跟牟老师学ArcGIS｜第11章 栅格数据的空间分析
| 第11章 栅格数据的空间分析 |
基于栅格数据的空间分析在ArcGIS中占有重要地位，空间建模的基本过程也是通过栅格数据的空间分析进行的。
本章讲述栅格数据的基础知识、空间分析的环境设置、密度分析、距离分析、提取分析、栅格插值、重分类、条件分析、太阳辐射分析、表面分析、统计分析等基本概念和操作方面。
本章主要内容：
11.1 栅格数据的基础知识
11.2 数据分析的环境设置
11.3 密度分析
11.4 距离分析
11.5 提取分析
11.6 栅格插值
11.7 重分类
11.8 条件分析与栅格计算器
11.9 太阳辐射分析
11.10 表面分析
11.11 统计分析
11.12 实例
11.1 栅格数据的基础知识
栅格数据是由按行和列组织的单元矩阵组成，每个单元都包含一个信息值。
栅格数据一般分为两类：专题数据和图像数据。
11.1.1 栅格数据的组成
1.单元
栅格数据由栅格单元组成，单元是特定区域的方块，所有单元大小相同。
2.值
每个单元被分配一个特定的值以标识或描述单元归属的类或组，或所描述现象的大小或数量。
3.分区和区域
具有相同值的任意两个或多个像元属于同一个分区。
11.1.2 栅格数据的应用
1.栅格数据用作底图
栅格数据通常被用做其他要素图层的背景来显示场景。
2.栅格数据用做表面地图
栅格数据非常适合表示沿表面连续变化的数据。
3.栅格数据用做主题地图
表示主题的栅格数据可通过分析其他数据获得。
4.栅格数据用做要素的属性
栅格结构的数字照片、扫描文档还可以用做地理对象的属性。
11.2 数据分析的环境设置
ArcGIS 10的环境设置有四个级别，分别为应用程序级别设置、工具级别设置、模型级别设置和模型流程级别设置。
以第一种方法为例，说明设置步骤。在ArcMap窗口中单击模型构建器窗口按钮，打开【模型】对话框。单击【模型】→【模型属性】，打开【模型属性】对话框。切换到【环境】选项卡，选中要设置的环境旁边的复选框，单击【值】按钮，打【环境设置】对话框进行设置。
11.2.1 为分析结果指定磁盘位置
分析结果的缺省位置是系统的临时目录，可以为分析结果指定新的存放位置，操作步骤如下：
1）打开【环境设置】对话框，单击【工作空间】标签，如下图所示。
2）输入【当前工作空间】、【临时工作空间】的存放路径。
3）单击【确定】按钮，完成设置。
分区和区域
11.2.2 使用分析掩膜
分析掩膜标识了分析过程中需要考虑到的分析单元即分析范围。设置分析掩膜分两步：首先创建分析掩膜，可通过提取分析工具创建；然后在【环境设置】对话框中的【栅格分析】标签中指定，使之能应用于后续的分析。
掩膜提取结果如左图所示。
掩膜提取结果
11.2.3 选择坐标系统
在ArcGIS的空间分析中，可以指定分析结果的坐标系统，操作步骤如下：
1）在【环境设置】对话框中单击【输入坐标系】标签。
2）在【输入坐标系】下拉框中选择坐标系统。通常情况下，分析结果将使用第一个输入栅格数据集的坐标系统。
3）单击【确定】按钮，完成设置。
11.2.4 设置分析结果的范围
在栅格数据的空间分析中，分析范围由所用的实用工具决定。操作步骤如下：
1）在【环境设置】对话框中单击【处理范围】标签，如下图所示。
2）在【范围】下拉框中选择空间分析的处理范围。
3）单击【确定】按钮，完成设置。
分析结果的范围设置
11.3 密度分析
密度分析是指根据输入的要素数据集计算整个区域的数据集状况，从而产生一个连续的密度表面。通过计算密度，将每个采样点的值散布到整个研究区域，并获得输出栅格中每个像元的密度值。下图为人口分布的密度表面图。
人口分布的密度表面图
11.3.1 核密度分析
核密度分析用于计算要素在其周围邻域中的密度，既可计算点要素的密度也可计算线要素的密度。
在核密度分析中，落入搜索区域内的点具有不同的权重，靠近格网搜索中心的点会被赋予较大的权重。核密度分析对话框如左图所示。
【核密度分析】对话框
11.3.2 线密度分析
线密度操作步骤如下：
1）在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】→【密度分析】→【线密度分析】，打开【线密度分析】对话框。
