ArcGIS實驗_Ex12_地形指標(biāo)提取

1、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度，也影響著城市規(guī)劃中工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局的各個方面。地形指標(biāo)的提取對水土流失、土地利用、 土地資源評價、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?；?ArcGIS 的地形指標(biāo)的提取，大多均是基于DEM數(shù)據(jù)完成。二、目的通過本實驗， 使讀者加深對各基本地形指標(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

2、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、地面粗糙度等四個基本地形指標(biāo)的柵格圖層。四、數(shù)據(jù)本實驗采用某區(qū)域柵格DEM（）, 是一個區(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)上對地面每一點再求算一次坡度。即坡度之坡度 （ Slope of Slope,簡稱 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于水平面變化的二階導(dǎo)數(shù)。坡度變率在一定程

3、度上可以很好反映剖面曲率信息，其提取方法如下：(1) 激活 DEM主題，選擇 Spatial Analysis Surface Analysis Slope 命令，提取DEM主題的坡度，得到主題 Slope of DEM （圖 1），得到結(jié)果如圖 2所示；圖 1 提取 DEM主題的坡度圖2 坡度數(shù)據(jù)(2)激活主題 Slope of DEM，再對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）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

4、等高線彎曲程度。圖 4 求 DEM 數(shù)據(jù)的坡向圖 5 坡向數(shù)據(jù)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，提取地表局部微小圍坡向的最大變化情況。值得注意的是：SOA在提取過程中在不同的坡面上將會有誤差的產(chǎn)生，即在坡面的南北兩側(cè)，北面坡由于坡向算法將會有誤差產(chǎn)生，所以要對北坡的SOA結(jié)果進(jìn)行糾正，因為從理論上講SOA在地表北坡上將產(chǎn)生誤差，北坡上坡向值圍為0-90 °和270° -360 °， 在正北方向附近，15°和 345°之間坡向差值只是30°，而在計算中卻是差了330

5、°，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：(1)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)；圖 8 計算反地形 DEM數(shù)據(jù)圖 9 反地形 DEM數(shù)據(jù)(2) 基于反地形 DEM數(shù)據(jù)求算坡向值，如圖 10；圖 10 求反地形DEM數(shù)據(jù)的坡向值(3)利用 SOA方法求算反地形的坡向變率，記為率值為 SOA1，如圖 11所示；SOA2，由原始DEM數(shù)據(jù)求算出的坡向變圖11 求算反地形的坡向變率(4) 在Spat

6、ial Analysis 下使用柵格計算器 Calculator ，公式為 SOA (SOA1+SOA2)-Abs(SOA1-SOA2)/ 2，如圖 12，即可求出沒有誤差的DEM的坡向變率，如圖13。圖 12 使用柵格計算器圖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) 對比可見，有誤差的圖上會存在閉合的環(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特定的區(qū)域，最高點海拔高度與最低點海拔高度的差值。它是描述一個區(qū)域地形的一個宏觀性的指標(biāo)。從地形起伏度

7、的定義可以看出，求地形起伏度的值，首先要求出一定圍海拔高度的最大值和最小值，然后，對其求差值即可。求一定圍的最大值和最小值，可以通過用SpatialAnalysis下使用柵格鄰域計算工具Neighborhood Statistics，分別設(shè)置Statistic type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Spatial Analysis下使用柵格鄰域計算工具NeighborhoodStatistics（圖 16）。設(shè)置 Statistic type為最大值，鄰域的類型為矩形（也可以為圓），

8、鄰域的大小為11× 11（這個值也可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行改變），則可得到一個鄰域為11×11 的矩形的最大值層面，記為A；圖16得到鄰域為11× 11 的矩形的最大值層面(2)重復(fù)值層面，記為1、 2，只是把Statistic typeB，如圖 17 所示；值設(shè)置為最小值，即可得到DEM數(shù)據(jù)的最小圖 17 得到鄰域為11× 11 的矩形的最小值層面(3)在 SpatialAnalysis下使用柵格計算器Calculator，公式為 A-B，即可得到一個新層面， 其每個柵格的值是以這個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。圖 18 使用柵

9、格計算器Calculator圖 19 地形起伏度4、地面粗糙度：地面粗糙度是指在一個特定的區(qū)域， 地球表面積與其投影面積之比。 它也是反映地表形態(tài)的一個宏觀指標(biāo)。根據(jù)地面粗糙度的定義，求每個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是一個柵格單元的縱剖面，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：Cos =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 / Cos地面粗糙度的提取步驟如下：(1)激活 DEM主題，選擇SpatialAnalysisSurfaceAnalysisSlope命令，提取 DEM主題的坡度，得到主題Slope of DEM ；(2)激活主題Slope of DEM ，在 Spatial Analysis如圖 20 所示，公式為 :1 / Cos（ Slope