八、空間分析(基于柵格數(shù)據(jù))

九、空間分析（基于柵格數(shù)據(jù)）概述距離分析密度分析地形分析疊置分析柵格數(shù)據(jù)柵格數(shù)據(jù)是通過對(duì)研究區(qū)域的網(wǎng)格劃分，以柵格值來記錄對(duì)應(yīng)地點(diǎn)的要素特征。1柵格數(shù)據(jù)有如下屬性：柵格的大?。–ellSize）。行列數(shù)。坐標(biāo)范圍。波段數(shù)。數(shù)據(jù)格式（tif、img、grid等）……柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)可以相互轉(zhuǎn)換。利用Conversion工具箱中的FromRaster和ToRaster工具集中的工具可以對(duì)柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。柵格轉(zhuǎn)矢量矢量轉(zhuǎn)柵格空間分析工具箱ArcGIS中的空間分析工具箱（SpatialAnalyst）有19個(gè)工具集，每個(gè)工具集下又包括多個(gè)工具，都是和柵格數(shù)據(jù)相關(guān)的，除了用于空間分析外，還包括柵格數(shù)據(jù)的基本操作。2注：ArcGIS中的SpatialAnalyst特指和柵格數(shù)據(jù)相關(guān)的操作。空間分析工具箱中的工具集：RasterCreation，創(chuàng)建柵格數(shù)據(jù)。Conditional，通過條件表達(dá)式設(shè)置柵格值。Extraction，通過條件表達(dá)式提取柵格數(shù)據(jù)。Reclass，柵格數(shù)據(jù)重分類。MapAlgebra，利用表達(dá)式得到新的柵格值。Neighborhood，鄰近運(yùn)算，如計(jì)算3×3窗口中柵格的平均值。Generalization，柵格數(shù)據(jù)的制圖綜合。Local，對(duì)多個(gè)波段的對(duì)應(yīng)柵格進(jìn)行分析。Multivariate，多波段數(shù)據(jù)的運(yùn)算，主要用于遙感數(shù)據(jù)分類。Zonal，通過一個(gè)反映特征值的數(shù)據(jù)和一個(gè)反映分區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征值的分區(qū)統(tǒng)計(jì)。Distance，距離分析。Density，密度分析。Interpolation，空間內(nèi)插分析。Surface，表面分析。Overlay，疊置分析。Hydrology，水文分析。Groundwater，地下水分析。Solarradiation，太陽輻射分析?？臻g分析工具箱每個(gè)工具對(duì)話框，都有一個(gè)Environments按鈕，用于設(shè)置環(huán)境條件。和柵格數(shù)據(jù)操作相關(guān)的環(huán)境設(shè)置主要包括：數(shù)據(jù)處理范圍（即輸出數(shù)據(jù)范圍）。缺省情況下，數(shù)據(jù)處理范圍是輸入數(shù)據(jù)的范圍。通過ProcessingExtent可以設(shè)置數(shù)據(jù)處理范圍，可以是一個(gè)輸入數(shù)據(jù)的一個(gè)子區(qū)，也可以大于輸入數(shù)據(jù)的范圍。處理范圍可以是輸入數(shù)據(jù)的一個(gè)子區(qū)掩膜區(qū)域。對(duì)輸出范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，通過RasterAnalyst設(shè)定一個(gè)掩膜區(qū)域，掩膜區(qū)域以外的柵格設(shè)為空值（NoData），輸出數(shù)據(jù)的范圍不變?？梢杂檬噶炕驏鸥駭?shù)據(jù)表示掩模區(qū)域，如是矢量數(shù)據(jù)，矢量數(shù)據(jù)覆蓋的柵格即為掩膜區(qū)域；如是柵格數(shù)據(jù)，非空值的柵格數(shù)據(jù)即為掩膜區(qū)域。柵格大小。通過RasterAnalyst可以設(shè)定輸出柵格的大小，可以利用已有柵格數(shù)據(jù)的柵格大小。掩膜區(qū)域可以通過矢量數(shù)據(jù)設(shè)定，也可以通過柵格數(shù)據(jù)設(shè)定。柵格數(shù)據(jù)的基本操作創(chuàng)建柵格數(shù)據(jù)。根據(jù)條件設(shè)置柵格值。提取柵格子集。