空间分析报告建模Arcgis实验操作文档.docx

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空间分析报告建模Arcgis实验操作文档

实验七空间分析建模

【实验内容与学时】（2学时）

[1]图解建模的基本概念及类型

[2]图解模型的形成过程

[3]实例分析与应用

【实验目的】

模型生成器（ModelBuilder）为设计和实现空间处理模型提供了一个图形化的建模环境。

模型是以流程图的形式表示，它通过工具将数据串起来以创建高级的功能和流程。

你可以将工具和数据集拖动到一个模型中，然后按照有序的步骤把它们连接起来以实现复杂的GIS任务。

通过对本次练习，我们可以认识如何在ModelBuilder环境下通过绘制数据处理流程图的方式实现空间分析过程的自动化，加深对地理建模过程的认识，对各种GIS分析工具的用途有深入的理解。

【实验要求】

按照相关要求上交实验报告。

【实验步骤与过程】

一、空间分析建模与图解建模基本概念

1．空间分析模型及其分类

模型是对现实世界中的实体或现象的抽象或简化，是对实体或现象中最重要的构成及其相互关系的表述。

建模的过程中，需要用到各种各样的工具。

作为各类综合性地学分析模型的基础，空间分析为人们建立复杂的模型提供了基本工具。

空间分析是地理信息系统的主要特征，也是评价一个地理信息系统功能的主要指标之一。

它是基于地理对象的位置和形态特征的数据分析技术，其目的在于提取和传输可见信息。

空间分析模型是对现实世界科学体系问题域抽象的空间概念模型，与广义的模型既有联系，又有区别：

①空间定位是空间分析模型特有的性质，构成空间分析模型的空间目标（点、弧段、网络、面域、复杂地物等）的多样性决定了空间分析模型建立的复杂性。

②空间关系也是空间分析模型的一个重要特征，空间层次关系、相邻关系以及空间目标的拓扑关系也决定了空间分析模型建立的特殊性。

③包含坐标、高程、属性以及时序特征的空间数据极其庞大，大量的空间数据通常用图形的方式来表示，这样由空间数据构成的空间分析模型也具有了可视化的图形特征。

空间分析模型可以分为以下几类：

①空间分布模型：

用于研究地理对象的空间分布特征。

主要包括：

空间分布参数的描述，如分布密度和均值、分布中心、离散度等；空间分布检验，以确定分布类型；空间聚类分析，反映分布的多中心特征并确定这些中心；趋势面分析，反映现象的空间分布趋势；空间聚合与分解，反映空间对比与趋势。

②空间关系模型：

用于研究基于地理对象的位置和属性特征的空间物体之间的关系。

包括距离、方向、连通和拓扑四种空间关系。

其中，拓扑关系是研究得较多的关系；距离是内容最丰富的一种关系；连通用于描述基于视线的空间物体之间的通视性；方向反映物体的方位。

③空间相关模型：

用于研究物体位置和属性集成下的关系，尤其是物体群（类）之间的关系。

在这方面，目前研究得最多的是空间统计学范畴的问题。

统计上的空间相关、覆盖分析就是考虑物体类之间相关关系的分析。

④预测、评价与决策模型：

用于研究地理对象的动态发展，根据过去和现在推断未来，根据已知推测未知，运用科学知识和手段来估计地理对象的未来发展趋势，并做出判断与评价，形成决策方案，用以指导行动，以获得尽可能好的实践效果。

2．空间分析建模概念与建立过程

空间分析建模是指运用GIS空间分析方法建立数学模型的过程，运用数学分析方法建立表达式，模拟地理现象的形成过程的模型称为过程模型，也叫处理模型。

过程模型的类型很多，用于解决各种各样的实际问题。

例如：

适宜性建模：

农业应用、城市化选址、道路选择等；

水文建模：

水的流向；

表面建模：

城镇某个地方的污染程度；

距离建模：

从出发点到目的地的最佳路径的选择、邮递员的最短路径等；

这类模型的建立过程如下：

①明确问题：

分析的问题的实际背景，弄清建立模型的目的，掌握所分析的对象的各种信息，即明确实际问题的实质所在，不仅要明确所要解决的问题是什么，要达到什么样的目标，还要明确实际问题的具体解决途径和所需要的数据；

