2020地理设计组三等奖：基于Arcpy与Numpy的环境与景观空间代数分析软件

今天给大家分享的是一个非常“技术”的作品：

作品编号：B859（三等奖）

作品名称：基于Arcpy与Numpy的环境与景观空间代数分析软件

作者单位：北京师范大学水科学研究院

小组成员：王纤阳，姜淇，刘源，蒋卫威

指导老师：鱼京善

作品视频

作品简介

01设计思想

在ArcGIS广泛应用的大背景下，ArcGIS的技术手段和功能已经成为科研和项目中必不可少的一部分。ArcGIS在空间数据的分析处理上，更为诸多行业提供了强大的集成工具。但是随着各领域研究问题的不断深入和实际问题复杂性的逐渐提高，用户对ArcGIS的功能有了更具体化的需求。城市化进程与洪涝灾害的影响机制是一个复杂、现实且亟待探究的问题。虽然城市化已然成为衡量一个国家发达水平的重要指标，但与此同时，城市化进程增加了人类社会与生态环境的相互作用，由此导致了土地利用发生了巨大变化。因土地利用发生变化，最直接的影响之一是城市洪涝问题，城市洪涝灾害频率程度加剧，使得城市安全面临着巨大挑战。城市化进程改变了水文循环，减弱了城市的调蓄能力。我国南方诸多小城镇因大多处于滨海地区，雨水充沛且其防洪排涝的标准与机制不完善，已成为洪涝的重灾区。自2020年入汛以来，时至今日，我国南方地区共有广西、贵州、湖南、四川等13省（区、市）上千万人次受灾，直接经济损失达到数百亿且还在增长中。三峡大坝也已于8月17日，遇到建坝以来的最大洪峰（长江的5号洪水洪峰），现已开启十孔泄洪。我国此刻仍在承受着洪水造成的巨大灾害，那么城市化进程又对其有多大的影响？城市的未来发展又需要如何规避可能造成的洪水风险呢？深入分析土地利用变化的特征与洪水的响应关系，将为城镇的洪涝灾害防治、未来规划布局提供科学依据，具有重要的科研价值和现实意义。本组的洪水淹没模拟采用成熟的水文水动力模型，在深入剖析洪水影响机制方面则最大化利用ArcGIS技术。主要利用ArcGIS对多期土地利用及洪水淹没数据进行分析，结合Python语言的各类资源库，进行空间尺度的统一、具体指数的计算和空间代数分析，成为独立可执行的软件，可以应用到科研及实际项目中。




02使用案例及研究区域

案例背景：

研究表明，随着城市化进程的不断加快，土地利用的变化对城市生态及雨洪调蓄能力有着巨大影响，加大了城市内涝的频率与强度。本案例以泉州市南安市洪濑镇作为研究区，初步探究这种响应关系的影响，并为实际防洪预警提出建议。

研究区概况：

洪濑镇地跨晋江东溪与梅溪，因台风带来的极端降水时常使该地区遭受洪涝灾害的严重影响。2016年9月15日，超强台风“莫兰蒂”登陆福建浙江等地，洪濑镇爆发了特大洪水，城区主干道东大路淹没高达2 m，城郊梅溪河畔农田淹没水深甚至高达3m。



03主要功能

（1）空间数据前处理

批量掩膜提取：对栅格文件进行批量掩膜裁切的功能，用以进行栅格数据的预处理，使处理后的栅格数据范围一致，以便后续分析。XYZ文件转栅格：将淹没结果文件（xyz）转换为栅格文件，为后面的空间栅格分析做准备。xyz/txt格式的文件在水环境、水动力领域用于水下高程数据、掩膜水深数据、模型结果等数据的保存。对XYZ格式文件进行批量转换，生成tif格式栅格文件，且可以由用户决定生成栅格的像元大小。 批量重采样：用户在软件内便捷地对要分析数据进行批量化重采样，使栅格分辨率统一，例如土地利用数据、上述已经转为栅格的淹没水深数据。

（2）景观指数计算

本软件采用移动窗口法，基于斑块计数、周长、面积的计算，可以进行最大斑块指数（LPI）、景观形状指数（LSI）、斑块结合度（CI）以及香农多样性指数（SHDI）的计算，此外，对于用户特别指定的土地利用类别，本软件工具还提供某类别在窗格中所占面积百分比的指数（class percentage）计算，以便对土地利用面积变化情况进行分析。

（3）计算结果处理

批量投影转换：本软件可以利用一个模板文件，批量定义其它文件的投影信息，可用于景观指数计算工具生成结果的空间参考定义。所有选中的目标文件将被赋予和模板文件相同的空间参考信息。Flo-2D OUT模拟结果及txt转xyz格式(OUT & txt to xyz)：本软件提供了Flo-2D水动力模型洪水淹没模拟结果转换格式的接口，可以对许多其它来源的txt格式文件进行转换，使之可以被ArcGIS识别。结合本软件的xyz转栅格文件功能，用户可将Flo-2D或其它来源的txt、OUT格式文本点阵文件转换成ArcGIS可识别的栅格文件。栅格升尺度：基于移动窗格法进行栅格信息的升尺度操作，将像元尺度数据上升为景观尺度数据。目前软件提供最大值升尺度，以洪水最大淹没水深为例，升尺度过程将每个窗格的最大水深记录并赋予窗格中心像元。

