gis复习-3栅格数据空间分析

第三章基于栅格数据的空间分析数字地形分析通视分析可达性（距离）分析水文分析叠加分析统计与重分类邻域统计多元栅格分析2015/12/22理解Raster数据集栅格数据结构简单、直观，非常利于计算机操作和处理，是GIS常用的空间基础数据格式。基于栅格数据的空间分析是GIS空间分析的基础，也是ArcGIS的空间分析模块的

内容。ArcGIS栅格数据空间分析模块（Spatial yst）提供有效工具集，方便执行各种栅格数据空间分析操作，解决空间问题。12015/12/23理解Raster数据集Raster数据的构成元素位置具有面积－与矢量数据中的“点”对应2015/12/24理解Raster数据集任一Cell的位 址）由Row与Colomn的交叉决定Row与X轴平行Colomn与Y轴平行22015/12/25理解Raster数据集每一个Cell赋予一个特定的数值表达:Class,Cataloge,幅度等2015/12/26理解Raster数据集任何两个或多个具有同一数值的Cell

构成一个

zoneZone可以由空间上相连的、或不相连接的Cell构成相连的Cell表示的是区域的一种特征，集合实体如房屋建筑，在空间上是离散的任何Cell属于一个zone32015/12/2理解Raster数据集每一组相连接的

cell构成一个

RegionZone可有多个

Region2015/12/28理解Raster数据集数值缺失或不完整处理方法插补忽略42015/12/29，理解Raster数据集表的第一列是Value

，的是赋给zone的值。表的第二列是Count的是各个zone的cell的数量。Value和Count都是必须的10理解Raster数据集–栅格Cell的大小依赖于对研究区域分析的需求空间大，分析处cell小对空间的描述详细，但需要理过程中对计算机的性能要求高高度一致的区域，例如平原，通常cell的尺寸大而不影响精度输入数据的分辨率结果数据库的规模和存贮空间的容量期望的响应时间具体的应用和分析目标2015/12/252015/12/211解析度低：信息损失严重现象表示有问题解析度高：表示清晰，处理分析的代价大。解析度的高低要有利于分析、表达、和存贮等。3.1数字地形分析栅格数字地形的表达：DEM、TINDEM

（Digital

Elevation

Model）数字地形模型是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型。在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂地2015/12/2

形的突变现象62015/12/2132015/12/214TIN（Triangulated

Irregular

Network

）在整个区域内连续但不可微方式比格网DEM复杂，它不仅要每个点的高程，还要其平面坐标、节点连接的拓扑关系，三角形及邻接三角形等关系。7value

avalue

cabcInterpolatedvalue

x平面图立方视图用平面方程的函数关系插值：z＝ax＋by＋cvalue

b2015/1682015/12/2172015/12/21892015/12/2193.1.2地形数据数字化图形的数字化高程值的输入CAD格式转入图形的转入高程值的转入(Spatial

Join)其他格式数据转入MapInfoMapGIS2015/12/220CAD格式转入案例分析标高点转入其他标高符号的转入标高值的导入标高点与标高值的连接等高线的转入Elevation的转入12015/12/2213.1.3生成栅格高程表面的途径矢量点内插成栅格高程表面（Interpolate

toRaster）矢量点、线生成TIN高程表面（Creat

TINfrom

features）TIN生成栅格高程表面（TIN

to

Raster）矢量点、线、面通过水文学模型修正后内插得到的栅格高程表面（Topo

To

Raster）全球30米DEM–

地理空间数据云http

/

––全球90米DEM免费获取高程数据2015/12/2241233.1.4主要的数字地形分析内容坡度坡向山体阴影相对高差（地形起伏度）地面粗糙度地形剖面线（矢量叠加后的剖面）表面积、填挖方量计算表面长度计算山顶点提取创建矢量等高线2015/12/2坡度(Slope)2015/12/21242015/12/225实际应用中，坡度有两种表示方式方法坡度(degreeofslope)：既水平面与地形面之间夹角。坡度百分比（percent

slope）：既高程增量与水平增量之比的百分数。坡度生成：案例分析Spatial3Dyst/Surfaceyst/Surfaceysis/Slopeysis/Slope2015/12/22612015/12/227坡向(Aspect)坡向指地表面上一点的切平面的法线矢量在水平面的投影与过该点的正北方向的夹角。在输出的坡向数据中，坡向值有如下规定：正北方向为0度，按顺时针方向计算，取值范围为0°～360°。坡向生成：案例分析Spatial3Dyst/Surfaceyst/Surfaceysis/Aspectysis/Aspect2015/12/22612015/12/229山体阴影(Hillshade)山体阴影是根据假想的照明光源对高程栅格的每个单元计算照明值。山体阴影图不仅很好地表达了地形的 形态，而且有效地反映出了地表日照强度信息。需要设置三个重要参数： 方位角、 高度角、表面灰度值。