②分解问题：

找出与实际问题有关的因素，通过假设把所研究的问题进行分解、简化，明确模型中需要考虑的因素以及它们在过程中的作用，并准备相关的数据集；

③组建模型：

运用数学知识和GIS空间分析工具来描述问题中的变量间的关系；

④检验模型结果：

运行所得到的模型、解释模型的结果或把运行结果与实际观测进行对比。

如果模型结果的解释与实际状况符合或结果与实际观测基本一致，这表明模型是符合实际问题的。

如果模型的结果很难与实际相符或与实际很难一致，则表明模型与实际不相符，不能将它运用到实际问题。

如果图形要素、参数设置没有问题的话，就需要返回到建模前关于问题的分解。

检查对于问题的分解、假设是否正确，参数的选择是否合适，是否忽略了必要的参数或保留了不该保留的参数，对假设做出必要的修正，重复前面的建模过程，直到模型的结果满意为止。

⑤应用分析结果：

在对模型的结果满意的前提下，可以运用模型来得到对结果的分析。

3．图解建模概念

图解建模是指用直观的图形语言将一个具体的过程模型表达出来。

在这个模型中，分别定义不同的图形代表输入数据、输出数据、空间处理工具，它们以流程图的形式进行组合并且可以执行空间分析操作功能。

当空间处理涉及到许多步骤时，建立模型可以让用户创建和管理自己的工作流，明晰其空间处理任务，为复杂的GIS任务建立一个固定有序的处理过程。

4．模型生成器

模型生成器（ModelBuilder）是ArcGIS9所提供的构造地理处理工作流和脚本的图形化建模工具，加速复杂地理处理模型的设计和实施。

最初模型生成器出现在ArcView3的空间分析模块中，它同样是为地理处理的工作流和脚本提供图形化的建模工具。

同时模型生成器也集成了3D、空间分析、地统计等多种空间处理工具。

在ArcGIS中可以通过以下方式启动模型生成器：

1）打开ArcMap，启动ArcToolbox；2）右键单击Toolbox，选择Newtoolbox，生成Toolbox1；3）右键单击Toolbox1，在New中选择Model，则生成model。

5．模型的基本组成

图解模型主要由三部分组成：

输入数据、输出数据和空间处理工具。

输入数据和输出数据的类型多种多样，可以是栅格数据集、shapefile、coverage等。

不同空间处理工具要求的数据不同，不同的应用目的也会得到不同类型的输出数据。

空间处理工具包括ArcToolbox中所有的工具集，也可以是模型（models）、由脚本（scripts）定制的工具或者其他工具箱（toolbox）中的系统工具。

只有将以上模型要素有机的连接起来，才能组成一个完整的图解模型。

因此，连接也是模型中一个不可或缺的要素。

连接指定了数据与操作间的关系，因此符合条件的要素才能被连接。

一个模型由一个或多个过程组成。

每个过程都有一个共同的基本结构：

输入→函数→输出，不同模型所包含的输入、函数、输出的数量可以不同，但整体的结构保持不变。

同时，在模型运行前，所有的组成部分必须彼此连接。

二、图解模型的形成过程

模型的形成过程实际上就是解决问题的过程，不论是简单的或复杂的模型，都需要经过以下几个步骤，同时还可以为模型添加注释、转换模型为脚本。

1．添加输入数据

有两种方法可向模型界面添加数据：

方法一：

在ArcMap或ArcCatalog中打开数据，直接把数据拖拽至图解模型界面即可。

方法二：

（1）在模型生成器中点击右键，选择createvariable，在变量列表中选择所要的数据类型。

此时的图形并无颜色填充，因为此变量还未赋值；

（2）双击新建的变量，选择所要添加的输入数据，或直接输入数据的值。

根据数据的类型不同，选择不同的操作。

由于变量已赋值，此时的图形便有颜色填充。

2．添加空间处理工具

添加空间处理工具相对简单，只要将所需添加的工具拖拽到图解模型界面即可。

但是处理的工具是多种多样的，可以是ArcToolbox中任何工具、脚本、模型，也可以是用户在应用程序中的共享工具，比如用模型（models）或由脚本（scripts）定制的工具或者其他工具箱（Toolbox）中的系统工具。

