【精品】地形初步分析

1、练习一、地形指标提取一、题目:地形指标提取二、目的:通过本实验，加深对各基本地形指标的概念及其应用意义的理解。熟练掌握使用 arcgis软件提取这些地形指标的方法和步骤。三、意义：地形指标是最基本的口然地理要素，也是对人类的生产和生活影响最大的自然 要索。地形特征广泛应用于诸多研究和应用领域。地形指标的提取对水土流失、土 地利用、土地资源评价、城帀规划等方面的研究起着重要的作用。根据研究区域尺 度的不同，地形指标有许多因了。基于arcgis的地形指标的提取，大多均是基于dem 数据完成。四、实验数据：本实验采用某区域栅格dem。图1是某区域分辨率为5米的dem数据。下文中关于地形指标的捉取都是

2、以这 个数据为基础。lib iiwsalmtlmb ixlt|al>d u ae o : 总上,匸12«4<sir x u«:xn ua 丁 5巾何| h / u五、实验软件:arcgis 9. 2六、要求:利用所提供dem数据，提取该区域坡度变率、坡向变率、地形起伏度、地面粗 糙度等四个基本地形指标的栅格图层。七、实验步骤：1. 坡度变率地潮坡度变率，是地面坡度在微分空间的变化率，是依据坡度的求算原理，在 所提取的坡度值的基础上对地面每一点再求算一次坡度。即坡度之坡度（slope of slope,简称sos）。坡度是地面高程的变化率的求解，因此，坡度变率表征

3、了地表 面高程相对于水平面变化的二阶导数。坡度变率在一定程度上可以很好的反映剖面 曲率信息，其提取方法如下：1）选中dem图层数据，选择表面分析中的坡度（slope）工具，提取坡度，得 到坡度数据层，命名为slope。计算过程如下：a.选择表而分析的坡度t具（slope）,见图2,弹出slope对话框（图3）slopeinput surface：output raster：cancelok图3output measurement：ontpnf rpl 1 胡"|d：chp9exldemv 启2 degree percent坡度计算对话框b.在input surface中选择用来牛成坡

4、度图的dem。c 在output measurement中选择坡度单位（度/degree或百分数/percent） od. 在z factor中设定高程转换系数（当输入数据所定义的空间参考具有高程 单位时，自动进行转换计算，这里采取默认值1）。e. 在output cell size中指定输出图的栅格单元大小（默认与输入dem相同）。f. 在output raster中指定输出路径与文件名。得到坡度数据层，如图所示：a?r： mwv 10 b z u afile £dit vi«w insert $«lctioa lools windov h«lpd q

5、: a >“ c |®a：i3,896 刃 |：g 皤 qq 罷毀 * o mf |. jj |品 3d analyst layer： | slopej 毎令各 g 刍 够 10 3372180619 17 57327069口 23 2s874o61 匚 j 28 16691919口33 07909776 38 24770678 43 41631s8 - 49 49 36021618 66di splay soac | slcton |l<gcb arcclobt4<4?05 5! 4163189 65 hetert图4坡度提取2）选中坡度数据层slope,对其再用

6、上述的方法提取坡度，得到坡度变率数据, 命名为sos （图5）182s334149576579无标議-arclap 一 arcinfo£il« edittools 世indo help oa； q #订 “ c 今 吕遐习e2冋# 7 |1血二|bq 砂 analyst lytr: | slope二1 翁4；各刍餌审 layers-0 sos o - 10 28749216 10 2874k17 18 08104683025 87460149 33 66615616 41 46171082 49 2s526548 57 04882015 65 4658s918ditplty

