地形初步分析

1、-作者xxxx-日期xxxx地形初步分析【精品文檔】練習(xí)一、地形指標(biāo)提取一、 題目：地形指標(biāo)提取二、 目的：通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，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、 意義：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。地形特征廣泛應(yīng)用于諸多研究和應(yīng)用領(lǐng)域。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?；贏rcGIS 的地形指標(biāo)的提取，大多均是基于DEM數(shù)據(jù)完成。四、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：本實(shí)驗(yàn)采用某區(qū)域柵格DEM。圖1 是某區(qū)

2、域分辨率為5 米的DEM 數(shù)據(jù)。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、 實(shí)驗(yàn)軟件：ArcGIS 9.2六、 要求：利用所提供DEM 數(shù)據(jù)，提取該區(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。七、 實(shí)驗(yàn)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 ofSlope，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的反映剖面曲率信息，其提取方法如下： 1） 選中D

3、EM 圖層數(shù)據(jù)，選擇表面分析中的坡度（Slope）工具，提取坡度，得到坡度數(shù)據(jù)層，命名為Slope。計(jì)算過(guò)程如下：A 選擇表面分析的坡度工具（Slope），見(jiàn)圖2，彈出Slope 對(duì)話框（圖3）圖2 打開坡度計(jì)算工具圖3 坡度計(jì)算對(duì)話框B 在Input Surface 中選擇用來(lái)生成坡度圖的DEM。C 在Output measurement 中選擇坡度單位（度/Degree 或百分?jǐn)?shù)/Percent）。D 在Z factor 中設(shè)定高程轉(zhuǎn)換系數(shù)（當(dāng)輸入數(shù)據(jù)所定義的空間參考具有高程單位時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，這里采取默認(rèn)值1）。E 在Output cell size 中指定輸出圖的柵格單元大?。?/p>

4、認(rèn)與輸入DEM相同）。F 在Output raster 中指定輸出路徑與文件名。得到坡度數(shù)據(jù)層，如圖所示：圖4 坡度提取2） 選中坡度數(shù)據(jù)層Slope，對(duì)其再用上述的方法提取坡度，得到坡度變率數(shù)據(jù)，命名為SOS（圖5）圖5 坡度變率2 坡向變率地面坡向變率，是指在提取坡向基礎(chǔ)上，提取坡向的變化率，亦即坡向之坡度（Slope of Aspect，SOA）。它可以很好地反映等高線彎曲程度。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。需要注意：SOA 在提取過(guò)程中在北面坡將會(huì)有誤差產(chǎn)生。北面坡坡向值范圍為090 度和270360 度，在正北

5、方向附近，如15 度和345 度兩個(gè)坡向之間坡向差值只是30 度，而計(jì)算結(jié)果卻是330 度（如圖6 所示）。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：圖 61） 求取原始DEM 數(shù)據(jù)層的最大高程值，記為H；通過(guò)Spatial Analyst 下的柵格計(jì)算器Raster Calculator。公式為（H-DEM），得到與原來(lái)地形相反的DEM 數(shù)據(jù)層，即反地形DEM 數(shù)據(jù)。A加載Spatial Analyst 模塊，打開Spatial Analyst 下的柵格計(jì)算器（圖7）。圖7 柵格計(jì)算器B提取DEM 數(shù)據(jù)層的最大高程值，約為，將公式redem = 1153.79 -dem輸入公

6、式編輯器中（圖8）。注意，在公式編輯器中如果引用Layers選擇框的數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)層名必須用 括起來(lái)，如，dem。圖8 用柵格計(jì)算器計(jì)算反地形DEM 數(shù)據(jù)C點(diǎn)擊Evaluate 進(jìn)行計(jì)算，得到反地形DEM 數(shù)據(jù)，記為redem（圖9）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。A在3D Analyst 下選擇表面分析的坡向工具（Aspect），見(jiàn)圖10，彈出“Aspect”對(duì)話框（圖11）。圖10 坡向工具圖11 計(jì)算坡向?qū)υ捒駼選擇輸入表面數(shù)據(jù)（Input surface），即第一步做的反地形DEM 數(shù)據(jù)。C在Output cell size 中指定輸出柵格單元大小。D在O

