ArcGIS缓冲区分析叠加分析综合案例练习.docx

1、ArcGIS缓冲区分析叠加分析综合案例练习一、初始数据分析 本案例的要求为根据项目需求，进行数据搜集和空间分析，最终给该物种的潜在分布位置，最终制作一张珍稀物种待查栖息地位置分布图以及相应图表以供调查人员参考。提供的数据基础有一张热振森林公园界限图（Coverage格式，数据名称为“fanwei”）、由国家1：100万公路数据得出的研究范围内等级公路数据（shapefile格式，数据名称为“road”）、数字高程数据一份（数据名称为“dem”）以及一份研究范围栅格地图（其中包含居民点、景点、河流和植被类型数据，数据名称为“热振森林公园图”）。打开Arcgis，新建项目，在未定义坐标系的空图层中

2、打开四份原始数据，可得到数据的以下信息：首先四份数据虽然为同一研究范围但是在同一图层中打开后却不在同一位置，其次分别查看四份数据的属性信息，如图，可得road数据有基于1940克拉索夫斯基椭球（GCS_Krasovsky_1940）的地理坐标系，其范围显示也符合GIS案例介绍中关于热振公园范围的介绍（大致为东经91度23分91度42分，北纬30度12分30度30分），因此判断该数据有正确的空间信息；fanwei数据没有坐标系信息且其范围数值很大，目前暂时无法判别数据的范围是否正确；热振森林公园图.jpg数据也没有坐标系参考，其范围数值很大，但大体与fanwei数据相吻合；dem数据有坐标系信息

3、，其空间参考信息为：基于1940克拉索夫斯基椭球中央子午圈经度93的横轴墨卡托投影（Krasovsky_1940_Transverse Mercator），其范围数值与fanwei图层一致，且在数据框中两个数据相互重叠，因此认为fanwei图层虽没有坐标系信息但其坐标数值正确。（注：将没有空间参考信息的图层添加入数据框时会提示未知空间参考，如图。向不具有金字塔的 ArcGIS 应用程序添加栅格数据集时，系统将提示您构建金字塔。金字塔十分有用，因为金字塔提升了分辨率低于其全分辨率的栅格数据集的绘制速度。创建金字塔有三种重采样技术：最邻近法 - 用于标称数据或具有色彩映射表（如土地利用或伪彩色图像

4、）的栅格数据集。双线性插值法 - 用于卫星影像或航空摄影等连续数据。 三次卷积插值法 - 用于卫星影像或航空摄影等连续数据。它与双线性插值法类似；不过，它使用较大的矩阵对数据进行重采样。）图 四份原始数据的空间信息属性图 添加数据无空间参考时弹出对话框提示图 首次添加栅格数据时提示是否为数据创建金字塔二、实验数据预处理本次案例提供数据中的fanwei数据为Coverage格式，在当前的环境下无法对其进行投影等操作，因此需要将其转换为Shapefile格式后才能对其进行投影操作。其次，原始数据中的热振森林公园图栅格数据中有经纬度格网，但经纬度格网交点处经纬度数值与数据框右下角数值稍有差异，因此本

5、着学习知识的态度而且尽量避免前人使用过数据对本次实验造成影响，预处理时删除栅格数据中除了栅格图以外的其他信息，之后再对数据重新进行地理配准。 将fanwei数据转为Shapefile格式方法一（在ArcCatalog中导出为Shapefile）：直接在ArcCatalog中右键点击fanwei图层中的polygon要素，选择“导出转为Shapefile”，如图，弹出“要素类至要素”对话框，选择输入要素和输出位置并为输出的Shapefile文件命名，点击确定后即可完成转换，如图。图 转为Shapefile方法一图 要素至要素类对话框方法二（在ArcMap中导出为Shapefile）：先将数据添加

