柵格數(shù)據(jù)空間分析

1、 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直觀，利于計(jì)算機(jī)操作和處理，是GIS常用的空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)格式。 ArcGIS空間分析模塊（Spatial Analyst）提供了一個(gè)范圍廣闊且功能強(qiáng)大的空間分析和建模工具集，允許用戶從GIS數(shù)據(jù)中快速獲取所需信息，并以多種方式進(jìn)行分析操作。 加載空間分析模塊 ToolsExtentions 添加Spatial Analyst 工具 設(shè)置工作路徑 Spatial AnalystoptionsGeneral 設(shè)置單元大小 柵格數(shù)據(jù)有單元組成，所有的單元是同樣大小的。 單元大?。–ell Size），也稱分析解析度，指柵格數(shù)據(jù) 空間分析中分析結(jié)果的缺省柵格單元大小。 柵格數(shù)據(jù)的空間

2、分析就是在每一個(gè)柵格單元的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 選擇合適的單元大小，對(duì)實(shí)現(xiàn)空間分析非常重要。 設(shè)置單元大小 Spatial AnalystoptionsCell Size 最大單元值 最小單元值 自定義單元大小 輸入單元大小 輸入柵格數(shù)據(jù)集的行、列數(shù) 與指定柵格數(shù)據(jù)集同柵格大小 設(shè)置分析區(qū)域 Spatial Analystoptions1、設(shè)置最大分析范圍（Extent標(biāo)簽） 與可視區(qū)域相同 輸入柵格的交集 圖層的并集 自定義 2、設(shè)置局部分析區(qū)域 空間分析過(guò)程中，分析只是在所選擇的單元集或局部區(qū)域進(jìn)行，不需在整個(gè)單元集上進(jìn)行，需設(shè)置分析掩碼。 分析掩碼表示了分析過(guò)程中需考慮到的分析單元即分析范圍。

3、 選擇坐標(biāo)系統(tǒng) Spatial AnalystoptionsGeneral 取用第一個(gè)具有坐標(biāo)系統(tǒng)的柵格數(shù)據(jù)集的坐標(biāo)系統(tǒng) 取用當(dāng)前活動(dòng)數(shù)據(jù)集的坐標(biāo)系統(tǒng) 管理過(guò)程文件 空間分析過(guò)程中，大多數(shù)分析的過(guò)程文件和結(jié)果文件時(shí)臨時(shí)的，可通過(guò)下面三種方法進(jìn)行保存。 在函數(shù)對(duì)話框中輸入結(jié)果全名 通過(guò)目錄表永久保存計(jì)算結(jié)果 選擇需要保存的數(shù)據(jù)層，鼠標(biāo)點(diǎn)擊右鍵，選擇DataMake Permanent. 通過(guò)保存地圖文檔永久保存計(jì)算結(jié)果 距離制圖（Distance）根據(jù)每一柵格相距其最鄰近要素（源）的距離分析制圖，從而反映每一柵格與其最鄰近源的相互關(guān)系。 通過(guò)距離制圖可以獲得很多相關(guān)信息，指導(dǎo)人們進(jìn)行資源的合理規(guī)

4、劃和利用。 基本概念及約定 源源，距離分析中的目標(biāo)或目的地（如學(xué)校、道路等），表現(xiàn)在GIS數(shù)據(jù)特征上就是一些離散的點(diǎn)、線、面要素?？梢杂脰鸥駭?shù)據(jù)表示，也可以用矢量數(shù)據(jù)表示。 成本成本，到達(dá)目標(biāo)、目的地的花費(fèi)。影響成本的因素可以只有一個(gè)，也可以有多個(gè)。成本柵格數(shù)據(jù)記錄了通過(guò)每一單元的通行成本。成本數(shù)據(jù)的制作一般是基于重分類功能完成的。 成本距離加權(quán)數(shù)據(jù)成本距離加權(quán)數(shù)據(jù)（成本累計(jì)數(shù)據(jù)），記錄每個(gè)柵格到距離最近、成本最低的源的最少累加成本。 距離方向數(shù)據(jù)距離方向數(shù)據(jù)，表示從每一單元出發(fā)，沿著最低累計(jì)成本路徑到達(dá)最近源的路線方向。分配數(shù)據(jù)分配數(shù)據(jù)，記錄每一單元點(diǎn)隸屬的最近源信息，單元值就是其最近源的值

