9.4 Hydrological Model河流是重要的生态基础设施，起着物质运输、能量流动和生命涵养等重要作用。在水体污染事件频发的今天，水文分析在环境领域的研究与决策中扮演者越来越重要的角色。DEM是描述地球表面地形地貌信息空间分布的有序数值阵列，是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。一般可以认为，DEM是以数字的形式按一定的结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的数字模型，也是地形形态和地貌起伏的数字描述。DEM是进行河网提取和水文分析的一个有效数据源，借助相应的GIS软件，根据邻近栅格高程的对比，可以有效提取DEM中各个栅格的流向，进而获得汇流累积量矩阵，从而提取河网。水文分析是DEM数字地形分析的一个重要方面，基于DEM的水文分析的主要功能是利用DEM提取数字水系的流域范围、提取河流网络以及支流对应的汇流区间、进行河网的分级等。本节主要介绍ArcGIS水文分析模块的应用以及ArcGIS Model Builder流程化的数据处理方式。9.4.2无洼地DEM的生成与水流方向的提取数字高程模型(DEM)是以有序数值阵列来对地形表面的真实模拟。但由于DEM的误差和一些特殊地貌形态的存在，使得DEM表面存在一些凹陷区域。在进行DEM水文分析时，应当先对这些凹陷区域进行填充，否则将得不到合理的水流方向，进而提取出错误的河网。利用ArcToolBox中的Spatial Analyst Tools-Hydrology-Fill工具对DEM数据进行填充，输入栅格数据为DEM，输出栅格为Fill_dem，对于Z Limit不予填写，即系统默认不设阈值，所有的洼地都将被填平。对于DEM中的某一个格网，水流方向表征的是该格网表面的降水受重力作用在地形表面约束下的离开该格网的方向，ArcGIS中默认的水流方向处理算法是D8算法。图9.1 填洼后的结果如图9.2所示，将被处理的格网点X同其最邻近的8个格网点之间的坡降进行比较，被处理格网点中心与相邻8个格网点中，落差最大的一个格网点中心之间的连线方向，定义为被处理格网点的水流方向，并且规定，一个格网点的水流方向用一个特征码表示。8个方向赋予不同的代码，每个格网有一个的数值，代表它流向相邻格网的方向。图9.2 D8算法示意图利用ArcToolBox中的Spatial Analyst Tools-Hydrology-Flow Direction来计算已经填洼的DEM的各个栅格的流向，输入栅格数据为Fill_dem，输出栅格为Flow_Dir，勾选Force all edge cells to flow outward，即所有边缘栅格的流向也均是向外的，对于Output Drop Raster则可以不予填写。图9.3水流方向计算结果9.4.3 汇流累积量的计算如图2-2所示，假设每个格网的降水量均为1，沿坡度最陡原则确定的水流路径可以计算任何网格单元上的坡面集水面积，其集水面积的量值以网格数目的多少表示，从而每个单元网格的汇流数值代表了汇流到该网格上比其高程高的网格数目。图9.4(a) 原始DEM矩阵 图9.4 (b) 水流方向矩阵图9.4 (c) 水流方向示意图 图9.4 (d) 水流累计矩阵利用ArcToolBox中的Spatial Analyst Tools-Hydrology-Flow Accumulation来计算各个栅格的汇流累积量，输入流向栅格数据为Flow_Dir，输出栅格为Flow_Accu，权重不予输入，输出类型为整形。 图9.5汇流累积计算结果9.4.4 河流栅格网络的提取在汇流量栅格数据中，当网格中的汇水量达到某一阈值后，便可以判定这个网格有河网线穿过，并由此跟踪搜索出流域的全部河流网络。因此，提取栅格河网时，只需提取出所有栅格中大于阈值的栅格即可。利用ArcToolBox中的Spatial Analyst Tools-Math-Logical -Greater than来提取栅格河网，输入的第一个图层为Flow_Accu，输入的第二个数据位汇水量阈值，输出栅格为Threshold。在实际操作中，我们将阈值设为10000。然而在提取数字水系的过程中，汇水面积阈值是提取河流网络特征时的一个关键参量，其值越小，提取的河流网络越稠密、结构越复杂；反之提取的河流网络越稀疏、结构越简单。过大或过小的阈值都会使所提取的河网与实际不相符，合理阈值的确定需要反复试验，并结合一定的理论来确定。