手把手带你玩转ArcGIS水文分析（下）
飞言飞语
Attention
水文分析具有对汇流量的模拟、汇水线的模拟、流域的划分等功能，在城市、区域建设中起着重要的指导作用。
水文分析介于ArcGIS初级分析与高级分析之间。
许多ArcGIS高级分析基于水文分析的思路。
这期接上期，我们将介绍”汇流累积量计算、水流长度计算、河网长度提取、流域分割“四部分内容。
掌握方法是一方面，更重要的是理解分析思路哦！
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。汇流累积量的基本思想是：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。
基于无洼地DEM 的水流方向的计算。计算过程同上面水流方向的计算一样，使用的DEM数据是无洼地DEM。将生成的水流方向文件命名为fdirfill。
得到水流方向之后，可以利用水流方向数据计算汇流累积量。双击Hydrology工具集中的Flow Accum ulation工具，打开汇流累积量计算对话框，如图所示。
A：在Inputflow direction raster文本框中，选择水流方向数据fdirfill 。
B：在Outputaccumulation raster文本框中指定输出文件名为flowacc
C：在Inputweight raster文本框中输人权重数据。权重数据一般是降水、土壤以及植被等影响径流分布不平衡因素综合而成，对每一个栅格赋权重能更详细模拟该区域的地表特征。
如果无权重数据，系统默认所有栅格的权重为1。
D：单击OK按钮，完成操作。结果如图所示。
水流长度指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。水流长度直接影响地面径流的速度，进而影响地面土壤的侵蚀力。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。目前，在ArcGIS 中水流长度的计算方式有两种：顺流计算和溯流计算。顺流计算是计算地面上每一点沿水流方向到该点所在流域出水口的水平投影距离。溯流计算是计算地面上每一点逆水流方向到其流向起点的水平投影距离。ArcGIS 中水流长度的提取操作如下：
双击Hydrology工具集中的Flow Length工具，弹出计算水流长度的对话框，如图所示。
在Input flow direction raster 文本框中选择水流方向数据fdirfill。
在Output raster文本框中指定输出文件路径及名称，分别进行顺流计算和溯流计算，指定输出的文件名分别为Flowlendown和Flowlenup。
计算方向可以选择Downstream(顺流计算)或Upstream(溯流计算)。
在Input weight raster文本框中输人权重数据(可选)。
单击OK按钮，完成操作。
顺流计算和逆流计算结果分别如图所示。
提取地表水流网络是DEM 水文分析的主要内容之一。目前河网提取方法主要采用地表径流漫流模型：首先，在无洼地DEM 上利用最大坡降法计算出每一个栅格的水流方向；然后，依据自然水流由高处流往低处的自然规律，计算出每一个栅格在水流方向上累积的栅格数，即汇流累积量。假设每一个栅格携带一份水流，那么栅格的汇流累积量就代表着该栅格的水流量。基于上述思想，当汇流量达到一定值的时候，就会产生地表水流，所有汇流量大于临界值的栅
格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络，就是河网。
河网的生成
河网的生成基于汇流累积量数据，计算的汇流累计栅格数据flowacc作为基础数据；
设定阈值。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的。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。这里为100；
双击Spatial Analysis Tools工具箱中的Map Algebra工具集中的Multi Output Map工具，其中汇流量大于阈值的栅格，其属性值赋为1，而小于或等于阈值的栅格设置为无数据(NODATA)。
在文本框中键入：数据目录（根据你自己的数据来确定）\streamnet-1 = con （你自己数据目录\flowacc >100 , 1)，其中 “streamnet-1”为计算出栅格河网数据名，注意要采用半角形式下进行输入；
栅格河网矢量化。在Hydrology工具集中双击Stream to Feature工具，如图所示；
在Input stream raster文本框中，选择streamnet；在Input flow direction raster文本框中，选择fdirfill；在Output polyline feature文本框中设置输出文件名为Streamfea。生成的矢量数据如图所示。
Stream Link 的生成
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。如图所示，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。
