ArcGIS空間分析

1、1,ArcGIS空間分析,2,主要內容,ArcGIS空間分析簡介 ArcGIS矢量數(shù)據(jù)空間分析 ArcGIS柵格數(shù)據(jù)空間分析 ArcGIS三維分析 ArcGIS地統(tǒng)計分析,3,ArcGIS空間分析簡介,空間分析是GIS的主要特征，有無空間分析功能是GIS與其他系統(tǒng)相區(qū)別的標志?？臻g分析是從空間物體的空間位置、聯(lián)系等方面去研究空間事物，以對空間事物做出定量的描述，作出預測并提出合理的調控措施。,一般系統(tǒng)功能：“是什么？”“在哪里?”、“有多少?”和“怎么樣?”等,GIS系統(tǒng)=一般系統(tǒng) + “為什么?”。,空間分析,4,ArcGIS空間分析簡介,按分析對象的維數(shù)來看，包括二維分析、三維分析及多維分

2、析。 其中二維分析包括常規(guī)GIS分析的大部分內容，如矢量數(shù)據(jù)空間分析、柵格數(shù)據(jù)空間分析、空間統(tǒng)計分析（空間插值、創(chuàng)建統(tǒng)計表面等）、水文分析（河網(wǎng)提取、流域分割、匯流累積量計算、水流長度計算等）、多變量分析、空間插值、地圖代數(shù)等。 三維分析則有如下內容：三維模型建立和顯示基礎上的空間查詢定位分析，以及建立在三維數(shù)據(jù)上的趨勢面分析、表面積、體積、坡度、坡向、視亮度、流域分布、山脊、山谷及可視域分析等。,5,ArcGIS空間分析模塊,ArcGIS 環(huán)境演示各模塊,6,Arcgis 空間處理與分析工具（ArcToolbox）,7,8,空間數(shù)據(jù)的表示,對現(xiàn)實世界的幾何抽象,面,點,線,體,在某一尺度下，

3、可以用點、線、面、體來表示各類地理空間要素,9,GIS數(shù)據(jù)的兩種表示方法,矢量表達,柵格表達,現(xiàn)實世界,10,柵格數(shù)據(jù)特點,柵格數(shù)據(jù):將地理空間（地理實體）劃分成規(guī)則的格網(wǎng)(特殊的情況下也可以是三角形或菱形、六邊形等)，格網(wǎng)的基本單元視固定大小的矩形，用數(shù)值表示其格網(wǎng)的特征。,一個柵格數(shù)據(jù)圖層叫一個Grid，一組Grid 表示一類的空間事物 柵格的基本單元稱Cell,單元的大小稱為Cell Size,反映的是數(shù)據(jù)的空間分辨率 每個網(wǎng)格上的值：Cell with Value,表示地理的一個特征,11,矢量數(shù)據(jù)特點,矢量模型將地理空間看成一個空間區(qū)域，地理要素存在于其間。在矢量模型中，各類地理要素

4、根據(jù)其空間形態(tài)特征分為點、線、面三類。,點實體包括由單獨一對x，y坐標定位的一切地理或制圖實體。,線實體用其中心軸線（或側邊線）上的抽樣點坐標串表示其位置和形狀,面實體用范圍輪廓線上的抽樣點坐標串表示位置和范圍，多邊形面（有時稱為區(qū)域）數(shù)據(jù)是描述地理空間信息的最重要的一類數(shù)據(jù)。,12,柵格、矢量數(shù)據(jù)轉換,矢量轉柵格:ArcToolbars: Point to Raster, Polygon to Raster, Polylineto Raster,柵格轉矢量,矢量化:Editor, ArcScan, feature to polygon,ArcGIS顯示矢量、柵格數(shù)據(jù)及其轉換,13,矢量轉柵格

5、,柵格轉矢量,14,主要內容,ArcGIS空間分析簡介 ArcGIS矢量數(shù)據(jù)空間分析 ArcGIS柵格數(shù)據(jù)空間分析 ArcGIS三維分析 ArcGIS地統(tǒng)計分析,15,矢量數(shù)據(jù)空間分析,16,緩沖區(qū)分析(buffer),緩沖區(qū)分析(Buffer)：是對選中的一組或一類地圖要素（點、線或面）按設定的距離條件，圍繞其要素而形成一定緩沖區(qū)多邊形實體，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)在二維空間得以擴展的信息分析方法。 緩沖區(qū)應用的實例有如：污染源對其周圍的污染量隨距離而減小，確定污染的區(qū)域；為失火建筑找到距其500米范圍內所有的消防水管等。,17,緩沖區(qū)分析,18,緩沖區(qū)分析,距離或鄰近分析 緩沖距離參數(shù)可以是常數(shù)或變量

