第13章__ArcGIS栅格数据的空间分析

第13章ArcGIS栅格数据的空间分析基于栅格数据的空间分析是GIS空间分析的重要组成部分。其中，缓冲区分析在GIS中用得较多，但对矢量数据的缓冲区操作比较复杂，而在栅格数据中可看作是对空间实体向外进行一定距离的扩展，因而算法比较简单。栅格数据的空间分析主要包括距离制图、密度制图、栅格差值、表面生成与分析、单元统计、领域统计、分类区统计、重分类、栅格计算和格式转换等功能。13.1设置分析环境在ArcGIS中，使用栅格数据进行空间分析前，先要设置分析环境。环境的设置主要包括工作目录的选择、栅格单元大小的设定、分析区域的选定、坐标基准的配准模式和分析过程文件的管理等。这些设置可以通过在空间分析工具下的选项命令来实现。本节将逐一对各分析环境的设置作详细说明。13.1.1加载模块添加工具ArcGIS安装完成后，空间分析工具默认情况下不能直接使用。如需要使用，必须手动添加。添加需要在主菜单上单击选择“工具”|”扩展”命令，弹出扩展对话框。在对话框中勾选需要使用的工具，即可加载所需工具。加载空间分析模块只需在对话框中勾选“空间分析”前的复选框，然后单击“关闭”按钮，关闭对话框后，空间分析模块即被加载。模块加载后即可添加空间分析工具条，在主菜单中单击“视图”|”工具条”|”空间分析”命令，就可以打开空间分析工具条。13.1.2常规分析环境设置在使用空间分析模块之前，需要设置各种分析选项。在常规分析环境设置中，可以设置空间分析的工作路径、使用分析掩模及分析坐标系统的设置等。1．设置工作路径2．使用分析掩模3．选择坐标系统13.1.3设置单元大小栅格数据的大小和清晰程度是依据其栅格单元来决定的。栅格单元越小其精度越高，反之则越低。但是如果刻意追求精度的话，又会造成栅格数据数据量几何倍数的增加，所以应该根据应用的需求选择一个合适的分辨率，即栅格单元的大小。13.1.4设置分析区域在默认的情况下，空间分析的范围是所有数据的重叠范围，即所有数据的交集。其中，共有以下5种方式。1．在地图的可视区域上进行分析；2．在输入栅格的交集上进行分析；3．在图层的并集上进行分析；4．自己设定合适的分析范围；5．与某个图层一致。13.2距离制图距离制图工具可用于测量直线距离（欧几里得距离）或根据其他因子所量测的距离，包括区域分配、成本距离加权和最短路径等。关于距离制图的基础和原理请参阅有关书籍，此处不予详述。13.2.1直线距离直线距离函数用于测量每一单元到最近源（源是用于研究的地物，如城市、道路和学校）的直线距离。它是从一个单元的中心至另一单元中心的距离，并按距离远近分级。13.2.2区域分配区域分配是依据最近距离来计算每个格网点归属于哪个源，也就是将所有栅格单元分配给离其最近的源。输出结果时，其格网的值被赋予了其归属源的值。分配功能可以完成医院服务区域划分，寻找最邻近旅店等分析。13.2.3成本距离加权成本加权距离制图可以获得每一单元至距离最近、成本最低源的最少累加成本。完成成本加权距离制图的函数与直线距离函数相似。但是，它不是计算一点到另一点的直线距离，而是根据每个单元到源的距离和穿越沿途单元的成本，来计算从每一单元至其最近源的累加通行成本。成本加权距离制图必须要一个源图层和一个成本图层，成本栅格数据确定通过每一单元的通行成本。13.2.4最短路径最短路径函数用于确定从某一目标点至一个源的路径。执行了成本加权距离函数，生成距离和方向栅格数据，就可以计算从指定目的地到相应源的最低成本路径或最短路径。13.3密度制图密度制图主要根据输入的已知点要素的数值及其分布，来计算整个区域的数据分布状况，从而产生一个连续的表面。它主要是基于点数据生成的，以每个待计算格网点为中心，进行环形区域的搜寻，进而来计算每个格网点的密度值。密度制图可以分为核函数密度制图和简单密度制图两种。1．核函数密度制图2．简单密度制图13.4.1反距离加权插值反距离加权插值（InverseDistanceWeighted，简称IDW），顾名思义就是根据数据点间的空间距离的远近加权插值字段进行的插值方法。