ArcGIS空間分析工具之水文分析詳解

概述
水文分析工具重點處理的是水在地表上的運動情況，“水文分析”工具用于為地表水流建立模型。
有關地球表面形狀的信息對許多領域（例如區域規劃、農業和林業）都十分有用。
這些領域需要了解某個區域中水的流動方式以及區域內發生哪些變化會對水流產生影響。

建立水流模型時，您可能想知道水來自何方，要流向哪里。
接收雨水的區域以及雨水到達出水口前所流經的網絡被稱為水系。
流經水系的水流只是通常所說的水文循環的一個子集，水文循環還包括降雨、蒸發和地下水流。
如何使用水文分析功能幫助建立水在地表上的運動模型、有關水系和表面處理的概念和關鍵術語、如何使用水文分析工具從數字高程模型 (DEM) 中提取水文信息以及水文分析的應用示例。
盆域分析（Basin）：創建描繪所有流域盆地的柵格。
填洼（Fill）：通過填充表面柵格中的匯來移除數據中的小缺陷。
流量（Flow Accumulation）：創建每個像元累積流量的柵格。可選擇性應用權重系數。
流向（Flow Direction）：創建從每個像元到其最陡下坡相鄰點的流向的柵格。
水流長度（Flow length）：計算沿每個像元的流路徑的上游（或下游）距離或加權距離。
匯（Sink）：創建識別所有匯或內流水系區域的柵格。
捕捉傾瀉點（Snap pour point）：將傾瀉點捕捉到指定范圍內累積流量最大的像元。
河流連接（Stream link）：向各交匯點之間的柵格線狀網絡的各部分分配唯一值。
河網分級（Stream Order）：為表示線狀網絡分支的柵格線段指定數值順序。
柵格河網矢量化（Stream to Feature）：將表示線狀網絡的柵格轉換為表示線狀網絡的要素。
分水嶺（Watershed）：確定柵格中一組像元之上的匯流區域。
了解水系的術語，如下圖。

流域盆地的組成部分
以下流程圖顯示的是從數字高程模型 (DEM) 中提取水文信息（如分水嶺邊界和河流網絡）的過程。

水文建模流程圖
現在就以手中的這個DEM為例來依次使用工具集中的工具，來學習這部分功能：

高程數據
02
流向（Flow Direction）
流向工具的輸出是值范圍介于 1 到 255 之間的整型柵格。從中心出發的各個方向值為。
例如，如果最陡下降方向位于當前處理像元的左側，則將該處理像元的流向編碼將為 16。

流向的編碼
如果像元的 z 值在多個方向上均發生相同變化，并且該像元是凹陷點的一部分，則該像元的流向將被視為未定義。
此時，該像元在輸出流向柵格中的值將為這些方向的總和。
例如，如果 z 值向右（流向 = 1）和向下（流向 = 4）的變化相同，則該像元的流向為 1 + 4 = 5。
可以使用匯工具將具有未定義流向的像元標記為凹陷點。

流向
03
匯（Sink）
匯是指流向柵格中流向無法被賦予八個有效值之一的一個或一組空間連接像元。
在所有相鄰像元都高于處理像元時，或在兩個像元互相流入以創建一個由兩個像元構成的循環時，都會發生這種情況。
匯被視為具有未定義的流向，并被賦予等于其可能方向總和的值。
例如，如果最陡下落及其產生的流向都是向右 (1) 和向左 (16)，則會分配值 17 作為該像元的流向。

匯的剖面圖
要精確表示流向及其產生的累積流量，最好使用不含匯的數據集。
經過處理已移除所有匯的數字高程模型 (DEM) 被稱為無凹陷點 DEM。
導致高程數據中出現匯的最常見原因是數據內存在錯誤。
采樣效果和將高程取舍為整數通常是產生此類錯誤的原因。
除了在冰川和卡斯特地貌區，在像元大小為 10 米或更大的高程數據中出現自然產生的匯極其罕見 (Mark 1988)，通常可將其視為錯誤。
隨著像元大小的增大，數據集中的匯數通常也隨之增多。
創建無凹陷點 DEM 時，將重復進行匯的識別和移除操作。
填充匯時，填充區域的邊界可能會生成新匯，隨后還需要對這些匯進行填充。
有關區域填充工具的主題可幫助說明如何創建無凹陷點 DEM。
有時，了解一個或一組匯的深度十分有用。
此信息可用于確定將為填充工具的 Z 限制設置的適合的值，也可用于了解數據中存在的錯誤類型。

匯（Sink）
04
填洼（Fill）
通過填充表面柵格中的匯來移除數據中的小缺陷。
凹陷點是指具有未定義流域方向的像元；其周圍的像元均高于它，傾瀉點相對于凹陷點的匯流區域高程最低的邊界像元。
如果凹陷點中充滿了水，則水將從該點傾瀉出去。

