Arcgis操作水文分析.docx

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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-个重要方而。

利用衣而水文分析模型研究与地衣水流有关的各成为大多数地衣水文分析模型的主要输入数据。

预测当某•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地衣水文分析的主要内容是利用水文分析工具提取地衣水流径流模型的水流方向、汇流累积虽、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/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oArcGIS提供的水文分析模块主要用来建立地衣水的运动模型，辅助分析地农水流从哪里产生以及妥流向何处，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农水流过程的•些基本概念和关键过程。

ArcGIS将水文分析中的地衣水流过程集合到ArcToolbox里，如图11.1所示。

主妥包括水流的地衣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了•的提取过程对ArcGIS中的水文分析工具逐•

介绍。

文中所用的DEM数据在光盘中chpll文件夹下的tutor文件夹里面，每个计算过程以及每

-节所产生的数据存放在tutor文件夹的result文件图11.1ArcToolBox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•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•般彼认为是比较光滑的地形农Ifti的模拟，但是由于内插的原因以及•些真实地形（如喀斯特地貌）的存在，使得DEM衣而存在着•些凹陷的区域。

这些区域在进行地农水流模拟时，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。

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DENE

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，然后计算出这些的洼地区域的洼地深度，最后以这些洼地深度为参考而设定填充阈值进行洼地填充。

9.1.1水流方向提取

水流方向是指水流离开每•个栅格单元时的指向。

在ArcGIS中通过

128）

j

E

ZI

Al

将中心栅格的8个邻域栅格编码，水流方向便可由其中的某•值来确定，水流流向编码11.2图

所示。

栅格方向编码如图11.22=输出的方向值以例如:

如果中心栅格的水流流向左边,则其水流方向彼賦值为16这样在后此时需将数个方向值相加，的帚值指定是因为存在栅格水流方向不能确定的情况，续处理中从相加结果便可以确定相加时中心栅格的邻域栅格状况。

距离权落差是指水流的流向是通过计算中心栅格与邻域栅格的最人距离权落差来确宦。

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2倍的栅格人小，否则距离128,则栅格间的距离为8、32、、格对中心栅格的方向值为2为1。

ArcGIS中的水流方向是利用D8算法（最人距离权落差）来计算水流方向的。

具体计算步骤如下：

1.在ArcMap中单击ArcToolbox图标，启动ArcToolbox：

2.展开SpatialAnalysisTools匸具箱，打开HydrologyE具集：

3.双击FlowDirection匸具，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Outputflowdirectionraster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：

（3）若选中Forcealledgecellstoflow

ouhvard（Optional）前的复选框，指所有图11.3水流方向FlowDirection计氮对话框

在DEM数据边缘的栅格的水流力向全部是流出DEM数据区域。

默认为不选择。

这•步为可选步骤：

（4）输出dropraster。

dropraster是该柳格在其水流方向上与其临近的栅格之间的高程差与距离的比值，以百分比的形式记录，它反映了在整个区域中最人坡降的分布情况。

这•步为可选步骤；

（5）单击OK按钮，完成操作。

按钮，完成操作。

计算出的水流方向数据结果如图11.4所示。

.

UdOe二♦»口E37：

：

；：

?

、•・KeAU

I-

图11.4利用HowDirection匸具计算出来的水流方向图洼地计算9.1.2

然后对可以通过水流方向来判断哪些地方是洼地，洼地区域是水流方向不合理的地方，洼地填充。

但是，并不是所有的洼地区域都是由于数据的误差造成的，有很多洼地是地农形态的真实反映。

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农形态，然后在洼地填充的过程中，设置合理的填充阈值。

1.洼地捉取

（1）双击Hydrology工具集中的Sink匸具，弹出洼地计算对话框，如图11.5所示:

（2）在Inputflowdirectionraster文本框中，选择水流方向数据flowdir；

（3）在Outputraster文本框中，选择存放的路径以及重新命名输岀文件为sink：

洼地计篦对话框11.5图

11.6所示，深色的区域是洼地°〉单击0K按钮，完成操作。

计算结果如图（4

计算出來的洼地区域图11.6

洼地深度计算2•双击Hydrology工具集中的Watershed工具,弹出流域计算对话框，如图（111.7）所示，它用来计算洼地的贡献区域：

Cr»t"%w2“““de

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1‘心）；“•匕

（2）在Inputflowdirectionraster文本框中选择水流方向数据flowdir»在Input

rasterorfeaturepourpoint文本框中选择洼地数据sink,在pourpointfield文本框中选择value：

（3）在Outputraster文本框中设置输Hl数据的名称为watershsii±；

（4）单击OK按钮，完成操作。

计算出的洼地贡献区域如图11.8所示；

[watershed洼地贡献区域计算对话窗口（11.7图

P«*Q6■•：

：

：

：

*?

