ArcGIS实验-Ex12-地形指标提取 - 图文

第九章 三维分析 练习1：地形指标提取

一、背景

地形指标是最基本的自然地理要素，也是对人类的生产和生活影响最大的自然要素。地形特征制约着地表物质和能量的再分配，影响着土壤与植被的形成和发育过程，影响着土地利用的方式和水土流失的强度，也影响着城市规划中工农业生产布局的各个方面。地形指标的提取对水土流失、土地利用、土地资源评价、城市规划等方面的研究起着重要的作用。根据研究区域尺度的不同，地形指标有许多因子。基于ArcGIS的地形指标的提取，大多均是基于DEM数据完成。

二、目的

通过本实验，使读者加深对各基本地形指标的概念及其应用意义的理解。熟练掌握使用ArcGIS软件提取这些地形指标的方法和步骤。

三、要求

利用所提供DEM数据，提取得出该区域坡度变率、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。

四、数据

本实验采用某区域栅格DEM（..\\Chp9\\Ex1\\）,是一个区域的分辨率为5米的DEM数据，图例是按照其高程值采用渐变色来显示。下文中关于地形指标的提取都是以这个数据为基础。

五、操作步骤

1、坡度变率

地面坡度变率，是地面坡度在微分空间的变化率，是依据坡度的求算原理，在所提取的坡度值的基础上对地面每一点再求算一次坡度。即坡度之坡度（Slope of Slope, 简称SOS）。坡度是地面高程的变化率的求解，因此，坡度变率表征了地表面高程相对于水平面变化的二阶导数。

坡度变率在一定程度上可以很好反映剖面曲率信息，其提取方法如下： (1) 激活DEM主题，选择Spatial Analysis － Surface Analysis － Slope命令，提取DEM主题的坡度，得到主题Slope of DEM（图1），得到结果如图2所示；

图1 提取DEM主题的坡度

图2 坡度数据

(2) 激活主题Slope of DEM，再对其用上述的方法提取坡度，得到DEM主题坡度的坡度，即坡度变率主题（图3）

图3 坡度变率

2、坡向变率

地面坡向变率，是指在地表的坡向提取基础之上，进行对坡向变化率值的二次提取，亦即坡向之坡度（SOA），过程如图4、5、6、7。它可以很好的反映等高线弯曲程度。

图4 求DEM数据的坡向

图5 坡向数据

图6 生成坡向的坡度

图7 坡向的坡度数据

地面坡向变率在所提取的地表坡向矩阵的基础上沿袭坡度的求算原理，提取地表局部微小范围内坡向的最大变化情况。值得注意的是：SOA在提取过程中在不同的坡面上将会有误差的产生，即在坡面的南北两侧，北面坡由于坡向算法将会有误差产生，所以要对北坡的SOA结果进行纠正，因为从理论上讲SOA在地表北坡上将产生误差，北坡上坡向值范围为0-90°和270°-360°，在正北方向附近，15°和345°之间坡向差值只是30°，而在计算中却是差了330°，所以要将北坡地区的坡向变率误差进行纠正，具体的操作方法为：

(1) 求取原始DEM数据层的最大高程值，记为H；通过Spatial Analysis下的栅格计算器Calculator，公式为(H－DEM),如图8，得到与原来地形相反的DEM数据层，即反地形DEM数据；

图8 计算反地形DEM数据

图9 反地形DEM数据

(2) 基于反地形DEM数据求算坡向值，如图10；

图10 求反地形DEM数据的坡向值

(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，如图11所示；

图11 求算反地形的坡向变率

(4) 在Spatial Analysis下使用栅格计算器Calculator，公式为SOA＝(([SOA1]+[SOA2]) -Abs([SOA1]-[SOA2]))/ 2，如图12，即可求出没有误差的DEM的坡向变率，如图13。

图12 使用栅格计算器

图13 求出没有误差的DEM的坡向变率

(5) 将有误差的DEM坡向变率(图14)与没有误差的坡向变率(图15)对比可见，有误差的图上会存在闭合的环状，而消去误差的图上这些环状也消失了。

图14 存在误差的坡向变率 图15 没有误差的坡向变率

3、地形起伏度

地形起伏度是指在一个特定的区域内，最高点海拔高度与最低点海拔高度的差值。它是描述一个区域地形的一个宏观性的指标。

从地形起伏度的定义可以看出，求地形起伏度的值，首先要求出一定范围内海拔高度的最大值和最小值，然后，对其求差值即可。求一定范围内的最大值和最小值，可以通过用Spatial Analysis下使用栅格邻域计算工具Neighborhood Statistics，分别设置Statistic type为最大值和最小值，邻域的设置可以为圆，也可以为矩形，邻域的大小可根据自己的要求来确定。

地形起伏度的具体提取方法如下：

(1) 激活DEM数据，在Spatial Analysis下使用栅格邻域计算工具Neighborhood Statistics（图16）。设置Statistic type为最大值，邻域的类型为矩形（也可以为圆），邻域的大小为11×11（这个值也可以根据自己的需要进行改变），则可得到一个邻域为11×11的矩形的最大值层面，记为A；

图16 得到邻域为11×11的矩形的最大值层面

(2) 重复1、2，只是把Statistic type值设置为最小值，即可得到DEM数据的最小值层面，记为B，如图17所示；

图17 得到邻域为11×11的矩形的最小值层面

(3) 在Spatial Analysis下使用栅格计算器Calculator，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邻域的地形起伏值。提取的结果如图18。

图18 使用栅格计算器Calculator

图19 地形起伏度

4、地面粗糙度：

地面粗糙度是指在一个特定的区域内，地球表面积与其投影面积之比。它也是反映地表形态的一个宏观指标。

根据地面粗糙度的定义，求每个栅格单元的表面积与其投影面积之比，可以用如下方法来完成。假如ABC是一个栅格单元的纵剖面，α为此栅格单元的坡度，则AB面的面积为此栅格的表面积，AC面为此栅格的投影面积（也既是此栅格的面积），根据公式：

Cosα=AC/AB

则可得出此栅格单元的地面粗糙度M为：

M =“AB面的面积”/“AC栅格单元的面积”=（AC * AB）/（AC * AC）= 1 / Cosα 地面粗糙度的提取步骤如下： (1) 激活DEM主题，选择Spatial Analysis － Surface Analysis － Slope命令，提取DEM主题的坡度，得到主题Slope of DEM；

(2) 激活主题Slope of DEM，在Spatial Analysis下使用栅格计算器Calculator，如图20所示，公式为:

1 / Cos（[Slope of DEM]*3.14159/180） 即可得到地面粗糙度的层面，如图21。

图20 使用栅格计算器计算地面粗糙度

图21 表面粗糙度

注：在ArcGIS中，通过提取坡度得到的值是角度，而计算Cos默认的角度值是弧度值，所以在计算时必须把角度转为弧度。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/iju8.html