DEM实验Word下载.docx
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3.2实验小结24
实验三25
第一部分实验目的25
1.1实验背景25
第二部分实验流程26
2.1实验工具26
2.2实验内容26
第三部分实验总结28
3.1实验完成任务28
3.2实验小结31
实验四32
第一部分实验目的32
1.1实验背景32
1.2通过本次实习需要掌握的内容32
1.3实习的具体内容32
第二部分实验流程32
2.1实验工具32
2.2实验内容33
第三部分实验总结35
3.1实验完成任务35
3.2实验小结38
实验五39
第一部分实验目的39
1.1实验背景39
1.2通过本次实习需要掌握的内容39
1.3实习的具体内容39
第二部分实验流程40
2.1实验工具40
2.2实验内容40
第三部分实验总结41
3.1实验完成任务41
3.2实验小结44
实验一
—地形指标的提取
第一部分实验目的
1.1实验背景
地形指标是最基本的自然地理要素,也是对人类的生产和生活影响最大的自然要素。
地形特征制约着地表物质和能量的再分配,影响着土壤与植被的形成和发育过程,影响着土地利用的方式和水土流失的强度,也影响着城市规划中工农业生产布局的各个方面。
地形指标的提取对水土流失、土地利用、土地资源评价、城市规划等方面的研究起着重要的作用。
根据研究区域尺度的不同,地形指标有许多因子。
基于ArcGIS的地形指标的提取,大多均是基于DEM数据完成。
1.2通过本次实习需要掌握的内容
使读者加深对各基本地形指标的概念及其应用意义的理解。
熟练掌握使用ArcGIS软件提取这些地形指标的方法和步骤。
1.3实习的具体内容
采用给定的DEM(本次实验采用的数据为自己在地理信息网上下载)数据提取得出该区域坡度变率、坡向变率、地形起伏度、地面粗糙度等四个基本地形指标的栅格图层。
第二部分实验流程
2.1实验工具
2.11实习环境
(1)软件
①GOHSTWIN7SP132位操作系统;
②地理信息系统软件ArcGIS10.1;
(2)硬件
安装了ARCGIS的计算机
2.12实习资料
河南新县90m分辨率DEM图。
2.2实验内容
实验步骤
2.21坡度变率
地面坡度变率,是地面坡度在微分空间的变化率,是依据坡度的求算原理,在所提取的坡度值的基础上对地面每一点再求算一次坡度。
即坡度之坡度(SlopeofSlope,简称SOS)。
坡度是地面高程的变化率的求解,因此,坡度变率表征了地表面高程相对于水平面变化的二阶导数。
坡度变率在一定程度上可以很好反映剖面曲率信息,其提取方法如下:
1)激活DEM主题,选择SpatialAnalysis-SurfaceAnalysis-Slope命令,提取DEM主题的坡度,得到主题SlopeofDEM;
2)激活主题SlopeofDEM,再对其用上述的方法提取坡度,得到DEM主题坡度的坡度,即坡度变率主题。
2.22坡向变率
地面坡向变率,是指在地表的坡向提取基础之上,进行对坡向变化率值的二次提取,亦即坡向之坡度(SlopeofAspect,SOA)。
它可以很好的反映等高线弯曲程度。
地面坡向变率在所提取的地表坡向矩阵的基础上沿袭坡度的求算原理,提取地表局部微小范围内坡向的最大变化情况。
值得注意的是:
SOA在提取过程中在不同的坡面上将会有误差的产生,即在坡面的南北两侧,北面坡由于坡向算法将会有误差产生,所以要对北坡的SOA结果进行纠正,因为从理论上讲SOA在地表北坡上将产生误差,北坡上坡向值范围为0—90°
和270°
—360°
,在正北方向附近,15°
和345°
之间坡向差值只是30°
,而在计算中却是差了330°
(如图4所示),所以要将北坡地区的坡向变率误差进行纠正,具体的操作方法为:
1)求取原始DEM数据层的最大高程值,记为H;
通过SpatialAnalysis下的栅格计算器Calculator,公式为(H-DEM),得到与原来地形相反的DEM数据层,即反地形DEM数据;
2)基于反地形DEM数据求算坡向值;
3)利用SOA方法求算反地形的坡向变率,记为SOA2,由原始DEM数据求算出的坡向变率值为SOA1;
4)在SpatialAnalysis下使用栅格计算器Calculator,公式为SOA=(([SOA1]+[SOA2])-Abs([SOA1]-[SOA2]))/2,即可求出没有误差的DEM的坡向变率。
2.23地形起伏度
地形起伏度是指在一个特定的区域内,最高点海拔高度与最低点海拔高度的差值。
它是描述一个区域地形的一个宏观性的指标。
从地形起伏度的定义可以看出,求地形起伏度的值,首先要求出一定范围内海拔高度的最大值和最小值,然后,对其求差值即可。
求一定范围内的最大值和最小值,可以通过用SpatialAnalysis下使用栅格邻域计算工具NeighborhoodStatistics,分别设置Statistictype为最大值和最小值,邻域的设置可以为圆,也可以为矩形,邻域的大小可根据自己的要求来确定。
地形起伏度的具体提取方法如下:
1)激活DEM数据,在SpatialAnalysis下使用栅格邻域计算工具NeighborhoodStatistics。
设置Statistictype为最大值,邻域的类型为矩形(也可以为圆),邻域的大小为11×
11(这个值也可以根据自己的需要进行改变),则可得到一个邻域为11×
11的矩形的最大值层面,记为A;
2)重复1、2,只是把Statistictype值设置为最小值,即可得到DEM数据的最小值层面,记为B;
3)在SpatialAnalysis下使用栅格计算器Calculator,公式为[A]-[B],即可得到一个新层面,其每个栅格的值是以这个栅格为中心的确定邻域的地形起伏值。
2.24地面粗糙度
地面粗糙度是指在一个特定的区域内,地球表面积与其投影面积之比。
它也是反映地表形态的一个宏观指标。
根据地面粗糙度的定义,求每个栅格单元的表面积与其投影面积之比,可以用如下方法来完成。
如图8。
假如ABC是一个栅格单元的纵剖面,α为此栅格单元的坡度,则AB面的面积为此栅格的表面积,AC面为此栅格的投影面积(也既是此栅格的面积),根据公式:
Cosα=AC/AB则可得出此栅格单元的地面粗糙度M为:
M=“AB面的面积”/“AC栅格单元的面积”
=(AC*AB)/(AC*AC)=1/Cosα
地面粗糙度的提取步骤如下:
2)激活主题SlopeofDEM,在SpatialAnalysis下使用栅格计算器Calculator,公式为:
1/Cos([SlopeofDEM]*3.14159/180)
即可得到地面粗糙度的层面。
需要注意的是,在ArcGIS中,计算Cos默认的角度值是弧度值,而通过提取坡度得到的值是角度,所以在计算时必须把角度转为弧度。
此外,地形指标还包括一些常用的水文因子,如坡长、沟壑密度等,该类因子的提取一般通过水文方法实现。
第三部分实验总结
3.1实验完成任务
3.11实验数据
图3.11-1(DEM图)
图3.11-2(H-DEM图)
3.12坡度变率
图3.12-1(DEM坡度图)
图3.12-2(DEM坡度变率图)
3.13坡向变率
图3.13-1(DEM坡向图)
图3.13-2(DEM坡向变率图)
图3.13-3(H-DEM坡向图)
图3.13-4(H-DEM坡向变率图)
图3.13-4(无误差DEM坡向图)
3.14地形起伏度
图3.14-1(图层A)
图3.14-2(图层B)
图3.14-3(地形起伏度图)
3.14地面粗糙度