方位角以正北方向为0度，按顺时针方向度量，如90度方向为正东方向。由于人眼的视觉

，通常默认方位角为315度，即西北方向。默认情况下，光照产生的灰度表面的值的范围为0~255。方位角度量示意图高度角示意图2030地形日照夏至08:0012015/12/231山体阴影生成：案例分析Spatial3Dyst/Surfaceyst/Surfaceysis/Hillshadeysis/Hillshade相对高差（地形起伏度）12015/12/233相对高差（地形起伏度）在特定区域内，最高点海拔与最低点海拔高度的差值，反映地表起伏变化大小，也反映出了地表的破碎情况。其值越大，表面地表高低起伏很大，地表表面很破碎。使用Neighborhood

Statistics工具，按照移动窗口的方法，求出最大值和最小值，然后求差值。2015/12/234相对高差（地形起伏度）：案例分析Neigborhood

Settings

（Windows

Size）的大小选择？在Raster

Calculator中计算最大高程与最小高程的差值12015/12/235地形剖面线在工程（如公路、铁路、管线工程等）设计过程中，常常需要提取地形断面，制作剖面图。例如，在规划某条铁路时需要考虑线高程变化的情况以评估在其上铺设轨道的可行性。剖面图表示了沿表面上某条线前进时表面上高程变化的情况。剖面图的制作可以采用该区域的栅格DEM或TIN表面。公路高程断面ArcToolbox/3D yst

Tools/FunctionalSurface/Interpolate

ShArcSence236182015/12/237填挖方量计算（Area

andVolume）平面上某矩形区的面积为其长与宽的乘积。与此不同，表面积是沿表面的斜坡计算的，考虑到了表面高度的变化情况。除非表面是平坦的，通常表面积总是大于其二维底面积。体积指表面与某指定高度的平面（参考平面）之间的空间大小，按照表面与参考平面的上下关系分为两种，分别是参考平面之上的体积和参考平面之下的体积，如某山体的土方量或某水库的库容就是最常见的例子192015/12/2382015/12/239填挖方量计算（cut/fill

）计算两个栅格之间的填挖方计算，得到一个结果栅格用于土方平衡计算2015/12/2204041Tips:Both

the

Input

before

rastersurface and

the

Input

afterraster

surface

must

becoincident.

That

is,

they

musthave

a

common

origin,

the

samenumber

of

rows

and

columns

ofcells,

and

the

same

cell

size.The

output

raster

representsthe

net

change

in

the

surface

z-values

following

the

cut-and-filloperation.

Negative

z

valuesindicate

regions

of

the

Inputbefore

raster

surface

that

haveregionsbeen

filled;

positiveindicate

cuts.2015/12/22015/12/242创建矢量等高线由DEM创建任意指定起始高程和任意等高距的等高线应用：生成10年一遇、20年一遇、50年一遇的洪水位生成山体控制等高线212015/12/243Spatial3Dyst/Surfaceyst/Surfaceysis/Contourysis/Contour2015/12/24410年一遇洪水位：978.34米50年一遇洪水位：998.56米22015/12/2起始高程900米，等高距10米2015/12/2463.2通视分析22015/12/247应用历史保护建筑的视野分析、风景区的视野分析景观视点选址、通信塔台选址、哨所选址、时可能需要分析在每一处的视场以确定最佳位置。2015/12/248视线瞄准线视线瞄准线是表面上两点间的一条直线，用来表示观察者从其所处位置观察表面时，沿直线的表面是可见的还是遮挡的A点为观察点，偏离地面一定高度（实际应用中通常观察点不会紧贴地面），B点为目标点，从连接A、B两点的直线段可以判别AB之间哪部分地形遮挡了目标点。图中视线瞄准线较细的部分表示通视，较粗的部分表示视线被遮挡。22015/12/2493.2.2视场分析视场用以指可以被一个或多个观察点看到的所有范围。具体到栅格数据来说，即所能看到的所有栅格单元。可视域计算：实例分析2可视域的参数是通过输入观测点的属性来提供。被使用的属性字段必须用下面的字段名，且必须定义为数值型字段。SPOT：观测点高程，如果缺省则以内插自动获取。OFFSETA：观测点离地面的高度，缺省值为1个Z值单位；

