ARCGIS水文分析模型
ArcGIS ArcHydro水文分析
经过水文修正的DEM数据
• 洼地Sinks
– 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。
Elevation字段的值。
Arc Hydro Terrain Preprocessing
• DEM ReConditioning
–使用AGREE方法在DEM上刻画河流
• Burn Stream Slope
– 在DEM上刻画河流 –先使用Assing Stream Slope生成带斜率信息的河流
• Burn Walls
• Q&A提问
水文分析流程
DEM
FLOW DIRECTION
SINK
No
Are there any sinks?
Yes
FILL
Depressionless DEM
Apply Threshold
FLOW ACCUMULATION STREAM ORDER STREAM LINE STREAM LINK
内容概要
• 水文分析的目的和内容 • DEM数据模型 • Arc Hydro数据模型 • 水文分析的流程
– Arc Hydro Terrain Preprocessing (地形预分析) – Arc Hydro Network Processing (网络分析) – Arc Hydro Watershed Processing (集水区域分析) – Arc Hydro 的几个统计工具
ArcGIS之水文分析
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[SpatialAnalyst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[SpatialAnalyst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教程ArcGIS中使用DEM数据进行水文分析-01
1. 概述这里，我们以水文分析为例，介绍一下如何使用ArcGIS进行水文分析。
2. 下载高程数据数据免费获取地址：https:///video/courseview/1b6aa2116c175f0e7cd137e23. 制作无洼地的DEM将下载的高程DEM数据加载到ArcMap内，在ArcToolbox点击"Spatial Analyst工具\水文分析\填洼"，如下图所示。
调用填洼工具其中Z限制为填充阈值，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，如下图所示。
填洼设置点击确定后可以看到填洼后的DEM效果，如下图所示。
填洼后效果4. 流向分析在ArcToolbox中，点击"Spatial Analyst工具\水文分析\流向"，如下图所示。
调用流向工具在显示的流向对话框内，"输入表面栅格数据"一栏输入上一步得到的填洼后的DEM数据，设置好"输出流向栅格数据"，如下图所示。
流向设置点击确定之后可以得到流向数据，如下图所示。
120集ArcGIS视频教程在线观看地址：https:///video/courseview/1b6aa2116c175f0e7cd137e2https:///video/courseview/f7f5c081e53a580216fcfeed流向结果5. 流量分析在ArcToolbox中，点击"Spatial Analyst工具\水文分析\流量"，如下图所示。
调用流量工具在显示的流量对话框内，"输入流向栅格数据"一栏输入上一步得到的流向数据，设置好"输出积蓄栅格数据"，如下图所示。
120集ArcGIS视频教程在线观看地址：https:///video/courseview/1b6aa2116c175f0e7cd137e2https:///video/courseview/f7f5c081e53a580216fcfeed流量设置点击确定之后可以看到流量积蓄结果，如下图所示。
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。
如何使用ArcGIS进行水文分析(完整版)
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
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
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9.4Hydrological Model
河流是重要的生态基础设施，起着物质运输、能量流动和生命涵养等重要作用。
在水体污染事件频发的今天，水文分析在环境领域的研究与决策中扮演者
越来越重要的角色。
DEM是描述地球表面地形地貌信息空间分布的有序数值阵列，是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。
一般可以认为，DEM是以数字的形式按一定的结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的数字模型，也是地形形态和
地貌起伏的数字描述。
DEM是进行河网提取和水文分析的一个有效数据源，借助相应的GIS软件，根据邻近栅格高程的对比，可以有效提取DEM中各个栅格的流向，进而获得汇流累积量矩阵，从而提取河网。
水文分析是DEM数字地形分析的一个重要方面，基于DEM的水文分析的主要功能是利用DEM提取数字水系的流域范围、提取河流网络以及支流对应的汇流区间、进行河网的分级等。
本节主要介绍ArcGIS水文分析模块的应用以及ArcGIS Model Builder流程化的数据处理方式。
9.4.2无洼地DEM的生成与水流方向的提取
数字高程模型(DEM)是以有序数值阵列来对地形表面的真实模拟。
但由于DEM的误差和一些特殊地貌形态的存在，使得DEM表面存在一些凹陷区域。
在进行DEM水文分析时，应当先对这些凹陷区域进行填充，否则将得不到合理的水流方向，进而提取出错误的河网。
利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Hydrology]-[Fill]工具对DEM数据进行填充，输入栅格数据为DEM，输出栅格为Fill_dem，对于Z Limit不予填写，即系统默认不设阈值，所有的洼地都将被填平。
对于DEM中的某一个格网，水流方向表征的是该格网表面的降水受重力作
用在地形表面约束下的离开该格网的方向，ArcGIS中默认的水流方向处理算法
是D8算法。
图9.1 填洼后的结果
如图9.2所示，将被处理的格网点X同其最邻近的8个格网点之间的坡降进行比较，被处理格网点中心与相邻8个格网点中，落差最大的一个格网点中心
之间的连线方向，定义为被处理格网点的水流方向，并且规定，一个格网点的
水流方向用一个特征码表示。
8个方向赋予不同的代码，每个格网有一个
n n
的数值，代表它流向相邻格网的方向。
2(0,1, (7)
图9.2 D8算法示意图