图9.6栅格河网的提取9.4.5 河网分级及矢量化河网分级是对一个线性的河流网络以数字标示的形式划分等级。不同等级的河网所代表的汇流累积量不同，级别越高，汇流量越大，一般为主流，而级别较低的河网一般为支流。河网分级最初是由Horton(1945)和Strahler(1952)提出的，是对自然界河网系统几何特征上自相似性的系统总结。在ArcGIS中河网分级的实现方法如下，利用ArcToolBox中的Spatial Analyst Tools-Hydrology-Stream Order来实现，输入水流栅格为Threshold，输入流向栅格为Flow_Dir，对于河网的分级方法选择Strahler分级方法，输出栅格记为Str_Order。图9.7栅格河网的分级所得到的栅格河网不易于进行分析和表达，因此必须将栅格河网矢量化。利用ArcToolBox中的Spatial Analyst Tools-Hydrology-Stream To Feature工具来实现，输入栅格河网数据为Str_Order，输入流向数据为Flow_Dir，输出矢量河网记为Line_thre。图9.8矢量河网的提取9.4.6 集水流域的生成集水流域(Watershed)是指流经其中的水流等物质从一个公共的出水口排除而形成的一个集中的排水区域。在划分了各等级的河网之后，ArcGIS还可以提取整个大流域以及各等级河网对应的集水流域。对于大流域的提取，只需在计算出水流方向矩阵后利用ArcToolBox中的Spatial Analyst Tools-Hydrology-Basin工具来实现，输入流向栅格为Flow_Dir，输出栅格记为Basin。之后对Basin进行矢量化，在编辑状态下保留所需的流域多边形，可以利用ArcToolBox中的Spatial Analyst Tools-Extraction- Extract by mask工具进行栅格数据的裁剪，从而保留需要研究的栅格区域。图9.9流域提取对于各等级河网对应的集水流域，首先要确定小级别流域出水口的位置，利用ArcToolBox中的Spatial Analyst Tools-Hydrology-Stream Link工具来实现。输入栅格河网数据为Str_Order，输入流向数据为Flow_Dir，输出Stream Link数据记为Link。Link数据中隐含了河网中每一条河网弧段的连接信息，也包含了每一段河网的出水口位置。之后利用ArcToolBox中的Spatial Analyst Tools-Hydrology-Watershed工具来提取各等级子流域的范围，输入水流方向栅格为Flow_Dir，输入出水口数据为Link，出水口字段信息默认不填，输出栅格记为Watershed，之后还可以将Watershed进行矢量化从而得到矢量集水域。图9.10 最终提取的矢量河网和矢量集水域结果图9.4.7 Model Builder的简介从最初始的DEM到最后的包含河网等级的矢量河网和矢量集水域，前文经历了很多的步骤。在ArcGIS中，Model Builder是有具体框架结构与功能的流程化处理工具，可以将诸多步骤进行流程化处理，方便快捷。Model Builder的优势如下：1)自动地理处理流程。Model Builder可以把你分析和准备数据过程所用到的所有分析工具和数据通过流程化结合在一起。每次更新操作都可以保存，并且重新运行。2)共享地理处理知识。Model的数据，工具都通过图形方式表示，通俗易懂，并且可以保存下来与别人共享，同时也可以保存在ArcSDE数据库中，或通过ArcGIS Server实现互联网共享。3)记录与文档化。Model的运行可以像Toolbox中的工具一样运行，并且还提供了图文结合的帮助，方便共享。4)根据需要添加复杂模型。模型可以包括复杂的处理过程，而一个模型中还可以包含子模型，并且可以实现处理过程的循环，实现更复杂的应用。在ArcGIS10.0的Geopresessing菜单栏中选择Model Builder选项，可以拖拽数据或者Toolbox中的工具到Model中，利用连接线工具将工具箱与输入数据连接起来便可以组成一个简单的Model。图9.11 Model Builder的界面以及与Tool的关系如果将上述水文分析各步骤的结果与输入数据联系起来，就可以组成一个处理过程的流程图，如图9.12所示。将流程图中的每个步骤在Model中实现，设置好各步骤的输入输出文件，只需运行模型便可以将所有结果一次性输出。以下是水文模型Model的一部分。图9.12 水文模型处理流程图9.12 水文模型Model的一部分