因此通过提取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，而且出水点的确定，为进一步的流域分割做好了准备。具体操作如下：
在ArcMap里加载水流方向数据fdirfill和前面生成的栅格河网数据streamnet-1。
双击Hydrology工具集中的Stream Link工具，弹出如图所示的stream link对话框。在Input stream raster文本框中选择streamnet-1，在Input flow direction raster文本框中选择fdirfill。在Outputraster文本框中设置输出文件名为streamlink-1。
单击OK按钮，完成操作。Stream link的生成将栅格河网分成不包含汇合点的栅格河网片段，并对片断进行记录，其属性表中记录着每个片段所包含的栅格个数，如图所示。
河网分级
河网分级是对一个线性的河流网络以数字标识的形式划分级别。在地貌学中，河流的分级依据河流的流量、形态等因素进行。不同级别的河网所代表的汇流累积量不同，级别越高，汇流累积量越大，一般是主流，而级别较低的河网一般则是支流。
在ArcGIS的水文分析中，提供两种常用的河网分级方法：Strahler 分级和Shreve分级，如图所示。
Strahler分级是将所有河网弧段中没有支流河网弧段定为第1级，两个1级河网弧段汇流成的河网弧段为第2级，如此下去分别为第3级，第4级，… … ，一直到河网出水口。
在这种分级中，当且仅当同级别的两条河网弧段汇流成一条河网弧段时，该弧段级别才会增加，对于那些低级弧段汇人高级弧段的情况，高级弧段的级别不会改变；
Shreve分级第1级河网的定义与Strahier分级相同，不同的是以后的分级，两条1级河网弧段汇流而成的河网弧段为2级河网弧段，对于以后更高级别的河网弧段，其级别的定义是汇人其河网弧段的级别之和，如图所示，当一条3级河网弧段和一条4级河网弧段汇流而成的新的河网弧段的级别为7，这种河网分级到最后出水口位置时，其河网的级别数刚好是该河网中所有的1级河网弧段的个数。
在ArcGIS中河网分级的步骤如下：
在ArcMap里加载水流方向数据fdirfill 和栅格河网数据streamnet 。
双击Hydrology工具集中的Stream Order工具，弹出Stream Order对话框。在Input tream raster文本框中选择streamnet，在Input flow direction raster文本框中选择fdirfill。分别用strahler和shreve方法对河网进行分级，分别设置输出文件名为Streamostr和Streamoshr。
单击OK按钮，完成操作。计算结果分别如图所示。
流域(watershed) 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从而形成的一个集中的排水区域，如图所示，也可以用流域盆地(basin) 、集水盆地(catchment) 或水流区域(contributing area) 等来描述。watershed 显示了每个流域汇水区域的大小。出水口(或点)即流域内水流的出口，是整个流域的最低处。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，流域分水线所包围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割而成的汇水区域，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。首先，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。其次，找出所有流人出水口的上游栅格的位置，即为流域盆地集水区。在ArcGIS 中，提取流域盆地的操作如下：
双击Hydrology工具集中的Basin工具，打开流域盆地计算对话框。如图所示。
输人水流方向数据fdirfill，设置输出数据文件名为basin。
单击OK按钮，完成操作。ArcMap中加载已提取的矢量河网数据Streamfea，与流域盆地叠加，如图所示。所有流域盆地的出口都在样区的边界上，利用流域盆地分析，可将感兴趣的流域划分出来。
将生成的流域盆地数据basin转化为矢量数据。
集水流域的生成
水流域生成的思想如下：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。ArcGIS中，生成集水流域的操作如下：
在ArcMap中加载水流方向数据fdirfill和流域出口点数据streamlink。
双击Hydrology工具集中的watershed工具，打开集水区域(贡献区域)计算对话框。分别在水流方向数据和出水口数据的文本框中选择fdirfill和streamlink，设置输出文件名为watershed。
单击OK按钮，完成操作。结果如图所示，以流域盆地和矢量河网的数据作为背景。可以看出，以streamlink 作为流域的出水口数据所得到的集水区域是每一条河网弧段的集水区域，也就是最小沟谷的集水区域。
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