7、 sgrctj selxti on 3 |>° zj b z u a444626 79 4163038 83 itters图5坡度变率2. 坡向变率地面坡向变率，是指在提取坡向基础上，提取坡向的变化率，亦即坡向之坡度(slope of aspect, soa) o它可以很好地反映等高线弯曲程度。地面坡向变率在 所提取的地表坡向矩阵的基础上沿袭坡度的求算原理，提取地表局部微小范围内坡 向的最大变化情况。需要注意：soa在提取过程中在北血坡将会有误差产生。北血 坡坡向值范围为090度和270360度，在正北方向附近，如15度和345度两个坡 向z间坡向差值只是30度，而计算结果却是

8、330度(如图6所示)。所以要将北坡 地区的坡向变率误差进行纠正，具体的操作方法为：1）求取原始dem数据层的最大高程值，记为h；通过spatial analyst下的 栅格计算器raster calculatoro公式为（h-dem）,得到与原来地形相反 的dem数据层，即反地形dem数据。a.加载spatial analyst模块，打开spatial analyst下的栅格计算器（图 7） odistancedensity.sterpclat© to rastmrsurface analysiscell stati sti cs.neighborhood statistics.z

9、onal statisticsreclassi fy .raster calculatoir.convert卜ion弓图7栅格计算器b.提取dem数据层的最人高程值，约为1153. 79,将公式redem = 1153. 79 - dem输入公式编辑器屮（图8）。注意，在公式编辑器屮如杲引用layers 选择框的数据层，数据层名必须用括起来，女口，dem。冈raster calculatorlayersbout building expressionevaluacancel图8用栅格计算器计算反地形dem数据c.点击evaluate进行计算，得到反地形dem数据，记为redem （图9）图9反

10、地形dem数据2）基于反地形dem数据求算坡向值。a.在3d analyst下选择表面分析的坡向工具（aspect）,见图10,弹出 “aspect” 对话框（图11）。create/modify tininierpolate to rastersuranalysisreclassi£j< .contour.slope.convertaspect.options.hi 11 shade.view shedcut/fill.area and volume.图10坡向工具图11计算坡向对话框b. 选择输入表面数据（input surface）,即第一步做的反地形dem数据。c. 在

11、output cell size中指定输出栅格单元大小。d. 在output raster中指定输出路径和文件名。e. 点击0k完成反地形dem数据求算坡向值，记为rcdcmaspcct （图12）red«bsos sloperuubb-0 redeoaspct fl«t (-1) 血力s) vortutsi (22 5htat (67 5-112. s southeast (112.5- south (157 5-202m southsrest (202. s y«st(247 5-292 5 northvest (292 5 north (337 5-360d

12、tiplty soac! slctonj图12反地形dem数据求算坡向值3）利用soa方法求算反地形的坡向变率，记为s0a2,由原始dem数据求算出的 坡向变率值为s0a1。a.对上一步求出的反地形dem坡向值再求算坡度值，即得到反地形的坡向变率 s0a2 （图 13） obhb口diiplty sourc. | s.l.cqion |brevity 亡±1 丽v iov b / u a "edit yiew i»s«r: «l«ction tools window h«lpd c»b倉®|ig896 引

13、 丄 口 皤| qq髭x 驭处色歹j金 °. . (100% jj 画 1 | bb i 3d amlyzt | s«r： |slope3 觀3 厶各刍 爵 ulgg-b s0a2 0 - 15 22195113 15.22195114 - 25 25 60055418 3434 941296c2 - 43 43 93608622 - 52 52.93o875e2 - 61 61.92s6642 - 70 70.92o4s412 - 80 80 26119666 - 88red«» dem sos slope443716 16 4163247 s bet

14、eri图13反地形dem数据坡向变率b.对原始dem数据,先求算坡向值记为aspect （图14）图14原始dem数据坡向值c.然后再对aspect求算坡度值,即得到原始dem数据的坡向变率s0a1 （图15）图15原始dem数据坡向变率4) 在spatial analyst 下使用栅格计算器raster calculator,公式为soa二 (soa1 + soa2) -abs (soa1-soa2) ) /2,即可求出没有误差的dem的坡向变率，如图16、17所示。raster calculatorlayersaspect dem redem redemaspect slope soaso