5、。距離制圖函數(shù)距離制圖函數(shù) 成本距離加權(quán)函數(shù) 成本方向加權(quán)函數(shù) 成本分配加權(quán)函數(shù) 直線距離函數(shù) 直線方向函數(shù) 直線分配函數(shù) 最小成本路徑函數(shù) 分配函數(shù)1 直線距離 計(jì)算每個(gè)柵格與最近源之間的歐氏距離，并按距離遠(yuǎn)近分級(jí)。 Spatial AnalystDistanceStraight Line 直線方向數(shù)據(jù)表明該位置按照這個(gè)方向到目標(biāo)點(diǎn)距離最短 直線距離數(shù)據(jù)2 區(qū)域分配 通過(guò)分配函數(shù)將所有柵格單元分配給離其最近的源。單元值存儲(chǔ)了歸屬源的標(biāo)示值。 Spatial AnalystDistanceAllocation3、成本距離加權(quán) 通過(guò)成本距離加權(quán)函數(shù)，計(jì)算出每個(gè)柵格到距離最近、成本最低源的最少累加

6、成本。 Spatial AnalystDistanceCost Weighted 方向數(shù)據(jù)4、最短路徑 通過(guò)最短路徑函數(shù)獲取從一個(gè)源或一組源出發(fā)，到達(dá)一個(gè)目標(biāo)地或一組目標(biāo)地的最短直線路徑或最小成本路徑。最短路徑計(jì)算方法： 為源中每一單元點(diǎn)尋找一條成本最小路徑 為每個(gè)源尋找一條成本最小路徑 為所有源尋找一條成本最小路徑 Spatial AnalystDistanceShortest Path 密度制圖主要基于點(diǎn)數(shù)據(jù)生成，以每個(gè)待計(jì)算格網(wǎng)點(diǎn)為中心，進(jìn)行圓形區(qū)域的搜尋，進(jìn)而計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的密度值。本質(zhì)上講，密度制圖是一個(gè)通過(guò)離散采樣點(diǎn)進(jìn)行表面內(nèi)插的過(guò)程。 核函數(shù)密度制圖（Kernal） 落入搜索區(qū)內(nèi)

7、的點(diǎn)具有不同的權(quán)重，靠近格網(wǎng)搜尋區(qū)域中心的點(diǎn)或線賦以較大的權(quán)重。計(jì)算結(jié)果分布較平滑。 簡(jiǎn)單密度制圖（Simple） 落在搜尋區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)或線有同樣的權(quán)重，先對(duì)其進(jìn)行求 和，再除以搜索區(qū)域的大小，從而得到每個(gè)點(diǎn)的密度值。核函數(shù)密度制圖簡(jiǎn)單密度制圖 表面分析主要通過(guò)生成新數(shù)據(jù)集，注入等值線、坡度、坡向、山體陰影等派生數(shù)據(jù)，獲得更多的反應(yīng)原始數(shù)據(jù)集中所暗含的空間特征、空間格局等信息。 主要功能：查詢表面值、從表面獲取坡度和坡向信息、創(chuàng)建等值線、分析表面的可視性、從表面計(jì)算山體的陰影、確定坡面線的高度、計(jì)算面積和體積、數(shù)據(jù)重分類、將表面轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)等。1、柵格插值 通過(guò)已采樣點(diǎn)的數(shù)值來(lái)推算未采樣點(diǎn)值。

8、 柵格插值包括簡(jiǎn)單柵格表面的生成和柵格數(shù)據(jù)重采樣。 三種實(shí)現(xiàn)方式：反距離權(quán)重插值、樣條函數(shù)插值和克里格插值。 反距離權(quán)重插值（IDW） 它以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)賦予的權(quán)重越大。 要求離散點(diǎn)均勻分布，并且密集程度足以滿足在分析中反映局部表面變化。 數(shù)據(jù)重采樣 處理柵格分辨率匹配問(wèn)題 由于數(shù)據(jù)資料的來(lái)源不同，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同的柵格大小問(wèn)題，為便于分析，需要做統(tǒng)一柵格大小的轉(zhuǎn)換處理，即柵格數(shù)據(jù)的重采樣過(guò)程。 柵格數(shù)據(jù)重采樣方法： 最鄰近法采樣：輸入柵格數(shù)據(jù)中最鄰近柵格值作為輸出值。 雙線性采樣：取內(nèi)插點(diǎn)周圍四個(gè)鄰近點(diǎn)，在x、y方向分別內(nèi)插。 三次卷積采樣：進(jìn)一

9、步提高內(nèi)插精度，取周圍16個(gè)點(diǎn)工具： ArcToolboxData management toolsRaster Raster ProcessingResampleCellsize=5Cellsize=202、等值線繪制等值線是將表面上相鄰的具有相同值的點(diǎn)連接起來(lái)的線。3、地形因子提取 坡度的提取 坡度（degree of slope），水平面與地表面之間夾角。 坡度百分比（percent slope），高程增量與水平增量之比的百分?jǐn)?shù)。 坡向的提取 坡向，地表面上一點(diǎn)的切平面的法線矢量在水平面的投影與過(guò)該點(diǎn)的正北方向的夾角。 坡向值規(guī)定：正北方向?yàn)榱愣龋错槙r(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)計(jì)算，取值0-360度。

