DEM数据处理与分析

DEM数据处理与分析
目录
一、DEM数据获取 (1)
二、DEM数据处理 (3)
（一）初步预处理 (3)
（二）其他处理 (8)
（三）坐标转换（计算坡度之前的预处理） (10)
三、DEM数据拼接 (12)
（一）获取 (12)
（二）镶嵌 (12)
（三）裁剪 (14)
四、地形属性提取 (15)
（一）坡度提取 (15)
（二）坡向提取 (15)
（三）表面曲率提取 (16)
五、透视图建立 (17)
（一）设置抬升高度 (17)
（二）修改显示符号系统 (18)
（三）设置渲染 (19)
（四）其它图层（栅格或矢量）数据按地形高度进行抬升 (20)
六、建立和显示TIN (21)
（一）TIN转换 (21)
（二）TIN属性描述 (21)
（三）TIN渲染 (22)
七、创建等高线 (23)
（一）创建等高线 (23)
（二）创建垂直剖面 (24)
（三）坡度分级 (25)
七、DEM相关应用 (25)
DEM应用之坡度：Slope (26)
DEM应用之坡向：Aspect (30)
DEM应用之提取等高线 (32)
DEM应用之计算地形表面的阴影图 (34)
DEM应用之可视性分析 (38)
DEM应用之地形剖面 (41)
八、说明 (42)
一、DEM数据获取
地理空间数据云为我们免费提供了大量的影像和高程数据。

其中高程数据分辨率包括90米和30米两种，现在我介绍一下如何下载这些DEM数据。

1、首先在百度中搜索“地理空间数据云”，打开其页面，如图1。

2、这里需要地理空间数据云的账号，点击右上角的注册，注册一个账号。

如图2。

3、注册完后，登陆账号，然后开始检索所需DEM数据。

这里介绍一下高级检索：点击“高级检索”即可进入，然后我们可以分别按照“地名”、“经纬度”、“行政区”三种条件检索，同时也可以使用“日期”等进一步缩小范围。

如图3。

4、我们输入经纬度范围（如图4）或者输入行政区名称（如图5）。

5、选择数据集，这里我们选择“DEM数字高程数据”，其中有90米和30米之别。

我们根据自己需要选择。

然后点击“确定”。

如图6。

6、如图7，这就是搜索到的数据，我们点击“更多”—“下载数据”，这里需要我选
择网络，则可根据需要选择即可。

二、DEM数据处理
（一）初步预处理
第一次使用DEM高程数据的朋友常常遇到这个问题，IMG是压缩包么？怎么不能解压呢？为什么我打开之后数据是灰色的呢？明明是平原地区，为什么显示的高程范围却在-32767-32767之间呢？为什么展示图里是五颜六色的，而我打开的却是灰色影像呢？首先IMG不是压缩包，“.img”作为一种栅格影像格式，可以直接在ArcMap、ENVI、ERDAS等遥感软件中打开使用，无需解压。

其次，怎么去除高程影像中的空值（如-32767），让它在一个正常的范围内显示呢？小编这里以TIF格式的DEM高程影像为例（IMG的处理方式同样），一步步带大家来操作。

1. 在ARCMAP里打开一幅DEM高程数据（ADD DATA），可以从左边看到其显示的数据范围是-32767-32726，右侧为灰色影像。

2. 在ArcMap里打开Spatial analyze工具，选择Raster Calculator，设置DEM高程数据值为0并进行计算（点击Evaluate按钮），页面如下：
3. 计算之后结果显示为Calculation，页面如下图：
4. 再次打开Spatial analyze工具，选择Reclassify，选中chang missing values to Nodata 打钩, 点击OK。

5. 然后打开Raster Calculator面板，将上一步计算出来的[Reclass of Calculation]与[原始的DEM 高程数据]相乘, 点击Evaluate，界面如下：
6. 计算结果，如图：
7. 鼠标右键点击Calculation2，打开Properties, 选择Symbology选项，在左侧选中Stretched, 点击确定。