6、,19,緩沖區(qū)分析,20,緩沖區(qū)分析,ArcToolbox 界面,21,矢量數(shù)據(jù)空間分析,22,空間數(shù)據(jù)融合(dissolve) ：是按照數(shù)據(jù)的某項屬性(attribute)，對線狀要素或者面狀要素進行自動合并，即具有相同屬性的兩條相接弧段合并成一條弧段，具有相同屬性的兩個相鄰多邊形合并成一個多邊形。,數(shù)據(jù)融合(dissolve),23,空間數(shù)據(jù)合并(merge) ：指的是在實際研究中，研究區(qū)可能會很大，跨越了若干個不同的相鄰區(qū)域數(shù)據(jù)層，位于不同空間數(shù)據(jù)層的相鄰要素進行合并。,數(shù)據(jù)合并(merge),24,空間數(shù)據(jù)裁切(clip) ：指的是在實際研究中， 但研究區(qū)域只是整個空間數(shù)據(jù)層中的一個小

7、小的區(qū)域時，就應該進行適當?shù)臄?shù)據(jù)裁切，以獲取真正需要的數(shù)據(jù)，減少不必要的大量運算。,數(shù)據(jù)裁切(clip),25,矢量數(shù)據(jù)空間分析,26,疊置分析,圖層擦除 識別疊加 交集操作 均勻差值 圖層合并 修正更新,27,疊置分析(overlay),1、圖層擦除（Erase） 輸入圖層根據(jù)擦除圖層的范圍大小，將擦除圖層所覆蓋的輸入圖層內的要素去除，最后得到剩余輸入圖層的結果。,28,疊置區(qū)分析擦除erase,29,疊置分析(overlay),2識別疊加（Identity） ：輸入圖層和另外一個圖層進行識別疊加，在圖形交迭的區(qū)域，識別圖層的屬性將賦給輸入圖層在該區(qū)域內的地圖要素，同時也有部分的圖形的變化在

8、其中。,30,疊置分析（overlay）,3、交集操作（Intersect）：交集操作是得到兩個圖層的交集部分，并且原圖層的所有屬性將同時在得到的新的圖層上顯示出來。,31,32,疊置區(qū)分析交集intersect,33,疊置分析(overlay),4、圖層合并（Union）：圖層合并是通過把兩個圖層的區(qū)域范圍聯(lián)合起來而保持來自輸入地圖和疊加地圖的所有地圖要素。,34,疊置區(qū)分析圖層合并union,35,網(wǎng)格分析最短路徑分析,36,主要內容,ArcGIS空間分析簡介 ArcGIS矢量數(shù)據(jù)空間分析 ArcGIS柵格數(shù)據(jù)空間分析 ArcGIS三維分析 ArcGIS地統(tǒng)計分析,37,柵格數(shù)據(jù)空間分析,

9、了解柵格數(shù)據(jù) 柵格數(shù)據(jù)管理 柵格分析環(huán)境,38,了解柵格數(shù)據(jù),查看圖層屬性可以了解柵格數(shù)據(jù)的相關信息,39,柵格數(shù)據(jù)屬性,40,柵格數(shù)據(jù)屬性,41,加載柵格數(shù)據(jù),從ArcCatalog中拖放數(shù)據(jù)到ArcMap,在ArcMap中添加柵格數(shù)據(jù)圖層,42,顯示柵格數(shù)據(jù),根據(jù)柵格單元數(shù)值分類 可以修改圖例,43,查看柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息,通過直方圖了解柵格單元數(shù)值的分布情況,44,查詢柵格數(shù)據(jù),柵格單元的屬性可以通過查詢按鈕獲取,45,根據(jù)表達式查詢柵格,離散柵格可以通過常規(guī)的方式查詢屬性表,46,管理柵格數(shù)據(jù)文件,通過ArcCatalog管理柵格數(shù)據(jù)源 復制 移動 更名 刪除,47,柵格分析環(huán)境,柵格分

