ArcGIS實(shí)驗(yàn)-Ex12-地形指標(biāo)提取.doc

第九章 三維分析練習(xí)1：地形指標(biāo)提取一、背景地形指標(biāo)是最基本的自然地理要素，也是對(duì)人類的生產(chǎn)和生活影響最大的自然要素。地形特征制約著地表物質(zhì)和能量的再分配，影響著土壤與植被的形成和發(fā)育過程，影響著土地利用的方式和水土流失的強(qiáng)度，也影響著城市規(guī)劃中工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局的各個(gè)方面。地形指標(biāo)的提取對(duì)水土流失、土地利用、土地資源評(píng)價(jià)、城市規(guī)劃等方面的研究起著重要的作用。根據(jù)研究區(qū)域尺度的不同，地形指標(biāo)有許多因子。基于ArcGIS的地形指標(biāo)的提取，大多均是基于DEM數(shù)據(jù)完成。二、目的通過本實(shí)驗(yàn)，使讀者加深對(duì)各基本地形指標(biāo)的概念及其應(yīng)用意義的理解。熟練掌握使用ArcGIS軟件提取這些地形指標(biāo)的方法和步驟。三、要求利用所提供DEM數(shù)據(jù)，提取得出該區(qū)域坡度變率、坡向變率、地形起伏度、地面粗糙度等四個(gè)基本地形指標(biāo)的柵格圖層。四、數(shù)據(jù)本實(shí)驗(yàn)采用某區(qū)域柵格DEM（.Chp9Ex1）,是一個(gè)區(qū)域的分辨率為5米的DEM數(shù)據(jù)，圖例是按照其高程值采用漸變色來顯示。下文中關(guān)于地形指標(biāo)的提取都是以這個(gè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。五、操作步驟1、坡度變率地面坡度變率，是地面坡度在微分空間的變化率，是依據(jù)坡度的求算原理，在所提取的坡度值的基礎(chǔ)上對(duì)地面每一點(diǎn)再求算一次坡度。即坡度之坡度（Slope of Slope, 簡(jiǎn)稱SOS）。坡度是地面高程的變化率的求解，因此，坡度變率表征了地表面高程相對(duì)于水平面變化的二階導(dǎo)數(shù)。坡度變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主題，選擇Spatial Analysis Surface Analysis Slope命令，提取DEM主題的坡度，得到主題Slope of DEM（圖1），得到結(jié)果如圖2所示； 圖1 提取DEM主題的坡度圖2 坡度數(shù)據(jù)(2) 激活主題Slope of DEM，再對(duì)其用上述的方法提取坡度，得到DEM主題坡度的坡度，即坡度變率主題（圖3）圖3 坡度變率2、坡向變率地面坡向變率，是指在地表的坡向提取基礎(chǔ)之上，進(jìn)行對(duì)坡向變化率值的二次提取，亦即坡向之坡度（SOA），過程如圖4、5、6、7。它可以很好的反映等高線彎曲程度。 圖4 求DEM數(shù)據(jù)的坡向圖5 坡向數(shù)據(jù)圖6 生成坡向的坡度圖7 坡向的坡度數(shù)據(jù)地面坡向變率在所提取的地表坡向矩陣的基礎(chǔ)上沿襲坡度的求算原理，提取地表局部微小范圍內(nèi)坡向的最大變化情況。值得注意的是：SOA在提取過程中在不同的坡面上將會(huì)有誤差的產(chǎn)生，即在坡面的南北兩側(cè)，北面坡由于坡向算法將會(huì)有誤差產(chǎn)生，所以要對(duì)北坡的SOA結(jié)果進(jìn)行糾正，因?yàn)閺睦碚撋现vSOA在地表北坡上將產(chǎn)生誤差，北坡上坡向值范圍為0-90和270-360，在正北方向附近，15和345之間坡向差值只是30，而在計(jì)算中卻是差了330，所以要將北坡地區(qū)的坡向變率誤差進(jìn)行糾正，具體的操作方法為： (1) 求取原始DEM數(shù)據(jù)層的最大高程值，記為H；通過Spatial Analysis下的柵格計(jì)算器Calculator，公式為(HDEM),如圖8，得到與原來地形相反的DEM數(shù)據(jù)層，即反地形DEM數(shù)據(jù)； 圖8 