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ArcGIS空间分析基本操作教材.pdf
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2022-10-30
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实验七、空间分析基本操作
一、实验目的
1. 掌握 Spatial Analyst 模块的使用方法。
2. 掌握矢量数据转换成栅格数据的方法。
3. 掌握用任意多边形剪裁栅格数据的方法。
4. 掌握重分类的方法及应用。
5. 掌握缓冲区分析的原理与方法。
6. 掌握空间属性查询和空间关系查询的方法。
7. 掌握采样数据的空间内插方法。
8. 了解邻域统计的原理及方法。
二、实验准备
软件:ArcGIS Desktop
数据:
知识:
空间分析是从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、分布、形态、形成和演变等
信息的分析技术,是地理信息系统的核心功能之一,它特有的对地理信息的提取、表现和传
输的功能,是地理信息系统区别于一般管理信息系统的主要功能特征。在空间分析的研究和
实践中,很多在应用领域具有一定普遍意义的、涉及空间位置的分析手段和方法被总结、提
炼出来,形成了在GIS软件中均包含的一些固有的空间分析功能模块。这些功能具有一定的
通用性质,故而称之为GIS基本空间分析,具体的有叠置分析、缓冲区分析、窗口分析和网
络分析。了解GIS基本空间分析对于进一步掌握复杂空间分析方法,具有一定的指导意义。
利用空间分析模块(Spatial Analyst) ,你可以方便地对你的数据进行空间分析。
有了空间分析模块,你既可以回答诸如“这个位臵的地形陡峭程度如何?”或“这个位臵面向
什么方位?”之类的一些简单空间问题,也能够给更为复杂的空间问题如“一家新工厂的最佳
位臵应该在哪儿?”或“从 A 到 B 的成本最小的路径是什么?”找到答案。当与 ArcMap 一起使
用时,空间分析模块可以提供功能完备的工具集来浏览和分析空间数据,帮助你找到解决空
间问题的方法。
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。
空间分析赖以进行的基础是地理空间数据库。
空间分析运用的手段包括各种几何的逻辑运算、数理统计分析,代数运算等数学手段。
空间分析可以基于矢量数据或栅格数据进行,具体是情况要根据实际需要确定。
空间分析步骤
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
理解栅格数据
栅格数据一般被分为两类:专题数据(thematic data)和图像数据(image data)。
专题栅格数据的值表示了某种测量值或某个特定现象的分类,如高程、污染浓度或人口。
例如,在一个土地覆被图上单元值 5 可能代表森林,7 可能是水域。图像中单元的值代表了
诸如卫星图像或扫描照片的反射或发射的光或能量。空间分析模块的分析工具主要是针对
专题栅格数据的。
所有空间分析模块的函数,处理的是栅格数据集的第一波段。本节将概述栅格数据及
其创建方法。
栅格数据集的组成
一个栅格数据集,就象一幅地图,它描述了某区域的位置和特征及其在空间上的相对
位置。由于单个栅格数据通常只表达单一专题,如土地利用、土壤、道路、河流或高程,
因此要完整描述一个区域必须创建多个栅格数据集。
单元( Cell)
栅格数据集由单元组成。每个单元(cell),或像元,是代表某个区域特定部分的方
块。栅格中的所有单元都必须是同样大小的。栅格数据集中的单元大小可以是用户想要的任
何值,但必须保证其足够小以便能完成最详细的分析。一个单元可代表一平方公里、一平方
米,甚至一平方厘米。
行(Rows)与列(Columns)
单元以行和列的形式摆放,组成了一个笛卡尔矩阵。矩阵的行平行于笛卡尔平面的 x
轴,列平行于 y 轴。每个单元有唯一的行列地址。研究区内的所有位臵都包含在此矩阵中。
值(Values)
每个单元被分配一个特定的值以标识或描述单元归属的类,分类或组,或栅格所描述
现象的大小或数量。这些值代表的属性包括土壤类型、土壤质地、土地利用类、水体类型、
道路类和居住类型等。
值也可表示连续表面上单元的大小、距离或关系。高程、坡度、坡向、飞机场噪声污
染和沼泽的 pH 浓度都是连续表面的实例。
表达图像或照片的栅格数据,其单元值代表的是颜色或光谱反射率。