10、析的大部分功能都被集成到“空間分析”模塊中,空間分析擴展模塊,48,設置柵格分析環(huán)境,分析選項 工作目錄 掩模 分析范圍 分析柵格大小 一經(jīng)設定將保持到下一次修改,空間分析選項設置決定經(jīng)空間分析得到的柵格數(shù)據(jù)的空間屬性,49,設置分析范圍,分析范圍分析派生的數(shù)據(jù)的空間屬性 是矩形區(qū)域,50,設置分析范圍,使用范圍捕捉，使多個柵格圖層正確匹配,51,設置柵格大小,分析柵格的尺寸決定了輸出柵格的柵格尺寸 要進行多個柵格數(shù)據(jù)集 間的分析時使用一致 的柵格大小 小柵格 大文件 小柵格 較長的計算時間,52,設置分析掩模,分析掩模定義了輸出柵格的范圍 掩模是根據(jù)已存在的 柵格的 “有效數(shù)據(jù)” 區(qū)域生成的

11、，而不是矩形區(qū)域 (分析范圍中指定的 是矩形區(qū)域),53,設置分析掩模,分析掩模定義了輸出柵格的形狀,54,柵格數(shù)據(jù)空間分析,柵格數(shù)據(jù)的空間分析主要包括：距離制圖、 密度制圖、表面生成與分析、單元統(tǒng)計、鄰域統(tǒng)計、分區(qū)統(tǒng)計、重分類、柵格計算等。 ArcGIS柵格數(shù)據(jù)空間分析模塊(SpatialAnalyst)提供有效工具集，方便執(zhí)行各種柵格數(shù)據(jù)空間分析操作。,55,空間分析環(huán)境設置,距離制圖,密度制圖制圖,表面分析,統(tǒng)計分析,重分類,柵格運算,56,距離制圖,什么是距離制圖？ 四種距離制圖 距離制圖的用途 距離制圖ArcGIS操作,57,從每一位置到最近城鎮(zhèn)的直線距離,確定了娛樂場所服務的地區(qū)。

12、可以很容易地確定需要更多娛樂場所的區(qū)域（這些區(qū)域主要位于柵格東北半部區(qū)域）,兩點間的直線距離有時并非一定最好。圖中，走最短路徑穿越這座山需要耗用3個小時，而繞行較長的路線僅需要2個小時。如果將時間作為一種成本度量，那么，較長的這條路線將是用戶要采用的。,紫色的線代表使用成本柵格數(shù)據(jù)生成的路徑，并且在生成成本柵格數(shù)據(jù)時，設定每個輸入的柵格數(shù)據(jù)（土地利用和坡度數(shù)據(jù)）的影響系數(shù)是相同的。而紅色的線代表的是利用另一種成本數(shù)據(jù)生成的路徑，其中生成成本數(shù)據(jù)時，將坡度影響因子賦予66的權重來計算的。為輸入的坡度數(shù)據(jù)賦的權重愈高，生成的路徑（即紅線顯示的）就會愈加注重坡度的影響并避開較陡的坡。,58,距離分析

13、,基于柵格數(shù)據(jù) 概念：源 距離分析中的目標，是離散的要素，要素可以鄰接，但屬性必須不同 源可由柵格數(shù)據(jù)或矢量數(shù)據(jù)來定義 距離分析計算一定區(qū)域內的柵格單元到源的距離,59,密度制圖,什么是密度制圖？ 密度制圖作用 ArcGIS密度制圖方法,60,61,采樣點數(shù)據(jù)空間插值,問題： 根據(jù)氣象觀測站點數(shù)據(jù)，生成某一區(qū)域內降雨量等值線及空間分布圖 通過地下水位高度采樣點數(shù)據(jù)，制作一個城市的地下水位分布圖。 遍歷研究區(qū)域中的每個位置以測量該位置的高度、大小或某種特性通常都是困難的，或者是昂貴的，因而一般都是采用抽樣的方法，按照一定原則，選出一些樣點進行測量，然后使用插值函數(shù)，估計出所有其它位置的值。,62

14、,應用：根據(jù)水質采樣點數(shù)據(jù)生成滇池水面水質分布圖,63,表面中的每一個柵格的值表示為Z=f(X,Y)， Z值可以是高程值、濃度值或應用領域的其它量值，例如：污染、噪音等 主要的內插方法有： 權重距離遞減（Inverse Distance Weighted） 樣條函數(shù)內插（Spline） 克里金（ Kriging ）內插基于統(tǒng)計方法,64,采樣點經(jīng)過空間插值得到連續(xù)表面,離散的采樣點數(shù)據(jù),65,兩種基本的插值方法 (spline and IDW),樣條函數(shù)(minimized curvature),距離權重倒數(shù) (local influence is strong),66,表面分析,柵格插值 什

