GIS空間分析與建模

1、實驗名稱：實驗（坡向坡度分析 ） 實驗時間：2011-6-18實驗類型：驗證實驗 綜合實驗 1、實驗?zāi)康暮鸵螅和ㄟ^了解GIS空間分析原理及方法，進(jìn)一步驗證和熟悉分析方法，更直觀的掌握空間分析的知識，選擇一個有個人興趣的模塊進(jìn)行空間分析的進(jìn)一步探索，充分理解GIS空間分析的方法及對空間分析實驗軟件的掌握和使用。2、實驗材料及相關(guān)設(shè)備：PC機(jī)，windows操作系統(tǒng)，ARCGIS軟件，實驗指導(dǎo)書，DEM數(shù)據(jù)。3、實驗理論依據(jù)或知識背景：（一）、空間分析具有對空間信息的提取和傳輸功能，作為各類綜合性地學(xué)分析模型的基礎(chǔ)，空間分析為建立復(fù)雜的模型提供了基本工具?？臻g分析模型是指用于 GIS空間分析的數(shù)

2、學(xué)模型，空間分析建模是指運用 GIS空間分析建立數(shù)學(xué)模型的過程，其過程包括：明確問題、分解問題、組建模型、檢驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)果和應(yīng)用分析結(jié)果。（二）、模型是對現(xiàn)實世界中的實體或現(xiàn)象的抽象或簡化，是對實體或現(xiàn)象中最重要的構(gòu)成及其相互關(guān)系的表述。建模的過程中，需要用到各種各樣的工具。作為各類綜合性地學(xué)分析模型的基礎(chǔ)，空間分析為人們建立復(fù)雜的模型提供了基本工具?？臻g分析是地理信息系統(tǒng)的主要特征，也是評價一個地理信息系統(tǒng)功能的主要指標(biāo)之一。它是基于地理對象的位置和形態(tài)特征的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，其目的在于提取和傳輸可見信息?？臻g分析模型是對現(xiàn)實世界科學(xué)體系問題域抽象的空間概念模型，與廣義的模型既有聯(lián)系，又有區(qū)別：（1

3、）、空間定位是空間分析模型特有的性質(zhì)，構(gòu)成空間分析模型的空間目標(biāo)(點、弧段、網(wǎng)絡(luò)、面域、復(fù)雜地物等)的多樣性決定了空間分析模型建立的復(fù)雜性。（2）、空間關(guān)系也是空間分析模型的一個重要特征，空間層次關(guān)系、相鄰關(guān)系以及空間目標(biāo)的拓?fù)潢P(guān)系也決定了空間分析模型建立的特殊性。（3）、包含坐標(biāo)、高程、屬性以及時序特征的空間數(shù)據(jù)極其龐大，大量的空間數(shù)據(jù)通常用圖形的方式來表示，這樣由空間數(shù)據(jù)構(gòu)成的空間分析模型也具有了可視化的圖形特征。（三）、空間分析模型可以分為以下幾類：1、空間分布分析模型用于研究地理對象的空間分布特征。主要包括：空間分布參數(shù)的描述，如分布密度和均值、分布中心、離散度等；空間分布檢驗，以確定

4、分布類型；空間聚類分析，反映分布的多中心特征并確定這些中心；趨勢面分析，反映現(xiàn)象的空間分布趨勢；空間聚合與分解，反映空間對比與趨勢。2、空間關(guān)系分析模型用于研究基于地理對象的位置和屬性特征的空間物體之間的關(guān)系。包括距離、方向、連通和拓?fù)涞人姆N空間關(guān)系。其中，拓?fù)潢P(guān)系是研究得較多的關(guān)系；距離是內(nèi)容最豐富的一種關(guān)系；連通用于描述基于視線的空間物體之間的通視性；方向反映物體的方位。3、空間相關(guān)分析模型用于研究物體位置和屬性集成下的關(guān)系，尤其是物體群(類)之間的關(guān)系。在這方面，目前研究得最多的是空間統(tǒng)計學(xué)范疇的問題。統(tǒng)計上的空間相關(guān)、覆蓋分析就是考慮物體類之間相關(guān)關(guān)系的分析。4、預(yù)測、評價與決策模型用