空间分析模块既支持整型( integer)值,也支持浮点( floating-point)值。分类
(categorical)数据用整型值表示最佳,浮点值则适宜表示连续(continuous)表面。
分类区(Zones)
两个或多个具有相同值的单元属于同一分类区(zone)。分类区可以由连续、不连续
或同时由以上两种单元组成。由连接单元组成的分类区通常表示某区域的单一要素,如一个
建筑物、一个湖泊、一条路或一条电力线。实体的集合,如某州的森林林段、某县的土壤类
型或城镇的单家庭住宅等数据,最有可能用许多离散的组(组是由连续的单元构成)构成的
分类区来表达。
栅格数据中的每个单元都归属于某个分类区。有些栅格数据集只包含很少的分类区,
有些则包含很多。
区域(Region)
分类区内的每组相互连续的单元为一个区域(region)。如果一个分类区仅由一组连
续单元构成,那么它就仅含一个区域。为表达一个要素,分类区可由所需要的足够多的区域
组成。组成区域的单元数目是没有实际限制的。空间分析模块提供必要的工具用来将区域转
变为单个分类区。在上面的栅格数据集中,分类区 2 由两个区域组成,分类区 4 由三个区域
组成,分类区 5 仅由一个区域组成。
空值(Nodata)
如果某单元被赋予空值,那么该单元所代表的位臵要么没有特征信息,要么信息不足。
在所有操作符和函数中对空值(有时也被称为 null 值)的处理方式与任何其它值的处理方
式是不同的。
被赋予空值的单元有两种处理方式:
1. 在一个运算符或局部函数中、邻域函数的邻域中或分区函数的分类区中,如果任何
输入栅格的某个位臵上存在空值,则输出单元位臵上也为空值。
2. 忽略空值单元并用所有的有效值完成计算。
当在两个栅格数据集之间或对局部函数应用操作符时,第二种方式(忽略了空值)并
不可行。当空值单元存在于邻域函数中某单元的邻域内或分区函数的分类区中时,缺省情况
下,可以计算所有已知值的单元的和(sum)、中值(median)、种类(Variety)、众数(majority)、
寡数(minority)并分配给输出栅格数据集(此缺省值可被覆盖)。
关联表
整型(分类型)栅格数据集通常伴有一个与之关联的属性表(attribute table)。表
的第一项是值(Value),用来存储分配给栅格数据每个分类区的值。第二项是个计数(Count),
存储数据集中属于每个分类区的单元总数。Value 和 Count 都是强制性字段。
理论上说,表中可包含无限多数量的可选项以表达分类区的其它属性。
名称
每个栅格数据集必须有一个名称以便与数据库中其他的栅格数据集相互区分。对栅格
数据集的所有访问都是通过它的名称进行的,数据集的名称在所有表达式中必须一致。坐标
空间和栅格数据集
坐标空间定义了栅格数据集中位臵间的空间关系。所有栅格数据集都位于某个坐标空
间内。坐标空间可以是真实世界坐标系统或图像空间。由于几乎所有的栅格数据集表达的都
是真实世界的某个位臵,因此最好在栅格数据集中应用最能代表之的真实世界坐标系统。将
一个栅格数据集的非真实世界坐标系统(图像空间)转变为真实世界坐标系统的过程称为地
理配准。
对于栅格数据集,单元的方位由坐标系统的 x 和 y 轴决定。单元边界平行于 x 轴和 y
轴,所有单元在地图坐标中都是正方形。在地图坐标中单元通过由 x, y 决定的位臵来访问,
而从不用指定行列位臵来访问。属于真实世界坐标空间的栅格数据集的 x, y 笛卡尔坐标系
统依照地图投影(map projection)来定义。地图投影将三维地表转换为能够用二维地图显
示和存储的栅格数据。
将栅格数据集校正到地图坐标或将栅格数据集从一个投影转换到另一个投影的过程,
称为几何变换。配准栅格数据集
将栅格数据集从图像空间配准到真实世界坐标系统,需要知道可识别要素在两个坐标
空间中的位臵。这些位臵被用来创建控制点。用这些控制点构建一个多项式变换使图像由一
个坐标空间转变到另一个坐标空间。此操作可以通过 Georeferencing 工具栏(点击 View,
指向 Toolbars,然后点击 Georeferencing)来实现。
控制点是能够在栅格数据集和真实世界坐标系统中精确识别的位臵。这些可识别位臵
可能是道路与河流的交叉点、建筑物拐角、桥梁、河口、岩石露头以及几何地形要素上的可
识别点如陆地防波堤的尽头、固定的田地的拐角或两个篱笆的交汇处。
在输入栅格数据集上选取的每个控制点,其输出位臵既可以在图上选择一个已处于期
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