15、a1s0a2sostri gonometri cr zossoa = (soa1 + soa2)-abs(soal- soa2)/ 2|fanevaluatecancel«bout building expression!图16栅格计算器计算无标 31 arclap arcinfo口问冈file edx t vi rr insert selection tools windov helpq <3®s冷门 3,896二皿 0 口*q 3d zyxt 5r： klop.二i 豹厶各刍 圉-乡 layers-0 soa: 87 6736soalvtlut 0 - 15 22

16、247565 15.22247566 25.60143633 34 94250093043 93760018 52 93269942 61.92t79867 70.92289792 80 263962s2aspects0a2 rede»ispect rede* dssos slop*spatial analystsp«ti«l lw*r： |d«»3 德2534435261700088«via<a r门同宋体 | 10b i y 三二444270 15 4162869 to b«.ers图17计算出没冇课差的坡向变率3

17、地形起伏度地形起伏度是指特定的区域内，最高点海拔高度与最低点海拔高度的差值。它 是描述一个区域地形特征的宏观性指标。地形起伏度的计算，可先求出一定范围内海拔高度的最大值和最小值，然后对 英求差值即可。可以使用spatial analyst屮的栅格邻域计算工具neighborhood statistics求得最大值和最小值，邻域的设置可以为圆，也可以为矩形，邻域的大 小可以根据自己的要求来确定。地形起伏度的提取方法如下：1）选屮dem数据，在spatial analyst下使用栅格邻域计算工具neighborhood statistics （图18）。设置statistic type为最大值,邻

18、域的类型为矩形（也 可以为圆），邻域的大小为11x11 （这个值也可以根据自己的需要进行改变）， 则可得到一个邻域为11x11的矩形的最大值层面，记为a （图19）。图18栅格邻域计算工具图19邻域为11x11的矩形的最大值层面a2）重复第1步，只是把statistic type值设置为最小值，即可得到dem数据的 最小值层面，记为b （图20）图20邻域为11x11的矩形的最小值层面b3）在spatial analyst 下使用栅格计算器raster calculator,公式为a-b, 如图21所示，即可得到一个新层面，其每个栅格的值是以这个栅格为中心的 确定邻域的地形起伏度。提取的结果如

19、图22。raster calculator区）layersab demqfd = a-bbout building expressionevaluatwcancelie图21用栅格计算器进行计算图22地形起伏度4.地面粗糙度地面粗糙度是特定的区域内地球表面积与其投影面积之比。它也是反映地表形 态的一个宏观指标。根据地面粗糙度的定义，求每个栅格单元的表面积与其投影面积z比，可以用 如下方法来完成。如图23,假如abc是一个栅格单元的纵剖面，a为此栅格单元的 坡度，贝mb面的面积为此栅格的表面积，ac面为此栅格的投影面积（也即是此栅格的面积），根据公式:cos（a） = ac/ab则可得出此栅格单

20、元的地面粗糙度m为：m二ab面的而积/ac栅格单元的面积二（ac*ab） / （ac*ac） =1/cosa 地面粗糙度的提取步骤如下：1）点击dem数据层，选择表面分析屮的坡度（slope）工具，提取得到坡度数据 层，命名为slope （注意：这次要选择计算度数，而不是白分比）。2）点击slope数据层，在spatial analyst下使用栅格计算器raster calculator 公式为:1/cos （slope*3. 14159/180）,即可得到地面粗糙度数据层,如图24。图24表面粗糙度需耍注意的是，在arcgis屮，cos使用弧度值作为角度单位，而利用表面分析 工具提取得到的坡