如下图：
8. 在这里，我们看到，经过处理，高程影像的值域范围已经变为正常的海拔范围（105-4336）了：
9. 我们还可以给它设一个漂亮的显示颜色，简单的双击左侧的灰度条即可，到这一步，DEM数据的预处理就做完了。

（二）其他处理
1. 首先添加DEM数据：
2. 如下图显示，全黑，是由于存在坏点，可使用Calculate Statistics处理一下。

3. 如下图依次展开Arc Toolbox—Data Management Tools—Raster—Raster Properties—Calculate Statistics
4. 点击Calculate Statistics，打开出现下图选择所要处理的DEM数据。

5. 点击OK，进行计算，计算完成如下图。

（三）坐标转换（计算坡度之前的预处理）
下载的DEM数据是WGS-1984坐标系，属于地心坐标系，XY坐标单位是度分秒，必须将其单位转换为米，否则将导致所得坡度不正确，坡度平均会在80-90度（如下图）。

故将其转换成以米为单位的坐标系，北京1954坐标系。

1. 输入Project Raster，点击后出现下图：
2. 在Out Coordinate System中点击后面的按钮，选择Gauss Kruger的Beijing 1954坐标系。

根据数据所在六度分带选择投影方式。

点击确定。

3. 在Geographic Transformation中选择一种。

（此处不确定都是什么意思）
4. 点击OK开始处理，处理完成坐标转换成功。

三、DEM数据拼接
DEM数字高程包括SRTM90米分辨率原始高程数据和30米分辨率数字高程数据产品。

SRTM90米分辨率原始高程数据、30米分辨率数字高程数据产品。

其中，SRTM由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量。

2000年2月11日，美国发射的“奋进”号航天飞机上搭载SRTM系统，SRTM系统获取的雷达影像的数据量约9.8万亿字节，经过两年多的数据处理，制成了数字地形高程模型（DEM），即现在的SRTM地形产品数据。

如果下载30米的DEM数据，其文件为压缩文件，每个压缩包内包含三个文件，即数字高程模型（_dem）文件、质量评估（_num）文件和高程快视图（_jpg）文件。

（一）获取
打开ArcMap，将所有涉及到的数字高程模型文件加载到ArcMap中。

（婺城区共两个文件，下图以四川省为例，共六个文件）。

问题：为什么9个DEM数据的相接处的显示有很明显的分界？
（二）镶嵌
镶嵌是指两个或多个图像的组合或合并。

在ArcGIS中，您可以通过将多个栅格数据集镶嵌到一起来创建一个单个栅格数据集。

此外，还可以通过一系列栅格数据集创建镶嵌数据集和虚拟镶嵌。

使用ArcToolbox中Data Management Tools(数据管理工具)/Raster(栅格)/Raster Dataset(栅格数据集)/Mosaic(镶嵌)或Mosaic To New Raster(镶嵌至新栅格)进行拼接。

如运行“镶嵌至新栅格”，输入下载的多个DEM数据、
输出的位置（已经存在的目录）和合并后的栅格数据文件名，波段数据设置为1。

如果选择“镶嵌”，则合并到第一个栅格文件中。

镶嵌完成，得到如下结果，并把其它的图层移除
问题：镶嵌后是什么坐标系统？共有多少行和列？
（三）裁剪
合并后的DEM数据可能与研究区域不重合，需要根据边界对DEM数据进行裁剪，如将上面拼接的结果，按四川省边界图层进行提取。

1. 加入四川省边界图层。

2. 使用ArcToolbox/Spatial Analyst Tools（空间分析工具）/Extraction(提取分析)/Extract By Mask（按掩膜提取）提取工具。

提取的结果文件命名为四川省90米DEM。

（数据将用于后续实验任务）。

结果如下：
问题：ArcGis中除了可以按掩膜提取外，还可以按什么方式提取？
四、地形属性提取
（一）坡度提取
ArcGis中坡度工具用于为每个像元计算值在从该像元到与其相邻的像元方向上的最大变化率。

