基于DEM的水文特征参数提取原理
ArcGIS环境下基于DEM的水文特征提取研究
论文题目ArcGIS环境下基于DEM的水文特征提取研究姓名所在学院专业班级学号109042010006指导老师二○一三年一月四日数字高程模型10GIS姜婷109042010006 ArcGIS环境下基于DEM的水文特征提取研究——以闽江流域建溪水系为例姜婷（福建师范大学地理科学学院，福建省福州市350108）摘要：选择闽江流域建溪水系为研究对象,以数字高程模型DEM(Digit Elevation Models)为基础,利用ArcGIS软件的水文分析工具从DEM数据中提取研究区域的流域水文特征的详细过程。
主要包括:DEM的生成和预处理、水流方向的确定、水流累积量提取、河网的提取和子流域的划分。
结果表明，利用该方法提取的河网与利用手工方法提取的河网基本一致，从而证明该方法具有较高的精度。
关键词：数字高程模型；水文特征；ArcGIS；提取；建溪水系21世纪以来水资源危机日益突出，水文模型已经成为目前国内外水文学研究的热门课题。
随着“3S”技术的发展，为水文科学注入了新的血液。
目前水文模拟技术趋向于将水文模型同GIS 与RS集成，以便充分利用GIS在数据管理、空间分析及可视性方面的功能。
数字高程模型DEM (Digital ElevationModel)是用一组有序数值阵列形式表示地面点的平面坐标(x,y)和高程z的一种实体地面模型。
它包含了大量的地理信息,是构成GIS的基础数据，其用途十分广泛,利用DEM可以提取流域的许多重要水文特征参数，如坡度、坡向、水沙运移方向、汇流网络、流域界线等。
目前,利用DEM进行流域分析的工具很多,ArcGIS的水文分析模块(Hydro logymodel)是美国环境系统研究所公司(ESRI)为ArcGIS推出的一个水文分析模块,主要用于地形和河流网系的提取和分析,实现地形模型可视化,其强大的流域特征分析功能可以满足各种流域DEM处理的需要。
1流域概况建溪是闽江上游三大溪中最大的溪流，是一个树枝状水系。
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。
基于DEM和WMS的流域特征提取及应用
基于DEM和WMS的流域特征提取及应用谢小华;朱建平【摘要】This paper introduces the professional hydrological software of simulation processing---WMS model system. The prin-ciples and methods of river valley and river systems are based on 90m accuracy digital elevation model (DEM) automatic extrac-tion.Take the Suichuan river basin of Ji'an city as the study area for river network generation testresearch ,and get the river basin hydrological information and feature.After it is analyzed,the informations from study area river network and river basin characteris-tics are consistent with the actual water river system features,so the method of using DEM to divide the basin is reasonable.%本文根据数字高程模型（DEM）自动提取流域水系的原理和方法，以江西省吉安市遂川江流域为研究区域进行河网生成试验，提取流域水文特征信息。
经分析，应用DEM划分的流域结果合理。
【期刊名称】《江西水利科技》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】4页(P135-138)【关键词】数字高程模型;流域建模系统;流域特征;信息提取【作者】谢小华;朱建平【作者单位】江西省水文局，江西南昌 330002;江西省水文局，江西南昌330002【正文语种】中文【中图分类】P20821世纪以来，随着计算机技术、遥感技术以及GIS技术的日益成熟，可以方便取得不同分辨率的数字高程模型（Digital Elevation Model，简称 DEM）数据，DEM蕴含有丰富的地形、地貌信息，利用一定的算法就可以从中提取河网水系等要素，并应用于流域洪水预报。
基于DEM和GIS的流域水文信息提取--以巴中市为例
基于DEM和GIS的流域水文信息提取--以巴中市为例杨华容;路军;彭文甫;徐新良;王怀英【摘要】为了探讨基于DEM和GIS的流域水文信息提取过程中阈值确定的有关问题，应用Arc GIS中的Hydrol-ogy水文分析工具，对巴中市水域的水文信息提取进行了研究。
研究结果表明：①汇流累积量与河网密度、流域面积满足二阶导数关系，利用导数关系能够有效确定河网提取阈值。