••

计算岀來的洼地贡献区域图118

）计5算每个洼地所形成的贡献区域的最低髙程：

（1）打开SpatialAnalysisToolsE具箱中

Zonal工具集，X!

（击ZonalStatistic1：

具，弹出

如图11.9所示的分区统计对话框：

2）在Inputrasterorfeaturezonaldata文本框中，选择洼地贡献区域数据watershsink：

3）在Inputvaluemstei•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zonalnun.存放路径保持不变：

5）在统计类型选择的下拉菜单中选择最小值（MINIMUM）作为统计类型；图11.9分区统计对话柩6）单击OK按钮，完成操作。

（6）计算每个洼地贡献区域出口的最低高程即洼地出水口高程：

1）打开SpatialAnalysisTools匸具箱中ZonalE具集.双击ZonalFillE具，弹出如图11.10所示的ZoneFill对话框：

2）在Inputzoneraster文本框中选择xvatershsiiik,在Inputweightraster文本框中选择dem,在Output“stei•文本框中将输出数据命名改为zonalmax：

3）单击OK按钮，完成操作。

算洼地深度。

计）7（.

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；

洼地贡献区域边缘最低高程计算对话框11.1011.11洼地滋度计算对话框图图按钮进行然后单击evaluate在文本框里（fit输入siiikdep=（[zonalniax]-[zonalmin]）,）2

计算。

MapAlgebra匸具箱中的6）步的计算，可以利用SpatialAnalysisTools对于以上（5）、（所示。

匸具。

如图11.12I：

具集的MultiMapOutputEAchp11\tutofresult\zonalmin=zonalmin5）步，在文本框中输入：

对于第（（EJclipll'tutoFiesultbvatershsink、E:

\chpll\tutoTIdem）：

E:

\chpll\tutor\resultzonalmax=zonalfill）步，在文本框中输入：

对于第（6；（E:

\chpll\tutorkesult\watershsink.E:

\chp11\tutor\deni）

计算对话権图11.12mapalgebra所示。

通过对11.13经过以上七步的运算，就可到所有洼地贡献区域的洼地深度，如图哪些洼地区域又是真实可以确定出哪些洼地区域是由数据误差而产生，研究区地形的分析，的反映地衣形态，从而根据洼地深度来设置合理的填充阈值。

图ii.i3计算出的洼地深度图9.1.3洼地填充生成的最后•个步骤。

通过洼地提取之后，可以了解原始的洼地填充是无洼地DEM数据就可以直接用来进行河网生DENIDEM上是否存在着洼地，如果没有存在洼地，原始成、流域分割等。

而洼地深度的计算又为在填充洼地时设置填充阈值提供了很好的参考。

双击Hydrology£具集中的Fill工具,弹出如图1.11.14所示的洼地填充对话框：

2.在Inputsurfaceraster文本框中，选择

需耍进行洼地填充的原始DEM数据；

3.在Outputsurfaceraster文本框中设置输岀文件名为filldem:

4•在Zlinut文本框中输入阈值，在洼地填充过程中，那些洼地深度人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，即所有的洼地区域都将彼填平。

图11.14洼地填充对话框

5.单击OK按钮，完成操作。

计算后的所示。

11.15如图DE\I无洼

地.

3^0送a・4二、*：

：

：

：

「・••*OMX.

DEM

经过洼地填充生成的无洼地图11-15

可能还会形成新的当•个洼地区域彼填平之后，这个区域与附近区域再进行洼地计算，新的洼地不再产洼地。

因此，洼地填充是•个不断反复的过程，直到所有的洼地都被填平.生为止。

9.2】匚流累积量汇流累积量的基在地衣径流模拟过程中，汇流累积量是基于水流方向数据计算

得到的。

按照自然水流本思想是认为以规则格网农示的数字地而高程模型每点处有•个单位的水虽，从高处流往低处的自然规律，根据区域地形的水流方向数据计算每点处所流过的水量数值,11.16所示。

便得到了该区域的汇流累积量。

由水流方向数据到汇流累积量计算的过程如图的水流方向的计算。

计算过程同上•节水流方向的计算•样，使用的基于无洼地DEM1.

