《地理信息系统》课程教学资源（Arcview讲义）第十一章 Arcview空间分析例证

第十一章Arcview空间分析例证Arcview空间分析在具体的实践中，应用很广泛，也很方便快捷。第一节地形指标提取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，影响着主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。地形指标，根据研究区域尺度的不同，有许多因子。基于Arcview的地形因子的提取，均是基于DEM的基础上的。日国国国网图区国国摄OAN#OO国TMWRDC1Pe0图11-1DEM数据图11-1是一个区域的分辨率为5米的DEM数据，图例是按照其高程值采用渐变色来显示。下文中关于地形指标的提取都是以这个数据为基础。一、坡度：坡度的定义和提取方法上一章已作了介绍：激活DEM数据所在的主题层，选择surface菜单下的Deriveslope命令即可

第十一章 Arcview 空间分析例证 Arcview 空间分析在具体的实践中，应用很广泛，也很方便快捷。 第一节 地形指标提取 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。 地形指标，根据研究区域尺度的不同，有许多因子。基于 Arc view 的地形因子的提取， 均是基于 DEM 的基础上的。 图 11-1 是一个区域的分辨率为 5 米的 DEM 数据，图例是按照其高程值采用渐变色来 显示。下文中关于地形指标的提取都是以这个数据为基础。 一、坡度： 坡度的定义和提取方法上一章已作了介绍：激活 DEM 数据所在的主题层，选择 surface 菜单下的 Derive slope 命令即可。 图 11-1 DEM 数据

形成的主题层，默认的是以DEM层的层名前加“slopeof”来命名，当然，你也可以leEd国图园8ONNHOOTDNAAWR-85-图11-2坡度图通过Theme下的Properties来改名。Arcview自动生成的坡度图，图例采用的是等间距分类并不一定能满足每个人的需要，可以激活坡度主题层，编辑其图例。图就是DEM生成的坡度图，其图例是按照水土保持方面划分坡度的标准来编辑的。二、坡向：坡向的定义和提取方法上一节也已做了介绍：激活DEM数据所在的主题层，选择【surface】菜单下的【DeriveAspect】命令。图11-3是根据图11-1提取的坡向图。国货精#OANMOORAETONAAAWR图11-3坡向图

形成的主题层，默认的是以 DEM 层的层名前加“slope of ”来命名，当然，你也可以 通过 Theme 下的 Properties 来改名。Arcview 自动生成的坡度图，图例采用的是等间距分类， 并不一定能满足每个人的需要，可以激活坡度主题层，编辑其图例。图 就是 DEM 生成的 坡度图，其图例是按照水土保持方面划分坡度的标准来编辑的。 二、坡向： 坡向的定义和提取方法上一节也已做了介绍：激活 DEM 数据所在的主题层，选择 【surface 】菜单下的【Derive Aspect】命令。图 11-3 是根据图 11-1 提取的坡向图。 图 11-2 坡度图 图 11-3 坡向图

三、部面曲率：部面曲率是地面上任一点位地表坡度的变化率，或者称为高程变化的二次导数。根据定义，面曲率的提取实际上是对DEM层两次求坡度，即"slopeofslope"其提取方法如下：1、激活DEM主题，选择【surface】菜单下的【DeriveAspect】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，即剖面曲率主题。图国网图图ONNNOOAAROTONAGAWR4货：CaTVietEeC##N#8#P883图11-4剖面曲率图四、平面曲率：平面曲率指的是地面上任一点位地表坡向的变化率，它是一个反映等高线弯曲程度的指标，可以反映出地表所有的山脊线、山谷线。根据平面曲率的定义，平面曲率就是对DEM层进行坡向的提取，然后再对这个坡向提取坡度。但需要注意的是，对于如图所示的A、B两个相邻的栅格单元，其坡向值分别是359°和1°，显然，A、B两个栅格单元只差了2°，而在自动提取坡向差时，却计算成了|359°-1°=358°，从而在北坡出现平面曲率的误差。所以，提取平面曲率的主要工作就是消除北坡的误差。这里，引入负地形的概念：负地形是和真实的地表高度相反，它通过一个计算（H-（DEM)），把原来高点变低，把原来低点变高，H的取值可以给定一个远大于此区域高程值的值如10000。负地形的实现可以通过【Analysis】下的【Calculator】命令，公式为[[DEM-H]*（-1）]，即可生成负地形。下面讨论如何通过负地形消除北坡的平面曲率误差。首先，利用正负地形分别提取平面曲率，因为负地形的平面曲率的误差出现在南坡，这样，正负地形的平面曲率的误差就对称

