栅格图像处理.doc

第六讲  基于栅格的分析方法－2（实验2）
1、实验目的

　　（1） 加深对数据空间分析基本原理、方法的认识；
　　（2） 熟练掌握ARCVIEW空间分析的基本操作。
　　（3） 结合实际，掌握利用空间分析方法解决地学空间分析问题的能力。

2、实验要求

　　根据DEM地学分析的原理和方法，在对栅格数据模型和GIS空间分析有所了解和把握的基础上，利用所提供的数据，在ArcView软件下完成基于栅格数据的空间分析，从而学会利用空间分析方法来解决地学问题。

3、实验材料准备

　　（1）   软件准备：ARCVIEW
　　（2）   数据准备：
　　● rasteranalysis文件夹

4、实验方法与步骤
　　（1）  空间分析基础
　　● 打开ArcView，创造一个新视图，从从属性中命名 “Getting to Know Spatial Analyst”，将地图单位设置为METERS；
　　● 通过FILE | Extensions，调入 Spatial Analyst Extension；
　　● 在视图文件中添加一个栅格主题（“Add Theme”按钮），将“Data Source Type”设置为GRID；通过：\RASTERANALYSIS \DATA文件夹，将ELEVATION和SURGOSOILS两个主题添加到视图中；
　　● 打开ELEVATION主题，这是一个数字高程模型（DEM），格网单元值代表特定地块的平均高程。
　　● 激活ELEVATION主题，使用THEME | Properties菜单选项观察特性表：
　　　　这个文件有多少行多少列？
　　　　这是一个整数还是浮点数栅格？
　　　　单元格面积为多少？
　　● 使用Identify工具和鼠标来查询视图中的一些单元格。可以看到，在Identify结果图窗口中列表显示了一个VALUE 和一个COUNT字段。VALUE代表真实高程值，而COUNT代表的是具有相同值的分水岭单元格的数目。
　　● 需要指出的是，如果Feature Selection工具未处于激活状态，那么我们不能像矢量数据中用的方法那样来选取单元格，我们必须要做的是查询数据。
　　● 例如，如果你想要测定落在一定高程范围内的部分地形的面积，你怎么做？
　　　　使用ANALYSIS | Map Query菜单选项，通过这个菜单选项选择所有高程值介于1200和1300英尺之间的单元格，利用查询管理器生成以下查询：( [Elevation] >= 1200.AsGrid) and ([Elevation] <= 1300)
　　　　点击OK按钮开始查询，可以看到视图中添加了一个名为Map Query 1的新的主题。符合查询条件的那些单元格显示为红色并给予一个固定值。
　　　　激活此主题，使用EDIT | Delete Theme菜单选项将其从视图中删除；
　　● 使用SURFACE | Compute HillShade 菜单选项生成模拟高程表面的光照栅格（确保“Elevation”主题处于激活状态）。可以指定方位角和高度，取默认值，点击OK。
　　● ArcView会逼近某个时刻的状态，然后在视图中添加一个名为“HillShade of Elevation”新的主题。激活这个主题，你会发现它形似地形的三维表现。可以将这个主题融入高程图例中来显示色彩和阴影，关闭“Hillshade”主题。
　　● 激活ELEVATION主题，编辑图例。有许多预先确定的配色方案在空间分析中可用， 改变“Elevation #2”的色彩组合，点击Apply 。
　　● 在图例编辑器上点击“ADVANCED”按钮，将此图例应用于HILLSHADE主题。对于栅格主题，可以增加一个“Brightness Theme”，将该主题设置为“Hillshade of Elevation”，点击OK，把图例应用到该主题上，关闭图例编辑器。
　　● 高程数据也可用于产生矢量等高线。激活“Elevation” 主题，运用SURFACE: Create Contours菜单选项生成等高线。采用基底等高线为0，指定等高距为10（英尺），以等高距为5重新设置等高线数据。放大，检查该数据，如果有需要可以将其符号化。完成后关闭矢量等高线数据。
　　● 激活SURGOSOILS主题，此主题显示了土壤分类数据。首先编辑SURGOSOILS主题的图例，目前它采用渐变色图例来表示，将其Legend Type改变为Unique VALUE，“Values Field”改为S_Value，选择“Pastels”色彩设计方案（或根据个人需要选取），应用该图例；
　　● 打开SURGOSOILS主题的数据表，保证能同时看见表Table和视图View。然后，在数据表中，使用指向针选择一个记录，可看到与该记录相关的单元格高亮度显示。如果按住SHIFT键同时点击好多记录，可以看见这些记录都高亮度显示。 使用“Select None”按钮清除选择，关闭数据表。
　　● 编辑SURGOSOILS 数据的图例，使用Advanced按钮将HILLSHADE of ELEVATION主题设置为一个亮度主题，点击OK并APPLY。可以看到土壤在COOL MAN图景中的地理位置。关闭所有主题，缩小视图的范围。
　　● 空间分析也可用于其他好多地方。利用ANALYSIS | Find Distance菜单选项，可以给每个单元格指定一个数值代表到特定要素的距离，找出每个单元格到最近道路的距离。从C:\RASTERANALYSIS\DATA文件夹下添加roads.shp 主题并激活，使用ANALYSIS | Find Distance 菜单选项即可。
　　● 首先确定分析工具，在此窗口内将Output Grid Extent 和OutPut Grid Cell Size设置为“Same as Elevation” ，点击OK确定。
　　● 经过处理，ArcView自动添加一个名为Distance to Roads.Shp的主题，它看起来像一个靶子。此文件中的单元格数值表示了从单元格到最近道路的距离。
　　● 将该工程保存到C:\RASTERANALYSIS文件夹下，名为Exercise_2，关闭ArcView。

