实验三基于GIS的土壤侵蚀因子分析与信息提取

实验三基于GIS的土壤侵蚀因子分析与信息提取

一、实验目的

1、要求学生掌握地理信息系统软件（ArcView）的基本原理和操作方法；

2、掌握使用该软件进行土壤侵蚀因子的分析和信息提取的方法。

二、实验原理

Arc/View的空间分析模块是解决地理空间问题的工具。它主要包括距离制图、计算密度、统计分析、邻域分析、数据的重分类、表面生成、等高线生成、坡度提取、坡向提取、光照模型的生成、流域的划分等功能。利用Arc/View的空间分析模块解决空间问题，首先要把问题空间化、模型化，然后利用Arc/View 提供的各种功能的组合来完成。

Arc/View的空间分析模块主要是基于栅格数据模型的。Arc/View的空间分析模块不仅支持矢量数据模型，还支持栅格数据模型。矢量数据是用点、线、面来描述地理特征及其变化的，它主要用于精确地描述地理特征，在Arc/View中，点、线、面数据分别是存放于不同的主题中来管理的。栅格数据是通过将地表分隔成不同的单元来表示地理特征及其变化的，对栅格数据的存储只是通过存储栅格的原点、栅格单元的尺寸、距离原点的单元数和每个栅格单元的值。对栅格数据影响最大的是栅格单元的尺寸。单元尺寸越大，则对地理特征的描述越粗糟，越不精确，但产生的数据量会越小，处理速度会越快。相反，单元尺寸越小，则描述越精确，但数据量会越大，运算速度越慢。

三、操作步骤

地形指标是最基本的自然地理要素，也是对人类的生产和生活影响最大的自然要素。地形特征制约着地表物质和能量的再分配，影响着土壤与植被的形成和发育过程，影响着土地利用的方式和水土流失的强度。地形指标的提取对水土流失、土地利用、土地资源评价等方面的研究起着重要的作用。

1 坡向Aspect

坡向定义为坡面法线在水平面上的投影与正北方向的夹角。在Arcview中Aspect表示每个栅格与它相邻的栅格之间沿坡面向下最陡的方向。在输出的坡向数据中，坡向值有如下规定：正北方向为0度，正东方向为90度，以次类推。

坡向可在数字高程模型Dem或TIN数据的基础上提取。在Dem基础上提取坡向的步骤如下：

在视图目录表中添加dem并激活它。

从【Surface】菜单中选择【Derive Aspect】命令。

显示并激活生成的坡向主题Aspect of Dem（如图3-1）。

在Dem或TIN的面主题中坡度为0°（平地）的栅格在输出的坡向主题中被赋值为-1，如果围绕中心栅格的任何相邻栅格是No Data数据，它们将被赋予中心栅格的值，然后计算坡向。在坡向主题的图例中表示了八种主要方向，例如：东[67.5 - 112.5°], 东南[112.5 -

图3-1 提取坡向

157.5]。

2 坡度Slope

地面上某点的坡度表示了地表面在该点的倾斜程度，坡度定义为水平面与地形面之间夹角的正切值。在Arcview中Slope确定了中心栅格与四周相邻栅格高程值的最大变化率。在输出的坡度数据中，坡度有两种计算方式。

●

坡度(degree of slope)：既水平面与地形面之间夹角的正切值。

● 坡度百分比（percent slope ）：既高程增量（rise ）与水平增量（run ）之比的百分数（如图3-2）。 坡度的应用非常广泛，例如：

● 根据坡度起伏变化，确定崩塌、泥石流区域或严重的土壤侵蚀区，作为灾害防治与 水土保持工作的基础。

● 提取平坦区域，为大型商业中心或房屋建筑选址。

采用Dem 数据提取坡度的步骤如下：

1．添加Dem 数据并激活它。

2．从【Surface 】菜单中选择【Derive Slope 】命令。

3． 生成新的坡度主题slope of Dem 。

4．

双击左边的图例，在弹出的Legend Editor 对话框中可重新调整坡度分级（如图3-3）。

图3-2 坡度的两种计算方法

图3-3 提取坡度

3 等值线Contours

在Arcview中Contours功能生成一个新的线主题，每条线表示了具有相同高度、数量或者浓度的连续的位置的集合。生成的等值线经过平滑处理，真实地再现了表面等值线。

采用Contours可以提取等高线、等温线、等降水量线等等，最常用的是在Dem或TIN 数据的基础上生成等高线。等高线是地面上高程相同的各点连成的闭合曲线。根据等高线图形，可以判读地貌形态特征，量算各点的高程、坡向和坡度。

生成等高线的步骤如下：

1．在视图目录表中添加dem并激活它。

2．从【Surface】菜单中选择【Create Contours】命令。

3．在出现的Contours Parameters对话框（如图3-4）中输入等高距Contour interval和基础等高线的值Base Contours。

4．生成等高线主题Contours of Dem（如图3-5）。

图3-4 提取等高线图3-5 提取单根等高线

4 水文分析

Fill sinks的操作步骤如下：

1．激活视图目录表中的Dem。

2．从【Hydro】菜单中选择【Fill sinks】命令。

3．在视图目录表中显示生成的Filled Dem，既为填充过洼地的Dem数据（如

图3-6）。

图3-6 填充洼地后的Dem数据

在Arcview 中提取水流方向的步骤如下：

1．从视图目录表中激活Filled Dem。

2．从【Hydro】菜单中选择【Flow Direction】命令。

3．显示新生成的水流流向数据Flow Direction（见图3-7）。

在Arcview

中，计算流水累积量的步骤如下：

1

．从视图目录表中激活Flow Direction。

2．从【Hydro】菜单中选择【Flow Accumulation】命令。

3．显示新生成的流水累积量数据主题Flow Accumulation。双击此主题的图例，在出现的Legend Editor对话框（见图3-8）中，单击Classify按钮，在出现的Classification 对话框中选择标准偏差Standard Deviation为分类类型，单击OK。

提取的Flow Accumulation主题（见图3-9）显示了地面水系的分布状况。

提取水网密度的步骤如下：

1．从视图目录表中激活Flow Direction。

2．从【Hydro】菜单中选择【Stream Network as Line Shape】命令。

图3-8 Legend Editor对话框

图3-9 提取水流累积量