城市地理信息系统(栅格空间分析).ppt

1、城市地理信息系统,旅游与城市管理学院 马国斌 2012.2,栅格数据加载操作,1、打开ArcCatalog 查看栅格 2、导入栅格到Personal geodatabase 3、加载栅格与矢量图层 4、创建阴影背景图 5、选择与查看栅格数据 6、统计栅格,栅格数据分析,一、数据分析环境 二、栅格数据的重采样 三、聚合分析与聚类分析 四、叠加分析 五、表面分析 六、统计分析 七、距离量测,一、数据分析环境,1、设置工作路径 2、设置像元大小 3、设置分析范围与分析掩膜 4、选择坐标系统,一、数据分析环境,像元大小不正确、数据存储位置错误等一系列问题，从而导致空间分析结果

2、不符合要求。,栅格像元未对齐 不正确的分析区域 正确的分析区域,ArcGIS空间分析中，系统使用两种方式控制分析结果的坐标系统（Analysis Coordinate System）。 一是采用输入栅格数据的坐标系统； 二是采用当前活动数据框的坐标系统。 系统默认为第一种坐标系统获取方式。,设置坐标系统,设置工作空间, 工作空间（Working Space），也称工作路径 （Working Directory）是用于保存分析结果的默认目录。 若设置了工作空间，则分析结果文件将会自动保存到 指定的工作目录，否则将会保存到系统的临时目录下。 要永久保存这些文件 ，右击数据层 DataExport

3、Data 或DataMake Permanent以保存数据。,一、数据分析环境,1、设置工作路径 2、选择坐标系统 3、设置分析掩膜 4、设置分析范围 5、设置栅格大小, 若设置了工作空间，则分析结果文件将会自动保存到指定的工作目录，否则将会保存到系统的临时目录下。 要永久保存这些文件 ，右击数据层 DataExport Data 或DataMake Permanent以保存数据。,设置分析掩膜（Analysis Mask） 设置分析范围（Analysis Extent）,分析范围与分析掩膜,一、数据分析环境,设置像元大小 通常情况下，如果不设定栅格像元大小（Cell Size），ArcGIS

4、则默认输出像元的大小为所有输入数据层中的像元最大值。 像元格大小至少应考虑以下几个因素： 输入数据的精度； 结果数据库的大小； 磁盘容量； 期望的响应时间； 将进行的分析和应用所需的数据精度等。,一、数据分析环境,实验,打开并查看栅格环境设置对话框,栅格数据重采样：对栅格重新划分行列号并确定各像元值的过程.,双线性内插法 Bilinear Interpolation,立方卷积法 Cubic Convolution,最近邻法 Nearest Neighbor Assignment,二、栅格数据重采样,可用于连续或离散数据,仅用于连续数据,可以采用（ArcToolboxData Managemen

5、tTools RasterRasterProcessingResample），对栅格数据单独进行重采样。,栅格数据重采样工具,实验,栅格数据的聚合分析是指根据栅格数据的分类表，进行数据类型的合并或转换以实现空间地域的兼并 。 聚合的结果：较复杂的类别转换成较简单的类别.,三、聚合分析与聚类分析,栅格数据的聚类分析是根据设定的聚类条件对原有数据系 统进行有选择的信息提取并生成新的栅格数据的方法。,栅格数据的聚类分析,三、聚合分析与聚类分析,属性值为2等于1,其他属性值等于0,重分类（Reclassify）：实现聚合分析与聚类分析方法 新值替换（New Values） 旧值合并（Group Ent

6、ries） 重新分类（Reclassify） 空值设置（Setnull）,实验,栅格数据的叠加分析：对具有相同空间位置、相同栅格像元大小的多层栅格数据进行逻辑运算、关系运算、算术运算等操作，以揭示特定空间现象或空间演变过程,栅格数据的叠加分析,四、叠加分析,逻辑或（OR） 逻辑与（AND） 逻辑非（NOT） 逻辑异或（XOR）,逻辑或 （A.OR.B）,逻辑与（A.AND.B）,逻辑非（A.NOT.B）,逻辑异或A.XOR.B,布尔逻辑算子文氏图,四、叠加分析,关系运算符主要包括六种：=、 、 、=、=。,关系运算叠加,算术运算叠加,代数运算：加、减、乘、除等。 数学变换函数：三角函数、对数函

