水文分析通過建立地表水文模型，研究與地表水流相關的各種自然現象，在城市和區域規劃、農業及森林、交通道路等許多領域具有廣泛的應用。
ArcGIS水文分析工具旨在建立地表水的運動模型，輔助分析地表水流從哪里產生、流向何處，再現水流的流動過程。
本章主要內容：
14.1 基本概念
14.2 水文分析
14.2.1 流向分析
14.2.2 計算水流長度
14.2.3 匯流分析
14.2.4 河網分析
14.2.5 流域分析
14.3 Arc Hydro Tools簡介
14.4 基于Arc Hydro Tools的水文分析實例
14.1基本概念
14.1.1 流域
流域又稱集水區域，是指流經其中的水流和其他物質從一個公共的出水口排出而形成的一個集中的排水區域。
流域盆地、集水盆地或水流區域等可以用來描述流域。
分水嶺表征區域內每個流域匯水區域的大小。整個流域的最低處是流域內水流的出口，即出水口（或點）。
流域間的分界線即為分水嶺邊界。
14.1.２分析流程
描繪分水嶺或定義河流網絡時，需要按照一定的步驟進行操作。
有些步驟是必需的，有的則屬于可選擇步驟，這取決于輸入數據的特征。
徑流特征獲取流程
12.2 水文分析
14.2.1 流向分析
１、流向計算方法
流向判定大都建立在3X3的DEM格網基礎上，有單流向法和多流向法之分。ArcGIS10的流向工具是用單流向法中的“D8”方法。
“D8”方法是假定單個柵格中的水流只能流入與之相鄰的8個柵格中，在3X3的DEM柵格上，計算中心柵格與各相鄰柵格的距離權落差，取距離權落差最大的柵格為中心柵格的流出柵格，該方向即為中心柵格的流向。
流向分析原理
水流流向編碼
2、原始DEM流向分析
步驟:
?啟動ArcToolbox，展開Spatial Analyst工具，選擇水文分析，點擊流向按鈕，彈出流向對話框。
?加載相關數據，點擊確定。
3、洼地判定
一般在計算匯流累積量之前，要先對流向柵格進行洼地判斷。因為洼地區域是水流方向不合理的地方，可以通過水流方向來判斷哪些地方是洼地，然后再對洼地進行填充。
利用水文分析工具中的【匯】工具來識別匯。匯的泡面圖如下：
填洼前后的匯泡面圖
洼地判定及填洼操作：
?提取洼地。
?計算洼地貢獻區域。
?計算洼地區域的最低高程。
?計算洼地區域的最高高程。
?計算洼地深度。
4、填充洼地
具體步驟：
1)在ArcToolbox中雙擊【Spatial Analyst 工具】→【水文分析】→【填洼】。
2)輸入【輸入表面柵格數據】（位于'...\chp14\Hydrology\data'),指定【輸出表面柵格】的保存路徑和名稱。
3)點擊確定按鈕。
洼地填充是一個反復的過程。當一個洼地區域被填平之后，這個區域與附近區域再進行洼地計算，可能會形成新的洼地，所以，洼地填充是一個不斷反復的過程，直到所有的洼地都被填平，新的洼地不再產生為止。因此，當數據量很大時，這個過程會持續一段時間。
5、無洼地DEM流向分析
DEM洼地被填充后即對無洼地DEM進行流向分析。具體步操作驟如下：
?啟動ArcToolbox，展開Spatial Analyst工具，選擇水文分析，點擊流向按鈕，彈出流向對話框。
?加載相關數據，點擊確定。
14.2.2 計算水流長度
水流長度是指地面上一點沿水流方向到其流向起點（終點）間的最大地面距離在水平面上的投影長度。
計算水流長度的具體操作步驟如下：
?啟動ArcToolbox，展開Spatial Analyst工具，選擇水文分析，點擊水流長度按鈕，彈出水流長度對話框。
?加載相關數據，點擊確定。（對測量方向不同的選擇，結果是不同的）
14.2.3 匯流分析
匯流分析的主要目的是確定水流的路徑。
