实验三基于GIS土壤侵蚀因子研究分析与信息提取.doc

实验三 基于GIS的土壤侵蚀因子分析与信息提取

一、实验目的
1、 要求学生掌握地理信息系统软件（ArcView）的基本原理和操作方法；
2、 掌握使用该软件进行土壤侵蚀因子的分析和信息提取的方法。
二、实验原理
Arc/View的空间分析模块是解决地理空间问题的工具。它主要包括距离制图、计算密度、统计分析、邻域分析、数据的重分类、表面生成、等高线生成、坡度提取、坡向提取、光照模型的生成、流域的划分等功能。利用Arc/View的空间分析模块解决空间问题，首先要把问题空间化、模型化，然后利用Arc/View提供的各种功能的组合来完成。
Arc/View的空间分析模块主要是基于栅格数据模型的。Arc/View的空间分析模块不仅支持矢量数据模型，还支持栅格数据模型。矢量数据是用点、线、面来描述地理特征及其变化的，它主要用于精确地描述地理特征，在Arc/View中，点、线、面数据分别是存放于不同的主题中来管理的。栅格数据是通过将地表分隔成不同的单元来表示地理特征及其变化的，对栅格数据的存储只是通过存储栅格的原点、栅格单元的尺寸、距离原点的单元数和每个栅格单元的值。对栅格数据影响最大的是栅格单元的尺寸。单元尺寸越大，则对地理特征的描述越粗糟，越不精确，但产生的数据量会越小，处理速度会越快。相反，单元尺寸越小，则描述越精确，但数据量会越大，运算速度越慢。
三、操作步骤
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。地形指标的提取对水土流失、土地利用、土地资源评价等方面的研究起着重要的作用。
1 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Arcview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。
坡向可在数字高程模型Dem或TIN数据的基础上提取。在Dem基础上提取坡向的步骤如下：
² 在视图目录表中添加dem并激活它。
² 从【Surface】菜单中选择【Derive Aspect】命令。
² 显示并激活生成的坡向主题Aspect of Dem（如图3-1）。

图3-1 提取坡向
在Dem或TIN的面主题中坡度为0°（平地）的栅格在输出的坡向主题中被赋值为-1，如果围绕中心栅格的任何相邻栅格是No Data数据，它们将被赋予中心栅格的值，然后计算坡向。在坡向主题的图例中表示了八种主要方向，例如：东[67.5 - 112.5°], 东南 [112.5 - 157.5]。
2 坡度Slope
地面上某点的坡度表示了地表面在该点的倾斜程度，坡度定义为水平面与地形面之间夹角的正切值。在Arcview中Slope确定了中心栅格与四周相邻栅格高程值的最大变化率。在输出的坡度数据中，坡度有两种计算方式。
l 坡度(degree of slope)：既水平面与地形面之间夹角的正切值。

图3-2 坡度的两种计算方法
l 坡度百分比（percent slope）：既高程增量（rise）与水平增量（run）之比的百分数（如图3-2）。
坡度的应用非常广泛，例如：
l 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。
l 提取平坦区域，为大型商业中心或房屋建筑选址。
采用Dem数据提取坡度的步骤如下：
1．添加Dem数据并激活它。
2．从【Surface】菜单中选择【Derive Slope】命令。
3． 生成新的坡度主题slope of Dem。
4． 双击左边的图例，在弹出的Legend Editor对话框中可重新调整坡度分级（如图3-3）。

图3-3 提取坡度

3 等值线Contours
在Arcview中Contours功能生成一个新的线主题，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。
采用Contours可以提取等高线、等温线、等降水量线等等，最常用的是在Dem或TIN数据的基础上生成等高线。等高线是地面上高程相同的各点连成的闭合曲线。根据等高线图形，可以判读地貌形态特征，量算各点的高程、坡向和坡度。
生成等高线的步骤如下：
1． 在视图目录表中添加dem并激活它。
2．从【Surface】菜单中选择【Create Contours】命令。
3． 在出现的Contours Parameters对话框（如图3-4）中输入等高距Contour interval和基础等高线的值Base Contours。

图3-5 提取单根等高线

图3-4 提取等高线
4．生成等高线主题Contours of Dem（如图3-5）。
4 水文分析
Fill sinks的操作步骤如下：
1． 激活视图目录表中的Dem。
2． 从【Hydro】菜单中选择【Fill sinks】命令。
3． 在视图目录表中显示生成的Filled Dem，既为填充过洼地的Dem数据（如图3-6）。

图3-6 填充洼地后的Dem数据
在Arcview中提取水流方向的步骤如下：
1． 从视图目录表中激活Filled Dem。
2． 从【Hydro】菜单中选择【Flow Direction】命令。

图3-7 提取水流方向
3． 显示新生成的水流流向数据Flow Direction（见图3-7）。
在Arcview中，计算流水累积量的步骤如下：
1． 从视图目录表中激活Flow Direction。
2． 从【Hydro】菜单中选择【Flow Accumulation】命令。
3． 显示新生成的流水累积量数据主题Flow Accumulation。双击此主题的图例，在出现的Legend Editor对话框（见图3-8）中，单击Classify按钮，在出现的Classification对话框中选择标准偏差Standard Deviation为分类类型，单击OK。

图3-8 Legend Editor对话框

提取的Flow Accumulation主题（见图3-9）显示了地面水系的分布状况。

图3-9 提取水流累积量
提取水网密度的步骤如下：
1． 从视图目录表中激活Flow Direction。
2． 从【Hydro】菜单中选择【Stream Network as Line Shape】命令。

图3-10 StreamNetwork对话框
3． 在出现的Stream Network对话框（见图3-10）中输入计算水网密度的最小河流长度，其单位为栅格数。

图3-11 Hydro.StreamNetwork对话框
4．在Hydro.StreamNetwork对话框（见图3-11）中选择水流方向Flow Direction主题，单击OK。

