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水文分析通过建立地表水文模型，研究与地表水流相关的各种自然现象，在城市和区域规划、农业及森林、交通道路等许多领域具有广泛的应用。 ArcGIS水文分析工具旨在建立地表水的运动模型，辅助分析地表水流从哪里产生、流向何处，再现水流的流动过程。 本章主要内容： 14.1 基本概念 14.2 水文分析 14.2.1 流向分析 14.2.2 计算水流长度 14.2.3 汇流分析 14.2.4 河网分析 14.2.5 流域分析 14.3 Arc Hydro Tools简介 14.4 基于Arc Hydro Tools的水文分析实例 14.1基本概念 14.1.1 流域 流域又称集水区域，是指流经其中的水流和其他物质从一个公共的出水口排出而形成的一个集中的排水区域。 流域盆地、集水盆地或水流区域等可以用来描述流域。 分水岭表征区域内每个流域汇水区域的大小。整个流域的最低处是流域内水流的出口，即出水口（或点）。 流域间的分界线即为分水岭边界。 14.1.２分析流程 描绘分水岭或定义河流网络时，需要按照一定的步骤进行操作。 有些步骤是必需的，有的则属于可选择步骤，这取决于输入数据的特征。
12.2 水文分析 14.2.1 流向分析 １、流向计算方法 流向判定大都建立在3X3的DEM格网基础上，有单流向法和多流向法之分。ArcGIS10的流向工具是用单流向法中的“D8”方法。 “D8”方法是假定单个栅格中的水流只能流入与之相邻的8个栅格中，在3X3的DEM栅格上，计算中心栅格与各相邻栅格的距离权落差，取距离权落差最大的栅格为中心栅格的流出栅格，该方向即为中心栅格的流向。
2、原始DEM流向分析 步骤: ☞启动ArcToolbox，展开Spatial Analyst工具，选择水文分析，点击流向按钮，弹出流向对话框。 ☞加载相关数据，点击确定。
3、洼地判定 一般在计算汇流累积量之前，要先对流向栅格进行洼地判断。因为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，然后再对洼地进行填充。 利用水文分析工具中的【汇】工具来识别汇。汇的泡面图如下： 填洼前后的汇泡面图 洼地判定及填洼操作： ☞提取洼地。 ☞计算洼地贡献区域。 ☞计算洼地区域的最低高程。 ☞计算洼地区域的最高高程。 ☞计算洼地深度。 4、填充洼地 具体步骤： 1)在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst 工具】→【水文分析】→【填洼】。 2)输入【输入表面栅格数据】（位于'...\chp14\Hydrology\data'),指定【输出表面栅格】的保存路径和名称。 3)点击确定按钮。 洼地填充是一个反复的过程。当一个洼地区域被填平之后，这个区域与附近区域再进行洼地计算，可能会形成新的洼地，所以，洼地填充是一个不断反复的过程，直到所有的洼地都被填平，新的洼地不再产生为止。因此，当数据量很大时，这个过程会持续一段时间。 5、无洼地DEM流向分析 DEM洼地被填充后即对无洼地DEM进行流向分析。具体步操作骤如下： ☞启动ArcToolbox，展开Spatial Analyst工具，选择水文分析，点击流向按钮，弹出流向对话框。 ☞加载相关数据，点击确定。
14.2.2 计算水流长度 水流长度是指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。 计算水流长度的具体操作步骤如下： ☞启动ArcToolbox，展开Spatial Analyst工具，选择水文分析，点击水流长度按钮，弹出水流长度对话框。 ☞加载相关数据，点击确定。（对测量方向不同的选择，结果是不同的）
14.2.3 汇流分析 汇流分析的主要目的是确定水流的路径。 汇流分析的基本思想是以规则格网表示的DEM每点处有一个单位的水量，按照自然水流从高处流向低处的规律，根据区域的流向栅格计算每点所流过的水量值，便得到了区域的汇流栅格（汇流累积量）。 汇流分析的具体操作步骤如下： ☞启动ArcToolbox，展开Spatial Analyst工具，选择水文分析，点流量按钮，弹出流量对话框。 ☞加载相关数据，点击确定。
14.2.4 河网分析 １、生成河网 河网即河流网络，常用的河网提取方法是采用地表径流漫流模型计算。 河网的生成是基于汇流累计矩阵的，可以利用ArcToolbox中的 Spatial Analyst工具进行河网提取。在提取过程中一定要注意阈值的 设定，不同的阈值直接影响到提取的结果，阈值的设定一定要遵 循科学、合理的原则。 提取河网后，要对栅格河网进行矢量化。
2、平滑河网 1）伪沟谷的删除，由于基于DEM的河网提取采用最大坡度法，在平地区域（如谷底等）的水流方向是随机的，易生成平行状的河流等错误形状（伪沟谷）。就需要手工进行删除，另外研究区域边缘很短的沟谷也需要删除。 2）平滑处理河流网络，操作流程如下：
加载编辑器工具条。
启动编辑器开始编辑。
在工具条中加载高级编辑工具条。
在高级编辑工具条中单击平滑按钮，输入允许最大偏移参数，点击确定。
3、生成河流连接 河流连接计算是在水流方向数据和栅格河网数据基础上进行的，具体操作如下： ☞启动ArcToolbox，展开Spatial Analyst工具，选择水文分析，点击河流连接，弹出河流连接对话框。 ☞加载相关数据，点击确定。 ☞查看河流连接的属性表。
