arcgis空间内插教程(实例教程-超详细)

GIS 空间插值 局部插值方法 实习记 录 一 空间插值的概念和原理 当我们需要做一幅某个区域的专题地图 或是对该区域进行详细研究的时候 必须具 备研究区任一点的属性值 也就是连续的属性值 但是 由于各种属性数据 如降水量 气温等 很难实施地面无缝观测 所以 我们能获取的往往是离散的属性数据 例如本例 我们现有一幅山东省等降雨量图 但是最终目标是得到山东省降水量专题图 覆盖全省 统计完成后 各地均具有自己的降雨量属性 空间插值是指利用研究区已知数据来估算未知数据的过程 即将离散点的测量数据转 换为连续的数据曲面 利用空间插值 我们就可以通过离散的等降雨量线 来推算出山东 省各地的降雨量了 二 空间插值的几种方法及本次实习采用的原理和方法 整体插值方法 边界内插方法 趋势面分析 变换函数插值 局部分块插值方法局部分块插值方法 自然邻域法 移动平均插值方法 反距离权重插值 样条函数插值法 薄板样条和张力样条法 空间自协方差最佳插值方法 克里金插值 局部插值方法的控制点个数与控制点选择问题 局部插值方法用一组已知数据点 我们将其称为控制点 样本来估算待插值点 未知 点 的值 因此控制点对该方法十分重要 为此 第一要注意的是控制点的个数 控制点的个数与估算结果精确程度的关系取决 于控制点的分布与待插值点的关系以及控制点的空间自相关程度 为了获取更精确的插值 结果 我们需要着重考虑上述两点因素 横线所示 第二需要注意的是怎样选择控制点 一种方法是用离估算点最近的点作为控制点 另 一种方法是通过半径来选择控制点 半径的大小必须根据控制点的分布来调整 结合上述分析 在本次实习过程中 我们采用局部分块内插的 这 4 种方法 上文中划横线的方法 进行插值 首先 我们按照默 认参数进行插值 目的是粗略比较各种方法的优劣 然后选择出最 好的一种方法 对该方法再尝试用不同的权重和点数参数来插值 得出最佳的效果 三 目标 1 根据带坐标的山东省县域矢量地图 sd county shp 完成山东年平均降水量与矢量图 的配准 2 比较各种不同插值算法的优劣 3 做出山东省各县年平均降水雨量专题图 四 数据源 1 采用兰伯特等角圆锥投影 以国家 2000 坐标系为基准面的山东省县域行政区划矢量图 如图 2 山东年平均降水量分布图 mm 71 00 jpg 五 软件平台 ArcGIS 10 0 六 具体操作步骤 S1 为该次实习建立一个工作目录 将山东省气候要素图导入到该文 件夹中来 S2 在该目录下新建一个 shapefile 文件 命名为 山东省等降水量线 类型为 线 导入山东省县域矢量图的坐标 确定 如图 S3 配准 1 将 山东年平均降水量分布图 mm 71 00 jpg 添加到现在的图层 调用 地理配准 工具栏 2 选择标志性点 对两幅图进行配准 如图 在德州市附近的轮廓线上 存在一个明显的拐点 于是利用这个明显的拐点对两 幅图像进行配准 依此类推 将山东省轮廓线上的明显的标志拐点两两配准 建立了 27 对控制点 控制 点添加完成后 点击 更新显示 并将配准后的图保存为一个单独的文件 效果如下 S4 矢量化等降雨量线 录入属性 将 山东省等降水量线 添加到图层 开始编辑 依照栅格图进行矢量化 最终形成 如下效果图 4 对矢量化后的图层进行属性值的录入 鼠标右键点击 山东省等降水量图 打开属 性表 表选项 添加字段 字段名称为 prec 类型为短整型 确定 然后点击编 辑器 开始编辑 对于每条等降雨量线 在 prec 字段录入其属性值 降水量 完成 属性表 这时 利用 ArcGIS 的自动标注功能 显示如下 S5 将等降水量线转换成为点文件 这一步是比较关键的一步 因为不管是采用哪种方法进行空间插值时 都是使用的点 文件 所以 我们需要在这一步将线文件等间距打断并取中点 得到均匀分布的点文件 便于下一步进行空间插值比较研究 1 点击编辑器 开始编辑 选中一条等降水量线 编辑器 分割 如图所示 此时 弹出 