1. 加载 DEM
点击菜单栏中的“+”（图 1 红框）
，在对话框里点击“链接到文件夹（connect to folder）”（图
2 红框）
，选择 DEM（tif 格式，图 3 步骤 1）
，点击添加（add，图 3 步骤 2），将拟提取流域
的 DEM 加载到系统中（图 4）
。
图1
图2
图3
图4
2. 填洼
为什么要填洼：ArcGIS 水文分析的基础算法为 D8 单流向算法。
D8 算法是假定雨水降落在地形中某一个格子上，改格子的水流将会流向周围 8 个格子
地形最低的格子中。如果多个像元格子的最大下降方向都相同，则会扩大相邻像元范围，直
到找到最陡下降方向为止。如图 5 所示：
图5
流向则用 2 的 n 次方表示，从 0 开始，按照逆时针分别为递增，其方位编码如图 6 所示
（这样编码的好处自然是通过数学的方式，让计算机可以非常快的使用二进制进行索引，加
快大区域的流量累计统计）
：
图6
D8 算法又称作单流向算法。其特点就计算速度快，能够很好的反应出地形对地表径流
形成的作用。但其弊端也是显而易见。因为水流只流向一个方向，是单线传递，一旦遇到某
一洼地的时候，周边的水流都会集中向该洼地流入，导致断流现象，而现实中由于水会向多
个方位不定向的流动，是不会轻易导致断流的。如果要避免这种情况发生，就需要对地形中
的洼地进行填平，确保水流也能从该洼地流出。这就是为什么水文分析工具中出现了一些与
水文分析完全没有关系的一个工具–填洼
从 D8 算法可以看出，ArcGIS 的水文分析工具是依赖无凹陷的 DEM 地形的，所以在
分析之前都必须对 DEM 数据进行检查。【汇】工具和【填洼】工具就是为了分析前查找和
填平洼地而生的，在使用水文分析之前必须要使用这两个工具对 DEM 进行处理。
单流向算法影响限制了 ArcGIS 水文分析工具的使用。尤其是地势平坦的地区和人工干
预比较多的城市区域，基本上不适用。因为地势平坦导致水流无法沿某一方向流动而形成径
流。
另一种情况是事实上的断流形成，如存在地表水流汇流入地下水系的情况。一旦出现流
入地下暗河，D8 算法就完全失效。因此，在喀斯特地貌中同样也不适用。
D8 算法是完全不考虑降雨的多少、土壤渗透率、植被吸水以及水流挡阻等水文过程，
它只是假定有无限的降雨并最终汇聚水流形成径流，并通过汇流范围来定义最终的河流。因
此，它只是一个径流汇成河流的定性分析（尽管流量计算看起来是有定量因子），并不能通
过其流量算法去做水文的预报。
填洼操作：
菜单栏点击 ArcToolBox（图 7 红框）
，选择“Spatial Analyst Tools”→“Hydrology”→
“Fill”
（图 8）。对话框中有三个选项（图 9），上、中为两个必填参数，分别为“输入表面
栅格数据（input surface raster）
”
，即 DEM，以及“输出表面栅格（output surface raster）”即
输出的路径。Z 值限制（Z limit）是个可选项，测试显示，使用填洼工具做一次无 Z 值填洼，
基本可生成无凹陷 DEM，故 Z 值限制留空。确定后即生成填洼后 DEM（Fill_HK_8_6，图
10）
。
图7
图8
图9
图 10
3. 流向
流向分析是基于 D8 单流向算法，如果分析使用的 DEM 存在凹陷点，就会产生汇，导
致径流断流从而影响了分析结果。因此，流向分析要使用填洼过的数据，确保 DEM 数据没
有凹陷点。流向分析工具十分简单，输入一个无凹陷点的 DEM，输出结果就是流向栅格。
流向栅格数据是以 2 的 n 次方来标记 8 个方向的（图 6）
，在没有汇的情况下，其数值一定
是 2 的 n 次方。ArcGIS 软件在默认情况下，自动给定流向栅格 8 个方位不同的颜色进行渲
染。若输出的流向中出现不是【1，2，4，8，16，32，64，128】这样的值，而是一个连续
像元值的结果，
其实质是产生了 8 个方向以外的数值，
即在参与进行计算的 DEM 还存在汇，
需对 DEM 再做填洼操作。
【这是一个鲜为人知的小技巧】