6、至数据框中，右键单击数据，选择“数据导出数据”选项打开“导出数据”对话框，如图，选择导出所有要素，坐标系信息目前先不设置，直接选源数据（源数据无空间参考信息），点击“浏览”选择输出要素类位置时打开“保存数据”对话框，选择保存位置，输入新文件名称，并将保存类型选择为“Shapefile”，如图，点击确定后即可将数据转换为Shapefile格式。图 转为Shapefile方法二图 保存数据对话框将fanwei数据中的Polygon要素转换为Shapefile格式后，将arc要素也转换为了Shapefile格式，实验中很可能用得到。注：Coverage格式数据的要素类型包括基本要素类型、复合要素类型

7、、辅助要素类型三大类，基本要素类型包括标注点Label Point、线Arc、多边形Polygon三类，其中多边形Polygon表示面状区域，边界由Arc构成。删除“热振森林公园图”栅格数据的多余信息将栅格数据复制到该步骤对应文件夹中，仅保留“JPG文件”和“XML文档”格式的两个文件作为后续试验原始数据，其余全部删除，此时若将栅格数据添加入数据框中，则栅格数据左上角第一个像元中心点的坐标将变为（0,0），如图。图 栅格数据左上角第一个像素中心坐标值为（0,0）三、地理配准一般通过以下方法获取栅格数据：扫描地图、收集航空像片和卫星影像。扫描的地图数据集通常不包含空间参考信息（嵌入于文件中或作为

8、单独的文件）。航空摄影和卫星影像提供的位置信息通常不够充分，无法与其他现有数据完全对齐。因此，要将这些栅格数据集与其他空间数据结合使用，通常需要将这些数据对齐或配准到某个地图坐标系，这个过程称为地理配准。本实验将对“热振森林公园图”进行地理配准。本例中的栅格数据“热振森林公园图”便没有空间参考信息（不具有坐标系信息且预处理过后栅格图的坐标不正确，如图，因此需要进行地理配准操作。）图 未配准之前坐标信息不正确 方法一（创建地理参考）： 新建保存点位坐标文档首先从栅格数据中可读出经纬格网中四个经纬度交点的经纬度信息，并将之写入TXT文本或者Excel文档中，如图所示（单位选用“十进制度”，本例中A

9、BCD四点分别为栅格图像由左上点、右上点、右下点、左下点）。图 在Excel文档中输入控制点坐标 显示地理参考点位并保存为Shapefile格式点击ArcMap菜单中的“文件添加数据添加XY数据”选项，如图，弹出“添加XY数据”对话框，设置X字段为经度L，Y字段为纬度B，如图。或者可以右键单击内容列表中的图层，选择“添加数据”将Excel表添加入图层中，再右键单击Excel表格并选择“显示XY数据”，如图，弹出“显示XY数据”对话框中的设置内容与“添加XY数据”中相同，两种方法均可将准确坐标值的点位导入ArcMap数据框中，导入ArcMap数据框中的结果及其空间参考属性信息如图。图 添加XY数

10、据图 添加XY数据对话框显示XY数据显示XY数据 提示没有Object-ID字段此时创建的空间参考点文件具有栅格数据格网交点的正确坐标数值信息但是不具备坐标系信息，而且由于属性表没有Object-ID字段因此无法选择或编辑图中的点数据，但可以用将其导出为ShapeFile格式的方法为其自动穿件Object-ID字段和属性，之后便可以对数据进行查询、编辑和使用。图 添加至数据框的XY数据四个控制点在数据框中显示出之后按照上文中“将fanwei数据转为Shapefile格式”中的方法二步骤将四个控制点保存为Shapefile文件。 为地理参考图层文件建立空间参考信息为控制点文件定义空间参考。使用A

11、rcToolBox中 “数据管理工具投影和变换定义投影”工具将控制点Shapefile文件（“Pointshp”）定义投影为道路矢量数据“road”的地理坐标系（可以在选择坐标系时选择导入坐标系，如图，或者在同一数据框中同时打开“Pointshp”和“road”两份数据，选择坐标系是选择“图层”分类中road的空间参考信息如图，或定义数据框的空间参考为“road”数据的地理坐标系，再打开“Pointshp”数据，右键点击“Pointshp”数据，选择“数据导出数据”选项，选择“使用数据框相同的坐标系”，如图）。图 导入坐标系图选图层中数据坐标系图 选择数据框坐标系对“Pointshp”文件进行

