6_栅格数据基本分析方法-发布版

实验六 基于栅格数据的空间分析方法1 实习目的掌握基于栅格数据的空间分析基本方法，提高利用栅格数据解决地学问题的能力。

实习内容如下： (1) 理解栅格重分类的基本思想和应用领域，掌握栅格重分类方法；(2) 掌握距离运算与制图、栅格单元统计、邻域统计、分区统计等分析方法； (3) 学会使用栅格计算器进行栅格运算，体会栅格数据信息挖掘方法和应用模式。

2 实验环境与数据准备(1) 软件环境准备：主要使用ArcGIS Desktop 平台，包括ArcMap 、ArcCatalog 、ArcToolbox 等。

启用ArcGIS 桌面系统的Spatial Analyst 扩展模块。

(2) 数据准备：实习数据包括河北省某区域shapefile 格式的旅游景点数据，数字高程栅格数据，土地利用、土壤分类、土壤侵蚀程度等栅格数据，中国连续3日降水量格网数据等。

3 实验方法与流程点击ArcMap 【Tools 】菜单，选择【Extensions 】菜单项，在弹出的“Extension ”对话框中勾选Spatial Analyst ，即可使用该扩展模块。

将相关数据加载到一个新的地图文档中。

3.1 数据重分类重分类即基于原有栅格，对原有栅格单元值重新进行分类整理从而得到一组新值并输出。

重分类一般包括四种常见的分类形式：新值取代、重新分类、旧值合并、空值设置。

例如，对河北省某区域的数字地形模型数据进行重新分类，划分为5-7个高程范围等级，等级越高地形高度越大。

具体计算流程如下：(1) 点击展开ArcToolbox 中的【Spatial Analyst Tools 】→【Reclass 】→【Reclassify 】，弹出栅格数据重分类对话框，在“Input raster ”部分选择用于重分类的栅格数据（图7-1）。

(2) 点击“Reclassification ”部分的“Classify ”按钮，弹出分类方法对话框，选择合适的数据分类运算方法，在重分类对话框中，还可以对分类结果值进行重新定义，按照<100，100-300,300-500,500-1000，>1000米的间隔将地形分成5个等级。

（图7-2）。

(3) 分类方法和分类值定义完成后，返回到重分类对话框，在“Output raster ”部分选择存储位置定义输出结果栅格文件名，最后点击OK 按钮即可完成重分类运算。

图7-3是重分类之前的数字地形图，图7-4是重分类之后的地形分带图。

(4) 修改重分类结果栅格的属性表结构。

在内容表中选择该栅格图层并打开其属性浏览表，为其增图7-1栅格数据重分类对话框图7-2分类方法对话框可以在空白处点击右键，添加分割值，或在分割线上点击右键删除已有分割值可以点击修改分割值 Ge og ra ph ic In f o r m a t i o n S c i e n c e D e p a rt me n tH e B e i N o r m a l U n i v e r s i t y加新字段“ClassName ”（在非编辑状态下修改属性结构）（图7-5）。

(5) 完善重分类结果栅格的ClassName 属性项内容。

利用Editor 工具条启用结果栅格数据的编辑状态，按照图7-6所示，为每一个高程带添加属性内容。

3.2 基于距离的运算“距离”工具可用于以下方式的距离分析：欧氏（直线）距离、成本加权距离、用于垂直移动限制和水平移动限制的成本加权距离、源之间具有最小行程成本的路径和廊道等。

通过 ArcGIS Spatial Analyst 扩展模块执行距离分析的两个主要方法是“欧氏”距离和成本加权距离工具。

欧氏距离工具用于测量各像元与其最近源（源用于标识感兴趣的对象，如井、道路或学校）之间的直线距离。

该直线距离通过从一个像元中心到另一个像元中心进行测量。

不仅可以确定各像元到最近源的距离，还可以使用欧氏方向计算各像元相对于源的方向，或使用欧氏分配确定哪个源是最近源。

3.2.1欧氏距离欧氏距离（Euclidean Distance ）用于计算每个像元到最近源的欧氏距离，输入源数据可以是要素类或栅格。

利用欧式距离工具计算区域内各像元到旅游景点距离的实验流程如下：(1) 将旅游景点数据要素类添加至当前地图文档。

(2) 在ArcToolbox 中点击【Spatial Analyst Tools 】，选择【Distance 】→【Euclidean Distance 】，打开欧式距离分析对话框（图7-7）。

(3) 选择某个要素类或栅格为输入数据源（如旅游景点数据），在“Output distance raster ”部分为输出结果栅格选择合适的存放位置，并定义输出结果栅格文件名。

图7-3重分类之前的数字地形图图7-4重分类之后的地形分带图图7-6重分类之后的添加新字段的栅格数据属性表图7-5添加字段对话框Ge og ra ph ic I n f o r m a t i o n S c i e n c e D e p a rt me n tH e B e i N o r m a l U n i v e r s i t y(4) 可选选项（Optional ）包括：定义最大距离值（Maximum distance ），设定输出单元大小（Output cell size ），是否创建欧式方向栅格（Output direction raster ），这些选项可根据需要自行选择。