（4）空间代数分析

线性回归叠加分析：基于arcpy的栅格代数功能进行二次开发，采用最小二乘法对空间数据序列进行线性回归分析，可以得到空间数据序列拟合直线的斜率k、截距b以及决定系数R2，以上三项数据均以栅格文件的形式呈现，可以直观地对空间数据的时间变化趋势进行了解。二阶多项式回归叠加分析：可供用户对空间数据集进行二阶多项式回归分析，用户仅需输入栅格数据序列即可完成操作，拟合系数a0、a1、a2以及决定系数R2。皮尔逊相关性分析：可供用户对空间变量进行皮尔逊相关性分析，用户仅需输入作为X数据集、Y数据集的栅格即可完成操作，得到皮尔逊相关系数r的值。多元线性回归分析：可用来对多个栅格数据X和一个栅格数据Y进行多元线性回归分析，得到每个栅格对应的系数。在本功能中，用户可以并规定学习率、误差变化阈值、最大学习次数等参数。当用户未指定时，程序将以默认值进行计算。

（5）批量出图

针对栅格数据进行批量处理，用户可以在给定的Arcmap模板基础上自己定义新的模板。批量出图工具为用户提供了两种方式：可以自定义每个栅格的出图参数，也可以统一对所有的栅格应用同样的一套参数，在体现便捷的同时，尽可能展示用户的个性需求。批量出图的主要参数为栅格数据渲染的分类阈值、栅格文件的透明度、栅格文件的配色方案、出图的分辨率。用户每次操作后，显示面板都会有相应信息产生，便于用户知道程序进程和参数设置情况。



04案例计算结果展示

（1）景观指数计算结果

（2）淹没水深趋势线计算结果：

红色区域对于土地利用和景观格局变化较敏感，趋势线斜率大于0.1（相当于淹没水深每年上升0.1cm），部分区域甚至可达每年增长6cm的程度。黄色区域（一部分为不透水建筑）对于土地利用和景观格局变化不敏感，在土地利用变化的背景下，淹没水深几乎不变化。蓝色区域在土地利用变化的背景下，淹没水深呈现降低的趋势。在城市开发的过程中，应着重对红色区域内的洪水风险影响进行评估。

（3）景观指数趋势线计算结果：

黑框中的两片区域内土地利用和景观格局发生了剧烈的转变（耕地、林地转城镇），导致景观细碎化，新增的不透水面使该区域对洪水的滞蓄能力降低。而该地区正处于城区洪水演进的起点，因此对中心城区的洪水风险带来了极大的影响。绿框及其它区域虽然城区继续扩张，斑块结合度增大，不透水面增多，但由于位于洪水演进下游，淹没水深较低，因此导致洪水风险并未显著增加。

（4）根据软件淹没水深趋势线、景观指数趋势线的分析，我们发现：

·土地利用和景观格局变化对于洪涝风险的影响具有空间的错位效应，受到影响的区域并不仅仅包括新开发区域。·在开发过程中，应对洪水演进上游区域的新城区开发进行谨慎评估，避免下游的中心城区洪涝受灾风险提升。·能够初步划定土地利用变化下的洪水风险敏感区，可为当地提供实际的借鉴意义。

（5）整合批量制图结果中分析的结论：

·根据淹没水深变化率情况，划分了在城镇继续扩张的背景下，三个级别的（非常敏感k>0.3、中等0.3>k>0.2 、一般0.2>k）受灾敏感区域。·根据我们对研究区的了解，并结合最新的土地利用图，初步划分了三个等级（优先、重点、一般）的开发风险管控区域，优先程度越高，对受灾敏感区造成影响的可能性就越大，建议在开发过程中根据不同的级别，对开发导致的中心城区洪水风险进行不同程度的评估。以上成果可以为实际决策提供依据，具有一定实用意义。



05作品特点

（1）适用性广。该应用程序不仅针对某一问题，而是一系列方法及工具，可以应用在不同情况下，适用范围较广。

（2）功能完善。基于空间的各类栅格叠加分析，是Arcpy栅格代数的延伸，此外该软件可以作为ArcGIS的接口直接处理ArcGIS的空间分析结果。

（3）制图高效。批量制图模块，为用户提供了最大程度上的个性化设置，例如在颜色分割阈值、透明度、配色方案等方面进行自定义设置，提高了ArcGIS对大体量数据的出图效率。

（4）实用性强。叠加分析功能具有较高的实用意义，时间序列分析、栅格对比分析往往局限于选择取样点计行计算，而作品对栅格代数的二次开发使得这样的计算可以在二维面上得到展示，整体性强，更加直观。

（5）可塑性强。该软件便于用户操作和再次开发，软件开发了两个版本，界面版可以方便用户根据操作手册快速实现目的，操作简单，尽可能降低了重新学习软件的负担，进程版便于软件镶嵌、远程数据库调用。

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