匯流分析的基本思想是以規則格網表示的DEM每點處有一個單位的水量，按照自然水流從高處流向低處的規律，根據區域的流向柵格計算每點所流過的水量值，便得到了區域的匯流柵格（匯流累積量）。
匯流分析的具體操作步驟如下：
?啟動ArcToolbox，展開Spatial Analyst工具，選擇水文分析，點流量按鈕，彈出流量對話框。
?加載相關數據，點擊確定。
14.2.4 河網分析
１、生成河網
河網即河流網絡，常用的河網提取方法是采用地表徑流漫流模型計算。
河網的生成是基于匯流累計矩陣的，可以利用ArcToolbox中的
Spatial Analyst工具進行河網提取。在提取過程中一定要注意閾值的
設定，不同的閾值直接影響到提取的結果，閾值的設定一定要遵
循科學、合理的原則。
提取河網后，要對柵格河網進行矢量化。
河流網絡提取結果
2、平滑河網
1）偽溝谷的刪除，由于基于DEM的河網提取采用最大坡度法，在平地區域（如谷底等）的水流方向是隨機的，易生成平行狀的河流等錯誤形狀（偽溝谷）。就需要手工進行刪除，另外研究區域邊緣很短的溝谷也需要刪除。
2）平滑處理河流網絡，操作流程如下：
加載編輯器工具條。
啟動編輯器開始編輯。
在工具條中加載高級編輯工具條。
在高級編輯工具條中單擊平滑按鈕，輸入允許最大偏移參數，點擊確定。
3、生成河流連接
河流連接計算是在水流方向數據和柵格河網數據基礎上進行的，具體操作如下：
?啟動ArcToolbox，展開Spatial Analyst工具，選擇水文分析，點擊河流連接，彈出河流連接對話框。
?加載相關數據，點擊確定。
?查看河流連接的屬性表。
4、河網分級
河網分級是一種將級別數分配給河流網絡中的連接線的方法，此級別是一種根據支流數對河流類型進行識別和分類的方法。僅需知道河流的級別，即可推斷出河流的某些特征。
河網分級方法分為Strahler法和Shreve法，這兩種方法始終將1級分配給上游河段。
兩種河網分級方法
利用ArcMap對所提取的河網分別用Strahler和Shreve河網分級方法進行河網分級，結果如下：
Strahler分級結果
14.2.5 流域分析
1、盆域分析
流域盆地是由分水嶺分割而成的匯水區域，它通過分析水流方向數據確定所有相互連接并處于同一流域盆地的柵格。
盆域分析的操作步驟如下：
?啟動ArcToolbox，展開Spatial Analyst工具，選擇水文分析，點擊盆域分析，彈出盆域分析對話框。
?加載相關數據，點擊確定。
2、生成分水嶺
經過上一步得到的流域盆地是一個比較大的流域盆地，在很多的水文分析中，還需要基于更小的流域單元進行分析，這就需要進行流域的分割。
生成分水嶺的操作步驟：
?啟動ArcToolbox，展開Spatial Analyst工具，選擇水文分析，點擊分水嶺，彈出分水嶺對話框。
?加載相關數據，傾瀉點字段設置為VALUE，點擊確定。
【分水嶺】對話框
14.3 Arc Hydro Tools簡介
Arc Hydro Tools是一種水文時空序列數據模型。它是一種面向對象的地理數據模型，它將要素、空間單元、水文聯系等作為對象，表達流域系統的結構，組織不同對象的屬性特征，實現最接近流域現實的表達，集成了流域要素狀態的時間序列，是一個時空地理數據模型。
利用Arc Hydro Tools進行水系提取的過程如下：首先對DEM預處理，包括平滑處理和填洼處理，填洼方法采用的是先填平后墊高的方法，流向計算用的是'D8'方法；然后算出柵格的上游集水面積，提取水系。
Arc Hydro Tools基本工具條如下圖：
Arc Hydro Tools工具條
在水系提取時，常用到地形處理、流域處理和網絡工具等工具。
14.4 基于Arc Hydro Tools的水文分析實例
