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    ArcGIS水文分析实战教程(2)ArcGIS水文分析工具的基本原理

    作为成熟的GIS软件,ArcGIS提供了相当不错了水文分析工具。包括在spatial扩展中提供的水文分析工具集和地下水分析工具;如果还关注ArcGIS周边,还能发现美国还有一个团队在一直维护ArcHydro工具集。ArcGIS软件在地表水分析方面的研究成果还是相当不错的,目前已经非常成熟;地下水分析方面还处于起步阶段,只提供少有的几个工具;而ArcHydro则是免费的专业级别的水文分析工具集合。
    本章节主要介绍ArcMap中原生的水文工具集,力求让广大读者了解其运作原理。了解原理之后才能制定其分析流程。 BY 李远祥

    了解ArcGIS水文分析工具

    ArcGIS在其ArcToolBox中提供了水文分析工具集,其作用主要是模拟地表水形成径流的过程,并利用这一模拟过程实现河流、出水口以及流域的提取。由于水文分析工具集在spatial工具箱中,因此要运行它,必须具备spatial扩展授权。

    水文分析工具集提供总计11个工具,如下图
    在这里插入图片描述

    相对于ArcHydro上百个工具,原生的水文分析工具显得相对少了点,但每一个工具都非常的实用。它的所有的分析都是基于数字高程模型(DEM)和D8单流向算法进行的,因此,了解DEM和D8算法是相当重要的。

    了解DEM数据

    对GIS人员来说,DEM是常见的数据格式了。但对水文分析人员,不一定都了解。DEM是一种连续的栅格的,每一个栅格代表一个矩形范围,而每个栅格用不同的灰度值表示其高程值。如下图
    在这里插入图片描述

    因为DEM是连续的栅格数据,ArcGIS软件默认给定的是灰白的渲染模式,因此,如果不看其图例,一般人是不清楚DEM数据表达的地形的。
    在这里插入图片描述
    从图上可以看出,该区域最高的地方为4327米,最低是442米。而渲染方式是地形数值越高越偏向亮色,地势越低越偏向黑色。基本上可以看清楚发亮的部分是山脊,而黑色部分是山谷或者河流。连续灰度的渲染方式是给机器计算时使用的,如果像更好的表达DEM数据,更符合人类阅读,可以通过DEM生成山体阴影,然后叠加彩色的渲染方式,可以参考笔者之前的文章《ArcGIS制图技巧系列(2)地形渲染》,其效果大概如下图
    在这里插入图片描述
    这还不是关键,了解DEM关键的要清楚DEM的元数据信息。这个元数据信息可以在在【图层】右键【属性】中查看。

    在这里插入图片描述
    从元数据信息可以看到该DEM的像元大小是30*30,也就是每一个栅格的格子代表实际面积为30 * 30 见方。如果加上上面的行数和列数788 * 768 ,那么可以计算出该区域的总面积为30 * 30 *788 * 768 (平方米)。这就是DEM元数据信息中所包含的重要信息。

    在利用DEM做河流提取和流域提取时,要限制最小区域的集水区(即形成河流的最小汇水面积),那就需要通过DEM的元数据信息进行换算栅格的格子数。例如最小的流域为9平方公里,那么换算成该数据的栅格数据为9000000/30/30 = 10000(格子数)。这会在后面流量分析中提及到。

    D8单流向算法

    前面提及到ArcGIS水文分析的两个重要的基础,一是使用DEM进行分析,二是分析的基础算法为D8单流向算法。
    D8算法是假定雨水降落在地形中某一个格子上,改格子的水流将会流向周围8个格子地形最低的格子中。如果多个像元格子的最大下降方向都相同,则会扩大相邻像元范围,直到找到最陡下降方向为止。如图所示
    在这里插入图片描述
    其流向则用2的n次方表示,从0开始,按照逆时针分别为递增,其方位编码如下图所示
    在这里插入图片描述

    这样编码的好处自然是通过数学的方式,让计算机可以非常快的使用二进制进行索引,加快大区域的流量累计统计。

    所以,D8 算法又称作单流向算法。其特点就计算速度快,能够很好的反应出地形对地表径流形成的作用。但其弊端也是显而易见。因为水流只流向一个方向,是单线传递,一旦遇到某一洼地的时候,周边的水流都会集中向该洼地流入,导致断流现象,而现实中由于水会向多个方位不定向的流动,是不会轻易导致断流的。如果要避免这种情况发生,就需要对地形中的洼地进行填平,确保水流也能从该洼地流出。这就是为什么水文分析工具中出现了一些与水文分析完全没有关系的一个工具–填洼 。

    从D8算法可以看出,ArcGIS的水文分析工具是依赖无凹陷的DEM地形的,所以在分析之前都必须对DEM数据进行检查。【汇】工具和【填洼】工具就是为了分析前查找和填平洼地而生的,在使用水文分析之前必须要使用这两个工具对DEM进行处理。
    单流向算法影响限制了ArcGIS水文分析工具的使用。尤其是地势平坦的地区和人工干预比较多的城市区域,基本上不适用。因为地势平坦导致水流无法沿某一方向流动而形成径流。
    另一种情况是事实上的断流形成,如存在地表水流汇流入地下水系的情况。一旦出现流入地下暗河,D8算法就完全失效。因此,在喀斯特地貌中同样也不适用。

