ArcGIS實驗-Ex12-地形指標提取.doc

第九章 三維分析練習1：地形指標提取一、背景地形指標是最基本的自然地理要素，也是對人類的生產和生活影響最大的自然要素。地形特征制約著地表物質和能量的再分配，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度，也影響著城市規(guī)劃中工農業(yè)生產布局的各個方面。地形指標的提取對水土流失、土地利用、土地資源評價、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，地形指標有許多因子。基于ArcGIS的地形指標的提取，大多均是基于DEM數(shù)據(jù)完成。二、目的通過本實驗，使讀者加深對各基本地形指標的概念及其應用意義的理解。熟練掌握使用ArcGIS軟件提取這些地形指標的方法和步驟。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、地面粗糙度等四個基本地形指標的柵格圖層。四、數(shù)據(jù)本實驗采用某區(qū)域柵格DEM（.Chp9Ex1）,是一個區(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。下文中關于地形指標的提取都是以這個數(shù)據(jù)為基礎。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上對地面每一點再求算一次坡度。即坡度之坡度（Slope of Slope, 簡稱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于水平面變化的二階導數(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之上，進行對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上沿襲坡度的求算原理，提取地表局部微小范圍內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有誤差的產生，即在坡面的南北兩側，北面坡由于坡向算法將會有誤差產生，所以要對北坡的SOA結果進行糾正，因為從理論上講SOA在地表北坡上將產生誤差，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，而在計算中卻是差了330，所以要將北坡地區(qū)的坡向變率誤差進行糾正，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)對比可見，有誤差的圖上會存在閉合的環(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特定的區(qū)域內，最高點海拔高度與最低點海拔高度的差值。它是描述一個區(qū)域地形的一個宏觀性的指標。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海拔高度的最大值和最小值，然后，對其求差值即可。求一定范圍內的最大值和最小值，可以通過用Spatial Analysis下使用柵格鄰域計算工具Neighborhood Statistics，分別設置Statistic type為最大值和最小值，鄰域的設置可以為圓，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下使用柵格鄰域計算工具Neighborhood Statistics（圖16）。設置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（這個值也可以根據(jù)自己的需要進行改變），則可得到一個鄰域為1111的矩形的最大值層面，記為A； 圖16 得到鄰域為1111的矩形的最大值層面 (2) 重復1、2，只是把Statistic type值設置為最小值，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 得到鄰域為1111的矩形的最小值層面 (3) 在Spatial Analysis下使用柵格計算器Calculator，公式為A-B，即可得到一個新層面，其每個柵格的值是以這個柵格為中心的確定鄰域的地形起伏值。提取的結果如圖18。 圖18 使用柵格計算器Calculator圖19 地形起伏度4、地面粗糙度： 地面粗糙度是指在一個特定的區(qū)域內，地球表面積與其投影面積之比。它也是反映地表形態(tài)的一個宏觀指標。根據(jù)地面粗糙度的定義，求每個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下使用柵格計算器Calculator，如圖20所示，