14.4.1 背景
基本的水文分析主要包括流向分析、匯流分析、流域分析等，這些分析可以從DEM數據中提取出流域的基本特征參數。水文分析在城市、區域規劃、農業等許多領域都有廣泛的應用。
14.4.2 目的
旨在熟練掌握利用Arc Hydro Tools進行水文分析的一般流程。通過操作比較Arc Hydro Tools與ArcGIS10水文分析工具的異同。
14.4.3 數據
數據來源于本書隨書攜帶的光盤。
14.4.4 任務
1）計算實驗區DEM的水流方向、匯流累積量，定義水流，進行水流分割，劃定集水多邊形，處理集水多邊形、排水路線、伴隨集水區和排水點，并創建集水柵格。
2）根據任意給定的興趣點進行流域和子流域的劃分，并追蹤水流路徑。
14.4.5 操作步驟
1、設置目標路徑
2、地形預處理
1）DEM校正
AgreeDEM和原始DEM剖面圖比較
2）填洼
3) 計算流向
4) 匯流累積量
5) 定義水流
6) 水流分割
7) 流域柵格劃定
8) 集水多邊形處理
9) 排水路線處理
10) 伴隨集水處理
11) 排水點處理
3、流域分析
1) 批量流域劃分
2) 點劃分
3) 批量劃分子流域
4) 水流路徑跟蹤
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牟乃夏老師簡介
牟乃夏（1973-），男，博士、博士后，現為山東科技大學測繪學院副教授，碩士生導師。在扎實科研的同時，更樂于將所思所學傳授給學生，曾經連續六年帶領七組學生進入Esri杯中國大學生GIS軟件開發大賽的總決賽，成為學生培養的傳奇和美談。從教十年來已培養研究生40余名，都在自己的工作崗位上為GIS的發展應用做出了重要貢獻。
為使全國的GIS學子更快更好的掌握GIS基本技能，他組織團隊經過兩年多的時間精心編寫了《ArcGIS10地理信息系統教程：從初學到精通》《ArcGIS Engine地理信息系統開發教程：基于C#.NET》兩本教材，深受廣大學子喜愛，已成為學習GIS的必備工具書。同時為了推廣GIS、傳授GIS，他還開設了博客、微博，QQ群等，進行GIS知識的傳播和交流，由于他為GIS教學與推廣做出的貢獻，2015年被CPGIS（全球海外華人地理聯合會）授予杰出教育獎。
圖書簡介
《ArcGIS10地理信息系統教程：從初學到精通》一書2012年9月由測繪出版出版（截至2016年2月已經印刷9次），銷量長期位于同類圖書的榜首。目前已被全國60余所高校采納為相關課程的教材或者參考書。該書內容翔實、深入淺出、通俗易懂，層次合理，初學者能夠很快入門，對ArcGIS已經熟悉的讀者來講，也是一本必備的案頭書。
該書是作者在總結多年GIS教學與科研工作的基礎上，充分考慮本科生、研究生的知識結構、操作水平及生產單位的實際需求編寫而成的。內容包括：ArcGIS10基礎，ArcGIS10快速入門，空間數據庫，空間數據的采集、編輯與拓撲處理，空間投影與變換，空間數據可視化，地圖制圖，矢量與柵格數據的空間分析，網絡分析，三維分析，水文分析，地統計分析等。特別的，針對Esri杯中國大學生GIS軟件開發大賽而設計了ModelBuilder與空間建模一章，并提供了兩個獲獎實例，供讀者參考。本書配有大量具有實際背景的應用實例及其詳細的操作步驟，隨書光盤中包含所有實例的數據，供讀者練習。
本書強調新穎性、實用性、技巧性、全面性和實戰性，注重理論與實踐的結合。既可作為高等學校地理信息系統、測繪工程、遙感科學與技術、地理科學、城市規劃、土地資源管理、市政工程、交通運輸、環境保護、地質工程等相關專業的本科生、研究生的理論課教材和實驗指導書，也可作為相關部門的研究人員、管理人員和技術人員的參考用書。
