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水文分析教程

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第十一章水文分析

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。

本章主要介绍 ArcGIS 水文分析模块的应用。Arc

GIS 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。

图 11.1 ArcToolBox 中的

水

文分析模块

ArcGIS9 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

该数据进行参照联系。第 6 节主要是提供了三个使用水文分

析工具以及水文分析思想的实例。

11.1 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。

11.1.1 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，水流方向便可以其中的某一值来确定，栅格

方向编码如图 11.2 所示。

图 11.2 水流流向编码

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 的开平方根，否则距

离为 1。

ArcGIS 中的水流方向是利用 D8 算法

，也就是最大距离权落差（最大坡降法）来计算

水流方向的。具体计算步骤如下：

1. 在 ArcMap 中用左键单击 A

rcToolbox 图标，启动 ArcToolbox。

2. 打开水文分析模块。启动 ArcT

oolbox，展开 Analysis Tools 工具箱，打开 hydrology 工

具集。

3. 双击 Flow Direction 工具

，打开如图

11.3 所示水流方向（Flow Direction）

计算对话框。

（1） Input surface

data 文本框中选择输

入数据 dem。

（2） 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）在 Force all edge cells to flow

utward(Optional)前的复选框前打

钩，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。

图 11.3 水流方向 Flow Direction 计算对话框

（4） drop raster 输出。drop raster 是该栅格在其水流方向上与其临近的栅格之间的高

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