7、utput raster 中指定輸出路徑和文件名。E點(diǎn)擊OK 完成反地形DEM 數(shù)據(jù)求算坡向值，記為redemaspect（圖12）圖12 反地形DEM 數(shù)據(jù)求算坡向值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。A對(duì)上一步求出的反地形DEM 坡向值再求算坡度值，即得到反地形的坡向變率SOA2（圖13）。圖13 反地形DEM 數(shù)據(jù)坡向變率B對(duì)原始DEM 數(shù)據(jù)，先求算坡向值記為aspect（圖14）圖14 原始DEM 數(shù)據(jù)坡向值C然后再對(duì)aspect 求算坡度值，即得到原始DEM 數(shù)據(jù)的坡向變率SOA1（圖15）圖15 原始DEM 數(shù)據(jù)

8、坡向變率4） 在Spatial Analyst 下使用柵格計(jì)算器Raster Calculator，公式為SOA=（SOA1+SOA2）-Abs（SOA1-SOA2）/2，即可求出沒(méi)有誤差的DEM的坡向變率，如圖16、17 所示。圖16 柵格計(jì)算器計(jì)算圖17 計(jì)算出沒(méi)有誤差的坡向變率3 地形起伏度地形起伏度是指特定的區(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)域地形特征的宏觀性指標(biāo)。地形起伏度的計(jì)算，可先求出一定范圍內(nèi)海拔高度的最大值和最小值，然后對(duì)其求差值即可。可以使用Spatial Analyst 中的柵格鄰域計(jì)算工具NeighborhoodStatistics 求得最大值

9、和最小值，鄰域的設(shè)置可以為圓，也可以為矩形，鄰域的大小可以根據(jù)自己的要求來(lái)確定。 地形起伏度的提取方法如下：1） 選中DEM 數(shù)據(jù)，在Spatial Analyst 下使用柵格鄰域計(jì)算工具NeighborhoodStatistics（圖18）。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19）。圖18 柵格鄰域計(jì)算工具圖19 鄰域?yàn)?111 的矩形的最大值層面A2） 重復(fù)第1 步，只是把Statistic type 值設(shè)置為最小值，即可得到DEM

10、 數(shù)據(jù)的最小值層面，記為B（圖20）圖20 鄰域?yàn)?111 的矩形的最小值層面B3） 在Spatial Analyst 下使用柵格計(jì)算器Raster Calculator，公式為A-B，如圖21 所示，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度。提取的結(jié)果如圖22。圖21 用柵格計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算圖22 地形起伏度4 地面粗糙度地面粗糙度是特定的區(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(lái)完成。如圖23，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

11、 面的面積為此柵格的表面積，AC 面為此柵格的投影面積（也即是此柵格的面積），根據(jù)公式： 圖 23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） 點(diǎn)擊DEM 數(shù)據(jù)層，選擇表面分析中的坡度（Slope）工具，提取得到坡度數(shù)據(jù)層，命名為Slope（注意：這次要選擇計(jì)算度數(shù)，而不是百分比）。2） 點(diǎn)擊Slope 數(shù)據(jù)層，在Spatial Analyst 下使用柵格計(jì)算器Raster Calculator公式為：1/Cos（），即可得到地面粗糙度數(shù)據(jù)層，如圖24。圖24 表面粗糙度需要注意的是，在

12、ArcGIS 中，Cos 使用弧度值作為角度單位，而利用表面分析工具提取得到的坡度是角度值，所以在計(jì)算時(shí)必須把角度轉(zhuǎn)為弧度。此外，地形指標(biāo)還包括一些常用的水文因子，如坡長(zhǎng)、溝壑密度等，該類因子的提取一般通過(guò)水文方法實(shí)現(xiàn)。練習(xí)二、地形特征信息提取一、 題目：地形特征信息提取二、 目的：通過(guò)本實(shí)例，掌握山脊線和山谷線這兩個(gè)基本地形特征信息的理論及其基于DEM的提取方法與原理。同時(shí)，熟練掌握利用ArcGIS 軟件對(duì)這兩個(gè)地形特征信息的提取方法。三、 意義：特征地形要素，主要是指對(duì)地形在地表的空間分布特征具有控制作用的點(diǎn)、線或面狀要素。特征地形要素構(gòu)成地表地形與起伏變化的基本框架。與地形指標(biāo)的提取主要