柵格數(shù)據(jù)重分類區(qū)域統(tǒng)計(jì)3創(chuàng)建柵格數(shù)據(jù)利用RasterCreation工具可以創(chuàng)建新的柵格數(shù)據(jù)。新的柵格數(shù)據(jù)可以是：常數(shù)值柵格數(shù)據(jù)。正態(tài)值柵格數(shù)據(jù)。隨機(jī)值柵格數(shù)據(jù)。在創(chuàng)建柵格數(shù)據(jù)時(shí)，需要定義柵格的大小及柵格數(shù)據(jù)的范圍。產(chǎn)生一個(gè)250×250的隨機(jī)柵格數(shù)據(jù)根據(jù)條件設(shè)置柵格值根據(jù)柵格屬性條件對(duì)柵格進(jìn)行操作，包括Con、SetNull、Pick等工具。如輸入的柵格是多波段數(shù)據(jù)，只對(duì)第一個(gè)波段進(jìn)行操作。Con工具對(duì)輸入柵格的每一柵格值進(jìn)行判別，如符合某一表達(dá)式，則以另一柵格（true柵格）的對(duì)應(yīng)柵格值或指定常數(shù)代替；如不符合表達(dá)式，則以False柵格的對(duì)應(yīng)柵格值或指定常數(shù)代替。設(shè)置表達(dá)式（柵格字段值>2000）SetNull工具對(duì)輸入柵格的每一柵格值進(jìn)行判別，如表達(dá)式成立，則輸出柵格值為NoData，否則為指定柵格的對(duì)應(yīng)值或某一常數(shù)值。提取柵格子集從輸入的柵格中提取出符合條件的柵格子集，其它柵格置為NoData。條件包括柵格屬性和柵格空間位置。如輸入的柵格是多波段數(shù)據(jù)，只對(duì)第一個(gè)波段進(jìn)行操作。利用屬性提取柵格的工具是ExtractbyAttributes，利用該工具可以輸入一個(gè)SQL表達(dá)式。按空間位置提取柵格的工具分兩類：在工具對(duì)話框中輸入反映空間位置的圖形坐標(biāo)，包括ExtractbyPoints、ExtractbyCircle、ExtractbyRectangle、ExtractbyPolygon等工具，按點(diǎn)、圓、矩形、多邊形提取柵格。利用已有數(shù)據(jù)中的圖形作為掩模提取柵格，工具為ExtractbyMask，該工具是基于Mask數(shù)據(jù)（柵格或矢量）定義的范圍提取出范圍內(nèi)的柵格。演示：按上海市行政區(qū)域范圍切割遙感圖像。柵格數(shù)據(jù)重分類對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，如對(duì)坡度數(shù)據(jù)，按范圍劃分成不同等級(jí)，以等級(jí)值作為新的柵格值。分區(qū)統(tǒng)計(jì)按區(qū)域或類型等對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)，對(duì)每個(gè)區(qū)內(nèi)的柵格數(shù)據(jù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)類型包括最小、最大、間距、總和、平均、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏差、最多、最少、中值等。不同類型土地利用的高程統(tǒng)計(jì)ZonalStatisticsAsTable對(duì)話框輸出結(jié)果概述距離分析密度分析地形分析疊置分析距離分析用于計(jì)算柵格圖像上每個(gè)柵格與目標(biāo)的距離（如有多個(gè)目標(biāo)，則以最近的距離作為柵格值）。在計(jì)算距離的基礎(chǔ)上，可以得到每個(gè)柵格最近的目標(biāo)，即配置（Allocation），并可計(jì)算每個(gè)柵格與最近目標(biāo)的方向。在ArcGIS中，距離有三種：EuclideanDistance、CostDistance和PathDistance。EuclideanDistance是直線距離。CostDistance是根據(jù)柵格之間的距離及柵格的Cost值（如行車時(shí)間）計(jì)算出的最小Cost距離。相鄰柵格的CostDistance為兩個(gè)柵格的Cost平均值與柵格距離的乘積；非相鄰柵格的CostDistance通過相鄰柵格的CostDistance累加。如果柵格的Cost為NoData，則該柵格不能被通過。PathDistance是擴(kuò)展的CostDistance，同時(shí)考慮表面距離、水平和垂直方向的Cost因子。