详解ArcGIS 水文分析模型构建

前言

项目环境、条件

Dem 数据预览

ArcGIS模型构建器

模型搭建

填洼

流向

流量

河流长度

栅格计算器

河流链接

河网分级

栅格河网矢量化

绘制倾泻点

栅格流域提取

集水区

盆域分析

栅格转面

模型应用

导出 py 文件

完善脚本

最终效果

结束语

前言

在地理信息系统（GIS）领域，水文分析是一项至关重要的任务，它涉及到对地表水流动路径、河流网络、流域划分等关键水文特征分析。这些分析对于水资源管理、洪水预警、环境规划以及城市排水系统设计等众多领域都具有重要的应用价值。

本文旨在探讨ArcGIS中水文分析的全过程，并展示如何构建一个可复用的水文分析模型。通过本文的学习和实践，读者将能够深入了解ArcGIS在水文分析方面的应用，掌握从数据预处理到模型构建、从模型运行到结果输出的整个流程。此外，本文还将介绍如何将ArcGIS模型脚本化，以提高模型的复用性和自动化程度。

在接下来的章节中，我们将详细介绍水文分析的各个步骤，包括资料背景的准备、操作中可能出现的问题及注意事项、分析框架的梳理、水文模型的搭建、模型思维和图形化界面的构建等。通过这些内容的学习，读者将能够全面掌握 ArcGIS 水文分析的相关知识和技能。

项目环境、条件

ArcGIS 10.8 中文包
已开启 Spatial Analyst Tools 分析工具
Win 10 数据集 30 m dem 栅格数据集

ArcGIS 10.2 也几乎一样，部分工具可能由翻译问题，建议初学者完全按照本文的文档结构进行。

Dem 数据预览

DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）是一种用于表示地表地形起伏的数字模型。它通过规则格网的矩阵形式，记录每个格网单元的高程值，从而在计算机中构建出地形的三维模型。DEM 是地理信息系统（GIS）中重要的空间数据类型之一，广泛应用于地形分析、水文模拟、城市规划、地质灾害评估等多个领域。 Dem 可以通过地理空间数据云、QGIS 插件、CAD 地形文件生产等多种方式获取。此前有介绍，本文不多赘述。

ArcGIS模型构建器

ArcGIS模型构建器是Esri公司开发的ArcGIS软件中的一个强大工具，它允许用户通过图形化界面来创建、编辑和运行一系列自动化的GIS分析模型。模型构建器的核心优势在于能够将复杂的GIS分析流程简化为一系列可视化的步骤，使得用户无需编写代码即可完成复杂的空间分析任务。可以在空白文件夹下，点击按钮打开，也可以在文件夹内，右键打开。

建议像笔者一样，建立好文件夹框架，依次新建文件数据库-工具集-模型。

在模型构建器中，数据类型如下，本文将用到项目数据、工具、派生数据和值等类型。

将数据、工具等可以直接拖入模型界面中，非常方便。

模型搭建

填洼

dem-填洼-fill

填洼（Fill）是去除 dem 中的洼地（sinks）或凹陷（depressions）。这些洼地在地形分析中可能会导致错误的水流方向和流域划分，需要通过填洼操作来纠正。

流向

fill-流向-FlowDirection

注意选着 fill 时需要选择蓝色循环的那个，为变量值。

流量

FlowDirection-流量-fillacc

根据栅格数值大小隐约能看出河流的线条。

点击栅格可以查询该处的数值，通过这种方法判断最小径流的值，后面有用。

河流长度

FlowDirection-河流长度-flowlength 测量方向选择 upstream。

水流长度工具的主要用途是计算给定盆地内最长水流的长度。该度量值常用于计算盆地的聚集时间。这可使用 UPSTREAM 选项来完成。该工具也可通过将权重栅格用作下坡运动的阻抗，来创建假设降雨和径流事件的距离-面积图。