12、投影。使用ArcToolBox中 “数据管理工具投影和变换要素投影”工具将“Pointshp”文件的地理坐标系投影为“dem”数据所使用的投影坐标系，以便将栅格数据直接配准到“dem”数据所用的投影坐标系，选择输出坐标系的方法与上一步“为控制点文件定义空间参考”中的方法相同（此处选择导入dem空间参考方法有时会发生中央子午圈经度发生变化的现象，应多加留意），投影后文件命名为“Pointprj”。投影 对栅格数据进行地理配准对空白数据框中先导入“Pointprj”文件，然后将欲配准的栅格数据“热振森林公园图”导入数据框中。先将“地理配准”工具条（工具条中图层选择框后的工具分别为添加控制点、自动对

13、位、选择链接、缩放至链接、删除链接、查看器、查看链接表、旋转）中的“自动校正”取消（不取消也可，只是取消后保存校正后结果时会出现更多选项），然后选择地理配准工具条的“添加控制点“功能，地理配准条如图。图 地理配准工具条依次鼠标左键点击栅格图上的经纬网交点与对应的控制点（点击栅格图上交点时应尽量放大图片以使得选择更准确，点击矢量图层Pointprj上控制点前可以在工具条中开启捕捉功能以准确点到控制点），如图、图。图 栅格图上选控制点后缩放至地理参考图层图 选择地理参考图层中相应控制点图 只选三个连接点时的残差表图 选完四个连接点后之前连接点发生变化并产生残差如图、图所示。只选择三个连接点时连接点

14、残差均为0，而继续增加连接点后开始产生残差。本例中选择了彷射变换（变换方法为平移、拉伸、缩放、旋转），其中包括了6个未知量（X、Y平移、X、Y轴方向上的拉伸、缩放比例以及旋转角度）而在图中由三个点位配准过程中的X、Y量偏移量刚好可以得到6个方程，因此此时得到唯一结果，不会产生误差，因此RMS总误差以及残差均为0。但是为了检查出配准错误，配准过程中使用三个以上的控制点，从而产生了残差（由前三个控制点已可以确定出其余控制点的“期望位置”，配准其余控制点时就与这个“期望位置”产生偏差，从而计算出残差值，再将这个残差值以一定比例分配在所有控制点中（由图、图所对比，在增加了第四个控制点后第三个控制点也产

15、生了残差，另外两个控制点情况相同）进而得到RMS总误差。）二阶三阶样条差值除了放射变换的平移、拉伸、缩放、旋转方法外还会使得栅格图想发生“扭曲现象”，一般这两类方法要求控制点数较多，三次样条差值至少需要10个以上的控制点。而且样条差值的方法可以达到局部范围内精度最优，而非全局考虑。当获得通用公式并将其应用到控制点后，会返回误差（残差）的测量值。误差就是起点所落到的位置与指定的实际位置（终点位置）之间的差。通过利用所有残差的均方根 (RMS) 总和计算 RMS 误差(RMSE)，再利用 RMS 误差计算得到总误差。此值可描述变换在不同控制点（链接）之间的一致程度。当误差非常大时，可通过先移除控制

16、点再添加控制点来校正误差。尽管 RMS 误差是评估变换精度的一种重要依据，但是不能将低 RMS 误差与精确配准相混淆。例如，变换可能因为输入的控制点较少而仍包含显著的误差。同等质量的控制点使用得越多，多项式就可越精确地将输入数据转换到输出坐标。通常，校正变换和样条函数变换可以使 RMS 接近于零或等于零；不过，这并不意味着影像将得到完美的地理配准。如选取不准确欲重新配准可以点击地理配准工具条中的“查看连接表”，将弹出 “链接”属性表，其中列出了各个控制点的映射情况，检查各控制点残差（Residual）及均方差（Total RMS），对控制点进行修改使其达到符合要求。选择错误链接点进行删除，也可

