空間分析實(shí)驗(yàn)

1、空間分析實(shí)例實(shí)驗(yàn)一、山頂點(diǎn)的提取應(yīng)用柵格數(shù)據(jù)空間分析模塊中的等高線提取功能，分別提取等高距為 15 米和75 米的等高線圖，并按標(biāo)準(zhǔn)地形圖繪制等高線方法繪制等高線，作為山頂點(diǎn)提取的地形背景通過(guò)鄰域分析和柵格計(jì)算器提取山頂點(diǎn)（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：“F:2012_work國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)中心國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)中心培訓(xùn)空間分析表面分析”）操作步驟：1、 加載Spatial Analyst 模塊和DEM 數(shù)據(jù)2、單擊ArcToobox，彈出ArcTooblox窗口，點(diǎn)擊Spatical Analyst->表面分析->等值線，提取等高距為 15 米的等高線數(shù)據(jù)，輸出圖層為Contour_dem15：3、同上，修

2、改Contour interval 為75 米，提取等高距為75 米的等高線，輸出文件名為Contour_dem75。修改圖例顏色以區(qū)別等高線顯示效果，單擊contour15 數(shù)據(jù)層線狀圖例，彈出symbol selector對(duì)話框，選擇顯示顏色為灰度60（可任意選擇），并點(diǎn)擊ok。4、點(diǎn)擊Spatical Analyst->表面分析->山體陰影，設(shè)置輸出文件名為Hillshade，其他參數(shù)取默認(rèn)值，提取該地區(qū)光照暈渲圖，作為等高線三維背景。5、點(diǎn)擊Spatical Analyst->地圖代數(shù)->柵格計(jì)算器，輸入計(jì)算公式：DEM>=0，輸出柵格為back，單擊ok

3、。提取有效數(shù)據(jù)區(qū)域，作為等高線三維背景掩膜。雙擊 back 數(shù)據(jù)層，在彈出的屬性對(duì)話框的“顯示”屬性頁(yè)設(shè)置透明度為60，在“符號(hào)化”屬性框中設(shè)置其顯示顏色為Gray50，單擊ok6、按contour_dem75、contour_dem15、back、Hillsha_dem 次序放置數(shù)據(jù)層，生成三維立體等高線圖，如下：7、點(diǎn)擊Spatical Analyst->鄰域分析->焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，設(shè)置參數(shù)如下，單擊ok，提取11×11 分析窗口最大值。8、點(diǎn)擊Spatical Analyst->地圖代數(shù)->柵格計(jì)算器，輸入計(jì)算公式："maxpoint" -

4、 "dem" = 0，輸出柵格為“SD”，提取山頂點(diǎn)區(qū)域。9、點(diǎn)擊Spatical Analyst->重分類(lèi)->重分類(lèi)，對(duì)SD數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類(lèi)，設(shè)置如下，提取值為1的數(shù)據(jù)，其他值設(shè)為NoData，輸出柵格為SD1；10、選擇SD1 數(shù)據(jù)層，點(diǎn)擊轉(zhuǎn)換工具>由柵格轉(zhuǎn)出>柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)，參數(shù)設(shè)置如下，則可輸出矢量山頂點(diǎn)數(shù)據(jù)PickPeaker。符號(hào)化顯示如下：三角形就是提取的山體頂點(diǎn)實(shí)驗(yàn)二、水系提取從DEM 中自動(dòng)提取自然水系的算法過(guò)程：依據(jù)水總是沿斜坡最陡方向流動(dòng)的原理, 確定DEM 中每一個(gè)高程數(shù)據(jù)點(diǎn)的水流方向；然后根據(jù)高程數(shù)據(jù)點(diǎn)的水流方向數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算每一個(gè)高程

5、數(shù)據(jù)點(diǎn)的上游給水區(qū), 再根據(jù)上游給水區(qū)高程數(shù)據(jù), 用閾值法確定屬于水系的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)；最后, 根據(jù)水流方向數(shù)據(jù), 從水系源頭開(kāi)始, 將整個(gè)水系追索出來(lái)。（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：“F:2012_work國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)中心國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)中心培訓(xùn)空間分析水文分析”）操作步驟：1、無(wú)洼地DEM 生成DEM 是比較光滑的地形表面模型，但由于DEM 誤差以及一些真實(shí)地形或特殊地形的影響，使得DEM 表面存在一些凹陷的區(qū)域。在進(jìn)行水流方向計(jì)算時(shí)，由于這些區(qū)域的存在，往往得到不合理的甚至錯(cuò)誤的水流方向。因此，在進(jìn)行水流方向的計(jì)算之前，應(yīng)該首先對(duì)原始DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充，得到無(wú)洼地的DEM。洼地填充的基本過(guò)程是先利用水流方向