7、数、指数函数、幂函数等。,四、叠加分析,实验,栅格数据的叠加与矢量数据的叠加有很大不同，一方面，它不会对要素产生切割，不会产生大量的破碎多边形，结合更合理。另一方面，它不一定要继承用于叠加的数据信息。,表面（Surface）是指物体的外围或最上层边界线。它通过记录某种值（高程、气温）在地理空间上的分布状况，反映地理事物或现象在空间上的起伏状态。（TIN，DEM） 可以通过空间分析工具（Spatial Analyst）和三维分析工具（3D Analyst）进行表面分析。,五、表面分析,1、等值线 2、坡度分析 3、坡向分析 4、山体阴影提取 5、可视性分析 6、地表侵蚀与堆积分析,生成等值线 （

8、步骤） 1）在栅格DEM(数据高层模型）的每个像元点或TIN的每条边上内插等值点； 2）按照内插的等值点，追踪等值线； 3）标记等值线； 4）对等值线进行平滑处理并输出。,五、表面分析,坡度的提取 表面上任一点的坡度（Slope）是指过该点的切平面与水平地面的夹角，或该点切平面的法向量与垂直方向之间的夹角 其表示方法有两种： 坡度角（Degree of Slope) 坡度百分比（Percent of Slope),坡度两种表达方式,坡度与坡向,五、表面分析,坡向的提取,坡向的定义：表面上一点的切平面的法线矢量在水平面上的投影与过该点的正北方向这间的夹角。,坡向示意图,五、表面分析,实验,1、等

9、值线 2、坡度分析 3、坡向分析 4、山体阴影提取,1、统计分析方法： 叠加统计：对多个栅格数据中同一位置各个像元的统计。 窗口统计：对某一栅格数据一定窗口的统计。 2、常用的统计模式 像元统计（Cell Statistics） 邻域统计（Neighborhood Statistics） 分区统计（Zonal Statistics） 3、统计类型包括： 众数、极值（最大值、最小值）、均值、中值、寡数、范围、标准差、总和、种类数,对于不同数据类型的栅格，进行统计分析的类型也有所不同。 例如，ArcGIS中，对于浮点类型的栅格数据，只能进行 Maximum、Minimum、Mean、Range、S

10、tandard deviation、Sum的 计算，而整数类型的栅格数据，则可以进行所有类型的统计分析。,六、统计分析,计算多层栅格数据中具有相同空间位置的多个像元统计值 。 可用于反映多年土地利用变化情况.,像元统计(Cell statistics),单元统计求不同数值的个数（Variety）,空值,像元统计示意图,像元统计过程,六、统计分析,每个输出像元的值是该位置一定邻域范围内像元值的函数 邻域形状：长方形、圆形、环、楔形,邻域统计(Neighborhood statistics),默认窗口,圆形窗口,矩形窗口,环形窗口,扇形窗口,邻域统计分析示意图,六、统计分析,分区统计(Zonal

11、Statistics),在另一个数据集的基础上统计分类区数据集的每一个分类区 分类区：可以是多边形的矢量数据，也可以是栅格数据,分区数据层,统计数据层,结果数据层（Sum）,分区统计表,分区统计直方图,六、统计分析,像元统计、邻域统计、分区统计分别属于局域（Local）分析、邻域（Neighborhood）分析、分区（Zonal）分析中的统计分析。 除了可以利用ArcMap空间分析工具条中的统计工具外，还可以使用ArcToolbox空间分析工具箱中的相关工具。,局域分析工具箱,邻域分析工具箱,分区分析工具箱,六、统计分析,1、定义：测量每一单元到最近源之间的最短距离。 2、类型：直线距离（欧式

12、距离）和成本加权距离。 3、应用：选址分析、路径分析,七、距离量测,3、距离量测相关术语 源（Source）: 距离分析中的目标或起点。（点、线或面） 成本（Cost）:对某一分析目标而言在某一空间位置上所需要的开销。(费用成本、时间成本等) 累积成本（Accumulative Cost） :指每一个像元到距离最近、成本最低的源的最少累加成本. 成本方向（Cost Direction）：根据累积最低成本栅格数据，确定每一个像元沿最低成本，回到最近邻源的方向。 成本分配（Cost Allocation） :确定每个像元属于哪个最近源的信息，像元值与所对应的源相同。,七、距离量测,成本（Cost）

