arcgis山脊+山谷+鞍布点提取.pdf-资料库

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第九章三维分析 GIS 软件应用实习材料实例与练习本节将介绍几个实例与练习，以帮助读者加深对三维分析理论与方法的理解，熟练各种分析工具的操作和使用。练习 1. 地形指标提取 1、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。 2、目的通过本实验，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。 3、实验数据本实验采用某区域栅格 DEM（..\Chp9\Ex1\）。图 1 DEM 数据图 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。 4、要求利用所提供 DEM 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。 1

第九章三维分析 GIS 软件应用实习材料 5、实验步骤（1）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（Slope of Slope, 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 Spatial Analysis － Surface Analysis － Slope 命令，提取 DEM 主题的坡度，得到主题 Slope of DEM（图 2）； 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，即图 2 坡度数据坡度变率主题（图 3）。 2

第九章三维分析 GIS 软件应用实习材料（2）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（Slope of Aspect, SOA）。它可以很好的反映等高线弯曲程度。图 3 坡度变率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 Spatial Aspect=345° Aspect=15° 北图 4 北坡坡向差值示意图 Analysis 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 Spatial Analysis 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，如图 5。 3

第九章三维分析 GIS 软件应用实习材料（3）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。它是描述图 5 坡向变率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 Spatial Analysis 下使用栅格邻域计算工具 Neighborhood Statistics，分别设置 Statistic type 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 Spatial Analysis 下使用栅格邻域计算工具 Neighborhood Statistics（图 6）。设置 Statistic type 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 Statistic type 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 Spatial Analysis 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。提取的结果如图 7。图 6 邻域平滑 4

第九章三维分析 GIS 软件应用实习材料图 7 地形起伏度（4）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： B C α A 图 8 栅格单元剖面图 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： 1) 激活 DEM 主题，选择 Spatial Analysis － Surface Analysis － Slope 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，在 Spatial Analysis 下使用栅格计算器 Calculator，公式为: 1 / Cos（[Slope of DEM]*3.14159/180）即可得到地面粗糙度的层面，如图 9。 5

第九章三维分析 GIS 软件应用实习材料图 9 表面粗糙度需要注意的是，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，详情参见本书第十一章水文分析。练习 2. 地形特征信息提取 1、背景特征地形要素，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（global process），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。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。这一特性又使得山脊线和山谷线在许多 6

第九章三维分析 GIS 软件应用实习材料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。 2、目的通过本实例，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。 3、实验数据某区域栅格 DEM 实现（\Chp9\Ex2）。 4、要求利用所给区域 DEM 数据，提取该区域山脊线、山谷线栅格数据层。具体提取过程为： 1) 激活 DEM 数据，在 Spatial Analysis 下使用 surface 菜单下的 Derive Aspect 命令，提取 DEM 坡向层面，记为 A； 2) 激活 A 层面，在 Spatial Analysis 下使用 surface 菜单下的 Derive Slope 命令，提取 A 层面的坡度信息，记为 SOA1； 3) 求取原始 DEM 数据层的最大高程值，记为 H；通过 Spatial Analysis 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； 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 Spatial Analysis 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 Spatial Analysis 下使用栅格邻域计算工具 Neighborhood Statistics；设置 Statistic type 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（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 的矩形的平均值层面，记为 B； 8) 在 Spatial Analysis 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（图 10）； 7

第九章三维分析 GIS 软件应用实习材料 9) 在 Spatial Analysis 下使用栅格计算器 Calculator，公式为 D ＝[C] >0 & SOA > 70,即可图 10 正负地形分布示意图求出山脊线，图 11； 10) 同理，在栅格计算器 Calculator 中，修改公式为 D ＝[C] < 0 SOA > 70,即可求出山谷图 11 山脊线线，图 12。 8

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