arcgis空間內(nèi)插值教程

1、GIS空間插值（局部插值方法）實(shí)習(xí)記錄一、空間插值的概念和原理當(dāng)我們需要做一幅某個區(qū)域的專題地圖，或是對該區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)研究的時候， 必須具備研究區(qū)任一點(diǎn)的屬性值，也就是連續(xù)的屬性值。但是，由于各種屬性數(shù)據(jù)（如降水量、氣溫 等）很難實(shí)施地面無縫觀測，所以，我們能獲取的往往是離散的屬性數(shù)據(jù)。例如本例，我們 現(xiàn)有一幅山東省等降雨量圖， 但是最終目標(biāo)是得到山東省降水量專題圖（覆蓋全省，統(tǒng)計完成后，各地均具有自己的降雨量屬性）?？臻g插值是指利用研究區(qū)已知數(shù)據(jù)來估算未知數(shù)據(jù)的過程， 即將離散點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面。利用空間插值，我們就可以通過離散的等降雨量線， 來推算出山東省各 地的降雨量了。

2、二、空間插值的幾種方法及本次實(shí)習(xí)采用的原理和方法-整體插值方法? 邊界內(nèi)插方法? 趨勢面分析? 變換函數(shù)插值-局部分塊插值方法? 自然鄰域法? 移動平均插值方法：反距離權(quán)重插值? 樣條函數(shù)插值法（薄板樣條和張力樣條法）? 空間自協(xié)方差最佳插值方法：克里金插值局部插值方法的控制點(diǎn)個數(shù)與控制點(diǎn)選擇問題局部插值方法用一組已知數(shù)據(jù)點(diǎn)（我們將其稱為控制點(diǎn)）樣本來估算待插值點(diǎn)（未知 點(diǎn)）的值，因此控制點(diǎn)對該方法十分重要。為此，第一要注意的是控制點(diǎn)的個數(shù)?？刂泣c(diǎn)的個數(shù)與估算結(jié)果精確程度的關(guān)系取決于控制點(diǎn)的分布與待插值點(diǎn)的關(guān)系以及控制點(diǎn)的空間自相關(guān)程度。為了獲取更精確的插值結(jié)果，我們需要著重考慮上述兩點(diǎn)因素（

3、橫線所示）。第二需要注意的是怎樣選擇控制點(diǎn)。一種方法是用離估算點(diǎn)最近的點(diǎn)作為控制點(diǎn)；另 一種方法是通過半徑來選擇控制點(diǎn)，半徑的大小必須根據(jù)控制點(diǎn)的分布來調(diào)整。S6、按照不同方法進(jìn)行空間插值，并比較各自優(yōu)劣打開ArcToolboxSpatial Analyst工具插值，打開插值方法列表，如下圖:匚小描值I- 克里金去i 港去- 含隆需的樣條函數(shù)，地fi綴柵格卜*.樣條函數(shù)法 *氣自然鄰域法-5趨勢酉法A采用反距離權(quán)重法（IDW0對降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值:反距離權(quán)重法的特點(diǎn)是按照距離待插值點(diǎn)的遠(yuǎn)近核定已知數(shù)據(jù)點(diǎn)的權(quán)重，從而對待插值點(diǎn)進(jìn)行插值的過程。一個已知數(shù)據(jù)點(diǎn)距離待插值點(diǎn)越遠(yuǎn)， 權(quán)重就越低，它的值對

4、待插值點(diǎn) 的影響就越小。影響的程度用點(diǎn)之間距離乘方的倒數(shù)表示，通過“ power”設(shè)置乘方。乘方 為1意味著點(diǎn)之間數(shù)值變化率為恒定， 稱為線性插值法；乘方為2或更高則意味著越靠近已 知點(diǎn)，數(shù)值的變化率越大。這種插值方法的優(yōu)點(diǎn)是對于數(shù)據(jù)分布均勻的區(qū)域，插值效果好；缺點(diǎn)是在數(shù)據(jù)分布不均地區(qū)插值容易出現(xiàn)小的封閉等值線（“球狀突起”）和因數(shù)據(jù)缺乏而產(chǎn)生的不規(guī)則等值線。雙擊ArcToolbox里面的“反距離權(quán)重法”，輸入點(diǎn)要素選擇"prec”,Z值字段選擇"prec”, 輸出像元大小選擇1000。點(diǎn)擊確定，效果如下圖：由圖像可以看出，山東省內(nèi)陸地區(qū)由于布點(diǎn)均勻，插值效果比較好；但是沿