流向分析操作：ArcToolBox 中选择“Spatial Analyst Tools”→“Hydrology”→“Flow direction”
（图 11）
。对话框中有三个选项（图 12）
，上、中为两个必填参数，分别为“输入表面栅格
数据（input surface raster）
”
，即生成填洼后 DEM（Fill_HK_8_6）
，以及“输出流向栅格（output
flow direction raster）
”即输出的路径。其余选项无须勾选。确定后生成流向栅格（fl_dir_hk_8_6，
图 13）
。
图 11
图 12
图 13
4. 流量
ArcGIS 软件中，流量栅格是指有多少个格子的水流汇流到某一点上，是一个空间范围概
念，并不是水文学意义上的河流流量，与水文站实测的数据是两个完全不同意义的名词。
ArcGIS 的流量统计是需要流向栅格进行参考，其实际原理是累计每个流向栅格的总数（图
14）
。
图 14
流量分析操作：
ArcToolBox 中选择“Spatial Analyst Tools”→“Hydrology”→“Flow Accumulation”
（图 15）
。
对话框中有四个选项（图 16）
，第一和第二项为两个必填参数，分别为“输入流向栅格数据
（input flow direction raster）
”
，即流向栅格（fl_dir_hk_8_6）
，以及“输出流量栅格（output
accumulation raster）”即输出的路径。其余选项无须勾选或更改。确定后生成流量栅格
（fl_acc_hk_8_6，图 17）
。
流量权重栅格（weight raster）
：
流量分析中有一个可选项—输入权重栅格（input weight raster）
。ArcGIS 软件中，流量
的统计是基于流向像元数据进行累加统计，而流向栅格是基于 D8 算法计算出来的，原则上
只考虑单个方向的汇水过程，没有考虑如降雨、渗透等水文现象。在默认情况下，流向栅格
流出的水量是一致的，流量统计计算的只是流向栅格累计的个数。即每一个 30 * 30 区域汇
入河流的水量都是一致的。这显然是不符合实际情况，实地中每一处的蓄积（跟降雨量、下
渗、植被吸水都有关系）对河流的贡献是不一样的，这就需要一个权重值来衡量多少水量蓄
积才能达到河流形成。若仅仅是通过 DEM 数据提取河流，该参数对后续分析影响不大。值
得注意的是，无论权重参数如何，所得结果是一个相对流量值，只反映区域与流量关系，并
非真实流量。
图 15
图 16
图 17
5. 流量划分
参照图 17 的结果，流量统计栅格亮白色代表流量的高值，其中最大一点共有 50483 个
像元向其汇入。该原始 DEM 数据的元数据信息的像元大小为 30*30，流量最大点的汇入栅
格面积就是 30 * 30 *50483 m2（45434700 m2，即 45.4347 km2）
。按照默认的显示方式去表达
流量是没有任何意义的。流量统计的实际意义在于在一定流量值时会产生地表径流，在径流
达到一定值是成为常规的河流。在流量统计之后，必须要对统计的栅格数据进行筛选，指定
流域指标，如流量蓄积栅格。通过划分流量蓄积栅格，决定河流的源头，后续再配合出水口
数据，定义研究流域。
若研究对象是汇水面积超过 9 平方公里的河流，这 9 平方公里的蓄积栅格数是多少？按
照平方公里与平方米的转化，9 平方公里=9000000 平方米。9 平方公里的蓄积栅格数
=9000000/(30 * 30)=10000，即地表径流能够汇聚成河流的最小蓄积栅格为 10000。
针对流量进行河流的定义，ArcGIS 工具对栅格处理提供【条件函数】工具，可以剔除掉
不符好条件的栅格像元。
【条件函数】工具是针对栅格数据进行过滤，对每个输入像元执行
if/else 条件评估。
流量划分操作：
ArcToolBox 中选择“Spatial Analyst Tools”→“Conditional”→“Con”（图 18）。对话框中有
五个选项（图 19）
，需要填写的第一、第二、第三和第五项，分别为：
a. “输入流量栅格数据（input flow accumulation raster）”即流量栅格（fl_acc_hk_8_6）;