②阈值对河网信息提取具有较大的影响，阈值越小，河网越稠密。
当阈值达到8500时，提取的河网密度和面积基本趋于稳定且与实际水系基本符合。
③实际地形特征、原始DEM数据可能存在的误差以及其他人为因素等都会对水文提取结果产生影响。
%In order to discuss the technical issues of watershed hydrologic information extraction based on DEM and GIS, the hydrological analysis tool of Arc GIS was applied to study the extraction of hydrological information in Bazhong. The results showed that the relation between flow accumulation and drainage density or watershed area is a second derivative, which helps de-termine the confluence cumulative threshold value; the threshold influence the extraction of river basin in that the smaller the threshold is, the finer the extracted river network is;when threshold value reaches 8500, the extracted density and area of river network tends to be stable and matches well with the actual rivers;the actual terrain features, the possible original DEM data er-rors and other human factors affect the hydrology extraction results.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2016(047)008【总页数】5页(P34-38)【关键词】数字高程模型;GIS;水文信息提取;巴中市【作者】杨华容;路军;彭文甫;徐新良;王怀英【作者单位】四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都610068; 四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610068;四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都610068; 四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610068;四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都610068; 四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610068;中国科学院地理科学与资源研究所数据中心，北京100101;四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都610068; 四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610068【正文语种】中文【中图分类】P33DEM，即数字高程模型，在描述区域地貌形态的空间分布方面，包含了丰富的地形地貌、水文信息，能够反映各种分辨率的地形特征，在自然和人文科学领域应用广泛。
基于DEM的水系提取
基于DEM的水系提取——Arc Hydro Tools水系提取（1）Arc Hydro Tools 工具在GIS中需要另外下载安装，下载Arc Hydro Tools 的安装文件Arc Hydro Toolsfor10.msi.后，直接安装，安装后再Arc Map主菜单综合单机【自定义】—【工具条】—【Arc Hydro Tools】，加载Arc Hydro Tools 工具条，如下图（2）水系提取流程图低高（2）操作步骤1、加载Arc Hydro Tools工具条，再添加数据2、设置目标路径：在Arc Hydro Tools中单击【ApUtilities】---【Set the Target Locations】注意：加载使用矢量和栅格数据所在文件夹输入DEMDEM精度计算流向DEM预处理AGREE方法平滑DEM填洼处理计算上游集水面积河网分析流域分析3、DEM校正：在Arc Hydro Tools中单击【Terrain Preprocessing】---【DEM Manipulation】——【DEM Recondtioning】，然后设置参数，AgreeDEM是DEM数据（elev_cm）校正后的数据。