EuclideanDistance計(jì)算CostDistance計(jì)算演示：利用Schools數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)柵格與最近School的直線距離。以坡度數(shù)據(jù)作為Cost數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)柵格與最近School的Cost距離。基于EuclideanDistance的配置?；贑ostDistance的配置。EuclideanDistanceCostDistance基于EuclideanDistance的配置基于CostDistance的配置演示：利用上海市中心區(qū)的綠地?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)柵格離最近綠地的距離。產(chǎn)生一個(gè)Cost柵格數(shù)據(jù)，河流經(jīng)過的地方為NoData，其它為1?？紤]河流分布的地方不能直接通過，計(jì)算每個(gè)柵格離最近綠地的距離。概述距離分析密度分析地形分析疊置分析基于矢量的密度分析是以多邊形為分析單元，計(jì)算多邊形內(nèi)的特征值（如人口數(shù)）與面積的比值。這種方式不能反映多邊形內(nèi)的特征值差異?；跂鸥竦拿芏确治鍪歉鶕?jù)點(diǎn)要素（或線要素）的空間分布與特征值，計(jì)算每個(gè)柵格的特征密度值。這種方法實(shí)際是根據(jù)一些點(diǎn)要素（或線要素）的特征值并不是集中在點(diǎn)上（或線上）的特點(diǎn)，對(duì)要素的特征值進(jìn)行空間分配，從而更加真實(shí)地反映要素的分布。柵格形式的密度圖密度計(jì)算有兩種方法：簡單密度計(jì)算和Kernal密度計(jì)算。簡單密度計(jì)算是針對(duì)每個(gè)柵格，以柵格為中心、某個(gè)值為半徑的圓形范圍作為搜索范圍，計(jì)算搜索范圍內(nèi)的點(diǎn)（或線）的統(tǒng)計(jì)值之和，并與搜索范圍的面積進(jìn)行比值作為字段值。Kernal密度計(jì)算是把每個(gè)點(diǎn)的值分散到搜索范圍內(nèi)每個(gè)柵格，中間最大，邊緣為0，總和等于字段值或1（沒有定義權(quán)重字段），分散到某個(gè)柵格的所有值之和為該柵格值。兩種方法的區(qū)別在于：前者不考慮搜索范圍內(nèi)柵格與點(diǎn)（或線）的距離，后者考慮。演示：美國城市人口密度分析。人口密度分析數(shù)據(jù)：Uscities。以States數(shù)據(jù)作為處理范圍和掩膜數(shù)據(jù)。點(diǎn)密度和Kernel密度對(duì)話框

簡單人口密度分析結(jié)果

Kernel人口密度分析結(jié)果

美國城市分布概述距離分析密度分析地形分析疊置分析地形分析也稱表面（Surface）分析，是基于數(shù)字高程模型（DEM）的分析。產(chǎn)生數(shù)字高程模型（DEM）DEM是地形三維顯示的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)形式主要有兩種：規(guī)則格網(wǎng)（grid）。不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN，TriangulatedIrregularNetwork）。1規(guī)則格網(wǎng)（grid），通常是正方形，也可以是矩形、三角形等規(guī)則格網(wǎng)。規(guī)則格網(wǎng)將區(qū)域空間切分為規(guī)則的格網(wǎng)單元，每個(gè)格網(wǎng)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)值。grid數(shù)據(jù)只能通過對(duì)具有高程信息的點(diǎn)圖層進(jìn)行空間內(nèi)插來得到。SpatialAnalysis、3DAnalysis以及GeostatisticalAnalyst工具箱中都提供空間數(shù)據(jù)內(nèi)插的工具。不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN，TriangulatedIrregularNetwork）根據(jù)區(qū)域有限個(gè)點(diǎn)集，將區(qū)域劃分為相連的三角面格網(wǎng)，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的測(cè)點(diǎn)位置和密度。