ArcView空间分析基本功能.docx

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ArcView空间分析基本功能

ArcView空间分析基本功能

如前所述，Arcview空间分析模块SpatialAnalyst具有强大而完备的能力分析数据的空间关系和解决空间问题。

本章介绍了SpatialAnalyst提供的基本空间分析功能和命令，并以实例说明SpatialAnalyst能够完成的任务、解决的问题类型及解决问题的方式等。

第一节距离制图功能

距离制图功能计算了主题中每个栅格与距其最近的要素之间的距离，这些要素可以是点、线、多边形或其它的有效数据。

例如：

一口井，一片零售店等。

输出的栅格数据表示了每一个栅格距最近要素之间的欧几里德（Euclidean）距离，即两点之间的直线距离。

距离制图主要包括测定距离（FindDistance）和邻近制图（Proximitymapping）两个功能。

一、测定距离Finddistance

计算每个栅格与最近要素之间的距离并按远近分级。

应用输出的距离数据可以产生缓冲区或找到在某要素一定范围内的其它要素。

它的应用可例举如下：

●水源污染影响度分析

●为紧急医疗救护找到最近的医院

●为失火建筑找到距其500米范围内所有的消防水管等。

例如：

对一个地区的水源污染状况做分析：

1．建立一个新的视图。

2．添加水源（例如：

水井）分布的点主题wells.shp。

3．在【Analysis】菜单中选择【Findmapping】命令。

4．显示并激活由wells.shp产生的新栅格主题，Distancetowells.shp（如图10-1）。

5．双击左边的图例，在弹出的LegendEditor对话框中可重新调整分级。

新的栅格主题显示了区域内每个栅格距最近的水井的距离，其中浅色的栅格距各个井的距离最近，对水源的影响最大；深色的栅格距各个井的距离最远，影响最小。

在本例中认为距各个水井1000米以内的区域对水质的影响和污染最大，因此，在【Analysis】菜单中选择【MapQuery】工具可将距各个水井1000米以内的区域提出作为缓冲区进行分析（如图10-2）。

二、邻近制图Proximitymapping

将所有栅格分配给距它最近的要素（最近要素由欧几里德距离来测定），根据要素的特征值确定每一个要素的覆盖范围。

在输出的Proximitymapping栅格数据中，每个栅格值即距其最近的要素的特征值。

Proximitymapping数据可用来确定分配给每个要素的空间大小。

其应用可例举如下：

●为销售员绘制工作区域图。

●在城市防火系统中确定每个消防水管的服务范围。

●确定一组电话交换塔的客户服务范围等。

在下面的城市防火系统中，利用Proximitymapping确定每个消防水管的服务范围的步骤如下：

1．在视图目录表中激活消防水管的点主题firehydrants.shp。

2．

图10-2提取距水井1000米范围内的缓冲区

图10-1水井距离制图

在【Analysis】菜单中选择【AssignProximity】。

3．在出现的ProximityField对话框中，选择Proximitymapping的字段（如图10-3），单击OK。

4．生成新的栅格数据Proximitytofirehydrants.shp（如图10-4）。

第二节密度功能

一、密度功能DensityFunction

主要根据输入的点要素的分布，计算整个区域的数据分布状况，从而产生一个连续的表面。

它的主要应用有：

●制作人口密度图。

●计算城镇密度分布状况。

●根据河流交叉口的分布制作河网密度图。

图10-4每个消防水管的服务区域显示

图10-3ProximityField对话框

例如：

制作一个地区的人口密度图：

1．创建一个新的空的视图。

2．添加各居民点人口数主题Population.shp（在本例中，每个居民点位置被定位于居住区域的中心点）。

3．在【View】菜单中选择【Properties】命令,出现ViewProperties对话框，从MapUnits和DistancesUnits列表中选择地图单位和距离单位（如图10-5）。

4．在【Analysis】菜单中选择【Calculatedensity】命令。

在弹出的OutputGridSpecification对话框中设定输出主题的范围、栅格单元大小及行列数。

接着出现的CalculateDensity对话框（如图10-6），在PopulationField列表中选择计算密度的字段，本例中选择pop（人口数）；在SearchRadius填写框中输入搜索半径值。

