水文分析系统怎么下手
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发布时间：2022-04-30 01:44
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时间：2022-06-28 07:38
水文分析是
DEM
数据应用的一个重要方面。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主要输入数据。
表面水文分析模型研究与地表水流有关的各
种自然现象例如洪水水位及泛滥情况，
划定受污染源影响的地区，
预测当某一地区的地貌改
变时对整个地区将造成的影响等。
基于
DEM
地表水文分析的主要内容是利用水文分析工具提取地表水流径流模型的水流
方向、汇流累积量、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。
通过对这些基本水文因子的提取和分析，
可再现水
流的流动过程，最终完成水文分析过程。
本章主要介绍
ArcGIS
水文分析模块的应用。
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，
有助于了解排水系统和地表水
流过程的一些基本概念和关键过程。
ArcGIS
将水文分析中的地表水流过程集合到
ArcToolbox
里，如图
11.1
所示。主要包括水流的地表模拟过程中的水流
方向确定、
洼地填平、
水流累计矩阵的生成、
沟谷网络的生成
以及流域的分割等。
本章
1
至
5
节主要是依据水文分析中的水文因子的提取过
程对
ArcGIS
中的水文分析工具逐一介绍。文中所用的
DEM
数据在光盘中
chp11
文件夹下的
tutor
文件夹里面，每个计算
过程以及每一节所产生的数据存放在
tutor
文件夹的
result
文件
夹里面，
文件名与书中所命名相同，
读者可以利用该数据进行
参照练习。本章最后一节还提供了三个水文分析应用的实例。
9.1
无洼地
DEM
生成
DEM
一般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，
使得在进行水流流向计算时在该区域得到不合理的或
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
。
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，
然后计算
出这些的洼地区域的洼地深度，最后以这些洼地深度为参考而设定填充阈值进行洼地填充。
9.1.1
水流方向提取
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，
水流方向便可由其中的某一值来确定，
图
11.2
水流流向编码
图
11.1 ArcToolBox
中的
水文分析模块
栅格方向编码如图
11.2
所示。
例如：如果中心栅格的水流流向左边，则其水流方向被赋值为
16
。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，
此时需将数个方向值相加，
这样在后
续处理中从相加结果便可以确定相加时中心栅格的邻域栅格状况。
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。
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
倍的栅格大小，否则距离
为
1
。
ArcGIS
中的水流方向是利用
D8
算法（最大距离权落差）来计算水流方向的。具体计
算步骤如下：
1.
在
ArcMap
中单击
ArcToolbox
图标，启动
ArcToolbox
；
2.
展开
Spatial Analysis Tools
工具箱，打开
Hydrology
工具集；
3.
双击
Flow Direction
工具，弹出（如图
11.3
所示）水流方向（
Flow Direction
）
计算对话框；
（
1
）
I
nput surface data
文本框中选择输入的
DEM
数据：
dem
。
（
2
）
在
Output flow direction raster
文本框中
命名计算出来的水流方向文件名为
flowdir
，并选择保存路径；
（
3
）
若
选
中
Force
all
edge
cells
to
flow
outward(Optional)
前的复选框，指所有
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。这一步为可选步骤；
（
4
）
输
出
drop
raster
。
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；
（
5
）
单
击
OK
按钮，完成操作。按钮，完成操作。计算出的水流方向数据结果如图
11.4
所
示。
图
11.3
水流方向
Flow Direction
计算对话框
9.1.2
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，
然后对
洼地填充。
但是，
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，
然后在洼地填充的过程中，
设置合理的填
充阈值。
1.
洼地提取
（
1
）
双
击
Hydrology
工具集中的
Sink
工具，
弹出洼地计算对话框，如图
11.5
所示；
（
2
）
在
Input flow direction raster
文本框中，
选择水流方向数据
flowdir
；
（
3
）
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
；
图
11.4
利用
Flow Direction
工具计算出来的水流方向图
图
11.5
洼地计算对话框
（
4
）
单
击
OK
按钮，完成操作。计算结果如图
11.6
所示，深色的区域是洼地。
2.
洼地深度计算
（
1
）
双
击
Hydrology
工具集中的
Watershed
工具，弹出流域计算对话框，如图
11.7
所示，
它用来计算洼地的贡献区域；
（
2
）
在
Input flow direction raster
文本框中
选择水流方向数据
flowdir
，在
Input
raster or feature pour point
文本框中选
择洼地数据
sink
，在
pour
point
field
文本框中选择
value
；
（
3
）
在
Output
raster
文本框中设置输出数
据的名称为
watershsink
；
（
4
）
单
击
OK
按钮，完成操作。计算出的
洼地贡献区域如图
11.8
所示；
图
11.7
洼地贡献区域计算对话窗口（
watershed
）
图
11.6
计算出来的洼地区域
（
5
）
计
算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程；
1
）
打开
Spatial Analysis Tools
工具箱中
Zonal
工具集，双击
Zonal Statistic
工具，弹出
如图
11.9
所示的分区统计对话框；
2
）
在
Input raster or feature zonal data
文本框中，选择洼地贡献区域数据
watershsink
；
3
）
在
Input value raster
文本框中选择
dem
作为
value raster
；
4
）
在
Output raster
文本框中将输出数
据文件命名为
zonalmin
，存放路径
保持不变；
5
）
在统计类型选择的下拉菜单中选
择最小值（
MINIMUM
）作为统计
类型；
6
）
单击
OK
按钮，完成操作。
（
6
）
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；
1
）
打开
Spatial Analysis Tools
工具箱中
Zonal
工具集，双击
Zonal Fill
工具，弹出如图
11.10
所示的
Zone Fill
对话框；
2
）
在
Input zone raster
文本框中选择
watershsink
，在
Input weight raster
文本框中选择
dem
，在
Output raster
文本框中将输出数据命名改为
zonalmax
；
3
）
单击
OK
按钮，完成操作。
（
7
）
计
算洼地深度。
图
11.8
计算出来的洼地贡献区域
图
11.9
分区统计对话框