5、海地區(qū)出現(xiàn)兩條“球狀弧線”，如下圖:如，TI-iW：MaitIJMI 此:畫電鼻U rHU ©Li D ES胃1r:審Fn>-Ataw同Km MLLLU312 M期期詢解 2回口皿-KNr1苓匚 A V 1二W口乂：*SiHuZ r L，* n0r：i L Kre»im ；、B Q 叫常«- «*,«*«A - iHMtB、采用克里金法對降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值:克里金插值與IDW插值的區(qū)別在于權(quán)重的選擇。IDW僅僅是將距離的倒數(shù)作為權(quán)重，而克里金考慮了空間相關(guān)性的問題?？死锝鸱ㄊ紫葘⒚績蓚€點(diǎn)進(jìn)行配對，這樣就能產(chǎn)生一個以兩點(diǎn)之間距離為

6、自變量的函數(shù)。對于這種方法，原始的輸入點(diǎn)可能會發(fā)生變化。在數(shù)據(jù)點(diǎn)多時，內(nèi)插的結(jié)果可信度較高。1、雙擊ArcToolbox里面的"克里金法"，輸入點(diǎn)要素選擇"prec”, Z值字段選擇"prec”, 半變異函數(shù)屬性中，設(shè)置克里金方法為普通克里金( Ordinary Krigging , OK),半變異模 型選擇球面(Sphere);輸出柵格命名為"ok_sphere"，輸出像元大小選擇 1000。點(diǎn)擊確 定，效果如下圖：發(fā)現(xiàn)，局部存在比較明顯的“鋸齒現(xiàn)象”，如圖:2、同樣是克里金插值方法，本次采用線形普通克里金插值，效果如圖:TU卻%1

7、用蛀if U w仲iMh的F“陽m ” '2 niHUjja n FIHW" TB MUTJVH IL i 回陽fn & FWE.+J效果比較理想。對于各種方法，依次展示如下:高斯:口也* r ；卡，葉 3加鬲jsi鼻卻白 >崎.鼠丁 ;.： *，酢，：* 田二力/1聞.«: kAhui -!?/*- «Mk； - - * ttdiR-、，":*»力-nr勺 PMWfWU圖 * o里 口Q ifh.nAn,白«K"vda 口 膽， ui.<* o A2k»4MEHWl亞耳BMdJ >

8、;Vc -1匚W” 而初0!9*2*同H P« fb G! "*."*7口 口"£nm井lXM雷z同. msg»*，H ofc_kdb dKjUuMl - BdLiriwq P QlLj*yMjiM nw K* 2d.L一 eu n 2工a8aE3 Hiwflff圓:-工I SE nfli ag Hflui E9Q-B1mi bhq R孫 »>u+ 11 FW.EMWr a '.a*B辛 K法叵奇昌it3H矽口(THli =< r ： ： ： * 事 r It O 日 MJHLEA £ 機(jī)口 I

9、a - AB' , ae«s a*S!ID4 AkJUb.El &m.r niEuxa *.*加KJ1 iZ£- B«T.n E5J »- 3IS 134d473M：75泛克里金一一與一次漂移函數(shù)成線性關(guān)系:口一總i 息JM." Zra-WFIM- JQ 以 3L7.1US1 Xi 晦/閨問 = 占的MJ4 *5 -412.4UMK- -<T .43K71M -M SMJMM4 * M7.HZUU - 3C SK-mmS - £j- 總g Hi MlnrLrSB E ELaTWE - ri .7評4餐|一口-77

