ArcGIS Hydrology水文分析-基本原理
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。
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 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 ]。
实验六ArcGISHydrology剖析
实验五ArcGIS Hydrology一、实验准备1.水文分析处理步骤：2.处理数据：前期实验得到的tingrid.img DEM数据3.处理工具：ArcToolBox工具箱中的spatial analyst tools下的Hydrology二、无洼地DEM生成1.水流方向提取1)在ArcMap 中用左键单击ArcToolbox图标，启动ArcToolbox。
2)打开水文分析模块。
启动ArcToolbox，展开Analysis Tools 工具箱，打开hydrology工具集。
3)双击Flow Direction 工具，打开如下图所示水流方向（Flow Direction）计算对话框。
a)Input surface data 文本框中选择输入数据tingrid。
b)Output flow direction raster 文本框中命名计算出来的水流方向文件名为FlowDir_ting3，并选择保存路径。
c)在Force all edge cells to flow outward(Optional)前的复选框前打钩，所有在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。
d)drop raster 输出。
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。
e)单击OK，进行水流方向计算过程。
f)计算完成后，计算出的水流方向数据如下图所示：2.洼地计算1)洼地计算a)双击hydrology 工具集中的Sink 工具，弹出洼地计算对话框，如下图b)在Input flow direction raster 文本框中，选择水流方向数据flowdir_ting3。
c)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_ting3。
d)单击OK 进行洼地计算。
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)
ArcGISHydrology水文分析功能介绍
ArcGISHydrology⽔⽂分析功能介绍ArcGIS Hydrology⽔⽂分析功能介绍时间：2012-5-17 11:35:28 作者：GIS学习⽹来源：GIS学习⽹查看：258 评论：0内容摘要：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.基本原理DEM是数字⾼程模型的英⽂简称...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.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 流域结构模式图所⽰)。
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。
ArcGIS Hydrology⽔⽂分析功能介绍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。
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。
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ArcGIS Hydrology水文分析功能介绍(1)-基本原理
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 流域结构模式图所示)。
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。
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。
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，可能为流域的分水岭。
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。
ArcGIS Hydrology水文分析功能介绍(2)-Hydrology In Spatial Analyst
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。