图3.14-1(地面粗糙度图)
3.2实验小结
3.21进一步熟悉了ArcGIS的操作,同时也加深对各基本地形指标的概念及其应用意义的理解。
3.22绘图过程中遇到的困难主要有:
对于栅格计算器的熟练运用不够,具体表现为:
在输入公式进行计算时,格式出现大量错误,后经过反复更改,最终顺利完成实验。
提取DEM的反地形图像(H-DEM)时,对于H的值选取和查找出现问题,后经过询问同学,最终找到解决方法。
实验二
—地形特征信息提取
特征地形要素,主要是指对地形在地表的空间分布特征具有控制作用的点、线或面状要素。
特征地形要素构成地表地形与起伏变化的基本框架。
与地形指标的提取主要采用小范围的领域分析不同的是,特征地形要素的提取更多地应用较为复杂的技术方法,如山谷线、山脊线、沟沿线等的提取采用了全局分析法(globalprocess),成为栅格地学分析中很具特色的数据处理内容。
特征地形要素从表示的内容上可分为地形特征点和特征线两大类。
地形特征点主要包括山顶点(peak)、凹陷点(pit)、脊点(ridge)、谷点(channel)、鞍点(pass),平地点(plane)等。
利用DEM提取地形特征点,可通过一个3×
3或更大的栅格窗口,通过中心格网点与8个邻域格网点的高程关系来进行判断会获取。
山脊线和山谷线构成了地形起伏变化的分界线(骨架线),因此它对于地形地貌研究具有重要的意义。
另一方面,对于水文物理过程研究而言,由于山脊、山谷分别表示分水性与汇水性,山脊线和山谷线的提取实质上也是分水线与汇水线的提取。
山顶点、谷底点的提取在第八章实例中已有介绍,下文通过山脊线和山谷线的提取,进一步介绍如何基于ArcGIS完成地形特征信息的提取。
这一特性又使得山脊线和山谷线在许多工程应用方面有着特殊的意义。
基于规则格网DEM是最主要的自动提取山脊线和山谷线的方法,从算法设计原理上来分,大致可以分为以下五种:
1)基于图像处理技术的原理;
2)基于地形表面几何形态分析的原理;
3)基于地形表面流水物理模拟分析原理;
4)基于地形表面几何形态分析和流水物理模拟分析相结合的原理;
5)平面曲率与坡形组合法。
其中,平面曲率与坡形组合法提取的山脊、山谷的宽度可由选取平面曲率的大小来调节,方法简便,效果好。
该方法基本处理过程为:
首先利用DEM数据提取地面的平面曲率及地面的正负地形,取正地形上平面曲率的大值即为山脊,负地形上平面曲率的大值为山谷。
实际应用中,由于平面曲率的提取比较繁琐,而坡向变率(SOA)在一定程度上可以很好地表征平面曲率。
因此,下面的提取过程以SOA代替平面曲率。
通过本实例,使读者掌握山脊线和山谷线这两个基本地形特征信息的理论及其基于DEM的提取方法与原理。
同时,熟练掌握利用ArcGIS软件对这两个特征信息的提取。
利用所给区域DEM数据,提取该区域山脊线、山谷线栅格数据层。
2.1实验工具
EX2DEM图。
2.21山脊线、山谷线
1)激活DEM数据,在SpatialAnalysis下使用surface菜单下的DeriveAspect命令,提取DEM坡向层面,记为A;
2)激活A层面,在SpatialAnalysis下使用surface菜单下的DeriveSlope命令,提取A层面的坡向信息,记为SOA1;
3)求取原始DEM数据层的最大高程值,记为H;
4)基于反地形DEM数据求算坡向值;
5)利用SOA方法求算反地形的坡向变率,记为SOA2;
6)在SpatialAnalysis下使用栅格计算器Calculator,公式为SOA=(([SOA1]+[SOA2])-Abs([SOA1]-[SOA2]))/2,即可求出没有误差的DEM的坡向变率SOA;
7)激活原始DEM数据,在SpatialAnalysis下使用栅格邻域计算工具NeighborhoodStatistics;
