基于ArcGIS的水文流域分析及應用

李俊超，馬 倩，陶 鈞

（1.福建省測繪院，福建福州350000；2.內蒙古自治區測繪院，內蒙古呼和浩特010051；3.武進規劃與測繪院，江蘇常州213000）

基于ArcGIS的水文流域分析及應用

李俊超1，馬 倩2，陶 鈞3

（1.福建省測繪院，福建福州350000；2.內蒙古自治區測繪院，內蒙古呼和浩特010051；3.武進規劃與測繪院，江蘇常州213000）

在理解基于DEM數據進行水文分析的基本原理的基礎上，利用ArcGIS提供的水文分析工具對DEM數據水文流域進行了分析和研究，并將其運用于實際生產生活中，為險情預報、土質研究、降水分析等提供了幫助。

ArcGIS；水文分析；DEM

傳統的地形圖是將地面上的信息 (地貌、地物以及各種名稱)用圖形和注記的方式表示在圖紙上，其優點在于直觀，便于攜帶與使用[1]。然而，隨著計算機技術和信息處理技術的飛速發展，紙質地圖不能被計算機直接利用，無法滿足各種工程設計自動化的研究要求。因此，地圖的數字化產品逐步得到開發應用。數字高程模型（DEM）則是一種典型的數字化產品，是流域地形、地物識別的重要原始資料，具有廣泛的實際應用價值：在測繪生產中可用于繪制等高線、坡度，制作立體景觀圖等；在工程項目中可用于體積、面積的計算，線路的設計等；在環境與規劃中可用于各種規劃、洪水險情預報、水文研究等[2]。自20世紀60年代以來，在利用DEM提取流域水文特征，模擬地表水文過程等方面國內外都開展了大量的研究[3]。本文基于ArcGIS軟件中水文分析工具(HydrologyModeling)，對水文流域分析進行研究和比較，能起到對水文流域災害的發生、發展 (時間、空間)并對其流向進行區劃、預測預報作用，從而實現對水文流域的分析。ArcGIS提供的水文分析模塊主要用來建立地表水的運動模型，輔助分析地表水流從哪里產生以及要流向何處，再現水流的流動過程[4]。同時，利用水文分析工具也可以有助于了解排水系統和地表水流過程的一些基本概念和關鍵過程，以及從DEM數據上獲取更多的水文信息。

1 基于ArcGIS的水文分析過程

水文分析的主要步驟如圖1所示。

由于被較高高程區域圍繞的洼地是進行水文分析的一大障礙，因此在確定水流方向以前，必須先將洼地填充，獲得無洼地的DEM[5]。有些洼地是DEM生成過程中的數據錯誤帶來的，但另外一些卻表示了真實的地形如采石場或巖洞等。因此在進行洼地填充之前，必須計算洼地深度，然后在進行洼地填充的過程中，設置合理的填充閾值。我們可以通過填充洼地(Fill Sinks)得到無洼地的DEM，具體步驟文中將作介紹。

圖1 利用DEM進行水文分析的主要步驟圖

2 水文分析

2.1 水文流向分析原理

流向分析的原理如圖2所示，共有8個方向，分別是2的 n次方。水流的流向是通過計算中心柵格與鄰域柵格的最大距離權落差來確定的。距離權落差是指中心柵格與鄰域柵格的高程差除以兩柵格間的距離，柵格間的距離與方向有關，如果鄰域柵格對中心柵格的方向值為2、8、32、128，則柵格間的距離為SQRT (2)≈1.414，否則距離為1。如果高程差為正值，則為流出；為負值，則為流入。

圖2 流向分析原理圖

2.2 原始資料數據的獲得

現以某地區1∶5萬DEM數據為例：在ArcMap中加載DEM數據，執行工具條 [HydrologyModeling]中的菜單命令 [Hydrology]>>[Fill Sinks]，在出現的對話框中將 [InputSurface]參數指定為“DEM”，確定后得到無洼地的DEM數據：[Filled Sink1]（見圖3）。

圖3 無洼地的DEM數據

2.3 水文分析的具體步驟

1）流向分析：執行工具條 [Hydrology Modeling]中的菜單命令 [Hydrology]>>[Flow Direction]，在出現的對話框中將 [Input Surface]參數指定為“Filled Sink1”；確定后得到流向柵格 [Flow Direction1]，流向柵格單元的數值表示的含義即是上述提到的流向分析原理中的值（見圖4）。

圖4 獲得流向柵格數據

2）計算流水累積量：執行工具條[HydrologyModeling]中的菜單命令[Hydrology]>>[Flow Accumulation]，在出現的對話框中將 [Direction Raster]參數指定為“Flow Direction1”。

3）提取河流網絡：利用地圖代數來進行河網提取[6]。目前常用的河網提取方法是采用地表徑流漫流模型計算：首先是在無洼地DEM上利用最大坡降的方法得到每一個柵格水流方向，然后利用水流方向計算出每一個柵格在水流方向上累積的柵格數，即匯流累積量，所得到匯流累積量則代表在一個柵格位置上有多少個柵格的水流方向流經該柵格。

