用 Python 从 DEM 数据中提取河网与流域：一份完整的水文分析指南

只需一个 DEM 文件，就能自动提取河网、划分流域、生成专业图表。

一、背景

在 GIS 水文分析中，DEM（数字高程模型） 是基础数据源。我们往往需要基于 DEM 完成以下工作：

• • 提取研究区内的河网水系
• • 计算水流方向与汇流累积量
• • 划分子流域及特定出口的汇水区
• • 生成山体阴影、坡度、坡向等地形因子

传统做法是使用 ArcGIS 的 Hydrology 工具箱或 QGIS 的插件，步骤繁琐且需要手动操作。今天介绍一个开源 Python 工具——WhiteboxTools，结合一套完整的自动化脚本，能够一键完成上述全部流程。

二、工具简介

WhiteboxTools 是加拿大圭尔夫大学开发的开源地理空间分析平台，支持 500 多种栅格和矢量分析工具。它没有图形界面，但提供了 Python 绑定（whitebox 包），可以方便地集成到自动化流程中。

我们基于 whitebox、rasterio、matplotlib、geopandas 等库，编写了一个完整的水文分析脚本，实现了从原始 DEM 到成果图件的全自动处理。

三、分析流程

整个流程分为 9 个步骤，环环相扣：

DEM 原始数据    ↓① DEM 预处理（洼地处理）    ↓② 地形分析（山体阴影、坡度、坡向）    ↓③ 水流方向计算（D8 算法）    ↓④ 水流累积量计算    ↓⑤ 河网提取（多阈值对比）    ↓⑥ 河网矢量化    ↓⑦ 子流域自动划分    ↓⑧ 指定出口的流域提取    ↓⑨ 结果可视化

步骤 1：DEM 预处理

DEM 数据通常含有虚假洼地（sink）——由于测量误差或插值算法导致的不真实低点。这些洼地会使水流"困住"，无法正确计算流向。

脚本支持两种处理方法：

• • 冲沟法（Breach）：在洼地边缘"挖"一条通道让水流出，对原始 DEM 改动最小
• • 填洼法（Fill）：将洼地填平到溢出高程，更常用但会抬高局部高程

默认使用填洼法，可以通过修改 DEPRESSION_METHOD 参数切换。

步骤 2：地形分析

生成三种基础地形图：

步骤 3-4：水流方向与累积量

使用经典的 D8 算法——每个栅格单元检查周围 8 个邻居，水流流向坡度下降最快的方向。

水流累积量则统计每个栅格上游有多少个单元的水流经此处。这个值是河网提取的关键依据：

• • 山脊处值接近 0
• • 河道处值较大
• • 主河道处值最大

步骤 5：河网提取

设定一个阈值，水流累积量超过该值的栅格被判定为河道：

• • 阈值越小 → 河网越密集（包含细小支流）
• • 阈值越大 → 河网越稀疏（只保留主干河道）

脚本会自动用多个阈值（如 500、1000、2000、5000）同时提取，方便对比选择最合适的阈值。

步骤 6：河网矢量化

将栅格河网转换为 Shapefile 矢量线，可以在 QGIS、ArcGIS 中打开编辑，也可以计算河流长度、分级等属性。

步骤 7-8：流域划分

自动识别所有子流域，同时支持指定出口点提取特定流域。脚本会自动寻找水流累积量最大的点作为流域出口，并完成倾泻点捕捉和流域提取。

步骤 9：可视化

自动生成三张专业图表：

1. 1. 地形分析图（DEM、山体阴影、坡度、坡向）
2. 2. 水文分析图（水流累积量、河网、子流域、指定流域）
3. 3. 阈值对比图（不同阈值下的河网密度对比）
   
   
   

四、使用方法

环境准备

pip install whitebox rasterio matplotlib numpy geopandas

运行

1. 1. 将 DEM 文件（dem1.tif）放到脚本同级目录
2. 2. 直接运行：

python whitebox_test.py

参数说明

所有核心参数集中在 Config 类中，可根据需求调整：

五、运行结果

脚本运行完成后，hydro_output 目录中会生成：

• • 栅格文件（.tif）：预处理后的 DEM、地形因子、水流方向、累积量、河网、子流域
• • 矢量文件（.shp）：矢量化的河网
• • 图表文件（.png）：三张专业可视化图

六、适用场景

• • 水文与水资源研究：快速提取流域水系，计算汇水面积
• • 地质灾害评估：分析地形坡度、坡向与滑坡的关系
• • 环境规划：划分汇水区，评估污染物扩散路径
• • GIS 教学：用开源工具完成水文分析教学演示
• • 遥感与地理分析：自动化处理批量 DEM 数据

七、总结

相比 ArcGIS 的手动操作流程，这套脚本的优势在于：

1. 1. 全自动化：从 DEM 到成果图件一键完成
2. 2. 开源免费：基于 WhiteboxTools，无需商业许可
3. 3. 可复现：所有参数集中配置，方便批量处理和方案对比
4. 4. 结果专业：自动生成阈值对比图和综合分析图

如果你手头有 DEM 数据，不妨试试这个流程 —— 用 9 步自动完成水文分析，让 GIS 工作流更高效。

项目资源

完整脚本及说明文档可在评论区留言留言「水文分析」获取下载链接。

如有疑问，欢迎在评论区留言交流。

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