空間分析實(shí)習(xí)報(bào)告

1、空間分析實(shí)習(xí)報(bào)告學(xué) 院遙感信息工程學(xué)院班 級學(xué) 號姓 名日 期一、 實(shí)習(xí)內(nèi)容簡介1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?） 通過實(shí)習(xí)了解ArcGIS的發(fā)展，以及10.1系列軟件的構(gòu)成體系（2） 熟練掌握ArcMap的基本操作及應(yīng)用（3） 了解及應(yīng)用ArcGIS的分析功能模塊ArcToolbox（4） 加深對地理信息系統(tǒng)的了解2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:首先是對ArcGIS有初步的了解。了解ArcGIS的發(fā)展，以及10.1系列軟件的構(gòu)成體系，了解桌面產(chǎn)品部分ArcMap、ArcCatalog和ArcToolbox的相關(guān)基礎(chǔ)知識。實(shí)習(xí)一是柵格數(shù)據(jù)空間分析，ArcGIS軟件的Spatial Analyst模塊提供了強(qiáng)大的空間分析工具，可

2、以幫助用戶解決各種空間分析問題。利用老師所給的數(shù)據(jù)可以創(chuàng)建數(shù)據(jù)（如山體陰影），識別數(shù)據(jù)集之間的空間關(guān)系，確定適宜地址，最后尋找一個(gè)區(qū)域的最佳路徑。實(shí)習(xí)二是矢量數(shù)據(jù)空間分析，ArcToolbox軟件中的Analysis Tools和Network Analyst Tools提供了強(qiáng)大的矢量數(shù)據(jù)處理與分析工具，可以幫助用戶解決各種空間分析問題。利用老師所給的數(shù)據(jù)可以通過緩沖區(qū)分析得到矢量面數(shù)據(jù)，通過與其它矢量數(shù)據(jù)的疊置分析、臨近分析來輔助選址決策過程；可以構(gòu)建道路平面網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)而通過網(wǎng)絡(luò)分析探索最優(yōu)路徑，從而服務(wù)于公交選線、智能導(dǎo)航等領(lǐng)域。實(shí)習(xí)三是三維空間分析，學(xué)會用ArcCatalog查找、預(yù)

3、覽三維數(shù)據(jù)；在ArcScene中添加數(shù)據(jù)；查看數(shù)據(jù)的三維屬性；從二維要素與表面中創(chuàng)建新的三維要素；從點(diǎn)數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建新的柵格表面；從現(xiàn)有要素?cái)?shù)據(jù)中創(chuàng)建TIN表面。實(shí)習(xí)四是空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，利用地統(tǒng)計(jì)分析模塊，你可以根據(jù)一個(gè)點(diǎn)要素層中已測定采樣點(diǎn)、柵格層或者利用多邊形質(zhì)心，輕而易舉地生成一個(gè)連續(xù)表面。這些采樣點(diǎn)的值可以是海拔高度、地下水位的深度或者污染值的濃度等。當(dāng)與ArcMap一起使用時(shí)，地統(tǒng)計(jì)分析模塊提供了一整套創(chuàng)建表面的工具，這些表面能夠用來可視化、分析及理解各種空間現(xiàn)象。實(shí)習(xí)五是空間分析建模，空間分析建模就是運(yùn)用GIS空間分析方法建立數(shù)學(xué)模型的過程。按照建模的目的，可分為以特征為主的描述模

4、型（descriptive model）和提供輔助決策信息和解決方案為目的的過程模型（process model）兩類。本次實(shí)習(xí)主要是通過使用ArcGIS的模型生成器（Model Builder）來建立模型，從而處理涉及到許多步驟的空間分析問題。二、實(shí)習(xí)成果及分析實(shí)習(xí)一：練習(xí)1：顯示和瀏覽空間數(shù)據(jù)。利用ArcMap和空間分析模塊顯示和瀏覽數(shù)據(jù)。添加和顯示各類空間數(shù)據(jù)集、在地圖上高亮顯示數(shù)值、查詢指定位置的屬性值、分析一張直方圖和創(chuàng)建一幅山體陰影圖。練習(xí)2：為一所新學(xué)校選址。通過創(chuàng)建一幅適宜性地圖，幫助你找到新學(xué)校的最佳位置。你將從原始數(shù)據(jù)集派生出距離與坡度數(shù)據(jù)集，用同一等級體系給各數(shù)據(jù)集重分類