实际上，高程随着像元与其相邻的八个像元之间距离的变化而产生的最大变化率可用来识别自该像元开始的最陡坡降。

该工具会将一个平面与要处理的像元或中心像元周围一个3x3的像元邻域的z值进行拟合。

该平面的坡度值通过最大平均值法来计算（请参阅参考书目）。

该平面的朝向就是待处理像元的坡向。

坡度值越小，地势越平坦；坡度值越大，地势越陡峭。

1.启动ArcMap，添加数据框，并更名为“任务2”，将四川省90米DEM（任务1得到的结果栅格图层）加入。

2.使用ArcToolbox中Spatial Analyst Tools（空间分析工具）/Surface（表面分析）工具集中Slope（坡度）工具提取坡度。

问题：怎样把坡度25度以上的地方查找出来？
（二）坡向提取
坡向用于识别出从每个像元到其相邻像元方向上值的变化率最大的下坡方向。

坡向可以被视为坡度方向。

输出栅格中各像元的值可指示出各像元位置处表面的朝向的罗盘方向。

将按照顺时针方向进行测量，角度范围介于0（正北）到360（仍是正北）之间，即完整的圆。

使用ArcToolbox中Spatial Analyst Tools/Surface工具集中Aspect(坡向)工具提取坡向。

提取的结果如下：
（三）表面曲率提取
曲率工具会逐个像元地计算输入表面的二阶导数值。

曲率工具的输出是该表面的二阶导数（例如，坡度的坡度），从应用的角度看，该工具的输出可用于描述流域盆地的物理特征，从而便于理解侵蚀过程和径流形成过程。

坡度会影响下坡时的总体移动速率。

坡向将决定流向。

剖面曲率将影响流动的加速和减速，进而将影响到侵蚀和沉积。

平面曲率会影响流动的汇聚和分散。

使用ArcToolbox中Spatial Analyst Tools空间分析工具/Surface表面分析工具集中Curvature工具提取表面曲率。

通过点击图层右键，选择属性中的符号系统，显示方式设置为已分类，并设置分类中的类别数量及中断值，将其显示为<=-0.5，-0.5至0，0至0.5，>0.5总4个级次。

五、透视图建立
（一）设置抬升高度
打开ArcScene，将场景名改为“任务3”，并将四川省90米DEM数据加载到视图中。

并通过Properties（右键属性）中BaseHeights（基本高度）栏中，选择Obtain heights for layer from surface，选择DEM数据为地表抬升高度数据。