(5) 最后点击OK 按钮即可完成欧式距离分析制图。

分析结果将自动添加到当前文档中，并利用分级符号化方式进行了初步渲染（图7-8），根据像元与源的距离远近分成不同颜色带。

(6) 如果定义了欧式方向栅格的存储位置和文件名，则同时创建欧式方向栅格数据（图7-9）。

如果考虑通过路线的耗费成本，则需要利用成本距离加权函数。

展开【Spatial Analyst Tools 】→【Distance 】，选择“Cost Distance ”工具进行加权距离计算；在加权距离计算的基础上可进一步进行最短路径分析。

3.2.2 欧氏方向欧氏方向（Euclidean Direction ）指的是计算每个像元相对于最近源的方向（以度为单位）。

例如，利用欧式方向工具计算区域范围内各像元相对于最近旅游景点源的方向，操作流程与欧式距离分析相同；另外用于欧式方向分析的对话框中同样可以选择生成欧式距离分析结果。

3.2.3欧氏分配欧式分配（Euclidean Allocation ）是基于欧氏距离计算每个像元的最近源。

欧式分配数据源可以是要素类或栅格，当输入源是要素类时，源位置在执行分析之前从内部转换为栅格。

利用旅游点数据为源执行欧式分配计算的流程如下：(1) 将旅游景点要素类添加至新文档或当前文档中。

(2) 在ArcToolbox 中点击展开【Spatial Analyst Tools 】，选择【Distance 】→【Euclidean Allocation 】，打开欧式分配计算对话框（图7-10）。

(3) 选择参与欧式分配计算的源（旅游景点），并为该源文件提供用于栅格转换时单元赋值的属性字段（该字段必须是整型，本实验可选择FID 用于区分每一个源）。

(4) 在“Output allocation raster ”部分为输出结果栅格选择合适的存放位置并定义结果文件名。

(5) 根据实验需要决定是否同时执行欧氏距离（Euclidean Distance ）和欧式方向（Euclidean Direction ）计算。

(6) 图7-10右图展示了根据旅游点数据生成的欧式距离分配结果栅格数据，不同颜色的栅格元组分别距离其包含的点源最近。

3.3 栅格统计分析图7-7欧氏距离分析对话框图7-8相对于最近源的欧式距离结果图7-9相对于最近源的欧式方向结果 Ge og ra ph ic I n f o r m a t i o n S c i e n c e D e p a rt me n tH e B e i N o r m a l U n i v e r s i t y3.3.1 单元统计当进行多层栅格数据的叠合运算与分析时，常需要以栅格为单位进行单元统计（Cell Statistics ）。

如，同一地区不同时间的气象指标变化分析等。

单元统计分析工具提供了十种单元统计方法：最小值（Minimum ）、最大值（Maximum ）、值域范围（Range ）、求和（Sum ）、平均数（Mean ）、标准差（Standard Deviation ）、各单元上不同数值的个数（Variety ）、频率最高值（Majority ）、频率最低值（Minority ）、中值（Median ）等。

单元统计方法：在ArcToolbox 中点击展开【Spatial Analyst Tools 】→【Local 】→【Cell Statistics 】，弹出单元统计对话框，添加参与统计运算的栅格数据图层，选择统计叠置方法（Overlay statistic ），确定输出栅格文件名和存放位置（Output raster ），最后点击OK 按钮即可完成相应运算（图7-11）。

图7-11是利用国家气象局提供的2014年11月20-22日中国降水量数据（栅格数据），采用单元求和（Sum ）方法计算中国3日降水量总和的过程和结果。

3.3.2 邻域统计邻域统计以待计算栅格为中心，向其周围扩展一定范围，基于这些扩展栅格进行函数运算，从而得到此栅格的新值。

ArcGIS 中的邻域统计也提供了十种统计方法，与单元统计方法含义相同。

ArcGIS图7-11单元统计分析的流程与参数设置（左侧三幅图为连续3日降水量，右下图为3日降水量总和）11月20日降水量11月21日降水量11月22日降水量11月20-22日降水量总和图7-10欧式分配计算分析的参数设置（左）及分析结果（右）Ge og ra ph ic I n f o r m a t i o n S c i e n c e D e p a rt me n tH e B e i N o r m a l U n i v e r s i t y提供了四种邻域分析窗口：长方形（Rectangle ）、环形（Annulus ）、圆形（Circle ）、楔形（Wedge ）。

利用块邻域统计方法（Block Statistics ），执行DEM 平滑的操作流程如下：(1) 在ArcToolbox 中点击展开【Spatial Analyst Tools 】→【Neighborhood 】→【Block Statistics 】，弹出块邻域分析对话框（图7-12）(2) 选择或添加参与邻域分析的栅格数据（DEM 数据），确定输出栅格存放位置和文件名。