10、1 "g2LH4 . ?lt IIALHMW - Si- IHUniili M 抽沖aiAl賀骷 -VSL3MZZ1J - W «KAff7«W - LJC L-” LX O &_DMk* E日與W菱MILLE燈也落泛克里金一一與二次漂移函數(shù)成線性關(guān)系: dllim E 岬 / I -=0二 A *?事，Q :工，4 事. * MF 1工 鼠J."r 1 t * * WHI *3*h! -； liWi- 4 U A'網(wǎng) -a J 齪 4 4 上二, B0 中網(wǎng) I - -5 WdWVTVJ QI JJHmiJM WJKLKTTH . Mt

11、fmMTH - gi>mM 叩mm - UFn-jnno? -IMJ-HJCfl - -L LttlM*I 1 -317MS3H3-> TLVM»HI I i+ri-!H77M - H3、依次嘗試各種克里金插值法，對比得出:克里金方 法半變異模型插值效果普通克里 金球面在數(shù)據(jù)點(diǎn)分布稀疏地區(qū)，鋸齒現(xiàn)象和撕裂現(xiàn)象明顯線性結(jié)合了球面方法和指數(shù)方法的優(yōu)點(diǎn)，插值效果比較 理想數(shù)據(jù)范圍被劇烈拉伸，不能很好地反映降水量分布指數(shù)斑塊狀撕裂現(xiàn)象基本避免了，但是鋸齒現(xiàn)象仍舊明 顯圓插值效果和線性類似，比較理想泛克里金與一次漂移函數(shù)成線性 關(guān)系中部插值效果比較理想，但邊緣地帶出現(xiàn)嚴(yán)重的數(shù) 據(jù)誤

12、差與二次漂移函數(shù)呈線性 關(guān)系數(shù)據(jù)拉伸劇烈；區(qū)分度小C采用薄板樣條函數(shù)法對降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值:薄板樣條函數(shù)法使用樣條函數(shù)來對空間點(diǎn)進(jìn)行插值，它有兩個基本條件：a.表面必須完全通過控制點(diǎn)（樣本點(diǎn)）b.使所有點(diǎn)的坡度變化最小，換句話說，表面的二階曲率是最小的。該方法適用于高程面、水位面、氣候數(shù)據(jù)（如平均降水量）的插值。有一個缺點(diǎn)是，在數(shù)據(jù)貧乏的地區(qū)坡度較大，經(jīng)常涉及如同過伸的情況。樣條函數(shù)插值分為兩種，規(guī)則樣條函數(shù)和張力樣條函數(shù)。下面分別進(jìn)行操作：1、雙擊ArcToolbox里面的“樣條函數(shù)法”，輸入點(diǎn)要素選擇"prec”,Z值字段選擇"prec”, 樣條函數(shù)類型選擇：REGUL

13、ARIZED （規(guī)則樣條函數(shù)），輸出像元大小選擇1000。點(diǎn)擊確定，效果如下圖：麗w lfMLZZm-74 0星u 7WWDM F nLLLNnai k KrLUUAU iH+，國工常EiM聿口 A”. y ；： ： ： * M 用用 4 =力力果 耳金RlMd> - . r/ Jk 'Mbtaia - - J Mto-、 I - A - : ：. r B 4電上,上，.心嘉於ita I 4觀察發(fā)現(xiàn)，規(guī)則樣條函數(shù)也是對數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定程度的拉伸，但是拉伸幅度不大，拉伸后的像元值介于 991108之間（相比之下，普通克里金的高斯方法和泛克里金的與二次漂移函數(shù)呈線性關(guān)系方法拉伸幅度分別

14、達(dá)到了-597 4903、-53474292）,可以說是拉伸范圍適宜；在山東省內(nèi)部區(qū)域插值分布比上述所有方法都要更加均勻一些；雖然在邊緣地帶出現(xiàn)一定的數(shù)據(jù)突兀（如下圖，色調(diào)偏白的區(qū)域年平均降雨量只有200mm以下），但總體效果基本上能令人滿意。2、雙擊ArcToolbox里面的“樣條函數(shù)法”，輸入點(diǎn)要素選擇"prec”,Z值字段選擇"prec”, 樣條函數(shù)類型選擇：TENSION （張力樣條函數(shù)），輸出像元大小選擇1000。點(diǎn)擊確定， 效果如下圖：I<皿氈LU7NM .IM*5M - JIMia期川期巾9啪新 曲J電t片 Hu 2潮嫻 薛團(tuán)涉喻UM做 曲*1rt4 f

