基于ArcGIS的水文分析原理
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。
水文分析实验报告精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版水文分析实验报告一、实验目的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 的提供的水文分析工具进行水文分析的基本方法和步骤。
3．利用DEM首先尝试计算水流方向，判别洼地并进行填充。
4．计算水流方向，然后计算累计流量。
二、实验原理1.水文分析使用DEM 数据派生其它水文特征2.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。
3.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。
4.通过填充洼地(Fill Sinks)得到无洼地的DEM三、实验内容运用水文分析工具(Hydrology Modeling)，对实验数据：某地区1:5 万DEM 数据进行水文分析，其实验内容为：1. 获取数据基础：无洼地的DEM2. 关键步骤：流向分析3. 计算流水累积量4. 提取河流网络5．盆域分析四、实验步骤1. 获取数据基础：无洼地的DEM在ArcMap 中加载DEM 数据，2. 关键步骤：流向分析在上一步的基础上进行，执行工具条[ arc tool book]中的菜单命令[ 水文分析]>>[ 流向]，在出现的对话框中将参数指定为“Fill dem2”确定后得到流向栅格，了解流向栅格单元的数值表示的含义是什么3. 计算流水累积量在上一步的基础上进行，执行工具条中的菜单命令，在出现的对话框中将参数指定为确定后得到流水累积量栅格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，运行工具在中输入公式说明：通过此操作将流水累积量栅格中栅格单元值（流水累积量）大于800 的栅格赋值为1，从而得到河流网络栅格得到的的河流网络栅格：rastercalc关闭除[rastercalc]之外的其它图层(2) 提取河流网络矢量数据在上一步的基础上进行，执行工具条[Hydrology Modeling] 中的菜单命令[ Hydrology ]>>[ Stream Network As Feature ]，在出现的对话框中将[Direction Raster]参数指定为“Flow Dir-fill 1”，[Accumulation Raster]参数指定为“rastercalc”，确定后得到河流网络矢量数据(3) 平滑处理河流网络打开[编辑器]工具栏，执行工具栏中的命令[编辑器]>>[开始编辑]，确保目标图层为河流网络图层[Shape1], 通过打开[Shape1 属性表，并选择属性表的所有行选择图层[Shape1]中的所有要素，也可以通过要素选择按钮选择图层中所有要素执行[编辑器]工具栏中的命令[编辑器]>>[更多的编辑工具]>>[高级编辑]打开工具条：[高级编辑]，点击其上的[平滑]按钮（下图中前头所指）：在[平滑]处理对话框中输入参数[允许最大偏移]：3得到平滑后的河流网络矢量图层，执行命令: [编辑器]>>[停止编辑]，保存所做修改。
基于ArcGIS的水文分析功能
1大体原理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提取流域水文特点,模拟地表水文进程方面,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提取流域特点，一个良好的流域结构模式是确信算法的前提和关键。
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利用一个具有一个根的树状图来描述流域结构(如图1所示)。
在那个结构中，要紧包括两个部份，一部份是结点集，一部份是界限集。
沟谷结合点和沟谷源点一起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份水线段集，形成一个分水线网络；沟谷段集和分水线段集一起组成界限集。
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操纵。
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，散布在内部沟谷段的双侧。
整个流域被分割成一个个子流域．每一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．尽管沟谷网络的结点模型和线模型与在栅格DEM顶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概念，明确表达了它们之间的相关关系，成为设计流域特点提取技术的基础。
1.2经常使用算法流向判定成立在3×3 的DEM 栅格网的基础上，其方式有单流向法和多流向法之分，但单流向法因其确信简单、应用方便而应用普遍。
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，然后依照栅格高程判定水流方向。
目前应用的单流向法是D8法。
另外，还有Rho8 方式、DEMON 法、Lea 法和D∞法等。
