空间分析与建模实验指导

1、1403306空间分析与建模实验指导【课程基本信息】课程名称：空间分析与建模课程性质：非独立设课课程属性：专业选修课学时学分：16学时，1学分开设学期：三年级第五学期适用专业：地理信息系统【实验目的】空间分析与建模实验课程，是理论教学的深化和补充，具有较强的 实践性，是一门重要的技术基础课。随着科学技术迅速发展，地理信息学科 的大学生不仅需要掌握空间分析方面的基本理论知识，而且还需要掌握基本 的实验技能及一定的科学研究能力。开设本实验课的主要目的是通过实习培 养学生应用GIS软件解决相关的地学问题的能力;掌握运用相关的软件功能、 原理及其应用实现的工作方法和技巧；通过空间分析过程中相关软件的应

2、 用，进一步培养学生严肃认真的态度和工作作风，以及科学地思考问题和动 手操作能力；加强理论与实践相结合，培养学生具有一定的独立分析问题和 解决问题的能力。【主要义器设备】电脑硬件、ArcGIS地理信息系统软件及其扩展模块等。实验方式与基本要求】实验方式：上机实习。基本要求：实验1人1组，在规定的时间内，由学生独立完成，出现问 题，教师要引导学生根据理论课教学内容，运用相关知识独立分析、解决； 学生熟悉相关GIS软件的使用，理解GIS的空间分析的原理与实现，并解决 相关的地学空间分析问题。【主要实验项目及内容】实验一基于矢量和栅格数据的叠置分析一、实验目的：1、加深多图层叠置分析基本原理及方法的

3、认识。2、掌握ArcGIS多图层叠置分析的技术方法。3、结合实际、掌握利用多图层叠置分析方法解决地学空间分析问题的能 力。二、实验内容：运用ArcGIS进行矢量数据和栅格数据的叠置分析，分析叠置结果。三、实验数据：1、矢量数据包括：点数据point.shp、线数据centerline.shp、面数据 sports.shp、Polygon.shp2、栅格数据包括:土地利用数据Landuse（Grid格式）、高程数据elevation （Grid格式）四、实验步骤：矢量数据的叠置分析：1、Clip裁剪分析：1）通过ArcCatalog向ArcMap中添加线和面数据Polygon.shp，打开 Ar

4、cToolBox，选择 Analysis Tools 工具箱，打开 Extract 工具集， 执行Clip操作。2）从出现的对话框中选择要进行裁剪的图层（input feature）及用来 裁剪的图层（clip features），确定输出的图层（output feature class）的名称和路径，其他参数默认。3）选择OK，得到裁剪后的结果。4）比较裁剪后的数据与被裁剪的数据属性。（裁剪后的数据拥有被裁剪的数据的所有属性，前者是后者的一个子集）2、Intersect相交分析：1）通过 ArcCatalog 向 ArcMap 中添加 centerline、polygon 数据，打开 Arc

5、ToolBox，选择 Analysis Tools 工具箱，打开 Overlay 工具集， 执行Intersect操作。2）从出现的对话框中选择要进行相交分析的图层（input feature），确 定输出的图层（output feature class）的名称和路径，其他参数默 认。3）选择OK，生成相交运算的结果。4）比较操作前后用于相交的数据。（输出结果将继承用来相交的两个层 面的所有属性）3、Union合并分析：1）通过 ArcCatalog 向 ArcMap 中添加 sports、polygon 数据，打开 ArcToolBox，选择 Analysis Tools 工具箱，打开 Ov

6、erlay 工具集， 执行Union操作。2）从出现的对话框中选择要进行合并分析的图层（input feature），确 定输出的图层（output feature class）的名称和路径，其他参数设 置默认。3）选择OK，得到合并结果。4）考察输出结果，查看输出结果数据的属性。（输出结果综合了两个数 据的所有对象和属性）另外，学生可以根据实验数据自行设计一些相关实验，包括Erase、Identity、Update等，注意比较不同操作对结果的影响。栅格数据的叠置分析：1）通过ArcCatalog向ArcMap中载入栅格数据。2）调出 Spatial Analyst 工具条，选择 Raster

