ArcView GIS 应用与开发技术（11）-空间分析

 简介：空间分析模块用来发现和描述栅格数据中的空间关系、查询空间数据和创建集成的空间分析客户应用程序。支持Grid栅格数据建模。解决主要问题：适宜性分析；三维表面分析；三维通视分析。

适宜性分析：查找满足一定条件的位置，比如一家新旅馆最佳位置，考虑经济增长千里和已有旅馆位置等。

三维表面分析：由行列单元构成的栅格数据，代表地球表面连续变化的因素，如DTM。如果城市规划进行房产开发，想知道如何修改土地利用规划，最大限度降低滑坡、洪水风险。还可以生成表面、分析坡度、建立洪水模型，并提供交互式工具创建等值线和柱装图来分析数据。

三维通视分析：根据数字地面模型模拟现场，判断通视情况，创建地图显示是否通视的区域，解决选择场地建立灾情观察台或通讯塔。

处理Grid专题：按一定的空间间隔采样，由二维行列图元数据矩阵表示。可以基于整数图元数据，可以基于浮点数图元数据。浮点Grid数据代表连续变化的要素，如高程值；整数Grid表示由离散数值的要素，代表分类的现象，如行政区划，由存储专题中个图元数值的统计表。

ArcGIS空间分析模块 （ArcGIS Spatial Analyst）

ArcGIS空间分析提供了丰富的，强大的空间建模和分析功能。这个扩展可以创建基于栅格的数据，并对其查询，分析，绘图。另外，它也可以提供矢量－栅格的一体化分析。用它你可以生成数据，分析数据间的关系，选择最佳地点，计算两点间距离代价。

用空间分析你可以：
* 从要素（点，线，面）生成Grid
* 从要素或栅格根据距离或临近关系生成栅格数据。
* 从点要素数据生成密度图。
* 从离散点生成连续表面。
* 根据这些表面创建等高线，坡度图，坡向图。
* 同时在多个栅格数据上进行逻辑查询和代数运算。
* 进行临域和区域分析
* 进行基于像素的地图分析
* 支持很多标准格式如：TIFF，BIL，SunRaster，USGS DEM，SDTS，DTED等等
* 进行栅格分类和制图等等。

ArcGIS空间分析特别适合于为需要表面距离和其他连续信息问题提供解决方案（如下图）。适宜性分析通常需要坡度（以栅格形式表达），道路和权属边界（以矢量形式表达）来分析到达一个新的服务设施距离。空间分析不但能从各种已有的数据源中的信息生成合适的表面表达，还可以从多种叠加专题类型里生成新的信息，其结果可以用来作为最初提出的问题的建议方案。
其他空间分析擅长一些问题：
* 派生信息：用ArcGIS空间分析从你的数据中生成有用的信息。如：生成光照模拟真实场景，计算坡度找到陡破，确定到每条道路的距离和方向，或计算一个区域的人口密度。

* 确定空间关系：发掘数据集之间的关系。如：查明白血病发作和核电站的距离的关系，朝向和植被的存活的关系。

* 找到适宜的地点：通过查询你的数据，绘制适宜性图，你可以为项目找到适合的地点。如查询3000英尺以上的，离小镇５英里以内，的地方，或综合很多数据，生成一张描述每个地方的适宜性的地图。

* 计算距离代价：计算在地形上的距离代价，并计算两点间的最近线路。

Grid专题使用方法：

1.file-extensions-spatial analyst载入模块；

2.new view-增加了analysis和surface菜单

3.加入Grid专题：add theme-改变目录为avtutor-打开spatial文件夹-选择grid数据源类型-点取elevgrd-点取专题目录中的复选框绘制grid专题。

5.改变显示颜色：elevgrd-classify-改变分类数7-color ramps elevation#2

6.复合显示：两个专题产生复合显示效果，当前专题提供颜色，另专题提供显示亮度。添加grid数据集hillshd到视图，用来渲染当前处理的高程grid专题elevgrd－elevgrd编辑器－advanced－hillshd为亮度专题－设置minimum cell brightness20，maximum..80－advanced options－apply