13、采用小范圍的鄰域分析不同的是，特征地形要素的提取更多地應(yīng)用較為復(fù)雜的技術(shù)方法，如山谷線、山脊線、溝沿線等的提取采用了全局分析法（global process），成為柵格數(shù)據(jù)地學(xué)分析中很具特色的數(shù)據(jù)處理內(nèi)容。特征地形要素從表示的內(nèi)容上可分為地形特征點(diǎn)和特征線兩大類。地形特征點(diǎn)主要包括山頂點(diǎn)（peak）、凹陷點(diǎn)（pit）、脊點(diǎn)（ridge）、谷點(diǎn)（channel）、鞍點(diǎn)（pass）、平地點(diǎn)（plane）等?；贒EM 提取地形特征點(diǎn)，可利用一個(gè)33 或更大的柵格窗口，通過(guò)中心格網(wǎng)點(diǎn)與8 個(gè)鄰域格網(wǎng)點(diǎn)的高程關(guān)系來(lái)進(jìn)行判斷獲取。山脊線和山谷線構(gòu)成了地形起伏變化的分界線（骨架線），因此它對(duì)于地形地貌研究

14、具有重要的意義。另一方面，對(duì)于水文物理過(guò)程研究而言，由于山脊、山谷分別表示分水性與匯水性，山脊線和山谷線的提取實(shí)質(zhì)上也是分水線與匯水線的提取。下文通過(guò)山脊線和山谷線的提取，介紹了如何基于ArcGIS 完成地形特征信息的提取。自動(dòng)提取山脊線和山谷線的主要方法都是基于規(guī)則格網(wǎng)DEM 數(shù)據(jù)的，從算法設(shè)計(jì)原理上來(lái)分，大致可以分為以下五種：1）基于圖像處理技術(shù)的方法。2）基于地形表面幾何形態(tài)分析的方法。3）基于地形表面流水物理模擬分析方法。4）基于地形表面幾何形態(tài)分析和流水物理模擬分析相結(jié)合的方法。5）平面曲率與坡形組合法。其中，平面曲率與坡形組合法提取的山脊、山谷的寬度可由選取平面曲率的大小來(lái)調(diào)節(jié)，方

15、法簡(jiǎn)便，效果好。該方法基本處理過(guò)程為：首先利用DEM 數(shù)據(jù)提取地面的平面曲率及地面的正負(fù)地形，取正地形上平面曲率的提取比較繁瑣，而坡向變率（SOA）在一定程度上可以很好地表征平面曲率。因此，下面的提取過(guò)程以SOA 代替平面曲率。四、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：某區(qū)域柵格DEM五、 實(shí)驗(yàn)軟件：ArcGIS 9.2六、 要求：利用所給區(qū)域DEM 數(shù)據(jù)，提取該區(qū)域山脊線、山谷線柵格數(shù)據(jù)層七、 實(shí)驗(yàn)步驟：1 山脊線計(jì)算具體提取過(guò)程為：1）點(diǎn)擊DEM 數(shù)據(jù)，使用表面分析中的坡向（Aspect）工具，提取DEM 的坡向數(shù)據(jù)層，命名為A。2）點(diǎn)擊數(shù)據(jù)層A，使用表面分析中的坡度（Slope）工具，提取數(shù)據(jù)層A 的坡度數(shù)據(jù)，命

16、名為SOA1。3）求取原始DEM 數(shù)據(jù)層的最大高程值，記為H；使用空間分析工具集中的柵格計(jì)算器（Raster Calculator），公式為（H-DEM），得到與原來(lái)地形相反的數(shù)據(jù)層，即反地形DEM 數(shù)據(jù)。4）基于反地形DEM 數(shù)據(jù)求算坡向值。5）利用SOA 方法求算反地形的坡向變率，記為SOA2。6）使用空間分析工具集中的柵格計(jì)算器（Raster Calculator），公式為SOA = (SOA1 +SOA2)-Abs(SOA1 -SOA2) / 2即可求出沒(méi)有誤差的DEM 的坡向變率SOA。7）再次點(diǎn)擊初始DEM 數(shù)據(jù)，使用空間分析工具集中的柵格鄰域計(jì)算工具（Neighborhood Statistics）；設(shè)置統(tǒng)計(jì)類型（Statistic type）為平均值（Mean），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