栅格数据基本分析方法

实验七栅格数据基本分析方法
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空间问题的能力。

具体实习内容如下：
(1)掌握距离运算与制图分析方法；
(2)掌握栅格数据统计分析方法，包括单元统计、邻域统计、分区统计等运算方法；
(3)掌握栅格重分类方法，理解栅格重分类的基本思想和应用领域；
(4)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的模式。

2.实验环境与数据准备
(1)软件准备：ArcMap、ArcCatalog、加载空间分析模块（Spatial Analyst）（平台）
(2)数据准备：河北省城市、县城、乡村位置点文件，河北省交通线要素，河北省湿地分布的多边形要素。

3.实验方法
ArcGIS在空间分析
模块（Spatial Analyst）
中提供了一套用于栅格
数据分析的工具集。

图7-1分析环境设置
Spatial Analyst是ArcGIS的外置扩展模块，需要单独进行加载。

在ArcMap的【Tools】菜单下，点击【Extensions】，选中Spatial Analyst，即可加载此模块。

3.1.分析环境设置
进行空间分析前，首先设置分析环境。

包括工作目录选择、栅格单元大小设定、分析区域选定、坐标系统模式、过程文件管理等。

点击【Spatial Analyst】，选择【Options】菜单项，弹出环境定义对话框，选择General、Extent、Cell Size进行切换，实现分析环境的自定义（图7-1）。

3.2.距离运算
ArcGIS中的距离制图包括：直线距离函数（Straight Line）、分配函数（Allocation ）、成本距离加权函数（Cost Weighted）、最短路径函数（Shortest Path），可以实现常用的距离运算与制图分析。

直线距离分析计算：点击【Spatial Analyst】，选择【Distance】→【Straight Line】，打开直线距离制图对话框（如图7-2所示）。

通过Distance to选择需计算直线距离的图层，定义最大距离
的值（Maximum distance），设定输出单元大小（Output cell size），选择是否创建直线方向数据（Create direction）和直线分配数据（Create allocation），最后确定输出栅格的文件名（Output raster）。

在设定文件名时，如果保持<Temporary>选项，则生成临时图层。

最后点击OK按钮，即可完成直线距离制图。

如图7-3所示，为利用游憩点数据生成的直线距离制图结果，因在直线距离制图对话框中选择同时生成直线方向（Create direction）和直线分配（Create allocation）数据，所以运算时，同时生成了直线方向数据（图7-4）和直线分配数据（图7-5）。

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。

在【Spatial Analyst】下拉菜单中选择【Distance】→【Cost Weighted】，可以进行加权距离的计算；在加权距离计算的基础上可进一步进行最短路径分析。

3.3. 统计分析
（1）单元统计
当进行多层面栅格
数据叠合分析时，常需
要以栅格单元为单位
进行单元统计。

例如，
同一地区不同年度土
地利用类型的变化分
图7-4直线方向数据 图7-5直线分配数据
图7-2分析环境设置 图7-3分析环境设置
图7-6单元统计对话框
析等。

ArcGIS的单元统计分析功能（Cell Statistics）提供了十种单元统计方法，包括：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）。

单元统计方法：点击【Spatial Analyst】，选择【Cell Statistics】，弹出单元统计对话框（如图7-6所示），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），确定输出栅格的文件名和存放位置（Output raster）。

最后点击OK按钮即可完成相应的运算。

（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，基于这些扩展栅格数据
进行函数运算，从而得到此
栅格的值。

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
图7-7邻域统计设置对话框同。

ArcGIS中提供了四种邻
域分析窗口：长方形（Rectangle）、环形
（Annulus）、圆形（Circle）、楔形（Wedge）。

邻域统计方法：点击【Spatial Analyst】，选择【Neighborhood Statistics】，弹出邻域统计设置对话框（如图7-7所示），添加参与邻域分析的栅格数据图层，选择参与运算的字段（Field）,选择邻域分析统计方法（Statistic type），选择邻域分析窗口类型（Neighborhood），设置邻域窗口参数（Neighborhood Settings），确定输出栅格单元大小（Output cell size）以及输出栅格文件名和存放位置（Output raster）。

最后点击OK按钮即可完成相应的运算。

（3）分区统计
分区统计是以一个数据集为基础在它所包含的不同类别中对另一个被分类数据集进行统计。

ArcGIS中的分区统计提供了十种统计方法，这些方法的含义与单元统计方法以及邻域统计方法相同。

例如，以某一地区坡度图为分区数据集，土地利用类型为被分类数据集，计算同一坡度分类区内土地利用类型的种类。

分区统计计算方法：点击【Spatial Analyst】，选择【Zonal Statistics】，弹出分区统计设置对话框（如图7-8所示），选择分区数据集（Zone
dataset）和分区字段（Zone field），选择被分类数据集（Value raster），选择是否图表化显示分区统计结果及统计方法（Chart statistic），定义输出表格文件名和存放位置（Output table）。

最后点击OK按钮即可完成相应的运算。

如图7-9所示，分区统计结果表格，显示了不同坡度带内（分带数据集rslope的不同VALUE 值）所包含的土地利用类型数量（Landuse类型的VARIETY）统计结果；图7-10用直方图形式表示了不同坡度区所包含的土地利用类型的种类。

图7-8邻域统计设置对话框图7-9分区统计结果表
3.4. 数据重分类
重分类即基于原有数值，对原有数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，对利用DEM 生成的坡度图，进行重新分类，划分为10个坡度等级，等级越高坡度越大。

具体的计算流程如下：
点击【Spatial Analyst 】，选择【Reclassify 】，弹出重分类对话框（图7-10），选择原始栅格数据集（Input dataset ），点击Classify 按钮，弹出分类计算对话框（图7-11），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（New values ），定义输出栅格文件名和存放位置（Output raster ）。

最图7-9分区统计结果柱状图
后点击OK 按钮即可完成重分类运算。

图7-12是重分类之前的坡度图，图7-13是重分类之后的坡度图，坡度被分成10个等级，从1-10坡度由低到高。

3.5. 栅格计算
栅格计算是
栅格数据空间分
析中最为常用的
图7-10重分类对话框 图7-11分类计算对话框
图7-12重分类之前的坡度图 图7-13重分类之后的坡度图 图7-14栅格计算器
方法，是建立复杂应用数学模型的基本模块。

ArcGIS 提供图形化栅格计算器，可以方便的完成基于数学运算符和数学函数的栅格运算，还支持直接调用ArcGIS 自带的栅格数据空间分析函数，并且可以方便的实现多条语句同时输入和运行。

如图7-14所示，为栅格计算器对话框，它可以通过点击【Spatial Analyst 】，选择【Raster Calculator 】启动。

“[landuse] = 5”表示计算土地利用数据中的农用地类型（Value=5）分布情况。

图7-15为原土地利用数据，图7-16为计算结果，1表示农用地，0表示非农用地。

4. 综合应用实验
根据实习数据提供的某区域数字高程数据（栅格），利用重分类等方法，进行地貌的自动
划分；根据地貌分区结果，计算每个地貌类型图7-15原始土地利用数据 图7-16栅格计算结果（农用地分布）
区内（平原、丘陵、低山、中山、高山）土地利用状况的变化情况；根据该区域自然、社会经济状况，分析土地利用在不同地貌类型区内变化的主要原因。