水紇方向飲做：

8UK11.16汇流累枳址的计算

DEM数据是无洼地DEM。

将生成的水流方向文件命名为fdirfill：

2.在得到水流方向之后，可以利用水流方

向数据计算汇流累积量。

双击Hydrology一匸具集中的FillAccumulation匸具，打开汇流累积量计算对话框。

如图11.17所示；

（1）在Inputflowdirectionraster文本框中，汇流累积fi:

计算对话框11.17图

:

选择由无洼地DEM生成的水流力向栅格数据fdirfillflowacc在Outputaccumulationraster文本框中输出数据命名为：

（2）

文本框中输入权重数据，权重数据•般是考虑到降水、土壤以及）在Inputweightraster（3植被等对径流影响的因素分布不平衡而得到的，对每•个栅格賦权重能更详细模拟该；区域的地衣特征。

如果无权重数据，系统默认所有的栅格的权重为1击OK按钮，完成操作。

结果如图4（）单11.18所示。

图11.18通过计算生成的汇流累积量数据

9.3水流长度

水流长度通常是指在地而上•点沿水流方向到其流向起点（或终点）间的最人地面距离在水平面上的投影长度。

水流长度宜接影响地面径流的速度，从而影响对地面土壤的侵蚀力。

閃此，水流长度的提取和分析在水土保持工作中有很重要的恿义。

目前，在ArcGIS中水流长度的捉取方式主耍有两种：

顺流计算和溯流计算。

顺流计算是计算地面上每•点沿水流方向到该点所在流域出水口的最人地而距离的水平投影;溯流计算是计算地面上每•点沿水流方向到其流向起点的最人地面距离的水平投影。

ArcGIS中水流长度的捉取操作如下：

1.双击Hydrology匸具集中的Flow

Length工具，弹出计算水流长度的对话框，如图11.19所示：

2.在Inputflowdirectionraster文本框中选择基于无洼地DE\I捉取'11的水流方向数据fdirfill：

3.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Flowlendo^u和Flowlenup:

图11.19flowlength的计算窗口

4.计算方向可以选择Downstream（顺流；（朔流计算）Upstream计算）或.

结果衣示沿着水流方向到下游流域出水口中最长距离所流顺流计算时，5.输入权重数据。

经的栅格数：

溯流计算时，结果农示沿着水流方向到上游栅格的最长的距离的栅格数；6.当设置完成后，单击按钮，完成操作。

OK和图11.21所示。

11.20两种方向计算出的结果如图

■Air•unto

r:

畑

11-21逆流方向上的水流长度图顺流方向上的水流长度图11.20

河网的提取9.4的水文分析，其中-个内容就是要得到地农的水流网络°目前常用的河网提DEM基于上利用最人坡降法得到每•个栅格的水流取方法是地衣径流漫流模型：

DEM首先在无洼地即汇流累然后利用水流方向栅格数据计算出每•个栅格在水流方向上累积的栅格数，方向：

积量。

假设每•个栅格携带•份水流，那么栅格的汇流累积量就代衣着该栅格的水流虽。

基于上述思想，当汇流虽达到•定值的时候，就会产生地衣水流，所有汇流量人于临界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。

9.4.1河网的生成

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；

2.设定阈值。

不同级别的沟谷对应不同的阈值，不同研究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利用现有地形图等其它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匸具集中的MultiMapOutput_E具中的Con命令或者SetnuU命令进行有条件的查询可得到栅格河网。

其思想是利用所设定的阈值对整个区域分析并生成•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栅格的属

性值设定为无数据…栅格河网的生成也可以利用ArcMap中的SpatialAnalysis分析模块下的RasterCalculator计算。

将计算出来的栅格河网命名为streanmet：

4.栅格河网矢量化。

在Hydelogy丄:

具集中双击StreamtoFeatureXA,如图栅格河网转换成矢址河网对话框11.22图

Inputflowdirectionrasterstreaimiet所示：

在Inputstreamraster文本框中，选择：

在11.22文文本框中，输入由无洼地计算出来的水流方向数据fdirfill：

在Outputpolylinefeatures

本框中将输出的数据命名为streamfeao生成的矢量数据如图11.23所示。

11.23图栅格河网转换成的矢址河网框

9.4.2StreamLink的生成

记录河网中•些节点之间的连接linkStream

所示，主要记录河网的结构信息。

信息，如图11.241mkStream的每条弧段连接着两个作为出水点或汇合点的结点，或者连接着作为出水点的结点和河网起始点。

因此通过扌是取Streamluik可以得到每•个河网弧段的起始点和终ll：

点。

同样，也可以得到该汇7K区域的出水点。

这些出水点对于水量、水土结点弧段

流失等研究具有重要意义。

出水口点的确定，为1^11.24Streamlmk示惫图进-步的流域分割做好了准备。

操作如下：

1.在ArcMap里加载水流方向数据fdirfill和栅格河网数据streamnet：

2.双击Hydrology匸具集中的StreamLink1L1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。

StreamLiiik文本框中将输出数据命名为Outputrastero在fdirfill本框中选择.

