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
坡度应用
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。
• 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。
坡向应用
• 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。
• 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0360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
山体阴影应用
• 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
•
根
据
DE
M
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。
七、可视性分析
• 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。
通视性分析
• 两点间的可视情况
可视域分析
• 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。
谢 谢！