4、检查DEM中那部分被校正：打开AgereeDEM和校正前的DEM数据（elev_cm）的属性在源中对比检查，看信息是否相同。
5、填洼：在在Arc Hydro Tools中单击【Terrain Preprocessing】---【DEM Manipulation】—【Fill Sinks】,打开下图对话框：注意：Deranged Polygon的值不能为空，如果其值位空[null]，则所选多边形区域就不会被填充；选中Use IsSink Field复选框，IsSink字段值位1的区域就会限制错乱的多边形。
6、计算流向：在在Arc Hydro Tools中单击【Terrain Preprocessing】---【DEM Manipulation】—【Flow Direction】,如上图二。
基于DEM的数字流域特征提取研究进展_宋晓猛
第32卷第1期2013年01月地理科学进展PROGRESS IN GEOGRAPHYV ol.32,No.1Jan.,2013收稿日期：2012-06；修订日期：2012-08.基金项目：国家重点研究基础发展计划“973计划”项目（2010CB951104）；国家自然科学基金项目（41271003，50939006）。
作者简介：宋晓猛(1987-),男,江苏徐州人,博士生,主要从事全球变化与流域水文模拟研究。
E-mail:wenqingsxm@ 通讯作者：占车生(1975-)，主要从事陆面过程模拟与水文水资源研究。
E-mail:zhancs2006@031-040页1引言流域水文模型是研究水文自然规律和解决水文实践问题的主要工具(宋晓猛等,2010,2011)，而流域水系特征是流域水文建模的主要参数，是水文模型分析的基础数据，因此流域水系特征的提取一直是水文科学研究中的热点(许捍卫等,2008)。
随着数字技术和系统理论的不断发展，水文科学与数字技术和信息科学的交叉形成了一门科学——数字水文学，而数字高程模型(Digital Elevation Mod-el,DEM)的出现也为数字水文学的发展和数字水文模型的诞生提供了坚实的技术基础。
自20世纪60年代，特别是90年代以来(李丽等,2003)，由DEM 自动获取水系和子流域特征，代表着流域参数化迅速发展阶段(Martz et al,1992)。
由于DEM 数据能够反映一定分辨率的局部地形特征，因此可借助一定算法自动提取一定范围的自然水系(孙艳玲等,2004)，为数字流域水文模型的建立及进一步的分析提供基础数据。
基于DEM 流域河网的自动提取方法很多，主要可分为以下3类(李晶等,2009)：①利用一个矩形窗口扫描DEM 矩阵来确定洼地，位于洼地内的栅格单元标记为水系的组成部分(Tribe,1992)。
②坡面流模拟方法，依据水总是沿斜坡最陡方向流动的原理，确定DEM 中每一个栅格单元的水流方向，然后根据栅格单元的水流方向计算每一个栅格单元的上游给水区，再选择合适的集流阈值(水道给养面积)来确定河网(O'Callaghan et al,1984;Jenson et al,1988;Martz et al,1988)。
浅谈基于DEM提取磐石市水文特征上的应用
浅谈基于DEM提取磐石市水文特征上的应用运用GIS软件ARC/INFO、ArcView，以磐石市地形资料为例，探讨了数字高程模型（DEM）的建立并介绍其基本原理及其基本应用。
本次DEM的建立以磐石地区1：10000地形纸图为数据源，矢量数据内插生成DEM的方法，并提取该地区的水文特征。
标签：ArcView；DEM；GIS；水文特征提取1 引言今年的中央一号文件对水利工作作出了重大战略部署，水文是水利的重要基础，今后水文工作的发展方向必将是自动化和信息化。
在此背景下，研究水文特征，收集水文资料、进行水文分析、关注水文情势预测、预报、预警，则显得尤为重要。
近年的防汛抗洪中，水文监测预报为科学有序地防洪抢险做出了重要贡献，充分说明了水文工作在社会事业和经济社会发展中的重要性和必要性。
地球信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是一种采集、储存、管理、分析，显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术，作为一种多信息源的空间化、动态化、多学科交叉的信息科学和技术，其优势正好符合反映流域或区域水文系统要素的空间分布和动态变化的要求。
因此它成了流域水文模拟研究中的关键技术之一。
2 研究区概况2.1 研究区地理位置磐石市为饮马河、辉发河、富太河、挡石河等河的发源地，地理坐标东经125°40′～126°40′，北纬42°39′～43°27′。
磐石市地处吉林省中南部，吉林市南部，东靠桦甸市，南邻辉南县，西与梅河口市、东丰县、伊通县接壤，北与双阳县、永吉县毗连。
2.2 研究区气象水文磐石市地处内陆山区的中纬度亚温带大陆性气候区，四季分明，寒暑温差变化显著，多年平均气温4.72摄氏度，多年平均降水量为697.2mm（其中约有80%降水量集中在6～8月份）。
