GIS基础软件及操作(五)

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wshunli 1月 14, 2016
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练习五、空间分析的基本操作

空间分析的基本操作

空间分析模块

空间分析是基于地理对象的位置和形态的空间数据的分析技术,其目的在于提取和传输空间信息。空间分析是地理信息系统的主要特征。

空间分析能力(特别是对空间隐含信息的提取和传输能力)是地理信息系统区别与一般信息系统的主要方面,也是评价一个地理信息系统成功与否的一个主要指标。

本章的大部分练习都会用到空间分析扩展模块,要使用“空间分析模块”首先在ArcMap中执行菜单命令【自定义】>【扩展模块】,在扩展模块管理窗口中,勾选【Spatial Analyst】。

然后,在ArcMap工具栏的空白区域点右键,在出现的右键菜单中找到【Spatial Analyst】项,点击该项,在ArcMap中显示空间分析工具栏。

执行“地理处理”工具栏中的菜单命令<环境>-<工作空间>,设定与空间分析操作有关的一些参数。

这里请在“当前工作空间”和“临时工作空间”设定一个工作目录。
因为在空间分析的过程种会产生一些中间结果,当设置了工作目录后,这些中间结果就会保存在指定的路径下。

了解栅格数据

在ArcMap中,新建一个地图文档,加载栅格数据:Slope1,右键点击图层Slope1,查看属性。在图层属性对话框中,点击“源”选项,可以查看此栅格图层的相关属性及统计信息。

打开【Spatial Analyst工具】工具栏,点击图标,查看栅格数据的统计直方图:

新建ArcMap地图文档:加载离散栅格数据:Landuse,右键点击Landuse图层的【打开属性表】。

查看字段“Count”可以看到每种地类所占栅格单元的数目

用任意多边形剪切栅格数据(Extract by Mask)

练习内容:提取出任意多边形内的栅格数据。

在ArcMap中,加载栅格数据Landuse和矢量数据ClipPoly.shp。

在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】>【提取分析】>【按掩膜提取】。

注意观察提取后的结果:

栅格计算是栅格数据空间分析中进行数据处理和分析最为常用的方法,应用非常广泛,能够解决各类问题。

在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】>【地图代数】>【栅格计算器】。

构造表达式:[landuse]*[extract_land1],执行栅格图层Landuse和用以剪切的栅格 extract_land1之间的相乘运算。

得到的结果即是以任意多边形剪切的的Landuse数据。

栅格重分类(Raster Reclassify)

练习内容:将连续栅格数据转换为离散栅格数据。

在ArcMap中,新建地图文档,加载栅格数据Slope1,在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】>【重分类】>【重分类】,打开【重分类】对话框。

将坡度栅格重新分为5类:0 – 8 、8 – 15 、15 – 25 、25 – 35、 35 度以上。

栅格计算-查询符合条件的栅格(Raster Calculator)

练习内容:找出坡度在25度以下的区域。

在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】>【地图代数】>【栅格计算器】,打开【栅格计算器】对话框。

构造表达式 [Slope1]<=25

满足条件的栅格赋值为1,其余的栅格赋值为 0

面积制表(Tabulate Area)

练习内容:计算两个数据集之间交叉制表的区域并输出表。

加载Landuse92栅格图层,在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】>【区域分析】>【面积制表】,打开【面积制表】对话框。

按上图所示,指定分区数据和输入栅格数据。

打开得到的交叉面积数据表,观查其中的记录,理解本操作的意义是什么?

分区统计(Zonal Statistic)

练习内容:汇总另一个数据集区域内的栅格数据值,并将结果输出为统计图表。

在ArcMap中新建地图文档,加载栅格图层r5yield(粮食产区分类图) 、栅格Organic(土壤有机质含量分布图)。

在r5yield 中,根据产量不同分为5个粮食产区:

在ArcToolbox中双击【Spatial
Analyst工具】>【区域分析】>【以表格显示分区统计】,打开【以表格显示分区统计】对话框。

按上图所示指定参数,确认后得到如下一个数据表:

仔细研究上面的数据表,理解本操作的意义是什么?

点击上面数据表中的下拉菜单,执行【创建图】命令。

根据向导提示,设定参数,生成不同粮食产区土壤有机质含量(平均值)的统计图表。

从统计图中可以看出,产量最低区有较低的有机质含量,中产区有机质含量较高。这表明较高的有机质含量会带来较高的产量。最高产量区有机质含量较低可能是其他因素的影响。

缓冲区分析(Buffer)

缓冲区分析(Buffer Analysis),是为了识别某一地理实体对周围地物的影响而在其周围建立的一定宽度的多边形区域。缓冲区分析是用来确定不同地理要素的空间邻近性或接近程度的一种分析方法。

作为GIS的空间分析功能之一,缓冲区分析的应用非常广泛,常用于分析矢量实体的某种属性对周围的影响。例如,城市中工厂排放的废水废气所影响的空间范围,交通噪音污染的空间范围,湖泊对周围耕地的影响,等等。