15、! H*"«E心口 明金小,tad - %, A -可見得，張力樣條插值不存在數(shù)據(jù)過拉伸現(xiàn)象，插值平滑且無突兀地帶， 插值效果非常好。D采用自然鄰域法對降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值：這種方法的原理是構(gòu)建voronoi多邊形，也就是泰森多邊形。首先將所有的已知數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)建一組voronoi多邊形，然后將待插值點(diǎn)也構(gòu)建一組voronoi多邊形，這樣后一組多邊形與原多邊形有很多相交的地方。接下來，根據(jù)每一塊的面積按比例設(shè)置權(quán)重，這樣就能求得待插值點(diǎn)的值了。雙擊ArcToolbox里面的“自然鄰域法”，輸入點(diǎn)要素選擇“prec”，Z值字段選擇“prec”, 輸出像元大小選擇1000。點(diǎn)擊確定，

16、效果如下圖:嗎乂產(chǎn)k a 二 II Mr. A黑犀岫-，匚 / * WHlt -0 _WWV：FJld而, 3 E 3M1) 3g 與成雄 mid -=W1 E他 i玨網(wǎng)哂0問 HTi：R *(*!m-+ I I ai. HA；MlUl- Rr ' c - A. - ."3 id_EW*ftr 口L_1 &iGISajg-i GImm !.C 口 PTK口得0 577J77777I：a sn.mrFMi .空巧玨5騏 HB15S5&55?.制43Hmm 【能&科上於M gLLLIHll 66131111L2 4mm夠> 也喻粉"聚班版

17、11反領(lǐng)茄JjUH3a 必4乜*5 77-2223 TTL21H223 - KOK O yJrjrn S*TE 睢口安可見，該方法在有數(shù)據(jù)的區(qū)域,插值效果非常好,優(yōu)于上述各種方法;但是由于自然鄰域法是基于鄰近點(diǎn)的算法，所以圖上山東省輪廓邊緣（如魯西北、威海榮成成山頭附近）現(xiàn)數(shù)據(jù)空白區(qū)，不符合最后成圖要求。S7、對插值效果最好的一種方法，調(diào)整插值參數(shù)接下來調(diào)整搜索半徑,經(jīng)過上述比較，得出插值效果最理想的是薄板張力樣條插值方法,比較在不同的插值半徑下不同的效果。1、雙擊ArcToolbox里面的“樣條函數(shù)法”,輸入點(diǎn)要素選擇"precZ值字段選擇“ prec”,樣條函數(shù)類型選擇:TENS

18、ION （張力樣條函數(shù)）,輸出像元大小選擇1000,權(quán)重值填0.1,，4UMd 口 i Q 1口 ” . Mkaiiit只改變權(quán)重值，不改變其他參數(shù)，重新嘗試。權(quán)重值填2,點(diǎn)數(shù)12。確定，效果如下圖:點(diǎn)數(shù)填12。文件名設(shè)為ten_A_12。點(diǎn)擊確定，效果如下圖:. 4TliD*WM*FL lEcjy mriaor - ac.1 unnu攸 Mwwuara M&UTHAI - EJMHN HLJMdG - NflMa&ia?訃鼻4 .,IB勺 就留、倒 sa*Ed¥35*W!.H P* EnKIWi0+15 ML4MC- - -4U-KHH3I ll.nTMK- 1WH

