实验五空间插值与栅格数据运算分析.docx
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实验五空间插值与栅格数据运算分析
实验五空间插值与栅格数据运算分析
一、实验目的与教学要点
1.了解GIS基本空间分析的原理和操作。
2.引导学生建立对空间插值与栅格数据代数的感性认识，了解空间插值与栅格数据代数中主要参数的含义，增进学生对空间插值与栅格数据代数运算基本原理的理解。
3.为选择合适的空间分析工具求解复杂的实际问题打下基础.本实验的教学要点主要是让学生能利用离散数据生成栅格图层，并能进行栅格图层运算。
二、实验准备
1硬件配置：
基于Windows操作系统计算机
2软件准备：
地理信息系统应用软件（ArcGIS9.3）
3数据准备：
Landuse,hilldem（栅格数据）,气温.shp,YNBoundary.shp（云南省的边界）
三、空间分析步骤
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，其目的在于提取空间信息或者从现有的数据派生出新的数据，是将空间数据转变为信息的过程。
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的主要指标。
根据要进行的空间分析类型的不同，空间分析的步骤会有所不同。
通常，所有的空间分析都涉及以下的基本步骤，具体在某个分析中，可以作相应的变化。
空间分析的基本步骤:
a）确定问题并建立分析的目标和要满足的条件
b）针对空间问题选择合适的分析工具
c）准备空间操作中要用到的数据。
d）定制一个分析计划然后执行分析操作。
e）显示并评价分析结果
空间插值与栅格数据运算分析是空间分析的一个重要方面。
四、实验原理、内容与步骤
（一）了解空间分析模块与栅格数据
1.spatialAnalyst（空间分析模块）
本章的大部分练习都会用到SpatialAnalyst扩展模块，要使用“Spatial
Analyst模块”首先在ArcMap中执行菜单命令—，在扩展模块管理窗口中，将“SpatialAnalyst”前的检查框打勾。
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“SpatialAnalyst”工具栏。
执行“SpatialAnalyst”工具栏中的菜单命令—设定与空间分析操作有关的一些参数。
这里请在常规选项中设定一个工作目录。
因为在空间分析的过程种会产生一些中间结果，默认的情况下这些数据会存储在Windows系统的临时路径下（C:
\temp），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
SpatialAnalyst工具栏
2.了解栅格数据
在ArcMap中，新建一个地图文档，加载栅格数据：
Slopel，在TOC中右键点
击图层Slopel，查看属性
在图层属性对话框中，点击“Source”选项，可以查看此栅格图层的相关属性及统计信息。
打开“SpatialAnalyst”工具栏，点击图标一^，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，在TOC中右键点击
Landuse，“打开属性表”
團Attributesoflanduse
RowiA
VALUE*
COUBT
LAKDUSE
]
1
234
Brush/ttiona）
I
2
62187
Tlater
2
3
囲
Darienl^nd
5
4
3S034
Bui11
4
5
S5054
ktriculture
5
&
671722
ParftEt
►
E
T
12241
Record;
小
7・補
Show;AilSelectedRecords▼
查看字段“Count”可以看到每种地类所占栅格单元的数目
（二）空间插值分析
1•空间数据的内插
空间数据往往是根据自己的要求获取采样的观测值，诸如土地类型、地面高程等。
这些点的分布往往是不规则的，在用户感兴趣或模型复杂区域可能采样点多，在其它地区则采样点少，由此而导致所形成的多边形的内部变化不可能表达得更精确、更具体，而只能达到一般的平均水平。
但用户在某些时候却欲获知未观测点的某种感兴趣特征的更精确值，这就导致了空间内插技术的诞生。
一般来讲，在已存在观测点的区域范围之内估计未观测点的特征值的过程称内插；在已存在观测点的区域范围之外估计未观测点的特征值的过程称推估。
正如我们所知，现实空间可以分为具有渐变特征的连续空间和具有跳跃特征的离散空间。
举例来讲，土地类型分布属离散空间，而地形表面分布则是连续空间，见图5-2和图5-3。
图5-2离散空间（图斑中的数字代表土地利用类型）图5-3连续空间（图中的线为等高线）
对于离散空间，假定任何重要变化发生在边界上，则在边界内的变化是均匀的，同质的，即在各个方面都是相同的。
对于这种空间的最佳内插方法是邻近元法，即以最邻近图元的特征值表征未知图元的特征值。
这种方法在边界会产生一定的误差，
但在处理大面积多边形时，则十分方便。
但是，对于连续空间表面，上述处理方法则不合适。
连续表面的内插技术必须采用连续的空间渐变模型实现这些连续变化，可用一种平滑的数学表面加以描述。
在ArcGIS中，可以通过SpatialAnalyst工具条中的Interpolate命令来完成把连续空间的点或线数据内插成GRID数据。
2.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。
空间内插算法是一种通过已知点的数据推求同一区域其它未知点数据的计算方法；空间外推算法则是通过已知区域的数据，推求其它区域数据的方法。
数据：
气温.shp中有两个字段Y01Y02记录的是16个气象观测站，2001年和2002年的年平均气温，下面要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。
YNBoundary.shp是云南省的边界
新建地图文档，加载图层：
气温.shp、YNBoundary,打开“SpatialAnalyst'工具栏，执行菜单命令--
Density,,,
SurfaceAnalysis
CellStatistics...
