完整word版流域水文分析新.docx

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完整word版流域水文分析新

练习9

水文分析：

根据DEM提取河流网络，计算流水累积量、流向、根据指定的流域面积大小自动划分流域

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。

表面水文分析模型应用于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，对地球表面形状的理解也具有十分重要的意义。

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。

基于DEM的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基本水文分析，可以在DEM表面之上再现水流的流动过程，最终完成水文分析过程。

本节要介绍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，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。

水文分分析工具

有两种途径使用水文分析功能：

（1）通过Arctoolbox：

水文分析工具位于[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]之下

如果Hydrology工具集没有出现，可以选中某个工具箱后新建一个工具集[Hydrology]，然后右键点新建的工具集，在出现的菜单中执行[添加]>>[工具]

会出现如右图所示的对话框，将需要的水文分析工具添加到上面新建的工具集中。

（2）另一种方法是添加[Hydrology]工具栏到ArcMap中。

在ArcMap中执行菜单命令：

[工具]>>[定制]命令

点击[从文件添加]按钮

找到esrihydrology_v2.dll文件

注意：

这个文件通常是在ArcGIS的安装路径下，默认的情况是[C:

\ProgramFiles\ArcGIS\DeveloperKit\samples\SpatialAnalyst\HydrologicModeling\Visual_Basic]

[HydrologyModeling]工具条就被加载到ArcMap，在其前面的检查框上打上勾，如下图所示。

[HydrologyModeling]工具条就可以显示在ArcMap中

注意：

以下的练习基于HydrologyModeling工具

1.数据基础：

无洼地的DEM

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（如喀斯特地貌）的存在，使得DEM表面存在着一些凹陷的区域。

那么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。

在ArcMap中加载DEM数据，执行工具条[HydrologyModeling]中的菜单命令[Hydrology]>>[FillSinks]，在出现的对话框中将[InputSurface]参数指定为“DEM”

确定后得到无洼地的DEM数据：

[FilledSink1]（Fill_dem1）

2.关键步骤：

流向分析

在上一步的基础上进行，执行工具条[HydrologyModeling]中的菜单命令[Hydrology]>>[FlowDirection]，在出现的对话框中将[InputSurface]参数指定为“FilledSink1”（Fill_dem1）

确定后得到流向栅格[FlowDirection1]（FlowDir_Fill1），了解流向栅格单元的数值表示的含义是什么

3.计算流水累积量

在上一步的基础上进行，执行工具条[HydrologyModeling]中的菜单命令[Hydrology]>>[FlowAccumulation]，在出现的对话框中将[DirectionRaster]参数指定为“FlowDirection1”（FlowDir_Fill1）

确定后得到流水累积量栅格[FlowAccumulation1]（FlowAcc_Flow1）

4.提取河流网络

（1）提取河流网络栅格：

在上一步的基础上进行，打开Arctoolbox，运行工具[SpatialAnalystTools]>>[MapAlgebra地图代数]>>[单输出地图代数]

在[地图代数表达式]中输入公式：

con（FlowAccumulation1>800,1）

（或con（FlowAcc_Flow1>800,1））

[输出栅格]指定为：

StreamNet（SingleOutput1）

说明：

通过此操作将流水累积量栅格[FlowAccumulation1]中栅格单元值（流水累积量）大于800的栅格赋值为1，从而得到河流网络栅格[StreamNet]（SingleOutput1）

得到的的河流网络栅格：

StreamNet（SingleOutput1）

关闭除[Streamnet]（SingleOutput1）之外的其它图层

（2）提取河流网络矢量数据

在上一步的基础上进行，执行工具条[HydrologyModeling]中的菜单命令[Hydrology]>>[StreamNetworkAsFeature]，在出现的对话框中将[DirectionRaster]参数指定为“FlowDirection1”（FlowDir_Fill1），[AccumulationRaster]参数指定为“StreamNet”（SingleOutput1），[MinimumNumberofCellsforaStream]参数指定为1000

确定后得到河流网络矢量数据。

注意：

上图[AccumulationRaster]参数指定为“StreamNet”（SingleOutput1）。

（3）平滑处理河流网络

打开[编辑器]工具栏，执行工具栏中的命令[编辑器]>>[开始编辑]，确保目标图层为河流网络图层[Shape1],通过打开[Shape1属性表，并选择属性表的所有行选择图层[Shape1]中的所有要素，也可以通过要素选择按钮

选择图层中所有要素，执行[编辑器]工具栏中的命令[编辑器]>>[更多的编辑工具]>>[高级编辑]打开工具条：

[高级编辑]，点击其上的[平滑]按钮（下图中前头所指）：

在[平滑]处理对话框中输入参数[允许最大偏移]：

3

得到平滑后的河流网络矢量图层，执行命令:

[编辑器]>>[停止编辑]，保存所做修改。

比较平滑处理后的数据与没有进行处理过的数据。

streamlink的生成

Streamlink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。

如图11.24所示，Streamlink的每条弧段连接着两个作为出水点或汇合点的结点，或者连接着作为出水点的结点和河网起始点。

因此通过Streamlink的计算，即得到每一个河网弧段的起始点和终止点。

同样，也可以得到该汇水区域的出水点。

这些出水点具有很重要的水文作用，对于水量、水土流失等研究具有重要意义。

而且，这些出水口点的确定，也为进一步的流域分割准备了数据。

1）Streamlink基于水流方向数据和栅格河网数据计算，首先在ArcMap里将水流方向数据fdirfill和栅格河网数据streamnet（SingleOutput1）打开。

2）双击hydrology工具集中的streamlink工具，弹出如图11.25所示的streamlink计算的对话框。

在Inputstreamraster文本框中选择streamnet（SingleOutput1），在Inputflowdirectionraster文本框中选择fdirfill。

在Outputraster文本框中将输出数据名称设为StreamLink1（StreamL_Sing1）。

然后点击OK进行运算。

经过Streamlink计算之后，它将栅格河网分成不包含汇合点栅格河网片段，并将片断进行记录，在属性表中除了记录该片段的ID号之外，还记录着每个片段所包含的栅格数。

河网分级的生成streamorder

河网分级是对一个线性的河流网络进行分级别的数字标识。

在地貌学中，对河流的分级是根据河流的流量、形态等因素进行河流的分级。

而基于DEM提取的河网的分支具有一定的水文意义。

利用地表径流模拟的思想，不同的级别的河网首先是它们所代表的汇流累积量也不同，级别越高的河网，其汇流累积量也越大，那么在水文研究中，这些河网往往是主流，而那些级别较低的河网则是支流。

河网的分级同样可以研究水流的运动、汇流模式，对于水土保持等也具有重要的意义。

在ArcGIS的水文分析中，提供两种常用的河网分级方法：

Strahler分级和Shreve分级。

如图

1所示，对于Strahler分级来说，它是将所有河网弧段中没有支流河网弧段分为第1级，两个1级河网弧段汇流成的河网弧段为第2级，如此下去分别为第3级，第4级，一直到河网出水口。

在这种分级中，当且仅当同级别的两条河网弧段汇流成一条河网弧段时，该弧段级别才会增加，对于那些低级弧段汇入高级弧段的情况，高级弧段的级别不会改变，这也是比较常用的一种河网分级方法。

对于Shreve分级而言，其第1级河网的定义与Strahler分级是相同的，所不同的是以后的分级，两条1级河网弧段汇流而成的河网弧段为2级河网弧段，那么对于以后更高级别的河网弧段，其级别的定义是由其汇入河网弧段的级别之和，如图所示，当一条3级河网弧段和一条4级河网弧段汇流而成的新的河网弧段的级别就是7，那么这种河网分级到最后出水口的位置时，其河网的级别数刚好是该河网中所有的1级河网弧段的个数。

在ArcGIS中对河网分级的步骤如下：

同Streamlink的计算一样，首先在ArcMap里将水流方向数据fdirfill和栅格河网数据streamnet打开。

双击hydrology工具集中的streamorder工具，弹出streamorder计算的对话框。

在Inputstreamraster文本框中选择streamnet，在Inputflowdirectionraster文本框中选择fdirfill。

分别用Strahler分级和Shreve分级对河网进行分级，改输出数据名称分别设为Streamostr和Streamoshr，单击OK完成。

计算出的两种河网分级分别如图11.28和图11.29所示。

对于streamtofeature工具将其转化成矢量数据进行进一步的研究和分析。

5．流域分析

流域又称集水区域，是指流经其中的水流和其它物质从一个公共的出水口排出从而形成一个集中的排水区域，如图11.30所示。

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（contributingarea）。

Watershed数据显示了区域内每个流域汇水面积的大小。

汇水面积是指从某个出水口（或点）流出的河流的总面积。

出水口（或点）即流域内水流的出口，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面积就是流域面积。

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，而每一个水道都有自己的特征，自己的汇水范围，即自己的流域面积，较大的流域往往是由若干较小的流域所联合组成的。