7、 Calculator。3）在Expression对话框中输入条件表达式，学生可考虑应用不同的条 件分析。（landuse=6&（elevation=600&elevation=2000）4）选择Evaluate，生成Calculation数据层，即得到的结果。实验二矢量数据的缓冲区分析一、实验目的:1、练习点、线、面缓冲区的生成以及多尺度缓冲半径的设定。2、掌握在ArcGIS环境下进行缓冲区分析的的技术方法。二、实验内容：运用ArcGIS进行矢量数据的缓冲区分析。三、实验数据：矢量数据：点数据point.shp、线数据centerline.shp、面数据sports.shp四、实验步骤：点要

8、素的缓冲区分析：1）通过ArcCatalog向ArcMap中载入点文件，或直接在ArcMap中通过 AddData对话框加入数据。打开ArcToolBox，选择Analysis Tools 工具箱。2）执行Proximity工具集下的Buffer操作。从出现的对话框中选择输 入图层（input features）为 point，设定输出图层（output feature class）的名称和路径，设定缓冲区半径参数（distance），其他参数 默认。3）选择OK，执行点对象的缓冲区分析，得到分析结果。4）执行Proximity工具集下的Multiple Ring Buffer操作。从出现的

9、对话框中选择输入图层（input features）为point，设定输出图层（output feature class）的名称和路径，输入几个不同的缓冲区半 径（distance），其他参数默认。5）选择OK，执行点对象的多缓冲区分析，按确定生成 point_buffer.shp。6）按缓冲区半径大小给生成的图像调配颜色，使图示效果良好。线要素的缓冲区分析：1）通过ArcCatalog向ArcMap中载入线文件。打开ArcToolBox，选择 Analysis Tools 工具箱。2）与生成点要素缓冲区操作类似，选择Proximity工具集下的Buffer 或 Multiple Ring B

10、uffer 操作。3）与点要素缓冲区设置参数类似，从出现的对话框中设置输入图层（input features），设定输出图层（output feature class）的名 称和路径，设定缓冲区半径（distance）等参数，选择OK生成线对 象的缓冲区分析结果。4）按缓冲区半径大小给生成的图像调配颜色，使图示效果良好。面要素的缓冲区分析：1）通过ArcCatalog向ArcMap中载入面文件。2）进行面要素缓冲区的基本操作与点要素和线要素生成缓冲区的操作 类似，需要注意相应的参数类似。3）按缓冲区半径大小给生成的图像调配颜色，使图示效果良好。实验三缓冲区分析和叠置分析的应用一、实验目的：1、

11、熟练掌握ArcGIS缓冲区分析和叠置分析。2、可以综合利用各项空间分析工具解决时间问题。二、实验内容：运用ArcGIS空间分析功能对市区择房进行分析，选择最适宜的购房地段。三、实验数据：矢量数据：城市市区交通网络图network.shp，商业中心分布图Marketplace.shp，名牌高中分布图school.shp，名胜古迹分布图famous place.shp四、实验要求：1、所寻求的区域要满足一下条件：离主要交通要道200m之外，以减少噪音污染（ST为道路数据中类型 为交通要道的要素）。在商业中心的服务范围之内，服务范围以商业中心规模的大小（属性 字段YUZHI）来确定。距名牌高中在75

12、0m之内，以便孩子上学便捷。距名胜古迹500m之内，环境优雅。2、对每个条件进行缓冲区分析，将符合条件的区域取值为1，不符合条 件的取值为0，得到各自的分值图。3、运用空间叠置分析对上述4个图层叠加求和，并分等定级，确定合适 的区域。五、实验步骤：（1）主干道噪音缓冲区的建立：1）向ArcMap中载入所有数据文件。2）在交通网络图层network.shp上右键选择Open Attribute Table， 打开属性表。3）单击 Option 按钮，选择 Select by Attributes，打开 Attributes of network对话框。4）在SQL表中，设置查询条件表达式“TYP

