ArcGIS實(shí)驗(yàn)-Ex12-地形指標(biāo)提取

第九章三維分析練習(xí)1:地形指標(biāo)提取一、背景地形指標(biāo)是最基本的自然地理要素，也是對(duì)人類的生產(chǎn)和生活影響最大的自然要素。地形特征制約著地表物質(zhì)和能量的再分配，影響著土壤與植被的形成和發(fā)育過程，影響著土地利用的方式和水土流失的強(qiáng)度，也影響著城市規(guī)劃中工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局的各個(gè)方面。地形指標(biāo)的提取對(duì)水土流失、土地利用、土地資源評(píng)價(jià)、城市規(guī)劃等方面的研究起著重要的作用。根據(jù)研究區(qū)域尺度的不同，地形指標(biāo)有許多因子。基于ArcGIS的地形指標(biāo)的提取，大多均是基于DEM數(shù)據(jù)完成。二、目的通過本實(shí)驗(yàn)，使讀者加深對(duì)各基本地形指標(biāo)的概念及其應(yīng)用意義的理解。熟練掌握使用ArcGIS軟件提取這些地形指標(biāo)的方法和步驟。三、要求利用所提供DEM數(shù)據(jù)，提取得出該區(qū)域坡度變率、坡向變率、地形起伏度、地面粗糙度等四個(gè)基本地形指標(biāo)的柵格圖層。四、數(shù)據(jù)本實(shí)驗(yàn)采用某區(qū)域柵格DEM（..\Chp9\Exl\）,是一個(gè)區(qū)域的分辨率為5米的DEM數(shù)據(jù)，圖例是按照其高程值采用漸變色來顯示。下文中關(guān)于地形指標(biāo)的提取都是以這個(gè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。五、操作步驟1、坡度變率地面坡度變率，是地面坡度在微分空間的變化率，是依據(jù)坡度的求算原理，在所提取的坡度值的基礎(chǔ)上對(duì)地面每一點(diǎn)再求算一次坡度。即坡度之坡度（SlopeofSlope,簡(jiǎn)稱SOS）。坡度是地面高程的變化率的求解，因此，坡度變率表征了地表面高程相對(duì)于水平面變化的二階導(dǎo)數(shù)。坡度變率在一定程度上可以很好反映剖面曲率信息，其提取方法如下:激活DEM主題，選擇SpatialAnalysis—SurfaceAnalysis—Slope命令，提取DEM主題的坡度，得到主題SlopeofDEM（圖1），得到結(jié)果如圖2所示;圖1提取DEM圖1提取DEM主題的坡度i.ES5]>?js城in*ld.i.ES5]>?js城in*ld.zmsEiaIT.6；S3.3H0-JD.jriTWLT]TI51ZHEHJS辭乳狙61至I113.2ammi-:■雋.朝砌冊(cè)-I■43^UE5TK1->■迫諾引怖86-FbBEHVkl-Ii-_Hifk:LLE3.79De^.1aDUttIJ-efciLlriiI+fl圖2坡度數(shù)據(jù)（2）激活主題SlopeofDEM，再對(duì)其用上述的方法提取坡度，得到DEM主題坡度的坡度,即坡度變率主題（圖3）■H■H圖3坡度變率2、坡向變率地面坡向變率，是指在地表的坡向提取基礎(chǔ)之上，進(jìn)行對(duì)坡向變化率值的二次提取，亦即坡向之坡度（SOA）,過程如圖4、5、6、7。它可以很好的反映等高線彎曲程度。13CLATi￡-b卜l?XTLly...In^?rpdht*!■XhEiar?C<11StatiiUnI-iLfhbccha^dEIlLuUa...13CLATi￡-b卜l?XTLly...In^?rpdht*!■XhEiar?C<11StatiiUnI-iLfhbccha^dEIlLuUa...Z-MLbLSl.fel.33tLC3...Hi.3Ittiisdty...￡.4xLmrillp?XilllhlJl-I：isrihi-]3"illQplIH1L圖4求DEM數(shù)據(jù)的坡向□□□□□□□□日ShL}*￡tISP2.AI-].1HM-lhp-i-2.51tkfUMiasi:C-EJ5-0T.Em1iFTE-IIEE)用訛血t吋ai.g.5-15百OFl.^EQE.S.iE^jlbviE^fD￡?H?iiS47.5-EK!J5]KwMlw.it5-33H?-lhGJl\5-Sti：i匸tlnlrLL^OLS3SE)0FSHMm:■'二■■■■'■■?2E)0FSHMm:■'二■■■■'■■?2??E:-r□□□□□