21、度是角度值，所以在计算时必须把角度转为弧度。此外，地形指标述包括一些常用的水文因子，如坡长、沟壑密度等，该类因子的 提取一般通过水文方法实现。练习二、地形特征信息提取一、题目:地形特征信息提取二、目的:通过本实例，掌握山脊线和山谷线这两个基本地形特征信息的理论及英基于dem 的提取方法与原理。同时，熟练掌握利用arcgis软件对这两个地形特征信息的提取 方法。三、意义：特征地形要素，主耍是指对地形在地表的空间分布特征具有控制作用的点、线 或面状要素。特征地形要素构成地表地形与起伏变化的基本框架。与地形指标的提 取主要采用小范围的邻域分析不同的是，特征地形要素的提取更多地应用较为复杂 的技术方法

22、，如山谷线、山脊线、沟沿线等的提取采用了全局分析法（global process）,成为栅格数据地学分析中很具特色的数据处理内容。特征地形要素从表示的内容上可分为地形特征点和特征线两大类。地形特征点 主要包括山顶点（peak）、凹陷点（pit）、脊点（ridge）、谷点（channel） 鞍 点（pass）、平地点（plane）等。基于dem提取地形特征点，可利用一个3x3或 更大的栅格窗口，通过中心格网点与8个邻域格网点的高程关系來进行判断获取。山脊线和山谷线构成了地形起伏变化的分界线（骨架线），因此它对于地形地 貌研究具有重要的意义。另一方面，对于水文物理过程研究而言，由于山脊、山谷 分别

23、表示分水性与汇水性，山脊线和山谷线的提取实质上也是分水线与汇水线的提 取。下文通过山脊线和山谷线的提取，介绍了如何基于arcgis完成地形特征信息的 提取。口动提取山脊线和山谷线的主耍方法都是基于规则格网dem数据的，从算法 设计原理上来分，人致可以分为以下五种：1）基于图像处理技术的方法。2）基于地形表面几何形态分析的方法。3）基于地形表面流水物理模拟分析方法。4）基于地形表面几何形态分析和流水物理模拟分析相结合的方法。5）平面曲率与坡形组合法。其中，平面曲率与坡形组合法提取的山脊、山谷的宽度可由选取平面曲率的人 小来调节，方法简便，效果好。该方法基木处理过程为：首先利用dem数据提取地 面

24、的平面曲率及地面的止负地形，取止地形上平面曲率的捉取比较繁琐，而坡向变 率（soa）在一定程度上可以很好地表征平面曲率。因此，下面的提取过程以soa代 替平面曲率。u1实验数据:某区域栅格dem五、实验软件:arcgis 9. 2六、要求:利用所给区域dem数据，提取该区域山脊线、山谷线栅格数据层七、实验步骤：1.山脊线计算具体提取过程为：1) 点击dem数据，使用表面分析中的坡向(aspect)工具，提取dem的坡向数 据层，命名为a。2) 点击数据层a,使用表面分析中的坡度(slope)工具，提取数据层a的坡度 数据，命名为s0a1。3) 求取原始dem数据层的最大高程值，记为h；使用空间

25、分析工具集屮的栅格 计算器(rastercalculator),公式为(h-dem),得到与原来地形相反的数据层, 即反地形dem数据。4) 基于反地形dem数据求算坡向值。5) 利用soa方法求算反地形的坡向变率，记为soa2。6) 使舟空间分析丁具集中的栅格计算器(raster calculator),公式为soa = (soal -soa2)-abs(soal soa2) / 2即可求出没有误差的dem的坡向变率soa。7) 再次点击初始dem数据，使用空间分析工具集中的栅格邻域计算工具 (neighborhood statistics)；设置统计类型(statistic type)为平均值(mean),邻域的类型为矩形(也可以为圆)，邻域的大小为11x11 (这个值也可以根据自己 的需要进行改变)，则可得到一个邻域为11x11的矩形的平均值数据层，记为b。8) 使用空间分析工具集屮的栅格计算器(raster calculator),公式为 c=dem-b,即可求出正负地形分布区域(图25)arcbap arcinfo回区）( q e® x gc玄11:14,536回门7【eefile edi t vie» ixxstri $«!ctions windo h&