7 - 栅格数据基本分析方法 - 图文

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）（ArcGIS9.2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。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

图7-1分析环境设置

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。

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图7-2分析环境设置 图7-3分析环境设置

图7-4直线方向数据 图7-5直线分配数据

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）。最后点击图7-6单元统计对话框 OK按钮即可完成相应的运算。

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（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

图7-7邻域统计设置对话框 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

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图7-9分区统计结果柱状图

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。

图7-10重分类对话框 图7-11分类计算对话框

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图7-12重分类之前的坡度图 图7-13重分类之后的坡度图

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】图7-14栅格计算器 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。

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）

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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。

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