++*+-T5?bcln-i圖6生成坡向的坡度圖7坡向的坡度數(shù)據(jù)地面坡向變率在所提取的地表坡向矩陣的基礎(chǔ)上沿襲坡度的求算原理，提取地表局部微小范圍內(nèi)坡向的最大變化情況。值得注意的是：S0A在提取過程中在不同的坡面上將會(huì)有誤差的產(chǎn)生，即在坡面的南北兩側(cè)，北面坡由于坡向算法將會(huì)有誤差產(chǎn)生，所以要對(duì)北坡的S0A結(jié)果進(jìn)行糾正，因?yàn)閺睦碚撋现vS0A在地表北坡上將產(chǎn)生誤差，北坡上坡向值范圍為0-90。和270°-360。，在正北方向附近，15。和345。之間坡向差值只是30。，而在計(jì)算中卻是差了330。，所以要將北坡地區(qū)的坡向變率誤差進(jìn)行糾正，具體的操作方法為：求取原始DEM數(shù)據(jù)層的最大高程值，記為H；通過SpatialAnalysis下的柵格計(jì)算器Calculator,公式為(H—DEM)，如圖8,得到與原來地形相反的DEM數(shù)據(jù)層，即反地形DEM數(shù)據(jù);-LayersSOSSlopedemdemValueHigk:-LayersSOSSlopedemdemValueHigk:1153.79ILew:9463T2□□0

田田日EECaLliEuLBi^Dr|tx]3*.丄勺_d_djd_^d_d°I■I_d115379-[d&m]AtoutBuildrigEMpi±￡5ioH±1E^lmle|匚ancel||圖8計(jì)算反地形DEM數(shù)據(jù)□□□11.4*:EUT.UD■in:h]剛泅￡如Sf-Flisl4d.“i：□□□11.4*:EUT.UD■in:h]剛泅￡如Sf-Flisl4d.“i：■Liydi：⑵基于反地形DEM數(shù)據(jù)求算坡向值，如圖10；圖9反地形DEM數(shù)據(jù)Aspect②岡圖10求反地形DEM數(shù)據(jù)的坡向值利用S0A方法求算反地形的坡向變率，記為S0A2,由原始DEM數(shù)據(jù)求算出的坡向變率值為SOA1，如圖11所示；Slope|?|V|Slope|?|V|圖11求算反地形的坡向變率(4)在SpatialAnalysis(4)在SpatialAnalysis下使用柵格計(jì)算器Calculator，公式為S0A=(([S0A1]+[S0A2])-Abs([S0A1]-[S0A2]))/2,如圖12，即可求出沒有誤差的DEM的坡向變率，如圖13。圖12使用柵格計(jì)算器」□□□□□□□□□□耳一曰BQBQ」□□□□□□□□□□耳一曰BQBQ田￡1田BSatom血S'QmLT5JX1Di甲旳0M1IC0百竝KtlIkEpaal:ifC*lcnd,i.Li^riupic^^k怖3CtC*Jrnlh^imi3E：S1dj?aFdvi3圖13求出沒有誤差的DEM的坡向變率(5)將有誤差的DEM坡向變率(圖14)與沒有誤差的坡向變率(圖15)對(duì)比可見，有誤差的圖上會(huì)存在閉合的環(huán)狀，而消去誤差的圖上這些環(huán)狀也消失了。

圖14存在誤差的坡向變率圖圖14存在誤差的坡向變率圖15沒有誤差的坡向變率3、地形起伏度地形起伏度是指在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，最高點(diǎn)海拔高度與最低點(diǎn)海拔高度的差值。它是描述一個(gè)區(qū)域地形的一個(gè)宏觀性的指標(biāo)。從地形起伏度的定義可以看出，求地形起伏度的值，首先要求出一定范圍內(nèi)海拔高度的最大值和最小值，然后，對(duì)其求差值即可。求一定范圍內(nèi)的最大值和最小值，可以通過用SpatialAnalysis下使用柵格鄰域計(jì)算工具NeighborhoodStatistics,分別設(shè)置Statistictype為最大值和最小值，鄰域的設(shè)置可以為圓，也可以為矩形，鄰域的大小可根據(jù)自己的要求來確定。地形起伏度的具體提取方法如下：（1）激活DEM數(shù)據(jù)，在SpatialAnalysis下使用柵格鄰域計(jì)算工具NeighborhoodStatistics（圖16）。設(shè)置Statistictype為最大值，鄰域的類型為矩形（也可以為圓），鄰域的大小為11X11（這個(gè)值也可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行改變），則可得到一個(gè)鄰域?yàn)?1X11的矩形的最大值層面，記為A；Feich'bairlawdStatgJtd^taiFeU:]]Ufrigl"皿ModiMdth：皿：NdpCUputCdltiLA!r?tbFeich'bairlawdStatgJtd^taiFeU:]]Ufrigl"皿ModiMdth：皿：NdpCUputCdltiLA!r?tb：②岡圖16得到鄰域?yàn)?1X11的矩形的最大值層面（2）重復(fù)1、2,只是把Statistictype值設(shè)置為最小值，即可得到DEM數(shù)據(jù)的最小值層面，記為B，如圖17所示；

