基于ArcGIS的水文流域分析及应用

李俊超，马 倩，陶 钧

（1.福建省测绘院，福建福州350000；2.内蒙古自治区测绘院，内蒙古呼和浩特010051；3.武进规划与测绘院，江苏常州213000）

基于ArcGIS的水文流域分析及应用

李俊超1，马 倩2，陶 钧3

（1.福建省测绘院，福建福州350000；2.内蒙古自治区测绘院，内蒙古呼和浩特010051；3.武进规划与测绘院，江苏常州213000）

在理解基于DEM数据进行水文分析的基本原理的基础上，利用ArcGIS提供的水文分析工具对DEM数据水文流域进行了分析和研究，并将其运用于实际生产生活中，为险情预报、土质研究、降水分析等提供了帮助。

ArcGIS；水文分析；DEM

传统的地形图是将地面上的信息 (地貌、地物以及各种名称)用图形和注记的方式表示在图纸上，其优点在于直观，便于携带与使用[1]。然而，随着计算机技术和信息处理技术的飞速发展，纸质地图不能被计算机直接利用，无法满足各种工程设计自动化的研究要求。因此，地图的数字化产品逐步得到开发应用。数字高程模型（DEM）则是一种典型的数字化产品，是流域地形、地物识别的重要原始资料，具有广泛的实际应用价值：在测绘生产中可用于绘制等高线、坡度，制作立体景观图等；在工程项目中可用于体积、面积的计算，线路的设计等；在环境与规划中可用于各种规划、洪水险情预报、水文研究等[2]。自20世纪60年代以来，在利用DEM提取流域水文特征，模拟地表水文过程等方面国内外都开展了大量的研究[3]。本文基于ArcGIS软件中水文分析工具(HydrologyModeling)，对水文流域分析进行研究和比较，能起到对水文流域灾害的发生、发展 (时间、空间)并对其流向进行区划、预测预报作用，从而实现对水文流域的分析。ArcGIS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[4]。同时，利用水文分析工具也可以有助于了解排水系统和地表水流过程的一些基本概念和关键过程，以及从DEM数据上获取更多的水文信息。

1 基于ArcGIS的水文分析过程

水文分析的主要步骤如图1所示。

由于被较高高程区域围绕的洼地是进行水文分析的一大障碍，因此在确定水流方向以前，必须先将洼地填充，获得无洼地的DEM[5]。有些洼地是DEM生成过程中的数据错误带来的，但另外一些却表示了真实的地形如采石场或岩洞等。因此在进行洼地填充之前，必须计算洼地深度，然后在进行洼地填充的过程中，设置合理的填充阈值。我们可以通过填充洼地(Fill Sinks)得到无洼地的DEM，具体步骤文中将作介绍。

图1 利用DEM进行水文分析的主要步骤图

2 水文分析

2.1 水文流向分析原理

流向分析的原理如图2所示，共有8个方向，分别是2的 n次方。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的。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SQRT (2)≈1.414，否则距离为1。如果高程差为正值，则为流出；为负值，则为流入。

图2 流向分析原理图

2.2 原始资料数据的获得

现以某地区1∶5万DEM数据为例：在ArcMap中加载DEM数据，执行工具条 [HydrologyModeling]中的菜单命令 [Hydrology]>>[Fill Sinks]，在出现的对话框中将 [InputSurface]参数指定为“DEM”，确定后得到无洼地的DEM数据：[Filled Sink1]（见图3）。

图3 无洼地的DEM数据

2.3 水文分析的具体步骤

1）流向分析：执行工具条 [Hydrology Modeling]中的菜单命令 [Hydrology]>>[Flow Direction]，在出现的对话框中将 [Input Surface]参数指定为“Filled Sink1”；确定后得到流向栅格 [Flow Direction1]，流向栅格单元的数值表示的含义即是上述提到的流向分析原理中的值（见图4）。

图4 获得流向栅格数据

2）计算流水累积量：执行工具条[HydrologyModeling]中的菜单命令[Hydrology]>>[Flow Accumulation]，在出现的对话框中将 [Direction Raster]参数指定为“Flow Direction1”。

3）提取河流网络：利用地图代数来进行河网提取[6]。目前常用的河网提取方法是采用地表径流漫流模型计算：首先是在无洼地DEM上利用最大坡降的方法得到每一个栅格水流方向，然后利用水流方向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，所得到汇流累积量则代表在一个栅格位置上有多少个栅格的水流方向流经该栅格。