5、于研究地理對象的動態(tài)發(fā)展，根據(jù)過去和現(xiàn)在推斷未來，根據(jù)已知推測未知，運用科學(xué)知識和手段來估計地理對象的未來發(fā)展趨勢，并做出判斷與評價，形成決策方案，用以指導(dǎo)行動，以獲得盡可能好的實踐效果?？臻g分析建模是指運用 GIS空間分析方法建立數(shù)學(xué)模型的過程。運用數(shù)學(xué)分析方法建立表達(dá)式，反映地理過程，來模擬地理現(xiàn)象的形成過程的模型稱為過程模型，也叫處理模型，均是指描述物體或?qū)ο笾g相互作用的處理過程的模型。過程模型的類型很多，用于解決各種各樣的實際問題。如：適宜性建模：是指土地針對某種特定開發(fā)活動的建模，包括農(nóng)業(yè)應(yīng)用、城市化選址、道路選擇等；水文建模：水的流向；表面建模：城鎮(zhèn)某個地方的污染程度；距離建模：

6、從出發(fā)點到目的地的最佳路徑的選擇、郵遞員的最短路徑等；明確問題：分析的問題的實際背景，弄清建立模型的目的，掌握所分析的對象的各種信息，即明確實際問題的實質(zhì)所在，不僅要明確所要解決的問題是什么，要達(dá)到什么樣的目標(biāo)，還要明確實際問題的具體解決途徑和所需要的數(shù)據(jù)；分解問題：找出與實際問題有關(guān)的因素，通過假設(shè)把所研究的問題進(jìn)行分解、簡化，明確模型中需要考慮的因素以及它們在過程中的作用，并準(zhǔn)備相關(guān)的數(shù)據(jù)集；組建模型：運用數(shù)學(xué)知識和 GIS空間分析工具來描述問題中的變量間的關(guān)系；檢驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)果：運行所得到的模型、解釋模型的結(jié)果或把運行結(jié)果與實際觀測進(jìn)行對比。如果模型結(jié)果的解釋與實際狀況符合或結(jié)果與實際觀測基

7、本一致，這表明模型是符合實際問題的。如果模型的結(jié)果很難與實際相符或與實際很難一致，則表明模型與實際不相符，不能將它運用到實際問題。如果圖形要素、參數(shù)設(shè)置沒有問題的話，就需要返回到建模前關(guān)于問題的分解。檢查對于問題的分解、假設(shè)是否正確，參數(shù)的選擇是否合適，是否忽略了必要的參數(shù)或保留了不該保留的參數(shù)，對假設(shè)做出必要的修正，重復(fù)前面的建模過程，直到模型的結(jié)果滿意為止。應(yīng)用分析結(jié)果：在對模型的結(jié)果滿意的前提下，可以運用模型來得到對結(jié)果的分析。（四）、基本概念（1）圖解建模圖解建模是指用直觀的圖形語言將一個具體的過程模型表達(dá)出來。在這個模型中，分別定義不同的圖形代表輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、空間處理工具，它們

8、以流程圖的形式進(jìn)行組合并且可以執(zhí)行空間分析操作功能。當(dāng)空間處理涉及到許多步驟時，建立模型可以讓用戶創(chuàng)建和管理自己的工作流，明晰其空間處理任務(wù)，為復(fù)雜的 GIS任務(wù)建立一個固定有序的處理過程。（2）模型生成器模型生成器（Model Builder）是 ArcGIS9所提供的構(gòu)造地理處理工作流和腳本的圖形化建模工具，加速復(fù)雜地理處理模型的設(shè)計和實施。最初模型生成器出現(xiàn)在 ArcView 3的空間分析模塊中，它同樣是為地理處理的工作流和腳本提供圖形化的建模工具。同時模型生成器也集成了 3D、空間分析、地統(tǒng)計等多種空間處理工具。（3）模型的基本組成圖解模型基本由三部分組成：輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)和空間處理

