实验三 基于GIS的土壤侵蚀因子分析与信息提取

1、基于实验GIS的土壤侵蚀因子分析与信息提取一、实验目的1 .要求学生掌握地理信息系统软件(ArcView )的基本原理和操作方法2 .使用该软件掌握进行土壤侵蚀因子分析和信息提取的方法。二、实验原理Arc/View空间分析模块是解决地理问题的工具。 它主要包括距离格拉夫、修正计算密度、综合修正分析、邻域分析、数据再分类、表面生成、等高线生成、坡度提取、坡度提取、照明模型生成、流域划分等功能。 为了利用Arc/View空间分析模块来解决空间问题，首先对问题进行空间化、建模，然后利用Arc/View提供的各种功能的组合来完成。Arc/View的空间分析模块主要基于网格数据模型。 Arc/View的

2、空间分析模块不仅支持矢量数据模型，还支持网格数据模型。 矢量数据是用点、线、面记述地理特征及其变化的数据，主要用于正确记述地理特征，在Arc/View中，将点、线、面的数据存储在各自不同的主题中进行管理。 网格数据通过将地表划分为不同的单元来表示地理特征及其变化，网格数据的存储只是存储网格的原点、网格单元的尺寸、距离原点的单元数和各网格单元的值。 对网格数据影响最大的是网格单元格的大小。 单元格大小越大，地理特征描述越粗糙、不准确，但生成的数据量越少，处理速度越快。 相反，单元格大小越小，描述越准确，但数据量越多，运算速度越慢。三、操作程序地形指标是最基本的自然地理因素，也是影响人类生产和生活

3、的最大自然因素。 地形特征制约地表物质和能量的再分配，影响土壤和植被的形成和发育过程，影响土地利用的方式和水土流失的强度。 地形指标的提取对水土流失、土地利用、土地资源评价等方面的研究起着重要作用。1坡地Aspect坡度方向定义为坡度法线在水平面上的心理投射与正北方向之间的角度。 Arcview的Aspect指示每个栅格和其相邻栅格之间沿坡度面的最陡峭方向。 在输出的坡度数据中，坡度值规定为正北方向为0度，正东方向为90度，如下所示：可以基于数字高程模型的Dem或三角网数据提取坡度方向。 要基于Dem提取坡度，请执行下列操作将dem添加到视图目录查询表中以将其激活。从“Surface”菜单中选

4、择“Derive Aspect”指令。显示并激活生成的拔模主题Aspect of Dem (图3-1 )。图3-1提取梯度对于Dem或三角网面主题中坡度为0 (平地)的网格，输出的坡度主题指定为-1，如果中心网格周围的相邻网格为No Data数据，则指定中心网格的值以校正坡度。 坡主题图例表示八个主要方向，如东67.5 - 112.5、东南112.5 - 157.5。双坡度坡度地面上某一点的坡度表示该点的地表倾斜程度，坡度定义为水平面与地形面之间角度的正切值。 Arcview的Slope决定中心栅格和周围相邻栅格的高程值的最大变化率。 输出的坡度数据有两种修正坡度的方法。坡度减小(degree

5、 of slope ) :现有水平面与地形面之间角度的相切值。图3-2梯度的两种修正计算方法l坡度百分比：现有高程增量(rise )与水平增量(run )之比的百分比，如图3-2所示。坡度的使用非常广泛，如下所示l根据坡度起伏的变化，确定滑坡、泥石流区域或严重土壤侵蚀区域，防止灾害和水土保持工作的基础。l提取平平整整区域，为大型商业中心或住宅建筑进行选择。要使用Dem数据提取梯度，请执行下列操作1 .添加并激活DEM数据。2 .从【surface】菜单中选择【Derive Slope】指令。3 .生成新的坡度主题slope of Dem。4 .双击左侧图例，可以在出现的“Legend Edit

6、or”对话框中更改坡度级别(图3-3 )。图3-3梯度的提取3等值线ContoursArcview的Contours功能将生成一个新的线主题，表示具有相同高度、数量或浓度的连续位置的集合。 生成的等值线平滑化，表面等值线真实再现。用Contours可以提取等高线、等温线、等降水强度线等，最常用的是根据Dem和三角网数据生成等高线。 等高线是连接地面上标高相同的各点的闭合曲线。 依据等高线图形，可以判断地形形态的特征，修正各点的高程、坡度方向、坡度。要生成等高线，请执行下列操作1 .将dem添加到视图目录查询表中以将其激活。2 .从“surface”菜单中选择“Create Contours”指

7、令。3 .在出现的“Contours Parameters”对话计程仪框(图3-4 )中，输入等轴测轮廓和基本等高线的值Base Contours。图3-5单一等高线的提取图3-4等高线的提取4 .生成等高线主题Contours of Dem (图3-5 )。4水文分析Fill sinks的操作步骤如下。1 .激活视图目录查询表中的Dem。2 .从【hydro】菜单中选择【Fill sinks】指令。3 .在查看器计程仪表中显示生成的Filled Dem (图3-6 )。图3-6洼地填充后的Dem数据在Arcview中提取水流方向的步骤如下1 .从视图目录查询表中激活填充的DEM。2 .从【h

