ArcGIS在其ArcToolBox中提供了水文分析工具集,，其作用主要是模擬地表水形成徑流的過程，并利用這一模擬過程實(shí)現(xiàn)河流,、出水口以及流域的提取,。由于水文分析工具集在spatial工具箱中，因此要運(yùn)行它,，必須具備spatial擴(kuò)展授權(quán),。

水文分析工具集提供總計11個工具，如下圖 

相對于ArcHydro上百個工具,，原生的水文分析工具顯得相對少了點(diǎn),，但每一個工具都非常的實(shí)用。它的所有的分析都是基于數(shù)字高程模型（DEM）和D8單流向算法進(jìn)行的,，因此,，了解DEM和D8算法是相當(dāng)重要的。

了解DEM數(shù)據(jù)

對GIS人員來說,，DEM是常見的數(shù)據(jù)格式了,。但對水文分析人員，不一定都了解,。DEM是一種連續(xù)的柵格的,，每一個柵格代表一個矩形范圍，而每個柵格用不同的灰度值表示其高程值,。如下圖 

因為DEM是連續(xù)的柵格數(shù)據(jù)，ArcGIS軟件默認(rèn)給定的是灰白的渲染模式,，因此,，如果不看其圖例，一般人是不清楚DEM數(shù)據(jù)表達(dá)的地形的,。

 
從圖上可以看出,，該區(qū)域最高的地方為4327米，最低是442米,。而渲染方式是地形數(shù)值越高越偏向亮色,，地勢越低越偏向黑色?；旧峡梢钥辞宄l(fā)亮的部分是山脊,，而黑色部分是山谷或者河流。連續(xù)灰度的渲染方式是給機(jī)器計算時使用的,，如果像更好的表達(dá)DEM數(shù)據(jù),，更符合人類閱讀,，可以通過DEM生成山體陰影，然后疊加彩色的渲染方式,，其效果大概如下圖 

這還不是關(guān)鍵,，了解DEM關(guān)鍵的要清楚DEM的元數(shù)據(jù)信息。這個元數(shù)據(jù)信息可以在在【圖層】右鍵【屬性】中查看,。

從元數(shù)據(jù)信息可以看到該DEM的像元大小是30*30,，也就是每一個柵格的格子代表實(shí)際面積為30 * 30 見方。如果加上上面的行數(shù)和列數(shù)788 * 768 ,，那么可以計算出該區(qū)域的總面積為30 * 30 788 768 （平方米）,。這就是DEM元數(shù)據(jù)信息中所包含的重要信息。

在利用DEM做河流提取和流域提取時,，要限制最小區(qū)域的集水區(qū)（即形成河流的最小匯水面積）,，那就需要通過DEM的元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行換算柵格的格子數(shù)。例如最小的流域為9平方公里,，那么換算成該數(shù)據(jù)的柵格數(shù)據(jù)為9000000/30/30 = 10000（格子數(shù)）,。這會在后面流量分析中提及到。

D8單流向算法

前面提及到ArcGIS水文分析的兩個重要的基礎(chǔ),，一是使用DEM進(jìn)行分析,，二是分析的基礎(chǔ)算法為D8單流向算法。 
D8算法是假定雨水降落在地形中某一個格子上,，改格子的水流將會流向周圍8個格子地形最低的格子中,。如果多個像元格子的最大下降方向都相同，則會擴(kuò)大相鄰像元范圍,，直到找到最陡下降方向為止,。如圖所示 
 
其流向則用2的n次方表示，從0開始,，按照逆時針分別為遞增,，其方位編碼如下圖所示 

這樣編碼的好處自然是通過數(shù)學(xué)的方式，讓計算機(jī)可以非?？斓氖褂枚M(jìn)制進(jìn)行索引,，加快大區(qū)域的流量累計統(tǒng)計。

所以,，D8 算法又稱作單流向算法,。其特點(diǎn)就計算速度快，能夠很好的反應(yīng)出地形對地表徑流形成的作用,。但其弊端也是顯而易見,。因為水流只流向一個方向，是單線傳遞,，一旦遇到某一洼地的時候,，周邊的水流都會集中向該洼地流入,，導(dǎo)致斷流現(xiàn)象,而現(xiàn)實(shí)中由于水會向多個方位不定向的流動，是不會輕易導(dǎo)致斷流的,。如果要避免這種情況發(fā)生,，就需要對地形中的洼地進(jìn)行填平，確保水流也能從該洼地流出,。這就是為什么水文分析工具中出現(xiàn)了一些與水文分析完全沒有關(guān)系的一個工具–填洼 ,。

