ArcGIS水文分析實戰教程（2）ArcGIS水文分析工具的基本原理
作爲成熟的GIS軟件，ArcGIS提供了相當不錯了水文分析工具。包括在spatial擴展中提供的水文分析工具集和地下水分析工具；如果還關注ArcGIS周邊，還能發現美國還有一個團隊在一直維護ArcHydro工具集。ArcGIS軟件在地表水分析方面的研究成果還是相當不錯的，目前已經非常成熟；地下水分析方面還處於起步階段，只提供少有的幾個工具；而ArcHydro則是免費的專業級別的水文分析工具集合。
本章節主要介紹ArcMap中原生的水文工具集，力求讓廣大讀者瞭解其運作原理。瞭解原理之後才能制定其分析流程。 BY 李遠祥
瞭解ArcGIS水文分析工具
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，並利用這一模擬過程實現河流、出水口以及流域的提取。由於水文分析工具集在spatial工具箱中，因此要運行它，必須具備spatial擴展授權。
水文分析工具集提供總計11個工具，如下圖
相對於ArcHydro上百個工具，原生的水文分析工具顯得相對少了點，但每一個工具都非常的實用。它的所有的分析都是基於數字高程模型（DEM）和D8單流向算法進行的，因此，瞭解DEM和D8算法是相當重要的。
瞭解DEM數據
對GIS人員來說，DEM是常見的數據格式了。但對水文分析人員，不一定都瞭解。DEM是一種連續的柵格的，每一個柵格代表一個矩形範圍，而每個柵格用不同的灰度值表示其高程值。如下圖
因爲DEM是連續的柵格數據，ArcGIS軟件默認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數據表達的地形的。
從圖上可以看出，該區域最高的地方爲4327米，最低是442米。而渲染方式是地形數值越高越偏向亮色，地勢越低越偏向黑色。基本上可以看清楚發亮的部分是山脊，而黑色部分是山谷或者河流。連續灰度的渲染方式是給機器計算時使用的，如果像更好的表達DEM數據，更符合人類閱讀，可以通過DEM生成山體陰影，然後疊加彩色的渲染方式，可以參考筆者之前的文章《ArcGIS製圖技巧系列（2）地形渲染》，其效果大概如下圖
這還不是關鍵，瞭解DEM關鍵的要清楚DEM的元數據信息。這個元數據信息可以在在【圖層】右鍵【屬性】中查看。
從元數據信息可以看到該DEM的像元大小是30*30，也就是每一個柵格的格子代表實際面積爲30 * 30 見方。如果加上上面的行數和列數788 * 768 ，那麼可以計算出該區域的總面積爲30 * 30 *788 * 768 （平方米）。這就是DEM元數據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，要限制最小區域的集水區（即形成河流的最小匯水面積），那就需要通過DEM的元數據信息進行換算柵格的格子數。例如最小的流域爲9平方公里，那麼換算成該數據的柵格數據爲9000000/30/30 = 10000（格子數）。這會在後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，一是使用DEM進行分析，二是分析的基礎算法爲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，則會擴大相鄰像元範圍，直到找到最陡下降方向爲止。如圖所示
其流向則用2的n次方表示，從0開始，按照逆時針分別爲遞增，其方位編碼如下圖所示
這樣編碼的好處自然是通過數學的方式，讓計算機可以非常快的使用二進制進行索引，加快大區域的流量累計統計。
所以，D8 算法又稱作單流向算法。其特點就計算速度快，能夠很好的反應出地形對地表徑流形成的作用。但其弊端也是顯而易見。因爲水流只流向一個方向，是單線傳遞，一旦遇到某一窪地的時候，周邊的水流都會集中向該窪地流入，導致斷流現象,而現實中由於水會向多個方位不定向的流動，是不會輕易導致斷流的。如果要避免這種情況發生，就需要對地形中的窪地進行填平，確保水流也能從該窪地流出。這就是爲什麼水文分析工具中出現了一些與水文分析完全沒有關係的一個工具–填窪 。
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數據進行檢查。【匯】工具和【填窪】工具就是爲了分析前查找和填平窪地而生的，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和人工干預比較多的城市區域，基本上不適用。因爲地勢平坦導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並最終匯聚水流形成徑流，並通過匯流範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（儘管流量計算看起來是有定量因子），並不能通過其流量算法去做水文的預報。
關於流量
ArcGIS水文分析中的流量並不是指水文監測中的實際流量，它只是流向分析結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的柵格數量的總和。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作爲出水口，那麼，所有流向該點的像元的集合便構成了一個最小的集水區域。所以，如果要針對分析區域進行小流域的劃分，那麼前提條件便是要得到流向和流量柵格，並且要根據柵格像元的大小計算最小的積水區域，而這個區域的計算則需要將面積換算爲柵格的數量。