转换系数设置为8，表示抬升高度（米）是实际高度的8倍。

（二）修改显示符号系统
在符号系统中，选择拉伸方式显示，并设置色带为Elevation #1。

（三）设置渲染
在Rendering（渲染）栏中进行渲染，设置光照效果。

（四）其它图层（栅格或矢量）数据按地形高度进行抬升
将四川省地州界及四川省主要公路图层加入场景。

并设置四川省地州界及四川省主要公路图层的基本高度参数。

附加：将四川省气象站点的温度插值栅格图层（实验五的结果）加在场景中，并以DEM 为基础高程抬升（结果见下图）。

六、建立和显示TIN
ArcGis中栅格转TIN 工具的用途是创建表面偏离输入栅格不超过指定Z 容差的不规则三角网(TIN)。

（一）TIN转换
1. 启动ArcMap，添加数据框，并更名为“任务4”，将四川省90米DEM（任务1得到的结果栅格图层）加入。

2. 使用ArcToolbox中3D Analyst工具/转换工具/栅格转TIN进行转换。

（二）TIN属性描述
1. z_tolerance(可选)，输入栅格与输出TIN 之间所允许的最大高度差（z 单位）。

默认情况下，z容差是输入栅格z 范围的1/10。

如果指定的Z 值容差较小或者栅格表面在地形构造方面很粗糙复杂，则需要更多的点来构建TIN。

2. max_points(可选)，将在处理过程终止前添加到TIN 的最大点数。

默认情况下，该过程将一直持续到所有点被添加完。

如果已指定，则点的最大数量将作为TIN 的大小限制。

如果在TIN 结点计数达到此限制时，仍不符合Z 容差，则该工具将会停止，并返回操作失败。

3. z_factor(可选)，输入TIN 的高度转换为输出TIN 的高度时所乘的系数。

用于将z 单位转换为x 和y 单位。

（三）TIN渲染
问题：修改Z容差值及最多点数，查看转换后的TIN组成。

七、创建等高线
（一）创建等高线
1. 启动ArcMap，添加数据框，并更名为“任务5”，将四川省90米DEM（任务1得到的结果栅格图层）加入。

2. 使用ArcToolbox中Spatial Analyst Tools空间分析工具/Surface表面分析工具集中等值线Contour工具提取表面等值线。

也可以使用ArcToolbox中3D Analyst工具/栅格表面/等值线工具。

注意：路径、文件名最好用英文字母，不要太深、不要有特殊字符，比如括号么、“-”等。

起始等值线可用作起点或参考，其他所有等值线（包括正等值线和负等值线）都将从该条等值线派生出来。

起始等值线的默认值为0.0。

如果输入5.0 作为等值线间距，则可生成0、5、10 等正值，以及0、-5、-10 等负值。

实际生成的等值线将取决于此间距模式与输入terrain 数据集或TIN 的实际z 范围间距模式的叠加。

如果将起始等值线值指定为0.1，使用相同的间距 5.0，则等值线模式将变为0.1、5.1、10.1 等正值以及-4.9、-9.9、-14.9 等负值。

3. 标注等高线值。

使用在属性选项中标注等高线的值，选择Contour为标注字段。

（二）创建垂直剖面
1. 启动ArcMap，添加数据框，并更名为“任务6”，将四川省90米DEM（任务1得到的结果栅格图层）加入。

加入四川省主要公路图层。

2. 打开3D Analyst工具栏。

选择3D Analyst工具栏中的“插入线Interpolate Line”功能，使用鼠标沿一段主要公路划出创建垂直剖面图经过的点的线。

3. 使用3D Analyst工具栏中的创建剖面图Create Profile Graph工具，创建沿划线经过点的剖面图。

通过属性和高级属性修改显示样式。

（三）坡度分级
分析四川省坡度小于等于10、10至20、大于20度各类点的百分之，并估算其面积。

1. 启动ArcMap，添加数据框，并更名为“任务7”，将四川省坡度图层（任务2提取的坡度图层）加入。

2. 使用重分类功能，分为三类，将中断值改为10、20。

3. 通过属性表进行计算三类中的点数。

问题：面积怎样估算？
七、DEM相关应用
DEM应用之坡度：Slope
新建地图文档，加载【ArcGIS地形分析--TIN及DEM的生成，TIN的显示】经验教程中得到的DEM数据：TINGrid。

在【ArcToolbox】中，执行命令[3D Analyst工具]——[栅格表面]——[坡度]，参照下图所示，指定各参数：
执行后，得到坡度栅格Slope_tingri1：坡度栅格中，栅格单元的值在[0 -82] 度间变化。

右键点击图层[Slope_TinGrid]，执行[属性命令]，设置图层[符号系统]，重新调整坡度分级。

将类别调整为5，点[分类]按钮，用手动分级法，将中断值调整为：8，15，25，35，90。

【下面计算剖面曲率】
在【ArcToolbox】中，执行命令[3D Analyst工具]——[栅格表面]————[坡度]。

按如下所示，指定各参数。

得到剖面曲率栅格：[Slope _Slope]
DEM应用之坡向：Aspect
打开【ArcToolbox】，执行命令[3D Analyst工具]——[栅格表面]——[坡向]，按下图所示，指定各参数：
2
执行结果为（得到坡向栅格：[Aspect_tgrid]）：
【以下计算平面曲率】：
在【ArcToolbox】中，执行命令[3D Analyst工具]——>[栅格表面]——>[坡度]，按下图所示，指定各参数，按下图所示指定各参数：
执行后生成平面曲率栅格[Slope_Aspect]：
DEM应用之提取等高线
新建地图文档，加载DEM数据：[tingrid]。

