任務(wù)10.2 柵格數(shù)據(jù)的空間分析

項(xiàng)目10林業(yè)空間數(shù)據(jù)空間分析任務(wù)2柵格數(shù)據(jù)的空間分析任務(wù)2柵格數(shù)據(jù)的空間分析任務(wù)描述

柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直觀，非常利于計(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。基于柵格數(shù)據(jù)的空間分析是GIS空間分析的基礎(chǔ)，也是ArcGIS空間分析模塊（Spatial

Analyst）的核心內(nèi)容。該模塊允許用戶從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，主要包括表面分析、鄰域分析、重分類、柵格計(jì)算等。本任務(wù)將從這些分析入手，學(xué)習(xí)柵格數(shù)據(jù)的空間分析。任務(wù)目標(biāo)

經(jīng)過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使學(xué)生能夠熟練運(yùn)用ArcMap軟件對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行表面分析、領(lǐng)域分析、重分類、柵格計(jì)算等操作，從而解決實(shí)際問題。柵格數(shù)據(jù)的空間分析---實(shí)操柵格數(shù)據(jù)的空間分析（一）知識(shí)準(zhǔn)備

1、柵格數(shù)據(jù)的概念

柵格數(shù)據(jù)是按網(wǎng)格單元的行與列排列、具有不同灰度或顏色的陣列數(shù)據(jù)。每一個(gè)單元（象素）的位置由它的行列號(hào)定義，所表示的實(shí)體位置隱含在柵格行列位置中，數(shù)據(jù)組織中的每個(gè)數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性或指向其屬性的指針。

最簡(jiǎn)形式的柵格由按行和列（或格網(wǎng)）組織的單元（或像素）矩陣組成，其中的每個(gè)單元都包含一個(gè)信息值（例如溫度）。柵格可以是數(shù)字航空攝影、衛(wèi)星影像、數(shù)字圖片或甚至掃描的地圖。一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（二）柵格數(shù)據(jù)分析的環(huán)境設(shè)置

在進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)的空間分析操作之前，首先應(yīng)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括：加載空間分析模塊、為分析結(jié)果設(shè)置工作路徑、坐標(biāo)系統(tǒng)、分析范圍和像元大小等。1、加載空間分析模塊空間分析模塊（SpatialAnalyst）是ArcGIS外帶的擴(kuò)展模塊，雖然在ArcGIS安裝時(shí)自動(dòng)掛接到ArcGIS的應(yīng)用程序中，但是并沒有加載，只有獲得了它的使用許可后，才能加載和有效使用。一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（二）柵格數(shù)據(jù)分析的環(huán)境設(shè)置

2、設(shè)置工作路徑

空間分析模塊（SpatialAnalyst）是ArcGIS外帶的擴(kuò)展模塊，雖然在ArcGIS安裝時(shí)自動(dòng)掛接到ArcGIS的應(yīng)用程序中，但是并沒有加載，只有獲得了它的使用許可后，才能加載和有效使用。一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（二）柵格數(shù)據(jù)分析的環(huán)境設(shè)置

3、設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)在柵格數(shù)據(jù)的空間分析中，可以指定結(jié)果文件的坐標(biāo)系統(tǒng)。4、設(shè)置分析范圍

在柵格數(shù)據(jù)的空間分析中，分析范圍由所使用的工具決定。但在實(shí)際應(yīng)用中還是需要自定義一個(gè)分析范圍。一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（二）柵格數(shù)據(jù)分析的環(huán)境設(shè)置

5、設(shè)置像元大小在輸出柵格數(shù)據(jù)時(shí)，需要設(shè)置輸出柵格像元大小。選擇合適的像元大小，對(duì)實(shí)現(xiàn)空間分析非常重要。如果像元過大則分析結(jié)果精確度降低，如果像元過小則會(huì)產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)，并且計(jì)算速度降低。一般情況下保持柵格單元大小與分析數(shù)據(jù)一致，默認(rèn)的輸出像元大小由最粗糙的輸入柵格數(shù)據(jù)集決定。一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（三）表面分析