b. “表达式（Expression）
”;
c. “输入条件为 true 时所取的栅格数据或常量值（input true raster or constant value）
”，可
选流量栅格（fl_acc_hk_8_6）或流向栅格（fl_acc_hk_8_6）;
d. “输出栅格（output raster）
”即输出的路径。
其余选项无须勾选或更改。建议条件筛选做两步，第一步筛选蓄积量栅格，第二步利用筛选
后的蓄积量栅格再筛选流向。
例如要提取出蓄积量大于 10000 的流量像元，“表达式（Expression）”中可输入
“Value>=10000”
，确定后生成筛选后的流量栅格（Con_hk_8_6，图 20）
。注意图 20 的图例
部分，其最低值已变为 10029，代表低于 10029 的流量像元已被筛除。
再次进行相同的步骤，在“输入条件为 true 时所取的栅格数据或常量值（input true raster
or constant value）”中选择流向栅格（fl_acc_hk_8_6），获得筛选流向后的流量栅格数据
（Con_d_hk_8_6，图 21）
。
图 18
图 19
图 20
图 21
6. 河网分级
河网分级是根据水系的连接情况进行等级划分。ArcGIS 支持水文学上最常用的两种分
级模式–斯特拉勒（STRAHLER）和施里夫（SHREVE）分级方法。
斯特拉勒（STRAHLER）分级法（图 22 左）
，没有支流汇入的水系定义为 1 级别，两个
相同级别的水系汇入某一河流时，河流等级增加 1 级；如果等级不同，则以最大等级的河流
相同。依次分级完成所有定义。
施里夫（SHREVE）分级法（图 22 右）有点类似累计分级，将没有支流的水系定义为 1
级，多个支流汇入，将其级别相加作为汇入河流的级别。如此类推直到分级完成。
图 22
如果是希望通过 DEM 去提取水系，那么采用斯特拉勒（STRAHLER）分级方法作为依
据；如果是希望寻找河网链与流量、泥沙量的关系，推荐使用施里夫分级方法。
河网分级操作：
ArcToolBox 中选择“Spatial Analyst Tools”→“Hydrology”→“Stream Order”（图 23）。对话
框中有四个选项（图 24）
，分别为：
a. “ 输 入 河 网 栅 格 数 据 （ input stream raster ）”， 即 筛 选 流 向 后 的 流 量 栅 格 数 据
（Con_d_hk_8_6）;
b. “输入流向栅格数据（input flow direction raster）
”
，即流向栅格（fl_dir_hk_8_6）;
c. “输出栅格（output raster）
”即输出的路径。
d. “河网分级方法（Method of stream ordering）”
，默认为斯特拉勒（STRAHLER）分级法。
确定后生成分级的河网栅格（St_O_hk_8_6，图 25）
。
图 23
图 24
图 25
7. 栅格河流矢量化
GIS 对栅格计算的支持远没有对矢量数据的多，所以大多数情况下都需要将栅格数据转
换为矢量数据进行分析。ArcGIS 提供的数个栅格转矢量的工具，如【栅格转线】、【栅格转
面】
、
【栅格河流矢量化】等，在栅格河流转换为矢量河流时，效果最好的是【栅格河流矢量
化】
。
栅格矢量化操作：
ArcToolBox 中选择“Spatial Analyst Tools”→“Hydrology”→“Stream to Feature”（图 26）
。
对话框中有三个选项（图 27）
，分别为：
a. “输入河流栅格数据（input stream raster）
”
，即分级的河网栅格（St_O_hk_8_6）;
b. “输入流向栅格数据（input flow direction raster）
”
，即流向栅格（fl_dir_hk_8_6）;
c. “输出折线要素（output polyline feature）”即输出的路径。
确定后生成矢量河流（StT_St_O_hk_8_6.shp，图 28）
。
