实验九 复杂地形中的选址

实验九复杂地形的选址
一、实验目的 (1)
二、实验准备 (1)
三、实验内容及步骤 (2)
（一）、环境限制分析 (2)
1、栅格分析的初始设置 (2)
2、确定城镇周边3km范围 (5)
3、确定森林公园周边5km范围 (9)
4、产生只包含“范围内”的栅格 (12)
5、环境因子综合 (13)
（二）计算取水费用 (16)
1、建立“源”图层 (18)
2、建立“成本”图层 (19)
3、产生取水费用图层 (25)
（三）计算铁路支线建设费用 (28)
1、建立“源”图层 (29)
2、建立“成本”图层 (30)
3、产生铁路支线建设费用 (33)
（四）计算煤炭运输费用 (34)
1、将煤矿的矢量位置数据转换成栅格 (35)
2、煤炭在铁路主线上的运距 (36)
3、邻近分配 (37)
4、计算煤炭在支线上的运距 (39)
5、计算运输费用 (40)
（五）评价指标的标准化 (41)
1、取水费用的标准化处理 (42)
2、铁路支线建设费用的标准化处理 (44)
3、煤炭运输建设费用的标准化处理 (45)
（六）选址评价的指标综合 (46)
实验九复杂地形中的选址
一、实验目的
某区域需选址建设一处火电厂，区域面积约6000平方千米。

区域内有煤矿一处，为火电厂的煤炭来源。

东侧有湖泊，为火电厂的水源。

区域范围内有铁路主线3条，需建设火电厂铁路专用线（铁路支线）1条，用于煤炭运输。

区域内已有城镇3个，森林公园1处。

火电厂的建设要考虑许多问题，但是许多因素和地理位置无关，如发电设备、厂房、排放烟气的净化处理等，与位置有关的因素中影响较大的有两类。

（1）环境因素：城镇、森林公园对电厂位置有限制，明显不符合要求的位置将排除在外；
（2）经济因素：水源供应、铁路支线、煤炭运输都对电厂的建设、运营费用由影响。

二、实验准备
本实验使用的基本数据有以下4种：
（1）区域范围：多边形，包括城镇、湖泊、森林公园，以及研究范围以外的区域；
（2）铁路主线：线，区域内已有铁路主线；
（3）煤矿：点，区域内的煤矿；
（4）地形高程：点，测量得到的地形高程点。

选址评价方法：
（1）环境。

新建电厂应和现有城镇、森林公园保持一定距离，而且不能选在预定的范围之外。

根据前期研究，不能选做电厂的位置有4个条件：（1）湖泊；（2）研究范围之外的区域；（3）现有城镇及其周边3km范围；（4）森林公园及其周边5km范围。

（2）水源。

发电用水取自区域东侧的湖泊，费用与输水距离、地形起伏有关。

前者为输水管道的建设，后者包括泵站建设和运营费用。

（3）铁路支线。

新建铁路支线从现有铁路主线出线，延伸到电厂，和取水类似。

铁路支线的建设费用除了和现有铁路的距离有关，也和地形变化有关，当地形坡度较大时，就有增加土石方工程量，还可能修建隧道、桥梁。

（4）煤炭运输。

煤矿到火电厂的运输费用主要有距离决定，包括铁路主线运距和支线运距两部分。

（5）多因子综合。

取水费用，铁路支线建设费用、煤炭运输费用可以叠加计算，得到综合总费用，同时也受环境因素的限制，汇总后得到电厂选址的综合评价结论。

本实验的分析方法均基于栅格，原始矢量数据要转换成Grid。

三、实验内容及步骤
（一）、环境限制分析
建立离开现有城镇3km以上距离的栅格；建立离开森林公园5km以上距离的栅格；选出可能建设的位置；三个栅格叠合，产生环境允许的位置栅格（取名为R_site，逻辑关系如图所示）。