三、剖面曲率： 剖面曲率是地面上任一点位地表坡度的变化率，或者称为高程变化的二次导数。 根据定义，剖面曲率的提取实际上是对 DEM 层两次求坡度，即”slope of slope”； 其提取方法如下： 1、激活 DEM 主题，选择【surface 】菜单下的【Derive Aspect】命令，提取 DEM 主 题的坡度，得到主题 Slope of DEM； 2、激活主题 Slope of DEM，再对其用上述的方法提取坡度，得到 DEM 主题坡度的坡 度，即剖面曲率主题。 四、平面曲率： 平面曲率指的是地面上任一点位地表坡向的变化率，它是一个反映等高线弯曲程度的 指标，可以反映出地表所有的山脊线、山谷线。 根据平面曲率的定义，平面曲率就是对 DEM 层进行坡向的提取，然后再对这个坡向提 取坡度。 但需要注意的是，对于如图所示的 A、B 两个相邻的栅格单元，其坡向值分别是 359° 和 1°，显然，A、B 两个栅格单元只差了 2°，而在自动提取坡向差时，却计算成了|359° -1°|=358°，从而在北坡出现平面曲率的误差。 所以，提取平面曲率的主要工作就是消除北坡的误差。这里，引入负地形的概念：负 地形是和真实的地表高度相反，它通过一个计算（H -（DEM）），把原来高点变低，把原来 低点变高，H 的取值可以给定一个远大于此区域高程值的值如 10000。负地形的实现可以 通过【Analysis】下的【Calculator】命令，公式为[[DEM-H]*（-1）]，即可生成负地形。 下面讨论如何通过负地形消除北坡的平面曲率误差。首先，利用正负地形分别提取平面曲 率，因为负地形的平面曲率的误差出现在南坡，这样，正负地形的平面曲率的误差就对称 图 11-4 剖面曲率图

分布于北坡和南坡，记这两个层面分别为A、B。当这两个层面相加时，没有误差的地方值翻倍，有误差的地方除了其本身的值以外，还使误差得到了累积。当这两个层面相减时，没有误差的地方值为零，有误差的地方只剩下了累积的误差，误差有正有负，对相减得到aViniCOX图11-5平面曲率在北坡存在误差的新层面取绝对值。最后，对相加、相减得到的两个新层面再相减，即得到了没有误差的翻倍的平面曲率的值，对此值除以2，即可得到了没有误差的平面曲率的层面。平面曲率的提取方法如下：1、提取DEM层的坡向主题，再对此坡向主题提取坡度，得到的主题记为A；2、在【Analysis】菜单下使用【Calculator】命令，公式为[[DEM-H]*（-1）]，提取DEM层的负地形：3、提取负地形的坡向的坡度，记为B：4、在【Analvsis】菜单下使用【Calculator】命令，公式为[r「A+B]-「A-Bl.abs.1/2]即可求出没有误差的DEM的平面曲率。如图11-6国国区国ONNOONAANOTOMEENWNO假训VBBE18N.Dr图11-6消除误差后的平面曲率图

分布于北坡和南坡，记这两个层面分别为 A、B 。当这两个层面相加时，没有误差的地方 值翻倍，有误差的地方除了其本身的值以外，还使误差得到了累积。当这两个层面相减时， 没有误差的地方值为零，有误差的地方只剩下了累积的误差，误差有正有负，对相减得到 的新层面取绝对值。最后，对相加、相减得到的两个新层面再相减，即得到了没有误差的 翻倍的平面曲率的值，对此值除以 2，即可得到了没有误差的平面曲率的层面。 平面曲率的提取方法如下： 1、提取 DEM 层的坡向主题，再对此坡向主题提取坡度，得到的主题记为 A； 2、在【Analysis】菜单下使用【Calculator】命令，公式为[[DEM-H]*（-1）]，提取 DEM 层的负地形； 3、提取负地形的坡向的坡度，记为 B； 4、在【Analysis】菜单下使用【Calculator】命令，公式为[[[A+B]-[A-B].abs.]/2]， 即可求出没有误差的 DEM 的平面曲率。如图 11-6 图 11-6 消除误差后的平面曲率图 图 11-5 平面曲率在北坡存在误差