9、工具。輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的類型多種多樣，可以是柵格數(shù)據(jù)集、ArcView的 shapefile，也可以是 Arc/Info的coverage等，它隨著不同空間處理工具要求的數(shù)據(jù)不同而不同，并且不同的應(yīng)用目的也產(chǎn)生不同的輸出數(shù)據(jù)類型。空間處理工具包括 ArcToolbox中所有的工具集，也可以是模型（models）、由腳本(scripts)定制的工具或者其他工具箱(toolbox)中的系統(tǒng)工具。只有將以上模型要素有機(jī)的連接起來，才能組成一個完整的圖形模型，因此連接也是模型中一個不可或缺的要素。連接指定了數(shù)據(jù)與操作間的關(guān)系，因此符合條件的要素才能被連接。雖然輸入、輸出數(shù)據(jù)在圖解模型中圖形相同，但其

10、類型卻根據(jù)不同的應(yīng)用目的而變化的。對于空間處理工具也是同樣的道理，圖形相同，但是圖形所代表的操作與應(yīng)用也與目的一致。（要求：詳細(xì)寫清楚本次實驗的完成的主要內(nèi)容、具體實施步驟和實驗結(jié)果。紙張不夠可以自行添加。）一、 模型的建立（一）、加載模型生成器：在 ArcGIS 中可以通過以下方式啟動模型生成器：1、打開 ArcMap，啟動 ArcToolbox；2、右鍵單擊 Toolbox，選擇 New toolbox，生成 Toolbox1 3、右鍵單擊 Toolbox1，在 New中選擇 Model，則生成 model; 4、重命名model為GeodatAnalyst5、按照以上1）至4）步驟依次加

11、入四個model并將后面加入的模型依次命名為generate，generate-DEM，generateSOA，其中GeodatAnalyst中所建立的模型是為了提取等高線，generate中所建立的模型是為了生成正地形坡向坡度圖，generate-DEM中所建立的模型是為了生成反地形的坡度坡向坡度圖，而generateSOA中所建立的嗎，模型是為了得到最終糾正后的SOA（Slope of Aspect）坡度坡向圖。6、轉(zhuǎn)到GeodatAnalyst中：1）打開 spatial analyst tools的 surface功能，選中 aspect工具拖拽到模型生成器窗口中；2）在模型窗口右鍵，

12、選擇 create variable命令，在數(shù)據(jù)類型選擇框中選中 Raster Dataset，如圖 2所示。3）右鍵單擊 Raster Dataset框，點擊 Rename命令，在彈出的對話框中輸入 DEM，將原始的 Raster Dataset重命名為 DEM。4）單擊添加連接圖標(biāo)，連接 DEM和 aspect圖形要素。5）打開 spatial analyst tools的 math功能，選擇 logical中的 less than和 greater than 命令，在 greater than對話框中單擊右鍵，選擇make Variable下的from parameter下的input

13、raster or contest value,并在 input raster or constant value 中輸入1175，同理，在 less than對話框中 input raster or constant value 2中輸入1300。6）點擊連接圖標(biāo)，分別連接 aspect生成的柵格圖形要素和 greater than、less than圖形要素。7）在 math功能中選擇 plus，將得出背光和受光面；8）單擊添加連接圖標(biāo)，分別連接 greater than、less than生成的柵格圖形要素和 plus圖形要素。9）選擇 conversion Tools下的 from r