17、在连接表界面保存链接点，以便之后再次调用或修改，如图。选择好链接点后点击“校正”，弹出“另存为”对话框，选择输出位置，为新文件命名，选择栅格数据格式和重采样方法，（Resample Typle重采样方法有三种：Nearest Neighbor（最近邻法）、Bilinear Interpolation（双线性内插法）和Cubic Convolution（立方卷积法），最近邻法不改变输入像元的值，适合与栅格地图的空间配准；双线性内插法稍好，适合于遥感影像数据的空间配准；立方卷积法最光滑，应用最少。）完成栅格图的配准，如图。配准结果如图。图配准连接表图配准后保存配准结果 方法二（为控制点输入坐标值）

18、： 添加栅格数据在ArcCatalog中用鼠标左键选中欲进行地理配准的栅格数据“RasterGY”直接拖入ArcMap界面中。此时数据本身没有坐标系信息，数据框也没有空间参考信息，因此图框右下角的坐标值显示为位置单位。 导入数据 设置图层数据框的坐标参考系统并选择数据框的数据单位将数据框的坐标系修改为GCS_Krasovsky_1940的地理坐标系（即与Road图层相同的坐标系），然后将数据框的单位设置为“度分秒”。（由于栅格图中可直接读出经纬度坐标，比较方便）。 修改数据框坐标系修改数据框显示单位 输入控制点坐标值将图层显示范围放大到东经9130，北纬3025处附近区域，选择地理配准工具条中

19、的“添加控制点”工具，在栅格数据中添加控制点（注意事项与方法一相同），添加控制点后不移动鼠标并直接点击右键，如图，选择输入经度和纬度，如图。（若不预先设置数据框的空间参考信息则只能选择“输入X,Y坐标”，若选“输入X,Y坐标”也可直接输入经纬度在十进制度单位下的数值）图 选择控制点图 输入经纬度 配准结果查看残差表合格后后点击“校正”，如图，弹出“另存为”对话框，选择输出位置，为新文件命名，选择栅格数据格式和重采样方法完成栅格图的配准，如图。图 点击“地理配准下”的“校正”图 另存为对话框配准完成后的结果如图，数据的坐标在正常范围内。图 配准结果四、统一坐标系，将四幅数据嵌套到一起。使用Arc

20、ToolBox中的“数据管理工具投影和变换定义投影”工具为配准后的栅格数据定义与“dem”数据相同的坐标系，以同样的方法为“fwpolygonshp”定义坐标系。（方法之前已提到，若配准时为按照经纬度配准，则定义为“road”的坐标系，而后再通过“数据管理工具投影和变换栅格投影栅格”工具，如图投影为“dem”数据的坐标系，如图，或者按经纬度配准的栅格就定义为“road”的坐标系，而把“dem”数据的坐标系进行转换。建议使用投影坐标系，以便于之后进行空间分析。）图 投影栅格工具此时四份数据都有了空间参考信息，在同一数据框下打开已可以嵌套在一起（“road”的坐标系虽为地理坐标系但是与其他三份数据

21、的投影坐标系是基于同一椭球的，因此在导入同一数据框时进行了动态投影（若第一份添加的数据为“road”则为其他三份数据进行动态投影）在数据框中位置相同），但为了继续进行空间分析，还需使用ArcToolBox中 “数据管理工具投影和变换要素投影”工具对“road”数据进行一次投影。五、栅格数据矢量化 案例练习过程中会用到空间分析，而已知数据中只有道路、实验区Dem影像、范围图层以及一张栅格图，由实验要求可知在分析过程中至少还要用到居民地、河流、小蒿草草甸等数据，因此还需将栅格图像中的这部分数据进行矢量化。新建地理数据库首先在ArcCatalog窗体中于实验存放目录右键单击文件夹，单击“新建文件地理