從D8算法可以看出，ArcGIS的水文分析工具是依賴無凹陷的DEM地形的,，所以在分析之前都必須對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查,。【匯】工具和【填洼】工具就是為了分析前查找和填平洼地而生的,，在使用水文分析之前必須要使用這兩個工具對DEM進(jìn)行處理,。 
單流向算法影響限制了ArcGIS水文分析工具的使用。尤其是地勢平坦的地區(qū)和人工干預(yù)比較多的城市區(qū)域,，基本上不適用,。因為地勢平坦導(dǎo)致水流無法沿某一方向流動而形成徑流。 
另一種情況是事實(shí)上的斷流形成,，如存在地表水流匯流入地下水系的情況,。一旦出現(xiàn)流入地下暗河，D8算法就完全失效,。因此,，在喀斯特地貌中同樣也不適用。

D8算法是完全不考慮降雨的多少,、土壤滲透率,、植被吸水以及水流擋阻等水文過程，它只是假定有無限的降雨并最終匯聚水流形成徑流,，并通過匯流范圍來定義最終的河流,。因此，它只是一個徑流匯成河流的定性分析（盡管流量計算看起來是有定量因子）,，并不能通過其流量算法去做水文的預(yù)報。

關(guān)于流量

ArcGIS水文分析中的流量并不是指水文監(jiān)測中的實(shí)際流量,，它只是流向分析結(jié)果的一個柵格累計計算,。流量柵格中每一個像元記錄的是流向柵格中流向該點(diǎn)的柵格數(shù)量的總和。如下圖所示 

從原理上可以看出,，如果將流量上柵格上的某一點(diǎn)作為出水口,，那么，所有流向該點(diǎn)的像元的集合便構(gòu)成了一個最小的集水區(qū)域,。所以,，如果要針對分析區(qū)域進(jìn)行小流域的劃分,，那么前提條件便是要得到流向和流量柵格，并且要根據(jù)柵格像元的大小計算最小的積水區(qū)域,，而這個區(qū)域的計算則需要將面積換算為柵格的數(shù)量,。

換算的方法在前面DEM介紹部分已經(jīng)說明清楚，讀者可以往上翻頁再次瀏覽,。ArcGIS的官方文檔是不會對這些換算的方法進(jìn)行說明,，因為它面向的是偏計算機(jī)專業(yè)的人員，水文專業(yè)人員可能會對此比較難以理解,。

工具中的水文學(xué)術(shù)語

在ArcGIS水文分析工具11個分析工具中,，只有河流鏈接、河網(wǎng)分級,、分水嶺,、河流長度 這幾個才是直接對接水文學(xué)術(shù)語。

河流連接

ArcGIS官方幫助寫得相當(dāng)羞澀難懂,，其工具解釋如下

向各交匯點(diǎn)之間的柵格線狀網(wǎng)絡(luò)的各部分分配唯一值,。

基本上單看幫助說明，不管是GIS人員還是水文專業(yè)人員都不知道所云,。再看其插圖,，基本上可以看出其具體作用，就是針對一定流量的徑流進(jìn)行交互連接,。如下圖所示 
 
但問題又來了,，在傳統(tǒng)的水文學(xué)上，河流鏈接是分為外鏈和內(nèi)鏈的,，用于判定是否存在支流及河源,。所以，這個工具也僅僅是作為基于DEM生成河網(wǎng)的方式,。下圖為水文學(xué)上得河流鏈,，可以對比一下其區(qū)別。 

河網(wǎng)分級

河網(wǎng)分析是根據(jù)水系的連接情況進(jìn)行等級劃分,。ArcGIS的這個工具基本上可以跟水文學(xué)能夠完全對接,。但它只支持水文學(xué)上最常用的兩種分級模式–斯特拉勒（STRAHLER）和施里夫（SHREVE）分級方法。

這里的分級方法與傳統(tǒng)的地理學(xué)河流分級不一樣,。地理學(xué)上大江大河定義為一級,，如長江、黃河,、珠江這些定義為一級河流,；西江屬于珠江的一個大支流，定義為二級河流，如此類推,。這只是方便水利主管單位對流域進(jìn)行管理去定義的,，在水文分析中這種定義方式?jīng)]有太大的使用價值。

在水文學(xué)上主要使用以下幾種分級模式

1. 格雷夫利厄斯(Gravelius)分級法 
   格雷夫利厄斯(Gravelius)分級法有點(diǎn)類似中國傳統(tǒng)的河流分級定義,，水系中最大的主流為1級,，直接匯入1級河流的水系為2級，依次類推直到分級完成,。