另外，根据求出的平面曲率，通过【Analysis】菜单的【Mapquery】命令，选取平面曲率>80的要素，即可提取出沟脊线和沟谷线，提取结果如图11-7。TF国国国国图园40ONNMOOOMETOMEAWRra0002图11-7提取的沟脊线和沟谷线五、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【Analysis】菜单的【Neighborhoodstatistics】分别设置statistic值为最大值和最小值，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【Analysis】菜单中使用【Neighborhoodstatistics】命令，图11-8地形起伏度

另外，根据求出的平面曲率，通过【Analysis】菜单的【Map query】命令，选取平面 曲率>80 的要素,即可提取出沟脊线和沟谷线.提取结果如图 11-7。 五、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【Analysis】菜单的【Neighborhood statistics】分别设置 statistic 值为最大值和最 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【Analysis】菜单中使用【Neighborhood statistics】命令， 图 11-7 提取的沟脊线和沟谷线 图 11-8 地形起伏度

设置statistic值为最大值，邻域的类型为矩形（也可以为圆），邻域的大小为100个Mapunits（这个值也可以根据自已的需要进行改变），则可得到一个邻域为100*100的矩形的最大值层面，记为A：2、对DEM数据采用同样的方法，只是把statistic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【Analysis】菜单下使用【Calculator】命令，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。如果还想知道更大范围或整个区域、整个图幅的地形起伏度，则可通过【Theme】下的【Editlegend】中的statistics来查看，其内容包括地形起伏的最大值、最小值、均值等。提取的结果如图11-9。QWIALegnd Edit区Theme:Map Calculaion 1口Load.Legend Type: Graduated ColorMSave.DefaukClasiicalionFieldValueaClassily..Normaize by.None>SymbolValueLabel5-19.086QStatisties19.096-33.171Fiold Veine口33.171-47.2575.00000047.257-61.343MSd103.59997661.343-75.42975.429-89.514Count89.514-103.6SunOK十区国口Meand54.783447ColorRamps:RedmonochromatiConcelStd.Deviatiorc13.042997Stalistics..UndoApplyAdvanced卫V图11-9EditLegend中的Statistics查询六、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11-10，假如AB是一个栅格单元的纵剖面，BC为其高程值，α图11-10栅格单元剖面图为此栅格的坡度，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（也是此栅格的面积），根据公式，Cosa=AC/AB则可得出AC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/COSa

设置 statistic 值为最大值，邻域的类型为矩形（也可以为圆），邻域的大小为 100 个 Map units （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 100*100 的矩形的 最大值层面，记为 A； 2、 对 DEM 数据采用同样的方法，只是把 statistic 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【Analysis】菜单下使用【Calculator】命令，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。 如果还想知道更大范围或整个区域、整个图幅的地形起伏度，则可通过【Theme 】下 的【Edit legend】中的 statistics 来查看，其内容包括地形起伏的最大值、最小值、均 值等。提取的结果如图 11-9。 六、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 11-10， 假如 AB 是一个栅格单元的纵剖面，BC 为其高程值，α 为此栅格的坡度，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 AC 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 图 11-9 Edit Legend 中的 Statistics 查询 A B C α 图 11-10 栅格单元剖面图

地面粗糙度的提取步骤如下：1、提取DEM层的坡度a：2、在【Analysis】菜单下使用【Calculator】命令，公式为((([S1ope]*3.14159/180).cos))Pow(-1))即可得到地面粗糙度的层面。图11-11地面粗糙度需要注意的是，在Arcview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。七、沟密度：沟整密度是指在一个特定的区域内，地表单位面积内沟整的总长度。沟整密度的提取可通过水文分析方法提取沟，然后通过统计查询，查出沟整的长度，再除以区域面积，则可得到区域的沟密度。其关键是确定沟整的标准。具体方法如下：1、激活DEM数据，在【Hydro】菜单下使用【Fil1】命令，对DEM数据中的高程为O的栅格进行填充，得到新的层面，记为A；