1、栅格分析的初始设置
启动地图文档D:\data12\data12.mxd。

首先设置地图单位，如图所示，打开的地图文档单位是，
选择View菜单下的data frame properties,打开data frame特征设置对话框的General 标签中将Units/Map和Display均改为Meters。

选择菜单Tools/Extensions,加载Spatial Analyst模块，如图所示：
选择菜单View/Toolbars/Spatial Analyst,加载Spatial Analyst工具条。

设置Spatial Analyst的初始化选项，选用菜单Spatial Analyst/options,进行如下设置。

按“确定”键完成初始化设置。

根据前期研究，不能选做电厂的位置有4个条件：（1）湖泊；（2）研究范围之外的区域；（3）现有城镇及其周边3km范围；（4）森林公园及其周边5km范围。

2、确定城镇周边3km范围
选择菜单Selection/Select By Attributes,在弹出的参数设置对话框中作如下设置：
按Apply键确定，可以看到，地图上3个城镇多边形进入选择集，按Close键返回。

置对话框：
按OK键继续，产生离开现有城镇的栅格距离图层，如图所示。

选择菜单Spatial Analyst/Reclassify,对该图层进行再分类，出现Reclassify对话框，Input raster下拉菜单中选择，点击Classify按钮，出现Classification对话框：
按OK键返回，产生新的栅格分类图层，该栅格只有离开城镇的距离大于3000m的单元。

图层“Distance to 区域范围”对以后计算不起作用，为了精简显示内容，将其从当前Data Frame中删除。

3、确定森林公园周边5km范围
使用要素类选择按钮，选择“森林公园”。

选择菜单Spatial Analyst/Distance/Straight Line,系统出现Straight Line参数设置对话框：
按OK键继续，产生离开现有森林的栅格距离图层D_forest,如图所示。

选择菜单Spatial Analyst/Reclassify,对该图层进行再分类，出现Reclassify对话框，Input raster下拉菜单中选择D_forest，点击Classify按钮，出现Classification 对话框：
重分类结果如下图所示：
4、产生只包含“范围内”的栅格
使用要素选择工具选中图层“区域范围”内的多边形要素“范围内”，选择菜单Spatial Analyst/Convert/From Feature To Raster，系统出现Features To Raster参数设置对话框：
按OK键确认，“范围内”多边形转换成栅格图层site，如图所示。

5、环境因子综合
选择菜单Spatial Analyst/Raster Calculator,系统出现Raster Calculator对话框，双击鼠标实现如下操作：
按Evaluate按钮，产生环境评定图层Calculation，显然适合建设电厂的栅格应取值1，不适合建设电厂的栅格应取值为Nodata。

打开图层属性表，显示如下：
栅格单元大小为1000m×1000m，可建设的范围是3497km2，关闭属性表。

Calculation 图层是一个临时图层，每次退出Arcmap后，临时图层的数据不再保存，Calculation图层在以后的计算中将多次使用，因此我们将其转化为永久图层。

转化方法如图所示：
R_site为转换好的永久图层，如图所示：
（二）计算取水费用
（1）湖泊为“源”栅格；（2）产生地形TIN，转化成高程分类栅格；（3）产生可铺设水管的栅格；（4）将（2）（3）的结果叠合，产生“成本”栅格；用距离成本计算方法产生取水费用栅格（命名为Water_cost，如图所示）
选择主菜单Inser/Data Frame,自动新建一个空的数据框架，将其更名为Data Frame2，并将dataframe1中的图层“区域范围”、“地形高程”、“r_site”复制到dataframe2中。

另外设置dataframe2特征对话框的General标签中Units/Map和Display均改为Meters。

发电用水费用和取水距离、地形高程有关，从湖泊沿岸取水、提升、加压，靠专用管道输往电厂。

由于取水口的一级泵站加压能力有限，在输水过程中，当地面高差大于50m，要建设升压泵站，这就增加了输水费用。

因此用水费用受输水管长度、地形高程两个因素影响，这是一个典型的成本距离问题。

1、建立“源”图层
使用要素选择按钮，选择“湖泊”多边形。

选择菜单Spatial Analysis/Convert/From Feature To Raster，系统出现Features To Raster 参数设置对话框：
区域范围内的湖泊多边形被转换为栅格图层，结果如图所示：
2、建立“成本”图层
选用菜单Tools/Extensions，加载3D Analyst扩展模块。

