ArcGIS水文分析實戰教程（1）GIS與水文學

ArcGIS水文分析實戰教程（1）GIS與水文學

對於大部分GIS從業人員或者利用GIS做爲研究方向的人員來講，水文學過於專業，更偏重於理論化，很難從GIS的角度來模擬和分析水文的過程。這實際上是個廣泛性的問題，任何跨專業跨學科去解決問題，都是須要付出極大的代價的，尤爲是時間和精力，由於必須同時具有兩方面的專業知識，才能夠挖掘出更好的方法來解決問題。在本章節中，筆者以一個GIS從業者的角度來談談GIS與水文分析的一些見解。By 李遠祥

淺談一下GIS與水文學

水文學不一樣於GIS，GIS是一個多學科的集合，更多的是使用工具來解決實際問題。若是非要對兩個專業來作評論的話，筆者認爲水文學是徹頭徹尾的專業學科，而GIS則是一項可具體操做的工具。
雖然水文學和GIS都涉及到大量的數據公式和分析模型，但水文學利用數學公式和模型去實現理論的支撐，而GIS則利用這些來變成具體的代碼和程序，服務於行業應用。
固然，GIS在近20年來在國內逐漸流行並壯大，大量的各類院校中以一門專業的身份出現，並輸送了大量的GIS專業人才。同時在其餘非GIS專業裏面也大量的出現了GIS課程，GIS與其餘學科的交叉使用也是很是多專家學者願意研究的。
水文學中研究最多的是水文循環，水文循環是一個物理過程，在很長一段時間研究這方面的人都是從物理的角度入手的。但隨着科學的交叉滲透，也有一些人經過化學同位素等方式去深刻研究整個循環過程。水文學有很是多的分支，如河流水文學、湖泊水文學、冰川水文學、地下水文學、水文氣象學、工程水文學、水資源學、環境水文學、城市水文學、生態水文學、水資源學、數字水文學等。也能夠看到其專業劃分的細緻程度。
若是說水文專業是縱向學科，那麼GIS專業更像是橫向的，儘管它每每是以計算機軟件和系統的形式出現，但其理論支撐是很是多的。如計算機圖形學、測繪學、攝影測量學、統計學、程序語言等。
不一樣的出身註定了各自的發展方向。水文專業因爲其專業性，沒有被社會廣發認識，尤爲是水文學的重要性。GIS在中國算是後來的東西，一開始也不被大衆所認知。但隨着互聯網地圖的普遍應用，GIS也從專業領域普遍被社會各羣體認識。

筆者是GIS專業出身，GIS從業十年，水利信息化方面也有七八年的時間。但對於水文專業，仍是相對比較陌生，感受水文方面就跟氣象同樣專業，屬於小衆系的專業，正因如此，可以找到GIS與水文分析結合的例子就相對要少一些。並且一旦涉及到水文分析模型，基本上不是一些從事計算機、信息化專業、GIS專業的人可以搞定的事情。因此，後面的內容都是以一個GIS從業人員角度去探討水文分析，不免會對水文分析上存在一些認識上的偏差，若有不正確之處，歡迎指正。

GIS中的水文分析

水文分析就像GIS空間分析同樣，是一個很是大的概念，因此很難簡單闡明其分析邊界。下面來看一張水文循環的圖，該圖從水文循環的角度來看整個水文過程。

這是很是典型的水-土-植 循環模型，很是的經典，甚至在地理學的經典教程中都有其示意圖。從該經典圖中能夠看到，一個完整的水文循環過程包括了蒸發（水面、植被蒸騰、土壤）、降水、下滲、徑流等幾個方面。每個方面均可以做爲水文過程的一個重要因子進行分析，固然，分析的最終結果，不少水文人員都但願可以最終實現水文預報。
在GIS方面，它是一個綜合的基礎工具和方法，原則上是不會跟水文分析直接發生關係的。但畢竟GIS是一個交叉的學科，其兼容性和實用性都很強，能夠很好的跟其餘行業粘合，因此也有很多GIS企業和研究人員將一些水文模型向GIS方面遷移。在絕大部分的狀況下，GIS都是做爲水文分析最終結果的展現載體，那是由於GIS自己就是圖形化能力很是強，結合地圖，水文循環的各個過程均可以很好的模擬和呈現。但這種作法是很是依賴於水文專業上的分析模型的。因此，原則上還算不上GIS的水文分析。
還有一種作法是在水文分析的前期或者成果的基礎上用GIS作輔助分析和二次分析，這主要是從水文分析參數獲取和二次應用上去使用GIS。
真正意義的使用GIS結合水文模型去作水文分析很是罕見，因爲水文分析是很是具備地域特殊性的，也就說可複用的意義不是特別大，同時須要對水文模型和GIS算法有比較深的瞭解，因此通常不多有GIS應用開發公司投身其中。這也是不多見到GIS水文分析模型的緣由。大部分都是高校、研究院等單位會從事一部分這樣的工做，並且通常都是針對某某流域專門研究的模型（通常是以中小流域爲主），基本上很難遷移。
相對於GIS應用開發公司來講，GIS平臺廠商相對來講會考慮深遠一些，會在其GIS軟件中集成一部分的水文分析輔助工具。爲何說是輔助工具，那是由於它們提供的都不是最終的分析模型，而是經過一些基礎的分析工具去輔助水文人員或者GIS人員去實現其水文分析模型。因此，通常利用GIS專業軟件去實現水文分析都是大致遵循如下方式：