练习内容:选择目标要素,并构建其线状缓冲区。

步骤1:添加缓冲区向导到菜单中

在ArcMap窗口中,执行菜单命令:【自定义】>【自定义模式】,打开【自定义】对话框,切换到【命令】选项卡。

在【命令】选项卡中,选择【类别】列表框中的【工具】,然后在【命令】列表框中选择【缓冲向导】,按住鼠标左键不放,将其拖动到已经存在的工具栏中。

步骤2:加载街道数据,并设置地图单位

新建地图文档,加载街道图层AIOStreets和城市地籍图层AIOZonecov(地图单位为:米),并将数据框属性中的单位设置为“米”。

步骤3:选择目标街道

执行菜单命令:【选择】>【按属性选择】。在对话框中构造表达式:”STR_NAME”= ‘CYPRESS’,以便从图层AIOStrees中选出名称为CYPRESS的街道。

步骤4:创建目标街道的线状缓冲区

单击缓冲图标,打开【缓冲向导】对话框:

如下图所示,通过缓冲区向导,建立了所选择街道“CYPRESS”的50米缓冲区(一个新的多边形图层)。

空间关系查询(Select by Location)

练习内容:在上一步的基础上进行,找出与街道“CYPRESS”的50米缓冲区相交的地块。

执行菜单命令:【选择】>【按位置选择】,打开【按位置选择】对话框。

从而得到与街道“CYPRESS”的50米缓冲区相交的所有地块,如下图所示。

采样数据的空间内插(Interpolate)

空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面,以便与其它空间现象的分布模式进行比较,它包括了空间内插和外推两种算法。空间内插算法是通过已知点的数据,推求同一区域其它未知点的数据;空间外推算法则是通过已知区域的数据,推求其它区域的数据。

练习内容:通过空间内插的方法,将点上的数据扩展到连续的空间上,得到气温空间分布图。

实验数据:气温.shp 中有两个字段
Y01和Y02,分别记录的是16个气象观测站在2001年和2002年的年平均气温。YNBoundary.shp是云南省边界图。

新建地图文档,加载图层气温.shp和YNBoundary.shp。在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】>【插值】>【样条函数法】,打开【样条函数法】对话框,按下图所示指定参数。

确定后,得到如下的气温空间分布图(通过修改图例得到相同的效果)。类似地,可生成2002年的平均气温空间分布图。

2001年

2002年

空间内插后的年平均气温图(样条函数法)

在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】>【插值】>【反距离权重法】,打开【反距离权重法】对话框,通过设置相关选项和参数,重新进行空间插值,可生成反距离权重法插值后的年平均气温空间分布图:

2001年

2002年

空间内插后的年平均气温图(反距离权重法)

栅格单元统计(Cell Statistics)

练习内容:在上一步的基础上,根据2001年和2002年的年平均气温得到多年平均气温空间分布图。

在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】>【局部】>【像元统计数据】,打开【像元统计数据】对话框,按下图所示指定参数。


空间内插后的2001、2002年平均气温图

邻域统计(Neighborhood)

邻域分析也称为窗口分析,主要应用于栅格数据模型。地理要素在空间上存在着一定的关联性,对于栅格数据所描述的某项地学要素,其中的(i,
j)栅格往往会影响其周围栅格的属性特征。准确而有效地反映这种事物空间上联系的特点,是计算机地学分析的重要任务。窗口分析是指对于栅格数据系统中的一个、多个栅格点或全部数据,开辟一个有固定分析半径的分析窗口,并在该窗口内进行诸如极值、均值等一系列统计计算,从而实现栅格数据有效的水平方向扩展分析。

支持的几种分析窗口类型:

ArcMap中,邻域统计功能所支持的各类算子包括:

  • 多数(Majority)
  • 最大值(Maximum )
  • 均值(Mean )
  • 中值(Median )
  • 最小值(Minimum )
  • 少数(Mirity )
  • 范围(Range )
  • 标准差(Standard Deviation )
  • 总数(Sum )
  • 变异度(Variety )
  • 高通量(High Pass )
  • 低通量(Low Pass )
  • 焦点流(Focal Flow)

原始栅格 (总数Sum) 邻域统计栅格

练习内容:

在ArcMap中新建地图文档,加载栅格数据:emidalat,
打开“空间分析”工具栏,执行“邻域统计”命令,按如下所示指定参数,

在ArcToolbox中双击【Spatial
Analyst工具】>【邻域分析】>【块统计】,打开【块统计】对话框,按下图所示指定参数。

将得到一个经过邻域运算操作后的栅格BlockSt_emid1,这是以3×3的格网,对emidalat
栅格中的单元运用“均值”(Mean)算子进行邻域运算后得到的结果。

通过设置图例,使图层BlockSt_emid1和emidalat
有如下的效果,将地图适当放大,并在图层控制面板中通过交替打开和关闭图层BlockSt_emid1的操作,观察BlockSt_emid1和原始栅格间的差别。

原始栅格

邻域统计后的栅格

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