4）提取河流網絡柵格：打開 Arctoolbox，運行工具 [SpatialAnalystTools]>>[Map Algebra]>>[單輸出地圖代數]。在 [地圖代數表達式]中輸入公式：con (Flow Accumulation1>800,1)[輸出柵格]指定為：Stream-Net。說明：通過此操作將流水累積量柵格 [Flow Accumulation1]中柵格單元值（流水累積量）大于800的柵格賦值為1，從而得到河流網絡柵格 [StreamNet]。

5）提取河流網絡矢量數據：執行工具條[Hydrology Modeling]中的菜單命令[Hydrology]>>[Stream Network As Feature]，在出現的對話框中將 [Direction Raster]參數指定為"Flow Direction1"，[AccumulationRaster]參數指定為"Flow Accumulation1"，[M inimum NumberofCells for a Stream]參數指定為1 000，確定后得到河流網絡矢量數據。

6）平滑處理河流網絡：打開 [編輯器]工具欄，執行工具欄中的命令 [編輯器]>>[開始編輯]，確保目標圖層為河流網絡圖層[Shape1],通過打開[Shape1]屬性表，并選擇屬性表的所有行，選擇圖層 [Shape1]中的所有要素，也可以通過要素選擇按鈕選擇圖層中所有要素執行 [編輯器]工具欄中的命令 [編輯器]>> [更多的編輯工具]>>[高級編輯]打開工具條：[高級編輯]，點擊其上的 [平滑]按鈕。在 [平滑]處理對話框中輸入參數[允許最大偏移]：3；得到平滑后的河流網絡矢量圖層，執行命令：[編輯器]>>[停止編輯]，保存所做修改，如圖5所示。

圖5 平滑處理后的數據

7）流域分析：執行工具條 [Hydrology Modeling]中的菜單命 [Hydrology]>>[Watershed]，在出現的對話框中將[Direction Raster]參數指定為"Flow Direction1"，[AccumulationRaster]參數指定為"Flow Accumulation1"，[M inimum Number of Cells for a Stream]參數指定為2 000，確定后得到流域柵格 [Watershed1]。打開 [空間分析]工具欄，執行命令:[空間分析]>>[轉換]>> [柵格到要素]，將流域柵格轉換成為矢量圖層，得到矢量數據：[WaterShed.shp]。設置圖層 [Watershed]屬性[符號]后得到類似圖6所示的效果。

圖6 流域柵格轉換為矢量圖層

3 水文分析的應用——降水分析

執行命令[Hydrology]>>[InteractiveProperties]選中“RainDrop”按鈕，在DEM上任意位置點擊（表示這里有降雨），則顯示一條路徑表示此處的降水的最終流向。圖面非常直觀、易理解，這給實際降水降雨提供了一個很好的平臺。降水流向分析見圖7。

圖7 降水流向分析

4 結語

基于ArcGIS的水文流域分析可以對水文流域災害的發生、發展 (時間、空間)以及其流向進行區劃、預測預報，對模型庫管理具有模型存取、查詢、維護、操作、新建模型等功能[7]。利用ArcGIS進行水文流域分析提高了水文三維可視化的質量和速度，能夠帶來巨大的社會效益[8]。但是，目前的 ArcGIS也不盡完美，當用戶分析內容過大時，將會帶來數據量的增加，系統的運行將會變得遲緩，過大的模型導入到程序中進一步操作也會出現類似的問題。為了更合理地體現出流域徑流，在DEM數據中提取水文信息的傳統方法基礎上，加入子流域界數據和河流位置數據，利用這 3種數據共同分析，將會達到更好的效果。這樣能確保在與實際情況相符的前提下，更加精確地反映出河道附近格網的水流方向。這也將是作者今后研究的方向。

[1] 程雄，王紅.GIS軟件應用[M].武漢：武漢大學出版社，2004

[2] 劉志平，張素華，杜啟勝，等.基于ArcGIS的DEM生成方法及應用[J].地理空間信息，2009,7（5）：69-71

[3] 張瑞軍.數字高程模型(DEM)的構建及其應用[J].工程勘察，2005，7(5)：61-64

[4] 蘇姝，李霖，劉慶華.基于DEM對都市流域的水文分析[J].武漢理工大學學報，2005，27（11）：59-62

[5] 郭立華，郭生練.基于DEM的數字河網生成方法的探討[J].長江科學院院報,2003(4):14-17

[6] 程朋根，劉少華，王偉，等.三維地質模型構建方法的研究及應用[J].吉林大學學報：地球科學版，2004，4(2)：309-313

[7] 何政偉，黃潤秋，許強，等.基于ArcGIS的地質災害防治信息與決策支持系統的研制[J].吉林大學學報:地球科學版，2004，34（4）：601-606

[8] 侯海濱，侯海江.基于MapGIS的縣級土地利用數據庫的建設[J].測繪與空間地理信息，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,研究方向為工程測量、城市空間信息。