8、ydro】菜单中选择【Flow Direction】指令。图3-7抽出水流方向3 .新生成的水流的流动如数据Flow Direction所示(参照图3-7 )。要在Arcview中修订流水的修订，请执行以下操作1 .从视图目录查询表中激活流程定向。2 .从【hydro】菜单中选择【Flow Accumulation】指令。3 .显示新生成的流水累计量数据主题Flow Accumulation。 双喀呖声此主题的图例，在出现的“Legend Editor”对话框(参见图3-8 )中喀呖声“Classify”按钮，在出现的“Classification”对话框计程仪框中选择标准离差的“Standa

9、rd Deviation”作为分类类型，然后单击“on图3-8 Legend Editor”对话计程仪框提取的流动积累主题(参照图39 )显示了地面水系的分布状况。图3-9提取水流累积量提取水网密度的步骤如下1 .从视图目录查询表中激活流程定向。2 .从“hydro”菜单中选择“Stream Network as Line Shape”指令。图3-10流网络诊断程序计程仪3 .在显示的Stream Network对话计程仪框(参照图3-10 )中，输入要修正水网密度的最小河流长度(以网格数计)。图3-11 hydro.stream网络对话计程仪在hydro.stream网络对话框(参见图3-1

10、1 )中，选择流动方向主题，然后喀呖声“确定”。5 .生成新的主题Stream Network Shape是水网密度分布图。图313河流最小长度为100米提取的水网密度图312最短河流长20提取的水网密度根据不同河流的最短长度值修正的水网密度如下图(参照图3-12、图3-13 )地形起伏度5 .地形起伏度地形的起伏度是指在某个特定区域中，最高点的海拔和最低点的海拔之差。 这是表示地区地形的宏命令指标。地形起伏度的具体提取方法如下1 .激活DEM数据，在【Analysis】菜单中使用【Neighborhood statistics】命令，设定statistic值为最大值，附近的类型为矩形(也可以

11、是圆)，附近的大小为100个2 .对dem数据采用同样的方法，仅通过将statistic值设定为最小值，就能获得dem数据的最小值等级，记为b。图3-14地形起伏度3、在“Analysis”菜单下使用“Calculator”命令时，公式为“a-b”，各网格的值得到决定以该网格为中心附近的地形起伏值的新水平。如果还想知道更广的范围和整个区域、整个视野信息帧的地形起伏度的话，可以在【Theme】下的【Edit legend】的statistics上看到，其内容包括地形起伏的最大值、最小值、平均值等。 提取的结果如图314所示。6 .地面粗糙度：地面粗糙度是指在某个特定区域中地球的表面积与其心理投射

12、面积之比。 也是反映地表形态的宏命令指标。1 .提取DEM层的梯度2、如果在【Analysis】菜单下使用【Calculator】命令，则表达式为：(缓慢*3. 14159/180 ).cos ) pow (-1 ) )图3-15地面粗糙度可以得到地面粗糙度的水平。请注意，在Arcview中，要校正cos的差动奥尔特的角度值是弧度值，而通过提取坡度得到的值是角度，因此需要在校正时将角度转换为弧度。7、沟密度：所谓沟的密度是指某特定区域中地表的每单位面积的沟的全长。沟密度的提取采用水文分析法提取沟，采用统一检验检测沟长度，再除以区域面积，可得到区域沟密度。 那个关键是决定沟的标准。 具体方法如下

13、1 .激活dem数据，在【Hydro】菜单下，使用【Fill】命令，填充dem数据中的高程为0的网格，得到新的水平，记为a。图316通过水文分析求出的沟2 .对于a层，使用【Hydro】菜单的【Flow direction】命令，提取水流方向。3 .对于水流方向层，重用“Hydro”菜单中的“Flow accumulation”命令，得到水流累积量层4、如果用【Map query】指令提取水流累积量大于500 (该值取决于研究区域的土壤、植被、地形等特征和研究目的)的值，则可以得到提取的沟层5 .在【编辑长度】中编辑槽的层的图例，根据其中的statistics项，能够检测出在槽的层中构成槽的网

14、格单元数，槽的长度成为“槽的网格单元数*网格单元的长度”，区域的总面积成为该统订项的计数在图示例子中，槽的网格单元数为8959，总网格单元数为，网格单元的极限分辨率为5米，最后的槽的密度=8959/(*5*0.001)=4.58公里/平方公里。图11-25耕地坡度等级图其次，统订耕地梯度组成。 例如，修正1525个坡耕地在样本区域中所占的比例。1 .从“analysis”菜单中选择“Map query”命令。在地图查询对话框中建构查询表达式(参见图11-26 )，从耕地坡度主题GengDi-Slope中提取坡度为1525的数据。图11-2615-25建立提取坡耕地的公式喀呖声“价值”。 提取的

15、新主题GDslope(1525 )显示了梯度为15-25的耕地分布情况(参见图11-27 )。启动GDslope(15-25 )。图11-27中提取的坡度1525的耕地分布图图11-28 GDslope(15-25 )主题属性表喀呖声5 .打开此主题的腻子粉表(参见图11至图28 )。样本区总网格数=，坡度1525的耕地网格数，占样本区的比例为/=0.1933。用这种方法，依次计算了各土地类型中各级坡度所占的比例(见表1 )。表1样品区内各土地利用类型的坡度分析(面积百分比)用地类型6615十五号二十五至三十五35合计耕地1.135.4119.3319.7415.8861.49园地0.080.210.640.810.852.59林地0.562.488.029.5811.1831.82牧草地0.010.030.110.080.100.33居住地及工矿用地0.160.250.700.780.742.63水域0.020.040.090.170.300.62未利用地0.040.080.090.140.200.55合计1.988.5128.9831.3029.23100.00本样区耕地类型为旱地，主