GIS工具+水文模型+地圖模擬=GIS水文分析模型

針對特定的水文模型結合GIS技術去實現不會在本系列的文章中討論，這裏主要討論的是利用GIS去作水文分析的一些思路，屬於方法論的範疇。

GIS平臺廠商中水文分析工具

GIS平臺廠商相對來講會有更多的資金和技術力量來研究水文分析工具，而不是水文分析模型。這有點跟遙感軟件相相似，只提提供基礎分析工具，而具體的模型須要另外研究。
目前來講，在這方面可以找到的比較多的資料通常都是使用ArcGIS軟件來實現。

理由彷佛很簡單，首先是ArcGIS軟件提供了一些水文分析常規的工具，都是從GIS角度去實現。其次是每個工具裏面都是詳細說明其原來，使用了什麼樣的算法，引用了哪一個水文學者哪一篇論文。而水文模型的研究人員很是在乎這些理論依據，在有特別說明而且可以被學術界普遍承認該算法在軟件平臺上實現的準確性，那就能夠直接拿來使用，而不是本身從新根據原來去實現算法。
ArcGIS中的水文分析工具，能夠看下圖

在水文工具箱中只有11個水文分析工具，基本上是輔助工具，沒看到具體的分析模型，這也是符合國際慣例，畢竟它不是專門的水文分析軟件。
若是再細心一點，關於地下水分析的四個工具

若是單從這幾個工具入手，確實是比較難去理解ArcGIS是如何作水文分析。畢竟一些工具的命名跟水文專業上也須要一些銜接。GIS人員使用還好說，由於對水文專業不熟悉，所謂無知即無畏，不會存在太多的詫異，最多就是再結合ArcGIS的其餘工具去作一些分析。但水文專業的人員就不同了，這裏存在一個指望值，就是但願工具拿來即用，直接輸入參數並輸出最終的水文結果。這就是一個相互認知的過程。ArcGIS的工具更多的是做爲水文研究的一些輔助手段，可以輔助水文分析模型的構建，並能直觀顯現其分析結果。至於模型研究，仍是須要在專業領域上構建的。

ArcGIS的水文分析工具在ArcGIS的早期版本就有，若是筆者沒有記錯，應該在8.x系列已經存在。但因爲當時ArcGIS只有英文版，包括幫助也是英文的，因此對於其在國內推廣仍是相對比較困難。直到後來推出了ArcGIS10.0 纔是第一個完成中文版，包括了中文幫助。目前筆者使用的是當前最新版本ArcGIS10.5 版本。

ArcGIS水文分析的一些重要原理

不少人在使用ArcGIS 的水文分析工具的時候實際上是不知道其運行原理的。由於大部分使用者都是從院校走出來的，水文分析的使用都是從授課老師那裏教學而來，雖然整個分析過程是記住了，但一旦離開了實驗數據，不少分析結果就出不來了。而原理部分，因爲之前沒有中文版，要看專業的英文文檔，基本上不是學生們能夠辦到的了。其實也只有一部分英文水平比較好的學者纔去看原理部分。

若是在某度上搜索一下ArcGIS 水文分析，估計絕大部分出來的都是某些學生上傳上去的實驗報告文檔。雖然也有一些分析步驟比較清晰的，因爲不明白原理或者沒有闡述原理，在參照其分析流程的過程當中會出現不少問題，尤爲是換一份數據去測試。因此，實驗離最終應用仍是有很大的距離。

因此，若是閣下是功利性比較強的人，可能會直接跳過原理部分，那麼在後期的分析中可能就會遇到種種問題。筆者強烈建議去閱讀ArcGIS關於其水文分析工具的原理部分。若是還有時間和精力，仍是很是有必要去看看水文學原理的相關書籍。畢竟是交叉學科中的應用，必須兩方面都要去學習。
點開ArcGIS的幫助（建議使用中文版），查找到[水文分析工具集]，以下圖所示

能夠在這裏做爲一個總入口，去查看相關的一些理論說明。例如點擊[瞭解水系]，會彈出一個關於ArcGIS軟件對水系的認知說明，以下圖

對於水文專業的人員來講，水系是最熟悉不過了，根本不須要再去理解了。若是抱有這種想法，估計後面有不少工具的使用會讓人不知所云。雖然開發水文工具的人員都會學習一些水文知識，但程序員與水文人員之間是存在必定的隔閡的。爲此，筆者專門買了一些水文學方面的書籍來查看，而且也諮詢了一些水文從業人員。中文幫助中基本上對專業名詞的描述是對的，雖然有一點點的誤差，但至少不會出現明顯的錯誤。

