空间分析与建模实验指导Word格式.docx

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学生熟悉相关GIS软件的使用，理解GIS的空间分析的原理与实现，并解决相关的地学空间分析问题。

【主要实验项目及内容】

实验一基于矢量和栅格数据的叠置分析

一、实验目的：

1、加深多图层叠置分析基本原理及方法的认识。

2、掌握ArcGIS多图层叠置分析的技术方法。

3、结合实际、掌握利用多图层叠置分析方法解决地学空间分析问题的能力。

二、实验内容：

运用ArcGIS进行矢量数据和栅格数据的叠置分析，分析叠置结果。

三、实验数据：

1、矢量数据包括：

点数据point.shp、线数据centerline.shp、面数据sports.shp、Polygon.shp

2、栅格数据包括：

土地利用数据Landuse（Grid格式）、高程数据elevation（Grid格式）

四、实验步骤：

矢量数据的叠置分析：

1、Clip裁剪分析：

1）通过ArcCatalog向ArcMap中添加线和面数据Polygon.shp，打开ArcToolBox，选择AnalysisTools工具箱，打开Extract工具集，执行Clip操作。

2）从出现的对话框中选择要进行裁剪的图层（inputfeature）及用来裁剪的图层（clipfeatures），确定输出的图层（outputfeatureclass）的名称和路径，其他参数默认。

3）选择OK，得到裁剪后的结果。

4）比较裁剪后的数据与被裁剪的数据属性。

（裁剪后的数据拥有被裁剪的数据的所有属性，前者是后者的一个子集）

2、Intersect相交分析：

1）通过ArcCatalog向ArcMap中添加centerline、polygon数据，打开ArcToolBox，选择AnalysisTools工具箱，打开Overlay工具集，执行Intersect操作。

2）从出现的对话框中选择要进行相交分析的图层（inputfeature），确定输出的图层（outputfeatureclass）的名称和路径，其他参数默认。

3）选择OK，生成相交运算的结果。

4）比较操作前后用于相交的数据。

（输出结果将继承用来相交的两个层面的所有属性）

3、Union合并分析：

1）通过ArcCatalog向ArcMap中添加sports、polygon数据，打开ArcToolBox，选择AnalysisTools工具箱，打开Overlay工具集，执行Union操作。

2）从出现的对话框中选择要进行合并分析的图层（inputfeature），确定输出的图层（outputfeatureclass）的名称和路径，其他参数设置默认。

3）选择OK，得到合并结果。

4）考察输出结果，查看输出结果数据的属性。

（输出结果综合了两个数据的所有对象和属性）

另外，学生可以根据实验数据自行设计一些相关实验，包括Erase、Identity、Update等，注意比较不同操作对结果的影响。

栅格数据的叠置分析：

1）通过ArcCatalog向ArcMap中载入栅格数据。

2）调出SpatialAnalyst工具条，选择RasterCalculator。

3）在Expression对话框中输入条件表达式，学生可考虑应用不同的条件分析。

（[landuse]==6&

（[elevation]>

=600&

[elevation]<

=2000））

4）选择Evaluate，生成Calculation数据层，即得到的结果。

实验二矢量数据的缓冲区分析

1、练习点、线、面缓冲区的生成以及多尺度缓冲半径的设定。

2、掌握在ArcGIS环境下进行缓冲区分析的的技术方法。

运用ArcGIS进行矢量数据的缓冲区分析。

矢量数据：

点数据point.shp、线数据centerline.shp、面数据sports.shp

点要素的缓冲区分析：

1）通过ArcCatalog向ArcMap中载入点文件，或直接在ArcMap中通过AddData对话框加入数据。

打开ArcToolBox，选择AnalysisTools工具箱。

2）执行Proximity工具集下的Buffer操作。

从出现的对话框中选择输入图层（inputfeatures）为point，设定输出图层（outputfeatureclass）的名称和路径，设定缓冲区半径参数（distance），其他参数默认。

3）选择OK，执行点对象的缓冲区分析，得到分析结果。

4）执行Proximity工具集下的MultipleRingBuffer操作。

从出现的对话框中选择输入图层（inputfeatures）为point，设定输出图层（outputfeatureclass）的名称和路径，输入几个不同的缓冲区半径（distance），其他参数默认。