13、E” ST（需单击Get Unique Values将TYPE的全部属性值加入上面的列表框中），单击Apply按 钮，选择出市区的主要道路。5）对选择的主十道建立缓冲区：点击缓冲区按钮，打开缓冲区生成对话 框。参数如下：The features of a layer: network选中 Use Only the Selected Feature 复选框。选择第一种缓冲区建立方法（At a specified distance）:200 确定缓冲区距离单位：Meters。选择缓冲区边界类型（Dissolve barriers between）:Yes指定缓冲区文件的存放路径和名称。得到主十道噪

14、音污染缓冲区。（2）商业中心影响范围建立：点击缓冲区按钮，打开缓冲区生成对话框。参数如下：The features of a layer: Marketplace。确定缓冲区距离单位：Meterso选择第二种缓冲 区建立方法，Based on a distance from an attribute:YUZHI选择缓冲区边界类型(Dissolve barriers between):Yes指定缓冲区文件的存放路径和名称。得到商业中心影响范围的缓冲区。名牌高中影响范围建立：点击缓冲区按钮，打开缓冲区生成对话框。参数如下：The features of a layer: schoolo确定缓冲区距

15、离单位：Meters。选择第一种缓冲区建立方法(At a specified distance):750选择缓冲区边界类型(Dissolve barriers between):Yes 指定缓冲区文件的存放路径和名称。得到名牌高中的覆盖范围缓冲区。名胜古迹影响范围建立：点击缓冲区按钮，打开缓冲区生成对话框。参数如下：The features of a layer: famous place。确定缓冲区距离单位：Meters。选择第一种缓冲区建立方法(At a specified distance):500选择缓冲区边界类型(Dissolve barriers between):Yes 指定缓冲

16、区文件的存放路径和名称。得到名胜古迹的覆盖范围缓冲区。进行叠置分析，求出满足上述四个要求的区域求取3个点图层缓冲区的交集区域：打开 ArcToolbox，选择 Analysis ToolsOverlayIntersect 命令， 打开交集操作对话框；一次添加商业中心、名牌高中和名胜古迹的缓冲 区；指定输出文件路径和名称；在JoinAttributes文本框中选择ALL； OK求出交际区域。2）求取同时满足四个条件的区域:打开 ArcToolbox，选择 Analysis ToolsOverlayErase 命令，打开图层擦除操作对话框；在Input Features文本框中选择三个区域的交集数

17、据；在Erase Features文本框中选择主十道噪音缓冲区数据；指定输出文件路径和名称；OK得出以上四个条件的区域。即是所求的最适宜的区域。实验四最短路径问题分析与应用一、实验目的:1、理解网络分析原理。2、学会用ArcGIS 9进行各种类型的最短路径分析。二、实验内容：运用ArcGIS空间分析功能，根据不同要求，获得到达指定目的地的最佳 路径，并给出路径的长度；找出距景点中心的最佳路径。三、实验数据：GeoDatabase地理数据库：City.mdb。（包含一个数据集：City，其中含 有城市交通网net、商业中心及家庭住址place、网络节点city_Net_Juntions改 、等要

18、系）四、实验要求:在网络中指定一个商业中心，分别求出在不同距离、时间的限制下从 家道商业中心的最佳路径。给定访问顺序，按要求找出从家出发，逐个经过访问点，最终到达目 的地的最佳路径。研究阻碍强度的设置对最佳路径选择的影响。五、实验步骤:（1）无权重最佳路径的生成:1）向ArcMap中加载数据集。对点状要素place符号化：以HOME字段，1值为家，0值为商业中心。2）在网络分析工具条上，选择旗标工具，将旗标放在“家”和想要去的“商业中心”点上。3）选择 AnalysisOptions 命令，打开 Analysis Options 对话框，确认 Weights和Weight Filter标签项全