搜索半

图10-5ViewProperties对话框

径决定了以每个栅格为中心搜索居民点的距离。

在DensityType列表中选择计算密度的方法。

在Arcview中计算密度的方法有两种：

Simple-Density：

每个栅格的包含的人口数等于在以每个栅格为中心的搜索半径内的所有居民点的人口数的和除以搜索范围的面积。

Kernel–Density：

方法与Simple相同，但以每个居民点为中心。

在AreaUnit列表中选择面积单位。

若事先没有设定输出主题的地图单位，在AreaUnit列表中只有SquareMapUnits一项可以选择。

若已确定了地图单位,则在AreaUnit列表中就有多项面积单位可以选择。

例如：

SquareMiles（平方英里），SquareKilometers（平方公里），Acres（英亩），Hectares（公顷），SquareYards（平方码），Squarefeet（平方英尺），SquareInches（平方英寸），SquareMeters（平方米），SquareCentimeters（平方厘米），SquareMillimeters（平方毫米）等。

图10-6Calculatedensity对话框

5．然后单击OK，就会输出本区域的人口密度图DensityfromPopulation.shp（如图10-7）。

第三节表面功能SurfaceFunctions

图10-7采用Kernel方法制作的人口密度图

Surfacefunctions是采用抽象的表面（Surface）来表示连续分布的空间现象,表面中的每一个栅格的值表示为Z=f（X,Y），Z值可以是高程值、浓度值或应用领域的其它量值，例如：

污染、噪音等。

在表面中，每个栅格的值是该单元中心点的值，而在同一栅格中其它位置的值则可以由该栅格中心点和相邻栅格中心点的值内插算出。

在Arcview中，有两种类型的SurfaceFunction：

一种是创建表面SurfaceInterpolators,通过输入的样点数据产生一个连续的表面，主要的内插方法有：

权重距离递减（InverseDistanceWeighted），样条函数内插（Spline），Kriging内插和趋势面内插（Trend）。

另一种是表面分析Surface-analysis，主要对连续的栅格数据进行计算，从而对表面采用不同的表示法或提取在原表面中不太明显的模式。

权重距离递减（InverseDistanceWeighted）：

该方法假设每个采样点有一个局部影响，此影响随着采样点到要素距离的增大而减少，距要素较近的点具有相对较大的权重。

例如：

分析某一零售商店的对消费者购买力的影响，居住较远的人们购买力受到的影响较小，因为人们更愿意在家的附近购物。

样条函数内插（Spline）：

此方法的用途非常广泛，通过所有的采样点建立一个数学函数，从而产生一个曲率最小的表面。

此方法适合于内插变化平缓的表面，如：

高程、地下水位高度、污染浓度等。

Kriging内插：

这是一种专用的内插方法，它假定采样点之间的距离或方向表现出一定的空间相关性，这种相关性将有助于描述表面。

Kriging内插通过对一定数量或一定半径内的所有点满足一个数学函数来确定某个输出点的值。

如果知道数据的空间相关距离和方向的偏移量时，最适合使用此种方法。

它经常用于土壤学和地质学。

趋势面内插（Trend）：

该算法对所有的采样点，建立一个特定次数的多项式的数学函数，在计算此函数产生结果表面时，Trend采用最小二乘法进行拟合，从而使结果表面与采样点值之间的差异最小化，即所有输入样点的实际值与估计值之差的平方和越小越好。