19、4U4諛電網(wǎng)小即蝌 3S4R0J - WUHZin Mi&ium n»j-xa?aL TKUXm TMJ-aSN?m EflW* - g*g Ef UW幻，刷岫MlJl H iw.U3_UJE1 - RLtHUi/- -Ma.nimr串.|1 Ci | 0 - -再次改變權(quán)重值，不改變其他參數(shù)。權(quán)重值填 12,點(diǎn)數(shù)填12。點(diǎn)擊確定，效果如下圖:通過對比，可得：對薄板張力樣條插值方法來說，在選取同樣多的控制點(diǎn)的前提下，權(quán)重越小，生成的表面越光滑。 例如，權(quán)重0.1的效果權(quán)重2的效果優(yōu)于權(quán)重 12的效果。2、同理，對比在同一權(quán)重值下，控制點(diǎn)數(shù)目不同所產(chǎn)生的效果差異：在權(quán)重為0.1

20、的前提下，我們設(shè)置控制點(diǎn)數(shù)量為5個、30個，跟控制點(diǎn)12個的作比較： 5個控制點(diǎn)：可見得，控制點(diǎn)5個和30個的情況均不如12個的時候效果好，也就是說，控制點(diǎn)不一定要太多，也不一定要少，要結(jié)合已知數(shù)據(jù)點(diǎn)的個數(shù)和分布來判定最佳方案。因此我們最終選擇權(quán)重0.1、12個控制點(diǎn)的圖像進(jìn)行插值。S8、制作山東省縣域年平均降水量地圖J3WI3即 -4MIU.：33 M.1、首先制作一個山東省輪廓圖。保存一份山東省縣界圖的副本，命名為 編輯器一一開始編輯，將所有要素選中，點(diǎn)擊編輯器下拉菜單中的就是山東省輪廓范圍了；sd.shp,鼠標(biāo)點(diǎn)擊“合并”，生成的文件0 史 lOII.Ed 5 Mep舊 呆jaw *Ei

21、i|HI*川 HTAjOQ #(*! IRSH m n j* u a r _j t 二1的，/Hjln -c *<Li25iW - 4tMy dMJH 箝1 3ITaMiai|HT.M9M，5i . SJDJJiMae- M4-L3WH4 65-T.47LLM3 T¥7.3JM4« - tmPWi1IUM377TI 皿 30個控制點(diǎn):嗎?x 0 FZ , *：曰 *®irq， I WH- * U* A -1圖*it怯訓(xùn)a-口 BE. o次i5-1*9/忖0Hli已產(chǎn)圖 4bJHH33 - 3n.?HM3TJM3H 3 +Kai7Ul JCi9 - ：m 1

22、； - Ui 電 F 聲!HBXIC1 ,>如 » 六b g«4nM"，團(tuán)E5U 4WJ71ZM3 Wjj猊必喀帕困一 - wRDTnUIXIDlliiL編*J*；!出 MhMmjnvau騎 1M1-T3KM R1_5«nH U1JK3IL5 - H71.IM4SI5i DK M3X mmJlRhBg4ui鼠B中百看口 3-f尸 r-狐. 建W啟.口:正認(rèn)*£5 dd-UHfs. =1 M 由 口2、利用山東省輪廓范圍矢量圖對ten_A_12柵格圖進(jìn)行裁剪。打開數(shù)據(jù)管理工具一一柵格一一柵格處理一一裁剪，彈出“裁剪”對話框。輸入柵格選擇te

23、n_A_12,輸出范圍選擇sd,在“將輸入要素用于裁剪幾何”處打?qū)?，目的是為了按照山東省的邊界來裁剪降水量圖（否則，默認(rèn)是按照矢量多變性的最小外接矩形來裁剪柵格圖像）。如下圖:3、現(xiàn)在生成了一幅灰度圖像。我們還是按照顏色對其進(jìn)行分類:-鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊sd_prec,選擇屬性一一符號系統(tǒng)一一已分類，彈出計算直方圖對話框，詢 問是否計算直方圖，選擇“是”。目前最大值是 835,最小值是490,數(shù)據(jù)后夸度為345, 因此我們按照每 25mm為一個降水量帶，對圖像進(jìn)行分類制圖。345+ 25+1 = 15,因此我們將分類設(shè)為15檔，色帶選擇藍(lán)色調(diào)，如圖：3 0 sdjprec岳04897696533 - 50050