表面分析主要通過生成新數(shù)據(jù)集，諸如等值線、坡度、坡向、山體陰影等派生數(shù)據(jù)，獲得更多的反映原始數(shù)據(jù)集中所暗含的空間特征、空間格局等信息。在ArcGIS中，表面分析的主要功能如表下所示。一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（三）表面分析

1、坡向

坡向指地表面上一點(diǎn)的切平面的法線矢量在水平面的投影與過該點(diǎn)的正北方向的夾角。對(duì)于地面任何一點(diǎn)來說，坡向表征了該點(diǎn)高程值改變量的最大變化方向。在輸出的坡向數(shù)據(jù)中，坡向值有如下規(guī)定：正北方向?yàn)?度，按順時(shí)針方向計(jì)算，取值范圍為0°～360°。不具有下坡方向的平坦區(qū)域?qū)①x值為-1。一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（三）表面分析

2、坡度

坡度指地表面任一點(diǎn)的切平面與水平地面的夾角。坡度工具用于為每個(gè)像元計(jì)算值在從該像元到與其相鄰的像元方向上的最大變化率。坡度表示了地表面在該點(diǎn)的傾斜程度，坡度值越小，地形越平坦；坡度值越大，地形越陡。一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（三）表面分析

3、曲率

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，地面曲率在垂直和水平兩個(gè)方向上分量分別稱為剖面曲率和平面曲率。剖面曲率是對(duì)地面坡度的沿最大坡降方向地面高程變化率的度量。平面曲率指在地形表面上，具體到任何一點(diǎn)，指過該點(diǎn)的水平面沿水平方向切地形表面所得的曲線在該點(diǎn)的曲率值。平面曲率描述的是地表曲面沿水平方向的彎曲、變化情況，也就是該點(diǎn)所在的地面等高線的彎曲程度。一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（三）表面分析

3、曲率一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（三）表面分析

4、等值線

等值線是連接等值點(diǎn)（如高程、溫度、降雨量、人口或大氣壓力）的線。等值線的集合常被稱為等值線圖，但也可擁有特定的術(shù)語稱謂，這取決于測(cè)量的對(duì)象。例如表示高程的稱為等高線圖，表示溫度的稱為等溫線圖而表示降雨量的稱為等降雨量線圖。等值線的分布顯示表面上值的變化方式。值的變化量越小，線的間距就越大。值上升或下降得越快，線的間距就越小。一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（三）表面分析

4、等值線

一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（三）表面分析

5、填挖方

填挖操作是一個(gè)通過添加或移除表面材料來修改地表高程的過程。填挖方工具用于匯總填挖操作期間面積和體積的變化情況。通過在兩個(gè)不同時(shí)段提取給定位置的表面，該工具可識(shí)別表面材料移除、表面材料添加以及表面尚未發(fā)生變化的區(qū)域。在實(shí)際應(yīng)用中，借助填挖方工具，可以解決諸如識(shí)別河谷中出現(xiàn)泥沙侵蝕和沉淀物的區(qū)域，計(jì)算要移除的表面材料的體積和面積，以及為平整一塊建筑用地所需填充的面積等問題。

一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（三）表面分析

6、山體陰影

山體陰影是根據(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。山體陰影圖不僅很好地表達(dá)了地形的立體形態(tài)，而且可以方便的提取地形遮蔽信息。建山體陰影地圖時(shí)，所要考慮的主要因素是太陽方位角和太陽高度角。

一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（三）表面分析

7、可見性分析

有兩個(gè)工具可用于可見性分析，即視域和視點(diǎn)。它們均可用來生成輸出視域柵格數(shù)據(jù)。另外，視點(diǎn)的輸出會(huì)精確識(shí)別可從每個(gè)柵格表面位置看到哪些視點(diǎn)。