2. 霍頓（Horton）分級法 
   霍頓（Horton）分級法將最小的沒有分支的水系定義為1級,，只接納1級河流的水系定義為2級，只接納2級河流的水系定義為3級,，如此類推直到定義完成,。

3. 斯特拉勒（STRAHLER）分級法 
   斯特拉勒（STRAHLER）分級法，沒有支流匯入的水系定義為1級別,，兩個相同級別的水系匯入某一河流時,，河流等級增加1級；如果等級不同,，則以最大等級的河流相同,。依次分級完成所有定義。

4. 施里夫（SHREVE）分級法 
   施里夫（SHREVE）分級法有點(diǎn)類似累計分級,，將沒有支流的水系定義為1級,，多個支流匯入，將其級別相加作為匯入河流的級別,。如此類推直到分級完成,。

5. 沙伊達(dá)格分級法 
   沙伊達(dá)格分級法是施里夫分級法的一個變種，分級方式與施里夫方法一致,，只是將沒有支流的河流定義為2級,，這樣所有的河流級別都是偶數(shù)。

以下是各種河網(wǎng)分級的示意圖 
 
格雷夫利厄斯分級法：水系中河流越小,，級數(shù)就越大,難以區(qū)分水系中的主流和支流,，同樣為1級的河流可能相差較大。 
霍頓分級法：2級以上的河流均可以一直延伸到河源,，但實(shí)際上它們的最上游都只具有1級河流的特征,。 
斯持拉勒法：不可能像霍頓分級法一樣將2級以上河流都一直延伸到河源，因而總是將能通過全流域水量和泥沙量的河流作為水系中最高級的河流的,。斯持拉勒法主要不足是不能反映流域內(nèi)河流級愈高,，通過的水量和泥沙量也愈大的事實(shí)。 
施里夫和沙伊達(dá)格分級法：很好彌補(bǔ)了上述分級方法的缺陷,，非常適合在數(shù)值上進(jìn)行計算。

為什么ArcGIS只保留斯特拉勒（STRAHLER）和施里夫（SHREVE）兩種分級方法。筆者認(rèn)為如果單從統(tǒng)計方面來說,，施里夫（SHREVE）方法是最優(yōu),，畢竟其推導(dǎo)有點(diǎn)類似匯流的計算，在水文流量和泥沙量的一些模擬上應(yīng)該有比較大的參考價值,。 
斯特拉勒（STRAHLER）分級方法,，一些研究水文的大師級人馬認(rèn)為它是根據(jù)水系形態(tài)與水文要素綜合分析引導(dǎo)出來的，可以作為尋求水系地貌的基礎(chǔ),。 
ArcGIS是根據(jù)流向和流量柵格來計算地表徑流（非河流）,，而河網(wǎng)分級工具并不是對已有的河流進(jìn)行分析，而是針對具有一定流量的地表徑流進(jìn)行分級,，分級之后再作為地表徑流轉(zhuǎn)為真正河流的基礎(chǔ),。所以，筆者認(rèn)為,，如果是希望通過DEM去提取水系,，那么采用斯特拉勒（STRAHLER）分級方法作為依據(jù)；如果是希望尋找河網(wǎng)鏈與流量,、泥沙量的關(guān)系,，推薦使用施里夫分級方法。

分水嶺

ArcGIS的分水嶺實(shí)際上就是水文學(xué)上的分水線圍閉而成的面,。引申出來的就是集水區(qū),、流域。分水嶺是可以嵌套的,，例如大的分水嶺嵌套若干個小分水嶺,，也就是大流域里面包含了如果個小流域。 
下圖是ArcGIS軟件對分水嶺組成的說明,，這并不是水文學(xué)上的分水線定義,。 

水流長度

水流長度工具的主要用途是計算給定盆地內(nèi)最長水流的長度。這個跟水文學(xué)上的定義可以對上,。

總結(jié)

本章主要是針對ArcGIS中的水文分析工具的一些基本原理和方法,，對應(yīng)水文學(xué)的一些相關(guān)原理進(jìn)行論述。希望能通過一些簡單的對照,，能夠幫助GIS和水文分析人員增強(qiáng)對行業(yè)和工具理解,，能夠在后續(xù)的分析工作更加精準(zhǔn)的設(shè)置工具的參數(shù)，正確使用工具來輔助分析決策,。    BY 李遠(yuǎn)祥