ArcGIS水文分析實戰教程（7）細說流域提取
本章導讀：流域是水文領域上是頻繁出現的詞彙，貫穿整個水文專業。由於流域涉及到的空間範圍非常的廣，一般不能通過測量的方式去精確劃定。而且流域這一詞在水利行業上屬於管理上的詞彙，用作劃分水利單位的職能範圍。而水文學上的流域就相對來說更傾向於學術，其指向在地理學上稱分水嶺，在空間物理上叫集水區。在GIS中對於流域的劃分，都是基於DEM數據計算，這樣能夠比較精準（相對於人爲的劃定區域）的確定流域範圍，爲水文結果提供合理的論證。本章會從一些實際的問題出發去說明流域提取要注意的一些問題。BY 李遠祥
流域提取
流域提取，或者叫集水區提取，是根據河流、流向和出水口共同確定其空間範圍。從水文學和地理學上，其區域必須是與河流有對應關係。所以，在流域提取之前，必須指定河流。河流數據可以從DEM數據提取，也可以從已有的矢量河流中轉化過來。
如果河流數據是從DEM中提取的，那麼對河流的劃定就一定要仔細，必須要對流量柵格進行正確的估算，以確保河流的尺度，這樣通過符合研究口徑的河流才能正確的提取出所對應的流域。流量計算和河流提取，可以分別參考《ArcGIS水文分析實戰教程（5）細說流向與流量》和《ArcGIS水文分析實戰教程（6）河流提取與河網分級》的內容。
上述的這種情況一般都是比較理想的。所謂的理想，就是河流和流域數據都是出自於同一份DEM，原則上重合得比較好。但如果研究的對象是已經劃定的矢量河流，從矢量河流轉換成柵格河流去參與計算，兩份數據之間會存在差距，往往會導致結果偏差很大。
如果是研究小流域，這些小流域一般都是一些不顯眼的小河流，甚至很少能在地圖上查找出來，那麼通過DEM方式直接提取流域，能很好的解決問題。
提取的辦法很簡單，ArcGIS提供了【分水嶺】工具用作劃定流域。其幫助說明對於GIS人員和水文人員都非常難理解，甚至很多人都沒法搞懂其中的參數。下圖是該工具的界面：
【流向柵格數據】比較好理解，但下面的【輸入柵格數據或要素傾瀉點數據】就有點讓人摸不着頭腦。
要素傾瀉點數據一般就是出水口，在上一章中筆者已經討論過可以通過河流分級之後提取了和流線，並利用【要素折點轉點】工具來提取其終點作爲出水口。但如果這種方式提取的出水口必須要使用【捕捉傾瀉點】工具來重新校正。
而現實中大多數水文研究者對於這個參數，使用的就是其水文站點數據，因爲他們研究的對象一般都是針對水文站的數據確定其上游流域，以尋找上游流域與水文站數據之間的關聯關係。這種模式同樣是需要通過【捕捉傾瀉點】工具來校正。因爲數據不是來自於DEM本身，需要現在DEM中找到最近的流量值最大的點才作爲計算用的傾瀉點。
捕捉傾瀉點
正是其他參與計算的數據，不管是河流還是傾瀉點（出水口、水文站） ，也不管是柵格還是矢量的，只要他們不是從同一份DEM中分析出來的，都需要跟DEM進行校正，這個校正的過程就是【捕捉傾瀉點】。其目的是要找到這個點附近的區域流量柵格中的最大值，確保這個流量值是由上游區域貢獻的流量。否則，實際輸出的傾瀉點數據有可能與之疊加的流量柵格不是該區域的最大值，導致出現非常細小的流域面。
來看【捕捉傾瀉點】工具的一些參數設置，如下圖
第一個參數【輸入柵格數據或者傾瀉點數據】，這裏可以是傾瀉點的柵格數據和矢量數據。如果是矢量數據，工具會自動轉化爲柵格數據之後進行計算。站位水文分析角度來說，這個數據一般就是水文站位置、研究的斷面位置。