5、，給那些認(rèn)為較重要的數(shù)據(jù)分配較大權(quán)重，最后合并各數(shù)據(jù)集，給出最佳位置。 從高程數(shù)據(jù)派生坡度數(shù)據(jù)集 從娛樂場所數(shù)據(jù)集派生距離數(shù)據(jù)集 重分類學(xué)校 重分類坡度 重分類土地利用類型數(shù)據(jù)集 賦權(quán)重并合并各數(shù)據(jù)集做好練習(xí)2需要掌握的的關(guān)鍵問題在于以下三點(diǎn)：1）獲取派生信息利用數(shù)據(jù)創(chuàng)建有用信息，例如，創(chuàng)建山體陰影以提供顯示的地形背景，通過計(jì)算坡度來識別陡峭的坡面，確定某位置到每條道路的距離或方向，或計(jì)算某區(qū)域內(nèi)的人口密度。2）識別空間關(guān)系分析空間數(shù)據(jù)集的關(guān)系。例如，查找白血病的爆發(fā)與到核電站間的距離之間是否存在某種關(guān)系，分析方位朝向?qū)σ粋€(gè)植物種類的生存是否重要。3 ) 尋找適宜位置通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢或創(chuàng)建一

6、幅適宜性地圖，可以找到適宜性的地址。例如，查詢數(shù)據(jù)集以查找海拔在3000英尺以上、距離一個(gè)城鎮(zhèn)五英里以內(nèi)的區(qū)域，或通過合并數(shù)據(jù)集創(chuàng)建一幅適宜性地圖，以檢查每個(gè)位置的適宜性。練習(xí)3：尋找一條通往新學(xué)校的替代路徑。第一步：創(chuàng)建“源”數(shù)據(jù)集和“成本”數(shù)據(jù)集.，本練習(xí)中的“源”就是學(xué)校的位置。創(chuàng)建“成本”數(shù)據(jù)集，首先確定需要哪些數(shù)據(jù)集，然后用同一等級體系對這些數(shù)據(jù)集重分類并賦權(quán)值，最后合并這些數(shù)據(jù)集。 “源”數(shù)據(jù)集對各要素集進(jìn)行重分類 合并各數(shù)據(jù)集 cost輸出結(jié)果第二步：執(zhí)行成本權(quán)重距離函數(shù)，使用“源”數(shù)據(jù)集和“成本”數(shù)據(jù)集作為輸入，函數(shù)運(yùn)算輸出的距離數(shù)據(jù)是一個(gè)柵格數(shù)據(jù)集。這個(gè)柵格數(shù)據(jù)集中每一個(gè)單元

7、的值是從該單元上溯到“源”的累計(jì)成本。第三步：執(zhí)行最短路徑函數(shù)必要時(shí)建立終點(diǎn)數(shù)據(jù)集。在本練習(xí)中，終點(diǎn)是一個(gè)公路交匯點(diǎn)。執(zhí)行最短路徑函數(shù)需要使用距離數(shù)據(jù)集和方向數(shù)據(jù)集，兩者均由成本加權(quán)函數(shù)創(chuàng)建。 執(zhí)行成本權(quán)重距離函數(shù)結(jié)果執(zhí)行最短路徑函數(shù)結(jié)果練習(xí)4：山頂點(diǎn)的提取。通過等高線、山頂點(diǎn)、洼地點(diǎn)的提取和配置，利用ArcGIS的柵格數(shù)據(jù)空間分析中的等高線提取、柵格數(shù)據(jù)鄰域分析和窗口計(jì)算功能，完成柵格數(shù)據(jù)表面分析。實(shí)習(xí)二：練習(xí)1. 矢量數(shù)據(jù)的空間查詢操作； 查詢滿足要求的加油站和地塊 查詢滿足要求的房子查詢操作所涉及的問題：（1） 一共有多少個(gè)加油站滿足要求？2個(gè)（2） 這些滿足要求的加油站的名字是什么？L