    D8算法是完全不考虑降雨的多少、土壤渗透率、植被吸水以及水流挡阻等水文过程,它只是假定有无限的降雨并最终汇聚水流形成径流,并通过汇流范围来定义最终的河流。因此,它只是一个径流汇成河流的定性分析(尽管流量计算看起来是有定量因子),并不能通过其流量算法去做水文的预报。

    关于流量

    ArcGIS水文分析中的流量并不是指水文监测中的实际流量,它只是流向分析结果的一个栅格累计计算。流量栅格中每一个像元记录的是流向栅格中流向该点的栅格数量的总和。如下图所示
    在这里插入图片描述
    从原理上可以看出,如果将流量上栅格上的某一点作为出水口,那么,所有流向该点的像元的集合便构成了一个最小的集水区域。所以,如果要针对分析区域进行小流域的划分,那么前提条件便是要得到流向和流量栅格,并且要根据栅格像元的大小计算最小的积水区域,而这个区域的计算则需要将面积换算为栅格的数量。

    换算的方法在前面DEM介绍部分已经说明清楚,读者可以往上翻页再次浏览。ArcGIS的官方文档是不会对这些换算的方法进行说明,因为它面向的是偏计算机专业的人员,水文专业人员可能会对此比较难以理解。

    工具中的水文学术语

    在ArcGIS水文分析工具11个分析工具中,只有河流链接、河网分级、分水岭、河流长度 这几个才是直接对接水文学术语。

    河流连接

    ArcGIS官方帮助写得相当羞涩难懂,其工具解释如下

    向各交汇点之间的栅格线状网络的各部分分配唯一值。

    基本上单看帮助说明,不管是GIS人员还是水文专业人员都不知道所云。再看其插图,基本上可以看出其具体作用,就是针对一定流量的径流进行交互连接。如下图所示
    在这里插入图片描述
    但问题又来了,在传统的水文学上,河流链接是分为外链和内链的,用于判定是否存在支流及河源。所以,这个工具也仅仅是作为基于DEM生成河网的方式。下图为水文学上得河流链,可以对比一下其区别。
    在这里插入图片描述

    河网分级

    河网分析是根据水系的连接情况进行等级划分。ArcGIS的这个工具基本上可以跟水文学能够完全对接。但它只支持水文学上最常用的两种分级模式–斯特拉勒(STRAHLER)和施里夫(SHREVE)分级方法。

    这里的分级方法与传统的地理学河流分级不一样。地理学上大江大河定义为一级,如长江、黄河、珠江这些定义为一级河流;西江属于珠江的一个大支流,定义为二级河流,如此类推。这只是方便水利主管单位对流域进行管理去定义的,在水文分析中这种定义方式没有太大的使用价值。

    在水文学上主要使用以下几种分级模式

    1. 格雷夫利厄斯(Gravelius)分级法
      格雷夫利厄斯(Gravelius)分级法有点类似中国传统的河流分级定义,水系中最大的主流为1级,直接汇入1级河流的水系为2级,依次类推直到分级完成。

    2. 霍顿(Horton)分级法
      霍顿(Horton)分级法将最小的没有分支的水系定义为1级,只接纳1级河流的水系定义为2级,只接纳2级河流的水系定义为3级,如此类推直到定义完成。

    3. 斯特拉勒(STRAHLER)分级法
      斯特拉勒(STRAHLER)分级法,没有支流汇入的水系定义为1级别,两个相同级别的水系汇入某一河流时,河流等级增加1级;如果等级不同,则以最大等级的河流相同。依次分级完成所有定义。

    4. 施里夫(SHREVE)分级法
      施里夫(SHREVE)分级法有点类似累计分级,将没有支流的水系定义为1级,多个支流汇入,将其级别相加作为汇入河流的级别。如此类推直到分级完成。

    5. 沙伊达格分级法
      沙伊达格分级法是施里夫分级法的一个变种,分级方式与施里夫方法一致,只是将没有支流的河流定义为2级,这样所有的河流级别都是偶数。

    以下是各种河网分级的示意图
    在这里插入图片描述
    格雷夫利厄斯分级法:水系中河流越小,级数就越大,难以区分水系中的主流和支流,同样为1级的河流可能相差较大。
    霍顿分级法:2级以上的河流均可以一直延伸到河源,但实际上它们的最上游都只具有1级河流的特征。
    斯持拉勒法:不可能像霍顿分级法一样将2级以上河流都一直延伸到河源,因而总是将能通过全流域水量和泥沙量的河流作为水系中最高级的河流的。斯持拉勒法主要不足是不能反映流域内河流级愈高,通过的水量和泥沙量也愈大的事实。
    施里夫和沙伊达格分级法:很好弥补了上述分级方法的缺陷,非常适合在数值上进行计算。