22、数据库”创建文件地理数据库，命名为“RZSLGYUAN”，如图。图 新建文件地理数据库新建要素类在“RZSLGYUAN”数据库中创建要素类，在本实验中欲创建线要素类“River”、“RoadNew”来存放图中的河流以及道路，面要素类“OAP”（Other Artificial Places）以及“KPM”（Kobresia Pygmaea Meadow）来存放图中的“其他人造地区”和“小嵩草草甸”矢量数据，点要素类“OAPP”用来存放图中的点状居民地以及放牧地点，如图。新建要素类时选择空间参考为本实验中统一的坐标系统：基于1940克拉索夫斯基椭球中央子午圈经度93的横轴墨卡托投影（Krasov

23、sky_1940_Transverse Mercator），如图，在添加字段界面可以多添加几个字段以备用，如图。图 新建要素类图 为要素类设置XY坐标系 属性表字段创建要素在“编辑器”工具条上，单击“编辑器开始编辑”后弹出要求选择需要编辑的图层对话框框，如图。选择好图层后点击“编辑器编辑窗口创建要素”即可弹出“创建要素”工具，如图、图，选择构造工具的模板之后便可开始创建要素以进行矢量化。图 选择欲编辑的图层图 编辑器图 创建要素工具在矢量化的过程中要缩放窗口界面至较大的比例尺，以期提高矢量化精度。创建面要素过程中只需沿线创建面要素边界即可生成面要素，不论外凸图形或内凹图形皆可用正常方法完成创建

24、，其生成面的方法是用新建折点与起始折点连线扫过的区来生成面，同一区域若被扫过奇数次则生成面，扫过偶数次则反选扫过面域，最终生成正确的面状区域，如图、图。矢量化的过程中如果有节点选错位置可以在错误位置节点处单击右键选择“删除节点”选项后重新选择节点，如图。图 奇数次扫过面域时生成面图 偶数次扫过面域时取消生成面图删除错误折点保存矢量化结果在添加节点完成后点击鼠标右键，选择“完成部分”或者“完成草图”选项即可完成编辑。（若选择“完成草图”，则此次编辑的内容将存为一个要素，若选择“完成部分”则直至选择“完成草图”前所编辑的所有内容将保存为同一个要素。）完成草图与完成部件最后点击编辑器中的“保存编辑内

25、容”按钮，即可将绘制好的草图内容保存到图层中。 保存编辑内容以此方法可以完成其他面图层的矢量化，线和点图层的矢量化步骤也与此相同。六、提高空间数据质量地理信息数据的数据结构比较复杂，地物之间又存在很多拓扑关系，如果不进行拓扑检测就进行处理分析的话，很可能产生错误的分析结果，比如有时候如果多边形闭合不恰当，就无法得出正确的叠加分析结果。拓扑管理能清晰地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何数据更具稳定性，可以有效地提高空间数据准确度和质量。（只有简单要素类才能参与拓扑，注记、尺寸等复杂要素类不能参与构建拓扑。）拓扑数据至少有三个优点：首先是能确保数据质量和完整性，这是美国人口普查局最初使用拓扑的事

26、实原因；其次拓扑可强化GIS分析；最后空间要素之间的拓扑关系使得GIS用户可执行空间数据查询。例如访问一个县内有多少所学校，一条河流流经哪些省份等等。拓扑编辑首先创建一份要素数据集，再将需要进行拓扑编辑的要素类数据导入到要素数据集中。（若要素数据集与欲导入其中的要素类处在同一地理数据库中则无法使用批量导入（显示要素已存在），单个导入时可以进行重命名，因此不会出现此类错误，若向另一地理数据库中的要素类中导入要素则可使用批量。）创建拓扑有两种方法，可以在ArcToolBox中实现也可在ArcCatalog 中实现，本报告以在ArcCatalog中实现拓扑为例实现对数据的拓扑编辑。创建拓扑新建要素数