8、ARRY'S EXXON ANN'S MART STATION #1963（3） 基于目前所選擇的商業(yè)點(diǎn)，你認(rèn)為哪個(gè)加油站是最滿足要求的（能夠服務(wù)最多的顧客）？ ANN'S MART STATION #1963（4） 這個(gè)滿足要求的加油站的四分之一英里以內(nèi)有多少商業(yè)點(diǎn)？9個(gè)（5） 一共有多少地塊（包括“DRAIN”要素）將會受到管網(wǎng)系統(tǒng)改造工程的影響？37個(gè)（6） 受影響的市級地塊（City）的總面積是多少？36個(gè)（7） 受影響的縣級地塊（County）的總面積是多少？1個(gè)（8） 最終可供選擇的人口普查地塊有多少個(gè)？2個(gè)（9）最終所可供選擇的人口普查地塊中的人均收入(P

9、ER_CAPINC)的平均值是多少？16330.499512空間查詢就是基于地物的空間位置以及同其它地物之間的空間關(guān)系來選擇符合一定空間規(guī)則的地物的操作過程。在ArcGIS軟件中，該操作可以讓你從一個(gè)或者多個(gè)矢量圖層中選擇出與另外一個(gè)圖層中的地物有空間位置關(guān)聯(lián)的相關(guān)地物。練習(xí)2. 矢量數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)操作； 生成緩沖區(qū)利用緩沖區(qū)進(jìn)行空間查詢緩沖區(qū)分析就是基于近鄰的概念把空間分為兩個(gè)區(qū)域：位于所選空間要素的指定距離之內(nèi)(緩沖區(qū))和位于所選空間要素的指定距離之外，而空間要素可以是點(diǎn)、線、面或復(fù)雜要素。在ArcGIS軟件中，可以通過緩沖區(qū)分析確定公共設(shè)施的服務(wù)半徑（點(diǎn)緩沖）、河流對兩岸陸地的潛在的淹沒范

10、圍（線緩沖），以及城市邊界的擴(kuò)張范圍（面緩沖）。附件：濕地影響到的地塊分布的專題圖練習(xí)3. 矢量數(shù)據(jù)的疊置分析；空間疊置分析部分所涉及的問題：（10）通過合并操作之后，新生成的要素類中一共有多少個(gè)要素？ 3個(gè)（11）為什么輸出圖層中的要素要比輸入圖層中的要素多呢？一個(gè)要素是Water_Buffer圖層中原有的部分，一個(gè)要素是Roads_Buffer圖層中原有的部分，還有一個(gè)要素是道路緩沖區(qū)和水體緩沖區(qū)的公共空間區(qū)域。附件：露營地專題圖空間疊置分析就是在統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系下，將同一地區(qū)的兩個(gè)或兩個(gè)以上的地理要素圖層進(jìn)行疊置，產(chǎn)生空間區(qū)域的多種屬性特征的分析方法。在ArcGIS軟件中，根據(jù)操作形式的

11、不同，疊置分析可分為圖層擦除（Erase）、識別疊加（Identity）、交集操作（Intersect）、對稱區(qū)別（Symmetrical difference）、圖層合并（Union）和修正更新（Update）等。練習(xí)4. 基于道路網(wǎng)的最優(yōu)路徑的網(wǎng)絡(luò)分析；空間網(wǎng)絡(luò)分析就是通過模擬、分析網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及資源在網(wǎng)絡(luò)上的流動(dòng)和分配等，研究網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、流動(dòng)效率及網(wǎng)絡(luò)資源等的優(yōu)化問題，是對地理網(wǎng)絡(luò)和城市基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)狀事物以及它們的相互關(guān)系和內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行地理分析。在ArcGIS軟件中，主要包括傳輸網(wǎng)絡(luò)分析(Network Analyst)和效用網(wǎng)絡(luò)分析(Utility Network Analyst)，其