視域可識(shí)別輸入柵格中能夠從一個(gè)或多個(gè)觀測(cè)位置看到的像元。輸出柵格中的每個(gè)像元都會(huì)獲得一個(gè)用于指示可從每個(gè)位置看到的視點(diǎn)數(shù)的值。如果只有一個(gè)視點(diǎn)，則會(huì)將可看到該視點(diǎn)的每個(gè)像元的值指定為1，將所有無法看到該視點(diǎn)的像元值指定為0。

視點(diǎn)工具會(huì)存儲(chǔ)關(guān)于哪些觀測(cè)點(diǎn)能夠看到每個(gè)柵格像元的二進(jìn)制編碼信息。此信息存儲(chǔ)在VALUE項(xiàng)中。例如，要顯示只能通過視點(diǎn)1（瞭望塔）看到的所有柵格區(qū)域，打開輸出柵格屬性表，然后選擇視點(diǎn)1(OBS1)等于1而其他所有視點(diǎn)等于0的行。只能通過視點(diǎn)1（瞭望塔）看到的柵格區(qū)域?qū)⒃诘貓D上高亮顯示。一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（三）表面分析

7、可見性分析

1）視點(diǎn)分析的操作步驟一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（三）表面分析

7、可見性分析

2）視域分析的操作步驟一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（四）重分類

重分類即基于原有數(shù)值，對(duì)原有數(shù)值重新進(jìn)行分類整理從而得到一組新值并輸出。

根據(jù)不同的需要，重分類一般包括四種基本分類形式：新值替代（用一組新值取代原來值）、舊值合并（將原值重新組合分類）、重新分類（以一種分類體系對(duì)原始值進(jìn)行分類），以及空值設(shè)置（把指定值設(shè)置空值或者為空值設(shè)置值）。

一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（五）柵格計(jì)算器

柵格計(jì)算是數(shù)據(jù)處理和分析最為常用的方法，也是建立復(fù)雜的應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的基本模塊。ArcGIS提供了非常友好的圖形化柵格計(jì)算器。利用柵格計(jì)算器，不僅可以方便地完成基于數(shù)學(xué)運(yùn)算符的柵格運(yùn)算，以及基于數(shù)學(xué)函數(shù)的柵格運(yùn)算，它還可以支持直接調(diào)用ArcGIS自帶的柵格數(shù)據(jù)空間分析函數(shù)，并可方便地實(shí)現(xiàn)多條語句的同時(shí)輸入和運(yùn)行。同時(shí)，柵格計(jì)算器支持地圖代數(shù)運(yùn)算，柵格數(shù)據(jù)集可以直接和數(shù)字、運(yùn)算符、函數(shù)等在一起混合計(jì)算，不需要做任何轉(zhuǎn)換。

一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析（六）鄰域分析

鄰域分析是以待計(jì)算柵格的單元值為中心，向其周圍擴(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，并將結(jié)果輸出到相應(yīng)的單元位置的過程。ArcGIS中存在兩種基本的鄰域運(yùn)算：一種針對(duì)重疊的處理位置鄰域，另一種針對(duì)不重疊鄰域。焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工具處理具有重疊鄰域的輸入數(shù)據(jù)集。塊統(tǒng)計(jì)工具處理非重疊鄰域的數(shù)據(jù)。

一、柵格數(shù)據(jù)的空間分析任務(wù)實(shí)施

山頂點(diǎn)的提取第一步加載SpatialAnalyst模塊和DEM數(shù)據(jù)（1）運(yùn)行ArcMap，單擊【自定義】菜單下的【擴(kuò)展模塊】命令，在打開的窗口中選擇SpatialAnalyst，單擊【關(guān)閉】按鈕。（2）單擊按鈕，添加數(shù)據(jù)（位于“…\prj10\任務(wù)實(shí)施10-2\data”）。