OFFSETB：目标点离地面的高度，缺省值为0

个Z值单位。AZIMUTH1：观测点水平视场的起始角度，缺省值为0，即正北方向；AZIMUTH2：观测点水平视场的结束角度（缺省值为360）VERT1：观测垂直视场起始角度，缺省值为90度，即水平面以上90度；VERT2：观测垂直视场结束角度，缺省值为-90度，即水平面以下90度。RADIUS1：可视域离观测点的最近距离，缺省值为0；R20A15/D2/2IUS2：可视域离观测点的最远距离，缺省值为无穷大51。2015/12/2可视域计算的实现（观测点使用缺省值）第一步：创建观测点ysis/Viewshed第二步：

3D

yst/Surface输入高程表面和观点文件定义输出文件参数22015/12/2533.4水文分析利用地形生成的集水流域和水流网络，再现水流的流动过程，从而理解水流怎样流经某一地区。水文是DEM数据应用的一个重要方面。水文分析模型用于划定受污染源影响的地区，以及当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等，应用在城市和区域规划、农业及森林、交通道路等许多领域，对地球表面形状的理解也具有十分重要的意义。2015/12/25422015/12/255基于DEM的地表水文分析的主要内容是：提取地表水流径流模型的流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络（包括河流网络的分级等）以及对研究区的域进行分割等水文因子的提取。ArcGIS中的分文分析模块ArcToolbox/Hydrology数据基础：无洼地的DEM关键步骤：流向分析2015/12/22542015/12/2水文分析使用DEM数据派生其它水文特征：提取河流网络、自动划分流域。这些是描述某一地区水文特征的重要因素。水文分析步骤22015/12/2582015/12/2593.4.1洼地填充DEM被认为是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于内插的原因以及一些

形（如喀斯特地貌）的存在，使得DEM表面存在着一些凹陷的区域。被较高高程区域围绕的洼地是进行水文分析的一大

，因此在确定水流方向以前，必须先将洼地填充。有些洼地是在DEM生成过程中带来的数据错误，但另外一些却表示了真实的地形如采石场或岩洞等。通过填充洼地(Fill

Sinks)得到无洼地的DEM在经过填充洼地后的DEM

（Filled

Dem），流水可以畅通无阻地流至区域地形的边缘。在经过填充洼地后的DEM是流向分析的基础2015/12/25832015/12/261（1）水流方向提取否则值为2、8、32、128，则栅格间的距离为距离为1。101410111004101910151007102510211012(a)

(b)

(c)水流的流向是通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差来确定的。距离权落差是指中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格间的距离，栅格间的距离与方向有关，如果邻域栅格对中心栅格的方向42？+1+4+11-4？+8-10-62ArcToolbox/Hydrology/Flow

Direction32015/12/2622015/12/263（2）洼地提取洼地区域是水流方向不合理的地方，可以通过水流方向来判断那些地方是洼地，然后再对洼地进行填充。ArcToolbox/Hydrology/Sink2015/12/264（3）洼地填充在通过洼地计算之后，知道了原始的DEM上是否存在着洼地，如果没有存在着洼地，那么原始DEM数据就直接可以用来进行以后的河网的生成、流域的分割等。如果有洼地存在，则必须进行填充，然后再进行后续计算。ArcToolbox/Hydrology/Fill32015/12/2653.4.2汇流累积量汇流累积量是基于水流方向数据计算而来的。对每一个栅格来说，其汇流累积量的大小代表着其上游有多少个栅格的水流方向最终汇流经过该栅格，汇流累积的数值越大，该区域越易形成地表径流。ArcToolbox/Hydrology/Flow

Accumulation汇流累积量是利用水流方向数据来计算的如果是无洼地DEM，以原始DEM生成水流方向数据；如果是有洼地DEM，则利用洼地填充后的DEM生成水流方向数据。Input

weight

raster文本框中输入配权数据，配权数据一般是表示降

水、土壤以及植被等对径流影响

的因素分布不平衡而形成的，更

能详细模拟该区域的地表特征。

如果无数据，系统默认为所有的

栅格配以相同的权值1，那么计算出来的汇流累积量的数值就代表着该栅格位置流入的栅格数的多少。2015/12/232015/12/2672015/12/2683.4.3河网提取汇流累积量则代表在一个栅格位置上有多少个栅格的水流方向流经该栅格。假设每一个栅格处携带一份水流，那么栅格的汇流累积量则代表着该栅格的水流量。当汇流量达到一定值的时候，就会产生地