2）在【线密度分析】对话框中，输入【输入折线要素】、【Population字段】数据，指定【输出栅格】的保存路径和名称。
3）在【输入像元大小】和【搜索半径】文件框中输入输出栅格数据集的单元大小和密度计算的搜索半径。
4）单击【确定】按钮，完成密度图制作。
11.3.3 点密度分析
点密度分析用于计算每个输出栅格像元周围点要素密度。从理论上讲，每个栅格像元中心的周围都定义了一个邻域，将落入邻域内的样本点的Population字段值相加，然后除以邻域面积，即得到点要素的密度。
11.4 距离分析
距离分析是指根据每一个栅格相距其最邻近要素的距离分析结果，得到每一个栅格与其临近源的相互关系。通过距离分析，便于人们对资源进行合理的配置和利用。距离分析的两种主要方法是欧氏距离工具和成本加权距离工具。距离分析的两个重要概念是源和成本。
11.4.1 源和成本的概念
1、源
源是距离分析中的目标或目的地。源是一些离散的点、线、面要素，要素可以相邻，但属性必须不同。源可以是栅格数据，也可以是矢量数据。
2、成本
成本是指到达目标、目的地的话费，如金钱、时间等。
11.4.2 欧氏距离
欧氏距离工具根据直线距离描述每个像元与一个源或一组源的关系。欧氏距离工具有三种：欧氏距离、欧氏方向、欧氏分配。下图为某区域的欧氏距离图。
欧氏距离数据
11.4.3 成本距离
成本距离操作步骤
1）在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】→【距离分析】→【成本距离】，打开【成本距离】对话框。
2）在【成本距离】对话框中，输入【输入栅格数据或要素源数据】、【输入成本栅格数据】，指定【输出距离栅格数据】的保存路径和名称。
3）在【最大距离】文本框中输入积累成本值不能超过的阈值。
4）单击【确定】按钮，生成成本距离数据。
11.4.4 成本路径
成本路径工具用于确定目标点与源点之间的最低成本路径。成本路径的计算过程中，出发地可以是要素点，也可以是区域要素。所以存在三种成本路径的计算方法，即
1）EACH-CELL.为每个区域中的每个栅格单元寻找一条成本最低的路径。
2）EACH-ZONE.为每个区域寻找一条成本最低路径。
3）BEST-SINGLE.在所有的区域中寻找一条成本最低路径。
11.4.5 最小成本廊道
廊道是不同于两侧基质的狭长地带，具有通道和阻隔的双重作用。如果从廊道栅格中选择值小于最大积累距离的所有像元，则输出栅格为不超过制定成本的一片带状像元。生成的输出阈值即可视为像元的最小成本廊道，下图为廊道分析结果。
廊道分析结果
11.4.6 成本分配
具体操作步骤如下：
1）在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst】→【距离分析】→【成本分配】，打开【成本分配】对话框。
2）在【成本分配】对话框中，输入【输入栅格数据或要素源数据】、【源字段】以及【输入成本栅格数据】数据，指定【输出分配栅格数据】的保存路径和名称。
3）在【最大距离】文本框中输入积累成本值不能超过的阈值。
4）单击确定按钮，完成操作。
11.5 提取分析
提取分析工具用于获取感兴趣的栅格单元，如提坡度大于10%的所有像元。栅格数据的提取分析大致可以分为两种：一类是按属性、形状或者位置提取像元子集；另一类是将像元值提取到点要素，并将这些值记录到点要素类的属性表中。
11.5.1 按属性、形状或位置提取
1、按属性提取
利用【按属性提取】工具可将满足指定属性查询条件的像元提取到新输出栅格中，如提取高程大于1000m的所有像元，或提取土地利用类型中属性为商业用地的所有像元。
2、按形状提取
3、按位置提取
基于空间位置提取像元有两种方法：一种是通过定义一组感兴趣的坐标点，从某栅格中提取规定的像元；另一种是使用眼膜来确定要提取的像元。
11.5.2 将像元值提取到点要素
1、将像元素提取到新点要素数据集中
利用【值提取至点】工具，可以基于一组点要素提取栅格的像元素，并将这些值记录到输出要素类的属性表中，同时为输出要素类添加一个存储新值的名为‘RASTERVALU’的新字段。
2、将像元值追加到现有点要素数据集中
利用【多值提取至点】工具，可以在点要素类的指定位置提取一个或者多个栅格中的像元值，并将值记录到点要素类的属性表中。
11.6 栅格插值
