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摘 要

本文以长江三角洲流域水系为研究对象，以数字高程模型DEM为基础，利用ArcGIS软件中Arc Hydro tools工具对流域水文特征进行提取研究的过程，主要包括：DEM数据的预处理、水流方向的确定、水流累积量提取，河网的生成和子流域的划分。研究结果，利用该方法提取的水文特征具有较高的精度。

关键词： DEM，Arc Hydro Tools，流域特征，河网提取

Abstract: In this paper, the Yangtze River Delta basin for the study, DEM digital elevation model, based on the use of the process of Arc Hydro tools in ArcGIS software tools for river basin hydrological characteristics extraction studies, including: determining pretreatment, DEM data flow direction, the cumulative amount of water extraction, generation and sub-division of river basin. The results, using this method to extract the hydrological characteristics with high precision.

Keywords: DEM，Arc Hydro Tools，watershed characteristics，river extraction

目 录

1 前言 4

2 研究区概况 4

3 研究内容与研究方法 5

3.1 洼地计算 5

3.2 水流方向的确定 7

3.3 生成集水面积 8

3.4 河网的提取和生成 9

3.5 子流域的划分 10

3.6 结果与分析 10

结 论 11

参考文献 12

致 谢 13

1 前言

随着数字媒体技术和平台多元化的迅猛发展，尤其是地理信息系统(GIS)在大量数据存储与管理、空间分析等方面具有卓越功能，已使得GIS在水文提取的过程中取得了相当大的进步，数据的处理显得更加的精确 ^[1]。DEM是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，通常DEM有格网、不规则三角网、矢量三种形式，其中最简单的处理方法是使用格网Dem数据，而且和遥感数据在结构上非常容易匹配，在流域水文分析模拟中得到广泛应用。

水文分析是利用DEM生成集水流域和水流网络，建立数字化的流域-水系拓扑关系，为水沙时空分析、水资源保护、水土保持规划等提供支持^[2]。

ArcGIS提供的水文分析模块主要用来建立地表水的运动模型，同时通过水文分析工具的应用，也可以有助于研究与地表水流有关的各种自然灾害的情况，或者预测当改变某一地区的地貌对整块区域将造成的影响，以及如何通过ArcGIS水文分析工具从DEM数据上获取更多的水文信息。

本文主要从水文分析的原理和方法出发，结合实际的地形去分析，详细解释一下水文特征分析的内容，包含如下：洼地的计算、水流方向的确定、河流累积、河网的生成以及子流域的划分。利用ArcGIS软件下的水文模块（Arc Hydro）对流域的数字高程模型进行计算分析。

2 研究区概况

长江三角洲地区是指上海市、江苏省、浙江省、以及安徽省东部的经济区域。面积约5万平方千米，是一片敞亮的大平原，海岸线较平缓，海水较为黄浊，长江三角洲中水系很多，主要流域包含有京杭大运河、钱塘江、西湖、长江等主要河流，主河流的支流非常繁茂，共同主成了长江三角洲水流护城的特有的江南水乡风貌、

长江三角洲是长江入海之前的冲积平原,是中国经济发展水平最高和综合实力最强的经济中心，致力于推动中国经济跻身世界行列的地区。长江三角洲是中国产业链最为完善，模式最全，水平跻身国际前列，与本土文化相呼应，形成了特有的国际服务体系和产业结构，城市化程度最高的区域，2013年长江三角洲人均GDP总量近10亿万元，占全国GDP总量的17.2%，人口总量密集区域，致力于在2018年建设成为世界第一大都市圈^[3]。

3 研究内容与研究方法

ArcGIS软件下的水文模块（Arc Hydro）是根据DEM格网特征提取原理来建立地表水的运动模型辅助分析地表水流的流动过程。本文主要对DEM流域水文特征提取包括以下的几点：

3.1 洼地计算

洼地一般是指某个单元栅格的高程小于任何与之相邻的单元栅格值，洼地的存在会对数据处理造成误差，在进行水文提取过程中，先对洼地进行填充处理，计算出洼地的深度，再提取出洼地，以便结果相对应来反映是否由于误差导致。

3.1.1 洼地深度计算

洼地一般是指某个单元栅格的高程小于任何与之相邻的单元栅格值，主要原因是数据本身误差造成，也有的是由于实验数据的地形因素，因此，首先需计算洼地的深度，基于所计算的洼地的深度来判断是否数据造成还是地表数据真实反映，从而，设置合理的阈值进行洼地的填充。

3.1.2 洼地填充

洼地填充的原理是:扫描每个网格时，比较该网格与相邻的8个网格的高程值 ，如果中心网格的高程比相邻的8个网格的高程都低，则将相邻8个网格中高程最低的那个网格的值赋予中心网格。Arc Hydro Tools 工具用Fill Sinks 用来实现洼地填平操作，处理结果如图1所示。

图1 洼地填充后的DEM

3.1.3 洼地提取

在基于数字高程模型的水文特征提取中，由于存在洼地的原始数据和地形的原因，于是采用两种不同的方法对洼地点进行处理，第一种认为洼地点是由于数据本身误差造成的，在水文提取之前对洼地填平处理，用这种方法对原始DEM数据进行填平处理,容易使水流流出，便于实现，但却改变了DEM原始数据，得出的结果不能保证与原始地形一致。第二种则认为洼地的产生是随着地形起伏自然造成的，不是人为形成的误差，洼地的存在是合理的，不应人为地更改原始数据^[4]。通过工具集中sink工具提取的洼地如图2所示：

图2 提取的洼地

3.2 水流方向的确定

水流方向是指水流离开每一个栅格单元时的指向,流向判断是建立在3 x 3的DEM栅格数据基础上的，Arc Hydro Tools采用D8法确定流向, 该方法遵循在Jensen和多明格（1988）提出的一种方法。假设单个网格中的水流只有8 种可能的流向，即只能流入与之相邻的8个网格中，以数值来代表每个单元的流向，取1至255的数值代表流向，其中1：东；2：东南；4：南；8：西南；16：西；32：西北；64：北，128东北；除此之外的数值代表流向是不确定的，该数值是指相邻栅格单元的高程差与两个栅格中心点距离相除所得的Arctg函数值，若两栅格单元为水平或垂直方向相邻,则除以单元格的长度，若为对角线方向，则除以2 x 2单元格的长度。按此原则逐个计算DEM 中所有网格点的流向即得到流向栅格图^[5]。通过Flow Direction工具计算水流方向后生成图3，再通过放大后清晰的看出水流方向以图4为例。打开生成水流方向栅格图的属性表可以清晰的看出主要水流走向，具体属性图见图5。

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