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作爲研究方向的人員來說，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。這其實是個普遍性的問題，任何跨專業跨學科去解決問題，都是需要付出極大的代價的，尤其是時間和精力，因爲必須同時具備兩方面的專業知識，纔可以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與水文分析的一些看法。By 李遠祥

淺談一下GIS與水文學

水文學不同於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。如果非要對兩個專業來做評論的話，筆者認爲水文學是徹頭徹尾的專業學科，而GIS則是一項可具體操作的工具。
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。

當然，GIS在近20年來在國內逐漸流行並壯大，大量的各種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。同時在其他非GIS專業裏面也大量的出現了GIS課程，GIS與其他學科的交叉使用也是非常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，也有一些人通過化學同位素等方式去深入研究整個循環過程。水文學有非常多的分支，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。也可以看到其專業劃分的細緻程度。
　　如果說水文專業是縱向學科，那麼GIS專業更像是橫向的，儘管它往往是以計算機軟件和系統的形式出現，但其理論支撐是非常多的。如計算機圖形學、測繪學、攝影測量學、統計學、程序語言等。

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，還是相對比較陌生，感覺水文方面就跟氣象一樣專業，屬於小衆系的專業，正因如此，能夠找到GIS與水文分析結合的例子就相對要少一些。而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專業的人能夠搞定的事情。所以，後面的內容都是以一個GIS從業人員角度去探討水文分析，難免會對水文分析上存在一些認識上的誤差，如有不正確之處，歡迎指正。

GIS中的水文分析

水文分析就像GIS空間分析一樣，是一個非常大的概念，所以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。
　　

這是非常典型的水-土-植循環模型，非常的經典，甚至在地理學的經典教程中都有其示意圖。從該經典圖中可以看到，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。每一個方面都可以作爲水文過程的一個重要因子進行分析，當然，分析的最終結果，很多水文人員都希望能夠最終實現水文預報。
　　
　　還有一種做法是在水文分析的前期或者成果的基礎上用GIS做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。
　　
　　相對於GIS應用開發公司來說，GIS平臺廠商相對來說會考慮深遠一些，會在其GIS軟件中集成一部分的水文分析輔助工具。爲什麼說是輔助工具，那是因爲它們提供的都不是最終的分析模型，而是通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。所以，一般利用GIS專業軟件去實現水文分析都是大體遵循以下方式：

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去做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平臺廠商相對來說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類似，只提提供基礎分析工具，而具體的模型需要另外研究。
　　
　　目前來說，在這方面能夠找到的比較多的資料一般都是使用ArcGIS軟件來實現。

理由似乎很簡單，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。其次是每一個工具裏面都是詳細說明其原來，使用了什麼樣的算法，引用了哪個水文學者哪一篇論文。而水文模型的研究人員非常在意這些理論依據，在有特別說明並且能夠被學術界廣泛認可該算法在軟件平臺上實現的準確性，那就可以直接拿來使用，而不是自己重新根據原來去實現算法。
　　
　　ArcGIS中的水文分析工具，可以看下圖

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。
　　

如果單從這幾個工具入手，確實是比較難去理解ArcGIS是如何做水文分析。畢竟一些工具的命名跟水文專業上也需要一些銜接。GIS人員使用還好說，因爲對水文專業不熟悉，所謂無知即無畏，不會存在太多的詫異，最多就是再結合ArcGIS的其他工具去做一些分析。但水文專業的人員就不一樣了，這裏存在一個期望值，就是希望工具拿來即用，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的工具更多的是作爲水文研究的一些輔助手段，能夠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，還是需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，如果筆者沒有記錯，應該在8.x系列已經存在。但由於當時ArcGIS只有英文版，包括幫助也是英文的，所以對於其在國內推廣還是相對比較困難。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

很多人在使用ArcGIS 的水文分析工具的時候其實是不知道其運行原理的。因爲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，很多分析結果就出不來了。而原理部分，由於以前沒有中文版，要看專業的英文文檔，基本上不是學生們可以辦到的了。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。

如果在某度上搜索一下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，由於不明白原理或者沒有闡述原理，在參照其分析流程的過程中會出現很多問題，尤其是換一份數據去測試。所以，實驗離最終應用還是有很大的距離。

所以，如果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。如果還有時間和精力，還是非常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]，如下圖所示

可以在這裏作爲一個總入口，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，如下圖

對於水文專業的人員來說，水系是最熟悉不過了，根本不需要再去理解了。如果抱有這種想法，估計後面有很多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一定的隔閡的。爲此，筆者專門買了一些水文學方面的書籍來查看，並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，雖然有一點點的偏差，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偏差應該是跟翻譯的人有很大的關係。因爲翻譯方面是不具備水文專業基礎的，他們是需要做一些名詞對照。英文幫助是非常正確的，但不適合國內的一般使用者去閱讀。所以這裏存在一個偏差，需要找一個平衡點。這也就是筆者爲什麼推薦中文版的時候也要求去查看其原理，因爲原理中包含了一些專有名詞在軟件界面中的對照。筆者還經常調侃說，那是香港人用普通話告訴了北京人，北京人根據自己的理解再寫了一本粵語教程。當然這只是玩笑，現實沒那麼糟糕。

在使用ArcGIS水文分析之前，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，其實有很多相關聯的地方。所以，還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通常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情況。

流域盆地：流域盆地是將水和其他物質排放到公共出水口的區域。流域盆地的其他常用術語還有分水嶺、盆地、集水區或匯流區域。該區域通常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。該點通常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。
其他名詞：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。連接兩個相鄰交匯點或連接一個交匯點和出水口的河道的河段稱爲河流連接線。

從這些名詞中可以看出一些特點，看似有非常多的名詞，其實表達的意思是有限。

盆地、流域、集水區，其實是一回事。從物理的角度上看，盆地、流域都是集水區，只不過術語不一樣。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，集水區是水文循環形成一個物理區域。
出水口、傾瀉點也是同一樣東西。傾瀉點更多用在某一河段最終出水的位置表達；出水口則可以理解爲整個流域中樹狀河流最終匯水的那一點。
爲什麼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。在降雨後自然形成地表徑流，沒有人工干涉的情況下，流域內會形成樹枝狀河流；網狀河流一般是在地勢比較平坦的地方，很難自然形成規律的地表徑流，還有一部分是人爲的在地表開挖河流和渠道所導致的。

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，其實對使用工具尤其重要。因爲ArcGIS水文分析工具中使用的是單流向的D8算法，比較適合由於地勢自然形成徑流的情況，也就是說對口的時樹枝狀河流的形式，這種河流形成的區域一般都是偏山區、丘陵地帶；而由於採用的是單流向算法，因此對於地勢平坦的地區，尤其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。

這三種形狀基本上可以概括了所有的樹枝狀水系的情況。研究這個主要是爲了做水情預報。其實通過看圖可以理解，如果在同一個大小的流域，同樣的降雨強度，河流的數量也一致的情況下，洪水在到達出水口位置，羽毛狀水系的洪峯要來得晚一些；平行狀水系由於各支流到出水口的時間都差不多，因此洪峯要來得早一些；混合狀水系則在二者範圍內。

爲什麼要了解這些水文的概念，那是因爲一旦需要做水文分析，那就需要有理論依據，不同的地形，不同的河網，對水文分析、水文預報等都有着非常大的影響。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，因此在建立模型的時候需要有非常紮實的水文學功底。

本章節先介紹了水文分析與GIS的關係，以及一些常用的水文學術語。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。

ArcGIS水文分析實戰教程（1）GIS與水文學