GIS课程设计指导书 地信.docx

1、GIS课程设计指导书 地信GIS课程设计指导书（内部资料，仅供参考）DEM是实际地形表面的再现，其对地形表达的可信程度,很大程度上取决于原始地形采样点的分布和密度。如同传统的等高线地形图测图一样，DEM的数据采样要求对研究区域的地形表面结构特征、地形的复杂程度以及地貌类型等有深入的了解，从而正确地选择地形特征点和线、合理地分布原始地形采样点。 正如Eklundh和Martensson（1995）所指出的：“DEM用户应把重点放在数据来源和输入质量的控制上，而不是学习复杂的内插方法”。目前，DEM数据主要来源于地形图、航空/航天遥感影像数据、地面测量、既有DEM数据等。其中，地形图数字化是DEM

2、数据获取的最基本的方法。地形图数字化方式分为两种类型：手扶跟踪数字化和扫描矢量化。目前，基于ARCGIS或SuperMap等矢量化软件的地图扫描矢量化是地形图数字化的一种重要方式，其主要过程包括：一、影像的几何纠正所有图件扫描后都必须经过扫描纠正。可利用ARCGIS/ARC模块或ArcMap等软件对扫描后的影像进行校准和配准，其中，基于ArcMap的影像几何纠正过程如下：1.打开ArcMap，增加Georeferncing工具条。 2.把需要进行纠正的影像增加到ArcMap中，会发现Georeferncing工具条中的工具被激活。 3.将Georeferncing工具条的Georefernci

3、ng菜单下Auto Adjust选项不选择。 4.在Georeferncing工具条上，点击Add Control Point按钮。 使用该工具在扫描图上精确到找一个控制点后点击，然后鼠标右击输入该点实际的坐标位置. 5.用相同的方法，在影像上增加多个控制点，输入它们的实际坐标（公里数）。 6.增加所有控制点后，在Georeferencing菜单下，点击Update Display。更新后，就变成真实的坐标。 7.在Georeferencing菜单下，点击Rectify，将校准后的影像另存。 二、栅格图像矢量化主要应用于灰度图的矢量化。具体过程如下：1.打开ArcMap，调入待处理的栅格图像。

4、2.在tools的extensions中选中arcscan，然后在view的toolbar中选中arcscan。（注意：在安装arcgis时要选中arcscan模块） 3.将图像重新symbolize，使用classify分成两种类型，如：0-126、126-255，从而使图像二值化。具体操作过程是：在图象上鼠标右击，选取properties,再选symbology标签，在show中选classified，classes等于2。4.在arcCatalog中新建shp文件（分几层建几个，有点、线、多边形、多点四种类型）然后，将SHP文件也加入到显示待处理栅格图像的ARCMAP窗口中。5. 点击E

5、ditor 工具条上的 Start Editing, 以便可以对SHP文件进行编辑，此时也将arcscan工具激活，可以进行矢量化.6.编辑处理属性数据，例如添加高程信息等.三、生成TIN格式文件利用3D Analyst工具栏下CreateModifyTIN CreateTIN From Features将arc_Project.shp转换为TIN格式文件tin.tin。 图2（tin）四、生成grid文件 即DEM高程文件利用3D Analyst工具栏下ConvertTIN to Raster将tin.tin转换为GRID栅格文件tingrid.grid。（栅格大小为125m） 图3（tin

6、grid）五、DEM的应用（地形指标的提取） 1坡度利用Spatial AnalystSurface AnalysisSlope工具对tingrid文件进行坡度提取。输出度量（output measurement）选择度（degree）输出栅格大小与tingrid相同为125m。 图4 （slope_tingrid） 2.剖面曲率利用Spatial AnalystSurface AnalysisSlope工具对slope_tingrid文件进行处理，得到slope_slope即为高程图的剖面曲率的分布图。 图5（slope_slope）同一局部的放大对比图 图6剖面曲率坡度 3坡向利用Spat

7、ial AnalystSurface AnalysisAspect工具对tingrid文件进行坡向提取。得到坡向栅格文件act_tingrid。 图7（act_tingrid） 4平面曲率利用Spatial AnalystSurface AnalysisAspect工具对act_tingrid进行处理得到平面曲率的栅格文件aspect_asp。 图8（aspect_asp） 同一局部放大对比图 图9平面曲率坡向 5提取等高线利用利用Spatial AnalystSurface AnalysisContour工具对tingrid文件进行等高线提取。得到等高线的矢量文件cont_tingrid.s

8、hp。等高距(contour interval)输入为100m，z轴放大倍数为1。 图10（cont_tingrid.shp）局部放大图 图11 在建立栅格文件tingrid时最小的栅格为125125，而提取等高线时的等高距为100m，小于最小栅格的大小。图中的锯齿就是因为这个原因产生的。相同位置等高距为125m时的放大图 图126地形表面的阴影图利用Spatial AnalystSurface AnalysisHillshade工具对tingrid文件进行处理。可以生成地形表面阴影栅格。方位角默认为315度，高度角为45度。文件命名为hs_tingrid。 图13（hs_tingrid）局部

