建一个工具集[Hydrology]，然后右键点新建的工具集，在出现的菜单中执行[添加]>>[工具]会出现如右图所示的对话框，将需要的水文分析工具添加到上面新建的工具集中。
(2)另一种方式是添加[Hydrology]工具栏到ArcMap中。
在ArcMap中执行菜单命令：[工具]>>[定制] 命令点击[从文件添加]按钮找到文件注意：那个文件一样是在ArcGIS的安装途径下，默许的情形是[C:\ProgramFiles\ArcGIS\DeveloperKit\samples\SpatialAnalyst\HydrologicModeling\Visual_Basic][Hydrology Modeling]工具条就被加载到ArcMap，在其前面的检查框上打上勾，如以下图所示。
[Hydrology Modeling]工具条就能够够够显示在ArcMap中注意：以下的练习基于Hydrology Modeling 工具1. 数据基础：无洼地的DEM在ArcMap中加载DEM数据，执行工具条[Hydrology Modeling]中的菜单命令[ Hydrology ]>>[ Fill Sinks]，在显现的对话框中将[Input Surface]参数指定为“DEM”确信后取得无洼地的DEM数据：[ Filled Sink1 ]2. 关键步骤：流向分析在上一步的基础上进行，执行工具条[Hydrology Modeling]中的菜单命令[ Hydrology ]>>[ Flow Direction ]，在显现的对话框中将[Input Surface]参数指定为“Filled Sink1”确信后取得流向栅格[ Flow Direction1]，了解流向栅格单元的数值表示的含义是什么3. 计算流水积存量在上一步的基础上进行，执行工具条[Hydrology Modeling]中的菜单命令[ Hydrology ]>>[ Flow Accumulation ]，在显现的对话框中将[Direction Raster]参数指定为“Flow Direction1”确信后取得流水积存量栅格[Flow Accumulation1]4. 提取河流网络(1)提取河流网络栅格：在上一步的基础上进行，打开Arctoolbox，运行工具[Spatial Analyst Tools]>>[Map Algebra]>>[单输出地图代数]在[地图代数表达式]中输入公式：con (Flow Accumulation1>800,1)[输出栅格]指定为：StreamNet说明：通过此操作将流水积存量栅格[Flow Accumulation1]中栅格单元值（流水积存量）大于800的栅格赋值为1，从而取得河流网络栅格[StreamNet]1 setnull2 con3 pick up这三个命令很有效。
Arcgis中DEM数据水文分析
实验报告
学院——专业人文地理与城乡规划年级、班——学号——姓名——同组者无
课程名称地理信息系统实验题目水文分析成绩
一、实验目的：
掌握在ArcGIS 10.2软件的水文分析功能。
二、实验准备：
学习水文分析基本原理及在ArcGIS 10.2软件下计算水流流向、水流汇积量、水流长度、河网提取、河网分级、流域分割和盆地提取等功能。
三、实验内容：
利用提供的DEM数据计算该区域的水流流向、水流汇积量和水流长度，并提取河网及河流等级；最后提取流域分割和盆地，并说明流域和盆地的区别。
四、实验过程及步骤：
1:填洼（Fill) Spatial Analyst Tools→Hydrology→Fill
2:流向(Flow Direction) Spatial Analyst Tools→Hydrology→Flow Direction
3：汇流累积量Spatial Analyst Tools→Hydrology→Flow Accumulation
4:河网
汇流累计量（Flow Accumulation）→重分类(Reclassify)→河流转要素(Stream to Feature)
5：河网等级（Stream Order) Stream Order→Raster To Poline
6:集水区(Watershed) Stream Link→Watershed→Raster To Polygon
7：河流长度（flow length）Spatial Analyst Tools→Hydrology→flow length
8:盆地(Basin) Basin→Raster To Polygon。
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。
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• 汇流网络中每一沟谷段都有一个汇流区域，这
些区域由分水线集控制。 • 外部沟谷段有一个外部汇流区，内部沟谷段有 两个内部汇流区，分布在内部沟谷段两侧。 • 整个流域被分割成一个个子流域，每个子流域
如同树状图上的一片“叶子”。
10
Watershed 流域
(Basin, Catchment, Contributing area)
• 沟谷段集和分水线段集共同把流域分割成一个
汇流区集。
8
• 沟谷段是最小的沟谷单位，沟谷段可以分为
内部沟谷段和外部沟谷段。内部沟谷段连接
两个沟谷结点，外部沟谷段连接一个沟谷结
点和沟谷源点。 • 分水线段是最小的分水线单位，也分为内部 分水线段和外部分水线段。内部分水线段连 接两个分水线结点，外部分水线段连接一个 分水线结点和一个分水线源点。
26
(b)
0
0 0 0 1
1 2 2 2
2 6 3 3
0
(c)
0
0
27
4 提取河流网络
Value = No Data
1 2
1 1 2 2 2 2 2
StreamToFeature
2
2
NET_GRID
streamnet = con (flowacc > 1000, 1)
河流网络栅格
28
划分河段
为河流网络的各河段分配一个标识
22
• 在经过填充洼地后的DEM （Filled Dem），流水 可以畅通无阻地流至区域地形的边缘。 • 在经过填充洼地后的DEM是流向分析的基础