图 26
图 27
图 27
栅格矢量化后的分级河网可以绘制河流分级显示图。利用 grid_code 作为标注显示等级，
使用【唯一值渲染】用不同大小的符号显示河流，可以很直观地反映出河网关系。
绘制河流分级显示图操作：
选择矢量河流（StT_St_O_hk_8_6）
，右键属性（properties）
，对话框菜单栏选择“符号
（Symbology）
”
。对话框左侧“目录（Categories）
”选择“唯一值（Unique value）”，对话框
中部“值域（Value field）
”选择“grid code”
（图 28）。点击“添加所有值（add all value）”
，
点击确定，即可生成河流分级显示图（图 29）
。
图 28
图 29
提取河口（又称出水口或倾泻点）操作：
ArcToolBox 中选择“Data Management Tools”→“Features”→“Feature vertices to point”（图
30）
。对话框中有三个选项（图 31）
，分别为：
a. “输入要素（input feature）
”
，即矢量河流（StT_St_O_hk_8_6）;
b. “输出要素类（output feature class）”即输出的路径。
c. “点类型（point type）
”
，选择“END”;
确定后生成矢量河流（StT_St_O_hk_8_6）的河口（FV_Poi hk_8_6，图 32）
。
图 30
图 31
图 32
8. 捕捉倾泻点
通过河流分级之后提取河网，并利用【要素折点转点】工具提取其终点作为出水口。由
于各个栅格数据不是从同一份 DEM 中分析出来的，
提取的出水口必须要使用
【捕捉倾泻点】
工具来重新校正，校正过程是找到倾泻点附近的区域流量栅格中的最大值，确保这个流量值
是由上游区域贡献的流量。否则，实际输出的倾泻点数据有可能不是该区域的流量栅格最大
值，导致出现非常细小的流域面。
提取捕捉倾泻点操作：
ArcToolBox 中选择“Spatial Analyst Tools”→“Hydrology”→“Snap pour point”（图 33）。对
话框中有五个选项（图 34）
，分别为：
a. “输入栅格数据或要素倾泻点数据（input raster or feature pour point data）
”
，即出水口栅
格（FV_Poi hk_8_6）;
b. “倾泻点字段（pour point field）”
，自动填;
c. “输出蓄积栅格数据（input accumulation raster）”即筛选后的流量栅格（Con_hk_8_6）
。
d. “输出栅格（output raster）
”即输出的路径。
e. “捕捉距离（snap distance）
”
，默认为 0;
确定后生成校正后的倾泻点（Sn_P_hk_8_6，图 35）
。
图 33
图 34
图 35
9. 分水岭
有了上一步的捕捉到的倾泻点数据，就可以利用【分水岭】工具提取流域。
提取捕捉倾泻点操作：
ArcToolBox 中选择“Spatial Analyst Tools”→“Hydrology”→“Watershed”（图 36）
。对话框
中有四个选项（图 37）
，分别为：
a. “ 输 入 栅 格 数 据 或 要 素 倾 泻 点 数 据 （ input flow direction raster ）”， 即 流 向 栅 格
（fl_dir_hk_8_6）;
b. “输入栅格数据或要素倾泻点数据（input raster or feature pour point data）”，即出水口栅
格（Sn_P hk_8_6）;
c. “倾泻点字段（pour point field）”，自动填;
d. “输出栅格（output raster）
”即输出的路径。
确定后生成流域栅格（Watsh_hk_8_6，图 38）
。
提取的流域可通过【栅格转面】工具转为矢量面数据。
栅格转面操作：
ArcToolBox 中选择“Conversion Tools”→“From raster”→“raster to polygon”（图 39）。对