12、中傳輸網(wǎng)絡(luò)分析是本次實(shí)習(xí)的主要內(nèi)容。傳輸網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集(Network Dataset)創(chuàng)建，它主要解決的一個(gè)主要問題是：計(jì)算點(diǎn)與點(diǎn)之間的最佳距離：時(shí)間最短或者距離最短，最佳路徑的計(jì)算能夠繞開事先設(shè)置的障礙物。實(shí)習(xí)三：練習(xí)一：在地形表面上疊加影像；在地形表面上疊加遙感影像，有助于對影像模式及其與地形的相關(guān)性的理解。 Geography 3D VIEW 影像加入到場景 疊加影像&拉伸地形練習(xí)二：污染物在蓄水層中的可視化；本練習(xí)是創(chuàng)建一個(gè)三維場景，以幫助政府官員與公眾們了解污染的情況。污染物空間的形狀及其受污染的強(qiáng)度 顯示污染物空間與水井的關(guān)系練習(xí)三：土壤污染及甲狀腺癌發(fā)病率的可視化；

13、查看點(diǎn)數(shù)據(jù)Csl37的土壤含量用小符號表示(紅色調(diào))，使用分級顏色表示受污染的程度。各區(qū)的甲狀腺癌發(fā)病率使用大符號表示(藍(lán)色調(diào))，其顏色方案與Csl37不同。創(chuàng)建三維點(diǎn)要素并進(jìn)行拉伸所涉及問題答案：區(qū)域中心點(diǎn)使用甲狀腺癌的發(fā)病率，按一定比例以柱狀方式顯示出來。甲狀腺癌的發(fā)病率與Csl37濃度基本成正比關(guān)系。 插值表面 擇要素并高亮顯示在本練習(xí)中，創(chuàng)建了三維要素，以垂直線突出顯示點(diǎn)要素，并用一組點(diǎn)數(shù)據(jù)插值獲得了柵格表面。同時(shí)，還將突出的矢量數(shù)據(jù)與表面數(shù)據(jù)作了比較，查看了矢量數(shù)據(jù)的屬性值。 練習(xí)四：創(chuàng)建TIN表面表示地形。首先從點(diǎn)數(shù)據(jù)中創(chuàng)建TIN，然后向TIN中添加要素，當(dāng)我們向TIN中添加rai

14、lroad要素時(shí)，所添加的鐵路要素在TIN表面上顯示出來，但其并不影響表面的形狀。這種線性要素稱之為“軟”分隔線；Brklines中的要素具有高程信息，當(dāng)我們向TIN中添加brklines中的要素時(shí)將影響原有TIN表面的外形，這種線性要素稱之為“硬”分隔線，常用于對所感興趣的區(qū)域的外形進(jìn)行細(xì)化調(diào)整；我們還可以向TIN中添加smclp多邊形作為裁切多邊形時(shí)，用來對TIN的邊進(jìn)行平滑。然后通過TIN設(shè)置要素和柵格的基準(zhǔn)高度，最后在地形上創(chuàng)建視線瞄準(zhǔn)線。成果圖如下：實(shí)習(xí)四：利用地統(tǒng)計(jì)分析模塊，根據(jù)一個(gè)點(diǎn)要素層中已測定采樣點(diǎn)、柵格層或者利用多邊形質(zhì)心，輕而易舉地生成一個(gè)連續(xù)表面。這些采樣點(diǎn)的值可以是海

