(完整word版)Arcgis操作第九章水文分析
利用ArcGIS水文分析工具提取河网水系的方法.docx
利用ArcGIS水文分析工具提取河网水系的方法DEM包含有多种信息，ArcToolBox提供了利用DEM提取河网的方法，但是操作比较烦琐（帮助可参看Hydrologic analysis sample applications），今天结合我自己的使用将心得写出来与大家分享。
提取河网首先要有栅格DEM，可以利用等高线数据转换获得。
在此基础上，要经过洼地填平、水流方向计算、水流积聚计算和河网矢量转化这几个大步骤。
1．洼地填平DEM洼地（水流积聚地）有真是洼地和数据精度不够高所造成的洼地。
洼地填平的主要作用是避免DEM的精度不够高所产生的（假的）水流积聚地。
洼地填平使用ArctoolBox->Spatial Analysis Tools->Hydrology -> Fill工具。
2．水流方向计算水流方向计算就可以使用上一步所生成的DEM为源数据了（如果使用未经洼地填平处理的数据，可能会造成精度下降）。
这里主要使用ArctoolBox->Spatial Analysis Tools->Flow Direction 工具。
输入的DEM 采用第一步的Fill1_exam13．水流积聚计算这里主要使用ArctoolBox->Spatial Analysis Tools->Flow Accumulation 工具流向。
栅格数据就是第二步所获得的数据（FlowDir_fill1）。
可以看到，生成的水流积聚栅格已经可以看到所产生的河网了。
现在所需要做的就是把这些河网栅格提取出来。
可以把产生的河网的支流的象素值作为阀值来提取河网栅格。
4．提取河网栅格使用spatial analyst中的栅格计算器，将所有大于河网栅格阀值的象素全部提取出来。
至于这个阀值是多少因具体情况而定。
通常是要大于积聚计算后得到栅格的最低河流象素值。
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。
（完整word版）Arcgis操作第九章水文分析
（完整word版）Arcgis操作第九章水文分析第九章水文分析水文分析是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。
表面水文分析模型研究与地表水流有关的各种自然现象例如洪水水位及泛滥情况，划定受污染源影响的地区，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。
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。
Ex9_水文分析-DEM应用
易智瑞（中国）信息技术有限公司 沈阳分公司
行业技术部 张何欣
实验目的
•
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。通过
本实验应达到以下目的：
•
理解基于DEM数据进行水文分析的基本原理。
水文分析的计算之前，应该首先对原始DEM数据进行洼地填充
，得到无洼地DEM。
实验准备
•
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
提取河流网络——提取河流网络栅格
提取河流网络——提取河流网络矢量数据
提取河流网络——平滑处理河流网络
流域分析
谢谢！
实验准备
•
排水系统
实验准备
实验准备
•
数据准备：
•
•
某地区1:5万DEM数据
水文分析工具(Hydrology Modeling)
实验步骤及方法
• • • • •
1. 无洼地的DEM 2. 流向分析 3. 计算流水累积量 4. 提取河流网络 5. 流域分析
无洼地的DEM
流向分析
计算流水累积量
实验准备
32 64 128
• • •
流向分析 共有八个方向，分别是2的n 次方。
16
1
8
4
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第九章 水文分析水文分析是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。
表面水文分析模型研究与地表水流有关的各种自然现象例如洪水水位及泛滥情况，划定受污染源影响的地区，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。
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。
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，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，水流方向便可由其中的某一值来确定，图11.2 水流流向编码图11.1 ArcToolBox 中的 水文分析模块栅格方向编码如图11.2所示。
例如：如果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的幂值指定是因为存在栅格水流方向不能确定的情况，此时需将数个方向值相加，这样在后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。
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。
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。
具体计算步骤如下：1.在ArcMap中单击ArcToolbox图标，启动ArcToolbox；2.展开Spatial Analysis Tools工具箱，打开Hydrology工具集；3.双击Flow Direction工具，弹出（如图11.3所示）水流方向（Flow Direction）计算对话框；（1）I nput surface data文本框中选择输入的DEM数据：dem。
（2）在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；（3）若选中Force all edge cells to flowoutward(Optional)前的复选框，指所有图11.3 水流方向Flow Direction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数据区域。