5）选择OK，执行点对象的多缓冲区分析，按确定生成point_buffer.shp。

6）按缓冲区半径大小给生成的图像调配颜色，使图示效果良好。

线要素的缓冲区分析：

1）通过ArcCatalog向ArcMap中载入线文件。

2）与生成点要素缓冲区操作类似，选择Proximity工具集下的Buffer或MultipleRingBuffer操作。

3）与点要素缓冲区设置参数类似，从出现的对话框中设置输入图层（inputfeatures），设定输出图层（outputfeatureclass）的名称和路径，设定缓冲区半径（distance）等参数，选择OK生成线对象的缓冲区分析结果。

4）按缓冲区半径大小给生成的图像调配颜色，使图示效果良好。

面要素的缓冲区分析：

1）通过ArcCatalog向ArcMap中载入面文件。

2）进行面要素缓冲区的基本操作与点要素和线要素生成缓冲区的操作类似，需要注意相应的参数类似。

3）按缓冲区半径大小给生成的图像调配颜色，使图示效果良好。

实验三缓冲区分析和叠置分析的应用

1、熟练掌握ArcGIS缓冲区分析和叠置分析。

2、可以综合利用各项空间分析工具解决时间问题。

运用ArcGIS空间分析功能对市区择房进行分析，选择最适宜的购房地段。

城市市区交通网络图network.shp，

商业中心分布图Marketplace.shp，

名牌高中分布图school.shp，

名胜古迹分布图famousplace.shp

四、实验要求：

1、所寻求的区域要满足一下条件：

●离主要交通要道200m之外，以减少噪音污染（ST为道路数据中类型为交通要道的要素）。

●在商业中心的服务范围之内，服务范围以商业中心规模的大小（属性字段YUZHI）来确定。

●距名牌高中在750m之内，以便孩子上学便捷。

●距名胜古迹500m之内，环境优雅。

2、对每个条件进行缓冲区分析，将符合条件的区域取值为1，不符合条件的取值为0，得到各自的分值图。

3、运用空间叠置分析对上述4个图层叠加求和，并分等定级，确定合适的区域。

五、实验步骤：

（1）主干道噪音缓冲区的建立：

1）向ArcMap中载入所有数据文件。

2）在交通网络图层network.shp上右键选择OpenAttributeTable，打开属性表。

3）单击Option按钮，选择SelectbyAttributes，打开Attributesofnetwork对话框。

4）在SQL表中，设置查询条件表达式：

“TYPE”=‘ST’（需单击GetUniqueValues将TYPE的全部属性值加入上面的列表框中），单击Apply按钮，选择出市区的主要道路。

5）对选择的主干道建立缓冲区：

点击缓冲区按钮，打开缓冲区生成对话框。

参数如下：

Thefeaturesofalayer:

network

选中UseOnlytheSelectedFeature复选框。

选择第一种缓冲区建立方法（Ataspecifieddistance）:

200

确定缓冲区距离单位：

Meters。

选择缓冲区边界类型（Dissolvebarriersbetween）:

Yes

指定缓冲区文件的存放路径和名称。

得到主干道噪音污染缓冲区。

（2）商业中心影响范围建立：

Marketplace。

选择第二种缓冲区建立方法，Basedonadistancefromanattribute:

YUZHI

指定缓冲区文件的存放路径和名称。

得到商业中心影响范围的缓冲区。

（3）名牌高中影响范围建立：

school。

750

得到名牌高中的覆盖范围缓冲区。

（4）名胜古迹影响范围建立：

famousplace。

500

得到名胜古迹的覆盖范围缓冲区。

（5）进行叠置分析，求出满足上述四个要求的区域

1）求取3个点图层缓冲区的交集区域：

打开ArcToolbox，选择AnalysisTools\Overlay\Intersect命令，打开交集操作对话框；

一次添加商业中心、名牌高中和名胜古迹的缓冲区；

指定输出文件路径和名称；

在JoinAttributes文本框中选择ALL；

OK求出交际区域。

2）求取同时满足四个条件的区域：

打开ArcToolbox，选择AnalysisTools\Overlay\Erase命令，打开图层擦除操作对话框；

在InputFeatures文本框中选择三个区域的交集数据；

在EraseFeatures文本框中选择主干道噪音缓冲区数据；

OK得出以上四个条件的区域。

即是所求的最适宜的区域。

实验四最短路径问题分析与应用

1、理解网络分析原理。

2、学会用ArcGIS9进行各种类型的最短路径分析。

运用ArcGIS空间分析功能，根据不同要求，获得到达指定目的地的最佳路径，并给出路径的长度；

找出距景点中心的最佳路径。

GeoDatabase地理数据库：

City.mdb。

（包含一个数据集：

City，其中含有城市交通网net、商业中心及家庭住址place、网络节点city_Net_Juntions等要素）

●在网络中指定一个商业中心，分别求出在不同距离、时间的限制下从家道商业中心的最佳路径。

●给定访问顺序，按要求找出从家出发，逐个经过访问点，最终到达目的地的最佳路径。

●研究阻碍强度的设置对最佳路径选择的影响。

（1）无权重最佳路径的生成：

1）向ArcMap中加载数据集。

对点状要素place符号化：

以HOME字段，1值为家，0值为商业中心。

2）在网络分析工具条上，选择旗标工具，将旗标放在“家”和想要去的“商业中心”点上。

3）选择Analysis\Options命令，打开AnalysisOptions对话框，确认Weights和WeightFilter标签项全部是None，这种情况下进行的最短路径分析是完全按照这个网络自身的长短来确定。

4）在TrackTask文本框中选择Findpath。

单击solve按钮。

显示出最短路径，这条路径的总成本显示在状态栏中。

（2）加权最佳路径生成：

1）在设施网络分析工具条上，点选旗标工具，将旗标分别放在“家”和想要去的“商业中心”点上。

2）选择Analysis\Options命令，打开AnalysisOptions对话框，进入Weights标签页，在边的权重（Edgeweights）上，全部选择长度（lengh）权重属性。

3）在TrackTask文本框中选择Findpath。

单击solve按钮，则以长度为比重的最短路径显示出来，这条路径的总成本显示在状态栏中。

（3）按顺序逐个通过访问点的路径生成：

1）在设施网络分析工具条上，点选旗标工具，将旗标按照访问的顺序依次放在各个目标点上。

单击solve按钮，最短路径显示出来，这条路径的总成本显示在状态栏中。

4）同样是经过这11个地点，如果权重是时间，由于道路车流量的不同，经过的时间也不同，因此，是路径发生很大改变。

（4）阻强问题：

阻强指网络中点状要素或线状要素因为某些突发事件而不可运行时，原来获得的最短路径就需要修改，具体操作如下：

1）修路时，即某个路段不可运行。

可在网络中设置阻强。

方法有两种：

一种是永久性的，可直接将网络边要素的属性修改成不可运行，即选择此边要素，将其Enabled字段中的属性改成False即可；

另一种是暂时性的，可设置边要素障碍。

即利用边要素障碍添加工具进行设置。

假设上述实验中其中一条路段正在修路，则产生的新的最佳路径发生了改变，同时最近距离也随之改变。

2）十字路口出现车祸等情况，暂时不可通行，即网络中的结点不可运行。

可通过设置阻强来表达。

与现状要素的方法一样，可通过改变结点属性或利用点要素阻强添加工具进行设置。

上述实验可假设其中某个路口出现阻塞，观察最佳路径的变化。

实验五DEM中地形指标的提取

1、加深对各种基本地形指标的概念及其应用意义的理解。

2、熟练掌握使用ArcGIS软件提取地形指标的方法和步骤。

利用所提供的DEM数据，提取该区域坡度变率、坡向变率、地形起伏度、地面粗糙度等四个基本地形指标的栅格图层。

栅格数据：

某区域分辨率为5米的DEM数据

（1）坡度变率：

1）向ArcMap中载入DEM数据。

2）选中DEM图层数据，选择表面分析中的坡度（Slope）工具，提取坡度，得到坡度数据层，命名为Slope。

3）选中坡度数据层Slope，对其再用上述的方法提取坡度，得到坡度率数据，命名为SOS。

（2）坡向变率：

1）求取原始DEM数据层的最大高程值，记为H；

通过SpatialAnalyst下的栅格计算器RasterCalculator，公式为（H-DEM），得到与原来地形相反的DEM数据层，即反地形DEM数据。

2）基于反地形DEM数据求算坡向值。

3）利用SOA方法求算反地形的坡向变率，记为SOA2，由原始DEM数据求算出的坡向变率值为SOA1。

4）在SpatialAnalyst下使用栅格计算器RasterCalculator，公式为SOA=（（[SOA1]+[SOA2]）-Abs（[SOA1]-[SOA2]））/2，即可求出没有误差的DEM的坡向变率。

（3）地形起伏度：

1）选中DEM数据，在SpatialAnalyst下使用栅格领域计算工具NeighborhoodStatistics。

设置Statistictype为最大值，领域的类型为矩形（或圆），领域的大小为11×

11（可根据需要改变），则可得到一个领域为11×

11的矩形的最大值层面，记为A。

2）重复第一步，只是把Statistictype值设置为最小值，即可得到DEM数据的最小值层面，记为B。

3）在SpatialAnalyst下使用栅格计算器RasterCalculator，公式为[A]-[B]，即可得到一个新层面，其每个栅格的值是以这个栅格为中心的确定领域的地形起伏度。