19、部是None，这种情况下进行的最 短路径分析是完全按照这个网络自身的长短来确定。4）在Track Task文本框中选择Find path。单击solve按钮。显示出最 短路径，这条路径的总成本显示在状态栏中。（2）加权最佳路径生成：1）在设施网络分析工具条上，点选旗标工具，将旗标分别放在“家”和 想要去的“商业中心”点上。2）选择 AnalysisOptions 命令，打开 Analysis Options 对话框，进入 Weights标签页，在边的权重（Edge weights）上，全部选择长度（lengh）权重属性。3）在Track Task文本框中选择Find path。单击solve按

20、钮，则以长 度为比重的最短路径显示出来，这条路径的总成本显示在状态栏中。（3）按顺序逐个通过访问点的路径生成：1）在设施网络分析工具条上，点选旗标工具，将旗标按照访问的顺序依 次放在各个目标点上。2）选择 AnalysisOptions 命令，打开 Analysis Options 对话框，进入 Weights标签页，在边的权重（Edge weights）上，全部选择长度（lengh）权重属性。3）在Track Task文本框中选择Find path。单击solve按钮，最短路 径显示出来，这条路径的总成本显示在状态栏中。4）同样是经过这11个地点，如果权重是时间，由于道路车流量的不同， 经过

21、的时间也不同，因此，是路径发生很大改变。（4）阻强问题：阻强指网络中点状要素或线状要素因为某些突发事件而不可运行时，原 来获得的最短路径就需要修改，具体操作如下：1）修路时，即某个路段不可运行。可在网络中设置阻强。方法有两种：一种是永久性的，可直接将网络边要素的属性修改成不可 运行，即选择此边要素，将其Enabled字段中的属性改成False即可；另一 种是暂时性的，可设置边要素障碍。即利用边要素障碍添加工具进行设置。 假设上述实验中其中一条路段正在修路，则产生的新的最佳路径发生了改 变，同时最近距离也随之改变。2）十字路口出现车祸等情况，暂时不可通行，即网络中的结点不可运 行。可通过设置阻强

22、来表达。与现状要素的方法一样，可通过改变结点属性 或利用点要素阻强添加工具进行设置。上述实验可假设其中某个路口出现阻 塞，观察最佳路径的变化。实验五DEM中地形指标的提取一、实验目的：1、加深对各种基本地形指标的概念及其应用意义的理解。2、熟练掌握使用ArcGIS软件提取地形指标的方法和步骤。二、实验内容：利用所提供的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。三、实验数据：栅格数据：某区域分辨率为5米的DEM数据四、实验步骤：（1）坡度变率：1）向ArcMap中载入DEM数据。2）选中DEM图层数据，选择表面分析中的坡度（Slope）工具，

23、提取坡 度，得到坡度数据层，命名为Slope。3）选中坡度数据层Slope，对其再用上述的方法提取坡度，得到坡度率 数据，命名为SOS。（2）坡向变率: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 Calculator,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。2）基于反地形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SOA2，由原始DEM数据 求算出的坡向变率值为SOA1。4）在Spatial Analyst下使用栅格计算器Raster Calculator，公式为 SO

24、A= （SOA1 + SOA2）-Abs（SOA1-SOA2）/2，即可求出没有 误差的DEM的坡向变率。（3）地形起伏度：1）选中DEM数据，在Spatial Analyst下使用栅格领域计算工具 Neighborhood Statistics。设置 Statistic type 为最大值，领域的 类型为矩形（或圆），领域的大小为11X11 （可根据需要改变），则 可得到一个领域为11X11的矩形的最大值层面，记为A。2）重复第一步，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。3）在Spatial Analyst下使用栅格计算器Raster C

