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GIS水文分析

实验（五）水文分析
1. 实验目的
通过Arctoolbox：水文分析工具位于[Spatial Analyst Tools]>>[Hydrology]之下。
2. 实验数据
DEM
2. 实验步骤
u 打开ArcMap，并打开dem数据。如图所示

1. 无洼地DEM生成
（1）流向分析
方法：在ArcMap中用左键单击ArcToolbox图标，启动ArcToolbox。
􀂾 打开水文分析模块。启动ArcToolbox，展开Spatial Analyst Tools工具箱，打开hydrology工具集。
􀂾 双击Flow Direction工具，打开水流方向（Flow Direction）计算对话框。
􀁺 Input surface data文本框中选择输入数据dem。
􀁺 Output flow direction raster文本框中命名计算出来的水流方向文件名为flowdir，并选择保存路径。
􀁺 在Force all edge cells to flow outward(Optional)前的复选框前打钩，所有在DEM数据边缘的栅格的水流方向全部是流出DEM数据区域。默认为不选择。这一步为可选步骤。

2 .洼地计算
① 洼地计算
􀂾 双击hydrology工具集中的Sink工具，弹出洼地计算对话框.
􀁺 在Input surface raster文本框中，选择水流方向数据flowdir。
􀁺 在Output surface raster文本框中，选择存放的路径以及重新命名输出文件为sink。
􀁺 单击OK计算出洼地提取结果。

② 洼地深度计算
􀂾 双击hydrology工具集中的watershed工具，弹出流域计算对话框，用来计算洼地的贡献区域。
􀁺 在Input flow direction raster文本框中选择水流方向数据flowdir，在Input raster or feature pour point文本框中输入洼地数据sink，在pour point field文本框中选择value。
􀁺 在Output raster文本框中设置输出数据的名称为watershsink。
􀁺 单击OK，进行洼地贡献区域的计算。

2）计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程。双击spatial analysis tools工具箱中zonal工具集下的zonal statistic工具，弹出分区统计对话框。
􀀹 在Input raster or feature zonal data文本框中，选择洼地贡献区域数据watershsink；
􀀹 在Input value raster文本框中输入希望进行统计分析的数据层，现在需要统计洼地贡献区域的最低高程，选dem作为value raster。
􀀹 在Output raster文本框中将输出数据文件命名为zonalmin，存放路径保持不变。
统计类型选择。在统计类型选择的下拉菜单中有软件所提供的一些统计类型：分别是在分带区域中统计的每一个分带的平均值（mean）、最大值（maximum）、最小值（minimum）、分带中的属性值的变化值（rang）、标准差（std）以及总和（sum）。这里选择最小值作为统计类型。
􀀹 以上设置完毕之后，单击OK，完成计算。

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。双击spatial analysis tools工具箱中zonal工具集下的zonal fill工具，弹出分区统计对话框。在Input zone raster文本框中选择watershsink，在Input weight raster 文本框中选择dem，在Output raster文本框中将输出数据文件名改为zonalmax，然后单击OK，进行运算。

4） 计算洼地深度。加载Spatial Analys Toolst模块，点击MapAlgebra模块的下拉箭头，点击raster calculator菜单工具，在文本框里面输入sinkdep = ( [zonalmax] - [zonalmin])，然后点击evaluate进行计算。如图所示

5)洼地填充
􀂾 双击hydrology工具集中的fill工具，弹出洼地填充对话框。
􀁺 在Input surface raster文本框中，选择需要进行填洼的原始数据DEM数据。
􀁺 在Output surface raster文本框中设置输出文件名为filldem。
􀁺 Z limit——填充阈值，当设置一个数值之后，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。单击OK。

l 计算流水累积量
（1）基于无洼地DEM的水流方向的计算
计算过程同上一节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。

（2）汇流累积量的计算
在得到水流方向之后，可以利用水流方向数据来计算汇流累积量。双击hydrology工具集中的的fill accumulation工具，打开汇流累积量计算对话框。
􀁺 在Input flow direction raster文本框中，选择由无洼地DEM生成的水流方向栅格数据fdirfill。
􀁺 在Output accumulation raster文本框中，将数据文件名修改为flowacc。
􀁺 在Input weight raster文本框中输入配权数据，如果无数据，系统默认为所有的栅格配以相同的权值1，那么计算出来的汇流累积量的数值就代表着该栅格位置流入的栅格数的多少。
􀁺 点击OK，完成计算。

3. 水流长度提取（1）双击hydrology工具集中的flow length工具，弹出水流长度的计算对话框，用来计算水流长度的大小。
（2）在Input flow direction raster文本框中选择基于无洼地DEM提取出的水流方向数据fdirfill。
（3）在Output raster文本框中选择并命名输出的水流长度栅格数据文件名称。分别进行顺流计算和朔流计算，输出的数据文件命名为Flowlendown和Flowlenup。
（4）计算方向提供了两种选择，分别为Downstream（顺流计算）和Upstream（朔流计算）。
（5） 输入计算配权栅格数据。那么对于flow length来说，Downstream记录着其沿着水流方向到下游流域出水口中最长距离所流经的栅格数；Upstream则记录着其沿着水流方向到上游栅格的最长的距离的栅格数。
（6）当设置完成后，点击OK完成。

顺流方向

逆流方向

4. 提取河流网络
（1）提取河流网络栅格
􀂾 河网的生成是基于汇流累积矩阵数据flowacc作为基础数据。
􀂾 设定阈值，比如5000 栅格形式的河网的形成
􀂾 利用ArcMap中的Spatial Analysis Tools分析模块中MapAlgebra下的Raster Calculator来计算出所有大于设定阈值的栅格Con("flowacc" > 5000,1,0)，这些栅格就是河网的潜在位置。将计算出来的栅格河网命名为streamnet

􀂾 栅格河网矢量化。在hydrology工具集中提供了将上一步生成的栅格河网(重新分类)进行矢量化的工具stream to feature，通过stream to feature就可以得到矢量形式的河网图。
􀁺 在Input stream raster文本框中，选择streamnet；在Input flow direction raster文本框中，输入由无洼地计算出来的水流方向数据fdirfill；在Output polyline features 文本框中将输出的数据命名为streamfeature。生成的矢量数据。

（2）流域出水点stream link的生成
􀂾 Stream link基于水流方向数据和栅格河网数据计算，首先在ArcMap里将水流方向数据fdirfill和栅格河网数据streamnet打开。
􀂾 双击hydrology工具集中的stream link工具，弹出stream link计算的对话框。
􀁺 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 raster文本框中将输出数据名称设为StreamLink。
􀂾 点击OK进行运算。

（3）河网分级
􀂾 双击hydrology工具集中的stream order工具，弹出stream order计算的对话框
􀁺 在Input stream raster文本框中选择streamnet，在Input flow direction raster文本框中选择fdirfill。分别用Strahler分级和Shreve分级对河网进行分级，改输出数据名称分别设为Streamostr和Streamoshr，
􀂾 单击OK完成。

Strahler分级

Shreve分级

5 流域的分割
（1）流域盆地的确定
􀂾 双击hydrology工具集中的basin工具，打开流域盆地计算的对话框。
􀂾 输入数据为水流方向数据fdirfill，设置输出数据文件名为basin。
􀂾 点击OK完成。

（2）集水流域的生成
􀂾 双击hydrology工具集中的watershed工具，打开集水区域（贡献区域）计算的对话框。分别在水流方向数据和出水口数据输入的文本框中选择fdirfill和streamlink数据，在输出数据中将输出的文件名改为watershed。
􀂾 点击OK，进行集水区域的计算。