ArcGIS之水文分析
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。
第十节 ArcGIS的水文分析
水文分析
• 水流方向 • 无洼地DEM生成 • 水流累积量
• 水流长度
• 河网提取
• 流域分割
• 基于水文分析的地 形特征提取
• 水流方向提取
– ArcGIS中，水流方向采用D8算法，即通过计算 中心栅格与领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领域栅格的高程差 除以两栅格间的距离
– 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
• 水流累积量（Flow Accumulation）
– 基本思想：以规则格网表示的DEM每点处有一 个单位的水量，按照水流从高处流向低处的自 然规律，根据区域地形的水流方向数据计算每 点处所流过的水流量数值
水流方向数据
汇流累积数据
– 确定强降雨时期可能的积水区域
• 水流长度（Flow Length）
相交
原始DEM
领域 统计
• 溯流计算是计算地面上每一个点沿水流方向到其流 向起点的最大地面距离的水平投影
• 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)
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
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
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”。
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
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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[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。
在上一步的基础上进行，打开【Arctoolbox】，运行工具[Spatial Anal yst 工具]——>[地图代数]——>[栅格计算器]，在[地图代数表达式]中输入公式：Con(Flow Accumulation1>800,1)，（这里的Flow Accumulat ion1要以上一步得到的文件名为准,注意是Con,不是con,大写第一个字母，不然出错）如图：
[输出栅格]指定为:StreamNet保存路径和文件名任意）
执行后，结果为（关闭除[Streamnet]之外的其它图层）：
结果说明：通过此操作将流水累积量栅格[Flow Accumulation1]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[S treamNet]
2.10
然后，提取河流网络矢量数据。
在上一步的基础上进行，打开【Arctoolbox】工具箱，运行工具[Spatia lAnalyst 工具]——>[水文分析]——>[栅格河网矢量化]，按下图设置参数：
后得到河流网络矢量数据，如图
8.接着,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[StreamT_StreamN1],通过打开[StreamT_ StreamN1]属性表，并选择属性表的所有行选择图层[StreamT_StreamN1]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：
3.13
在[平滑]处理对话框中输入参数[允许最大偏移]为4，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。
（然后，比较平滑处理后的数据与没有进行处理过的数据）
4.14
9.最后，进行流域分析
在上一步的基础上进行，打开【Arctoolbox】，运行工具[Spatial Anal yst工具]——>[水文分析]——>[盆域分析]，如图：
然后在打开【Arctoolbox】中，打开[空间分析]工具栏，执行命令:[转换工具]——>[由栅格转出]——>[栅格转面]，将流域栅格转换成为矢量图层。
如图：。