7.显示数据分析情况

（1）激活Elevgrd专题。注意：激活时，table不可用，因为elevgr是浮点grid专题，没有表格数据与之关联。

（2）Histogram柱装图按钮，观察Elevgrd分布。

8.由高程值专题到处坡度数据（执行分析产生新Grid专题，如由高程值专题绘制坡度图）

（1）激活Elevgrd

（2）surface－derive slope

（3）点取复选框，生成新grid专题

Analysis生成新文件时按系统缺省方式命名。

9．存储分析结果：激活slope专题－theme save data set可以永久保存数据集。

空间分析模块处理的对象时grid数据集，存储在workplace目录下不同子目录。每个grid数据集存放了一些文件在info子目录中，因此不能改名、拷贝、删除grid文件，要用模块提供的grid管理器操作。File－manage data sources访问grid 管理工具。

10.slope专题重新分类

Slope－analysis－reclassify value－classify

11.访问slope属性表

   选择了grid专题属性表的一行记录，则会有多个区域变亮，因为具有相同栅格公用记录。每个栅格在表中没有唯一记录，因此不能直接在视图上选择记录。整数grid上的选择仅限于表格。

适宜性分析实例：银行选址

Eg.为一家银行选最佳位置：离已有银行较远，附近人口密度较大的区域。

方法：创建与银行相关的距离地图，查询地图的距离和人口信息来找到最佳位置，并分析成果转为形文件。

1.       将数据装入新视图

（1）       ArcView装入模块，创建视图

（2）       设置视图投影参数stare plane－1983，GeoGraphic，west

（3）       添加Grid数据集popden（avtutor－spatial），该数据集时人口密度grid

（4）       添加bank.shp（avtutor-spatial）

2.       查询已有的高存款额银行

bank.shp-query builder-privat_dep字段->10000000-new set-表格所选数据高亮

3.       从选择的银行创建距离图

（1）       bank.shp-analysis-find distance-设定地理范围和栅格尺寸

（2）       生成新专题distacne to bank.shp，表示从所有位置到私人投资超过1000万元的银行的直线距离

（3）       将bank.shp移至目录表顶部，在distance to bank.shp上绘制它。（已选中高亮的银行参与计算）

4.       叠加分析，执行条件查询：选择附近没有竞争一行的高人口密度区域

（1）       关闭所有专题的显示，打开popden专题

（2）       Analysis－map query－popden－>3000－and

（3）       点取distance to bank.shp->500

（4）       点取elevuate求值，绘制新专题

（5）       细化：返回map query

（6）       编辑等式：popden的最小值为5000，选择大雨5000/平方千米的区域

（7）       点取elevuate，关闭map query

5.       将结果转换为形文件：激活map query1－convert to shapefile

6.       显示最终结果

（1）       绘制新专题，edit legend－unique value，gridcode作为值字段

（2）       点取靠近0值的符号，按图例编辑器中delete按钮

（3）       双击接近1值的符号，打开调板－fill platte取第二行中间的填充模式

（4）       改变前景色浅红色，背景透明

（5）       点取1标注“新银行”

（6）       添加avtutor/spatial的形文件streets.shp，继续标出街道、添加其他数据层，放进layout中，加上标题、比例尺、图例和指北箭头。

表面分析实例：确定农田施肥量

Eg.了解土壤化学成分针对性施肥。利用采样测量方式，创建该农场土壤钾含量表面grid，并绘制等值线，确定各点施肥量。

1.       创建视图：添加avtutor/spatial的形文件soilsmap.shp和thefarm.shp到视图中。

2.       从点标本创建土壤钾含量表面：土壤采样，获得一系列钾含量测量值，用soilsmap.shp表示。

（1）       激活soilsmap.shp－surface－interpolate grid－output grid specification设定grid范围与thefarm.shp范围相同