15、拔高度、地下水位的深度或者污染值濃度等。當(dāng)與ArcMap一起使用時(shí)，學(xué)習(xí)利用地統(tǒng)計(jì)分析模塊提供的一整套創(chuàng)建表面的工具來生成一個(gè)相對精確的連續(xù)表面，用這些表面來進(jìn)行可視化、分析及理解各種空間現(xiàn)象等。1 利用缺省參數(shù)創(chuàng)建一個(gè)臭氧表面（1）打開arcmap 并激活地統(tǒng)計(jì)分析模塊（2）加載數(shù)據(jù)（3）利用缺省參數(shù)創(chuàng)建臭氧濃度表面。 利用缺省值創(chuàng)建的臭氧表面2 檢查數(shù)據(jù) （1）檢查臭氧濃度數(shù)據(jù)分布是否符合正態(tài)分布,從下圖可以看到臭氧濃度分布大致符合正態(tài)分布 臭氧濃度分布直方圖 (2)正態(tài)QQ圖。另外一種檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布的方法，通過標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布與現(xiàn)有數(shù)據(jù)分布比較，還可以找到一些異常值，來檢查并校正這

16、些異常值。若符合正態(tài)分布則數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)成一條直線，那些不在直線上的點(diǎn)為異常點(diǎn)。 臭氧濃度正態(tài)QQ圖 （3）用趨勢分析工具識別數(shù)據(jù)中的全局趨勢。只有數(shù)據(jù)分布符合一定的趨勢，才能用數(shù)學(xué)公式對確定表面進(jìn)行模擬，故需要分析數(shù)據(jù)的全局趨勢。 臭氧數(shù)據(jù)全局趨勢 （4）理解數(shù)據(jù)的空間自相關(guān)和方向效應(yīng)。利用半變異函數(shù)/協(xié)方差函數(shù)云圖，在半變異函數(shù)協(xié)方差函數(shù)云圖中，每個(gè)紅點(diǎn)表示一對采樣點(diǎn)。既然越近的點(diǎn)越相似，那么在半變異函數(shù)云圖中鄰近的點(diǎn)（在X軸的左邊）應(yīng)該有較小的半變異函數(shù)值（在Y軸的下部）。隨著樣點(diǎn)對間距離的增加（在X軸上向右移動(dòng)），變異函數(shù)值也要相應(yīng)增加（在Y軸上向上移動(dòng)）。然而，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的距離后，云圖變平

17、，這表明超出這個(gè)距離時(shí)，樣點(diǎn)對之間不再具有相關(guān)關(guān)系了。觀察半變異函數(shù)圖，如果某些靠得很近的數(shù)據(jù)點(diǎn)（在X軸上接近于零）具有異常的較高的半變異函數(shù)值（在Y軸的上部）時(shí)，你就應(yīng)該仔細(xì)檢杳這些樣點(diǎn)對，看看是不是這些數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。（可用于探測異常值） 半變異函數(shù)/協(xié)方差函數(shù)云圖3 制作臭氧濃度圖 在生成臭氧濃度表面模型時(shí)考慮到數(shù)據(jù)分布符合一定的趨勢，在差值時(shí)加入趨勢因素生成模型。 加入趨勢因素后臭氧濃度圖 4 模型對比。通過比較缺省參數(shù)的臭氧濃度模型和加入趨勢因素后的臭氧濃度模型，選擇一種能較少模擬出臭氧濃度表面模型。通過比較可以得到Trendmoved 模型對數(shù)據(jù)的模擬更精確。 兩種模型交叉驗(yàn)證比較5

18、創(chuàng)建臭氧超出某一臨界值的概率圖。在決策階段，利用預(yù)測得到的臭氧圖來識別危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，務(wù)必要謹(jǐn)慎，因?yàn)槟阈枰私忸A(yù)測中的不確定性。例如，對于一個(gè)8小時(shí)的時(shí)段，假設(shè)臭氧的臨界值是0.12ppm，你可能想判斷山哪些超出該臨界值的地區(qū)。你可以使用地統(tǒng)計(jì)分析模塊來生成臭氧濃度超出臨界值的概率圖，這可以輔助決策。本練習(xí)我們使用的是指示克里金法。這種方法不要求數(shù)據(jù)集一定要服從某種特定分布。根據(jù)數(shù)據(jù)值是高于或者低于一個(gè)臨界值來將數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換為一系列的0和l。如果利用0.12ppm作為臨界值的話，任何低于它的數(shù)據(jù)值都將被賦予0，而高于它的值則被賦予1。然后指示克里金法使用一個(gè)根據(jù)轉(zhuǎn)換后的0-1數(shù)據(jù)集計(jì)算得到的半變異