选用菜单View/Toolbars/3D
Analyst,加载3D Analyst工具条。

对3D Analyst进行初始化设置，选择3D Analyst/Options：
按“确定”键完成初始设置，选择菜单3D Analyst/Create/Modify TIN/Create TIN From Features，出现对话框：
再将TIN图层转化成栅格，选择菜单3D Analyst/Convert/TIN to Raster,如图所示：
按OK键，TIN模型转换成按高程分类的栅格图层Site_elev，如图所示：
高程栅格还不能直接反映水的输送费用，需进行再分类。

规则为：地面高程小于100m，不计高程变化带来的额外费用，按栅格单元的大小，每个栅格只计算1000m的管道长度，成本计为2，地面高程大于100m，高程每增加50m，增加1个单位的成本，以此类推。

选择菜单Spatial Analyst/Reclassify，对该图层再分类，出现Reclassify对话框，Input raster下拉菜单选择Site_elev，点击Classify按钮，出现Classification对话框：
按OK键产生新的分类图层R_site_elev。

在R_site_elev范围内不一定都能布置输水管，水管不能穿越森林公园、城镇，不能在研究范围之外，可以沿森林、城镇的边缘绕行，为此需要在输水成本图层中扣除不能布置水管的部分，但要保留湖泊。

选择“范围内”、“湖泊”两个多边形，然后选择菜单Spatial Analyst/Convert/Features To Raster，出现如下对话框：
按OK键继续，产生允许铺设水管的栅格图层。

S_water（包括湖泊自身），区域范围要素属性表，value的取值为1，该栅格图层的有效单元取值也都是1。

选择菜单Spatial Analyst/Raster Calculator，系统出现如下对话框，用鼠标输入计算公式：
按Evaluate按钮，产生取水成本图层，将其改名为Elev_cost，便于下一步的计算。

因S_water有效单元的取值为1，对成本值没有影响，排除了“森林公园”和“城镇”的位置。

3、产生取水费用图层
有了“源图层”和“成本图层”，就可以计算距离成本。

选择菜单Spatial Anlyst/Distance/Cost Weighted，出现如下对话框：
按OK键确定，产生如下图层。

需注意：尽管在下图显示的图层范围内都能布置输水管，但并不是都能建电厂，需要从中扣除不能布置电厂的部分范围（城镇周边和森林公园周边）。

选择菜单Spatial Analyst/Raster Calculator，系统出现如下对话框，用鼠标输入计算公式：
按Evaluate按钮，产生临时取水成本图层Calculation，将其转化为永久图层，保存的数据名称为：Water_cost。

（三）计算铁路支线建设费用
铁路支线的建设费用，与用水费用评价类似，也靠成本距离计算。

铁路支线的建设不仅与铁路的建设长度有关，也与地形坡度有关。

铁路主线为“源”栅格；按坡度分类确定铁路修建的相对成本；利用适宜建设的位置栅格排除不适宜建设的位置，产生“成本”栅格；用距离成本计算方法
产生支线铁路修建费用栅格（命名为Rail_cost，如下图所示）
选择主菜单Inser/Data Frame,自动新建一个空的数据框架，将其更名为Data Frame3，并将dataframe1中的图层“区域范围”、“铁路主线”、“r_site”复制到dataframe3中。

另外设置dataframe3特征对话框的General标签中Units/Map和Display均改为Meters。

1、建立“源”图层
在Data Frame3中，选择菜单Spatial Analyst/Convert/Features To Raster，出现参数设置对话框：
按OK键，产生栅格图层。