    为什么ArcGIS只保留斯特拉勒(STRAHLER)和施里夫(SHREVE)两种分级方法。笔者认为如果单从统计方面来说,施里夫(SHREVE)方法是最优,毕竟其推导有点类似汇流的计算,在水文流量和泥沙量的一些模拟上应该有比较大的参考价值。
    斯特拉勒(STRAHLER)分级方法,一些研究水文的大师级人马认为它是根据水系形态与水文要素综合分析引导出来的,可以作为寻求水系地貌的基础。
    ArcGIS是根据流向和流量栅格来计算地表径流(非河流),而河网分级工具并不是对已有的河流进行分析,而是针对具有一定流量的地表径流进行分级,分级之后再作为地表径流转为真正河流的基础。所以,笔者认为,如果是希望通过DEM去提取水系,那么采用斯特拉勒(STRAHLER)分级方法作为依据;如果是希望寻找河网链与流量、泥沙量的关系,推荐使用施里夫分级方法。

    分水岭

    ArcGIS的分水岭实际上就是水文学上的分水线围闭而成的面。引申出来的就是集水区、流域。分水岭是可以嵌套的,例如大的分水岭嵌套若干个小分水岭,也就是大流域里面包含了如果个小流域。
    下图是ArcGIS软件对分水岭组成的说明,这并不是水文学上的分水线定义。
    在这里插入图片描述

    水流长度

    水流长度工具的主要用途是计算给定盆地内最长水流的长度。这个跟水文学上的定义可以对上。

    本章总结

    本章主要是针对ArcGIS中的水文分析工具的一些基本原理和方法,对应水文学的一些相关原理进行论述。希望能通过一些简单的对照,能够帮助GIS和水文分析人员增强对行业和工具理解,能够在后续的分析工作更加精准的设置工具的参数,正确使用工具来辅助分析决策。

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  • [ArcGIS] 空间分析(八) 水文分析

    万次阅读 2018-10-08 21:30:44
    基于DEM地表水文分析的主要内容是利用水文分析工具提取水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络、河网分级,以及流域分隔等无洼地DEM生成 背景 DEM是比较光滑的地形表面的模拟,但是由于DEM

    理论基础:https://blog.csdn.net/summer_dew/article/details/82974108


    基于DEM地表水文分析的主要内容是利用水文分析工具提取水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络、河网分级,以及流域分隔等

    无洼地DEM生成

    • 背景
      DEM是比较光滑的地形表面的模拟,但是由于DEM误差及一些真实地形(如喀斯特地貌)的存在,使得DEM表面存在着一些凹陷的区域
    • 原因
      在进行水流方向计算时,由于这些区域的存在,往往得到不合理的甚至错误的水流方向
    • 结论:进行洼地填充
      因此,在进行水流方向的计算之前,应首先对原始的DEM数据进行洼地填充,得到无洼地的DEM

    洼地填充:先利用水流方向数据计算出DEM数据中的洼地区域,并计算其洼地深度,然后,依据这些洼地深度设定填充阈值进行洼地填充

    水流方向提取

    • 是什么
      水流方向:水流离开此格网时的指向
    • 实现思路
      ArcGIS中,水流方向采用D8算法,即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。

    操作:[Spatial Analyst 工具]–>[水文分析]–>[流向]

    • [“强制所有边缘像元向外流动”]:在DEM数据边缘的栅格的水流方向全部是流出DEM数据区域
    • [“输入下降率栅格数据”]:下降率栅格是指栅格在其水流方向上与其临近的栅格之间的高程差与距离的比值。反映了在整个区域中最大坡降的分布情况

    洼地计算

    得出dem中的洼地深度数据图

    • 背景
      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,然后对洼地进行填充。
      但是,并不是所有的洼地都是由于数据的误差造成的,有很多洼地是地表形态的真实反映。

    • 结论:设置阈值
      在进行洼地填充之前,必须计算洼地深度,判断哪些地区是由于数据误差造成的洼地而哪些地区又是真实的地表形态,然后在洼地填充的过程中,设置合理的填充阈值

    • 操作步骤
      操作流程图

      1. 洼地提取
        说明:输入流向数据,提取出洼地
        操作:[Spatial Analyst 工具]–>[水文分析]–>[汇]

      2. 洼地深度计算
        (1)计算洼地的贡献区域(哪些区域的水会流进洼地)
        操作:[Spatial Analyst 工具]–>[水文分析]–>[分水岭]
        说明:输入流向数据洼地(栅格数据或要素倾泻点数据),计算洼地的贡献区域(哪些区域的水会流进洼地)
        参数:[倾泻点字段] 选 Value
        (2)计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程
        操作:[Spatial Analyst 工具]–>[区域分析]–>[分区统计],计算出最小值栅格
        (3)计算每个洼地贡献区域出口的最低高程,即洼地出水口高程
        操作:[Spatial Analyst 工具]–>[区域分析]–>[区域填充]
        (5)计算洼地深度
        操作:[Spatial Analyst 工具]–>[地图代数]–>[栅格计算器]
        公式:sinkdep = (“zonalmax” - “zonalmin”)

    • 结果:得到洼地深度图sinkdep

    通过以上步骤(洼地提取),可以了解原始的DEM上是否存在着洼地。
    如果没有洼地存在,原始DEM数据就可以直接用来进行河网生成、流域分隔等。
    而洼地深度的计算又为在填充洼地时设置填充阈值提供了很好的参考。

