空间分析之水文分析

空间分析之水文分析

一、目的与要求：

1.学习目的

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。

通过本次学习应达到以下目的：

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.学习要求

①了解水文分析工具

② DEM的预处理：填洼

③流向分析

④计算流水累积量

⑤计算水流长度

⑥提取河流网络

⑦流域分析（盆域、分水岭）

二、水文分析基本操作步骤

1.填充洼地

对原始DEM数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM：

在【ArcToolbox】中，双击【SpatialAnalyst工具】→【水文分析】→【填洼】，弹出“填洼”对话框，如下图：

点击确定，得无洼地的DEM【fill_dem】，结果图如下：

2.流向分析

在上一步的基础上进行，在【ArcToolbox】中，双击【SpatialAnalyst 工具】→【水文分析】→【流向】，按下图所示指定各参数：

点击确定，得到无洼地DEM生成的水流方向栅格【Flowdir_dem】，

注意：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。

3.计算汇流累积量

在上一步的基础上进行，在【ArcToolbox】中，双击【SpatialAnalyst 工具】→【水文分析】→【流量】，按下图所示指定各参数：

确定后执行完成得到汇流累积量栅格【flow_acc】,如图：

4.提取河流网络

在上一步的基础上进行，打开【Arctoolbox】，双击【Spatial Analyst 工具】→【地图代数】→【栅格计算器】，在【地图代数表达式】中输入公式：Con(“flow_acc”>800,1)，【输出栅格】指定为:【StreamNet】如图：

确定，生成河网【StreamNet】，如下图所示：

5.计算水流长度

在【ArcToolbox】中，双击【SpatialAnalyst工具】→【水文分析】→【水流长度】，打开【水流长度】对话框，如下图

PS.水流长度的提供的计算方法有两种，一种是顺流计算（Downstream），一种是溯流计算（Upstream）。Downstream记录沿着水流方向到下流流域出水口中最长距离所流经的栅格数，Upstream 则记录沿着水流方向到上游栅格的最长距离的栅格数。两种方法得到的水流长度结果如下图所示：

【down_len】：

【up_len】：

6.栅格河网矢量化

在步骤4的基础上进行，打开【Arctoolbox】工具箱，运行工具【SpatialAnalyst 工具】→【水文分析】→【栅格河网矢量化】，打开对话框：

输入相应数据，确定得到河流网络矢量数据，如图

接着,平滑处理河流网络，点击【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，

在[平滑]处理对话框中输入参数【允许最大偏移】为4，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。

7.流域分析

①盆与分析

打开【Arctoolbox】，点击【Spatial Analyst工具】→【水文分析】→【盆域分析】，如图：

确定，得到下图【baisin_flowdir】：

同前面河流转化为矢量图层的操作步骤，也将将流域栅格转换成为矢量图层，叠加河流矢量图层后，如图：

②生成分水岭

首先，生成河流连接streamlink。

打开【Arctoolbox】，点击【Spatial Analyst工具】→【水文分析】→【河流连接】，打开对话框，输入前面步骤生成的河网栅格数据和水流方向栅格数据，如下图：

点击确定，完成河流连接计算。同样利用【栅格河网矢量化】工具转换为矢量数

据查看属性，转换后如下图所示：

打开【Arctoolbox】，点击【Spatial Analyst工具】→【水文分析】→【分水岭】，打开分水岭对话框，按下图所示指定各参数：

点击确定，得到分水岭计算结果【watershed】，如下图所示：

PS.水文分析关键术语一览

盆域分析（Basin）：创建描绘所有流域盆地的栅格。

填洼（Fill）：通过填充表面栅格中的汇来移除数据中的小缺陷。

流量（Flow Accumulation）：创建每个像元累积流量的栅格。可选择性应用权重系数。

流向（Flow Direction）：创建从每个像元到其最陡下坡相邻点的流向的栅格。

水流长度（Flow length）：计算沿每个像元的流路径的上游（或下游）距离或加权距离。汇（Sink）：创建识别所有汇或内流水系区域的栅格。

捕捉倾泻点（Snap pour point）：将倾泻点捕捉到指定范围内累积流量最大的像元。

河流连接（Stream link）：向各交汇点之间的栅格线状网络的各部分分配唯一值。

河网分级（Stream Order）：为表示线状网络分支的栅格线段指定数值顺序。

栅格河网矢量化（Stream to Feature）：将表示线状网络的栅格转换为表示线状网络的要素。

分水岭（Watershed）：确定栅格中一组像元之上的汇流区域。