27、据集，如图，右键单击新建的要素数据集选择“导入要素类（多个）”，如图，弹出“要素类至地理数据库工具”，将要素导入数据集中，如图。图 新建要素数据集图 导入要素类要素类至地理数据库工具导入过后所选要素将会显示在数据框中，如图图 导入完成自动显示右键单击导入了要素的要素数据集，选择“拓扑”，如图，则会弹出“新建拓扑”对话框，如图，按照提示进行操作。图建立拓扑图新建拓扑对话框设定拓扑中每个图层要素的等级，等级最高为1，等级越高的图层被移动的越少，即等级不同的两个图层之间出现拓扑错误则会优先修改等级低的要素图层，如图。图 设置要素等级点击下一步后弹出指定拓扑规则窗体，如图。点击“添加规则”按钮，在弹出

28、的“添加规则”窗口中选择要参加拓扑的图层以及相应的拓扑规则，如图，若为图层之间的拓扑则还需选择第二个图层的要素类、点击保存规则可以将拓扑规则保存，遇到类似数据可以直接使用“加载规则”，再做修改。图 设置拓扑规则图 添加规则并查看错误类型验证拓扑并查看拓扑错误建立拓扑后，弹出对话框询问是否立即验证，如图，点击“是”，后结果将直接显示在窗口中。图 立即验证拓扑在ArcCatalog中右键单击拓扑文件可以选择“验证”再次验证拓扑，如图，选择“属性”也可以添加、移除和修改拓扑规则。如图。图 验证拓扑图 属性窗口验证拓扑结果如图，点拓扑错误为浅粉色，面拓扑错误为深粉色。图 拓扑验证结果拓扑编辑拓扑工具条

29、如图，工具分别为“选择拓扑”、“拓扑编辑工具”、“修改边”、“整形边工具”“对齐边工具”、“概化边缘”、“共享要素”、“验证选中范围内拓扑”、“验证当前范围内拓扑”“修复拓扑错误工具”和“错误查看器”。图 拓扑工具条点击“编辑器”中的“开始编辑后”，拓扑工具条变为可用，打开错误检查器，可以查看错误信息和拓扑错误要素，如图。图 错误检查器 修复拓扑时要在错误检查器中右键点击错误，选择“缩放至”，查看错误具体情况，然后点击拓扑工具条中的“修复拓扑错误工具”，选中错误的点、线或者面，单击右键选择修复方法，“捕捉”为连接至一定范围内的下一节点、“延伸”可将线的末尾节点延伸至最近的线要素上、“修剪”则是

30、将末尾节点移至指定范围内最近的详解线上。悬挂节点若为河流源头或道路起始位置可以标记为异常。图 缩放至错误位置图 修复错误修复拓扑错误操作需要视情况修复，还可能用到“编辑器”和“高级编辑”中的各项功能，如图18。图 编辑器 和 高级编辑修改后图层中无拓扑错误，如图19图修改拓扑错误后结果非拓扑编辑在矢量化的过程中为了方便将大块面积的面状区域分成几个部分分别进行矢量化，但在本次案例的分析中要考虑面积因素，因此为了避免由于矢量化的操作而产生误导性甚至错误的结论，拓扑后再将本属于同一地物的元素合并起来，如图、图就是将一大块地物分块进行了矢量化。图 面状要素被分开矢量化结果图面状要素被分开矢量化结果 鼠标左键选择几个欲合并的面状要素之一，再按住“Shift”依次选择其他与合并的面状要素，选择完成后使用控制器中的“合并”功能，如图。 图 合并功能 在弹出的“合并”对话框中选择将与其他要素合并的要素（保留此时未选择的要素的ID），点击“确定”后完成合并。图 合并对话框 合并后的结果如图所示图 合并完成后结果七、栅格数据矢量化（二）（对于第一次矢量化结果不满意因此又进行了一次矢量化，而且第一次矢量化相当于是矢量化与入库同步进行，因此在文档中将两种矢量化都保留了下来。）案例练习过程中会用到空间分析，而已知数据中只有道路、实验区Dem影像、范围图层以及一张栅格图，