計(jì)算反地形DEM數(shù)據(jù)圖9 反地形DEM數(shù)據(jù)(2) 基于反地形DEM數(shù)據(jù)求算坡向值，如圖10； 圖10 求反地形DEM數(shù)據(jù)的坡向值 (3) 利用SOA方法求算反地形的坡向變率，記為SOA2，由原始DEM數(shù)據(jù)求算出的坡向變率值為SOA1，如圖11所示； 圖11 求算反地形的坡向變率(4) 在Spatial Analysis下使用柵格計(jì)算器Calculator，公式為SOA(SOA1+SOA2)-Abs(SOA1-SOA2)/ 2，如圖12，即可求出沒有誤差的DEM的坡向變率，如圖13。 圖12 使用柵格計(jì)算器圖13 求出沒有誤差的DEM的坡向變率 (5) 將有誤差的DEM坡向變率(圖14)與沒有誤差的坡向變率(圖15)對(duì)比可見，有誤差的圖上會(huì)存在閉合的環(huán)狀，而消去誤差的圖上這些環(huán)狀也消失了。 圖14 存在誤差的坡向變率 圖15 沒有誤差的坡向變率3、地形起伏度地形起伏度是指在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，最高點(diǎn)海拔高度與最低點(diǎn)海拔高度的差值。它是描述一個(gè)區(qū)域地形的一個(gè)宏觀性的指標(biāo)。從地形起伏度的定義可以看出，求地形起伏度的值，首先要求出一定范圍內(nèi)海拔高度的最大值和最小值，然后，對(duì)其求差值即可。求一定范圍內(nèi)的最大值和最小值，可以通過用Spatial Analysis下使用柵格鄰域計(jì)算工具Neighborhood Statistics，分別設(shè)置Statistic type為最大值和最小值，鄰域的設(shè)置可以為圓，也可以為矩形，鄰域的大小可根據(jù)自己的要求來確定。 地形起伏度的具體提取方法如下： (1) 激活DEM數(shù)據(jù)，在Spatial Analysis下使用柵格鄰域計(jì)算工具Neighborhood Statistics（圖16）。設(shè)置Statistic type為最大值，鄰域的類型為矩形（也可以為圓），鄰域的大小為1111（這個(gè)值也可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行改變），則可得到一個(gè)鄰域?yàn)?111的矩形的最大值層面，記為A； 圖16 得到鄰域?yàn)?111的矩形的最大值層面 (2) 重復(fù)1、2，只是把Statistic type值設(shè)置為最小值，即可得到DEM數(shù)據(jù)的最小值層面，記為B，如圖17所示； 圖17 得到鄰域?yàn)?111的矩形的最小值層面 (3) 在Spatial Analysis下使用柵格計(jì)算器Calculator，公式為A-B，即可得到一個(gè)新層面，其每個(gè)柵格的值是以這個(gè)柵格為中心的確定鄰域的地形起伏值。提取的結(jié)果如圖18。 圖18 使用柵格計(jì)算器Calculator圖19 地形起伏度4、地面粗糙度： 地面粗糙度是指在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，地球表面積與其投影面積之比。它也是反映地表形態(tài)的一個(gè)宏觀指標(biāo)。根據(jù)地面粗糙度的定義，求每個(gè)柵格單元的表面積與其投影面積之比，可以用如下方法來完成。假如ABC是一個(gè)柵格單元的縱剖面，為此柵格單元的坡度，則AB面的面積為此柵格的表面積，AC面為此柵格的投影面積（也既是此柵格的面積），根據(jù)公式： Cos=AC/AB 則可得出此柵格單元的地面粗糙度M為： M =“AB面的面積”/“AC柵格單元的面積”=（AC * AB）/（AC * AC）= 1 / Cos 地面粗糙度的提取步驟如下： (1) 激活DEM主題，選擇Spatial Analysis Surface Analysis Slope命令，提取DEM主題的坡度，得到主題Slope of DEM； (2) 激活主題Slope of DEM，在Spatial Analysis下使用柵格計(jì)算器Calculator，如圖20所示，