換算的方法在前面DEM介紹部分已經說明清楚，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行說明，因爲它面向的是偏計算機專業的人員，水文專業人員可能會對此比較難以理解。
工具中的水文學術語
在ArcGIS水文分析工具11個分析工具中，只有河流鏈接、河網分級、分水嶺、河流長度 這幾個纔是直接對接水文學術語。
河流連接
ArcGIS官方幫助寫得相當羞澀難懂，其工具解釋如下
向各交匯點之間的柵格線狀網絡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行交互連接。如下圖所示
但問題又來了，在傳統的水文學上，河流鏈接是分爲外鏈和內鏈的，用於判定是否存在支流及河源。所以，這個工具也僅僅是作爲基於DEM生成河網的方式。下圖爲水文學上得河流鏈，可以對比一下其區別。
河網分級
河網分析是根據水系的連接情況進行等級劃分。ArcGIS的這個工具基本上可以跟水文學能夠完全對接。但它只支持水文學上最常用的兩種分級模式–斯特拉勒（STRAHLER）和施裏夫（SHREVE）分級方法。
這裏的分級方法與傳統的地理學河流分級不一樣。地理學上大江大河定義爲一級，如長江、黃河、珠江這些定義爲一級河流；西江屬於珠江的一個大支流，定義爲二級河流，如此類推。這只是方便水利主管單位對流域進行管理去定義的，在水文分析中這種定義方式沒有太大的使用價值。
在水文學上主要使用以下幾種分級模式
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格雷夫利厄斯(Gravelius)分級法
格雷夫利厄斯(Gravelius)分級法有點類似中國傳統的河流分級定義，水系中最大的主流爲1級，直接匯入1級河流的水系爲2級，依次類推直到分級完成。 -
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爲1級，只接納1級河流的水系定義爲2級，只接納2級河流的水系定義爲3級，如此類推直到定義完成。 -
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爲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。 -
施裏夫（SHREVE）分級法
施裏夫（SHREVE）分級法有點類似累計分級，將沒有支流的水系定義爲1級，多個支流匯入，將其級別相加作爲匯入河流的級別。如此類推直到分級完成。 -
沙伊達格分級法
沙伊達格分級法是施裏夫分級法的一個變種，分級方式與施裏夫方法一致，只是將沒有支流的河流定義爲2級，這樣所有的河流級別都是偶數。
以下是各種河網分級的示意圖
格雷夫利厄斯分級法：水系中河流越小，級數就越大,難以區分水系中的主流和支流，同樣爲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，但實際上它們的最上游都只具有1級河流的特徵。
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爲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河流級愈高，通過的水量和泥沙量也愈大的事實。
施裏夫和沙伊達格分級法：很好彌補了上述分級方法的缺陷，非常適合在數值上進行計算。
爲什麼ArcGIS只保留斯特拉勒（STRAHLER）和施裏夫（SHREVE）兩種分級方法。筆者認爲如果單從統計方面來說，施裏夫（SHREVE）方法是最優，畢竟其推導有點類似匯流的計算，在水文流量和泥沙量的一些模擬上應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爲它是根據水系形態與水文要素綜合分析引導出來的，可以作爲尋求水系地貌的基礎。
ArcGIS是根據流向和流量柵格來計算地表徑流（非河流），而河網分級工具並不是對已有的河流進行分析，而是針對具有一定流量的地表徑流進行分級，分級之後再作爲地表徑流轉爲真正河流的基礎。所以，筆者認爲，如果是希望通過DEM去提取水系，那麼採用斯特拉勒（STRAHLER）分級方法作爲依據；如果是希望尋找河網鏈與流量、泥沙量的關係，推薦使用施裏夫分級方法。
分水嶺
ArcGIS的分水嶺實際上就是水文學上的分水線圍閉而成的面。引申出來的就是集水區、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，也就是大流域裏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，這並不是水文學上的分水線定義。
水流長度
水流長度工具的主要用途是計算給定盆地內最長水流的長度。這個跟水文學上的定義可以對上。
本章總結
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，對應水文學的一些相關原理進行論述。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對行業和工具理解，能夠在後續的分析工作更加精準的設置工具的參數，正確使用工具來輔助分析決策。
