地理信息系统课程实习

GIS 栅格数据空间分析-以地形分析为例

作者：罗年学 李振

武汉大学测绘学院2009.4

实习目标和内容•实习目标：

以地形分析为例，让大家了解 GIS 栅格空间分析的基本内容。•实习内容：

（ 1 ）计算坡度 Slope

（ 2 ）计算坡向 Aspect

（ 3 ）计算山体阴影 HillShade

（ 4 ）创建等值线 Contours

（ 5 ）制作地形剖面图

（ 6 ）测量面积和体积

（ 7 ）可视性分析

地形分析步骤•实习步骤

（ 1 ）调用 ArcToolBox 。

（ 2 ） 3D Analyst Tools->Raster Surface->Aspect/Contour/Contor List/Curvature/Cut file/Hillshade/Observaer Points/Slope/Viewshed

一、计算坡度 Slope

• 地面上某点的坡度表示了地表在该点的倾斜程度

• 坡度与坡向的计算通常在 3×3 的 DEM 栅格窗口（如图）中进行• 坡度有两种表示方法：度或百分比

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。坡度可在 DEM 或 TIN 的基础上提取。

坡度应用

• 根据DEM 计算得到的坡度栅格

二、计算坡向 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 ArcGIS 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。

• 在一个区域内提取所有朝南的坡面，为房地产建设选址提供最佳位置。

• 计算研究区域内的每一点的太阳光照量，从而测定每一点的生物量。

坡向可在数字高程模型 DEM 或 TIN 数据的基础上提取。

坡向应用

• 基于DEM 计算坡向分布图，坡向栅格单元中的值表示当前栅格相对正北方向的的坡向（从 0-360 变化）

三、计算山体阴影HillShade• 分析或模拟地面的光照情况，产生地形表面的阴影

图。 Hillshade 可测定研究区域中给定位置的太阳光强度和光照时间，并且对实际地面进行逼真的立体显示，增强地面的起伏感。

• 要计算山影，需要给定太阳方位角和太阳高度角

• 山体阴影的应用有：– 对地形起伏进行生动的表示，从而显示不同土地利用类型

在地形上的分布情况。– 研究阳光的照射位置与公路上发生的车祸事件发生率之间

的相关性。– 分析农作物与太阳光照的关系

山体阴影应用

• 根据DEM计算得到的山影图

注意事项Create a hillshade or slope using data in Geographic coordinates

Summary:When performing a hillshade or slope function in ArcGIS, the Z units are presumed to be the same as the horizontal (x,y) units. When working with data in geographic coordinates, this is a problem because the linear distance of a degree of latitude varies.

In some cases, a value of 0.00003 was suggested as the Z factor to account for the actual Z unit in meters. While that value can still be used, this article presents a more accurate method of determining the Z factor when the Z units are in meters.Procedure:The following procedure assumes the Z units of the raster being used to generate the hillshade or slope are meters. If the Z units of the data being used is feet, first use the raster calculator to multiply the raster by the conversion factor 0.3048, so that the z units are meters.(1)Determine what the middle latitude of the area of interest is. (2)Convert that degree value to radians. 1 degree = 0.0174532925 radians (3)Use the value in radians in the following equation:Z factor = 1.0 / (113200 * cos(<input latitude in radians>)) (4)Use this calculated Z factor in the hillshade or slope tool.

四、创建等值线 Contours

• 在 ArcGIS 中 Contours 功能生成一个新的矢量图层，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。

• 有三种方法：（ 1 ）将 DEM 或 Tin 生成为线要素矢量主题（ 2 ）创建一个新的线主题 ，并从 Dem主题或 Tin 中提取等值线，

提取的等值线成为新主题中的要素（ 3 ）提取单条等值线

五、制作地形剖面图在工程方面 (如在公路、铁路、管线等的设计过程中 )，常常需要制作

剖面图。剖面图的制作是以 DEM 数据 (GRID 数据 )或 TIN 数据为基础的

• 基于 DEM 数据进行“线插值” ，得到一条具有高程值的线段• 计算具有高程值的线段的剖面图

六、测量表面面积和体积使用三维分析可以测量表面面积和体积，同时还可以测量两个表面之间

容积的差异 -进行开挖、填埋分析。• 表面面积是沿表面的曲面进行测量，计算出的面积总要大于二维平面

测量的面积。• 体积是计算 TIN 表面和某一指定高程所在的水平面之间的立体空间，

可以是平面之上的，也可以是平面之下的。测量体积，在实际应用中一般用来计算土石方量

• 给定一条等高线，计算其上或以下的的表面面积和体积

挖填分析 • 通过分析比较两个表面模型前后的变化，还可以计算填埋及挖掘土石

方量。

• 可视性分析实质上属于对地形进行最优化处理的范畴。例如：设置雷达站、电视台的发射站、道路选择、航海导航等、移动电话基站选址，在军事上如布设阵地（炮兵阵地、电子对抗阵地）、设置观察哨所、铺架通信线路等。

• 主要的两可视性分析：– 通视性分析 Line of sight ，通过此功能可以显示两点之间的通

视情况，从而判断从一个观察点是否可以看到目标物，回答了“从这里我可以看到哪个目标？” 。

– 可视域分析 Viewshed Analysis ，确定了从一个或多个观察点可以观测到的区域。回答了“从这里我可以看到什么？”的问题。

七、可视性分析 七、可视性分析

通视性分析

• 两点间的可视情况

• 可视域分析显示了在一个区域内从一个或多个观察点可以观察到的区域范围

• 在输出的 Viewshed 数据中，属性 Value 表示了对于一个可视位置，有多少观察点可以看到此位置。

可视域分析

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