地面粗糙度的提取步骤如下： 1、提取 DEM 层的坡度α； 2、在【Analysis】菜单下使用【Calculator】命令,公式为: ((([Slope]*3.14159/180).cos))Pow(-1)) 即可得到地面粗糙度的层面。 需要注意的是，在 Arcview 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。 七、沟壑密度： 沟壑密度是指在一个特定的区域内，地表单位面积内沟壑的总长度。 沟壑密度的提取可通过水文分析方法提取沟壑，然后通过统计查询，查出沟壑的长度， 再除以区域面积，则可得到区域的沟壑密度。其关键是确定沟壑的标准。具体方法如下： 1、激活 DEM 数据，在【Hydro 】菜单下使用【Fill】命令，对 DEM 数据中的高程为 0 的栅格进行填充，得到新的层面，记为 A； 图 11-11 地面粗糙度

一图11-12通过水文分析求出的沟蟹2、对A层使用【Hydro】菜单的【Flowdirection】命令，提取水流方向；3、对水流方向层再用【Hydro】菜单的【Flowaccumulation】命令，得到水流的累积量层：4、用【Mapquery】命令，提取出水流累积量大于500（此值需根据研究区域的王壤、植被、地形等特征及研究目的来确定）的值，即可得到提取出的沟整层：5、通过【Editlegend】编辑沟整层的图例，通过其中的statistics项，可以查出沟塾层中构成沟整的栅格单元数，则得出沟整的长度为“沟的栅格单元数*栅格单元的长度”，区域的总面积可通过此统计项中的count数来算出，为“count数*每个栅格单元的面积”，最后，把单位换算成公里，则沟整密度=沟整的栅格单元数/（区域总的栅格单元数*栅格单元的长度*0.001）对于如图所示的例子，沟整的栅格单元数为8959，总的栅格单元数为391140，栅格单元的分辨率为5米，则最后的沟密度=8959/（391140*5*0.001）=4.58公里/平方公里。八、坡长的提取ARCVIEW没有直接求坡长的功能。但可以先求负地形（负地形的概念见前面平面曲率的提取），再通过ARCVIEW的水文分析功能，求出负地形的水流方向、水流长度等（也即求出正地形的山线、坡长）。坡长的具体提取方法如下：1、激活DEM主题层：2、在【Analysis】菜单下使用【Calculator】命令，公式为[[DEM-10000]*（-1）]，提取DEM层的负地形，把DEM层的负地形记为A：

2、对 A 层使用【Hydro 】菜单的【Flow direction】命令,提取水流方向； 3、对水流方向层再用【Hydro 】菜单的【Flow accumulation】命令，得到水流的累 积量层； 4、用【Map query】命令，提取出水流累积量大于 500（此值需根据研究区域的土壤、 植被、地形等特征及研究目的来确定）的值，即可得到提取出的沟壑层； 5、通过【Edit legend】编辑沟壑层的图例，通过其中的 statistics 项，可以查出沟壑 层中构成沟壑的栅格单元数，则得出沟壑的长度为“沟壑的栅格单元数*栅格单元 的长度”，区域的总面积可通过此统计项中的 count 数来算出，为“count 数*每个栅 格单元的面积”，最后，把单位换算成公里，则沟壑密度=沟壑的栅格单元数/（区域 总的栅格单元数*栅格单元的长度*0.001） 对于如图所示的例子，沟壑的栅格单元数为 8959，总的栅格单元数为 391140，栅格单 元的分辨率为 5 米，则最后的沟壑密度=8959/（391140*5*0.001）=4.58 公里/平方公里。 八、坡长的提取 ARCVIEW 没有直接求坡长的功能。但可以先求负地形（负地形的概念见前面平面曲 率的提取），再通过 ARCVIEW 的水文分析功能，求出负地形的水流方向、水流长度等（也 即求出了正地形的山脊线、坡长）。 坡长的具体提取方法如下： 1、激活 DEM 主题层； 2、在【Analysis】菜单下使用【Calculator】命令，公式为[[DEM-10000]*（-1）]，提取 DEM 层的负地形，把 DEM 层的负地形记为 A； 图 11-12 通过水文分析求出的沟壑