本实验假设铁路干路中任意一点均可以引出支线，因此Rail_grid可作为“源”图层。

2、建立“成本”图层
选择菜单3D Analyst/Surface Analyst/Slope,将TIN转换为坡度栅格，软件出现Slope参
数设置对话框：
反映区域内地形坡度变化的栅格图层。

因坡度带来的铁路建设相对成本为：
观察Slope可以看到，坡度大于15%的栅格很少。

选择菜单Spatial Analyst/Reclassify，出现Reclassify对话框：
Method：Equal Interval按等间距方式分类
Classes：10 共分10类
按OK键继续修改对照表：
按OK键继续，产生新的栅格分类图层。

观察该图层，可以看到，坡度大于10%，即栅
格大于3的单元很少，取值6、8、9，即坡度为20%-25%、30%-35%、35%-40%基本没有，出现40%-45%是计算误差造成的，因此对电厂选址在面积上起主要作用的是坡度在0%-10%之间。

为了计算范围的全面、精确，不得不在重新分类时，将所有可能出现的栅格单元都考虑在内，按10类、10种相对的工程成本来分类。

铁路和森林公园的距离不能小于5000m，和城镇的距离不能小于3000m，不能穿越湖泊，必须绕行，因此需要将坡度成本图层Rec_slope和R_site叠合。

选择菜单Spatial Analysis/Raster Calculator,系统出现对话框，用鼠标、键盘输入计算公式：
按Evaluate按钮，系统产生支线修建成本图层Calculation，将图层改名为R_slope。

3、产生铁路支线建设费用
有了“源图层”和“成本图层”，就可以计算成本距离。

具体操作如下：
选择菜单Spatial Analyst/Distance/Cost Weighted，出现Cost Weighted参数设置对话框：
按OK键确定，软件产生铁路建设费用图层Rail_cost。

如图所示：
（四）计算煤炭运输费用
煤炭从区域内的煤矿运到火电厂，运费可以用距离的函数表示，煤矿本身就在铁路主线附近，运输费用由铁路主线运距、支线运距两部分组成。

煤矿为源栅格，铁路主线为成本栅格，产生沿主线的运距栅格；用邻近分配法将主线运距值分配给周围每个栅格单元；铁路主线为源栅格，允许建设电厂的位置为成本栅格，用距离成本方法产生从主线到各栅格单元的支线运距栅格；主线运距和支线运距相加，再乘系数，
产生煤炭运输费用栅格（命名为Trans_cost,逻辑关系如图所示）
新建Data Frame4，将Data Frame4的Units/Map和Display均改为Meters。

将dataframe1中的图层“区域范围”、“煤矿”、“r_site”复制到dataframe4中。

1、将煤矿的矢量位置数据转换成栅格
选择菜单Spatial Analyst/Convert/Features To Raster，出现参数设置对话框：
按OK键继续，栅格图层产生，将其命名为Mine_grid，可作为距离成本计算时的“源”图层。

2、煤炭在铁路主线上的运距
煤炭在铁路主线上的运距是从煤矿出发沿铁路主线的运输距离。

由于是沿铁路线计算距离，不能直接使用Straight Line，应该用成本距离的计算方法。

选择菜单Spatial Analyst/Distance/Cost Weighted,出现Cost Weighted参数设置对话框：
3、邻近分配
图层CostDistance to Mine_grid仅仅是铁路主线上的运输距离，还要将这一运距的数值分配给区域内其它栅格，使每个栅格都知道将煤炭运到这一点在主线上花了多少距离，在支线上的运输距离还要另外计算。

为此，使用栅格型的邻近分配，邻近分配的计算结果是使新的栅格单元得到的值等于离它最近的被分配的栅格，ArcMap规定，被分配单元应该是整数值。

但是，用成本距离法产生的铁路主线运距栅格CostDistance to Mine_grid是浮点型，打开Attribute of CostDistance to Mine_grid，可以看到Value字段下有很多值带小数点，选用菜单Spatial Analyst/Raster Calculator,在弹出的文本框内，用键盘加鼠标点
击，输入如下计算式：
到Value字段下没有一个值带小数点，都是整数。