（4）地形起伏度：

1）点击DEM数据层，选择表面分析中的坡度（Slope）工具，提取得到坡度数据层，命名为Slope。

2）点击坡度数据层Slope，在SpatialAnalyst下使用栅格计算器RasterCalculator，公式为：

1/Cos（[Slope]*3.14159/180）,即可得到地面粗糙度数据层。

实验六DEM的建立与应用

1、练习如何由矢量数据生成TIN和GRID数据。

2、在生成的DEM基础上提取地形指标，如等高线、坡度、坡向图等。

运用ArcGIS将矢量数据转化为TIN和GRID数据，并在此基础上提取地形指标。

等高线数据elevation.shp和点数据point.shp

TIN和GRID的建立：

（1）采用点插值生成表面（克里金插值法）：

4）通过ArcCatalog向ArcMap中载入point.shp点文件。

5）从SpatialAnalyst工具条中选择InterpolateToRaster，选择Kriging内插方法或者其他两种内插方法；

也可在3Danalyst工具条中选择InterpolateToRaster。

6）在出现的对话框中，选择高程字段，输出像元大小，输出文件的路径和名称（Outputraster）。

在ZValueField列表中选择Elev字段。

7）选择OK，生成新的栅格主题pointsurface.shp。

（2）生成TIN类型的数据：

1）通过ArcCatalog向ArcMap添加等高线数据elevation.shp。

2）调用3Danalyst工具条，选择Creat/ModifyTIN，再选择CreatTINFromFeatures。

3）选定被用于生成TIN的数据，设定输出图层（OutputTIN）的路径和名称。

选定高程字段。

4）选择OK，生成TIN数据。

选择不同的图层，可有不同的图层数据生成TIN数据。

（3）TIN数据与其他数据类型间的转换：

1）调用3Danalyst工具条，选择3DAnalyst，再选择Convert，选择TINToRaster。

2）在出现的对话框中，选择输入数据（InputTIN）,设定输出图层（OutputTIN）的路径和名称，设置其他参数。

3）选择OK，生成新的Grid数据。

4）调出3Danalyst工具条，在Convert下选择RasterToTIN，则可由其他数据类型向TIN数据转换。

DEM的应用（地形指标的提取）：

（1）坡度：

1）向ArcMap添加由TIN转换生成的GRID数据。

2）从SpatialAnalyst工具条下选择SurfaceAnalysis，再选择Slope操作。

（或从3DAnalyst工具条条下选SurfaceAnalysis）

3）在出现的对话框中输入相应的参数，选择OK，生成新的坡度主题slope。

（Z：

1Outputcellsize:

70）

4）双击左边的图例，在弹出的LayerProperties对话框中可重新调整坡度分级，生成坡度图像。

（2）坡向：

2）从SpatialAnalyst工具条下选择SurfaceAnalysis，再选择Aspect操作。

3）在出现的对话框中输入相应的参数，选择OK，生成新的坡向主题Aspect。

（3）提取等高线：

1）向ArcMap添加由TIN转换生成的GRID数据；

从SpatialAnalyst工具条下选择SurfaceAnalysis，再选择Contour操作。

2）在出现的对话框中设定输入数据图层（inputsurface），输入等高距（contourinterval:

50）和基础等高线的值（basecontours:

350），设定输出图层（outputfeature）的路径和名称。

3）选择OK，生成等高线主题Contours。

（4）地形表面的阴影图：

2）从SpatialAnalyst工具条下选择SurfaceAnalysis，再选择Hillshade操作。

3）在对话框中输入计算Hillshade的各种参数值。

4）选择OK，生成地表阴影图主题Hillshade。

另外，还有一些分析功能，学生科自行设计，如Viewshed、Watreshed等。

实验七应用ModelBuilder分析空间问题

1、练习应用ModelBuilder建模解决空间问题。

2、针对实验目的，采取一种直观的图形化的描述方法对方案的设计过程建模，本实验的实验目的是寻找学校的最佳区域。

1、将实验分解为一系列小的细节，这些小细节为解决的目标。

2、根据分解的目标选择合适的数据。

3、按照所确定的解决目标和已有的数据元素，生成模型的处理结构，运行模型得到最后的结果。

1、矢量数据：

娱乐设施数据rec_sites.shp,学校数据schools.shp。

2、栅格数据：

土地