由于空间处理工具的功能决定了输出数据的类型，因此输出数据也就随着空间处理工具的添加而产生。

3．添加连接

只有将一个个的空间模型要素有机的连接起来，才能组成一个完整的图形模型。

不过对象间的连接是有前提的，如果不符合连接的条件，两个图形则无法连接。

添加连接后，模型要素便由原来的无颜色填充变为有颜色填充。

有两种方法添加连接：

方法一：

单击模型生成器界面工具面板的Addconnection图标连接目标图形。

方法二：

双击空间处理工具，在对话框中选择所要处理的数据，点击“OK”即为数据和工具添加了连接。

4．保存模型

在菜单条中单击File下的Save命令，保存模型当前的状态；同时在ArcToolbox中保存设置，才可以以便下次打开。

方法如下：

右键ArcToolbox，选择SaveSettings命令，保存为文件，则该设置被保存.xml格式。

下次打开时，只要点击右键ArcToolbox，选择LoadSettings命令，以文件形式打开（FromFile），选择所要打开的设置即可。

5．添加注释

为了更好地了解模型的结构和功能、更彻底地理解模型和处理过程，在图解模型中加入注释。

同时也为了更好地组织项目，明确多过程之间的关系，可以给输入、输出、空间处理工具添加注释，还可以对连接添加注释。

选择所要添加注释的图形要素，右键选createlabel命令，双击矩形框输入注释。

6．设置参数

为模型设置参数，在打开模型时就会出现参数输入对话框。

直接输入数据、常数、输出数据的路径。

有两种方法设置参数：

方法一：

右键单击所要设置为参数的图形要素，选择ModelParameter命令；

方法二：

右键单击模型

图标，选择Properties命令，进入Parameter选项卡，单击

图标，增加所要设置为参数的要素。

7．运行图解模型

模型建好后，需要运行模型以检查结果是否满意。

有两种方法可以运行图解模型：

方法一：

在工具条上，点击

运行模型。

方法二：

在菜单条中，单击Model下的Run命令，模型被启动运行。

模型运行后，模型运行状态条可以显示出模型是否成功地被执行。

8．转换程序模型

图11.6保存对话框

建立好的模型可以转换为脚本使用，脚本的形式有：

Python、JScript和VBScript。

在Model下拉菜单中单击Export命令，选择ToScript命令，保存为Python、JScript或是VBScript即可。

三、土壤侵蚀危险性分布图的获取

1．确定目标，加载数据

目标确定：

获取土壤侵蚀危险性分布图；

因子确定：

坡度、土壤类型、植被覆盖；

获取数据：

矢量数据：

研究区界线（StudyArea）、植被（Vegetation），栅格数据：

土壤类型栅格（Soilsgrid）。

（1）在ArcMap中新建一个地图文档；

（2）利用Adddata工具添加矢量数据：

StudyArea、Vegetation、栅格数据Soilsgrid；

（3）激活SpatialAnalyst空间分析扩展模块和3D分析扩展模块（执行菜单命令Tools/Extensions，在出现的对话框中选中“SpatialAnalyst”和“3DAnalyst”）；

（4）根据Vegetaion中的属性[VEGTYPE]设置植被图层的符号为“唯一值渲染（Uniquevalues）”，根据SoilsGrid图层中属性[S_Value]设置土壤类型栅格的符号为“唯一值渲染（Uniquevalues）”，设置图层StudyArea的边界和填充，并调整各图层的顺序得到如下效果，见图7-1。

图7-1应用分析的原始数据

（5）保存地图文档为“Ex7_lxs000.mxd”，地址保存到该实验的Temp文件夹中。

2．创建模型

（1）在ArcMap中，打开Arctoolbox，执行菜单命令Tools/Options,在Options设置对话框中，选择“空间处理（Geoprocessing）”标签，在对话框中将“我的工具箱位置（MyToolboxes）”设置为路径D:

\PAGIS\GIS07\Exec1\Temp，下面我们建立的模型将会被保存到后缀为“.tbx”的文件中，该文件也将保存在设定的路径下。

点按“确定”完成设置。

（2）在Arctoolbox窗口中，右键点击根目标Arctoolbox,在右键菜单中执行“NewToolbox（新工具箱”命令，将新建工具箱改名为geospatial_lxs000。

（3）右键点击新建的工具箱geospatial_lxs000,在右键菜单中，执行命令New/Model，打开ModelBuilder应用程序窗口，见图7-2。

对已存在的模型，右键点击模型后，选择Edit也可以打开ModelBuilder窗口，对已存在的模型进行编辑。

图7-2空间建模应用程序窗口

3．编辑模型

（1）在ModelBuilder窗口中，执行菜单命令Model/ModelProperties。

①在General标签对话框的Name中设置为“土壤侵蚀危险性分析”；在Label中设置为“土壤侵蚀危险性模型”；

②在Environment标签中点开GeneralSettings前的加号，勾选Extent并点按Values按钮，在出现的对话框中点按GeneralSettings，在Extent下拉列表中选择“Sameaslayerstudyarea”，点按“OK”完成设置。