话框中有三个选项（图 40）
，分别为：
a. “输入栅格（input raster）
”
，即流域栅格（Watsh_hk_8_6）;
b. “字段（field）
”
，自动填。
c. “输出面要素（output polygon feature）
”
，即输出的路径;
确定后生成面文件（Watshed_hk_8_6，图 41）
。
图 36
图 37
图 38
图 39
图 40
图 41
以下步骤属于水库库容计算的内容，即根据水位的海拔高度计算出水库蓄水时的淹没区
及库容。库容的体积即为某一海拔高度至出水口，二者高差下的河谷体积。为什么要计算河
谷体积呢？在裂点相对发育的河道，河谷体积相当于裂点沿干流溯源侵蚀的体积。若计算出
某一海拔高度至出水口的河谷体积和某一高度的流域面积，结合已有的侵蚀速率数据，可计
算出裂点溯源侵蚀后退的时长。
10. 裁剪 DEM
利用集水区边界裁剪原始的 DEM。注意，因后续要基于原始 DEM 去计算体积，因此拟
裁剪的 DEM 是原始 DEM，而不是填洼过的无凹陷点 DEM。切记。
11. 裁剪 DEM 操作：
ArcToolBox 中选择“Data Management Tools”→“Raster”→“Raster processing”→“Clip”（图
42）
。对话框中需要填三个选项（图 43）
，分别为：
a. “输入栅格（input raster）
”
，即原始 DEM 栅格（HK_DEM_8_6）;
b. “输出范围（Output extent）
”
，即提取的流域面（Watshed_hk_8_6）。
c. “输出栅格数据集（output raster dataset）
”，即输出的路径;
输入后必须勾选（Use input features for clipping geometry），其余无需勾选。
确定后生成裁剪后的 DEM（HK_DEM_Clip_8_6，图 44）
。
图 42
图 43
图 44
12. 设为空函数
根据水位的海拔高度和与下垫面之间的空间，即可计算出水库蓄水时淹没的区域，即水
库的库容。ArcGIS 提供了【设为空函数】工具，计算蓄水的边界。
ArcToolBox 中选择“Spatial analyst Tools”→“Conditional”→“Set null”（图 45）。对话框中
需要四个选项（图 46）
，分别为：
a. “ 输 入 条 件 栅 格 数 据 （ input conditional raster ）”， 即 裁 剪 后 的 DEM 栅 格
（HK_DEM_Clip_8_6）;
b. “表达式（Expression）
”
，即水位的海拔高度（Value > 433.2，
（实际为裂点海拔高度））
。
c. “输入条件为 false 时所取的栅格数据或常量值（input false raster or constant value）
”，即
即裁剪后的 DEM 栅格（HK_DEM_Clip_8_6）;
d. “输出栅格（output raster）
”
，即输出的路径;
确定后生成最大水位时的淹没区的 DEM（setN_hk_8_6，图 47）
。
图 45
图 46
图 47
13. 计算库容
计算库容操作：
ArcToolBox 中选择“3D analyst Tools”→“Functional surface”→“Surface volume”（图 48）
。
对话框中需要四个选项（图 49）
，分别为：
a. “输入表面数据（input surface）”
，即最大水位时的淹没区的 DEM（setN_hk_8_6）;
b. “输出文本文件（Output text file）”
，输出的路径，文本文件（testV.txt）记录计算结果。
c. “参考平面（reference plane）
”
，选择“below”
，表示取最高海拔的平面之下的下垫面;
d. “平面高度（Plane height）
”和 Z 因子默认即可;
确定后计算结果将记录在 testV.txt 中（setN_hk_8_6，图 50）
。
图 48
图 49
图 50