4、河网分级 河网分级是一种将级别数分配给河流网络中的连接线的方法，此级别是一种根据支流数对河流类型进行识别和分类的方法。仅需知道河流的级别，即可推断出河流的某些特征。 河网分级方法分为Strahler法和Shreve法，这两种方法始终将1级分配给上游河段。
两种河网分级方法 利用ArcMap对所提取的河网分别用Strahler和Shreve河网分级方法进行河网分级，结果如下：
Strahler分级结果
14.2.5 流域分析 1、盆域分析 流域盆地是由分水岭分割而成的汇水区域，它通过分析水流方向数据确定所有相互连接并处于同一流域盆地的栅格。 盆域分析的操作步骤如下： ☞启动ArcToolbox，展开Spatial Analyst工具，选择水文分析，点击盆域分析，弹出盆域分析对话框。 ☞加载相关数据，点击确定。
2、生成分水岭 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，这就需要进行流域的分割。 生成分水岭的操作步骤： ☞启动ArcToolbox，展开Spatial Analyst工具，选择水文分析，点击分水岭，弹出分水岭对话框。 ☞加载相关数据，倾泻点字段设置为VALUE，点击确定。
【分水岭】对话框
14.3 Arc Hydro Tools简介 Arc Hydro Tools是一种水文时空序列数据模型。它是一种面向对象的地理数据模型，它将要素、空间单元、水文联系等作为对象，表达流域系统的结构，组织不同对象的属性特征，实现最接近流域现实的表达，集成了流域要素状态的时间序列，是一个时空地理数据模型。 利用Arc Hydro Tools进行水系提取的过程如下：首先对DEM预处理，包括平滑处理和填洼处理，填洼方法采用的是先填平后垫高的方法，流向计算用的是'D8'方法；然后算出栅格的上游集水面积，提取水系。 Arc Hydro Tools基本工具条如下图：
Arc Hydro Tools工具条 在水系提取时，常用到地形处理、流域处理和网络工具等工具。 14.4 基于Arc Hydro Tools的水文分析实例 14.4.1 背景 基本的水文分析主要包括流向分析、汇流分析、流域分析等，这些分析可以从DEM数据中提取出流域的基本特征参数。水文分析在城市、区域规划、农业等许多领域都有广泛的应用。 14.4.2 目的 旨在熟练掌握利用Arc Hydro Tools进行水文分析的一般流程。通过操作比较Arc Hydro Tools与ArcGIS10水文分析工具的异同。 14.4.3 数据 数据来源于本书随书携带的光盘。 14.4.4 任务 1）计算实验区DEM的水流方向、汇流累积量，定义水流，进行水流分割，划定集水多边形，处理集水多边形、排水路线、伴随集水区和排水点，并创建集水栅格。 2）根据任意给定的兴趣点进行流域和子流域的划分，并追踪水流路径。 14.4.5 操作步骤 1、设置目标路径 2、地形预处理
1）DEM校正
2）填洼
3) 计算流向
4) 汇流累积量
5) 定义水流
6) 水流分割
7) 流域栅格划定
8) 集水多边形处理
9) 排水路线处理
10) 伴随集水处理
11) 排水点处理
3、流域分析 1) 批量流域划分
2) 点划分
3) 批量划分子流域
4) 水流路径跟踪
温馨提示：关注GeoTalks后,依次点击“精彩文章”→“地信”→“软件”菜单，即可阅读《ArcGIS10 地理信息系统教程：从初学到精通》以前章节的课件。祝各位学习愉快！ 牟乃夏老师简介
为使全国的GIS学子更快更好的掌握GIS基本技能，他组织团队经过两年多的时间精心编写了《ArcGIS10地理信息系统教程：从初学到精通》《ArcGIS Engine地理信息系统开发教程：基于C#.NET》两本教材，深受广大学子喜爱，已成为学习GIS的必备工具书。同时为了推广GIS、传授GIS，他还开设了博客、微博，QQ群等，进行GIS知识的传播和交流，由于他为GIS教学与推广做出的贡献，2015年被CPGIS（全球海外华人地理联合会）授予杰出教育奖。 图书简介
《ArcGIS10地理信息系统教程：从初学到精通》一书2012年9月由测绘出版出版（截至2016年2月已经印刷9次），销量长期位于同类图书的榜首。目前已被全国60余所高校采纳为相关课程的教材或者参考书。该书内容翔实、深入浅出、通俗易懂，层次合理，初学者能够很快入门，对ArcGIS已经熟悉的读者来讲，也是一本必备的案头书。 该书是作者在总结多年GIS教学与科研工作的基础上，充分考虑本科生、研究生的知识结构、操作水平及生产单位的实际需求编写而成的。内容包括：ArcGIS10基础，ArcGIS10快速入门，空间数据库，空间数据的采集、编辑与拓扑处理，空间投影与变换，空间数据可视化，地图制图，矢量与栅格数据的空间分析，网络分析，三维分析，水文分析，地统计分析等。特别的，针对Esri杯中国大学生GIS软件开发大赛而设计了ModelBuilder与空间建模一章，并提供了两个获奖实例，供读者参考。本书配有大量具有实际背景的应用实例及其详细的操作步骤，随书光盘中包含所有实例的数据，供读者练习。 本书强调新颖性、实用性、技巧性、全面性和实战性，注重理论与实践的结合。既可作为高等学校地理信息系统、测绘工程、遥感科学与技术、地理科学、城市规划、土地资源管理、市政工程、交通运输、环境保护、地质工程等相关专业的本科生、研究生的理论课教材和实验指导书，也可作为相关部门的研究人员、管理人员和技术人员的参考用书。 |
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