中文幫助的這些水文專業名詞誤差應該是跟翻譯的人有很大的關係。由於翻譯方面是不具有水文專業基礎的，他們是須要作一些名詞對照。英文幫助是很是正確的，但不適合國內的通常使用者去閱讀。因此這裏存在一個誤差，須要找一個平衡點。這也就是筆者爲何推薦中文版的時候也要求去查看其原理，由於原理中包含了一些專有名詞在軟件界面中的對照。筆者還常常調侃說，那是香港人用普通話告訴了北京人，北京人根據本身的理解再寫了一本粵語教程。固然這只是玩笑，現實沒那麼糟糕。

在使用ArcGIS水文分析以前，弄清楚幾個關鍵的名詞，如分水嶺、河流、出水口、流域、集水區等。看似很簡單的名詞，其實有不少相關聯的地方。因此，仍是這一張經典的圖片，不厭其煩的再放一次。

• 水系：接收雨水的區域以及雨水到達出水口前所流經的網絡被稱爲水系。流經水系的水流只是一般所說的水文循環的一個子集，水文循環還包括降雨、蒸發和地下水流。

ArcGIS水文分析工具重點處理的是水在地表上的運動狀況。

• 流域盆地：流域盆地是將水和其餘物質排放到公共出水口的區域。流域盆地的其餘經常使用術語還有分水嶺、盆地、集水區或匯流區域。該區域一般定義爲通向給定出水口或傾瀉點的總區域。

• 傾瀉點：傾瀉點是水流出某個區域的點。該點一般是沿流域盆地的邊界的最低點（即該匯水區內徑流累計最大值的點）。

• 分水嶺：兩盆地之間的邊界稱爲流域分界線或分水嶺邊界。

• 其餘名詞：水到達出水口前流經的網絡可顯示爲樹，樹的底部是出水口。樹的分支是河道。兩條河道的交點稱爲結點或交匯點。鏈接兩個相鄰交匯點或鏈接一個交匯點和出水口的河道的河段稱爲河流鏈接線。

從這些名詞中能夠看出一些特色，看似有很是多的名詞，其實表達的意思是有限。

1. 盆地、流域、集水區，實際上是一回事。從物理的角度上看，盆地、流域都是集水區，只不過術語不同。盆地更多的時一個地理學地形的名詞，流域是從水文管理方面的術語，集水區是水文循環造成一個物理區域。

2. 出水口、傾瀉點也是同同樣東西。傾瀉點更多用在某一河段最終出水的位置表達；出水口則能夠理解爲整個流域中樹狀河流最終匯水的那一點。

3. 爲何ArcGIS水文分析工具出來的是樹狀河流結構？在水文學上河流是分爲樹枝狀河流和網狀河流。在降雨後天然造成地表徑流，沒有人工干涉的狀況下，流域內會造成樹枝狀河流；網狀河流通常是在地勢比較平坦的地方，很難天然造成規律的地表徑流，還有一部分是人爲的在地表開挖河流和渠道所致使的。
   

看上圖兩張圖，左圖是樹枝狀的水系，有圖是網狀水系。在清楚這兩種形式的河流結構後，其實對使用工具尤爲重要。由於ArcGIS水文分析工具中使用的是單流向的D8算法，比較適合因爲地勢天然造成徑流的狀況，也就是說對口的時樹枝狀河流的形式，這種河流造成的區域通常都是偏山區、丘陵地帶；而因爲採用的是單流向算法，所以對於地勢平坦的地區，尤爲是平原區域或者城市區域，基本上不適用。

在樹枝狀的水系中，又分爲羽毛狀水系、平行狀水系和混合狀水系，分別對應下面三張圖。

這三種形狀基本上能夠歸納了全部的樹枝狀水系的狀況。研究這個主要是爲了作水情預報。其實經過看圖能夠理解，若是在同一個大小的流域，一樣的降雨強度，河流的數量也一致的狀況下，洪水在到達出水口位置，羽毛狀水系的洪峯要來得晚一些；平行狀水系因爲各支流到出水口的時間都差很少，所以洪峯要來得早一些；混合狀水系則在兩者範圍內。

爲何要了解這些水文的概念，那是由於一旦須要作水文分析，那就須要有理論依據，不一樣的地形，不一樣的河網，對水文分析、水文預報等都有着很是大的影響。ArcGIS這些基礎的GIS軟件只會提供基礎的工具，並不提供直接可用的分析模型，所以在創建模型的時候須要有很是紮實的水文學功底。

本章節先介紹了水文分析與GIS的關係，以及一些經常使用的水文學術語。下一章將會介紹ArcGIS水文分析的幾個工具所用到的基礎算法。