默认为不选择。
这一步为可选步骤；（4）输出drop raster。
drop raster是该栅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大坡降的分布情况。
这一步为可选步骤；（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。
图11.4 利用Flow Direction工具计算出来的水流方向图9.1.2 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，然后对洼地填充。
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Input flow direction raster文本框中，选择水流方向数据flowdir；（3）在Output raster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，完成操作。
计算结果如图11.6所示，深色的区域是洼地。
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区域；（2） 在Input flow direction raster 文本框中选择水流方向数据flowdir ，在Inputraster or feature pour point 文本框中选择洼地数据sink ，在pour point field文本框中选择value ；（3） 在Output raster 文本框中设置输出数据的名称为watershsink ；（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；图11.7 洼地贡献区域计算对话窗口（watershed ）图11.6 计算出来的洼地区域（5） 计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程；1） 打开Spatial Analysis Tools 工具箱中Zonal 工具集，双击Zonal Statistic 工具，弹出如图11.9所示的分区统计对话框；2） 在Input raster or feature zonal data文本框中，选择洼地贡献区域数据watershsink ；3） 在Input value raster 文本框中选择dem 作为value raster ；4） 在Output raster 文本框中将输出数据文件命名为zonalmin ，存放路径保持不变；5） 在统计类型选择的下拉菜单中选择最小值（MINIMUM ）作为统计类型；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Spatial Analysis Tools 工具箱中Zonal 工具集，双击Zonal Fill 工具，弹出如图11.10所示的Zone Fill 对话框；2） 在Input zone raster 文本框中选择watershsink ，在Input weight raster 文本框中选择dem ，在Output raster 文本框中将输出数据命名改为zonalmax ；3） 单击OK 按钮，完成操作。
（7） 计算洼地深度。
图11.8 计算出来的洼地贡献区域图11.9 分区统计对话框1） 在ArcMap 中加载Spatial Analyst 模块，单击Spatial Analyst 模块的下拉箭头，单击Raster Calculator 命令，弹出Raster Calculator 对话框，如图11.11所示；2） 在文本框里面输入sinkdep = ( [zonalmax] - [zonalmin])，然后单击evaluate 按钮进行计算。
对于以上（5）、（6）步的计算，可以利用Spatial Analysis Tools 工具箱中的Map Algebra 工具集的Multi Map Output 工具。
如图11.12所示。
对于第（5）步，在文本框中输入：E:\chp11\tutor\result\zonalmin = zonalmin(E:\chp11\tutor\result\watershsink, E:\chp11\tutor \dem)；对于第（6）步，在文本框中输入：E:\chp11\tutor\result\zonalmax = zonalfill(E:\chp11\tutor\result \watershsink, E:\chp11\tutor \dem)；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11.13所示。
通过对研究区地形的分析，可以确定出哪些洼地区域是由数据误差而产生，哪些洼地区域又是真实的反映地表形态，从而根据洼地深度来设置合理的填充阈值。
图11.11 洼地深度计算对话框图11.10 洼地贡献区域边缘最低高程计算对话框图11.12 map algebra 计算对话框9.1.3 洼地填充洼地填充是无洼地DEM生成的最后一个步骤。
通过洼地提取之后，可以了解原始的DEM上是否存在着洼地，如果没有存在洼地，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。
1.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；2.在Input surface raster文本框中，选择需要进行洼地填充的原始DEM数据；3.在Output surface raster文本框中设置输出文件名为filldem；4.在Z limit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，即所有的洼地区域都将被填平。
5.单击OK按钮，完成操作。
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11.13 计算出的洼地深度图当一个洼地区域被填平之后，这个区域与附近区域再进行洼地计算，可能还会形成新的洼地。
因此，洼地填充是一个不断反复的过程，直到所有的洼地都被填平，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得到的。