23
32
64
128
16
？
4
2流向分析原理
1
8
2
• 水流的流向是通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落 差来确定的。距离权落差是指中心栅格与邻域栅格的高程差 除以两栅格间的距离，栅格间的距离与方向有关，如果邻域 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 ，否则距离为1。
不同的阈值得到的沟谷网络的复杂性是不同的，
这种方法虽然为确定沟谷网络的复杂性提供了
灵活性，但也使得沟谷网络的确定具有太大的 随意性。
17
得到沟谷网络后，可以对沟谷网络进行编码。
首先对沟谷结点编码。从流域出口开始搜索遍
历整个汇流网络，对每个沟谷段的上下游结点
进行编码标识，标识值是沟谷段的编码值，并 记录下这些结点的位置。 其次，把沟谷段中的每个格网点标识为沟谷段 的编码值。 第三，根据沟谷段上游结点的类型判定沟谷段 是内部沟谷段还是外部沟谷段。
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
15
提取汇流网络
• 根据修改后的流向图，给定一个点，所有流向它 的格网点的总和就是该点的汇流区。计算方法是 给定一个点，搜索8邻点，记录所有流向它的格 网点的位置，然后再以找到的格网点为基点继续 搜索记录流向它的格网点，直到没有新的汇流点
为止，所有记录的格网点构成该点的汇流区。
16
通常沟谷的汇流区面积大于其它格网点的汇流 区面积，可以通过设定一个阈值，将汇流区面 积大于此阈值的格网点，标识为沟谷点。
29
河流分级
1 1 1 1 1 2 2 2 3 2 2 1 1 1 1 1 1 2 3 3 2 1 1
1
4
7
Strahler 方法
Shreve 方法
给河流网络支流分配一个级别
30
500个栅格的 汇流网络
31
5 划分流域
• 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
32
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
33
• 用以计算流域内最长的水流路径
34
500个栅格提取分水网络
• 递归搜索沟谷段中的每个格网点的汇流区，将汇
流区的格网点赋为该沟谷段的标识值，形成各沟
谷段的子汇流区。
• 然后进行边界跟踪，提取子汇流区的边界线为分
水线，得到分水线网络。
• 最后，对沟谷网络和分水线网络及子汇流区进行
拓扑编码，以完成流域地形的自动分割。
19
实例分析
• DEM数据为基础， 分别进行凹点处理， 生成汇流方向，流 水累积量，提取各 种阈值的汇流网络 和子汇流区域。
术主要包括两个方面：
• 1）流域地貌形态结构定义。
• 定义能反映流域结构的特征地貌，建立格网DEM对应的微地貌 特征。
• 2）特征地貌自动提取和地形自动分割算法。
• 格网DEM数据是一些离散的高程点数据，每个数据本身不能 反映实际地表的复杂性。为了从格网DEM数据中得到流域地 貌形态结构，必须采用一个清晰的流域地貌结构模型，然后针
b. 外部沟谷段 d. 外部汇流区
沟谷的上游起点
f. 沟谷源点
两条或两条以上沟谷线的交点 a.内部沟谷段
e. 沟谷结点
汇流区边界不包含流域部分边界的汇流区
c. 内部汇流区
g. 分水线段
一条具有两侧分水区的线段
h. 分水线源点
分水线与流域边界的交点
7
• 沟谷结点和沟谷源点共同组成沟谷结点集， • 所有的沟谷段组成沟谷段集，形成沟谷网络； • 所有的分水线组成分水线段集，形成分水线网 络。
B．当两个或多个相邻格网点的最大坡向相等时，
先比较各自相邻格网点坡向，如果仍没解决，继
续比较相对格网点的坡向，决定赋一个流向。
14
C．对于具有相同高程值的区域则扩大搜索窗口半径，
用7×7窗口，如果需要还可以使用更大窗口。
D．在DEM数据的外围加一圈高程值为0的格网点，强
制其最大坡向流向研究区之外。 当所有的格网点处理完毕后，生成一个编码流向图 。 实用软件中为了处理凹点方便经常用 2 的幂来代表。 （1-128）。
24
25
1014 1019 (a) 1025 1033
1011 1015 1021 1029
1004 1007 1012 1020
996 999 1003 1003
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 • 在 (c)中，两个灰色的栅格单元的流量 相同，都是2个单位。上面的一个栅 格单元的流量是来自它左边和左下方 的栅格单元， 下面的一个栅格的流量 是来自于左下方的栅格单元（这个栅 格单元已经有1个单位的流量）
Watershed Boundaries
(Drainage Divides) 流域边界
汇流点Pour Points (Outlets)
11
• 流域地形自动分割：
• 流域地形自动分割的目标是将整个流域分 割成一个个子汇流区。大多数算法是利用 3*3窗口计算流向和基于“溢流跟踪”算法 确定汇流网络。
12
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
• 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。
13
几种例外情况的处理
A ．如果一个网格点的最大坡向格网点与之具有相 同的高程值，且之前没有其它格网点流向这个相 邻格网，则强制流向它。如果还有另外的格网点
流向这个相邻格网，则当前格网点为凹点。
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
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水文分析步骤
21
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。 • 通过填充洼地(Fill Sinks)得到无洼地的DEM