设置Statistictype为平均值,邻域的类型为矩形(也可以为圆),邻域的大小为11×
11的矩形的平均值层面,记为B;
8)在SpatialAnalysis下使用栅格计算器Calculator,公式为C=[DEM]-[B],即可求出正负地形分布区域;
9)在SpatialAnalysis下使用栅格计算器Calculator,公式为D=[C]>
0&
SOA>
70,即可求出山脊线;
10)同理,在栅格计算器Calculator中,修改公式为D=[C]<
0SOA>
70,即可求出山谷线。
图3.11-1(DEMH值图)
3.12坡向变率
图3.12-1(DEM坡向图)
图3.12-2(DEM坡向变率图)
图3.12-3(H-DEM坡向图)
图3.12-4(H-DEM坡向变率图)
图3.12-5(无误差DEM坡向图)
3.13平均值层面
图3.13-1
3.14正负地形分布区域
图3.14-1
3.15山脊线
图3.15-1
3.16山谷线
图3.16-1
图3.16-2
熟练掌握使用ArcGIS软件提取山脊线、山谷线的方法和步骤。
在输入公式进行计算时,格式出现大量错误,具体表现为求取山脊线和山谷线的过程:
“D=[C]>
70”的输入和计算,后经过反复更改,明白正确的输入方式为:
D=(“C>
0”)&
(“SOA>
70”)最终顺利完成实验。
实验三
—表面创建及景观图制作
随着社会经济的发展,旅游业在国民经济中所占比重加大。
开发某一地区的旅游资源,制作景区的三维景观图,直观形象地向游人展示该区域的地形地貌、秀美景观,加强对景区的监管,具有重要的意义和实际应用价值。
通过本实验,使读者加深对表面概念及生成方法的的理解,掌握三维场景中表面及矢量要素的立体显示其原理与方法,熟练掌握ArcGIS软件中表面生成、表面及矢量要素杂场景中的三维显示及其叠加显示。
此外,本实例还允许用户自行设计要素的符号化显示方案。
(1)利用所给等高线数据建立景区栅格表面;
(2)在ArcScene三维场景中,实现表面与其它要素叠加三维显示;
(3)设计各要素如道路、水系等的符号化显示;
(4)综合考虑表面及各要素,生成美观大方的区域景观图;
2.21三维显示、叠加显示
(1)启动ArcScene,打开场景文件Exercise3.sxd(光盘中..\Ex3\Exercise3.sxd),其中已添加以下数据层:
等高线数据层Arc_Clip,道路数据层Arc_Clip_road,水系数据层Arc_Clip_river,休憩地数据层Arc_Clip_urb。
(2)创建区域TIN表面
1)选择并点击3DAnalyst菜单栏中的Create\ModifyTin选项栏中的CreateTINFromFeatures命令(图14)。
弹出由要素创建对话框。
2)在Layer框中勾选等高线图层Arc_Clip,在右边的HeightSource中选择Elevation字段,在Triangulateas中选择softline。
3)最后,指定输出路径及文件名即可生成的地形景观
4)关闭显示所有已添加。
5)点击SpatialAnalyst模块的下拉选择Convert并点击TINtoRaster。
6)在弹出ConvertTINtoRaster对话框中作如下设置:
在InputTIN选项栏中选择tin,在Attribute栏中点选Elevation.在Outputraster栏中键入生成的DEM保存地址,点击OK。
(4)符号化设计
1)单击左边内容列表中每一图层下的符号样式,在弹出的SymbolSeclector对话框中选择合适的体例样式。
2)关闭等高线(Arc_Clip)图层及tin图层。
(5)建立三维景观图。
其它要素如道路、水系是景区三维景观图中游客向导的重要识别特征信息。