TIN數(shù)據(jù)是矢量數(shù)據(jù)，以文件夾形式存儲(chǔ)，有多個(gè)文件，分別記錄節(jié)點(diǎn)、邊、三角形、拓?fù)涞刃畔?。?jié)點(diǎn)（Nodes），可以是點(diǎn)要素，也可以是線或多邊形的頂點(diǎn)（vertices），每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須要有一個(gè)Z值。邊（Edges），兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的連線構(gòu)成一條邊。三角形（Triangles），利用節(jié)點(diǎn)和邊構(gòu)建三角形有不同的方法。ArcGIS采用Delaunay三角形方法。TIN數(shù)據(jù)可以通過包含高程信息的點(diǎn)、線或多邊形數(shù)據(jù)來創(chuàng)建，也可以是多個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)合來創(chuàng)建。3DAnalysis工具箱中的CreateTIN工具用于創(chuàng)建TIN數(shù)據(jù)。在新建TIN數(shù)據(jù)時(shí)，需要對(duì)參與創(chuàng)建TIN的各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。對(duì)點(diǎn)要素類數(shù)據(jù)，要設(shè)置哪個(gè)字段為高程字段。對(duì)線要素類數(shù)據(jù)，除了要設(shè)置高程字段外，還要設(shè)置數(shù)據(jù)在三角網(wǎng)中的作用（masspoints、hardline或softline）。如果選masspoints，則線要素的頂點(diǎn)作為TIN數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)；如選hardline或softline，則線作為三角形的邊，即構(gòu)建出的TIN能反映線特征，其中softline不改變地形特征，如行政界線，hardline將改變地形特征，如道路、河流等。如輸入數(shù)據(jù)只有線數(shù)據(jù)，則線數(shù)據(jù)作為masspoints。原始的點(diǎn)要素和線要素線要素的頂點(diǎn)作為masspoints加到TIN中線要素作為三角形的邊加到TIN中對(duì)多邊形要素類，除了要設(shè)置高程字段外，還要設(shè)置要素類在三角網(wǎng)中的作用。包括Clip（只產(chǎn)生多邊形范圍內(nèi)TIN數(shù)據(jù)）、Erase（去除多邊形范圍內(nèi)TIN數(shù)據(jù)）、Replace（多邊形范圍的TIN數(shù)據(jù)賦予相同高程值）、Fill（多邊形內(nèi)的所有三角面賦予一個(gè)整型屬性值）。根據(jù)頂點(diǎn)高程產(chǎn)生的TIN設(shè)置多邊形內(nèi)的區(qū)域?yàn)橹付ǜ叱讨敌陆ǖ腡IN數(shù)據(jù)有如下特點(diǎn)：TIN的平面范圍是輸入數(shù)據(jù)頂點(diǎn)的外接多邊形范圍，如要求產(chǎn)生的TIN覆蓋整個(gè)研究區(qū)域，則輸入數(shù)據(jù)的范圍要大于研究區(qū)域的范圍。TIN的高程范圍是輸入數(shù)據(jù)頂點(diǎn)的最大和最小高程值之間。在創(chuàng)建TIN數(shù)據(jù)后，還可以通過增加矢量數(shù)據(jù)對(duì)TIN數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。TIN數(shù)據(jù)編輯可以利用工具箱中的EditTIN工具，還可以利用TINEditing工具條中的工具進(jìn)行交互編輯。在水平面上增加一個(gè)點(diǎn)，形成多面體。增加一條線，改變?cè)械匦?。利用多邊形Clip模式，切割出研究區(qū)域的TIN數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換Featuresto3D：轉(zhuǎn)換成Shape字段包含Z值的要素類。RastertoFeatures：Raster數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Shape字段包含Z值的要素類。RastertoTIN：Raster數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TIN數(shù)據(jù)。