分割 对话框 由于为了达到点与点之间的距离尽可能一致 我们将线分 成相等的部分 例如 当前选中的线长度为 019 米 580 公里 因此我们按照每 10 公里一个点的布局 进行分割 因此 分成相等的部分 框中填 58 580 10 58 确定 注 这样可以保证每条等降水量线每隔 10 公里固定采样 使点的分布尽可能均匀化 2 按照同样的步骤 将每条等降水量线进行分割 3 接下来 打开 ArcToolbox 里面的数据管理工具 要素 要素转点 输入要素类为 山东省等降水量线 输出要素类命名为 prec 选择 内部 这是为了仅在线上 生成点 否则会按线的几何中心生成点 比如对于折线来说 有时候生成的点在线的外 侧 4 此时 均匀分布的点文件已经生成 并且每个点具有降雨量属性字段 prec 如图 S6 按照不同方法进行空间插值 并比较各自优劣 打开 ArcToolbox Spatial Analyst 工具 插值 打开插值方法列表 如下图 A 采用反距离权重法 IDW 对降水量数据进行插值 反距离权重法的特点是按照距离待插值点的远近核定已知数据点的权重 从而对待插 值点进行插值的过程 一个已知数据点距离待插值点越远 权重就越低 它的值对待插值 点的影响就越小 影响的程度用点之间距离乘方的倒数表示 通过 power 设置乘方 乘 方为 1 意味着点之间数值变化率为恒定 称为线性插值法 乘方为 2 或更高则意味着越靠 近已知点 数值的变化率越大 这种插值方法的优点是对于数据分布均匀的区域 插值效果好 缺点是在数据分布不 均地区插值容易出现小的封闭等值线 球状突起 和因数据缺乏而产生的不规则等值线 双击 ArcToolbox 里面的 反距离权重法 输入点要素选择 prec Z 值字段选择 prec 输出像元大小选择 1000 点击确定 效果如下图 由图像可以看出 山东省内陆地区由于布点均匀 插值效果比较好 但是沿海地区出 现两条 球状弧线 如下图 B 采用克里金法对降水量数据进行插值 克里金插值与 IDW 插值的区别在于权重的选择 IDW 仅仅是将距离的倒数作为权重 而克里金考虑了空间相关性的问题 克里金法首先将每两个点进行配对 这样就能产生一 个以两点之间距离为自变量的函数 对于这种方法 原始的输入点可能会发生变化 在数 据点多时 内插的结果可信度较高 1 双击 ArcToolbox 里面的 克里金法 输入点要素选择 prec Z 值字段选择 prec 半变异函数属性中 设置克里金方法为普通克里金 Ordinary Krigging OK 半变异 模型选择球面 Sphere 输出栅格命名为 ok sphere 输出像元大小选择 1000 点 击确定 效果如下图 发现 局部存在比较明显的 锯齿现象 如图 2 同样是克里金插值方法 本次采用线形普通克里金插值 效果如图 效果比较理想 对于各种方法 依次展示如下 高斯 指数 圆 泛克里金 与一次漂移函数成线性关系 泛克里金 与二次漂移函数成线性关系 3 依次尝试各种克里金插值法 对比得出 克里金方克里金方 法法 半变异模型半变异模型插值效果插值效果 球面在数据点分布稀疏地区 锯齿现象和撕裂现象明显 线性结合了球面方法和指数方法的优点 插值效果比较 理想 高斯数据范围被剧烈拉伸 不能很好地反映降水量分布 指数斑块状撕裂现象基本避免了 但是锯齿现象仍旧明 显 普通克里 金 圆插值效果和线性类似 比较理想 与一次漂移函数成线性 关系 中部插值效果比较理想 但边缘地带出现严重的数 据误差 泛克里金 与二次漂移函数呈线性 关系 数据拉伸剧烈 区分度小 C 采用薄板样条函数法对降水量数据进行插值 薄板样条函数法使用样条函数来对空间点进行插值 它有两个基本条件 a 表面必须完全通过控制点 样本点 b 使所有点的坡度变化最小 换句话说 表面的二阶曲率是最小的 该方法适用于高程面 水位面 气候数据 如平均降水量 的插值 有一个缺点是 在数据贫乏的地区坡度较大 经常涉及如同过伸的情况 样条函数插值分为两种 