③点按“确定”完成设置。

（2）在ModelBuilder窗口中，执行菜单命令Model/DiagramProperties（图解属性），在对话框中选择Symbology标签，在该对话框中点选Style2，并点按“确定“完成设置。

（3）从ArcMap中，将图层Vegetaion、Soilsgrid拖放到ModelBuilder窗口中；从Arctoolbox中将工具DEMtoRaster（该工具在ConversionTools/ToRaster/下）拖放到ModelBuilder窗口中，见图7-3。

【问1】提交所得成果界面。

图7-3拖放图层及工具到空间建模窗口

（4）在ModelBuilder窗口中，双击工具图框DEMtoRaster，在出现的工具设置对话框中指定InputUSGSDEMfile为elevation.dem，通过输入框右边的浏览打开按钮在硬盘上找到该文件（D:

\PAGIS\GIS07\Exec1\elevation.dem）。

设置Outputraster（输出栅格数据）为D:

\PAGIS\GIS07\Exec1\TEMP\DEMToRa_elev1；点按“OK”完成设置。

图7-4为工具设置相关参数

（5）从Arctoolbox中将工具slope（此工具在3DAnalystTools/RasterSurface下）拖放到ModelBuilder窗口中，在ModelBuilder窗口中，点击AddConnection（添加连接）按钮

并在图框DEMToRa_elev1与工具图框slope之间画线将他们连接在一起。

右键点击图框Outputraster将其改名（Rename）为坡度图。

完成后效果如图7-5所示。

图7-5拖放工具和建立连接

（6）从Arctoolbox中将工具Reclassify（此工具在SpatialAnalystTools/Reclass下）拖放到ModelBuilder窗口中，在ModelBuilder窗口中，点击AddConnection（添加连接）按钮将派生数据图框坡度图与工具图框Reclassify连接在一起，完成后效果如图7-6所示。

【问2】提交所得成果界面。

图7-6拖放工具和建立连接

（6）在ModelBuilder窗口中，双击工具图框Reclassify，在Reclassify对话框中将坡度重分类：

①在Inputraster下拉列表总选择坡度图；

②在Reclassfield下拉列表中选择Value；

③点击Load按钮，装载INFO数据表slopereclass，按照该数据表对坡度进行重分类；

④在Outputraster输入框中设置输出的文件名和路径为：

D:

\PAGIS\GIS07\Exec1\Temp\Reclass_Slop1；

⑤点按“OK”完成设置。

数据表Slopereclass中有特殊的字段FROM、TO、OUT、MAPPING，可以用于重分类，我们可以在ArcMap中查看。

图7-7重分类坡度数据表

在ModelBuilder窗口中，右键点击工具图框重分类后面的输出栅格Reclass_Slop1将其改名为重分类坡度图。

效果如图7-8所示。

图7-8输出数据结果改名

（7）从Arctoolbox中将工具FeaturetoRaster（此工具在ConversionTools/TORaster下）拖放到ModelBuilder窗口，在ModelBuilder窗口中，点击AddConnection（添加连接）按钮将数据图框vegetaion与工具图框FeaturetoRaster连接在一起。

将工具图框FeaturetoRaster后的Outputraster改名为植被栅格。

完成后效果如图7-9所示。

图7-9添加工具和建立连接

（8）双击与Vegetaion相连的工具图框FeaturetoRaster，在出现的对话框中，设置Inputfeatures为vegetation；设置Field（字段）为VEGTYPE；设置Outputraster（输出栅格数据）为D:

\PAGIS\GIS07\Exec1\Temp\Feature_vege1；点按“OK”按钮完成设置。

在ModelBuilder中右键选中图框FeaturetoRaster，执行Run（运行）命令。

图7-10设置参数并运行模型

（9）从Arctoolbox中将工具WeightedOverlay（加权叠加）（此工具在SpatialAnalystTools/Overlay下）拖放到ModelBuilder窗口中，右键点击工具图框WeightedOverlay后的结果数据图框改名为“土壤侵蚀栅格”；在ModelBuilder窗口中，双击工具图框WeightedOverlay，在出现的工具设置对话框中进行如下设置：

