第6章_栅格数据空间分析

第五章栅格数据的空间分析1.栅格数据的聚类分析2.栅格数据的聚合分析3.栅格数据的信息复合分析4.栅格数据的追踪分析5.栅格数据的窗口分析6.栅格数据的再分类2020/1/31§4栅格数据的空间分析地理信息系统（GIS）的一个主要优势在于能够对GIS数据进行空间运算以派生新的信息。这些工具构成了所有空间建模和地理处理的基础。--ESRI,空间分析使用手册GIS的数据模型分两大类，即矢量数据模型和栅格数据模型。以栅格数据模型为存储结构、地图代数（MapAlgebra）为数学基础的空间分析方法自1980年代后期以来成为GIS技术发展的重要方向，并日趋成熟。它的最大特点就是能够对空间问题进行建模，因此已成为衡量一个GIS功能强弱的关键指标之一。2020/1/31§4栅格数据的空间分析栅格大小：指分析过程中系统默认的栅格数据的单元大小（CellSize），也有人把它称为分析解析度。栅格数据的空间分析就是在每一个栅格单元的基础上进行的。如果单元过大则分析结果精确度降低，如果单元过小则会产生大量的数据，而且计算速度降低。所以需要选择合适的单元大小。栅格数据结构为空间分析提供了最强的建模环境及空间运算。ESRI®ArcGIS®SpatialAnalyst扩展模块为ArcGIS增加了全面广泛的基于栅格单元的GIS运算。2020/1/31栅格数据模型空间分辨率2020/1/311pixel=10m×10m分辨率=10m10M10M1Pixel§4栅格数据的空间分析ArcGIS中集成了各种空间分析技术，如距离制图（DistanceMapping）、密度制图（DensityMapping）、栅格插值生成表面（Surface）、表面分析（坡度、坡向、阴影、等值线、视场）、基于格网单元的统计（CellStatistics）、邻域统计（NeighborhoodStatistics）、分类区统计（ZonalStatistics）、栅格重分类（Reclassification）、栅格计算器（RasterCalculator）以及矢量－栅格数据转换等。2020/1/311.栅格数据的聚类分析根据设定的聚类条件对原有数据系统进行有选择的信息提取而建立新的栅格数据系统的方法。2020/1/31在四种类型要素中提取其中要素2的聚类：21;1,3,402020/1/31示例：空间聚类1423577233317613742274444624113452371453126444446（1）某镇土地利用现状（2）空间聚类分析输出图形左下图是一幅土地利用栅格图（1.耕地，2.园地，3.林地，4.居民点，5.独立工矿，6.水域，7未利用地），设定条件可以是：E=（属性=“水域”）∩（面积≥1公顷）∩（水域邻接居民点），右下图是输出结果。这类聚类条件的设定常用于位址规划。2.栅格数据的聚合分析根据空间分辨率和分类表，进行数据类型的合并或转换以实现空间地域的兼并（数据的综合）。空间聚合的结果往往将较复杂的类别转换为较简单的类别，并且常以较小比例尺的图形输出。当从地点、地区到大区域的制图综合变换时常需要使用这种分析处理方法。2020/1/311、2类合并为b，3、4类合并为a2、3类合并为c，1、4类合并为d2020/1/31示例：空间聚合ⅠⅡⅡⅡⅡⅠⅢⅡⅢⅢⅢⅢⅢⅡⅡⅠⅡⅡⅡⅡⅠ农用地Ⅱ建设用地Ⅲ未利用土地聚类、聚合分析应用栅格数据的聚类聚合分析处理法在数字地形模型及遥感图象处理中的应用是十分普遍的。例如，由数字高程模型(DEM)转换为数字高程分级模型便是空间数据的聚合，而从遥感数字图象信息中提取某一地物的方法则是栅格数据的聚类。2020/1/313.栅格数据的信息复合分析信息复合模型(overlay)包括两类：即简单的视觉信息复合和较为复杂的叠加分类模型。正因为如此，栅格数据常被用来进行区域适应性评价、资源开发利用、规划等多因素分析研究工作。在数字遥感图象处理工作中，利用该方法可以实现不同波段遥感信息的自动合成处理。视觉信息复合是将不同专题的内容叠加显示在结果图件上，参加复合的平面之间没发生任何逻辑关系，仍保留原来的数据结构；叠加分类模型则根据参加复合的数据平面各类别的空间关系重新划分空间区域，使每个空间区域内各空间点的属性组合一致。叠加结果生成新的数据层，该数据层图形数据记录了重新划分的区域，而属性数据库结构中则包含了原来的几个参加复合的数据层的属性数据库中所有的数据项。2020/1/313.栅格数据的信息复合分析视觉信息复合是将同一地区同一比例尺的不同含义的图形图像进行叠合显示在屏幕上或结果图件上，以便判断不同地理实体的空间关系，从而获取更多的空间信息。视觉信息复合中，不改变各图层数据结构，也不形成新的数据，只给用户带来视觉效果，用于目视分析。2020/1/313.1视觉信息复合3.栅格数据的信息复合分析GIS中视觉信息复合包括以下几类：2020/1/31–点、线和面状图之间的复合；–面状图区域边界之间或一个面状图与其他专题区域边界之间的复合；–遥感影像与专题地图的复合；–专题地图与DEM复合显示立体专题图；–遥感影像与DEM复合生成真三维地物景观。目前，基本上所有的GIS软件都可以实现视觉信息叠加的主要功能。3.1视觉信息复合2020/1/31点、线和面状图之间的复合通过点、线和面状图的相互复合，寻求特征信息在空间上的关联性。在这里强调的是复合图之间的关系，而不是强调生成新的目标。例如，要了解居民点与污染区空间关系，就可以把居民点图和污染分区图进行点与面的视觉复合。直觉上可以看到各个居民点的污染轻重。3.1视觉信息复合3.栅格数据的信息复合分析ABCABC41324132a居民区b污染分级区c叠加区2020/1/31遥感信息和专题图的视觉复合遥感信息和非遥感信息结合是GIS和遥感（RS）相结合的基础，RS和GIS所处理问题具有互补性。遥感图上信息丰富，但缺乏行政区划界线等非遥感信息，这样不利于区域分析。