11.6.1 插值的概念
在区域研究过程中，要获得区域内每个点的数据时非常困难的。一般情况下只采集研究区域内的部分数据，这些数据以离散点的形式存在，只有在采样点上才有准确的数值，未采样点上都没有数值。然而，在实际应用中却经常需要用到某些未采样点的值，此时就需要将已知样本点的值按照一定方法扩散开来，给其他的点赋予一个合理的预测值，这就是插值。
11.6.2 插值方法
1、反距离权重法
2、样条函数法
3、克里金法
4、自然邻域法
11.7 重分类
简单的说，重分类就是对原有栅格像元值重新分类从而得到一组新值并输出。所有重分类方法适合区域中的每个像元。也就是说，当对现有值应用某替代值时，所有重分类方法都可以将该替代值应用到原始区域的各个像元。重分类方法不会仅对输入区域的一部分应用替代值。重分类工具包括重分类、查找表、分割、使用表和ASCII文件中分类等。
11.7.1 重分类
在实际应用中，进行重分类的原因一般有新值替代、将值组合到一起、按相同等级对一组栅格的值进行重分类、将特定值设定为NoData或者为NoData像元设置某个值四种。
1、新值替代。
2、将值组合到一起。
3、按相同等级对一组栅格的值进行重分类。
4、将特定值设置为NoData或者为NoData像元设置为某个值。
11.7.2 查找表
操作步骤：
1）在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】→【重分类】→【查找表】，打开【查找表】对话框。
2）在【查找表】对话框，输入【输入栅格】和【查找字段】数据，指定【输出栅格】的保存路径和名称。
3）单击【确定】按钮，完成操作。下图为查找结果属性表。
查找结果属性表
11.7.3 分割
分割工具是按一系列相等的间隔来划分值的整个范围，或者通过将各个像元数量划分到一定数量的组中并保证每组分到的像元数量相等来进行划分。
例如，如果输入栅格中值的范围为1-200，而要分割的间隔数为10，则输出栅格的值将介于1-10。输入栅格中值介于1-20的像元将指定为1，值介于21-40的像元将指定为2，以此类推。
11.7.4 使用表重分类
使用表重分类通过使用重映射表和重分类表将单个值、一定范围内的值、字符串或NoData映射为其他值或NoData。重映射表可以是ASCII文件或INFO表，由两部分组成：第一部分是要重分类的特定像元值，第二部分是像元重分类后的输出值，如INFO表。
ASCII重映射表由注释、关键字和赋值语句组成。
11.7.5 使用ASCII文件重分类
操作步骤如下：
1）在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】→【重分类】→【使用ASCII文件重分类】，打开【使用ASCII文件重分类】对话框。
2）在【使用ASCII文件重分类】对话框，输入【输入栅格】和【查找字段】数据，指定【输出栅格】的保存路径和名称。
3）【将缺失值更改为NoData】为可选项，若选中则栅格像元中未在重映射表中出现或重分类的值被重分类为NoData。
4）单击【确定】按钮，完成操作。
11.8 条件分析与栅格计算器
11.8.1 条件分析
条件分析工具包括天剑函数工具、选取函数工具和设为空函数工具。
条件函数根据像元值在指定的条件语句中的真假来控制每个像元的输出值。
选取函数根据位置栅格数据上每个像元的值来确定输出栅格上的相应位置将使用哪一个输出栅格的值。
11.8.2 栅格计算器
栅格计算式栅格数据空间分析中进行数据处理和分析最为常用的方法。利用栅格计算器，除了可以方便地完成基于数学运算符、基于数学函数的栅格运算，还支持调用ArcGIS自带的栅格数据空间分析函数。
栅格计算器的几种用途：
1）简单算术运算
2）数学函数运算
3）空间分析函数运算
11.9 太阳辐射分析
太阳辐射是地球上各种物理过程和生物过程的主要能量来源。入射太阳辐射穿过大气层时会发生改变，由于地形和表面要素影响又进一步改变，最后在地球表面被拦截成直射部分、散射部分和反射部分。
11.9.1 太阳辐射的基本概念
太阳辐射分析中常用的几个基本概念有：视域、太阳图和星空图等。
1、视域
视域是从某特定位置观看天空时，整个天空可见或遮挡的栅格数据表达。
2、太阳图