    洼地填充

    洼地填充是无洼地DEM生成的最后一个步骤
    根据洼地深度图,设置合理的阈值,对dem进行洼地填充

    【阈值设置】填充洼地时要求设置一个阈值,大于这个阈值的洼地才会被填充掉

    1. 默认情况都为全部填充
    2. 若有特殊要求,你考察过每个地方的洼地在现实中就是如此–>研究要求要将此地保留–>根据此地来设置阈值

    操作:[Spatial Analyst 工具]–>[水文分析]–>[填洼]

    • [表面栅格数据]:dem
    • [Z限制]:设置阈值,>这个阈值的地方将作为真实地形保留。默认是所有洼地区域都将被填平

    重复操作的必要性:
    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,可能还会形成新的洼地。因此,洼地填充时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。

    汇流累积量

    这里写图片描述

    • 是什么
      在地表径流模拟过程中,汇流累积量是基于水流方向数据计算得到的。
    • 基本思想
      以规则格网表示的数字地面高程模型每点处有一个单位的水量,按照自然水流从高处流往低处的自然规律,根据区域地形的水流方向数据计算每点处所流过的水量数值,便得到了该区域的汇流累积量

    操作:[Spatial Analyst 工具]–>[水文分析]–>[流量]

    • [流向栅格数据]:无洼地dem生成的流向数据
    • [权重栅格数据]:权重数据一般考虑到降水、土壤以及植被等对径流影响的因素分布而得到的,对每一个栅格赋权重能更详细模拟该区域的地表特征。默认为1

    水流长度

    • 是什么
      水流长度是指在地面上一点沿水流方向到其流向起点(或终点)间的最大地面距离在水平面上的投影长度

    • 意义
      水流长度直接影响地面径流的速度,从而影响对地面土壤的侵蚀力。因此水流长度的提取和分析在水土保持工作中有很重要的意义。

    • 计算思路

      • 顺流计算:计算地面上每一点沿水流方向到该点所在流域出水口的最大地面距离的水平投影
      • 溯流计算:计算地面上每一点沿水流方向到其起点的最大地面距离的水平投影

    操作:[Spatial Analyst 工具]–>[水文分析]–>[水流长度]

    • [流向栅格数据]:无洼地的dem生成的流向数据fdirfill
    • [测量方向]:DOWNSTREAM顺流计算,UPSTREAM溯流计算
    • [输入权重栅格数据]:降水、土壤以及植被等对径流影响的因素分布而得到的

    河网的提取

    河网的生成

    四个部分:

    1. 基础数据:汇流累积栅格数据flowacc
    2. 设置阈值:不同级别的沟谷对应不同的阈值,不同研究区域相同级别的沟谷对应的阈值也不尽相同。所以,在设定阈值时,应通过不断的实验和利用现有地形图等其他资料辅助检验的方法来确定合适的阈值
    3. 栅格河网的形成
      操作:[Spatial Analyst 工具]–>[地图代数]–>[栅格计算器]
      思路:利用所设定的阈值对整个区域分析并生成一个新的栅格图,其中汇流量>阈值的栅格设定为1,而≤阈值的栅格设定为无数据
      输出:streamnet
    4. 栅格河网矢量化
      操作:[Spatial Analyst 工具]–>[水文分析]–>[栅格河网矢量化]
      • [河流栅格数据]:streamnet
      • [流向栅格数据]:fdirfill(无洼地dem生成的水流方向数据)

    【阈值的设置】以实验目的为导向
    【思考】通过不同的阈值,可以提取出不同级别的汇流网络

    1. 阈值设置的越小–>河谷网就提取的越少–>很小支的很窄的河流都会被提取出来
    2. 阈值设置的越大–>提取的河谷网就会越多–>只能提取到规模较大的河谷

    Stream link的生成

    • 是什么
      Stream Link记录河网中结点之间的连接信息,它主要记录河网的结构信息
      Stream Link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

    • 意义
      通过提取Stream link可以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。
      这些出水点对于水量、水土流失等研究具有重要意义,而且出水口点的确定,为进一步的流域分割做好了准备

    操作:[Spatial Analyst 工具]–>[水文分析]–>[河流连接]

    • [河流栅格数]:streamnet(河网)
    • [流向栅格数据]:fdirfill(无洼地dem生成的水流方向数据)

    结果:
    Stream link将栅格河网分成不包含汇合点的栅格河网片段,并对片段进行记录,其属性表记录者每个片段所包含的栅格个数

    河网分级的生成

    操作:[Spatial Analyst 工具]–>[水文分析]–>[河网分级]

    • [河流栅格数据]:streamnet
    • [流向栅格数据]:fdirfill
    • 两种分级方法:Strahler、Shreve

    这里写图片描述

    流域的分割

    流域: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除从而形成的一个集中的排水区域
    可以用流域盆地(basin)、集水盆地(catchment)或水流区域(contributing area)等来描述流。watershed数据显示了每个流域汇水面积的大小。