25、alculator，公式为 A-B，即可得到一个新层面，其每个栅格的值是以这个栅格为中 心的确定领域的地形起伏度。（4）地形起伏度：1）点击DEM数据层，选择表面分析中的坡度（Slope）工具，提取得到 坡度数据层，命名为Slope。2）点击坡度数据层Slope，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。实验六DEM的建立与应用一、实验目的：1、练习如何由矢量数据生成TIN和GRID数据。2、在生成的DEM基础上提取地形指标，如等高线、坡度、坡向图等。二、实验内容：

26、运用ArcGIS将矢量数据转化为TIN和GRID数据，并在此基础上提取地 形指标。三、实验数据：矢量数据：等高线数据elevation.shp和点数据point.shp四、实验步骤：TIN和GRID的建立：（1）采用点插值生成表面（克里金插值法）：4）通过 ArcCatalog 向 ArcMap 中载入 point.shp 点文件。5）从 Spatial Analyst 工具条中选择 Interpolate To Raster，选择 Kriging内插方法或者其他两种内插方法；也可在3Danalyst工具条 中选择 Interpolate To Raster。6）在出现的对话框中，选择高程字段

27、，输出像元大小，输出文件的路径 和名称（Output raster）。在Z Value Field列表中选择Elev字段。7）选择OK，生成新的栅格主题pointsurface.shp。（2）生成TIN类型的数据：1）通过 ArcCatalog 向 ArcMap 添加等高线数据 elevation.shp。2）调用 3Danalyst 工具条，选择 Creat/ModifyTIN，再选择 Creat TIN From Featureso3）选定被用于生成TIN的数据，设定输出图层（Output TIN）的路径和 名称。选定高程字段。4）选择OK，生成TIN数据。选择不同的图层，可有不同的图层数

28、据生 成TIN数据。（3）TIN数据与其他数据类型间的转换：1）调用3Danalyst工具条，选择3DAnalyst，再选择Convert，选择TIN To Raster。2）在出现的对话框中，选择输入数据（Input TIN）,设定输出图层（Output TIN）的路径和名称，设置其他参数。3）选择OK，生成新的Grid数据。4）调出3Danalyst工具条，在Convert下选择Raster To TIN，则可由 其他数据类型向TIN数据转换。DEM的应用（地形指标的提取）：（1）坡度：1）向ArcMap添加由TIN转换生成的GRID数据。2）从 Spatial Analyst 工具条下选

29、择 Surface Analysis，再选择 Slope 操作。（或从3D Analyst工具条条下选Surface Analysis）3）在出现的对话框中输入相应的参数，选择 OK，生成新的坡度主题 slope。 （Z： 1 Output cell size:70）4）双击左边的图例，在弹出的Layer Properties对话框中可重新调整 坡度分级，生成坡度图像。（2）坡向：1）向ArcMap添加由TIN转换生成的GRID数据。2）从 Spatial Analyst 工具条下选择 Surface Analysis，再选择 Aspect 操作。（或从3D Analyst工具条条下选Surf

30、ace Analysis）3）在出现的对话框中输入相应的参数，选择 OK，生成新的坡向主题 Aspecto（3）提取等高线：1）向ArcMap添加由TIN转换生成的GRID数据；从Spatial Analyst工 具条下选择Surface Analysis，再选择Contour操作。（或从3D Analyst 工具条条下选 Surface Analysis）2）在出现的对话框中设定输入数据图层（input surface），输入等高距（contour interval:50）和基础等高线的值（base contours:350）， 设定输出图层（output feature）的路径和名称。3）选择OK，生成等高线主题Contours o（4）地形表面的阴影图：1）向ArcMap添加由TIN转换生成的GRID数据；2）从 Spatial Analyst 工具条下选择 Surface Analysis ,再选择Hillshade 操作。（或从 3D Analyst 工具条条下选 Surfac