表水流，那么所有那些汇流量大于那个临界数值的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络，就是河网。32015/12/269汇流累积量阈值设定汇流累积量大于阈值，即为潜在的河流汇流累积量小于阈值，则不能形成河流综合考虑研究区内的地貌特征、土地利用覆盖、土壤类型、河谷特征等，通过反复试验设定合适的阈值。汇流累积量图层中将那些大于设定阈值的栅格的属性值设定为1，而小于或等于设定阈值的栅格的属性值设定为无数据。栅格河网矢量化：ArcToolbox/Hydrology/stream

to

feature11122222222Value

=

NoDataNET_GRIDStreamToFeature河流网络栅格streamnet

=

con(flowacc

>

1000,

1)32015/12/2712015/12/2723.4.4河网分级河网分级是对一个线性的河流网络进行分析的数字标示。不同级别的河网首先是它们所代表的汇流累计量不同，级别越高的河流，期汇流累积量也越大，这些河流就是主流，那些级别较低的河流则是支流。用于分析场地的水网结构，分析水系保护区域及措施。通过水系结构分析，以便确定河流绿地保护宽度。32015/12/273常用的两种河流分级方法：Strahler，ShreveStrahler

(

勒)分级河网弧段中没有支流河网弧段分为第1级，两个1级河网弧段汇流成的河网弧段为第2级，如此下去分别为第3级，第4级，一直到河网出水口。仅当同级别的两条河网

弧段汇流成一条河网弧段时，该弧段级别才会增加，对于那些低级弧段汇入高级弧段的情况，高级弧段的级别不会改变，这也是比较常用的一种河网分级方法。Strahler方法311111122221

22015/12/274Shreve

(

)分级第1级河网的定义与

Strahler分级是相同的，所不同的是以后的分级。对于以后更高级别的河网弧段，其级别的定义是由其汇入河网弧段的级别之和。Shreve方法4711

11111223332015/12/275ArcToolbox/Hydrology/stream

orderStrahler分级结果Shreve分级结果3.4.5流域划分确定汇流点以上的汇水区域给定汇水区域面积－自动划分流域2015/12/23762015/173.5重分类与统计将连续表达的栅格表面分为区间值将原有值替换为新值空值设置Spatial

ysis/Recalssify3.6叠加分析3.6.1栅格计算1算数算术运算布尔运算关系运算2函数运算–算术函数、三角函数、对数函数、幂函数、内置函数3.6.2栅格叠加2015/12/27632015/12/279数

算：算术运算算术运算主要包括加、减、乘、除四种。可以完成两个或多个栅格数据相对应单元之间直接的加、减、乘、除运算。用途2015/12/28042015/12/281数

算：布尔运算布尔运算主要包括：和（And）、或（Or）、异或（Xor）、非（Not）。它是基于布尔运算来对栅

格数据进行判断的。经判断后，如果为“真”，

则输出结果为1，如果为“假”，则输出结果为0。AND,比较两个或两个以上栅格数据层，如果对应的栅格值均为非0值，则输出结果为真（赋值为1），否则输出结果为假（赋值为0）。2015/12/282数

算：关系运算关系运算以一定的关系条件为基础，符合条件的为真，赋予1值，不符条件的为假，赋予0值。关系运算符包括六种：＝，＜，＞，＜＞，＞＝，＜＝。42015/12/2函数运算使用栅格计算器实现运算。提供基本的数算符，由用户构建复杂的运算。slope、aspect等被做为内置函数，和其他简单函数一样执行运算。栅格叠加：案例分析（生态敏感性评价）单要素评价（重分类）土地利用高程因子坡度因子水系因子地质地形起伏度设定单因子的影响权重叠加分析2015/12/24单要素评价评价因子极敏感(100)敏感(75)低敏感(50)不敏感(25)土地利用河流林地河漫、水库、公共滩、草耕地地绿地、、园地地、各种建设用地高程因子>1100m1000~1100m900~1000m<900m坡度因子>35°25~35°15~25°<15°水系因子0~100m100~150m150~200m>200m地质高易发区中易发区低易发区不易发区地形起伏度>300m200~300m100~200m0~100m2015/12/2487确定单因子权重土地利用高程因子坡度因子水系因子地质地形起伏度土地利用11/31/31/31/31/5高程因子311/3331/3坡度因子31/3111/31/3水系因子31/3111/31/3地质31/31/3311/3地形起伏度533331求出特征根对应的特征向量，并经过归一化处理，得到6个单因子对应的重要性权重W＝[0.05，0.17，0.23，0.08，0.12，0.35]2015/12/22015/12/288叠加分析（Wei