距中心越近的点，其估算值越受影响，中心点的影响随着离它的距离越远而减小。13.4.2样条函数插值样条函数通过一个使表面整体曲率减为最小的数学函数来估计单元值，所得表面较为平滑，其拟合表面通过输入点，实现步骤如下。13.4.3克里金插值克里金插值法（Kriging）是空间统计分析方法的重要内容之一，是建立在半变异函数理论分析基础上的，对有限区域内的区域化变化取值进行无偏最优估计的一种方法。基于这种方法进行插值时，不仅考虑了待预测点与邻近样点数据的空间距离关系，还考虑了各参与样点之间的位置关系，充分利用了各样点数据的空间分布结构特征，使其估计结果比传统方法更精确、更符合实际和更有效地避免了系统误差的出现。13.5统计分析栅格数据的统计分析指基于栅格单元的，以每个栅格单元的值及其与相邻的栅格单元的位置关系来计算各统计指标的分析方法。13.5.1单元统计单元统计又称局部变换，是基于像元与像元之间一一对应的运算，每个像元都是基于它自身的运算，不考虑其他的与之相邻的像元。13.5.2邻域统计邻域统计计算用于在限定邻域的基础上来获得每个单元的值，是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。邻域统计有两个主要的要素，即邻域统计方法和邻域分析窗口。与单元统计一样，ArcGIS中的邻域统计也提供了10种统计方法。邻域分析窗口分为长方形、环形、圆形和楔形。以矩形为例，以第二行中间栅格为中心栅格，向外扩展3×3栅格，邻域分析的栅格将综合对其相邻的8个栅格进行综合运算。13.5.3分类别统计分类别统计即以一个栅格集为基础在它的不同属性栅格中对另一个被分类栅格集进行统计。如果在基础栅格之上对被分类栅格进行统计，统计方法为求最小值。13.6重分类栅格数据重分类就是对栅格数据的旧值采用新值代替、旧值合并、重新分类和空值设置等方法重新评定等级，以达到可以对各个数据统一度量、分析处理的目的。13.6.1新值替代重分类中新值替代的具体做法如下。（1）单击选择“空间分析”|“重新分类”命令，弹出“重新分类”对话框。（2）在重分类前先选择需要重分类的图层字段，在“输入栅格”栏中单击下拉按钮或后面的打开按钮，选择要进行值要变化的栅格数据。（3）在“重分类字段”中单击要用到的属性字段。（4）在“设置重分类数值”栏中单击要改变的的新值，并输入一个新的值。可以按住Shift键的同时选择多个值进行修改。（5）可以单击加载按钮（Load按钮）导入已经制作好的重映射表，也可以单击“保存”按钮，（Save按钮）来保存当前重映射表。（6）单击“OK”按钮，完成操作。13.6.2旧值合并重分类中新值替代的具体做法如下。（1）单击选择“空间分析”|“重新分类”命令，弹出“重新分类”对话框。（2）在重分类前先选择需要重分类的图层字段，在“输入栅格”栏中单击下拉按钮或后面的打开按钮，选择要进行值要变化的栅格数据。（3）在“重分类字段”中单击要用到的属性字段。（4）在“设置重分类数值”中单击要分组的旧值（单击一个，然后按住Shift键单击下一个），然后在选中的旧值组合上右击，并在弹出的快捷菜单中单击选择“组合条目”命令。（5）给已分组的条目以及其它旧值赋予合适的新值。（6）单击“OK“按钮，完成操作。13.6.3重新分类重新分类是将一种分类体系转换为另一种分类体系，分类方式和分类数目都可能变化。13.6.4添加删除值添加和删除值的做法和上述方法步骤较为类似，具体如下。（1）单击选择“空间分析”|“重新分类”命令，弹出“重新分类”对话框。（2）在重分类前先选择需要重分类的图层字段，在“输入栅格”栏中单击下拉按钮或后面的打开按钮，选择要进行值要变化的栅格数据。（3）在“重分类字段”中选择要用到的属性字段。（4）在“设置重分类数值”栏中单击“AddEntry”按钮，再其数据框中将增加一条空白记录，单击选中记录就可以修改此记录。