利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Hydrology]-[Flow Direction]来计算已经填洼的DEM的各个栅格的流向，输入栅格数据为Fill_dem，输出栅格为Flow_Dir，勾选Force all edge cells to flow outward，即所有边缘栅格的流向也均是向外的，对于Output Drop Raster则可以不予填写。
图9.3水流方向计算结果
9.4.3 汇流累积量的计算
如图2-2所示，假设每个格网的降水量均为1，沿坡度最陡原则确定的水流路径可以计算任何网格单元上的坡面集水面积，其集水面积的量值以网格数目的多少表示，从而每个单元网格的汇流数值代表了汇流到该网格上比其高程高的网格数目。
图9.4(a) 原始DEM矩阵图9.4 (b) 水流方向矩阵
图9.4 (c) 水流方向示意图图9.4 (d) 水流累计矩阵利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Hydrology]-[Flow Accumulation]来计算各个栅格的汇流累积量，输入流向栅格数据为Flow_Dir，输出栅格为Flow_Accu，权重不予输入，输出类型为整形。
图9.5汇流累积计算结果
9.4.4 河流栅格网络的提取
在汇流量栅格数据中，当网格中的汇水量达到某一阈值后，便可以判定这个网格有河网线穿过，并由此跟踪搜索出流域的全部河流网络。
因此，提取栅格河网时，只需提取出所有栅格中大于阈值的栅格即可。
利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Math]-[Logical] -[Greater than]来提取栅格河网，输入的第一个图层为Flow_Accu，输入的第二个数据位汇水量阈值，输出栅格为Threshold。
在实际操作中，我们将阈值设为10000。
然而在提取数字水系的过程中，汇水面积阈值是提取河流网络特征时的一个关键参量，其值越小，提取的河流网络越稠密、结构越复杂；反之提取的河流网络越稀疏、结构越简单。
过大或过小的阈值都会使所提取的河网与实际不相符，合理阈值的确定需要反复试验，并结合一定的理论来确定。
图9.6栅格河网的提取
9.4.5 河网分级及矢量化
河网分级是对一个线性的河流网络以数字标示的形式划分等级。
不同等级的河网所代表的汇流累积量不同，级别越高，汇流量越大，一般为主流，而级别较低的河网一般为支流。
河网分级最初是由Horton(1945)和Strahler(1952)提出的，是对自然界河网系统几何特征上自相似性的系统总结。
在ArcGIS中河网分级的实现方法如下，利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Hydrology]-[Stream Order]来实现，输入水流栅格为Threshold，输入流向栅格为Flow_Dir，对于河网的分级方法选择Strahler分级方法，输出栅格记为Str_Order。
图9.7栅格河网的分级
所得到的栅格河网不易于进行分析和表达，因此必须将栅格河网矢量化。
利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Hydrology]-[Stream To Feature]工具来实现，输入栅格河网数据为Str_Order，输入流向数据为Flow_Dir，输出矢量河
网记为Line_thre。
图9.8矢量河网的提取
9.4.6 集水流域的生成
集水流域(Watershed)是指流经其中的水流等物质从一个公共的出水口排除
而形成的一个集中的排水区域。
在划分了各等级的河网之后，ArcGIS还可以提
取整个大流域以及各等级河网对应的集水流域。
对于大流域的提取，只需在计算出水流方向矩阵后利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Hydrology]-[Basin]工具来实现，输入流向栅格为Flow_Dir，输出栅格记为Basin。
之后对Basin进行矢量化，在编辑状态下保留所需的流域多边形，可以利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Extraction]-
[ Extract by mask]工具进行栅格数据的裁剪，从而保留需要研究的栅格区域。
图9.9流域提取
对于各等级河网对应的集水流域，首先要确定小级别流域出水口的位置，利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Hydrology]-[Stream Link]工具来实现。
输入栅格河网数据为Str_Order，输入流向数据为Flow_Dir，输出Stream Link数据记为Link。
Link数据中隐含了河网中每一条河网弧段的连接信息，也包含了每一段河网的出水口位置。
之后利用ArcToolBox中的[Spatial Analyst Tools]-[Hydrology]-[Watershed]工具来提取各等级子流域的范围，输入水流方向栅格为Flow_Dir，输入出水口数据为Link，出水口字段信息默认不填，输出栅格记为Watershed，之后还可以将Watershed进行矢量化从而得到矢量集水域。
图9.10 最终提取的矢量河网和矢量集水域结果图
9.4.7 Model Builder的简介
从最初始的DEM到最后的包含河网等级的矢量河网和矢量集水域，前文经
历了很多的步骤。
在ArcGIS中，Model Builder是有具体框架结构与功能的流程化处理工具，可以将诸多步骤进行流程化处理，方便快捷。
Model Builder的优势如下：1)自动地理处理流程。
Model Builder可以把你分析和准备数据过程所用到的所有分析工具和数据通过流程化结合在一起。
每次更新操作都可以保存，并且重新运行。
2)共享地理处理知识。
Model的数据，工具都通过图形方式表示，通俗易懂，并且可以保存下来与别人共享，同时也可以保存在ArcSDE数据库中，或通过ArcGIS Server实现互联网共享。
3)记录与文档化。
Model的运行可以像Toolbox中的工具一样运行，并且还提供了图文结合的帮助，方便共享。
4)根据需要添加复杂模型。
模型可以包括复杂的处理过程，而一个模型中还可以包含子模型，并且可以实现处理过程的循环，实现更复杂的应用。
在ArcGIS10.0的Geopresessing菜单栏中选择Model Builder选项，可以拖拽数据或者Toolbox中的工具到Model中，利用连接线工具将工具箱与输入数据连接起来便可以组成一个简单的Model。
图9.11 Model Builder的界面以及与Tool的关系
如果将上述水文分析各步骤的结果与输入数据联系起来，就可以组成一个处理过程的流程图，如图9.12所示。
将流程图中的每个步骤在Model中实现，设置好各步骤的输入输出文件，只需运行模型便可以将所有结果一次性输出。
以下是水文模型Model的一部分。
图9.12 水文模型处理流程图9.12 水文模型Model 的一部分。