第二步設(shè)置工作路徑單擊【地理處理】→【環(huán)境】，在彈出的【環(huán)境設(shè)置】對(duì)話框中的【工作空間】區(qū)域，【當(dāng)前工作空間】和【臨時(shí)工作空間】都設(shè)置為“...\prj10\任務(wù)實(shí)施10-2\result”。二、柵格數(shù)據(jù)的空間分析---實(shí)操任務(wù)實(shí)施

山頂點(diǎn)的提取第三步提取等高距為15米和75米的等高線圖（1）雙擊【SpatialAnalyst工具】→【表面分析】→【等值線】，打開【等值線】對(duì)話框，如圖10.66所示。

二、柵格數(shù)據(jù)的空間分析---實(shí)操圖10.66【等值線】對(duì)話框任務(wù)實(shí)施

山頂點(diǎn)的提取

第三步提取等高距為15米和75米的等高線圖

（2）按圖10.66設(shè)置對(duì)話框參數(shù)，單擊【確定】按鈕，生成等高距為15米的等高線圖。（3）重復(fù)以上操作，修改【等值線間距】為75米，生成等高距為75米的等高線圖。（4）單擊contour_dem15數(shù)據(jù)層的圖例，選擇顯示顏色為灰度60%。（5）單擊contour_dem75數(shù)據(jù)層的圖例，選擇顯示顏色為灰度80%。結(jié)果如圖10.67所示。二、柵格數(shù)據(jù)的空間分析---實(shí)操圖10.67等高線圖任務(wù)實(shí)施

山頂點(diǎn)的提取

第四步提取山體陰影圖（1）雙擊【SpatialAnalyst工具】→【表面分析】→【山體陰影】，打開【山體陰影】對(duì)話框，如圖10.68所示。（2）按圖10.68設(shè)置對(duì)話框參數(shù)，單擊【確定】按鈕，生成該地區(qū)光照暈渲圖，作為等高線三維背景。結(jié)果如圖10.69所示二、柵格數(shù)據(jù)的空間分析---實(shí)操圖10.68【山體陰影】對(duì)話框圖10.69山體陰影圖任務(wù)實(shí)施

山頂點(diǎn)的提取

第五步提取有效數(shù)據(jù)區(qū)域

（1）雙擊【SpatialAnalyst工具】→【地圖代數(shù)】→【柵格計(jì)算器】，打開【柵格計(jì)算器】對(duì)話框，如圖10.70所示。（2）按圖10.70設(shè)置對(duì)話框參數(shù)，單擊【確定】按鈕，提取有效數(shù)據(jù)區(qū)域，作為等高線三維背景掩膜。（3）雙擊back數(shù)據(jù)層，在彈出的【圖層屬性】對(duì)話框的【顯示】屬性頁設(shè)置透明度為60％，在【符號(hào)系統(tǒng)】屬性框中設(shè)置其顯示顏色為Gray50％，結(jié)果如圖10.71所示。二、柵格數(shù)據(jù)的空間分析---實(shí)操圖10.74【柵格計(jì)算器】對(duì)話框圖10.75山頂點(diǎn)區(qū)域提取圖任務(wù)實(shí)施

山頂點(diǎn)的提取

第六步鄰域分析（1）雙擊【SpatialAnalyst工具】→【鄰域分析】→【焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)】，打開【焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)】對(duì)話框，如圖10.72所示。（2）按圖10.72設(shè)置對(duì)話框參數(shù)，單擊【確定】按鈕，完成焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析操作。二、柵格數(shù)據(jù)的空間分析---實(shí)操圖10.72【焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)】對(duì)話框圖10.73焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析圖任務(wù)實(shí)施

山頂點(diǎn)的提取

第七步提取山頂點(diǎn)區(qū)域（1）雙擊【SpatialAnalyst工具】→【地圖代數(shù)】→【柵格計(jì)算器】，打開【柵格計(jì)算器】對(duì)話框，如圖10.74所示。（2）按圖10.74設(shè)置對(duì)話框參數(shù)，單擊【確定】按鈕，提取山頂點(diǎn)區(qū)域結(jié)果如圖10.75所示。二、柵格數(shù)