    **出水口(或点)**即流域内水流的出口,是整个流域的最低处。

    分水岭: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,流域分水线所围成的区域面积就是流域面积

    流域盆地的确定

    流域盆地是由分水岭分隔而成的汇水区域,可利用水流方向确定出所有相互连接并处于同一流域盆地的栅格区域

    思路:①确定分析窗口边缘出水口的位置,所有流域盆地的出水口均处于分析窗口的边缘 ②其次,找出所有流入出水口的上游栅格的位置,即流域盆地集水区

    步骤:
    操作:[Spatial Anayst 工具]–>[水文分析]–>[盆域分析]
    参数:流向栅格数据fdirfill
    输出:basin流域盆地

    汇水区出水口的确定

    在水文分析中,经常基于更小的流域单元进行分析,因而需要对流域进行分割。
    流域的分割首先要确定小级别流域的出水口的位置

    操作:[Spatial Analyst 工具]–>[水文分析]–>[捕捉倾泻点]
    思维:以记录着潜在但并不准确的小级别流域出水口位置的点数据为基础,搜索该点一定范围内汇流累积量较高的栅格点,这些栅格点就是小级别的流域的出水点。

    如果没有出水点的栅格或矢量数据,可利用已生成的stream link数据作为汇水区的出水点。
    因为stream link数据中隐含着每一条河网弧段的连接信息(包括弧段的起点和终点等),而弧段的终点可以看作是该汇水区域的出水口所在位置。

    集水流域的生成

    输入:水流方向数据fdirfill、流域出水口数据streamlink
    操作:[Spatial Analyst 工具]–>[水文分析]–>[分水岭]
    思路:先确定出水点,即该集水区的最低点,然后结合水流方向,分析搜索出该点出水点上游所有流过该出水口的栅格,一直搜索到流域的边界,即分水岭的位置为止。

    隔壁优秀文章:http://blog.csdn.net/kikitamoon/article/details/7908058

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  • ArcGIS水文分析实战教程(1)GIS与水文学

    万次阅读 多人点赞 2018-12-02 15:21:14
    GIS与水文分析(1)GIS与水文学 对于大部分GIS从业人员或者利用GIS作为研究方向的人员来说,水文学过于专业,更偏重于理论化,很难从GIS的角度来模拟和分析水文的过程。这其实是个普遍性的问题,任何跨专业跨学科去...

    ArcGIS水文分析实战教程(1)GIS与水文学

    对于大部分GIS从业人员或者利用GIS作为研究方向的人员来说,水文学过于专业,更偏重于理论化,很难从GIS的角度来模拟和分析水文的过程。这其实是个普遍性的问题,任何跨专业跨学科去解决问题,都是需要付出极大的代价的,尤其是时间和精力,因为必须同时具备两方面的专业知识,才可以挖掘出更好的方法来解决问题。在本章节中,笔者以一个GIS从业者的角度来谈谈GIS与水文分析的一些看法。By 李远祥

    浅谈一下GIS与水文学

    水文学不同于GIS,GIS是一个多学科的集合,更多的是使用工具来解决实际问题。如果非要对两个专业来做评论的话,笔者认为水文学是彻头彻尾的专业学科,而GIS则是一项可具体操作的工具。
    虽然水文学和GIS都涉及到大量的数据公式和分析模型,但水文学利用数学公式和模型去实现理论的支撑,而GIS则利用这些来变成具体的代码和程序,服务于行业应用。

    当然,GIS在近20年来在国内逐渐流行并壮大,大量的各种院校中以一门专业的身份出现,并输送了大量的GIS专业人才。同时在其他非GIS专业里面也大量的出现了GIS课程,GIS与其他学科的交叉使用也是非常多专家学者愿意研究的。
      
      水文学中研究最多的是水文循环,水文循环是一个物理过程,在很长一段时间研究这方面的人都是从物理的角度入手的。但随着科学的交叉渗透,也有一些人通过化学同位素等方式去深入研究整个循环过程。水文学有非常多的分支,如河流水文学、湖泊水文学、冰川水文学、地下水文学、水文气象学、工程水文学、水资源学、环境水文学、城市水文学、生态水文学、水资源学、数字水文学等。也可以看到其专业划分的细致程度。
      如果说水文专业是纵向学科,那么GIS专业更像是横向的,尽管它往往是以计算机软件和系统的形式出现,但其理论支撑是非常多的。如计算机图形学、测绘学、摄影测量学、统计学、程序语言等。

    笔者是GIS专业出身,GIS从业十年,水利信息化方面也有七八年的时间。但对于水文专业,还是相对比较陌生,感觉水文方面就跟气象一样专业,属于小众系的专业,正因如此,能够找到GIS与水文分析结合的例子就相对要少一些。而且一旦涉及到水文分析模型,基本上不是一些从事计算机、信息化专业、GIS专业的人能够搞定的事情。所以,后面的内容都是以一个GIS从业人员角度去探讨水文分析,难免会对水文分析上存在一些认识上的误差,如有不正确之处,欢迎指正。