14、aster中的 Raster to polygon將以上結(jié)果轉(zhuǎn)換為矢量；10）單擊添加連接圖標(biāo)，連接步驟 10生成的結(jié)果和 Raster to polygon圖形要素。11）打開 spatial analyst tools的 surface功能，選中 contour工具拖拽到模型生成器窗口中，設(shè)置等高距為 50。12）13）單擊添加連接圖標(biāo)，連接 DEM與 contour圖形要素。選擇 analysis Tools下的 overlay，選中 identity工具拖拽到模型生成器窗口中。14）設(shè)置參數(shù)在 parameter內(nèi)選擇該模型中用到的參數(shù) raster dataset， output f

15、eature class， input raster or constant value2， input raster or constant value2(2)，在模型編輯器中分別選擇，并添加，點擊OK即可。 建立好的模型如圖：運行模型并加入?yún)?shù)后的效果圖如圖：若模型中連接不起來的地方就呈現(xiàn)白色，相反的如果模型運行成功即呈現(xiàn)其他顏色，加載DEM數(shù)據(jù)后將生成的結(jié)果保存。加載的原圖為DEM_50,所使用數(shù)據(jù)由任課教師所提供，如圖：用ARCMAP打開后的效果圖如圖所示：提取的等高線結(jié)果圖如下圖所示：7、轉(zhuǎn)到generate中，在模型窗口右鍵，選擇 create variable命令，在數(shù)據(jù)類型選擇

16、框中選中 raster dataset。1）打開 spatial analyst tools的 surface功能，分別選中 aspect和 slope工具拖拽到模型生成器窗口中。2）設(shè)置參數(shù)。右鍵單擊模型圖標(biāo)，選擇 properties命令。在 parameter內(nèi)選擇該模型中用到的參數(shù) DEM和 SOA of DEM。模型如圖：8、轉(zhuǎn)到generate-DEM中，打開 spatial analyst tools的 math功能，分別選中 Abs和 Minus工具拖拽到模型生成器中，并在 Minus對話框中單擊右鍵，選擇make Variable下的from parameter下的input

17、 raster or contest value，設(shè)置參數(shù)。建立好的模型圖如圖：9、轉(zhuǎn)到名為generateSOA的model中，將generate和generate-DEM中的模型復(fù)制粘貼到此窗口中，并在此窗口中另外加入三個Minus工具和一個plus工具，連接各個工具模型和設(shè)置的各參數(shù)，加入DEM數(shù)據(jù)后運行并保存模型，如圖：加載的DEM數(shù)據(jù)如圖：運行過程中的示意圖如圖所示：將數(shù)據(jù)保存于桌面文件夾Spatial Analyst中，將最終結(jié)果用ArcMap打開之后效果如圖：過程中生成的坡向圖如圖：建成模型的好處就是方便以后直接使用模型分析坡度坡向，不必再次按照步驟來，省時省力，保存模型的過程中

18、要注意將模型和設(shè)置一同保存，在model中點擊保存，并在Arctoolbox中右鍵單擊選擇save setting，以*.xml形式的文件保存于目標(biāo)文件夾下以便再次使用時加載，加載方法也同保存方法一樣，在ARCToolbox中選擇loading setting，右鍵單擊model的下拉列表中可以打開，編輯等，也可以設(shè)置輸入的數(shù)據(jù)和參數(shù)。三、實驗小結(jié)實驗中出現(xiàn)過的問題（或錯誤）、原因分析1、 在試驗過程中遇到的問題：1） 設(shè)置Value值時，超出DEM原數(shù)據(jù)范圍，出現(xiàn)運行出錯，或者運行到某一步驟的時候停止并出現(xiàn)警告。2） 加載的DEM RASter數(shù)據(jù)有零點像素，運行不正常，得不出預(yù)期結(jié)果。3） 建立連接關(guān)系時由于粗心出現(xiàn)提示，經(jīng)仔細(xì)對照分析修改后解決。4） 設(shè)置參數(shù)時，誤把不必要的要素設(shè)置為參數(shù)。5） 經(jīng)常找不到所需要的工具，原因是對建模不熟悉，對