另外，在遥感分类中常常出现比较麻烦的“异物同谱”现象。如荒草和牧草，果园和灌木等，从遥感角度看，因为具有相同的光谱特性而无法区分，这时如把遥感分类图和专题图或地形图进行视觉复合，就可以直觉地解决某些“异物同谱”分类问题，从而大大提高遥感分类精度。3.1视觉信息复合3.栅格数据的信息复合分析2020/1/31专题图和数字高程图视觉复合专题图通常用平面图来表示，而数字高程模型（DEM）的立体彩色显示是具有高度真实感的，如果把各种专题图和数字高程图复合生成立体专题图，可以大大增强视觉效果，便于人们认识和研究自然资源。例如，把旅游图和数字高程图结合生成立体旅游景观图，有利于人们观察景点分布和旅游路线选择；再如将野生动物分布图与数字高程图结合，生成立体野生动物分布图，可以帮助动物学家对野生动物群体生存环境的研究。3.1视觉信息复合3.栅格数据的信息复合分析点、线与栅格DEM叠加栅格数据的空间分析线与面叠加线与线叠加水系专题数据与DEM的叠加2020/1/312020/1/31遥感影象与DEM叠加2020/1/31专题要素遥感影象与DEM叠加2020/1/31专题要素遥感影象与DEM叠加航空像片与DEM叠加的三峡景观（立体模型）3.栅格数据的信息复合分析3.2叠加分类模型与视觉信息复合不同的是参加复合的栅格数据重新进行组合分类，生成新的栅格数据，这个新产生的栅格数据的属性包含原有参加复合的栅格数据的所有数据项，如最小的自然区域、水文地貌单元、最小的景观单元。叠加分类模型用于多要素综合分类，以划分最小地理景观单元，进一步可进行综合评价以确定各景观单元的等级序列。2020/1/313.2.1逻辑判断复合法3.2.2数学运算复合法：①算术运算、②函数运算3.栅格数据的信息复合分析3.2.1逻辑判断复合法2020/1/31ABCABCABCABCABCABCA.AND.B.AND.CA.NOT.(B.AND.C)A.AND.B.OR.CA.OR.B.OR.CA.XOR.B.XOR.CA.AND.(B.OR.C)3.2叠加分类模型2020/1/31例：有土壤厚度(大于50厘米)和土壤类型(红壤和其他类型)两个二值化图层，不同的逻辑运算结果如下：AND：结果是将土层厚度大于50厘米，且土壤为红壤的土壤单元显示出来；OR关系：结果将土层厚度大于50厘米，或者土壤为红壤的土壤单元显示出来；XOR：结果将土层厚度小于50厘米，或者土壤不是红壤的土壤单元显示出来；NOT：如结果是将土层厚度大于50厘米，但土壤不是红壤的土壤单元显示出来；例：逻辑关系运算3.栅格数据的信息复合分析3.2.2数学运算复合法①算术运算：指两层以上的对应网格值经加、减运算而得到新的栅格数据的方法。2020/1/313.2叠加分类模型111111111111111111111111111111111222231111111111111111111113ABCD=A+B+CE=|A-B|F=D-E2020/1/31栅格叠加分析（OverlayinRaster）基于栅格单元（像元）进行Samelayout–Samemapprojectionforeachlayer–Sameareacoverage–Sameresolution(orcellsize)NoneedforintersectionMapalgebraButmustbemeaningful输出结果为单一栅格图层，复合了参与运算的各栅格图层的信息2020/1/31RasterOverlay:CorrectlyDesignedWherearetheretreesintheurbanarea?Wherearetheretreesinthenon-urbanarea?010010000000000001000001122200222022222200022000220-notatree1-tree‘Point’‘Polygon’0-noturban2-urban0-noturban,notree1-noturban,tree2-urban,notree3-urban,tree2320122202222220012200033+=Result2020/1/31RasterOverlay:IncorrectlyDesignedWherearetheretreesintheurbanarea?Wherearetheretreesinthenon-urbanarea?010010000000000001000001111100111011111100011000110-notatree1-tree‘Point’‘Polygon’0-noturban1-urban0-noturban,notree1-noturban,tree1-urban,notree2-urban,tree1210111101111110011100022+=ResultBecarefulwithnominaldata!2020/1/31栅格叠置分析示例：土地适宜性评价土地利用地形坡度人口密度交通便利度得分得分得分得分方面1方面2方面3方面4自然保护区组合适宜性在地理分析中，栅格方式的叠置分析十分有用，是进行适宜性分析的基本手段。3.栅格数据的信息复合分析3.2.2数学运算复合法②函数运算：指两个以上层面的栅格数据系统以某种函数关系作为复合分析的依据进行逐网格运算，从而得到新的栅格数据系统的过程。2020/1/313.2叠加分类模型只要得到对于某事物及发展变化的函数关系式，便可运用以上方法完成各种人工难以完成的极其复杂的分析运算。这也是目前信息自动复合叠置分析法受到广泛应用的原因。在ArcGIS中，使用栅格计算器(MapCalculator)可以很方便地实现栅格图层的复合/叠置运算。应用面：地学综合分析、环境质量评价、遥感数字图像处理等领域。2020/1/31示例：函数运算2020/1/31利用土壤侵蚀通用方程式计算土壤侵蚀量时，就可利用多层面栅