運行填挖前后的匯的剖面圖

運行填挖前后的峰的剖面圖
備注：有關填充的Z限制，要填充的凹陷點與其傾瀉點之間的最大高程差。
如果凹陷點與其傾瀉點之間的 z 值差大于 z 限制，則不會填充此凹陷點。
默認情況下將填充所有凹陷點（不考慮深度）。
05
流量（Flow Accumulation）
創建每個像元累積流量的柵格。
流量累積將基于流入輸出柵格中每個像元的像元數。
高流量的輸出像元是集中流動區域，可用于標識河道。
流量為零的輸出像元是局部地形高點，可用于識別山脊。
流量工具不遵循壓縮環境設置。輸出柵格將始終處于未壓縮狀態。

確定流量
通過上面的填洼，求流向，得到如下流量圖，看到了河道：

流量
06
河網分級（Stream Order）
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。
河網分級工具有兩種可用于分配級別的方法。
這兩種方法由 Strahler (1957) 和 Shreve (1966) 提出。
在這兩種方法中，始終將 1 級分配給上游河段。
Strahler 河流分級方法：
在 Strahler 法中，所有沒有支流的連接線都被分為 1 級，它們稱為第一級別。
當級別相同的河流交匯時，河網分級將升高。
因此，兩條一級連接線相交會創建一條二級連接線，兩條二級連接線相交會創建一條三級連接線，依此類推。
但是，級別不同的兩條連接線相交不會使級別升高。
例如，一條一級連接線和一條二級連接線相交不會創建一條三級連接線，但會保留最高級連接線的級別。

Strahler 河流分級方法
Shreve 河流分級方法：
Shreve 法考慮網絡中的所有連接線。
與 Strahler 法相同，所有外連接線都被分為 1 級。
但對于 Shreve 法中的內連接線，級別是增加的。
例如，兩條一級連接線相交會創建一條二級連接線，一條一級連接線和一條二級連接線相交會創建一條三級連接線，而一條二級連接線和一條三級連接線相交則會創建一條五級連接線。
因為級別可增加，所以 Shreve 法中的數字有時指的是量級，而不是級別。
在 Shreve 法中，連接線的量級是指上游連接線的數量。

Strahler 河流分級方法
07
柵格河網矢量化（Stream to Feature）
柵格河網矢量化工具使用的算法主要用于矢量化河流網絡或任何表示方向已知的柵格線性網絡的柵格。
該工具使用方向柵格來幫助矢量化相交像元和相鄰像元，可將兩個值相同的相鄰柵格河網矢量化為兩條平行線。
這與柵格轉折線 (Raster to Polyline) 工具相反，后者通常更傾向于將線折疊在一起，下圖是兩者的對比。

比較矢量化河流網絡柵格方法
08
河流連接（Stream link）
向各交匯點之間的柵格線狀網絡的各部分分配唯一值。
“連接”是指連接兩個相鄰交匯點、連接一個交匯點和出水口或連接一個交匯點和分水嶺的河道的河段。

比較矢量化河流網絡柵格方法

河道中的連接
09
水流長度（Flow Length）
水流長度工具的主要用途是計算給定盆地內最長水流的長度。
該度量值常用于計算盆地的聚集時間。
這可使用 UPSTREAM 選項來完成。
該工具也可通過將權重柵格用作下坡運動的阻抗，來創建假設降雨和徑流事件的距離-面積圖。

水流長度

水流長度
10
捕捉傾瀉點（Snap pour point）
捕捉傾瀉點工具用于確保在使用分水嶺工具描繪流域盆地時選擇累積流量大的點。
捕捉傾瀉點將在指定傾瀉點周圍的捕捉距離范圍內搜索累積流量最大的像元，然后將傾瀉點移動到該位置。
11
分水嶺（Watershed）
分水嶺是將流體（通常是水）匯集到公共出水口使其集中排放的上坡區域。
它可以是較大分水嶺的一部分，也可包含被稱為自然子流域的較小分水嶺。
分水嶺之間的邊界被稱作流域分界線。
出水口或傾瀉點是表面上水的流出點。
它是分水嶺邊界上的最低點。

分水嶺組成
描繪分水嶺，通過計算流向，并在分水嶺工具中使用 DEM，可以由 DEM 描繪分水嶺。
要確定匯流區域，必須首先使用流向工具創建表示流向的柵格。
然后，需要給出匯水區的位置。
源位置可能是水壩或河水位標之類的要素，您需要針對它決定匯流區域特征。
您也可以使用流量閾值。
當使用閾值于定義分水嶺時，分水嶺的傾瀉點將是根據流量推導出的河流網絡交匯點。
因此，必須指定流量柵格，同時指定構成河流的最小像元數目（閾值）。

分水嶺

輸出是分水嶺柵格
12
盆域
創建描繪所有流域盆地的柵格。
通過識別盆地間的山脊線，在分析窗口中描繪流域盆地。
通過分析輸入流向柵格數據找出屬于同一流域盆地的所有已連接像元組。
通過定位窗口邊緣的傾瀉點（水將從柵格傾瀉出的地方）及凹陷點，然后再識別每個傾瀉點上的匯流區域，來創建流域盆地。
這樣就得到流域盆地的柵格。
以下是盆域分析示例：

描繪盆域

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