（2）       Interpolate surface设置插值法为spline，Z字段为soil_k

（3）       生成新的grid专题surface from soilsmap.shp

形成了描述区域内土壤钾含量的连续表面。

3.       创建等值线

（1）       surface from soilsmap.shp-surface-create contour-contour parameters-contour interval:100

（2）       可用analysis-map query查询

显示Gird专题

从表格上看到有大量适合麋鹿栖息的区域，但不相连，问题转化为是否有足够且连续的麋鹿栖息地。

1.       用显示指导分析

Grid数据作为专题添加到view中才能显示，空间分析模块在分析和转换中生成的数据会自动添加，其余要add theme添加。Grid专题没有轮廓线的实填充模式符号化，只能改变符号颜色。如果grid专题与视图设置的投影不一致，则不能正确显示

2.       合适的图例类型

离散数据代表名称或种类，比如国家名、土地利用类型、土壤类型、邮区、道路类型和土地所有者（整数grid专题）；连续数据代表一定范围内现象，如人口比例、土地ph值、人均收入和地面高程等（浮点grid专题）。

3.       栅格值的分类

4.       符号化Nodata值

5.       复合显示

查询Gird专题

1.       查询单个栅格属性：identify

2.       统计grid专题属性值：legend editor－statistics。标准方差标书数据的差异有多大

3.       用属性选择栅格table-open theme table-select-query builder

4.       生成等值线：

（1）       跟踪等值线：激活想要连续的grid专题－contour－点取表面任一点绘制一条等值线，显示在状态栏的左边。

（2）       把等值线写入新专题中：view-new theme-line-跟踪等值线grid专题-contour-绘制等值线

空间分析功能

 建模和分析时利用

1.       距离地图：查找每个栅格距离最近的数据源有多远。距离时几何距离或从一点到另一带你要花费的代价。以几何系统作为测量系统，可生成距离地图和最近地图；用代价作测量，可生成加权距离地图的路径分析。

（1）       距离地图：eg.水污染分析，确定每个格到最近水井的距离。Map query查询选择满足1000m条件的栅格，利用find distance操作。

（2）       最近地图：每个栅格赋值为离它最近的数据源，最近数据源由几何距离确定。Find distance操作。

（3）       加权距离地图：寻找从每个栅格到加权累计代价最便宜的数据源的路径。代价：时间、金钱、优先。距离采用代价单位。Assign proximity操作。

 Eg.寻找通过森林景区的最小代价路线：加权距离功能确定实际路径。为每个栅格的加权累计代价，需要grid专题和代价grid专题。

代价Grid专题单位时阻抗因子，计算出通过每个栅格的代价。需要查询道路修建经过每个栅格的代价。

应用：查找综合性建筑物的最佳位置；预测火灾传播路径。

（4）       路径分析： 应用了加权距离功能，从选择的目的地寻找最小代价路径。路径分析功能需要另外grid专题：最小代价距离和回链，由加权距离功能导出。 用回链grid专题重新跟踪从目的地到源的最小代价路径。

应用：确定撒水车在森林地区两点见的最优路径；两片森林之间标出小型野生动物走廊。

（5）       密度功能：由输入的点图生成连续表面。人口点与其他人口点、其他人口点的数量以及栅格分享该人口的权重有关。栅格越靠近测量点，权重越大。利用Calculate density操作。

（6）       表面功能：表示高程、浓度和其他度量值，如等值线、污染和噪声。

两组表面功能：

（1）创建表面，从采样输入值创建连续的表面，即表面查值。Inverse distance weighted，spline，kriging和趋势查值法。输入随机或者有规律的分布点包含高度、数值或者浓度等推算其他估值。采样值越多，分布密度越大，结果越可靠。Interpolate grid创建表面。