    GIS中的水文分析

    水文分析就像GIS空间分析一样,是一个非常大的概念,所以很难简单阐明其分析边界。下面来看一张水文循环的图,该图从水文循环的角度来看整个水文过程。
      
    在这里插入图片描述

    这是非常典型的水-土-植 循环模型,非常的经典,甚至在地理学的经典教程中都有其示意图。从该经典图中可以看到,一个完整的水文循环过程包括了蒸发(水面、植被蒸腾、土壤)、降水、下渗、径流等几个方面。每一个方面都可以作为水文过程的一个重要因子进行分析,当然,分析的最终结果,很多水文人员都希望能够最终实现水文预报。
      
      还有一种做法是在水文分析的前期或者成果的基础上用GIS做辅助分析和二次分析,这主要是从水文分析参数获取和二次应用上去使用GIS。
      
      相对于GIS应用开发公司来说,GIS平台厂商相对来说会考虑深远一些,会在其GIS软件中集成一部分的水文分析辅助工具。为什么说是辅助工具,那是因为它们提供的都不是最终的分析模型,而是通过一些基础的分析工具去辅助水文人员或者GIS人员去实现其水文分析模型。所以,一般利用GIS专业软件去实现水文分析都是大体遵循以下方式:

    GIS工具+水文模型+地图模拟=GIS水文分析模型
    

    针对特定的水文模型结合GIS技术去实现不会在本系列的文章中讨论,这里主要讨论的是利用GIS去做水文分析的一些思路,属于方法论的范畴。

    GIS平台厂商中水文分析工具

    GIS平台厂商相对来说会有更多的资金和技术力量来研究水文分析工具,而不是水文分析模型。这有点跟遥感软件相类似,只提提供基础分析工具,而具体的模型需要另外研究。
      
      目前来说,在这方面能够找到的比较多的资料一般都是使用ArcGIS软件来实现。

    在这里插入图片描述

    理由似乎很简单,首先是ArcGIS软件提供了一些水文分析常规的工具,都是从GIS角度去实现。其次是每一个工具里面都是详细说明其原来,使用了什么样的算法,引用了哪个水文学者哪一篇论文。而水文模型的研究人员非常在意这些理论依据,在有特别说明并且能够被学术界广泛认可该算法在软件平台上实现的准确性,那就可以直接拿来使用,而不是自己重新根据原来去实现算法。
      
      ArcGIS中的水文分析工具,可以看下图
    在这里插入图片描述

    在水文工具箱中只有11个水文分析工具,基本上是辅助工具,没看到具体的分析模型,这也是符合国际惯例,毕竟它不是专门的水文分析软件。
      
    在这里插入图片描述

    如果单从这几个工具入手,确实是比较难去理解ArcGIS是如何做水文分析。毕竟一些工具的命名跟水文专业上也需要一些衔接。GIS人员使用还好说,因为对水文专业不熟悉,所谓无知即无畏,不会存在太多的诧异,最多就是再结合ArcGIS的其他工具去做一些分析。但水文专业的人员就不一样了,这里存在一个期望值,就是希望工具拿来即用,直接输入参数并输出最终的水文结果。这就是一个相互认知的过程。ArcGIS的工具更多的是作为水文研究的一些辅助手段,能够辅助水文分析模型的构建,并能直观显现其分析结果。至于模型研究,还是需要在专业领域上构建的。

    ArcGIS的水文分析工具在ArcGIS的早期版本就有,如果笔者没有记错,应该在8.x系列已经存在。但由于当时ArcGIS只有英文版,包括帮助也是英文的,所以对于其在国内推广还是相对比较困难。直到后来推出了ArcGIS10.0 才是第一个完成中文版,包括了中文帮助。目前笔者使用的是当前最新版本ArcGIS10.5 版本。

    ArcGIS水文分析的一些重要原理

    很多人在使用ArcGIS 的水文分析工具的时候其实是不知道其运行原理的。因为大部分使用者都是从院校走出来的,水文分析的使用都是从授课老师那里教学而来,虽然整个分析过程是记住了,但一旦离开了实验数据,很多分析结果就出不来了。而原理部分,由于以前没有中文版,要看专业的英文文档,基本上不是学生们可以办到的了。其实也只有一部分英文水平比较好的学者才去看原理部分。

    如果在某度上搜索一下ArcGIS 水文分析,估计绝大部分出来的都是某些学生上传上去的实验报告文档。虽然也有一些分析步骤比较清晰的,由于不明白原理或者没有阐述原理,在参照其分析流程的过程中会出现很多问题,尤其是换一份数据去测试。所以,实验离最终应用还是有很大的距离。

    所以,如果阁下是功利性比较强的人,可能会直接跳过原理部分,那么在后期的分析中可能就会遇到种种问题。笔者强烈建议去阅读ArcGIS关于其水文分析工具的原理部分。如果还有时间和精力,还是非常有必要去看看水文学原理的相关书籍。毕竟是交叉学科中的应用,必须两方面都要去学习。
      