9、放大图 图14 7可视性分析 7.1通视性分析利用3D Analyst工具栏中的Create Line of Sight按钮进行操作，并使用Create Profile Graph获得通视线上的地形剖面图。 图15 通视线图画框那条通视线上的地形剖面图 图16 视线上的地形剖面图 7.2可视区分析首先利用散点文件point.lyr投影建立一个观测点的图层（point_1.shp文件）。再利用Spatial AnalystSurface AnalysisViewshed工具对tingrid文件和point_1.shp文件进行处理.得到可视区的栅格文件view_point。 图17（view_po

10、int）局部放大图 图18 8地形剖面利用3D Analyst工具栏中的Interpolate Line按钮进行操作。在tingrid（或者tin）上跟踪出一条曲线，并使用Create Profile Graph获得跟踪线上的地形剖面图。 图19六、DEM的水文分析水文分析是DEM 数据应用的一个重要方面。利用DEM生成的集水流域和水流网络，成为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。表面水文分析模型研究与地表水流有关的各种自然现象例如洪水水位及泛滥情况，划定受污染源影响的地区，预测当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等。基于 DEM 地表水文分析的主要内容是利用水文分析工具提取地表水流

11、径流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络（包括河流网络的分级等）以及对研究区的流域进行分割等。通过对这些基本水文因子的提取和分析，可再现水流的流动过程，最终完成水文分析过程。在ArcGIS中水文分析有一个独立的工具箱就是ArcTool box下Spatial Analyst Tools中的Hydrology工具箱，基于DEM的水文分析的主要工具都在这个工具箱中。6.1无洼地的DEM生成 6.1.1未填洼的水流方向的提取利用ArcToolboxSpatial Analysis Tools Hydrology Flow Directiongon工具箱对tingrid进行处理得到未填洼的水

12、流方向文件wFD_tingrid，若从DEM中作出来的流向分析的最大数值为128则不需要填洼，否则需要填挖。 图20(wFD_tingrid) 最大值为255不符合要求，需要填洼。 6.1.2洼地的计算利用ArcToolboxSpatial Analysis Tools Hydrology Sink工具箱对tingrid进行处理，可以看出由于DEM插值或其他原因造成的高程“洼地”。得到sink_wFD_tin文件。图21（sink_wFD_tin） 6.1.3洼地填充利用ArcToolboxSpatial Analysis Tools Hydrology Fill工具箱对tingrid进行处理

13、，Z limit为默认，即所有洼地都要填充。得到填洼后的表面光滑的DEM文件Fill_tingrid。 图22（Fill_tingrid）Fill_tingrid与tingrid局部放大对比图 图23Fill_tingrid tingrid 6.1.4无洼地的流向分析利用ArcToolboxSpatial Analysis Tools Hydrology Flow Directiongon工具箱对Fill_tingrid进行处理，得到无洼地的水流方向的栅格文件FlowDir_Fill。 图24（FlowDir_Fill）6.2汇流累积量的计算利用ArcToolboxSpatial Analys

14、is Tools Hydrology Flow Accumulation工具箱对FlowDir_Fill进行处理。得到回流积累量文件FlowAcc_Flow。 图25（FlowAcc_Flow）6.3计算水流长度（流程）利用ArcToolboxSpatial Analysis Tools Hydrology Flow Length工具箱对FlowDir_Fill进行处理，采用Downstream（顺流计算），权重值默认。得到顺流而下的水流长度的栅格文件FlowLen_Flow。 图26（FlowLen_Flow）6.4提取河流网络 6.4.1河流网络栅格数据的提取可以利用ArcToolboxS

15、patial Analyst ToolsMap AlgebraSingle Output Map Algebra工具对FlowAcc_Flow文件进行处理。在“地图代数表达式”（Map Algebra expression）中输入公式：con (E:1FlowAcc_Flow800,1)，输出栅格（output raster）命名为：StreamNet。还可以利用ArcMap中Spatial AnalystRaster Calculator（栅格计算器）在计算器中输入表达式：con (FlowAcc_Flow800,1)。 图27（StreamNet） 6.4.2栅格河流网络的矢量化 6.4.

16、2.1矢量化河流网络的提取利用ArcToolboxSpatial Analyst ToolsHydrologystream to feature工具箱对streamnet文件进行处理，在Input stream raster中选中streamnet，在Input flow direction raster中选中FlowDir_Fill文件，在Output ployline features中输出文件名为StreamT_streamN。 图28（StreamT_streamN.shp） 6.4.2.2平滑处理河流网络利用Editor工具栏对StreamT_streamN.shp进行编辑，单击Ed

17、itor下拉菜单，单击Staring Editor 激活编辑工具栏，在下拉菜单中选中More Editing Tools Advanced Editing,选中整幅地图，在弹出的Advanced Editing工具栏中点击平滑（Smooth）按钮，在弹出的Smooth对话框中Maximum allowable offset栏中中输入值“3”，表示允许最大偏移量为3。从而得到平滑处理后的河流网络。 图29（StreamT_streamN.shp）用这种方法所平滑的流域河流网络偏移量较大，可能会产生人为误差，也可利用Data Management Tools工具箱下Data Management