阻iqhbcrhoodStatistics,,.
Zonalstatistics...
ReclassiFy...
Convert
Options
InterpolatetoRaster
Distance
RasterCalculator...
InverseDistanceWeighted,.>
Spline.,,
在样条函数内插对话框中，按下图所示指定参数
Spline
Inputpoint?
:
Zvaluefield:
Splinetype:
Weight:
Numberofpoints:
Oulputcellsize:
Outputraster:
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）
2001年平均气温样条函数空间内插
参考以上操作，生成2002年的平均气温空间分布图:
注：
为了显示出等值线的数字，首先需要对气温.shp用Y01和Y02分别进行标注
执行菜单命令-
新进行空间插值，得到如下的结果（用“InverseDistaneeWeighted”内插方法）
插值后生成的栅格主题
3.等值线（Contours）提取
等值线是将表面上相邻的具有相同值的点连接起来的线，如地形图上的等高线、
气温图上的等压线。
等值线分布的疏密一定程度上表明了表面值的变化情况。
值的
变化越小的地方，等值线就越疏，反之越密。
因此，通过研究等值线的疏密情况,可以获得对表面值变化的大致情况。
ArcGIS中等值线的绘制方法如下：
SpatrafAnafyst
x1
|Spatialanalyst〒Layer:
dem"）
工J須!
mt|
在SpatialAnalyst下拉菜单中选择Surfaceanalysis，在弹出的下一级菜单中点击Contour，出现Contour对话框，如图中所示，以下所有设置如图中所示。
在InputSurface的下拉菜单中选择用来生成等高线的表面；
Contour
在Contourinterval栏中设置等高线间距;
在Basecontour栏中指定等高线基准高程；
在Zfactor栏中设定高程变换系数；
在Outputfeature栏中指定输出等高线的存放路径与文件名点击OK按钮。
图为某区域的等高线图
4•栅格图层代数运算
栅格计算是栅格数据空间分析中数据处理和分析中最为常用的方法，应用非
常广泛，能够解决各种类型的问题，尤其重要的是，它是建立复杂的应用数学模型的基本模块。
ArcGIS提供了非常友好的图形化栅格计算器，利用栅格计算器，不仅可以方便的完成基于数学运算符的栅格运算，以及基于数学函数的栅格运算，而且它还支持直接调用ArcGIS自带的栅格数据空间分析函数，并且可以方便的实现多条语句的同时输入和运行。
同时,栅格计算器支持地图代数计算，栅格数据集可以作为算子直接和数字、运算符、函数等在一起混合计算，不需要做任何
转换.
数学运算功能主要运用数学运算符或数学函数，数学运算符对两个或多个栅格主题的值进行运算，数学函数对输入的一个栅格主题的值运用一个数学函数进行运算。
栅格计算器RasterCalculator应用非常广泛，能够解决各种类型的问题.
栅格计算器由四部分组成（图8.67），左上部Layers选择框为当前Arcmap视图中已加载的所有栅格数据层名列表，双击任一个数据层名，该数据层名便可
自动添加到左下部的公式编辑器中，中间部位上部是常用的算术运算符、0~10、
小数点、关系和逻辑运算符面板，单击所需按钮，按钮内容便可自动添加到公式编辑器中。
右边可伸缩区域为常用的数学运算函数面板，同样单击任一个按钮，按钮内容便可自动添加到公式编辑器中.
必须加载SpatialAnalyst模块,如果该模块未能激活,SpatialAnalyst工具条
即颜色发灰，不可使用.
MapCache
NetworkAnalyst
Publisher
RasterPainting
Reprewntation
RouteEditing
Schematic
SchematicEdtor
SchematicNetworkAnalyst
SpatialAdjustment
SpatialAnalyst
（1）启动栅格计算器
点击SpatialAnalyst的下拉箭头，选择RasterCalculator.系统弹出
RasterCalculation对话框，对应的操作如下图5-15所示：
图5-15RasterCalculation对话框
（2）编辑计算公式
五、实验报告及要求
实验要求
1完成本实验中空间插值运算、栅格代数运算等操作，并将结果保存为栅格图层。
2完成对前面所生成栅格图层的等值线的提取，并保存为线状要素。
3把具体操作的流程和步骤记载入实验报告，包括过程和结果。
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