10、 平面曲率、剖面曲率的提取 地面曲率是對(duì)地形表面一點(diǎn)扭曲變化程度的定量化度量因子，在垂直和水平方向上分量分別為剖面曲率和平面曲率。 坡面曲率是對(duì)地面坡度的沿最大坡降方向地面高程變化率的度量。 平面曲率指過(guò)地形表面上一點(diǎn)的水平方向切地形表面所得的曲線在該點(diǎn)的曲率值。描述了該點(diǎn)所在的等高線的彎曲程度。ArctoolboxSpatial Analyst toolsSurfaceCurvature4、山體陰影 根據(jù)假想的照明光源對(duì)高程?hào)鸥駡D的每個(gè)柵格單元計(jì)算照明值。表達(dá)地形立體形態(tài)，方便提取地形遮蔽信息。 太陽(yáng)方位角：正北方向?yàn)?度，按順時(shí)針?lè)较蛟黾印ＤJ(rèn)315度。 太陽(yáng)高度角：光線與水平面之間的夾角

11、。默認(rèn)為45度。1、單元統(tǒng)計(jì) 單元統(tǒng)計(jì)分析（Cell Statistics）以柵格單元為單位進(jìn)行單元統(tǒng)計(jì)分析，屬于多層?xùn)鸥駭?shù)據(jù)疊置分析。 單元統(tǒng)計(jì)方法：?jiǎn)卧抵械淖钚?、最大值，?shù)值范圍，總和，平均數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)差，不同數(shù)值的個(gè)數(shù)，中值，出現(xiàn)頻率最高與最低的數(shù)值。 常用于同一地區(qū)多時(shí)相數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。2、鄰域統(tǒng)計(jì) 以待計(jì)算柵格為中心，向周圍擴(kuò)展一定范圍，基于這些擴(kuò)展柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算，從而得到此柵格的值。 統(tǒng)計(jì)結(jié)果記錄在該中心所在的網(wǎng)格位置上。 鄰域統(tǒng)計(jì)方法同單元統(tǒng)計(jì) 統(tǒng)計(jì)范圍及鄰域分析窗口： 矩形（Rectangle），需設(shè)置矩形窗口長(zhǎng)和寬，默認(rèn)為 3*3； 環(huán)形（Annulus），設(shè)置鄰域內(nèi)半徑和外

12、半徑； 圓形（Circle），只需輸入圓的半徑； 楔形（Wedge），需輸入起始角度、終止角度和半徑三項(xiàng)。3、分類區(qū)統(tǒng)計(jì) 以一個(gè)數(shù)據(jù)集的分類區(qū)為基礎(chǔ)，對(duì)另一個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計(jì)分析。 一個(gè)分類區(qū)就是在柵格數(shù)據(jù)中擁有相同值的所有柵格單元，而不考慮他們是否鄰近。 十種統(tǒng)計(jì)方法同上 基于原有數(shù)值，對(duì)其重新進(jìn)行分類整理從而得到一組新值并輸出。 新值替代，更改某一類型的具體數(shù)值，用一組新值取代原來(lái)值。 舊值合并，將具有某種共性的事物合并為一類。 重新分類，以一種分類體系對(duì)原始值進(jìn)行分類。 空值設(shè)置，將分析區(qū)域內(nèi)不需要參與分析的數(shù)值設(shè)置為空值來(lái)控制柵格計(jì)算。 數(shù)學(xué)運(yùn)算 算術(shù)運(yùn)算（加減乘除） 布爾運(yùn)算（an

13、d,or,xor,not） 關(guān)系運(yùn)算（=，,=,=) 函數(shù)運(yùn)算 算術(shù)函數(shù)（Abs,Int,Float,Ceil,Floor,IsNul） 三角函數(shù)（Sin,Cos,Tan,Asin,Acos,Atan） 對(duì)數(shù)函數(shù)（Exp,Exp10,Exp2;log,log10,log2） 冪函數(shù)（Sqrt,Sqr,Pow） 柵格數(shù)據(jù)空間分析函數(shù) 柵格計(jì)算器1）啟動(dòng)?xùn)鸥裼?jì)算器2）編輯計(jì)算公式 表達(dá)式之間要有空格 每個(gè)表達(dá)式都要用括弧3）檢查計(jì)算公式 在檢查準(zhǔn)確無(wú)誤后，單擊Evaluate執(zhí)行運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果自動(dòng)加載到ArcMap視圖窗口。 實(shí)例與練習(xí)1 學(xué)校選址 （1）背景：合理的學(xué)?？臻g位置布局，有利于學(xué)生的