6、數(shù)據(jù)計(jì)算出 DEM 數(shù)據(jù)中的洼地區(qū)域，并計(jì)算洼地深度，然后依據(jù)這些洼地深度設(shè)定填充閾值進(jìn)行洼地填充。1.1 水流方向提取水流的流向是通過(guò)計(jì)算中心格網(wǎng)與鄰域格網(wǎng)的最大距離權(quán)落差來(lái)確定。對(duì)于每一格網(wǎng)。水流方向指水流離開(kāi)此網(wǎng)格的指向。在ARCGIS 中，通過(guò)對(duì)中心柵格的1、2、4、8、16、32、64、128 等8個(gè)鄰域柵格編碼，中心柵格的水流方向便可有其中的某一值來(lái)確定。例如，若中心柵格的水流流向左邊，則水流方向賦值16。啟動(dòng) ArcToolbox，應(yīng)用水文分析模塊(Hydrology) 下的流向確定(Flow Direction ) 命令,生成8方向水流流向圖： 水流方向圖1.2 洼地計(jì)算洼地區(qū)

7、域是水流方向不合理的地方，可以通過(guò)水流方向來(lái)判斷哪些地方是洼地，并進(jìn)行填充。但是，并非所有的洼地區(qū)域都是由于數(shù)據(jù)的誤差造成的，有很多洼地是地表形態(tài)的真實(shí)反映。因此在進(jìn)行洼地填充之前，必須計(jì)算洼地深度，判斷哪些地區(qū)是由于數(shù)據(jù)誤差造成的，而哪些地區(qū)又是真實(shí)的地表形態(tài)。然后，在洼地填充時(shí)，設(shè)置合理的填充閾值。基本過(guò)程先分別雙擊水文工具集中的匯（Sink）、分水嶺（Watershed）工具計(jì)算出洼地區(qū)域圖、洼地貢獻(xiàn)區(qū)域圖，打開(kāi)Spatial Analyst工具箱中的“區(qū)域分析”工具集，分別利用“分區(qū)統(tǒng)計(jì)”、“區(qū)域填充”工具計(jì)算每個(gè)洼地所形成的貢獻(xiàn)區(qū)域的最低高程，及計(jì)算每個(gè)洼地貢獻(xiàn)區(qū)域出口的最低高程，然

8、后在柵格計(jì)算器中輸入公式zonalmax-zonalmin，輸出柵格sinkdep，計(jì)算出洼地深度圖。（1） 洼地提取根據(jù)“匯”工具把水流方向圖洼地區(qū)域，輸出匯柵格為Sink。 洼地區(qū)域圖（2）洼地深度計(jì)算A.計(jì)算洼地的貢獻(xiàn)區(qū)域（通過(guò)分水嶺生成洼地貢獻(xiàn)區(qū)域圖）洼地共享區(qū)域圖B.計(jì)算每個(gè)洼地所形成的貢獻(xiàn)區(qū)域的最低高程（Zonalmin）每個(gè)洼地所形成的貢獻(xiàn)區(qū)域的最低高程圖C.計(jì)算每個(gè)洼地貢獻(xiàn)區(qū)域出水口的最低高程即洼地水口高程（Zonalmax）每個(gè)洼地貢獻(xiàn)區(qū)域出口的最低高程圖D.計(jì)算洼地深度，進(jìn)行地圖柵格計(jì)算，公式為Zonalmax-Zonalmin，輸出柵格為sinkdep。洼地深度圖1.3

9、洼地填充經(jīng)過(guò)洼地提取后，可以確定原始 DEM 上是否存在洼地，若有洼地，須進(jìn)行填充。而洼地深度的計(jì)算為填充閾值的設(shè)置提供了依據(jù)，系統(tǒng)默認(rèn)條件下是不設(shè)閾值，即所有的洼地區(qū)域都將被填平。參考洼地深度圖，結(jié)合小流域的實(shí)際地形，不斷調(diào)試將閾值設(shè)為2500。方法是雙擊水文分析工具集中的填洼（FILL）工具，選擇需要進(jìn)行洼地填充的原始DEM數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)洼地填充生成的無(wú)洼地DEM。經(jīng)洼地填充生成的無(wú)洼地DEM2、匯流累積量計(jì)算在地表徑流模擬過(guò)程中，匯流累積量是基于水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算得到的。首先基于無(wú)洼地DEM 生成水流方向圖，利用該數(shù)據(jù)，雙擊水文分析工具集中的流量（Fill Accumulation）工具計(jì)算出