4）提取河流网络栅格：打开 Arctoolbox，运行工具 [SpatialAnalystTools]>>[Map Algebra]>>[单输出地图代数]。在 [地图代数表达式]中输入公式：con (Flow Accumulation1>800,1)[输出栅格]指定为：Stream-Net。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]。

5）提取河流网络矢量数据：执行工具条[Hydrology Modeling]中的菜单命令[Hydrology]>>[Stream Network As Feature]，在出现的对话框中将 [Direction Raster]参数指定为"Flow Direction1"，[AccumulationRaster]参数指定为"Flow Accumulation1"，[M inimum NumberofCells for a Stream]参数指定为1 000，确定后得到河流网络矢量数据。

6）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[Shape1],通过打开[Shape1]属性表，并选择属性表的所有行，选择图层 [Shape1]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。在 [平滑]处理对话框中输入参数[允许最大偏移]：3；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，如图5所示。

图5 平滑处理后的数据

7）流域分析：执行工具条 [Hydrology Modeling]中的菜单命 [Hydrology]>>[Watershed]，在出现的对话框中将[Direction Raster]参数指定为"Flow Direction1"，[AccumulationRaster]参数指定为"Flow Accumulation1"，[M inimum Number of Cells for a Stream]参数指定为2 000，确定后得到流域栅格 [Watershed1]。打开 [空间分析]工具栏，执行命令:[空间分析]>>[转换]>> [栅格到要素]，将流域栅格转换成为矢量图层，得到矢量数据：[WaterShed.shp]。设置图层 [Watershed]属性[符号]后得到类似图6所示的效果。

图6 流域栅格转换为矢量图层

3 水文分析的应用——降水分析

执行命令[Hydrology]>>[InteractiveProperties]选中“RainDrop”按钮，在DEM上任意位置点击（表示这里有降雨），则显示一条路径表示此处的降水的最终流向。图面非常直观、易理解，这给实际降水降雨提供了一个很好的平台。降水流向分析见图7。

图7 降水流向分析

4 结语

基于ArcGIS的水文流域分析可以对水文流域灾害的发生、发展 (时间、空间)以及其流向进行区划、预测预报，对模型库管理具有模型存取、查询、维护、操作、新建模型等功能[7]。利用ArcGIS进行水文流域分析提高了水文三维可视化的质量和速度，能够带来巨大的社会效益[8]。但是，目前的 ArcGIS也不尽完美，当用户分析内容过大时，将会带来数据量的增加，系统的运行将会变得迟缓，过大的模型导入到程序中进一步操作也会出现类似的问题。为了更合理地体现出流域径流，在DEM数据中提取水文信息的传统方法基础上，加入子流域界数据和河流位置数据，利用这 3种数据共同分析，将会达到更好的效果。这样能确保在与实际情况相符的前提下，更加精确地反映出河道附近格网的水流方向。这也将是作者今后研究的方向。

[1] 程雄，王红.GIS软件应用[M].武汉：武汉大学出版社，2004

[2] 刘志平，张素华，杜启胜，等.基于ArcGIS的DEM生成方法及应用[J].地理空间信息，2009,7（5）：69-71

[3] 张瑞军.数字高程模型(DEM)的构建及其应用[J].工程勘察，2005，7(5)：61-64

[4] 苏姝，李霖，刘庆华.基于DEM对都市流域的水文分析[J].武汉理工大学学报，2005，27（11）：59-62

[5] 郭立华，郭生练.基于DEM的数字河网生成方法的探讨[J].长江科学院院报,2003(4):14-17

[6] 程朋根，刘少华，王伟，等.三维地质模型构建方法的研究及应用[J].吉林大学学报：地球科学版，2004，4(2)：309-313

[7] 何政伟，黄润秋，许强，等.基于ArcGIS的地质灾害防治信息与决策支持系统的研制[J].吉林大学学报:地球科学版，2004，34（4）：601-606

[8] 侯海滨，侯海江.基于MapGIS的县级土地利用数据库的建设[J].测绘与空间地理信息，2010(1)：136-139

Analysis and Application of Hydrological Basin Based on ArcGIS

by LI Junchao

Understanding the basic principle ofhydrologic analysis based on the DEM data,we utilized hydrologic analysis tools provided by ArcGIS to analysis the data for practical life production.These tools can make contribution todanger forecasting,soil research,and precipitation analysis.

ArcGIS，hydrologic analysis，DEM

2012-02-02

P208

B

1672-4623(2012)06-0121-03

李俊超,研究方向为工程测量、城市空间信息。