选择菜单Spatial Analyst/Distance/Allocation，进行如下设置：
格，可以在图层特征设置对话框的Symbology标签中对该栅格分为9类显示。

4、计算煤炭在支线上的运距
煤炭在铁路支线上的运距和支线铁路的长度一致，和上一节铁路支线的建设费用不同，本练习忽略地形高程和坡度的变化，“源”图层是铁路主线栅格Rail_grid,成本图层直接用R_site,选择菜单Spatial Analyst/Distance/Cost Weighted,出现Cost Weighted参数设
置对话框：
按OK键按钮，产生栅格图层Sub_dist，为铁路支线上的运距图层。

如图所示：
5、计算运输费用
煤炭运输成本是总运距和单位距离运输成本的乘积。

总运距是铁路主线运距和铁路支线运距之和，可以对Main_dist和Sub_dist做相加叠合得到，本练习的栅格单元大小为1000m ×1000m，假设每千米运距的成本为0.2个单位。

选择菜单Spatial Analyst/Raster
Calculator,系统出现Raster Calculator对话框，输入以下计算公式：
算类似，需要将煤炭运输费用图层转化为永久图层。

（五）评价指标的标准化
以上处理得到了取水费用、铁路支线建设费用、煤炭运输费用3个单项分析结果图层。

这3个图层的各自计量单位不同，相互之间的数值差异是很大的，难以相互比较，须对这3个结果作数值的标准化处理。

所谓标准化，是将每个图层中所有栅格的数值，转化成统一的、相对的比例，常用的办法是将每个栅格单元值都转化为0-1之间，处理方法很多，本实验使用线性比例转换法。

对于某个给定的评价准则，用给定的初始得分除以其中的最大得分，即
Xi=1-x i/x max
式中，X为第i个栅格的标准化处理后的得分数值；x i为第i个栅格的标准化处理前的初始得分；x max为所有栅格初始得分中的最高值。

3个费用分析结果的数值都是越小越佳，经以上的标准化处理后，所有数值都转化为0-1之间，注意：费用值越小的栅格单元，标准化处理后的数值越大，得分越高。

对供水费用(water_cost)、铁路修建费用(Rail_cost)、煤炭运输费用(Trans_cost)三个栅格的数值作标准化处理，得到三个标准化的栅格：water_std、Rail_std、Trans_std，对标准化栅格，按个因子的权重相加，产生选址综合评价栅格。

选择主菜单Inser/Data Frame,自动新建一个空的数据框架，将其更名为Data Frame5，并将图层“water_cost”、“Rail_cost”、“Trans_cost”复制到dataframe5中。

另外设置dataframe5
特征对话框的General标签中Units/Map和Display均改为Meters。

1、取水费用的标准化处理
2、铁路支线建设费用的标准化处理
3、煤炭运输建设费用的标准化处理
（六）选址评价的指标综合
经过以上多个步骤，已经完成了环境允许、取水费用、铁路支线建设费用、煤炭运输费用4个单项因子的评价。

在计算取水费用、铁路建设支线费用、煤炭运输费用中已经考虑了环境允许下，下一步的综合评价只要针对后3个费用因子。

已知3个费用评价因子有不同的重要性：取水费用的权重为0.5、铁路支线建设费用权重为0.15、煤炭运输费用权重为0.35。

选择菜单Spatial Analyst/Raster Calculator,出现Raster Calculator对话框，输入以下的计算公式：
按Evaluate按钮，计算得到栅格型综合评价图层，环境制约部分已扣除，栅格单元值越大，适宜性越佳。

其中，评价得分最高的栅格为0.733209，相对成本最低，也是电厂的最佳选址。

为了计算结果的保存，需要将评价结果图层转化为永久图层。