OK按钮，完成操作。

3.单击的生成将栅格河网分成不包含汇合点的栅格河网片段，并对片断进行记录，Streamlmkll.26ID号之外，还记录着每个片段所包含的栅格个数。

如图其属性衣中除了记录该片段的所示。

的属性mStreamLink图11.2611.25StreamLink计算对话框图河网分级的生成9.4.3

河网分级是对•个线性的河流网络以数字标识的形式划分级别。

在地貌学中，对河流级的分级是根据河流的流量、形态等因素进行。

不同级别的河网所代农的汇流累积量不同，这对于研究水流而那些级别较低的河网则是支流。

别越高，汇流累积虽越人，•般是主流，的运动、汇流模式，及水土保持等具有重要的意义。

分级。

Shreve供两种常用的河网分级方法：

Strahler分级和在ArcGIS的水文分析中，1级，两个Straliler分级是将所有河网弧段中没有支流河网弧段分为第1如图11.27所示，

级，如此下去分别为第3级，第24级，……，•直到河级河网弧段汇流成的河网弧段为第网出水口。

在这种分级中，当且仅当同级别的两条河网弧段汇流成-条河网弧段时，该弧段级别才会增加，对于那些低级弧段汇入高级弧段的情况，高级弧段的级别不会改变：

Shreve分级的第1级河网的定义与Strahler分级是相同的，所不同的是以后的分级，两条1级河网门

1

11

1

11

Strahler分级Shreie分级

图11.27Strahler分级和Shreve分级示惫图

弧段汇流而成的河网弧段为2级河网弧段，那么对于以后更高级别的河网弧段，其级别的定义是由其汇入河网弧段的级别之和，如图所示，当•条3级河网弧段和•条4级河网弧段汇流而成的新的河网弧段的级别为7,这种河网分级到最后出水口的位置时，其河网的级别数刚好是该河网中所有的1级河网弧段的个数。

中对河网分级的步骤如下：

ArcGIS在.

fdirfill和栅格河网数据streaninet：

里加载水流方向数据1.在ArcMapInputstream

StreamOrder对话框。

在双击2.Hydrology匸具集中的StreamOrder匸具，弹出。

分别文本框中选择fdirfillraster文本框中选择streamiiet,在Inputflowdirectionraster和Streamostr用Strahler分级和Shreve分级对河网进行分级，将输出数据分别命名为Streamoshr；单击OK所示。

和图11.29按钮，完成操作。

计算出的两种河网分级分别结果如图11.283.

匸具集中的Hydrology计算的栅格数据同样可以利用对于streamlink和streamorderI：

具将其转化成矢虽数据便于进•步的研究和分析。

streamtofeature

Shreve分级结果河网的11.29图分级结果图11.28河网的Strahler流域的分割9.5）又称集水区域，是指流经其中的水流和其它物质从•个公共的出水流域（watershed口排出从而形成的•个集中的排水区域,如图11.30所示。

也可以用流域盆地（basin）、集水盆地（catchment）或水流区域（contributingarea）等来描述流域。

Watershed数据显示了区域内每个流域汇水而积的人小。

汇水而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。

分水线包圉的区域称为•条河流或水系的流域，流域分水线所包围的区域面积就是流域面

积。

.

發水区域

応水仄域边界集水I乂城出门分水岭水波糾仪集水区域图1130

9.5.1流域彳盂地0勺确定是通过对水流方向数据的分析确定出所有相流域盆地是由分水岭分割而成的汇水区域，互连接并处于同•流域盆地的栅格。

首先要确定分析窗口边缘的1B水口的位置，所有的流域盆地的出水口均处于分析窗口的边缘。

流域盆地集水区的确定是找出所有流入出水口的上游栅格的位置。

在ArcGIS中，流域盆地的计算的操作如下：

1-双击Hydrology匸具集中的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fdirfilh设置输出数据文件名为ba$ine

3.单击OK按钮，完成操作。

在ArcMap中加载上•节计算出的矢虽河网数据在以及刚得到的basm数据，如图11.32所示。

所有流域盆地的出口都在研究区域的边界上，利用流域盆地分析，可将感兴图11.31渡域盆地计竄的对话権

趣的流域划分出来。

线状图形为矢址河网数据11.32计算出的流域盆地（图9.5.2汇水区出水口的确定在水文分析

中，通常需要基于更小的流域单元进行分析，这样就需要进行流域的分割。

流域的分割首先要确定小级别流域的出水口的位置，可以通过SpatialAnalysisTools1：

具箱下的Hydrology匚具集中的SnapPourPoint的匸具来寻找。

它的思想是利用•个记录着潜在但并不准确的小级别流域的出水口的位置的数据层，在该点位置上在以指定距离在汇流累积量的数据层上搜索那些具有较高汇流累积量栅格点的位置，这些搜索到的栅格点就是小级别的流域的IB水点。

也可以利用已有的出水点的矢量数据。