H>eiighlb!DHhw通StstFkldiSt^kliclypA：filsdl?rhood^cttnoEHBbht：\JJUU-I：□iipurcd5ik：H>eiighlb!DHhw通StstFkldiSt^kliclypA：filsdl?rhood^cttnoEHBbht：\JJUU-I：□iipurcd5ik：outpiltrutef：Gincgl圖17得到鄰域?yàn)?1X11的矩形的最小值層面在SpatialAnalysis下使用柵格計(jì)算器Calculator，公式為[A]-[B],即可得到一個(gè)新層面，其每個(gè)柵格的值是以這個(gè)柵格為中心的確定鄰域的地形起伏值。提取的結(jié)果如圖18。SpislL■!jtn.aJ.FiADisttnnDinaiiy...Jpi：Rtrj>ol4.tgtofinrffljceftndvrisCbLIS1I.L3iLieb.Khbotrbx>idStalistiis...呂師JStitistLE3.ZoniJ..B*Et?rEk]Euliitdr...[orirut■1曲C1X.EJ.則..SpislL■!jtn.aJ.FiADisttnnDinaiiy...Jpi：Rtrj>ol4.tgtofinrffljceftndvrisCbLIS1I.L3iLieb.Khbotrbx>idStalistiis...呂師JStitistLE3.ZoniJ..B*Et?rEk]Euliitdr...[orirut■1曲C1X.EJ.則...SliaattECalculatac[NbrMLTttd?n|-|HbrttiTiofdmjAthrelb|E?如日|Lver：：TiediwAi:FIdvihsLogytik:-?ElplOLOfl'圖18使用柵格計(jì)算器CalculatorCtd.-rA*LL^ri3.tich氓的細(xì)5SSTL9S□□口□□口□□口□口++-H+T+Ctd.-rA*LL^ri3.tich氓的細(xì)5SSTL9S□□口□□口□□口□口++-H+T++土+T+H-xIIIsb.?￡d?*iIkl-nlhtL-3T^!5DIZI.IJ4EL_h,SOAiu.j-icLIkl-nlktL-mSK：S3apabE-Jm圖19地形起伏度4、地面粗糙度：地面粗糙度是指在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，地球表面積與其投影面積之比。它也是反映地表形態(tài)的一個(gè)宏觀指標(biāo)。根據(jù)地面粗糙度的定義，求每個(gè)柵格單元的表面積與其投影面積之比，可以用如下方法來完成。假如ABC是一個(gè)柵格單元的縱剖面，a為此柵格單元的坡度，則AB面的面積為此柵格的表面積，AC面為此柵格的投影面積(也既是此柵格的面積)，根據(jù)公式：Cosa=AC/AB則可得出此柵格單元的地面粗糙度M為：M=“AB面的面積”/“AC柵格單元的面積”=(AC*AB)/(AC*AC)=1/Cosa地面粗糙度的提取步驟如下：(1)激活DEM主題，選擇SpatialAnalysis—SurfaceAnalysis—Slope命令，提取DEM主題的坡度，得到主題SlopeofDEM；(2)激活主題SlopeofDEM，在SpatialAnalysis下使用柵格計(jì)算器Calculator，如圖20所示，公式為：1/Cos([SlopeofDEM]*3.14159/180)即可得到地面粗糙度的層面，如圖21。1i■Lwr?Jjjlsl“.1i■Lwr?Jjjlsl“..lngrpplwgIsl-ssliFSot￡hi-kfldlycacC<11ex...￡tlCtttthx-iSti.li.sdE5...1-n.klS'thtaTli.fE...xaLalHi,i.L&fTqIttlft5H.E?...ljiLh-CklruJilir匸Qpl1H1L圖20