3、激活A层，调用【Hydro】菜单下的【FlowDirection】命令，则生成负地形的流向层记为B：0xTareriwGrsVersian3.OAN陶QOGTDEAWRScale1摄装：iw图11-13选定的固定值的图形显示4、激活B层，调用【Hydro】菜单下的【FlowAccumulation】命令，则生成负地形的水流累计量层FlowAccumulation，记为C，编辑C层的图例，使其值分为三个范围：O-固定值、固定值-最大值和NODATA值，这三个值的颜色分别设为无填充色、任一彩色、黑色。这个固定值的确切值，可以通过C层和Hi11shade层（通过）的共同显示来选定选定固定值的标准是彩色值能比较好的反映山脊线，如图11-13。5、调用【Analysis】菜单下的【MapQuery】命令，查询的表达式为：FlowAccumulation≥“固定值”，得到新的主题层MapQuery1，记为D，D是对C的二值化：6、激活D层，点击【Theme】菜单下的【Table】命令或快捷按纽打开D主题的表，选择值为1的数据，再调用【Analysis】菜单下的【FindDistance】命令，则得到新的主题层，记为E。E上的每一个栅格的值是距最近的山脊线之间的垂直方向上的栅格数

3、激活 A 层，调用【Hydro】菜单下的【Flow Direction】命令，则生成负地形的流向层， 记为 B； 4、激活 B 层，调用【Hydro】菜单下的【Flow Accumulation】命令，则生成负地形的水 流累计量层 Flow Accumulation，记为 C，编辑 C 层的图例，使其值分为三个范围：0- 固定值、固定值-最大值和 NO DATA 值，这三个值的颜色分别设为无填充色、任一彩色、 黑色。这个固定值的确切值，可以通过 C 层和 Hillshade 层(通过)的共同显示来选定， 选定固定值的标准是彩色值能比较好的反映山脊线，如图 11-13。 5、调用【Analysis】菜单下的【Map Query】命令，查询的表达式为：Flow Accumulation ≥“固定值”，得到新的主题层 Map Query 1，记为 D，D 是对 C 的二值化； 6、激活 D 层，点击【Theme】菜单下的【Table】命令或快捷按纽 打开 D 主题 的表，选择值为 1 的数据，再调用【Analysis】菜单下的【Find Distance】命 令，则得到新的主题层，记为 E。E 上的每一个栅格的值是距最近的山脊线之间的垂直 方向上的栅格数。 图 11-13 选定的固定值的图形显示

7、调用【Analysis】菜单的【Calculator】命令，公式为[E*栅格单元的尺寸]，则得到的新的主题F的值为距最近的山脊线的垂直距离。（见图11-14)。#国国店Scale-14.1519oNsooeT.EAwR图11-14坡长因为水流的方向不是严格的和山脊线成90°，（如图11-15），大多数的水流方向只是接近90°，实际的坡长应是沿水流方向的长度，所以求得的主题F的值只是一种坡长的近似值，这种方法求坡长只是一种求取坡长的快速的、近似的方法。hreliGasYuraiom3.1M0XSulieHudoHdoGraEoa国图国OLNA#OOPECTDNE品AWRScde1语爵夏oxVL4图11-15水流的实际方向

7、调用【Analysis】菜单的【Calculator】命令，公式为[E *栅格单元的尺寸]，则得到 的新的主题 F 的值为距最近的山脊线的垂直距离。（见图 11-14）。 因为水流的方向不是严格的和山脊线成 90°，（如图 11-15），大多数的水流方向只是 接近 90°，实际的坡长应是沿水流方向的长度，所以求得的主题 F 的值只是一种坡长的近 似值，这种方法求坡长只是一种求取坡长的快速的、近似的方法。 图 11-14 坡长 图 11-15 水流的实际方向