【问3】提交自己设置好后的对话框界面。

①点击AddRasterRow按钮

，在出现的对话框中设置Inputraster为“soilsgrid”，在Inputfield为“S_value”，点按“OK”；

②继续点击AddRasterRow按钮

，在出现的对话框中设置Inputraster为“植被栅格”，在Inputfield为“Vegtype”，点按“OK”；

③再次继续点击AddRasterRow按钮

，在出现的对话框中设置Inputraster为“重分类坡度图”，在Inputfield为“Value”，点按“OK”；

④三个因子添加完成后，回到加权叠加工具设置对话框，分别将因子“Soilsgrid”、“植被栅格”、“重分类坡度图”的权重（％Influence）栏中依次设置为25%、25%、50％，并指定结果栅格数据的名称和路径为D:

\PAGIS\GIS07\Exec1\Temp\SoilHazard；

⑤设置因子Soilsgrid：

根据不同土壤类型对土壤侵蚀危险性的影响力，不同的土壤类型给定不同的数值，数值1表示土壤侵蚀危险度较低，9表示较高。

在ScaleValue一栏中进行修改：

Bedrock（基岩）为1，Clay（粘土）为5，Clayloam（粘壤土）为9，SandyLoam（砂壤土）为3，NODATA为Restricted。

⑥设置因子植被栅格：

根据不同植被类型对土壤侵蚀危险性的影响力，不同的植被类型给定不同的的数值，数值1表示土壤侵蚀危险度较低，9表示较高。

在ScaleValue一栏中进行修改：

Krummholz（高山矮曲林）为6，Lodgepolepine（黑松）为3，Engelmannspruce（英国针丛）为1，non－forest（非林地）为9，Whitebarkpine（白松）为8，Water和NODATA设置为Restricted。

⑦设置因子重分类坡度图：

根据坡度低的区域发生土壤侵蚀的危险系统较小，坡度较大的区域发生土壤侵蚀的危险系数较大，不同坡度对应不同数值，数值1表示土壤侵蚀危险度较低，9表示较高。

在ScaleValue一栏中进行修改：

1－9保持不变，将10改为9，NODATA改为Restricted。

⑧全部设置完成后点按“OK”结束。

【问4】提交最终模型结果界面。

最终完成的模型图如图7-11所示。

大家可对模型形式进行调整使其更美观与条理。

图7-11最终模型结果图

4．执行模型，查看结果

（1）在ModelBuilder窗口中执行菜单命令Model/RunEntireModel（运行整个模型）。

请耐心等待10-15s后可完成计算。

（2）在ModelBuilder窗口中，右键点击图框土壤侵蚀栅格，在出现的右键菜单中选择AddToDisplay（添加到显示窗口）。

于是土壤侵蚀危险性分级栅格数据SoilHazrad被加入到ArcMap中，从0－9表示研究区内土壤侵蚀的危险级别，1表示发生土壤侵蚀的可能性较小，9表示发生土壤侵蚀的可能性极大。

处理后的地图效果如图7-12所示。

【问5】提交最终成果地图界面。

图7-12最终成果图

四、明暗等高线制作

1．背景分析

等高线是地图上最常用的表示地貌的方法，但其不足之处是所表示的地形立体感不强，并非所有读者都能准确读出它所描述的实际地表形态。

对于如何用等高线表示地貌的立体形态，1895年，波乌林（J.Pauling）提出明暗等高线法，又称波乌林法。

其基本论点主要建立在以下三方面：

（1）根据斜坡所对的光线方向确定等高线的明暗程度；

（2）将受光部分的等高线印为白色，背光部分的等高线印为黑色；

（3）地图的底色饰为灰色。

首先从DEM中提取一定等高距的矢量等高线。

将区域分为受光部分和背光部分，可以对原始的全栅格DEM数据进行坡向提取，并根据坡向对等高线的分类，进而生成明暗等高线地图。

背光和受光栅格要根据入射光的方向进行确定，假定光源位置定位于地面西北方向，则坡向为0~45、225~360时地表面为受光面，用白色表示；坡向为45~225时地表面为背光面，用黑色表示。

将其二值化即以0和1表示，再转化为矢量与等高线融合。

2．建立模型

（1）在ArcMap中打开Tools菜单，选择Extentions，加载SpatialAnalyst模块。

（2）右键单击ArcToolbox，生成一个NewToolbox，右键单击NewToolbox，在New子菜单中选择Model，生成一个新的model。

（3）打开spatialanalysttools的Surface功能，选中Aspect工具拖拽到模型生成器窗口中。

（4）在模型窗口空白处点击右键，选择CreateVariable命令，在数据类型选择框中选中RasterDataset。

（5）右键单击RasterDataset框，点击Rename命令，在弹出的对话框中输入DEM，将原始的RasterDataset重命名为DEM。

单击添加连接图标，连接DEM和Aspect图形要素。