一、创建表面Surface-createFunctions

根据采样点数据的分布，用内插的方法产生整个研究区域内每个点（栅格）的数据，形成一个连续的表面。

样点可以是随机采集或规律分布的空间数据，例如：

高度、浓度或其他的量值。

它的主要应用可例举如下：

●根据样点值，产生某农业区农作物产量分布图，土壤有机质含量分布图、氮、磷、钾含量分布图，从而分析农作物产量与土壤肥力的关系。

●根据森林有机质量含量样点值，生成森林有机质含量分布图。

●通过地下水位高度样点值，制作一个城市的地下水位分布图。

例如：

制作某农业区的土壤有机质含量分布图。

1．

图10-8土壤样点主题

在视图目录表中添加并激活土壤采样点主题soilsamp.shp（如图10-8）。

2．从【Surface】菜单中选择【InterpolateGrid】命令。

3．在出现的OutputGridSpecification对话框中设定输出主题的范围、栅格单元大小及栅格行、列数。

4．接下来出现的InterpolateSurface对话框中，从Method列表中选择Spline（注意：

在菜单中只有IDW和Spline两种内插方法可以选择）。

在ZValueField列表中选择organicmatter（土壤有机质）字段，单击OK。

5．生成新的栅格主题SurfacefromSoilsamp.shp（如图10-9）。

输出的栅格主题是对实际的土壤有机质含量分布状况的最佳估计。

根据现象以及样点的分布状况可以选择不同的内插方法创建表面。

但是，无论采用那种内插方法，采样区域越大，采样点越多，生成的表面精度越高。

图10-9内插的土壤有机质含量分布图

二、表面分析Surface-analysisFunctions

对现有的表面进行一些特定的运算，生成新的数据和识别模式，从而提取更多的信息。

Surface-analysisFunctions应用非常广泛，例如：

在高程栅格数据的基础上，可直接提取坡向、坡度、等高线等地形分析因子。

坡向Aspect

坡向定义为坡面法线在水平面上的投影与正北方向的夹角。

在Arcview中Aspect表示每个栅格与它相邻的栅格之间沿坡面向下最陡的方向。

在输出的坡向数据中，坡向值有如下规定：

正北方向为0度，正东方向为90度，以次类推。

例如：

它的应用有：

●在一个区域内提取所有朝北的坡面，为房地产建设选址提供最佳位置。

●计算研究区域内的每一点的太阳光照量，从而测定每一点的生物量。

坡向可在数字高程模型Dem或TIN数据的基础上提取。

在Dem基础上提取坡向的步骤如下：

1．在视图目录表中添加dem并激活它。

2．从【Surface】菜单中选择【DeriveAspect】命令。

3．显示并激活生成的坡向主题AspectofDem（如图10-10）。

在Dem或TIN的面主题中坡度为0°（平地）的栅格在输出的坡向主题中被赋值为-1，如果围绕中心栅格的任何相邻栅格是NoData数据，它们将被赋予中心栅格的值，然后计算坡向。

在坡向主题的图例中表示了八种主要方向，例如：

东[67.5-112.5°],东南[112.5-157.5]。

图10-10提取坡向

坡度Slope

地面上某点的坡度表示了地表面在该点的倾斜程度，坡度定义为水平面与地形面之间夹角的正切值。

在Arcview中Slope确定了中心栅格与四周相邻栅格高程值的最大变化率。

在输出的坡度数据中，坡度有两种计算方式。

●坡度（degreeofslope）：

既水平面与地形面之间夹角的正切值。

●

图10-11坡度的两种计算方法

坡度百分比（percentslope）：

既高程增量（rise）与水平增量（run）之比的百分数（如图10-11）。

坡度与坡向的计算通常在3×3的Dem栅格窗口（如图10-12）中进行，对3×3栅格的高程值采用一个几何平面来拟合，中心栅格e的坡向即此平面的方向，其坡度值采用平均最大值方法（Burrough,P.A.,1986）来计算。

窗口在Dem数据矩阵中连续移动后完成整个区域的计算工作。

图10-123×3的窗口计算中心栅格的坡度

在3×3的Dem栅格窗口中，如果中心栅格是NoData数据,则此栅格的坡度值也是NoData数据；如果相邻的任何栅格是NoData数据，它们被赋予中心栅格的值再计算坡度值。

坡度值的范围是0—90°。

坡度的应用非常广泛，例如：

●根据坡度起伏变化，确定崩塌、泥石流区域或严重的土壤侵蚀区，作为灾害防治与

水土保持工作的基础。

●提取平坦区域，为大型商业中心或房屋建筑选址。

坡度可在Dem或TIN的基础上提取。

若采用TIN数据提取坡度，首先应在OutputGridSpecification对话框（如图10-13）中确定输出坡度栅格的范围、栅格单元的大小及栅格的行、列数。