GIS-流域分析(水文分析)
第2次 追踪
2 流域提取
流域范围 子盆地 流域分界线 河网 流域出口点 流域的组成
流域提取原理： 可由流域出口点开始，逐步对邻 域内其他8个栅格流向的反方向 进行追踪，直到追踪至流域边界 栅格（不被邻域内任何栅格所指 向）。
第3次 追踪
2 流域提取
流域的组成
流域范围 子盆地 流域分界线 河网 流域出口点
2、流域分析（水文分析）所提取的水系、坡长、 流域等信息在地学分析中具有重要的意义。
1.3 汇流量提取
流向矩阵
汇流量矩阵
1. 沟谷网络提取
1.1 洼地 填平
1.2 水流 方向
1.3 汇流 累积
1.4 沟谷 网络
1.4 沟谷网络提取
■ 对汇流累积矩阵采用一定的阈值来提取沟谷网络，大 于阈值的位置赋值为1，即为沟谷网络，可进一步将 栅格沟谷网络转换为矢量沟谷线文件。
设置阈值
沟谷网络提取
流域提取原理： 可由流域出口点开始，逐步对邻 域内其他8个栅格流向的反方向 进行追踪，直到追踪至流域边界 栅格（不被邻域内任何栅格所指 向）。
第1次 追踪
2 流域提取
流域范围 子盆地 流域分界线 河网 流域出口点 流域的组成
流域提取原理： 可由流域出口点开始，逐步对邻 域内其他8个栅格流向的反方向 进行追踪，直到追踪至流域边界 栅格（不被邻域内任何栅格所指 向）。
上坡长
下坡长
坡长分析：
– 上游坡长 – 下游坡长
DEM剖面线
上游坡长
从图中不难发现，上坡 长为“0”的点分布于 山脊线相似，上坡长，下坡长 的变化较为平缓，通过 某一点的下坡长可以判 断其水流到达河流交汇 点的时间，以帮助预测 洪峰的到来时间。
ARCGIS水文分析
水文分析是D EM数据应用的一个币要方式。
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卞要输入数据。
表I CI水文分析模型应用十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，或者一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一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IC I形状的理解也具有}一分要的b,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。
基十DE M的地表水文分析的卞要内容是利用水文分析土具提取地表水流径流模型的水流方向、汇流祟积量、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。
通过对这些基木水文因子的提取和基木水文分析，可以在DEM表I CI之上再现水流的流动过程，最终完成水文分析过程。
主要介绍ArcGI S水文分析模块的应用。
ArcG IS提供的水文分析模块卞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，通过水文分析土具的应用，也可以有助了解排水系统和地表水流过程的一些基木的概念和关键的过程，以及怎样通过ArcG IS水文分析土具从D EM 数据上获取更多的水文信息。
ArcGI S9将水文分析中的地表水流过程集合到Ar cTool box里，卞要包括水流的地表模拟过程中的水流方向确定、汁地填平、水流祟不}一矩阵的生成、沟谷网络的生成以及流域的分割等。
1.无洼地DEM生成DE M被认为是比较光滑的地形表n的模拟，但是由十内插的原因以及一些真实地形(如喀斯特地貌)的存在，使得D EM表IC I存在着一些}u}陷的区域。
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 水文分析ArcHydro
ArcGIS 水文分析ArcHydro
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。
为负值则为流入。
进行流向分析[ Hydrology ]>>[ Flow Direction ]
输入数据是填充后的DEM数据，输出数据就是水流流向栅格数据，下图为通过一幅DEM经过Flow Direction计算出来的流向栅格图
流水累积量分析
地表径流模拟过程中，流水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，其流水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，流水累积量的数值越大，该区域越易形成地表径流。
[ Hydrology ]>>[ Flow Accumulation ]
在Input weight raster文本框中输入配权数据，配权数据一般是表示降水、土壤以及植被等对径流影响的因素分布不平衡而形成的，更能详细模拟该区域的地表特征。
如果无数据，系统默认为所有的栅格配以相同的权值1，那么计算出来的汇流累积量的数值就代表着该栅格位置流入的栅格数的多少。
通过流水累积量分析获得地表径流的路线
流域分析。
在上一步的基础上进行，执行工具条[Hydrology]中的菜单命令[ Hydrology ]>>[ Watershed ]。
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水文分析实验报告(重庆大学)11