15、么是等值線（高程、溫度、降水等）、作用？ 地形因子提取,67,一個輸入的高程數(shù)據(jù)集和一個輸出的等值線數(shù)據(jù)集。其中等值線密集的地區(qū)表明了地勢的陡峭。它們對應的地區(qū)擁有較高的高程（在輸入的高程數(shù)據(jù)集中的白色部分）。,表面生成的坡度圖,高程點插值成高程表面,68,統(tǒng)計分析,統(tǒng)計分析功能 單元統(tǒng)計cell statistics 鄰域統(tǒng)計 neighborhood statistics 分區(qū)統(tǒng)計 zonal statistics,69,單元統(tǒng)計(cell statistics),概念：計要求輸入多個柵格主題來計算輸出主題中每一個柵格的統(tǒng)計值。 統(tǒng)計內容：Minimum； Maximum； Range ；

16、Sum； Mean； Standard Deviation； Variety；Majority； Minority；Median。 應用：同一地區(qū)多時相人口數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計,單元最小值統(tǒng)計,70,柵格單元統(tǒng)計,數(shù)據(jù)： 1990年2000年降雨量觀測點數(shù)據(jù) 通過空間插值生成降雨量分布圖 通過局部統(tǒng)計功能計算多年平均降雨量分布圖,71,柵格單元統(tǒng)計Cell Statistical,Cell Statistics (柵格單元統(tǒng)計）可以基于柵格單元對多個柵格主題進行統(tǒng)計。 柵格主題之間的局部統(tǒng)計要求輸入多個柵格主題來計算輸出主題中每一個柵格的統(tǒng)計值。例如：用此功能可以根據(jù)1990年到2000年間

17、某地區(qū)降水量柵格數(shù)據(jù)計算這個地區(qū)多年平均降水柵格,72,領域統(tǒng)計 (neighborhood statistics),概念：鄰域統(tǒng)計的計算是以待計算柵格為中心，向其周圍擴展一定范圍，基于這些擴展柵格數(shù)據(jù)進行函數(shù)運算，從而得到此柵格的值。 統(tǒng)計內容（略）： 統(tǒng)計方法：,73,Arcgis對于鄰域的設置有不同的設置方法，ArcGIS中提供了四種鄰域分析窗口。,74,分區(qū)統(tǒng)計(Zonal statistics),概念：分類區(qū)統(tǒng)計即以一個數(shù)據(jù)集為基礎在它所包含的不同類別中對另一個被分類數(shù)據(jù)集進行統(tǒng)計。 分區(qū)的圖形可以是矢量多邊形，也可以是柵格型（區(qū)域型）。,統(tǒng)計分區(qū)中的最大值,75,分區(qū)統(tǒng)計,對每個分

18、區(qū)內的數(shù)據(jù)進行匯總統(tǒng)計。Summarize Zones要求輸入兩個圖層 （1）進行匯總統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型既可是連續(xù)型也可是離散型。 （2）分區(qū)數(shù)據(jù)，用以確定每個柵格屬于哪個分區(qū)，數(shù)據(jù)類型必須是離散型。 例子： 匯總統(tǒng)計各地區(qū)的降雨量,76,“每個區(qū)” 是一組具有相同屬性值的柵格單元 (或多邊形),77,分區(qū)統(tǒng)計參數(shù)定義,78,生成分區(qū)匯總表和直方圖,基于分區(qū)數(shù)據(jù)對要進行統(tǒng)計的柵格進行計算,79,柵格計算Raster Calculator,概念：cell 與cell之間的代數(shù)計算，分為數(shù)據(jù)計算和函數(shù)計算。 數(shù)學運算主要是針對具有相同輸入單元的兩個或多個柵格數(shù)據(jù)逐網(wǎng)格進行計算的。主要包括三組數(shù)學

19、運算符：算術運算符，布爾運算符和關系運算符。 函數(shù)運算 包括數(shù)學函數(shù)運算和柵格數(shù)據(jù)空間分析函數(shù)運算。數(shù)學函數(shù)主要包括：算術函數(shù)、三角函數(shù)、對數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)。,80,數(shù)學運算,邏輯運算,81,柵格分析,Spatial Analyst 工具欄（需要啟用空間分析擴展模塊） 柵格計算器Raster Calculator,82,柵格分析：基于柵格單元使用數(shù)學方法,Raster Calculator可完成各種地圖代數(shù)運算,83,柵格計算器,柵格查詢 圖層疊加分析,84,柵格數(shù)據(jù)重分類,重分類（Reclassify） 將柵格圖層的數(shù)值進行重新分類組織或者重新解釋。 重分類的關鍵是確定原數(shù)據(jù)到新數(shù)據(jù)之間的對應