采用Dem数据提取坡度的步骤如下：

图10-13OutputGridSpecification对话框

1．添加Dem数据并激活它。

2．从【Surface】菜单中选择【DeriveSlope】命令。

3．生成新的坡度主题slopeofDem。

4．双击左边的图例，在弹出的LegendEditor对话框中可重新调整坡度分级（如图10-14）。

等值线Contours

在Arcview中Contours功能生成一个新的线主题，每条线表示了具有相同高度、数量或者浓度的连续的位置的集合。

生成的等值线经过平滑处理，真实地再现了表面等值线。

采用Contours可以提取等高线、等温线、等降水量线等等，最常用的是在Dem或TIN数据的基础上生成等高线。

等高线是地面上高程相同的各点连成的闭合曲线。

根据等高线图形，可以判读地貌形态特征，量算各点的高程、坡向和坡度。

生成等高线的步骤如下：

1．在视图目录表中添加dem并激活它。

2．从【Surface】菜单中选择【CreateContours】命令。

图10-14提取坡度

3．在出现的ContoursParameters对话框（如图10-15）中输入等高距Contourinterval和基础等高线的值BaseContours。

4．生成等高线主题ContoursofDem（如图10-16）。

图10-16提取等高线

采用工具条上的等值线工具

可以生成单根的等值线，其步骤如下：

1．激活Dem，单激

按钮。

图10-17提取单根等高线

2．在Dem中点击选定的位置，视图上即描绘出一条通过所选点位代表所选点值大小的等高线，其高程值显示在窗口的左下角的状态栏中（如图10-17）。

创建一个新的线主题，可直接在其上生成等值线，其步骤如下：

1．从【View】菜单中选择【NewTheme】命令。

2．在NewTheme对话框中选择Line为FeatureType，创建一个线主题contour.shp。

3．激活提取等高线的Dem或TIN主题。

4．单激

按钮，在Dem或TIN中点击选定的位置，即描绘出一条等高线（如图9-18）。

提取的等高线位于新的线主题contour.shp中，同时它的属性表中添加一个字段contour记录其高程值。

如果要停止提取等高线，激活新的线主题，从【Theme】菜单中选择【StopEditing】命令,当被提示保存与否时，单击Yes即可保存属性信息。

山体阴影Hillshade

分析或模拟地面的光照情况，产生地形表面的阴影图。

Hillshade可测定研究区域中给定位置的太阳光强度和光照时间，并且对实际地面进行逼真的立体显示，增强地面的起伏感。

它的应用有：

●对地形起伏进行生动的表示，从而显示不同土地利用类型在地形上的分布情况。

●研究阳光的照射位置与公路上发生的车祸事件发生率之间的相关性。

Hillshade采用Dem或TIN数据计算，在Dem基础上计算Hillshade的步骤如下：

1．在视图目录表中激活dem。

2．从【Surface】菜单中选择【ComputeHillshade】命令。

3．在ComputeHillshade对话框（如图10-19）中，输入计算Hillshade的参数值。

●

方位角Azimuth：

确定太阳光入射的方向，以正北方向为0°，顺时针方向旋转，方位角的取值范围为0-360°。

●

图10-19ComputeHillshade对话框

太阳高度角（太阳光线与水平面的交角）Altitude：

0°为水平线，90°为头顶垂直方向，太阳高度角的取值范围为0-90°。

4．生成山体阴影主题HillshadeofDem（如图10-20）。

除了地形表面，各种以栅格或TIN表示的要素均可以采用Hillshade生动表示，通过改变方位角和太阳高度角可以得到不同的表示效果。

第四节可视性分析Visibility

可视性分析实质上属于对地形进行最优化处理的范畴。

例如：

设置雷达站、电视台的发射站、道路选择、航海导航等，在军事上如布设阵地（炮兵阵地、电子对抗阵地）、设置观察哨所、铺架通信线路等。

Visibilityfunction有两种类型：

一种是通视性分析Lineofsight，通过此功能可以显示两点之间的通视情况，从而判断从一个观察点是否可以看到目标物，回答了“从这里我可以看到它吗？

”的问题。

另一种是可视区分析ViewshedAnalysis，确定了从一个或多个观

图10-20生成山体阴影图

察点可以观测到的区域。

回答了“从这里我可以看到什么？

”的问题。

判断两点之间的通视性的算法有两种：

比较常见的一种算法基本思路如下：

①确定过观察点和目标点所在的线段与XY平面垂直的平面S；

②求出地形模型中与S相交的所有边；

③判断相交的边是否位于观察点和目标点所在的线段之上，如果有一条边在其上，则观察点和目标点不可视。

另一种算法是“射线追踪法”。