《地理信息系统GIS》课程实验综合实验报告专业名称: 城乡规划课程名称: 地理信息系统GIS开课学院: 重庆大学建筑城规学院实验室: 建筑城规学院计算机实验室学生姓名: （签名）（每组≤2人）学号: 20135221 20135227指导教师: 孙忠伟老师实验时间: 2015.12.24重庆大学建筑城规学院课程名称地理信息系统GIS 实验项目名称基于GIS的水文分析实验项目类型验证演示综合设计其他指导教师成绩√教师评语教师签名:年月日一、实验目的通过练习, 熟练掌握在ArcGIS中水文分析模块提供的洼地识别和填充, 水流方向计算, 累计流量计算, 河流分级, 积水范围确定, 河流矢量化等方法和操作。
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。
二、实验内容利用DEM首先尝试计算水流方向, 判别洼地并进行填充, 计算水流方向, 然后计算累计流量, 通过多次实验并和现有资料对比, 确定累计流量阈值从而确定水系, 利用Strahler方法进行河流分级, 确定积水范围, 最后将河流导出为矢量。
图12.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] 输出数据如图。
图23.流水累积量计算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]在Input flow direction raster中, 选择由无洼地DEM生成的水流方向栅格数据,输出数据如图。
图34.设定累计流量阈值首先, 提取河流网络栅格。
在上一步的基础上进行, 运行工具[Spatial Analyst 工具]——>Raster Calculator, 在[地图代数表达式]中输入公式: Con([FlowAcc Flow1]>50000,1)图45.河流分级在上一步的基础上进行打开hydrology工具集中的stream order工具, 用Strahler分级对河网进行分级, 输出数据如图。
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
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。
arcgis水文分析解析
e. 沟谷结点
汇流区边界不包含流域部分边界的汇流区
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。 ? 沟谷段集和分水线段集共同把流域分割成一个
20
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
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? 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
1
8
4
2
2流向分析原理
? 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。
9
? 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”。
基于ArcGIS的流域水文特征分析
在 实 际操 作 中 ， 般采 用填 充 的方 法 ， 凹 陷点 的高程 等 于周 围点 的最低 高程 ， 一 使 可得 到无 洼 地 的 Ｄ Ｍ Ｅ
收 稿 日期 ：０ ２—０ ２１ ５—１ ０
测 绘 科 学 与 技 术 学 院 ， 西 西 安 ７ ０５ ；． 州 大 学 资源 环 境 学 院 ， 肃 兰 州 ７０ ０ ） 陕 １０ ４ ３ 兰 甘 ３ ００
摘
要 ： 文模 型始 终是 水文科 学研 究的 重要 手段 与方 法之 一 。数 字 高程模 型 （ Ｅ 是 构成 Ｇ Ｓ 水 Ｄ Ｍ） Ｉ
关 键词 ： Ｅ 流 域分 析 ； ｒ Ｉ ； 网信 息 Ｄ Ｍ； Ａ ｃＧ Ｓ 河
中图分 类 号 ： ０ Ｐ２８ 文献标 志码 ：Ａ
０ 引 言
２ Ｏ世 纪 ６ ０年 代 以来 ， 随着 计算 机技 术 的飞 速发 展 、 间技术 的 日新 月异 及计 算 机 图形 学理 论 的 日渐 空
第 ３ 卷 第５ ２ 期
２１ ０２年 ０ ９月
西
安
科
技 大 学 学
报
Ｖ０ ＿ Ｎｏ ５ ｌ３２ ．
Ｊ ＲＮ Ｌ Ｏ ’ Ｎ Ｎ Ⅶ Ｒ５ ０Ｕ Ａ Ｆ ＸＩ Ａ Ｕ Ｉ ⅡＹ Ｆ Ｓ Ｉ Ｎ Ｅ Ａ Ｅ ＨＮＯ ＯＧ Ｏ Ｃ Ｅ Ｃ ＮＤ Ｔ Ｃ Ｌ Ｙ
具 箱 实现 了流域 水文 特征信 息的提 取 。 通过 提 取 结 果 与原 始 区域 影像 图的 对 比 ， 实通 过 Ｄ Ｍ 证 Ｅ 数 据提 取 的 流域 水文特 征信 息 与 实际 河流 水 系特征 基 本 吻合 。 因此 ， 用 Ｄ Ｍ 提 取 流 域 水文 特 应 Ｅ
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。
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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。