应用：估计研究去中地下水表的深度；建立数字地面模型等。

（2）分析表面，用连续的grid专题导出新表面，凸现在原是数据重不大明显的模式。

坡向：确定每个栅格到其四周最陡的下坡方向。输出grid专题的值代表坡向的坐标方位角：0度正北，90度正东，180度正南，270度正西。正北算起，顺时针递增。Derive Aspect查询坡向。

应用：找出区域中的南破作为建房的最佳候选地。确定汇水范围。

坡度：每个栅格到它邻域最大的变化量。百分数或角度表示。Derive Slope查询。

应用：找出最大泥石流和严重侵蚀风险的区域等。

等值线：由表面差值生成。Create Contours生成。也可以通过选择等值线工具，点取视图中合适的位置查询一条等值线。自动跟踪选择点代表的量值，

渲染hillshade：产生表面的假定光照效果。Compute Hillshade作渲染分析。

通视性：分析输入的grid专题，查询指定目的点作能够被哪些栅格看到。控制观察点的高度、目标的高度和观察者视线的方向。

应用：确定区域中哪些位置可以执行对道路的通视性评价等。

 

局部统计功能：cell statistices

Grid专题间的统计：要求多个grid专题输入，用多个专题的值计算每个栅格的统计值。

Grid参照统计用多个grid专题作为输入，另有附加的常数值或专题作为参照值。

区域统计：输出grid专题或表格，输出值是输入grid专题栅格值和域它们相同区域内其他grid栅格值的相关函数。输入值可以代表濒危物种、疫区、房地产价格等，区域的例子是城镇中的地块、土地利用类型、森林类型或缓冲区域。Summarize zones

（1） 区域统计：计算每个区域内的统计值。两个输入grid值，定义用于计算的值，第二个查询每个栅格属于哪个区域。计算最大、最小值、平均值、范围、标准方差等。

（2） 区域几何测量：输入grid专题中每个区域指定的几何属性。面积、周长、厚度、中线点位置等。

（3） 交叉表：两个输入专题之间的区域交叉表。第一个专题中的区域产生结果表中的行，第二个产生列。结果值表示专题一中各区域包含输入专题二中各区域的面积。

（4） 区域填充：输入grid专题中的值填充第二个专题中查询的区域。Eg.用水文功能确定了分水岭，在用区域填充功能填充数字地面模型表面，生成无凹陷的数字地面模型。

选择功能：输入grid的栅格子集。

（1）       属性选择查询子集：对表达式求值－选择方式下：对满足条件的栅格赋予原值，否则nodata；测试方式下：满足条件赋予，否则0。应用：显示包含人口小于50人的栅格扽。Map query

（2）       图形选择。

数学操作：输入的grid专题，利用数学运算解决空间问题。

数学函数：输入grid进行函数计算，调整输入grid的栅格值。Map calculator

邻近分析：neighborhood statistics处理输入grid中每个栅格值和其指定相邻区域中的值，计算统计值。应用：模拟指定场景中的火灾传播过程、删除在研究区域中没有正确分类的小面积孤立区域。

重新分类reclassificaition。执行适宜性模型，确定最好的零售商店位置，作地质研究。

水文功能hydrologic：水文模型提供了描述表面物理属性方法。利用高程grid或EDM为输入，自定义水域系统，定量描述水流系统的属性。解决：确定分水岭；定义和描述穿过表面的水流网络。

应用：定义分水岭，确定管理的范围；表面化学物资一处对水土保持的影像；计算通过表面的水流网络，一声成基于水流顺序的规划缓冲区系统；估计研究区域的水土流失情况。

解析度变换：改变已有grid专题解析度，查值法和聚集法。

几何变换：改变每个栅格在专题中的位置，或者几何分布纠正变形。平移和旋转。

镶嵌：将多个相邻grid专题合并为grid专题。与合并区别是如何处理grid专题之间的重叠部分。镶嵌请求自动圆滑邻近grid专题之间的变化。

数据清除：boundary clean平滑不同区域之间的边界；expand扩展指定的区域；thin细化线要素。