【蓄積柵格數據】指的就是流量統計的數據。
【捕捉距離】是個可選參數，但這個參數一定要注意，默認值爲0，意思是找到附近最大的流量的柵格作爲該點對應的出水口位置。但如果輸入的點剛好在多條河流的附近，就有可能捕捉到其他河流對應的流量柵格。 所以，必須對自身參與計算的數據進行摸底，特別是多個傾瀉點距離較近的時候，必須設置合理的搜索距離。
只要數據沒有原則上的錯誤，捕捉到的結果必定在原來傾瀉點的附近，如下圖，捕捉到的像元點都在傾瀉點的邊上，是一個柵格數據。
分水嶺
【分水嶺】工具的使用前面介紹過，有了上一步的捕捉到的傾瀉點數據，【分水嶺】工具就非常容易使用了。
先來看第一種情況，傾瀉點是外部數據，與原始DEM數據沒有關係的情況。利用捕捉傾瀉點工具先生成新的傾瀉點數據，然後才利用分水嶺工具進行分析。
結果如下圖，流域範圍被提取出來。
只要再使用【數據管理】工具箱裏面的【柵格轉面】就可以將該流域的矢量面提取出來。
這種應用場景一般是水文分析人員爲了研究該斷面數據與上游流域的關係，也就是說通過檢測該斷面的水文數據及時發現上游流域的一些變化，反之亦然。而實際上流域提取大多數都是因爲這個原因而做的。
如果這種情況沒有做【捕捉傾瀉點】，則會出現什麼情況？由於提供的出水口位置與DEM數據的誤差，這個點有可能偏在一些非常小的河流的流量最大值上。假如斯特拉勒分級方法的話，那這個點就有可能落在1級河流的出水口位置。如下圖，之所以出現很多非常小的面，原因就在於此。
如果不懂原理，那麼永遠都不可能知道這裏出錯的原因。這也就是筆者爲什麼要花大量的篇幅來說明D8算法和流量統計等原理。
另一種情況是比較理想的情況，沒有采集回來的傾瀉點數據，所有的數據都從DEM數據中提取。
這種情況的研究對象就不是上游流域了，而是整個河流的流域。一般來說大江大河不會用這種方式去做研究，畢竟國家大江大河的監控是非常專注的，按照目前的情況，大江大河很難出現特大洪澇災害。洪澇災害一般多發在中小河流。而對中小河流的流域進行提取，有助於分析其集水區對河流的影響。所以，利用DEM來提取流域（非指定外部傾瀉點），一般用作小流域的提取。
其做法還是要回到【分水嶺】工具中。【分水嶺】工具的第一個參數，在第一種情況中我們已經使用了捕捉傾瀉點後的柵格數據。使用柵格數據作爲輸入，除了可以是傾瀉點，還可以是執行過河流鏈接的柵格數據。詳細做法可以參考《ArcGIS水文分析實戰教程（6）河流提取與河網分級》
只要明白原理，就可以非常清楚了。在水文學上，河流鏈接之後會生成河流鏈，其中也包括了河源、節點和出口。雖然ArcGIS工具的河流鏈接數據是隻是包含了節點，但由於在鏈接之前已經做了河網分級，所以會帶有其出口信息（也就是說這個工具自動識別了傾斜點數據）。其設置如下
最終生成的結果與河流的數量是一致，如下圖所示
同樣，如果需要轉爲矢量面數據，還需要使用【柵格轉面】工具進行轉換。如下圖
總結
流域提取是一門學問，並不是GIS課堂上所說的只是通過DEM提取出對應的流域面就完事。流域作爲水文學上基礎的研究對象，其意義在於水文的相關性，流域面作爲空間範圍，可以圈定該空間位置的一切地理要素，時空要素與水系之間的關係。所以，必須要瞭解其使用的場景和實際的作用，纔可以提取出這些基礎的數據。
如果讀者對水文分析感興趣的話，可以持續關注CSDN的GIS製圖樂園，以及微信公衆號【GIS製圖樂園】。BY 李遠祥