13、：对某一分析目标而言在某一空间位置上所需要的开销。(费用成本、时间成本等),土地利用图（Landuse）,坡度图（Slope）,成本栅格数据,七、距离量测,综合成本,累计成本的链接路径,累积成本（Accumulative Cost）:指每一个像元到距离最近、成本最低的源的最少累加成本。 累计成本必须考虑连接路径。 横向连接的成本距离是所连接像元的成本的平均值 斜向连接的成本距离是平均成本乘以1.4142,七、距离量测,源像元,成本栅格,激活像元1,累计成本栅格1,累计成本栅格2,激活像元2,最小累计成本,成本方向,最小累积成本栅格的生成过程,成本累积的计算过程,成本1:(2+(1+2)/2=4

14、.5) 成本2:(3+4)*1.414/2=4.949),成本1:(2+8)*1.414/2=7.07) 成本2:(4+(6+8)/2=11) 成本3:(4.5+(7+8)/2=12),根据累积最低成本栅格数据，确定每一个像元沿最低成本路径，回到最近邻源的方向。,成本方向（Cost Direction）,加权成本,方向编码,加权方向,最小累计成本,成本方向,七、距离量测,确定每一个像元属于哪一个最近源的信息，像元值与所对应的源相同。,成本分配（Cost Allocation）,成本分配,ArcToolbox距离量测工具,七、距离量测,实验,1、直线距离,实验,2、成本距离,实验,成本分配,实验

15、,3、最短路径:从目标点到相应源的最短路径。,For Each Cell：为源中每个像元寻找一条成本最小的路径。 For Each Zone：为每个源寻找一条成本最小的路径。 For Best Single：为所有源寻找一条成本最小的路径。,4 DTM与三维分析,创建表面 表面分析 三维可视化,创建表面,表面：指由无数具有不同数值点集拟合而成的一个面域。（高程、温度、降水量） 表面的表达方式：等值线、TIN、栅格 数字地面模型(digital terrain model,DTM)：是指利用一个任意坐标系中大量的已知坐标的点集对地表特征的表示. A、地貌信息(高程、坡度等) B、基本地物信息（水

16、系、交通网） C、自然资源与环境(土壤，植被等) D、社会经济信息(人口分布等) 数字高程模型(digital elevation model,DEM):地表属性特征为高程时的数字地面模型。,某区域大气污染指数表面模型, DEM获取的数据源和采集方法 地面测量 地形图 数字摄影测量和遥感影像 还可以利用GPS，结合雷达和激光测高仪等进行DEM数据的采集 DEM的表达模型 规则格网模型 不规则三角网（TIN）模型 等高线模型 DEM的应用 DEM的应用非常广泛 ，在DEM的各种应用中，地形分析是最基本的应用，其他应用都可以看作是地形分析的扩展和推广。,创建表面,创建表面,规则格网（栅格模型）表面

17、模型 最常用的一种DEM表达模型,它将离散数据点所在的区域划分为一系列规则网格，每个单元代表一个高程点，并赋于高程值。 生成栅格DEM的方法-空间插值 原理：相近相关 1、反距离权重插值(inverse distance weighted,IDW) 2、样条函数插值(Spline) 3、克里格插值(Kriging),一般计算公式为：,ArcGIS几种插值函数,IDW插值对话框,IDW插值结果,在ArcGIS中通过3D AnalystInterpolate to IDW工具,设置参数。,创建表面,反距离权重插值(inverse distance weighted,IDW),样条函数（Spline

18、）插值,Spline插值对话框,Spline插值结果,创建表面,克里格（Kriging）插值 地统计学方法的一种；建立在统计模型基础上包含空间自相关等理论的一种插值方法;,Kriging插值对话框,Kriging插值结果,创建表面,实验,基于TIN的表面模型（Delaunay 狄劳内三角形） 最小角最大 空外接圆准则 三角形边长之和最小. 构成TIN元素(节点(node)，边(edge)，面(Face),创建表面,Tin可以从点、线、面中提取创建 点：三角网中的结点（Mass points) 线： 点集(Mass Points)、硬隔断线(hard line)、软隔断线(soft line)