栅格计算器

栅格计算器或者条件函数栅格计算器（Raster Calculator）条件函数 Con(FlowAccu>R,1) 目的是将流量栅格数据中提取河流的部分，公式为"flowacc" >= 1000。在模型构建器中使用左右%代表变量。新增一个变量，作为流量限值 R，建议通过流量栅格 (flowacc), 点击查询河流的最小栅格，我这里根据实际情况，选择输入 1000。

具体公式以自己实验为准，添加变量后，修改为"%fillacc%" >= "%任意值%"

记得点击任意值，添加 1000，这样以后只需要修改这个值，就可以调整河流长度了。 Acc 1000 结果，可见满足条件的，也就是河流为 1，不满足的为 0.

河流链接

acc1000+FlowDirection=Streamlink by 河流链接

河流链接的作用有：构建连续的河流网络：河流链接工具能够识别并连接相邻的河流段，确保河流网络在空间上是连贯和正确的。分配唯一标识符：给河流网络中的每个部分分配唯一的 ID，便于管理和进一步分析。这有助于区分不同的河流分支和主流，以及分析它们各自的属性（如流量、长度等）。优化数据结构，减少在模型中处理大量独立线段时的复杂性。

河网分级

acc1000+FlowDirection=StreamOrder by 河网分级

河网结构用于识别河流上下级，常见的河网分级方法有斯特拉勒（Strahler）、希科特（Horton）和谢内（Shreve）等。斯特拉勒法是最常用的，它基于河流交汇规则来分配等级，即每次支流汇入时，如果两支流的等级相同，则合并后的河段等级加1；如果不同，则高等级保持不变。

栅格河网矢量化

StreamOrder+FlowDirection=StreamOrder1000 by 栅格河网矢量化

顾名思义，栅格河网矢量化就是将河流网络的栅格数据转换成矢量数据格式，便于分析、可视化及水文建模应用。注意如果要增加河流长度等字段，需要在投影坐标系下进行。

绘制倾泻点

StreamOrder 1000+end=FeatureVert_1000 By要素折点转点

倾泻点是指汇流区域中具有最低高程的边界象元。它标志着水从一个流域流向另一个流域的出口点，或者是水流离开一个封闭流域（如盆地）的地点。可以通过要素折点转点生成，也可以根据自己手工增加，形式是一些离散的点。要素折点转点，顾名思义，指通过矢量线的折点或转点然后生成点，有 all、mindle、end、start、both_ends、dangle（悬挂点，指离散点）等类型，绘制倾泻选择 end 。

倾泻点非常关键，是汇水区分析的重要参数，除了自动生成的点外，可以根据实际需要，添加、删除点。

河流与倾泻点

栅格流域提取

集水区

FlowDirection+FeatureVert_1000=倾泻点字段为空=watersh

集水区也就是分水岭，根据流向和倾泻点一起做的汇水范围。有倾泻点的会比盆域分析更细，他与倾泻点的点位有很大关系。

盆域分析

流向 FlowDirection 盆域分析= basin 盆域分析，也就是流域分析，可以理解为没有倾泻点的大范围流域分析。

栅格转面

RasterT_basin /RasterT_watersh

上述流域栅格，转为矢量图层。用于可视化和计算，作用与栅格河网矢量化类似。 basin/watersh 栅格转面

子流域范围.png

至此，水文分析基本结束。调试模型，运行成功。

调整模型架构，让连接线不交叉。

模型应用

导出 py 文件

可以导出 py 文件，进行模型复用。在 ArcGIS 环境中导入脚本，注意导入前修改绝对地址注意保持一致。另外它基于 ArcPy 模块，一个专为 ArcGIS 设计的空间分析和数据处理库。因此，它的运行环境依赖于 ArcGIS，使用 ArcGIS Python 2.X 环境编写的。不能用于 python 3 中。经过测试，代码并不能直接使用，需要重新编译后才能使用，后续会出一期 python 水文分析的文章。