太阳图用来表示太阳轨迹，即太阳随时间变化而产生的位置变化。
3、星空图
散射辐射是云、粒子等大气成分分散光线的结果。
11.9.2 太阳辐射的实现
下面对单个点的太阳辐射情况进行分析。
操作步骤：
（1）在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】→【太阳辐射】→【太阳辐射点】，打开【太阳辐射点】对话框。
（2）在【太阳辐射点】对话框中，填入【输入栅格】、【输入点要素或表】数据，指定【输出总辐射要素】的保存路径和名称。
（3）【高度偏移（可选）】：可选项，输入要执行计算的DEM表面上的高度（以米为单位），高度偏差将应用到所有输入位置。
（4）在【纬度（可选）】和【天空大小/分辨率（可选）】文本框中填入位置区域的纬度和天空大小。
（5）在【时间配置（可选）】下拉框中选择用于计算太阳辐射的时间配置（时段）。
11.10 表面分析
表面分析是为了获得原始数据中暗含的空间特征信息，如等值线、坡度、坡向、山体阴影等。ArcGIS表面分析的主要功能有：从表面获取坡度和坡向信息、创建等值线、分析表面的可视性、从表面计算山体的阴影、确定坡面线的高度等。
11.10.1 坡向
操作步骤：
（1）在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】→【表面分析】→【坡向】选项，打开【坡向】对话框。
（2）在【坡向】对话框中，填入【输入栅格】数据，指定【输出栅格】的保存路径和名称。
（3）单击【确定】，完成操作。右图为某区域的坡向图。
11.10.2 等值线
等值线就是将表面上相邻的等值点（诸如高程、温度、降水、大气压力等）连接起来的线。
等值线的集合常被称为等值线图，但也可拥有特定的术语称谓。例如表示压力的称为等压线图，表示温度的称为等温线图，表示高程的等高线图是最常使用的等值线图。等值线的分布显示出整个表面上值的变化情况，等值线越密，表面值得变化越大，反之越小。
11.10.3 填挖方
操作步骤：
（1）在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】→【表面分析】→【填挖方】选项，打开【填挖方】对话框。
（2）在【填挖方】对话框中，填入【输入填/挖之前的栅格表面】、【输入填/挖之后的栅格表面】数据，指定【输出栅格】的保存路径和名称。
（3）在【Z因子（可选）】文本框中填入Z因子。
（4）单击【确定】，完成操作。
11.10.4 山体阴影
山体阴影通过考虑照明源的角度和阴影，根据表面栅格创建晕渲地貌。它根据假想的照明光源对高程栅格图运用山影函数，计算每个单元以及相关邻域单元的照明值，很好地表达地形的立体形态，而且可以提取地形遮蔽信息。在创建山体阴影图时，主要考虑太阳方位角和太阳高度。
11.10.5 坡度
（1）在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】→【表面分析】→【坡度】，打开【坡度】对话框。
（2）在【坡度】对话框中，填入【输入栅格】数据，指定【输出栅格】的保存路径和名称。
（3）【输出测量单位（可选）】：可选项，选择坡度的表示方法，有两种情况。
（4）在【Z因子（可选）】文本框中填入Z因子。
（5）单击【确定】，完成操作。左图为某区域的坡度图。
11.10.6 曲率
地面曲率是对地形表面上一点扭曲变化程度的定量化度量因子。曲率计算的输出结果为每个像元的表面曲率，该值通过将该像元与八个相邻像元拟合而得。
曲率输出栅格的单位以及可选输出剖面曲线栅格和输出平面曲线栅格的单位是z单位的百分之一（1/100）。某山区（平缓地貌）的全部三个输出栅格的合理期望值介于-0.5至0.5之间；如果山势较为陡峭崎岖（极端地貌），那么期望值介于-4至4之间。
11.10.7 可见性分析
操作步骤：
（1）在ArcToolbox中双击【Spatial Analyst工具】→【表面分析】→【视域】，打开【视域】对话框。
（2）在【视域】对话框中，填入【输入栅格】、【输入观察点或观察折线（polyline）要素】数据，指定【输出栅格】的保存路径和名称。
（3）在【Z因子（可选）】文本框中填入Z因子。
（4）【折射系数（可选）】：可选项，空气中可见光的折射系数。默认值为0.13。