14、上課和生活。學(xué)校的選址問(wèn)題需要考慮地理位置，學(xué)生娛樂(lè)場(chǎng)所配套，與現(xiàn)有學(xué)校的距離間隔等因素，從總體上把握這些因素能夠確定出適宜性比較好的學(xué)校選址區(qū)。 （2）目的：通過(guò)練習(xí)，熟悉ArcGIS柵格數(shù)據(jù)距離制圖，成本距離加權(quán)，數(shù)據(jù)重分類，多層面合并等空間分析功能；熟練掌握利用ArcGIS空間分析的功能，分析類似學(xué)校選址等實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。 （3）數(shù)據(jù)： landuse dem rec_sites school（4）要求： 1）新學(xué)校選址應(yīng)該注意一下幾點(diǎn)： A 應(yīng)位于地勢(shì)較平坦處 B 應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有土地利用類型，選擇成本不高的區(qū)域 C 應(yīng)與現(xiàn)有娛樂(lè)設(shè)施配套，學(xué)校距離這些設(shè)施越近越好 D 應(yīng)避開(kāi)現(xiàn)有學(xué)校，合理分布

15、 2）各數(shù)據(jù)層權(quán)重比：距離娛樂(lè)設(shè)施占0.5，距離學(xué)校占0.25，土地利用和地勢(shì)位置因素各占0.125 3）實(shí)現(xiàn)過(guò)程中運(yùn)用ArcGIS的擴(kuò)展模塊（extension）中空間分析（spatial analyst）部分功能，具體包括：坡度計(jì)算，直線距離制圖功能，重分類及柵格計(jì)算器等功能完成。 4）給出適合新建學(xué)校的適宜地區(qū)圖，并作簡(jiǎn)要分析。5 實(shí)現(xiàn)流程圖6 操作步驟1）運(yùn)行arcgis，加載spatial analyst模塊，如果spatial analyst模塊未能激活，單擊tools菜單下的extensions，選擇spatial analyst，單擊close。2）單擊file菜單下的open

16、命令，加載school.mxd3）設(shè)置空間分析環(huán)境 單擊spatial analyst模塊的下拉箭頭，打開(kāi)options對(duì)話框，設(shè)置相關(guān)參數(shù)。 A 打開(kāi)options對(duì)話框中的general選項(xiàng)卡，設(shè)置默認(rèn)工作路徑為“ex1result” B打開(kāi)options對(duì)話框中的extent選項(xiàng)卡，選擇same aslayer landuse C 打開(kāi)options對(duì)話框中的cell size選項(xiàng)卡， 選擇same as layer landuse 4）從DEM數(shù)據(jù)提取坡度數(shù)據(jù)集。 選擇DEM數(shù)據(jù)層，單擊spatial analyst模塊下的spatial analystslope，生成slope數(shù)據(jù)集

17、。5）從娛樂(lè)場(chǎng)所數(shù)據(jù)“rec_sites”提取娛樂(lè)場(chǎng)直線距離數(shù)據(jù)。 選擇rec_sites數(shù)據(jù)層，單擊spatial analyst模塊下的distance，選擇straight line，生成rec_sites數(shù)據(jù)集。6）從school數(shù)據(jù)提取學(xué)校直線距離數(shù)據(jù)集。 選擇school數(shù)據(jù)層，單擊spatial analyst模塊下的distance，選擇straight line，生成dis_school數(shù)據(jù)集。7）重分類數(shù)據(jù)集A 重分類坡度數(shù)據(jù)集 單擊spatial analyst，選擇reclassify，選擇slope of dem，采用等間距分級(jí)把坡度分為10級(jí)。7）重分類數(shù)據(jù)集B 重分類娛樂(lè)場(chǎng)所直線距離數(shù)據(jù)集 單擊spatial analyst，選擇reclassify，選擇distance to rec_sites，采用等間距分級(jí)把坡度分為10級(jí)。采用等間距分級(jí)把坡度分為10級(jí)。距離最近的賦值為10，最遠(yuǎn)的賦值為1。7）重分類數(shù)據(jù)集C 重分類現(xiàn)有學(xué)校直線距離數(shù)據(jù)集 采用等間距分級(jí)把坡度分為10級(jí)。距離最近的賦值為1，最遠(yuǎn)的賦值為10。D 重分類土地利用數(shù)據(jù)集按住CTRL，選擇water，w