5．生成新的主题Stream Network Shape即为水网密度分布图。

图3-13 河流最小长度为100米提取的水网密度

图3-12 最短河流长度为20提取的水网密度
不同的河流最短长度值所计算的水网密度如下图（见图3-12、图3-13）所示：

图 地形起伏度
5、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。
地形起伏度的具体提取方法如下：
1、 激活DEM数据，在【Analysis】菜单中使用【Neighborhood statistics】命令，设置statistic值为最大值，邻域的类型为矩形（也可以为圆），邻域的大小为100个Map　units （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100*100的矩形的最大值层面，记为A；
2、 对DEM数据采用同样的方法，只是把statistic值设置为最小值，即可得到DEM数据的最小值层面，记为B；

图3-14 地形起伏度
3、 在【Analysis】菜单下使用【Calculator】命令，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。
如果还想知道更大范围或整个区域、整个图幅的地形起伏度，则可通过【Theme 】下的【Edit legend】中的statistics 来查看，其内容包括地形起伏的最大值、最小值、均值等。提取的结果如图3-14。
6、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。
1、 提取DEM层的坡度α；
2、 在【Analysis】菜单下使用【Calculator】命令,公式为:
((([Slope]*3.14159/180).cos))Pow(-1))

图3-15 地面粗糙度
即可得到地面粗糙度的层面。
需要注意的是，在Arcview中，计算cos默认的角度值是弧度值，而通过提取坡度得到的值是角度，所以在计算时必须把角度转为弧度。
7、沟壑密度：
沟壑密度是指在一个特定的区域内，地表单位面积内沟壑的总长度。
沟壑密度的提取可通过水文分析方法提取沟壑，然后通过统计查询，查出沟壑的长度，再除以区域面积，则可得到区域的沟壑密度。其关键是确定沟壑的标准。具体方法如下：
1、 激活DEM数据，在【Hydro 】菜单下使用【Fill】命令，对DEM数据中的高程为0的栅格进行填充，得到新的层面，记为A；

图3-16 通过水文分析求出的沟壑
2、 对A层使用【Hydro 】菜单的【Flow direction】命令,提取水流方向；
3、 对水流方向层再用【Hydro 】菜单的【Flow accumulation】命令，得到水流的累积量层；
4、 用【Map query】命令，提取出水流累积量大于500（此值需根据研究区域的土壤、植被、地形等特征及研究目的来确定）的值，即可得到提取出的沟壑层；
5、 通过【Edit legend】编辑沟壑层的图例，通过其中的statistics项，可以查出沟壑层中构成沟壑的栅格单元数，则得出沟壑的长度为“沟壑的栅格单元数*栅格单元的长度”，区域的总面积可通过此统计项中的count数来算出，为“count数*每个栅格单元的面积”，最后，把单位换算成公里，则沟壑密度=沟壑的栅格单元数/（区域总的栅格单元数*栅格单元的长度*0.001）
对于如图所示的例子，沟壑的栅格单元数为8959，总的栅格单元数为391140，栅格单元的分辨率为5米，则最后的沟壑密度=8959/（391140*5*0.001）=4.58公里/平方公里。

图11-25 耕地的坡度分级图
其次，对耕地的坡度组成进行统计。例如：计算15—25°的坡耕地在样区中占的比例。
1． 从【Analysis】菜单选取【Map query】命令。
2． 在Map Query对话框中构建查询表达式（见图11-26），从耕地坡度主题GengDi-Slope中提取坡度为15—25°的数据。

图11-26 建立提取15—25°坡耕地的表达式
3． 单击evaluate。提取的新主题GDslope（15-25）表示了坡度为15—25°的耕地的分布状况（见图11-27）。
4． 激活GDslope（15-25）。

图11-27 提取的坡度在15—25°的耕地的分布图

图11-28 GDslope（15-25）主题属性表
5． 单击，打开此主题的属性表（见图11-28）
样区的总栅格数为817777+196574=1014351，坡度为15—25°的耕地的栅格数为196574，其在样区中所占的比例为196574/1014351=0.1933。
采用此种方法，依次计算各土地类型中各级坡度所占的比例（见表1）。
表1 样区内各土地利用类型的坡度分析（面积百分比）
用地类型
<6°
6—15°
15-25°
25-35°
>35°
合 计
耕 地
1.13
5.41
19.33
19.74
15.88
61.49
园 地
0.08
0.21
0.64
0.81
0.85
2.59
林 地
0.56
2.48
8.02
9.58
11.18
31.82
牧草地
0.01
0.03
0.11
0.08
0.10
0.33
居民点及工矿用地
0.16
0.25
0.70
0.78
0.74
2.63
水 域
0.02
0.04
0.09
0.17
0.30
0.62
未利用地
0.04
0.08
0.09
0.14
0.20
0.55
合 计
1.98
8.51
28.98
31.30
29.23
100.00
本样区耕地类型为旱地、主要有滩旱地、沟旱地、梯旱地、和坡旱地四种。以同样的方法计算耕地的坡度组成（见表2）。
表2 耕地坡度组成
坡度分级
<6°
6—15°
15-25°
25-35°
>35°
合 计
.百分比（%）
1.83
8.80
31.44
32.11
25.82
100.00
面积（平方米）
287024.7
1379148.7
4928170.5
5034745.4
4048221.3
15677310.7
从表中可知，本样区坡度在25°以上需进行还林还草的面积约为9.08平方千米，占全区总面积的57.93%。

三、报告要求
1.计算给定流域地表粗糙度。
2.计算给定流域沟谷密度。
2.计算给定流域坡度百分比，并计算相应的面积。
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