19、函數(shù)模型進(jìn)行計(jì)算。 指示克里金模型6生成最終成果圖（1）顯示兩個(gè)表面（2）外推臭氧值（3）以加州輪廓圖為參考對圖層進(jìn)行剪裁(4) 定位洛杉磯城(5) 創(chuàng)建圖版(6) 添加一個(gè)透明的山體陰影圖(7) 添加地圖要素最后結(jié)果出圖實(shí)習(xí)五：空間分析建模是指運(yùn)用GIS空間分析建立數(shù)學(xué)模型的過程，其過程包括：明確問題、分解問題、組建模型、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果和應(yīng)用分析結(jié)果。模型生成器（Model Builder）是ArcGIS所提供的構(gòu)造地理處理工作流和腳本的圖形化建模工具。在模型中，分別定義不同的圖形代表輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、空間處理工具，它們以流程圖的形式進(jìn)行組合以創(chuàng)建高級的空間分析功能和流程，加速復(fù)雜

20、地理處理模型的設(shè)計(jì)和實(shí)施。 通過對本次練習(xí)，我們可以認(rèn)識如何在Model Builder 環(huán)境下通過繪制數(shù)據(jù)處理流程圖的方式實(shí)現(xiàn)空間分析過程的自動(dòng)化，加深對地理建模過程的認(rèn)識，對各種GIS分析工具的用途有深入的理解。練習(xí)1模型：水文分析結(jié)果圖： 注意：制作水文分析模型，盡量使用英文名，且保存的文件名必須為原始英文名，要注意在提取河流網(wǎng)絡(luò)時(shí)，所要的匯流累計(jì)量應(yīng)為英文名，同時(shí)在Spatial Analyst Tools>>Map Algebra>>單輸出地圖代數(shù)一步，在 地圖代數(shù)表達(dá)式中輸入公式：con(Flow_accu >= 1000

21、0,1)練習(xí)2：創(chuàng)建路徑分析模型結(jié)果圖：三、實(shí)習(xí)體會通過這學(xué)期的空間分析實(shí)習(xí)，讓我體驗(yàn)到了ArcGIS功能之強(qiáng)大，也讓我對ArcGIS有了一個(gè)整體的認(rèn)識。也讓我知道了地理信息系統(tǒng)是做什么的，他能解決什么樣的問題。比如運(yùn)用ArcGIS的強(qiáng)大的分析功能做一個(gè)選址問題。就拿實(shí)習(xí)一來說，我們利用緩沖分析和疊置分析來完成選址問題。剛開始做實(shí)習(xí)時(shí)我就在思考，它是怎樣去完成這樣一個(gè)問題的呢？對于學(xué)校選址第一個(gè)思考的問題當(dāng)然是周圍的環(huán)境，學(xué)校位置應(yīng)靠近娛樂設(shè)施；新學(xué)校的位置應(yīng)遠(yuǎn)離現(xiàn)有學(xué)校以使整個(gè)鎮(zhèn)上的學(xué)校位置分布盡量分散；避開陡坡和特定的土地利用類型。這就得用ArcGIS中強(qiáng)大的緩沖分析了。緩沖區(qū)分析(Buffer)是對選中的一組或一類地圖要素（點(diǎn)、線或面）按設(shè)定的距離條件，圍繞其要素而形成一定緩沖區(qū)多邊形實(shí)體，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在二維空間得以擴(kuò)展的信息分析方法。所以我們第一步要做的就是輸入數(shù)據(jù)。第二步自然就是緩沖區(qū)的建立（派生數(shù)據(jù)集）。（1）在使用緩沖區(qū)分析之前，我們先加載緩沖區(qū)分析工具，操作如下：選擇主菜單中“Tools>Customize”命令，進(jìn)入“Command”標(biāo)簽；（2）在“Command”對話框選中Categorie框中的“Tools”，然后在右邊的“Commands” 框中選擇“Buffer