流域盆地的确定

流域盆地是由分水岭分割而成的汇水区域。

它通过对水流方向数据的分析确定出所有相互连接并处于同一流域盆地的栅格。

流域盆地的确定首先是要确定分析窗口边缘的出水口的位置，也就是说，在进行流域盆地的划分中，所有的流域盆地的出水口均处于分析窗口的边缘。

当确定了出水口的位置之后，其流域盆地集水区的确定类同于洼地贡献区域的确定，也就是找出所有流入出水口的上游栅格的位置。

在ArcGIS中，流域盆地的计算是利用hydrology工具集中的basin工具来进行计算的。

1.双击hydrology工具集中的basin工具，打开流域盆地计算的对话框。

如图11.31所示。

2.输入数据为水流方向数据fdirfill，设置输出数据文件名为basin。

3.点击OK完成。

为了使计算结果更容易理解，可以将上一节计算出的矢量河网数据在同一个窗口中打开，进行辅助分析。

如图11.32所示。

所有的流域盆地的出口都在研究区域的边界上，利用流域盆地分析，可以从很大的一

个研究区域中选择感兴趣的流域并将该流域从整个研究区域分割出来进行单独的分析。

汇水区出水口的确定

经过上一步得到的流域盆地是一个比较大的流域盆地，在很多的水文分析中，还需要基于更小的流域单元进行分析，那么就需要将这些流域从大的流域中分解出来，那么就需要进行流域的分割。

而流域的分割首先是要确定小级别的流域的出水口的位置，小级别的流域出水口的位置可以用spatialanalysistools工具箱下的hydrology工具集中的snappourpoint的工具寻找。

它的思想是利用一个记录着point点栅格数据，在这个数据层中，那些属性值存在的点作为潜在的出水点，在该点位置上在指定距离内在汇流累积量的数据层上搜索那些具有较高汇流累积量栅格点的位置，这些搜索到的栅格点就是小级别的流域的出

水点。

也可以利用已有的出水点的矢量数据。

如果没有出水点的栅格或矢量数据,可以用已有河网数据进一步生成的streamlink数据作为汇水区的出水口数据。

因为streamlink数据中隐含着河网中每一条河网弧段的联结信息，包括弧段的起点和终点等，相对而言，弧段的终点就是该汇水区域的出水口所在位置。

集水流域的生成

对于低级的集水区的生成，可以使用hydrology工具集中的watershed工具生成。

其思想如下：

先确定一个出水点，也就是该集水区的最低点，然后结合水流方向数据，分析搜索出该出水点上游所有流过该出水口的栅格，直到所有的该集水区的栅格都确定了位置，也就是搜索到流域的边界，分水岭的位置。

1.首先在ArcMap中打开水流方向数据fdirfill和流域出口点数据streamlink，因为集水流域的计算需要流域出口点的位置数据和水流方向数据。

水流方向数据使用基于无洼地DEM计算出的fdirfill数据。

对于流域出口点数据，可以使用计算出的streamlink数据，因为在它的属性中具有每条河网弧段信息，而这些河网弧段的形成则是有其附近的栅格构成的贡献区域的汇流结果，这个贡献区域也就是该河网弧段的集水区域。

2.双击hydrology工具集中的watershed工具，打开集水区域（贡献区域）计算的对话框。

分别在水流方向数据和出水口数据输入的文本框中选择fdirfill和streamlink数据，在输出数据中将输出的文件名改为watershed。

3.点击OK，进行集水区域的计算，计算结果如图所示，为了更好的表现流域的分割效果，在此窗口中还将上面计算的流域盆地和矢量河网的数据打开，从结果中可以知道，通过streamlink作为流域的出水口数据所得到的集水区域是每一条河网弧段集水区域，也就是要研究的最小沟谷的集水区域，它将一个大的流域盆地按照河网弧段将其分为一个个的小的集水盆地。

打开[空间分析]工具栏，执行命令:

[视图]>>[工具栏]>>[空间分析]>>[转换]>>[栅格到要素]将流域栅格转换成为矢量图层，按下图所示指定参数：

得到矢量数据：

[WaterShed.shp]

设置图层[Watershed]属性[符号]后得到类似上图的效果

重复以上操作步骤并将[MinimumNumberofCellsforaStream]参数指定为10000，看看结果是否有所不同。

6.其它应用--降水分析（选做）

执行命令[Hydrology]>>[InteractiveProperties]

选中“RainDrop”按钮，（如下图红色前头所指），在DEM上任意位置点击（表示这里有降雨），则显示一条路径表示此处的降水的最终流向

注：

按照上面提示，不一定能找到水文分析工具条，因为没有安装ArcGISEngine9.3DeveloperKit，可以在arcgis9.3安装文件夹下安装SDK_VB6。

然后在windows资源管理器里面按照上面说的文件夹找到最后一个（sample为sampleCOM），把压缩包解开到本地文件夹。

然后再按照上面的提示添加就行了。

如果不先解压缩，按照上面提示还是找不到。