最常用的是D8 法：假设单个栅格中的水流只能流入与之相邻的8 个栅格中。
它用最陡坡度法来确定水流的方向，即在3×3 的DEM 栅格上，计算中心栅格与各相邻栅格间的距离权落差（即栅格中心点落差除以栅格中心点之间的距离），取距离权落差最大的栅格为中心栅格的流出栅格。
所谓最陡坡度法的原理是假设地表不透水，降雨均匀．那么流域单元上的水流总是流向最低的地方“窗口滑动指以计算单元为中心，组合其相邻的若干个单元形成一个窗口”，以“窗口”为计算基本元素，推及整个DEM，求取最终结果。
目前应用最广泛的是基于流向分析和汇流分析的流域特征提取技术。
Jenson and Domingue (1988)设计了应用该技术的典型算法，该算法包括3个过程：流向分析，汇流分析和流域特征提取。
1)流向分析：以数值表示每个单元的流向。
数字变化范围是1～255。
其中1：东；2：东南；4南；8：西南；16：西；32：西北；64：北；128：东北。
除上述数值之外的其它值代表流向不确定，这是由DEM中洼地”和“平地”现象所造成的。
所谓“洼地”即某个单元的高程值小于任何其所有相邻单元的高程。
这种现象是由于当河谷的宽度小于单元的宽度时，由于单元的高程值是其所覆盖地区的平均高程，较低的河谷高度拉低了该单元的高程。
这种现象往往出现在流域的上游。
“平地指相邻的8个单元具有相同的高程，与测量精度、DEM单元尺寸或该地区地形有关。
这两种现象在DEM 中相当普遍，Jenson and Domingue 在流向分析之前，将DEM进行填充；将“洼地”变成“平地”，再通过一套复杂的迭代算法确定“平地”流向。
流向分析过程如图所示。
图 2 流向分析示意图
2) 汇流分析：汇流分析的主要目的是确定流路。
在流向栅格图的基础上生成汇流栅格图．汇流栅格上每个单元的值代表上游汇流区内流入该单元的栅格点的总数，既汇入该单元的流入路径数(NIP)，NIP 较大者，可视为河谷，NlP 等于0，则是较高的地方，可能为流域s 的分水岭。
图 3 汇流分析示意图
3) 提取流域特征：有了流域汇流栅格图就可以很方便地提取流域的各种特征参数。
例如模拟流域水系，可以设置一个NIP 阈值，大于该值的格点为沟谷线上的点，连接各个沟谷线上的点就形成了河网。
在汇流矩阵(汇流栅格)上求子流域的方法如下：从河谷单元或孤立的洼单元开始，向上游搜索所有流向该单元的单元，这些单元构成以开始单元为流域出口的子流域。
模拟出水系及流域边界后，利用GIS 的相关函数，就可以很方便地得到流域的各项特征参数，如河流的长度、坡癣、流域面积等。
1.2.2 多流向法
多流向法的提出比较晚，由Quinn 等1991 年提出，但它的应用比较少。
这种方法所考虑的仍然是中心栅格与其周围的8 个栅格之间的关系，其产流仍然是点源，水流路径也是一维的线，由中心栅格中心点指向相邻栅格中心点；惟一的不同就是将水流按坡度的比例分
散地分配给高程较低的相邻栅格。
同时Freeman提出将水流按指数方法分配。
2ArcGIS Hydrology介绍
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。
1)Flow Direction：水流方向提取，ArcGIS中采用D8单流向法来进行水流方向分析。
2)Sink：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。
3)Fill：洼地填充。
4)Flow Accumulation：汇流分析。
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。
5)Flow Length：水流长度。
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。
水流长度是水土保持上的重要因子之一，当其他条件相同时，水力侵蚀的强度依据坡的长度来决定，坡面越长，汇聚的流量越大，其侵蚀力就越强，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。
因此，对于水流长度的提取和分析，在水土保持工作
中有很重要的作用。
目前水流长度的提取方式主要有两种，一种是顺流计算（DOWNSTREAM），一种是溯流（UPSTREAM）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最大地面距离的水平投影；溯流计算者是计算地面上每一点沿水流方向到其流向起点间的最大地面距离的水平投影。
6)Map Algebra：利用地图代数来进行河网提取。
目前常用的河网提取方法是采用地表径流漫流模型计算：首先是在无洼地DEM上利用最大坡降的方法得到每一个栅格的水流方向；然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，所得到的汇流累积量则代表在一个栅格位置上有多少个栅格的水流方向流经该栅格；假设每一个栅格处携带一份水流，那么栅格的汇流累积量则代表着该栅格的水流量。
基于上述思想，当汇流量达到一定值的时候，就会产生地表水流，那么所有那些汇流量大于那个临界数值的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络，就是河网。
7)Stream Order：河网分级。
8)Basin：流域分割工具。
9)Watershed：流域分割工具。