该区冬季多受西伯利亚高空寒冷高气压带影响，主导风向为西南风，年平均风速2.5m/s。
基于DEM的水文分析
基于DEM的水文分析介绍：基于基于DEM的水文分析的主要内容是利用水纹分析工具提取水流方向、汇流累积量、水流量积量、水流长度、河流网络、河网分级以及流域分割。
（一）无洼地DEM生成DEM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。
数据：DEM数据dem（1）原始DEM数据提取水流方向执行[ Arctoolbox ] >> [Spatial Analyst Tools]>>[Hydrology]>>[Flow Direction ]在[ Flow Direction ]对话框中，“Force all edge cells to flow outward(Optional)”的复选框前打钩，则所有在DEM数据边缘的栅格的水流方向全部流出DEM数据区域（默认为不选择）。
“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（可选步骤）。
（2）洼地计算执行[ Arctoolbox ] >> [Spatial Analyst Tools]>>[Hydrology] >>[Sink]。
（3）洼地深度计算1、双击Hydrology工具集中的Watershed工具。
2、3、（4）计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程a.打开Spatial Analyst Tools工具箱中Zonal工具集，双击Zonal Statistic工具，（5）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a 打开Spatial Analyst Tools工具箱中Zonal工具集，双击Zonal fill工具（6）计算洼地深度a 在Spatial Analyst模块的下拉箭头。
基于DEM的秋浦河流域水文特征提取研究
基于DEM的秋浦河流域水文特征提取研究汪玲玲【摘要】针对小流域水文特征提取问题,以秋浦河流域为研究对象,提出利用A rcGIS软件,以30 m分辨率的池州市及黄山市DEM为数据源,结合秋浦河出水口的位置信息,利用M odel Builder进行建模,对预处理后的DEM数据进行汇流分析、流域分析等一系列操作以获取秋浦河流域的水文信息.其中,将提取的秋浦河水系与BIGEMAP地图中的水体数据对照,同时将生成的秋浦河流域与安徽省水文遥测信息网提供的数据进行对比,两次目视对比都发现两者之间是相仿的.研究表明:运用DEM作为基础数据建立水文分析模型进行水文分析的做法是合理的,可以高效、准确地获取研究区的水文特征.【期刊名称】《黑龙江工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(032)004【总页数】5页(P27-31)【关键词】水文分析;数字高程模型;ArcGIS;ModelBuilder;秋浦河流域【作者】汪玲玲【作者单位】安徽理工大学测绘学院 ,安徽淮南 232001【正文语种】中文【中图分类】P22420世纪50年代，学者们初次提出并定义了数字高程模型(Digital ElevationModel，DEM)。
它是DTM(Digital Terrain Model)的一个特例，因其管理方便、能够与遥感影像集成、适用于地形分析等特征，激发了许多学者的研究兴趣。
20世纪60年代，借助DEM数据进行水文分析的做法得到很大地推广，并随着高分辨率、航测、激光雷达等数据采集方法的不断深入，DEM已经成为流域分析、地物识别的重要原始数据[1]，运用DEM提取水文信息也已成为水文研究领域的主方向。
美国环境系统研究所(ESRI)推出了水文分析工具，使得GIS向更深层发展[2]。
例如，国外学者根据处理DEM沟壑区和平原区的办法，优化了盆地模拟的方法[3]。
而针对河网提取问题，Greysukh等人率先探究出谷地连成河流法，而后又经Carrol、Tribe等人完善，但是，生成的水系出现不连续的状况，并且对于相对平坦的地区这种问题更加明显[4]。
基于DEM提取水域特征的一种算法实现
第32卷第1期2007年1月测绘科学Science of Surveying and M app ingVol 132No 11Jan 1作者简介:李勤超(1982Ο),男,湖北天门人,解放军信息工程大学测绘学院六系三队450052,硕士生,主要从事地理信息系统研究。
E Οmail:poll_len@yahoo 1com 1cn收稿日期:2006Ο03Ο16基于D E M 提取水域特征的一种算法实现李勤超①,李宏伟①,孟婵媛②(①解放军信息工程大学测绘学院,郑州 450052;②海军海洋测绘研究所,天津 300061)【摘 要】本文提出并实现了一种基于规则格网DE M 的地形特征线提取算法。
该算法基于水文模拟方法,提出了平地、洼地的结构模型,研究了它们形成复杂洼地的拓扑关系,在此基础上设计了洼地填平等算法,简便快捷,在邙山小流域水土保持项目中得到应用,效果较好。