20、關系,產(chǎn)生新的柵格圖層 連續(xù)柵格數(shù)據(jù)重分類后轉換為離散柵格數(shù)據(jù),85,柵格分析,更多的功能集成在ArcToolbox中,86,三維分析,創(chuàng)建表面 柵格表面、TIN表面 表面分析 計算表面積與體積 、坡度與坡向的計算、可視性分析 、提取斷面、表面陰影 、表面長度計算 ARCSCENE三維可視化,87,88,89,三維分析,DEM,坡度變率,地形起伏度,地面粗糙度,坡向變率,演示,山體陰影,剖面曲率,平面曲率,90,三維分析,坡向變率,AB(地表面積) 地面粗糙度= AC(投影) =1/cos,91,三維分析可視性分析,地表某點的可視范圍在通信、軍事、房地產(chǎn)等應用領域有著重要的意義。ARCGIS三

21、維分析模塊可以進行沿視覺瞄準線上點與點之間可視性的分析或整個表面上的視線范圍內的可視情況分析。,92,三維可視化,ArcScene是ArcGIS三維分析模塊3D Analyst所提供的一個三維場景工具，它可以更加高效地管理三維GIS數(shù)據(jù)、進行三維分析、創(chuàng)建三維要素以及建立具有三維場景屬性的圖層。,93,三維可視化,94,地統(tǒng)計分析,地統(tǒng)計基本原理 它是以區(qū)域化變量為基礎，借助變異函數(shù)，研究既具有隨機性又具有結構性，或空間相關性和依賴性的自然現(xiàn)象的一門科學。 凡是與空間數(shù)據(jù)的結構性和隨機性，或空間相關性和依賴性，或空間格局與變異有關的研究，并對這些數(shù)據(jù)進行最優(yōu)無偏內插估計，或模擬這些數(shù)據(jù)的離散性

22、、波動性時，皆可應用地統(tǒng)計學的理論與方法。 三個前提條件：隨機性、正態(tài)分布、平穩(wěn)性 數(shù)據(jù)分析 地統(tǒng)計學插值方法,95,地統(tǒng)計分析過程,一個完整的地統(tǒng)計分析過程或者說空間估計過程，一般分為： 獲取原始數(shù)據(jù)，檢查、分析數(shù)據(jù)，找尋數(shù)據(jù)暗含的特點和規(guī)律，比如是否為正態(tài)分布、有沒有趨勢效應、各向異性等等； 然后選擇合適的模型進行表面預測，這其中包括半變異模型的選擇和預測模型的選擇； 最后檢驗模型是否合理或幾種模型進行對比。,96,變異分析,1.協(xié)方差函數(shù) 協(xié)方差又稱半方差，表示兩隨機變量之間的差異。在概率論中，隨機變量X與Y的協(xié)方差定義為： 其中，Z(x)為區(qū)域化隨機變量，并滿足二階平穩(wěn)假設，即隨機變量

23、Z(x)的空間分布規(guī)律不因位移而改變；h為兩樣本點空間分隔距離； 為Z(x)在空間點處的樣本值； 是Z(x)在處距離偏離h的樣本值i=1,2,N(h)；N(h)是分隔距離為h時的樣本點對總數(shù)。,借鑒上式，地統(tǒng)計學中的協(xié)方差函數(shù)可表示為：,97,變異分析,2.半變異函數(shù) 半變異函數(shù)又稱半變差函數(shù)、半變異矩，是地統(tǒng)計分析的特有函數(shù)。區(qū)域化變量Z(x)在點x和x+h處的值Z(x)與Z(x+h)差的方差的一半稱為區(qū)域化變量Z(x)的半變異函數(shù)，記為r(h)，2r(h)稱為變異函數(shù)。 根據(jù)定義有：,區(qū)域化變量Z(x)滿足二階平穩(wěn)假設，因此對于任意的h有：,因此，半變異函數(shù)可改寫為：,98,變異分析,半變異值的變化隨著距離的加大而增加，協(xié)方差隨著距離的加大而減小。這主要是由于半變異函數(shù)和協(xié)方差函數(shù)都是事物空間相關系數(shù)的表現(xiàn)，當兩事物彼此距離較小時，它們應該是相似的，因此協(xié)方差值較大，而半變異值較小；反之，協(xié)方差值較小，而半變異值較大。,3.變異分析,3.變異分析,99,變異分析,4.上圖參數(shù)含義： 塊金值（Nugget）：理論上，當采樣點間的距離為0時，半變異函數(shù)值應為0，但由于存在測量誤差和空間變異，使得兩采樣點非常接近時，它們的半變異函數(shù)值不為