ARCGIS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。
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
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水文分析
水文分析是DEM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ICI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ICI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DEM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ICI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ArcGIS水文分析模块的应用。
ArcGIS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ArcGIS水文分析土具从DEM数据上获取更多的水文信息。
ArcGIS9将水文分析中的地表水流过程集合到ArcToolbox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
DEM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DEM表ICI存在着一些}u}陷的区域。
那么这些区域在进行地表水流模拟时一，由十低高程栅格的存在，从而使得在进行水流流向不}一算时一在该区域的得到不合理的或错误的水流方向，因此，在进行水流方向的不}一算之前，应该首先对原始DEM数据进行汁地填充，得到无洼地的DEMO 水流方向是指水流离开何一个栅格单儿时一的指向。
在ArcGIS个邻域栅格编码，水流方向便可以其中的某一值来确定，栅格方向编码例如:如果中心栅格的水流流向I，边，则其水流方向被赋中通过将中心栅格的8值为160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，此时一须将数个方向值相加，这样在后续处理中从相加结果便可以确定相加时一中心栅格的邻域栅格状己。
1.2水流流向编码
水流的流向是通过不}一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的开平方根，否则距离为1。
1.1.2洼地计算
注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注地，然后再对注地进行填充。
有一点必须清楚的是，并不是所有的注地区域都是由十数
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
注地深度，判断哪些地区是由十数据误差造成的注地而哪些地区又是真实的地表形态，然后在进行注地填充的过程中，设置合理的
填充值。
1.1.3洼地填充
汁地填充是无汁地DEM生成的最后一个步骤。
在通过汁地不}一算之后，知道了原始的DEM上是否存在着汁地，如果没有存在着汁地，那么原始DEM数据就直接可以用来进行以后的河网的生成、流域的分割等。
而汁地深度的不l一算又为在填充汁地时一设置填充闽值提
供了很好的参考。
洼地填充的过程是一个反复的过程。
当一个汁地区域被填平之后，这个区域与附近区域再进行汁地不}一算，可能有会形成新的汁地，所以呢，汁地填充是一个不断反复的过程，直到最后所有的汁地都被填平，新的汁地不再产生为止。
因此，当数据量很大时一，这个过
程会持续一段时间。
1.2汇流累积量
在地表径流模拟过程中，汇流祟积量是基十水流方向数据不}一算而来的。
对何
汇流祟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一个栅格来说，其
流经过该栅格，汇流祟积的数值越大，该区域越易形成地表径流。
由水流方向数据到汇流祟积量不}一算的过
程.
1.3水流长度
水流长度通常是指在地iai上一点沿水流方向到其流向起点(终点)间的最大地}a}距离在水平iai上的投影长度。
水流长度是水土保持上的币要因子之一，当
其他条件相同时一，水力侵蚀的张度依据坡的长度来决定，坡iai越长，汇聚的流量越大，其侵蚀力就越张，水流
长度直接影响地iai径流的速度，从而影响对地iai土壤的侵蚀力。
因此，对十水流长度的提取和分析，在水土保持土作中有很币要的作用。
目前水流长度的提取方式卞要有两种，一种是顺流}I-算，一种是朔流}I-算。
顺流上何一点沿水流方向到该点所在流域出水i最大地距离的水平投影;朔流不}一算者一是不}一算地n 上何一点沿水流方向到其流向起点间的最大地}自}距离的水平投影。
1.4河网的提取
基十DEM的水文分析，其中一个目的就是以DEM数据为基础，经过一些}I-算和处理而得到地表的水流网络。
目前常用的河网提取方法是采用地表径流漫流模型不}一算:首先是在无汁地DEM上利用最大坡降的方法得到何一个栅格的水流方向;然后利用水流方向栅格数据不l一算出何一个栅格在水流方向上祟积的栅格数，即汇流祟积量，所得到的汇流祟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;假设何一个栅格处携带一份水流，那么栅格的汇流祟积量则代表着该栅格的水流量。
基十上述思想，当汇流量达到一定值的时一候，就会产生地表水流，那么所有那些汇流量大十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。
1.5流域的分割
流域又称集水区域，是指流经其中的水流和其’已物质从一个公共的出水!}排出从而形成一个集中的排水区域。
用来描述流域还有例如:流域盆地(basin ),集水盆地(catchment)或水流区域(contributing area)o Watershed数据显T了区域内何个流汇水ICI积的大小。
汇水ICI积是指从某个出水!I(或点)流出的河流的总ICI积。
出水点即流域内水流的出II，是整个流域的最低处。
流域间的分界线即为分水岭。
分水线包围的区域称为一条河流或水系的流域，流域分水线所包围的区域}自}积就是流域面积。
即流域是指一条河流或水系的集水区域，河流从这个集水区域获得水量的补给。
任何一个天然的河网，都是由大小不等的、各种各样的水道所联合组成的，而何一个水道都有自己的特征，自己的汇水范围，即自己的流域ICI积，较大的流域往往是由若干较小的流域所联合组成的。