（在执行以下操作时确保，3D Analyst 扩展模块已激活，以后不说表示本人已经激活，各位在操作的时候这点应该也懂的吧！）
然后在【ArcToolbox】中，执行命令[3DAnalyst工具]——>[栅格表面]——>[等值线]，按下图所示指定各参数：
执行后生成等高线矢量图层：Contour_tingrid:
DEM应用之计算地形表面的阴影图
在【ArcToolbox】工具箱中，执行命令[3D Analyst工具]——>[栅格表面]——> [山体阴影]，按下图所示指定各参数：
执行后生成地表阴影栅格：[Hillsha_ting1]:
下面进行【DEM渲染】：
关闭除[tingrid] 和[Hillsha_ting]以外所有图层的显示，并将[tingrid ] 置于[Hillsha_ting] 之上，右键点击[tingrid] ，在出现的右键菜单中执行[属性]，在[图层属性]对话框中，参照下图所示设置[符号系统]选项页中颜色。

如图：
在工具栏空白处右键，打开工具栏[效果]，如下图所示，设置栅格图层[tingrid]的透明度为：[45%]左右，结果如图：
DEM应用之可视性分析
（一）【通视性分析】
数据使用上一步骤的结果！在上一步的基础上进行。

打开[3D Analyst] 工具栏，从工具栏选择[创建通视线](Line of sight)工具，如图：
在出现的[通视分析]对话框中输入[观察者偏移量]和[目标偏移量], 即距地面的距离，如图：
在地图显示区中从某点[A]沿不同方向绘制多条直线，可以得到观察点[A]到不同目标点的通视性：
（二）【可视区分析：移动发射基站信号覆盖分析】
(1)在上一步基础上进行，在内容列表区[TOC]中关闭除[tingrid]之外的所有图层，加载移动基站数据－矢量图层：[移动基站.shp]
（数据后边会提高给大家下载）
(2)在【ArcToolbox】中，执行命令[3D Analyst工具]——>[栅格表面]——>[视域]，按下图所示指定各参数：
(其中绿色表示现有发射基站信号已覆盖的区域，淡红色表示，无法接收到手机信号的区域)
DEM应用之地形剖面
本步骤同样是在上一步骤的结果下进行的：
在上一步基础上进行，打开[3D Analyst]工具栏，点击[线插值]工具，跟踪一条线段，这条线段可以从DEM:[TINGRID] 中得到高程值
点击[剖面图] 按钮，得到上一步所生成的3D线段的剖面图：
到此，DEM应用除了【水文分析】外，主要的应用基本讲完。

由于每个经验教程只能上传20张图片，故【水文分析】将会在下一个教程讲授！
八、说明
本文主要通过收集、整理并汇总网络上关于DEM数据处理与分析的各种实验方案及教程，形成了较为完整、细致的文档。

汇总的内容主要来源有：
1.如何在地理空间数据下载免费DEM数据？
/yuer/561225zkw.html
2.DEM高程数据处理方法——吴飞
/blog-782746-854551.html
3.DEM做坡度(详细步骤)及常见问题解决方法
/link?url=VGOlkCp6Orxk1KGA1NAaU2yRr2Hc3iArcmE_ZP-d9R C02i_3q6bEdee4fEz8C9M2VTVNguE4rLjGlyWNnJW0h-c4Yjp4v3P-PwBXvh3a_5W
4.成都信息工程学院《地理信息系统原理》实验指导实验六、DEM的建立与应用
——王增武
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5.ArcGIS教程之DEM的应用（坡度坡向、提等高线）——百度经验
/album/64d05a02752b00de55f73b91.html
其他相关深入实习：
1.基于ArcGIS的DEM信息提取及应用分析
/jsyj/ghxx/2015/1/19/516.shtml
2.实习七、DEM建立与应用
/dlxx/exper/syja/yzsy/7.htm。