在ArcScene中通过设置要素的基准高程,可以实现其三维显示。
此外,还可以将纹理、遥感影像或二维地理要素与表面叠加。
依次打开需要叠加显示的道路、水系、休憩地要素图层的属性对话框,设置其基准高程为区域TIN表面,以实现要素与地形的三维叠加显示。
此外,根据需要可对地形起伏程度进行拉伸以夸大或缩小起伏度,可通过设置各图层数据高程转换系数实现。
图3.11-1
3.12创建区域TIN、生成DEM
图3.12-1
3.13符号化设计
图3.12-2
图3.13-3
3.14三维景观图
3.21进一步熟悉了ArcGIS的操作,加深了我们对表面概念及生成方法的的理解,掌握三维场景中表面及矢量要素的立体显示其原理与方法,熟练掌握ArcGIS软件中表面生成、表面及矢量要素杂场景中的三维显示及其叠加显示。
制图综合部分基础不牢固,导致的后果是制图的美观性不足。
不具有视觉上的观赏性,同时由于时间仓促(修二专,作业过于繁多),导致的过程是很多制图细节没有注意到,比如地图符号的表达等,导致实验结果没有预期的理想。
。
实验四
—污染物在蓄水层中的可视化
如果在某地区蓄水层中包含挥某种污染物,在已有污染数据时,可以创建三维场景,直观地显示污染情况。
通过本实例,使读者熟练掌握ArcScene三维场景中要素、表面的多种可视化方法。
利用所给数据,实现污染物状况的三维可视化显示,点状水井矢量要素的突出显示,污染源的符号化突出显示。
2.21污染物在蓄水层中的可视化
使用ArcGIS的三维分析工具,包括三维场景中数据的加载、数据在场景中的三维立体显示方法(包括设置基准高程显示和突出显示要素两种方法)。
对污染物在蓄水层中的分布做直观的观察和分析,并研究区域内分布的水井受其影响的情况。
最后然后分析污染源的情况,确定污染源需要清理的优先级,以为决策提供科学支持。
(1)首先打开场景Exercise4.sxd(..\Ex4)
(2)显示污染物的体积与污染程度。
将污染物浓度的栅格图层叠加到污染空间表面上,可以显示蓄水层中污染物的体积与污染物程度。
1)打开污染物浓度图层contamination的属性对话框;
2)选择其空间TIN表面(C_TIN)设置基准高程,同时设置Z值转换系数为200;
3)在Symbology选项卡中选择一合适渐变色系;
4)在内容列标表中取消TIN表面的显示,此时可以在三维空间中察看污染物空间的形状及其受污染的强度。
(3)显示污染物空间与水井的关系
从数据中可以看出一些水井位于污染物空间中。
可以通过水井的深度属性对其进行突出显示,即可查找出哪些水井与污染物空间相交,哪些水井受污染较严重。
1)打开水井数据层属性对话框并选择Extrusion选项卡。
2)计算突出表达式为其深度属性字段Depth,同时选择将表达式应用为各个要素的基准高程,水井的深度以负值表示,使其向下突出。
关闭C-TIN数据层的显示。
此时,可以直观地察看与污染物空间相交或相邻的水井。
(4)优先显示需要清理的污染源
如前所述,根据各个污染源需要进行清理的紧急程度,对其进行分级归类。
然后将其突出显示,并用颜色标志出来,以突出需要进行清理的优先级。
1)打开污染源facility数据层属性对话框并选择extrusion对话框。
2)计算突出表达式为Priority1*100。
3)在Symbology选项卡中设置符号为渐变色(Graduatedcolors),选择值域(Value)为PRIORITY1,将符号分为5级显示。
此时,工业设施根据其优先级按比例突出显示。
场景中可以看得出污染的形状及强度、水井与污染物空间的关系,以及为阻止地下水进一步污染而需要进行清理的污染源。
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