规则样条函数和张力样条函数 下面分别进行操作 1 双击 ArcToolbox 里面的 样条函数法 输入点要素选择 prec Z 值字段选择 prec 样条函数类型选择 REGULARIZED 规则样条函数 输出像元大小选择 1000 点击确定 效果如下图 观察发现 规则样条函数也是对数据进行了一定程度的拉伸 但是拉伸幅度不大 拉伸后的像元值介于 99 1108 之间 相比之下 普通克里金的高斯方法和泛克里金的 与二次漂移函数呈线性关系方法拉伸幅度分别达到了 597 4903 5347 4292 可以 说是拉伸范围适宜 在山东省内部区域插值分布比上述所有方法都要更加均匀一些 虽 然在边缘地带出现一定的数据突兀 如下图 色调偏白的区域年平均降雨量只有 200mm 以下 但总体效果基本上能令人满意 2 双击 ArcToolbox 里面的 样条函数法 输入点要素选择 prec Z 值字段选择 prec 样条函数类型选择 TENSION 张力样条函数 输出像元大小选择 1000 点击确定 效果如下图 可见得 张力样条插值不存在数据过拉伸现象 插值平滑且无突兀地带 插值效 果非常好 D 采用自然邻域法对降水量数据进行插值 这种方法的原理是构建 voronoi 多边形 也就是泰森多边形 首先将所有的已知数据 点构建一组 voronoi 多边形 然后将待插值点也构建一组 voronoi 多边形 这样后一组多边 形与原多边形有很多相交的地方 接下来 根据每一块的面积按比例设置权重 这样就能 求得待插值点的值了 双击 ArcToolbox 里面的 自然邻域法 输入点要素选择 prec Z 值字段选择 prec 输出像元大小选择 1000 点击确定 效果如下图 可见 该方法在有数据的区域 插值效果非常好 优于上述各种方法 但是由于自然 邻域法是基于邻近点的算法 所以图上山东省轮廓边缘 如鲁西北 威海荣成成山头附近 出现数据空白区 不符合最后成图要求 S7 对插值效果最好的一种方法 调整插值参数 经过上述比较 得出插值效果最理想的是薄板张力样条插值方法 接下来调整搜索半 径 比较在不同的插值半径下不同的效果 1 双击 ArcToolbox 里面的 样条函数法 输入点要素选择 prec Z 值字段选择 prec 样条函数类型选择 TENSION 张力样条函数 输出像元大小选择 1000 权重值填 0 1 点数填 12 文件名设为 ten A 12 点击确定 效果如下图 只改变权重值 不改变其他参数 重新尝试 权重值填 2 点数 12 确定 效果如下图 再次改变权重值 不改变其他参数 权重值填 12 点数填 12 点击确定 效果如下图 通过对比 可得 对薄板张力样条插值方法来说 在选取同样多的控制点的前提下 权重越小 生成的表面越光滑 例如 权重 0 1 的效果 权重 2 的效果 优于权重 12 的效 果 2 同理 对比在同一权重值下 控制点数目不同所产生的效果差异 在权重为 0 1 的前提下 我们设置控制点数量为 5 个 30 个 跟控制点 12 个的作比较 5 个控制点 30 个控制点 可见得 控制点 5 个和 30 个的情况均不如 12 个的时候效果好 也就是说 控制点不 一定要太多 也不一定要少 要结合已知数据点的个数和分布来判定最佳方案 因此我们 最终选择权重 0 1 12 个控制点的图像进行插值 S8 制作山东省县域年平均降水量地图 1 首先制作一个山东省轮廓图 保存一份山东省县界图的副本 命名为 sd shp 鼠标点击 编辑器 开始编辑 将所有要素选中 点击编辑器下拉菜单中的 合并 生成的文 件就是山东省轮廓范围了 2 利用山东省轮廓范围矢量图对 ten A 12 栅格图进行裁剪 打开数据管理工具 栅格 栅格处理 裁剪 弹出 裁剪 对话框 输入栅格选择 ten A 12 输出范围选 择 sd 在 将输入要素用于裁剪几何 处打对勾 目的是为了按照山东省的边界来裁剪降水量 图 否则 默认是按照矢量多变性的最小外接矩形来裁剪栅格图像 如下图 3 现在生