    点开ArcGIS的帮助(建议使用中文版),查找到[水文分析工具集],如下图所示
    在这里插入图片描述

    可以在这里作为一个总入口,去查看相关的一些理论说明。例如点击[了解水系],会弹出一个关于ArcGIS软件对水系的认知说明,如下图
    在这里插入图片描述

    对于水文专业的人员来说,水系是最熟悉不过了,根本不需要再去理解了。如果抱有这种想法,估计后面有很多工具的使用会让人不知所云。虽然开发水文工具的人员都会学习一些水文知识,但程序员与水文人员之间是存在一定的隔阂的。为此,笔者专门买了一些水文学方面的书籍来查看,并且也咨询了一些水文从业人员。中文帮助中基本上对专业名词的描述是对的,虽然有一点点的偏差,但至少不会出现明显的错误。

    中文帮助的这些水文专业名词偏差应该是跟翻译的人有很大的关系。因为翻译方面是不具备水文专业基础的,他们是需要做一些名词对照。英文帮助是非常正确的,但不适合国内的一般使用者去阅读。所以这里存在一个偏差,需要找一个平衡点。这也就是笔者为什么推荐中文版的时候也要求去查看其原理,因为原理中包含了一些专有名词在软件界面中的对照。笔者还经常调侃说,那是香港人用普通话告诉了北京人,北京人根据自己的理解再写了一本粤语教程。当然这只是玩笑,现实没那么糟糕。

    在使用ArcGIS水文分析之前,弄清楚几个关键的名词,如分水岭、河流、出水口、流域、集水区等。看似很简单的名词,其实有很多相关联的地方。所以,还是这一张经典的图片,不厌其烦的再放一次。
      
    在这里插入图片描述

    • 水系:接收雨水的区域以及雨水到达出水口前所流经的网络被称为水系。流经水系的水流只是通常所说的水文循环的一个子集,水文循环还包括降雨、蒸发和地下水流。
    ArcGIS水文分析工具重点处理的是水在地表上的运动情况。
    
    • 流域盆地:流域盆地是将水和其他物质排放到公共出水口的区域。流域盆地的其他常用术语还有分水岭、盆地、集水区或汇流区域。该区域通常定义为通向给定出水口或倾泻点的总区域。

    • 倾泻点:倾泻点是水流出某个区域的点。该点通常是沿流域盆地的边界的最低点(即该汇水区内径流累计最大值的点)。

    • 分水岭:两盆地之间的边界称为流域分界线或分水岭边界。

    • 其他名词:水到达出水口前流经的网络可显示为树,树的底部是出水口。树的分支是河道。两条河道的交点称为结点或交汇点。连接两个相邻交汇点或连接一个交汇点和出水口的河道的河段称为河流连接线。

    从这些名词中可以看出一些特点,看似有非常多的名词,其实表达的意思是有限。

    1. 盆地、流域、集水区,其实是一回事。从物理的角度上看,盆地、流域都是集水区,只不过术语不一样。盆地更多的时一个地理学地形的名词,流域是从水文管理方面的术语,集水区是水文循环形成一个物理区域。

    2. 出水口、倾泻点也是同一样东西。倾泻点更多用在某一河段最终出水的位置表达;出水口则可以理解为整个流域中树状河流最终汇水的那一点。

    3. 为什么ArcGIS水文分析工具出来的是树状河流结构?在水文学上河流是分为树枝状河流和网状河流。在降雨后自然形成地表径流,没有人工干涉的情况下,流域内会形成树枝状河流;网状河流一般是在地势比较平坦的地方,很难自然形成规律的地表径流,还有一部分是人为的在地表开挖河流和渠道所导致的。
      在这里插入图片描述
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      看上图两张图,左图是树枝状的水系,有图是网状水系。在清楚这两种形式的河流结构后,其实对使用工具尤其重要。因为ArcGIS水文分析工具中使用的是单流向的D8算法,比较适合由于地势自然形成径流的情况,也就是说对口的时树枝状河流的形式,这种河流形成的区域一般都是偏山区、丘陵地带;而由于采用的是单流向算法,因此对于地势平坦的地区,尤其是平原区域或者城市区域,基本上不适用。

    在树枝状的水系中,又分为羽毛状水系、平行状水系和混合状水系,分别对应下面三张图。

    在这里插入图片描述
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    这三种形状基本上可以概括了所有的树枝状水系的情况。研究这个主要是为了做水情预报。其实通过看图可以理解,如果在同一个大小的流域,同样的降雨强度,河流的数量也一致的情况下,洪水在到达出水口位置,羽毛状水系的洪峰要来得晚一些;平行状水系由于各支流到出水口的时间都差不多,因此洪峰要来得早一些;混合状水系则在二者范围内。

    为什么要了解这些水文的概念,那是因为一旦需要做水文分析,那就需要有理论依据,不同的地形,不同的河网,对水文分析、水文预报等都有着非常大的影响。ArcGIS这些基础的GIS软件只会提供基础的工具,并不提供直接可用的分析模型,因此在建立模型的时候需要有非常扎实的水文学功底。

    本章节先介绍了水文分析与GIS的关系,以及一些常用的水文学术语。下一章将会介绍ArcGIS水文分析的几个工具所用到的基础算法。

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  • ArcgisDEM水文分析

    千次阅读 2018-07-03 16:41:54
    Arcgis下DEM水文分析(二) 第一步:需要的工具 1. BIGEMPA地图下载器(全能版已授权) 下载地址:http://download.bigemap.com/bmsetup.rar 2. Global Mapper 14. 下载地址:Global Mapper 14.1汉化版.rar 3...

