空间分析建模Arcgis实验操作文档Word格式.docx
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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,反映空间比照与趋势。
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开展,根据过去和现在推断未来,根据推测未知,运用科学知识和手段来估计地理对象的未来开展趋势,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;
外表建模:
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正确路径的选择、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,要到达什么样的目标,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展分解、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展比照。
如果模型结果的解释与实际状况符合或结果与实际观测根本一致,这说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,那么说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,参数的选择是否适宜,是否忽略了必要的参数或保存了不该保存的参数,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展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立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〕翻开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,那么生成model。
5.模型的根本组成
图解模型主要由三局部组成:
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根本构造:
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,但整体的构造保持不变。
同时,在模型运行前,所有的组成局部必须彼此连接。
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,不管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中翻开数据,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,比方用模型〔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,两个图形那么无法连接。
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:
单击模型生成器界面工具面板的Addconnection图标连接目标图形。
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,才可以以便下次翻开。
方法如下:
右键ArcToolbox,选择SaveSettings命令,保存为文件,那么该设置被保存.xml格式。
下次翻开时,只要点击右键ArcToolbox,选择LoadSettings命令,以文件形式翻开〔FromFile〕,选择所要翻开的设置即可。
5.添加注释
为了更好地了解模型的构造和功能、更彻底地理解模型和处理过程,在图解模型中参加注释。
同时也为了更好地组织工程,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,在翻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:
右键单击所要设置为参数的图形要素,选择ModelParameter命令;
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:
在工具条上,点击
运行模型。
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:
研究区界限(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.创立模型
〔1〕在ArcMap中,翻开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,翻开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也可以翻开ModelBuilder窗口,对已存在的模型进展编辑。
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"
〔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翻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;
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展重分类;
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"
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;
\PAGIS\GIS07\Exec1\Temp\Feature_vege1;
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展如下设置:
【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
植被栅格〞,在Inputfield为"
Vegtype〞,点按"
③再次继续点击AddRasterRow按钮
重分类坡度图〞,在Inputfield为"
Value〞,点按"
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一栏中进展修改:
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。
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。
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〞完毕。
【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展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被参加到ArcMap中,从0-9表示研究区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,但其缺乏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。
其根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〕将受光局部的等高线印为白色,背光局部的等高线印为黑色;
〔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。
将区域分为受光局部和背光局部,可以对原始的全栅格DEM数据进展坡向提取,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展确定,假定光源位置定位于地面西北方向,那么坡向为0~45、225~360时地外表为受光面,用白色表示;
坡向为45~225时地外表为背光面,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中翻开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〕翻开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。
图7-13拖放工具及建立连接
〔6〕在模型生成器窗口中选择spatialanalys
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