（5）在“设置重分类数值”栏数据框中单击选择某条记录，然后单击“DeleteEntries“按钮，即可删除记录。（6）单击“OK“按钮，完成操作。13.6.5空值设置空值设置方法非常简单，即将需要变为空值的值，在上述的“设置重分类数值”中单击选择，再单击“删除条目”按钮。最后，选择“把缺少的值变成空值”前的复选框即可。13.7栅格计算利用栅格计算器，不仅可以方便地完成基于数学运算符的栅格运算，以及基于数学函数的栅格运算，还可以运用运算符和函数完成数学运算、设置选择查询或者确定地图代数语句。13.7.1简单计算简单计算主要是指诸如加、减、乘和除类似的简单数学运算，利用栅格计算器进行简单计算的具体方法如下。（1）首先要打开栅格计算器，单击选择“空间分析”|”栅格计算器”命令，弹出“栅格计算器”对话框。（2）在“图层”中选择参与计算的图层；在其右边分别是算术运算符、数字、关系运算符和逻辑运算符。（3）单击“折叠”按钮可以折叠高级数学运算符。（4）构建简单计算表达式。（5）单击“求值”按钮，运行计算。13.7.2关系和逻辑运算利用栅格计算器进行关系和逻辑运算和上述方法一致，具体如下。（1）首先要打开栅格计算器，单击选择“空间分析”|”栅格计算器”命令，弹出“栅格计算器”对话框。（2）在“图层”中选择参与计算的图层。（3）构建关系和逻辑运算表达式，举例如下（计算结果名称用calculation表示，参与计算的图层用layer1和layer2表示）。calculation=layer1=2&layer2=2；将layer1中大于等于2的记录与layer2中小于等于2的记录叠合。≤≥calculation=layer1-layer2==0；将提取layer1中和layer2中相等的点。（4）单击“求值”按钮，运行计算。13.7.3数学函数运算利用栅格计算器进行数学函数运算和上述方法一致：（1）首先要打开栅格计算器，单击选择“空间分析”|”栅格计算器”命令，弹出“栅格计算器”对话框。（2）在“图层”中选择参与计算的图层。（3）构建数学函数运算表达式，举例如下（计算结果名称用calculation表示，参与计算的图层用layer1和layer2表示）：calculation=1/Cos[layer1]+Abs（[layer1]-[layer2])；先对layer1应用余弦函数，再转换为其倒数，再与layer1、layer2之差的绝对值相加。（4）单击“求值”按钮，运行计算。有关栅格计算器中计算公式、规则和函数的详细介绍请参考其他相关书籍。13.8数据转换在空间分析中，数据转换只有栅格和矢量之间的转换，更多转换工具在ArcToolBox和3D分析工具中。当然使用空间分析工具条中的数据转换在进行空间分析时会显得更加便捷13.8.1栅格数据转为矢量数据使用空间分析工具条中的数据转换工具进行栅格数据转为矢量数据的做法如下。（1）单击选择“空间分析”|”转换”|”栅格到要素”命令，弹出“栅格到要素”对话框，如图13.41所示。（2）在“输入栅格”中输入要转换的栅格。（3）在“字段”中输入转换字段。（4）在“输出几何类型”中输入转换后的要素类型。（5）在“输出要素”中输入转换后的要素保存路径和名称。（6）单击“确定”按钮，即可完成转换13.8.2矢量数据转为栅格数据使用空间分析工具条中的数据转换工具进行矢量数据转为栅格数据的做法如下。（1）单击选择“空间分析”|”转换”|”要素到栅格”命令，弹出“要素到栅格”对话框。（2）在“输入要素”中输入要转换的矢量要素。（3）在“字段”中输入转换字段。（4）在“输出像素大小”中输入栅格单元的大小。（5）在“输出栅格”中输入转换后的要素保存路径和名称。（6）单击“确定”按钮，即可完成转换13.9小结本章主要介绍了基于ArcGIS的栅格数据空间分析方法及其具体的操作步骤。同矢量数据的空间分析一样，栅格数据的空间分析的应用也非常广泛，其基本的分析方法主要包括直线距离、区域分配