19、面:除线外，还有裁剪(clip)、擦除(Erase)、替换(Replace)、填充(value Fill) 裁剪:用于定义插值边界，多边形以外数据不参与计算。 擦除：用于定义插值边界，多边形以内数据不参于计算。 替换：可以将边界和内部高度设置为相同值，可用于湖泊表面。 填充：对落于多边形内三角形赋于整数属性值，不影响表面高度也不进行裁剪与删除.,创建表面,Create TIN From Feature，打开 Create TIN From Features对话框， TIN建好后，可以向TIN中添加矢量数据，Add Features to TIN,从矢量数据创建TIN对话框,向TIN添加矢量数据

20、对话框,创建表面,由等高线和高程点创建的TIN表面,裁剪多边形擦除多边形替换多边形,栅格数据创建TIN,Covert Raster to TIN对话框,栅格表面与TIN表面的转换,TIN与栅格DEM相互转换,在ArcGIS中， TIN表面转换成栅格表面的操作过程如下： 1）选择3D Analyst 工具CovertTIN to Raster； 2）打开Covert TIN to Raster 对话框，进行参数设置。,Covert TIN to Raster对话框,TIN与栅格DEM相互转换,通视性分析 分为两个：通视性（Intervisibility）分析和视域（Viewshed）分析。 应用

21、：森林火灾监测点的布设、设置观察哨所、铺设通信线路、设置雷达站点和电视台信号发射站等。 在ArcMap中加入高程表面数据，在3D Analyst 工具条上点击观察视线（Create Line of Sight） 图标工具，打开设置参数。,观察视线工具对话框,两点的通视性分析图,三维表面分析,视域分析,视域分析原理图,1）SPOT：观察点所处表面的高度 2）OFFSETA（OF1）：观察点在垂直方向的偏移值 3）OFFSETB（OF2）：可见目标点在垂直方向上的偏移值 4）AZIMUTH1（AZ1）：观察区域的水平起始方位角 5）AZIMUTH2（AZ2）：观察区域的水平终止方位角,在ArcGI

22、S中实现可视域分析的过程如下： 1）选择3D Analyst 工具Surface AnalysisViewshed； 2）打开Viewshed工具，设置参数。, 切割与填充分析（Cut/Fill）,切割与填充应用示例图,h0时，高程降低，表示挖方； h0时，高程升高，表示填方； h=0时，高程不变。 在ArcGIS中，这三种情况h的变化可以通过代码表示为 1（高程不变）、2（高程升高）、3（高程降低）。,栅格DEM中，体积变化主要取决于高程属性的变化（高差）： h = H原DEM - H新DEM,切割与填充计算原理示意图,切割与填充工具对话框,ArcGIS中， 1）选择3D Analyst 工

23、具 Surface AnalysisCut/Fill； 2）打开Cut/Fill工具，设置参数。,表面积与体积统计（Area and Volume）,表面积计算原理图,设二维平面上有一个11的单位像元， 该像元对应坡面的坡度角为 ， 斜面面积=11/COS =1/COS 单位像元平面面积=11=1 地表粗糙度系数=1/COS ,在GIS中，计算体积的原理方法概括为： 生成DEM； 计算高差 ； 计算每个像元的体积 ； 求区域总的体积 。,ArcGIS 9.2、9.3版本中，直接提供了可用于表面积与体积计算的工具，实现过程如下： 选择3D Analyst工具Surface AnalysisArea and Volume ； 进行参数设置：,平面面积（2D area） 表面面积（Surface area） 和体积（Volume）,表面积与体积计算对话框,剖面是一个假想的垂直于海平面，并与地形表面相交，延伸于海平面之间的部分。 用于分析区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化、地质构造和地表切割强度等。 ArcGIS中绘制工具Create Profile Graph工具，实现如下： 1.在ArcMap中加载入表面数据； 2.点击3D Analyst 工具条上的Inter