【关键字】格网DE M;水文模拟;地形特征;水域特征【中图分类号】P282 【文献标识码】A 【文章编号】1009Ο2307(2007)01Ο0103Ο021 引言河流水系的提取技术被广泛应用于地图制图、水文模拟和地质灾害预测等众多研究领域。
传统的人工方法不仅费时费力,而且由于水系级别的人为确定和低级别水流线的删除等问题,造成了许多误差。
近年来,随着地理信息系统(GI S )的日益普及,特别是能够表达丰富地貌信息的数字高程模型(DE M )技术的出现,使从DE M 中提取地貌特征信息成为一项重要的研究工作。
中外学者提出了许多自动提取的方法,并开发了相关的软件。
根据算法设计的原理,从DE M 中自动提取水系网络的方法主要分为三类[1]:①基于地形表面几何形态的方法,也称之为局部方法,如Johnst on 和Rosenfeld 等的地形方向断面极值法,以及Tribe 的河谷网络算法,该方法提取的河流网络,存在河流结点的不连续性以及河流源头定位的随意性等问题;②基于地表水流模拟的方法,也称之为全局方法,它首先给每个DE M 单元赋流向,然后根据所有单元的流向产生一个全连接的、单个单元宽度的流向网络,最后根据集水区识别河流网络;对DE M 单元赋流向是根据水流向最低的物理原理,包括D8、Rho8、DE MON 以及D ∞等方法,其中最具代表性的是D8法,简单快捷,且依据水流的物理原理和水文学模型,具有重要的实用价值,本文即表述了基于该算法的一种实现;③基于局部方法和全局方法的复合方法,它是在全局径流一致性的基础上,考虑到局部地貌的特殊性而采取的一种加权方法,使提取的水系与实际河流更好地拟合。
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目录
• • • • 水流方向 汇流累积量 水流长度 河网提取
水流方向的提取
水流方向的判断 单流向法：假定一个网格中的水流只从一个 方向流出网格，然后根据该网格与周围网 格之间的高程判断水流方向。 （D8,Lea,DEMON) 多流向法：假定水流从不同的方向流出网格， 即将水流按一定的比例分散地分配给高程 较低的相邻网格。
评价： 评价：
基于流向的河网提取方法在山区应用效 果较好, 在平原地区往往会产生伪河道, 同 时会存在河网不连续的情况, 主要原因是流 向判定得不够准确
识别谷点法算法
• 1975 年，J ohnson 等［14］的做法是先对 比南北方向上的相邻网格，看是否出现V 型 剖面；再对比东西方向，若都出现V 型剖面 则定义该网格为谷点。 • 1983 年，Carroll ［15］用了相似的方法， 他除了对比东西、南北方向外，还对比了 对角线剖面，以识别谷点。
评价： 评价：因为目前DEM 的垂向分 辨率是很有限的，在DEM 中大山谷的底 部几乎是平坦的，自动识别程序不能将 其划为山谷的一部分，这样就会丢掉很 重要的地形特征信息。与此同时，这种 方法无法克服DEM 中错误数据的干扰， 并会导致山谷延伸到太高的地方，与自 然现象不符的结果。
基于流向的河网提取方法
D8法
• 原理：假定单个网格水流只有八种可能的方 向，即流入相邻八个网格中。它用最陡坡度 法来确定水流方向，坡度的计算公式 S = △Z /D, Z △Z为两个格网单元之间的高差, D为两个格 网单元中心之间的距离。 水流方向编码：
算法举例:
水流累积量
原理： 原理：基于栅格间水流流向判别，核心是计 算每个栅格点上游汇流区的面积（或者是 汇流累积的格网数）即汇流累积量。 基本思想：以规则格网表示的数字地面高程 基本思想 模型每点处有一个单位的水量，按照水流 从高处流往低处的自然规律，根据区域地 形的水流方向数据汁算每点处所流过的水 量数值，从而得到该域汇流累积量 ．
原理： 原理： 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。
基于流向的河网提取的实现
根据研究区的气候、地形等因素, 经过 反复试验确定一个阈值, 再将集水面积或水 流累积量大于或等于这个阈值的水流保留, 进而得到河网, 小于阈值的水流去除，其中 集水面积等于阈值的网格是河网的起点,集 水面积最大的点是流域的出口。阈值的大 小决定了河网提取的详细程度和精度, 阈值 越大, 则提取出的河网越粗化
算法举例
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
水流长度提取的二种两种方法： Downstream
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
Upstream
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
算法பைடு நூலகம்例
两种不同水流长度分布图
downstream方向上的水流长度
upstream方向上的水流长度
河网的提取
• 在河网提取中, 主要有2种方法, 一种是识别 谷点法, 另一种是基于流向的河网提取方法。 此外, 随着研究深入, 河网获取的方法也逐 步多样化。 • 识别谷点法： 原理：识别谷点法是通过对比所研究网格的 高程与相邻网格的高程来识别谷点