18、ToolsGeneralizationSmooth Line工具箱对河流网络进行平滑处理。此种方法偏移较小。 图30（StreamT_streamN_Smooth Line）局部放大对比图 图31 平滑处理前平滑处理后StreamT_streamN_Smooth Line平滑前与Smooth处理图层的叠加效果图326.5河网分级利用ArcToolboxSpatial Analyst ToolsHydrologyStream Order工具箱，在Input stream raster选中streamnet，在Input flow direction raster中选中FlowDir_Fill文件

19、，河网分级有两种方Strahler分级和Shreve分级。当使用Strahler时在Output ployline features输出地文件名为：StreamO_stre；当使用Shreve分级法时Output ployline features输出地文件名为：StreamO_shre。 图336.6流域提取 6.6.1流域盆地（大流域）的提取利用ArcToolboxSpatial Analyst ToolsHydrologyBasin工具箱对FlowDir_Fill进行处理，得到流域盆地的栅格文件Basin_flow。图34（Basin_flow）对Basin_flow栅格文件进行矢量化，

20、利用ArcToolboxConvertion ToolsFrom Raster Raster to Polygon对Basin_flow进行处理，将栅格文件转换为多边形的行文件RasterT_Basin_f.shp。 图35(RasterT_Basin_f.shp)6.6.2子流域的提取利用ArcToolboxSpatial Analyst ToolsMap AlgebraSingle Output Map Algebra工具对FlowAcc_Flow文件进行处理。在“地图代数表达式”（Map Algebra expression）中输入公式：con(E:1FlowAcc_Flow20000,

21、1)，输出栅格（output raster）命名为：StreamNet2。“20000”这个值是由提取流域网栅格数据时，为了提取了河流主要干流，除去不必要的小级别小支流而不断试验得到的阈值。由于没有流域汇流出口的流量数据，所以只能做大概的估计。精度很差。也可取“1400016000”，此时所得集水域的子流域面积比较均匀。下面有取“15000”时的集水域图。 图36（StreamNet2） 6.6.3Stream Link的生成通过提取Stream link可以得到每一个河网弧段的起始点和终止点。同样，也可以得到该汇水区域的出水点。由于没有出水点的栅格或矢量数据，而stream link数据中隐

22、含着河网中每一条河网弧段的联结信息，包括弧段的起点和终点等，相对而言，弧段的终点就是该汇水区域的出水口所在位置。 所以可以用生成的stream link数据作为汇水区的出水口数据。利用ArcToolbox Spatial Analyst ToolsHydrologyStream link 工具箱，在Input Stream Raster中选中StreamNet2，在Input fill direction raster中选中FlowDir_Fill（无洼地水流方向的栅格文件），输出文件名为StreamL_stre1。 图37（StreamL_stre1）6.6.4集水域（Watershed）的

23、生成利用ArcToolbox Spatial Analyst ToolsHydrologyWatershed工具箱对无洼地的水流方向数据文件FlowDir_Fill和汇水区出水口数据文件StreamL_stre1进行处理。在Input direction raster中选中FlowDir_Fill，在Input raster or feature pour point data中选中StreamL_stre1，输出集水域栅格文件名为Watersh_flow1。 图38（Watersh_flow1） 加入矢量化河流网络图层的效果图（由于Editing平滑处理的河网视觉效果较好，此处取该河网图层）

24、 图39 栅格图矢量图 图40con(E:1FlowAcc_Flow15000,1)集水域栅格图 图41con(E:1FlowAcc_Flow15000,1)集水域矢量图 图42con(E:1FlowAcc_Flow3000,1)集水域栅格图 图43con(E:1FlowAcc_Flow3000,1)集水域矢量图 图44con(E:1FlowAcc_Flow800,1)集水域栅格图 图45con(E:1FlowAcc_Flow800,1)集水域矢量图 图46子流域提取矢量图1 取con(E:1FlowAcc_Flow15000,1)+con(E:1FlowAcc_Flow3000,1)+con

25、(E:1FlowAcc_Flow800,1) + RasterT_Basin_f +Editing平滑处理的河网等图层叠加而成。图47子流域提取矢量图2取con(E:1FlowAcc_Flow15000,1)+con(E:1FlowAcc_Flow3000,1)+con(E:1FlowAcc_Flow800,1) + RasterT_Basin_f +Smooth平滑处理的河网等图层叠加而成 附录前述全屏截图的局部清晰图图1（arc_Project）图2（tin）图3（tingrid）图4 （slope_tingrid）图5（slope_slope）图7（act_tingrid） 图8（aspect_asp）图13（hs_tingrid）图22（Fill_tingrid）图24（FlowDir_Fill） 图25（FlowAcc_Flow）图34（Basin_flow）