（5）单击【确定】，完成操作。图11 81 标识了“rec_sites”的视域。图上的点状数据即为“rec_sites”数据点。其中绿色像元是可见部分，而红色像元则不可见。
11.11 统计分析
11.11.1 局部分析
在空间分析过程中，经常需要对某段时间内的特定现象进行分析。 局部工具可执行以下五个常规类别的分析：
1．合并。
2．查找输入列表中满足指定条件的出现次数。
3．查找输入列表中满足指定条件的值。
4．查找输入列表中满足指定条件的位置。
5．像元统计。
11.11.2 邻域分析
邻域运算是以输入数据的单元值为中心，向周围扩展一定的范围，基于扩展范围内的栅格数据进行函数运算，并将结果输出到相应的单元位置的过程。ArcGIS中存在两种基本的邻域运算：一种针对重叠邻域，另一种针对不重叠邻域。焦点统计工具用来处理具有重叠邻域的输入数据集；块统计工具用来处理非重叠邻域的数据集。下图演示了两种方法的原理。
焦点运算和块运算原理图
11.11.3 区域分析
区域分析工具可对属于输入区域的所有像元执行分析，并输出计算结果。区域既可以定义为具有特定值的单个区域，也可由具有相同值的多个区域组成。
区域分析工具分为以下几个类别：
作用于区域形状的区域分析工具（分区几何统计、以表格显示分区几何统计）；
作用于区域属性的区域分析工具（分区统计、以表格显示分区统计）；
确定区域中类的面积的区域分析工具（面积制表）；
确定某输入栅格值在另一区域中频数分布的区域分析工具（区域直方图）；
填充指定区域的区域分析工具（区域填充）。
温馨提示：关注GeoTalks后,点击“精彩文章”菜单，即可查看《ArcGIS10 地理信息系统教程：从初学到精通》以前章节的课件。祝各位学习愉快！
牟乃夏老师简介
牟乃夏（1973-），男，博士、博士后，现为山东科技大学测绘学院副教授，硕士生导师。在扎实科研的同时，更乐于将所思所学传授给学生，曾经连续六年带领七组学生进入Esri杯中国大学生GIS软件开发大赛的总决赛，成为学生培养的传奇和美谈。从教十年来已培养研究生40余名，都在自己的工作岗位上为GIS的发展应用做出了重要贡献。
为使全国的GIS学子更快更好的掌握GIS基本技能，他组织团队经过两年多的时间精心编写了《ArcGIS10地理信息系统教程：从初学到精通》《ArcGIS Engine地理信息系统开发教程：基于C#.NET》两本教材，深受广大学子喜爱，已成为学习GIS的必备工具书。同时为了推广GIS、传授GIS，他还开设了博客、微博，QQ群等，进行GIS知识的传播和交流，由于他为GIS教学与推广做出的贡献，2015年被CPGIS（全球海外华人地理联合会）授予杰出教育奖。
图书简介
《ArcGIS10地理信息系统教程：从初学到精通》一书2012年9月由测绘出版出版（截至2016年2月已经印刷9次），销量长期位于同类图书的榜首。目前已被全国60余所高校采纳为相关课程的教材或者参考书。该书内容翔实、深入浅出、通俗易懂，层次合理，初学者能够很快入门，对ArcGIS已经熟悉的读者来讲，也是一本必备的案头书。
该书是作者在总结多年GIS教学与科研工作的基础上，充分考虑本科生、研究生的知识结构、操作水平及生产单位的实际需求编写而成的。内容包括：ArcGIS10基础，ArcGIS10快速入门，空间数据库，空间数据的采集、编辑与拓扑处理，空间投影与变换，空间数据可视化，地图制图，矢量与栅格数据的空间分析，网络分析，三维分析，水文分析，地统计分析等。特别的，针对Esri杯中国大学生GIS软件开发大赛而设计了ModelBuilder与空间建模一章，并提供了两个获奖实例，供读者参考。本书配有大量具有实际背景的应用实例及其详细的操作步骤，随书光盘中包含所有实例的数据，供读者练习。
本书强调新颖性、实用性、技巧性、全面性和实战性，注重理论与实践的结合。既可作为高等学校地理信息系统、测绘工程、遥感科学与技术、地理科学、城市规划、土地资源管理、市政工程、交通运输、环境保护、地质工程等相关专业的本科生、研究生的理论课教材和实验指导书，也可作为相关部门的研究人员、管理人员和技术人员的参考用书。
GeoTalks
微信号：geotalks
一个开放的交流平台
聚焦测绘地信话题，传播创新理念
欢迎社会各界投稿荐稿
投稿邮箱: geotalks@qq.com