TINtoRaster：TIN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換Raster數(shù)據(jù)。TINtofeatures：TIN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Shape字段包含Z值的要素類。2TIN數(shù)據(jù)grid數(shù)據(jù)地形分析產(chǎn)生坡度圖產(chǎn)生坡向圖產(chǎn)生等高線產(chǎn)生陰影圖計(jì)算挖方/填方量可視分析3產(chǎn)生坡度圖地面上的一個(gè)點(diǎn)可以根據(jù)其與相鄰點(diǎn)的高差和距離計(jì)算出坡度，通常是把最大的坡度作為該點(diǎn)的坡度。坡度的單位可以是度，也可以是百分比。點(diǎn)擊Slope工具，將顯示產(chǎn)生坡度對(duì)話框，在對(duì)話框中，用戶可以定義輸入柵格和輸出柵格以及坡度單位等。產(chǎn)生坡向圖坡向是指坡度的朝向，是以順時(shí)針方向測(cè)量，單位為度（0—360度）。點(diǎn)擊Aspect工具，將顯示產(chǎn)生坡向?qū)υ捒?，在?duì)話框中，用戶可以定義輸入和輸出柵格。產(chǎn)生等高線等高線（或等值線）是指同一條線上的點(diǎn)具有相同的值（高程或其它屬性值）。利用DEM產(chǎn)生等高線是根據(jù)已有的高程數(shù)據(jù)通過內(nèi)插的方法跟蹤產(chǎn)生某個(gè)高程值的等高線。ArcGIS中有三個(gè)產(chǎn)生等高線工具：Contour，根據(jù)等高線間距和起始等高線的高程來提取等高線。ContourList：提取指定高程的等高線。ContourwithBarriers：在Barriers線兩側(cè)獨(dú)立產(chǎn)生等高線。根據(jù)等高線間距和起始高程產(chǎn)生等高線產(chǎn)生指定高程的等高線產(chǎn)生陰影圖陰影圖（hillshade）是根據(jù)假設(shè)的太陽光入射角和高度角以及DEM，計(jì)算每個(gè)柵格的光照情況，并用不同的色調(diào)或顏色顯示，以顯示地形起伏情況。缺省情況下，陽面以淺色調(diào)顯示，陰面以深色調(diào)顯示。太陽的入射角（azimuth）是以順時(shí)針方向計(jì)算；太陽的高度角（altitude）是以地平面向上計(jì)算。點(diǎn)擊Hillshade工具，將顯示產(chǎn)生陰影圖對(duì)話框，選擇DEM，并可以定義太陽方位角、太陽高度角等參數(shù)。計(jì)算挖方/填方量根據(jù)挖土/填土前后的兩個(gè)DEM數(shù)據(jù)，計(jì)算挖方/填方量。點(diǎn)擊Cut/Fill工具，將顯示計(jì)算挖方和填方量對(duì)話框，在對(duì)話框中輸入挖方/填方前后的DEM數(shù)據(jù)。挖方/填方工程后的數(shù)字高程模型挖方/填方工程前的數(shù)字高程模型挖方量和填方量計(jì)算結(jié)果可視分析可視區(qū)域分析是分析可以被一個(gè)或多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（或線）所觀測(cè)到的區(qū)域。其中，線是以組成線的頂點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)?？梢暦治鲇袃蓚€(gè)工具：Viewshed，輸出的柵格數(shù)據(jù)有一個(gè)字段記錄每個(gè)柵格可以被幾個(gè)觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)到（0表示不可見）。ObserverPoints，根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，輸出的柵格數(shù)據(jù)有對(duì)應(yīng)的字段記錄是否能被相應(yīng)的觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)到（0表示不能觀測(cè)到，1表示能觀測(cè)到），即不僅能知道被幾個(gè)點(diǎn)觀測(cè)到，而且還能知道是哪幾個(gè)點(diǎn)。Viewshed工具和ObserverPoints工具的對(duì)話框基本一致，唯一區(qū)別在于Viewshed工具的觀測(cè)點(diǎn)可以是點(diǎn)或線（線的頂點(diǎn)），而ObserverPoints工具的觀測(cè)點(diǎn)只能是點(diǎn)。Viewshed工