这种算法的基本思想是对于给定的观察点V和某个观察方向，从观察点V开始沿着观察方向计算地形模型中与射线相交的第一个面元，如果这个面元存在，则不再计算。

这种方法既可用于判断两点相互间是否可视，又可以用于限定区域的水平可视计算。

以上两种算法对于基于栅格的地形模型和基于TIN模型的通视性分析都适用。

对于线状地物和面装地物，则需要确定通视部分和不通视部分的边界。

一、通视性分析LineofSight

在Arcview中，进行通视性分析有两个具体操作

第一种操作：

例如：

分析某区域内S与P两点间的通视情况（如图10-21）。

1．创建一个新的空视图。

2．添加Dem或TIN主题作为通视性分析的地形表面并激活它。

3．从工具栏选择Lineofsight工具

。

4．在出现的LineofSight对话框中输入观察者Observer与目标物Target距地面的距离（如图10-22），单击OK。

5．

按住鼠标左键，屏幕上将会出现十字光标，将光标从观察点S移向目标点P，然后释放光标。

在观察点到目标点之间将会出现一条视线，其中可视的部分为浅色，不可视的部分为深色。

并且，在Arcview窗口底部的状态栏显示了从观察点到目标点是否可视。

若不可视，在视线上将会用圆点表示第一个障碍物的位置，它的xy坐标将会在状态栏显示（如图10-23）。

图10-22Lineofsight对话框

第二种操作：

1．从【File】菜单中选择【Extensions】命令。

2．

图10-24添加VisibilityTools

在Extensions的对话框中选择VisibilityTools选项（如图10-24）。

3．在Arcview工具条中出现Lineofsight工具

。

4．

图10-25AvailableGrids对话框

选择此工具，在AvailableGrids对话框中选择栅格主题，例如：

Dem作为通视性分析的地形表面（如图10-25）。

5．在出现的SetVisibilityParameters对话框中输入观察者与目标物距地面的距离。

单击OK。

6．按住鼠标左键，将光标从观察点A移向目标点A′，然后释放光标。

在观察点到目标点之间将会出现一条视线，其中可视的部分为浅色，不可视的部分为深色（如图10-26）。

同时，Arcview

会自动绘出A—A′两点间的通视剖面图（如图10-27）。

可视区分析可基于Dem数据或TIN数据进行。

基于规则格网DEM的算法在GlS分析中应用较广。

在规则格网DEM中，可视区经常是以离散的形式表示，即将每个格网点表示为可视或不可视，这就是所谓的“可视矩阵”。

计算基于规则格网DEM的可视域，简单的方法就是沿着视线的方向，从视点开始到目标格网点，计算与视线相交的格网单元（边或面），判断相交的格网单元是否可视，从而确定视点与目标视点之间是否可视。

基于TIN地形模型的可视区计算一般通过计算地形中单个的三角形面元可视的部分来实现。

二、可视区分析ViewshedAnalysis

基于Dem的可视区分析的具体操作如下：

1．在视图目录表中添加Dem作为可视区分析的地形表面。

2．创建或添加一个点主题point.shp包含观测点。

3．同时激活Dem和point.shp主题。

4．从【Surface】菜单中选择【CalculateViewshed】命令。

5．

图10-28可视区分析

生成可视区栅格主题visibilityofpoint（如图10-28）。

可视区分析不仅显示了在一个区域内从一个或多个观察点可以观察到的区域范围，而且显示了对于一个可视位置，有多少观察点可以看到此位置。

在输出的Viewshed数据中，可视的栅格赋值为1（灰色），不可视的栅格赋值为0（透明）。

可视性分析最基本的用途可以分为三种：

a、可视查询。

可视查询主要是指对于给定的地形环境中的目标对象（或区域），确定从某个观察点观察，该目标对象是可视还是某一部分是可视。

可视查询中，与某个目标点相关的只是需要确定该点是否可视即可。

对于非点的目标对象，如线状、面状对象，则需要确定对象的某一部分可视或不可视。

由此，也可以将可视查询分为点状目标可视查询、线状目标可视查询和面状目标可视查询等。

b、地形可视结构计算（即可视域的计算）。

地形可视结构计算主要是针对环境自身而言，计算对于给定的观察点，地形环境中通视的区域及不通视的区域。

地形环境中基本的可视结构就是可视域，它是构成地形模型的点中相对于某个观察点所有通视的点的集合。

利用这些可视点，即可以将地形表面可视的区域表示出来，从而为可视查询提供丰富的信息。

c、水平可视计算。

水平可视计算是指对于地形环境给定的边界范围，确定围绕观察点所有射线方向上距离观察点最远的可视点。

水平可视计算是地形可视结构计算的一种特殊形式，但它在一些特殊领域中有着广泛的应用，而且需要的存储空间很小。

第五节统计功能

一、局部统计功能LocalStatistical