         Arcgis下DEM水文分析(二) 

    第一步:需要的工具

          1. BIGEMPA地图下载器(全能版已授权)  下载地址:http://download.bigemap.com/bmsetup.rar

          2. Global Mapper 14.     下载地址:Global Mapper 14.1汉化版.rar

          3. ARCGIS下载地址:http://www.bigemap.com/helps/doc2018011754.html

    第二步骤:通过BIGEMAP下载高程数据

           1. 启动BIGEMAP地图下载器软件,查看左上角是否显示【已授权:所有地图】,如果没有该显示,请联系我们的客服人员。如下图所示:

    aba.png

           2. 选择左上角属性选项,选择【高程】,如下图:

    gc142.png    

        3. 选在你要的区域,双击下载,如下图所示:

    gcc1.png

          4. 选择下载的级别,建议尽量下载16级的,16级为最好级别。如果16级不能勾选,请选择下载小一点的范围,高程为矢量数据,超过20M大小,一般电脑都很难处理生成的等高线。下载之后的数据为tiff格式,实际为dem高程数据

          6. 启动安装好的Global Mapper软件,启动中文版在安装好的目录下有个chs或则chinese的启动图标,如下图所示:

    ad.png

        7. 将下载好的高程数据(下载目录下的后缀为tiff格式)拖入到global mapper中,如下图所示:

    zz11.png

           然后另存为【DEM】格式,如下图:

    aa3.png

        在弹出的对话框中选择【DEM】格式,如下图:

    aa4.png   

       点击【确定】,保存。

        在ArcMap中加载 DEM数据,右击DEM图层,点击缩放至图层,显示全部。

    141.png142.png

          在ArcMap中,需要打开【扩展模块】功能,如下图:

    aa5.png

         弹出的对话框中勾选所有选项,如下图:

    aa6.png

          点击【关闭】。

          然后,在【ArcToolbox】中执行命令[SpatialAnalyst工具]——>[水文分析]——> [填洼],按下图所示指定各参数,其中Z限制——填充阈值,当设置一个值后,在洼地填充过程中,那些洼地深度大于阈值的地方将作为真实地形保留,不予填充;系统默认情况是不设阈值,也就是所有的洼地区域都将被填平。之后点击确定即可。

    143.png

    (注意:上图中的“Output surface raster”点击的时候,不要用默认目录,自己新建一个目录,然后命名保存的文件,以后每一步的保存文件都保存在这里面)。 

     确定后执行结果得到无洼地的DEM数据[Fill_dem1]

    144.png

    (2)关键步骤:流向分析

    在上一步的基础上进行,在【ArcToolbox】中,执行命令[SpatialAnalyst工具]——>[水文分析]——>[流向],按下图所示指定各参数:

    145.png

        确定后执行完成后得到流向栅格[Flowdir_fill1],如下图:

    146.png

      此时的流向就满足D8算法,分别是1248163264128

    (3)计算流水累积量

    在上一步的基础上进行,在【ArcToolbox】中,执行命令[SpatialAnalyst工具]——>[水文分析]——>[流量],按下图所示指定各参数:

    147.png

    确定后执行完成得到流水累积量栅格[flowacc_flow1],如图:

    148.png


    (4)提取河流网络

    首先,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[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 Accumulation1>800,1),(这里的Flow Accumulation1要以上一步得到的文件名为准,注意是Con,不是con,大写第一个字母,不然出错)如图: 

     注意:设定阈值(800)。不同级别的沟谷对应不同的阈值,不同区域相同级别的沟谷对应的阈值也是不同。实际工作中设定阈值应通过不断实验、结合土壤植被等资料辅助检验方法确定。 可设置任意数字。149.png

        [输出栅格]指定为:StreamNet保存路径和文件名任意)

    执行后,结果为(关闭除[Streamnet]之外的其它图层):

    结果说明:通过此操作将流水累积量栅格[Flow Accumulation1]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]

    150.png

    然后,提取河流网络矢量数据。

    在上一步的基础上进行,打开【Arctoolbox】工具箱,运行工具[SpatialAnalyst 工具]——>[水文分析]——>[栅格河网矢量化],按下图设置参数:

    151.png

    后得到河流网络矢量数据,如图:

    152.png

    接着,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[StreamT_StreamN1],通过打开[StreamT_StreamN1]属性表,并选择属性表的所有行选择图层[StreamT_StreamN1]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

    153.png

    154.png

    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:

    155.png

    156.png


         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。(然后,比较平滑处理后的数据与没有进行处理过的数据)

    157.png

    158.png


    最后,进行流域分析。

    在上一步的基础上进行,打开【Arctoolbox】,运行工具[Spatial Analyst工具]——>[水文分析]——>[盆域分析],如图:

    161.png162.png163.png

    然后在打开【Arctoolbox】中,打开[空间分析]工具栏,执行命令:[转换工具]——>[由栅格转出]——>[栅格转面],流域栅格转换成为矢量图层。如图:

    164.png

    165.png


    如需进行以上测试,可向客服任意索要数据(任意地方)   Q   Q   :225   394   8655

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