10、匯流累積量數(shù)據(jù)。（1） 基于無(wú)洼地DEM生成水流方向圖無(wú)洼地DEM 水流方向圖（2） 基于無(wú)洼地DEM計(jì)算匯流累積量數(shù)據(jù)匯流累積量圖3、水流長(zhǎng)度計(jì)算水流長(zhǎng)度指地面上一點(diǎn)沿水流方向到流向起點(diǎn)（或終點(diǎn)）間的最大地面距離在水平面上的投影長(zhǎng)度。它分為順流計(jì)算及溯流計(jì)算兩種，可通過(guò)雙擊水文分析工具集中的水流長(zhǎng)度（Flow Length）工具實(shí)現(xiàn)，其中計(jì)算方向分別選擇順流計(jì)算Downstream 或溯流計(jì)算Upstream。水流長(zhǎng)度的提取和分析在水文學(xué)或水土保持工作中均具有很重要意義，因?yàn)樗鏖L(zhǎng)度直接影響地面徑流的速度，進(jìn)而影響地面土壤的侵蝕力。(1) 順流計(jì)算的水流長(zhǎng)度，點(diǎn)擊空間分析->水文分析-

11、>水流長(zhǎng)度，選擇順流方向（DOWNSTREAM）順流計(jì)算出的水流長(zhǎng)度圖(2) 溯流計(jì)算的水流長(zhǎng)度，同上方法選擇逆流方向（UPSTREAM）溯流計(jì)算出的水流長(zhǎng)度圖4、河網(wǎng)的提取目前河網(wǎng)提取方法主要采用地表徑流漫流模型。假設(shè)每一個(gè)柵格攜帶一份水流，那么柵格的匯流累積量就代表該柵格的水流量。因而，當(dāng)匯流量達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生地表水流，所有匯流量大于臨界值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是河網(wǎng)。4.1、河網(wǎng)的生成河網(wǎng)的生成基于匯流累積量數(shù)據(jù)，利用空間分析->地圖代數(shù)->柵格計(jì)算器中的Con 命令進(jìn)行有條件地查詢(xún)可以得到，分別將閾值設(shè)為100 及1000。(1)

12、 生成閾值為100 的河網(wǎng)生成的streamnet100如下圖柵格河網(wǎng)（閾值為100）以上操作也可以利用柵格計(jì)算器的運(yùn)算，以閾值設(shè)為1000 為例：柵格河網(wǎng)（閾值為1000）（2）柵格河網(wǎng)矢量化通過(guò)柵格河網(wǎng)矢量化矢量河網(wǎng)4.2、Stream Link 的生成Stream Link 記錄河網(wǎng)中結(jié)點(diǎn)之間的連接信息，它主要是記錄河網(wǎng)的結(jié)構(gòu)信息，其中每一條弧段連接著兩個(gè)作為出水點(diǎn)或匯合點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)。Stream Link 的生成可以通過(guò)雙擊水文分析工具集中的河流鏈接（Stream Link）工具實(shí)現(xiàn)，其屬性表中記錄著每個(gè)片段所包含的柵格個(gè)數(shù)信息。Stream Link 示意圖及屬性表4.3 河網(wǎng)分級(jí)不同級(jí)

13、別的河網(wǎng)所代表的匯流累積量不同，級(jí)別越高，匯流累積量越大，一般是主流，而級(jí)別較低的河網(wǎng)一般則是支流。點(diǎn)擊水文分析工具集的Stream Order 工具，可提供兩種常用的河網(wǎng)分級(jí)方法：Strahler 分級(jí)和Shreve 分級(jí)。（1） 河網(wǎng)Strahler 分級(jí)河網(wǎng)Strahler 分級(jí)結(jié)果圖（2） 河網(wǎng)Shreve 分級(jí)河網(wǎng)Shreve 分級(jí)結(jié)果圖5、 流域的分割流域（watershed）又稱(chēng)集水區(qū)域，是指流經(jīng)其中的水流和其他物質(zhì)從一個(gè)公共的出水口排出從而形成的一個(gè)集中的排水區(qū)域。流域可以通過(guò)流域盆地（basin）、集水盆地（catchment）來(lái)描述。5.1、流域盆地的確定流域盆地是由分水嶺分割而成的匯水區(qū)域，可利用水流方向確定出所相互連接并處于同一流域盆地的柵格區(qū)域。點(diǎn)擊水文分析工具集中的盆域分析工具可以計(jì)算出流域盆地圖。流域盆地圖5.2、集水流域的生成除用流域盆地來(lái)描述外，在水文分析中，經(jīng)?；诟〉牧饔騿卧M(jìn)行分析，首先通過(guò)水文分析工具集中的捕捉傾瀉點(diǎn)（Snap Pour Point）工具尋找小級(jí)別流域的出水口位置，然后結(jié)合水流方向，點(diǎn)擊水文分析工具集中的分水嶺（Watershed）工具，分