（2）  栅格数据的处理

　　● 栅格数据的生成
　　　　从点样数据内插获得，如DEMs，temp和 precipitation；
　　　　直接栅格取样，如来自Landsat的陆地景象，LIDAR高程数据等；
　　　　由矢量转换而得，如Shapefiles，coverages格式等。
　　● 定位掩膜
　　　　定位掩膜是研究区域的栅格表示，它定义了所有数据的像元大小，空间范围，分析掩膜（Data 或No Data）；
　　　　所有在分析范围内和分析掩膜区域内的都要进行处理，而在掩膜区域外的视为“NO DATA”或零值。
　　● 生成掩膜
　　　　从多边形形状中生成包含研究区边界的区域；
　　　　为这次分析定义适合于所有栅格数据的框架结构，使其易于编译其他来源的数据；
　　● 分析区域
　　　　确定要进行分析的矩形区域的大小，通常基于一个已存在的数据范围；

　　● 单元格大小可以为任意值，实际应用中应基于下列标准设置：
　　　　有没有什么栅格数据你已经使用过？如基于Landsat或其他影像的产品，DEM等；
　　　　分析的目的是什么？
　　　　基础数据的详情是什么？

空间分析：空间属性表
　　● ArcView中，属性在Analysis下属性表中设置，使用这些值ArcView决定如何进行数据预处理；
　　● 每个视图都有其自己的分析属性表，如果不注意这些值以后可能会导致麻烦，尤其是在分析范围方面；

（3）  定位掩膜的生成

　　● 本次练习将通过定义空间范围和像元大小生成一个分水岭的定位掩膜，通过一些矢量数据的转换生成栅格数据。
　　● 启动ArcView软件，在d:\RASTERANALYSIS文件夹下找到名为EXERCISE_3的工程打开，这个工程已经装载了Spatial Analyst模块，并包含有样例工具帮助你计算分析区域。
　　● 生成一个新视图文件，编辑此视图的属性并重命名为“The Site Mask”，将map units设置为METERS，关闭窗口；
　　● 我们的研究区域为Otter Tail 河分水岭，已有一个多边形文件表示这个分水岭。我们需要的像元大小是30米×30米；
　　● 从d:\RASTERANALYSIS\DATA 文件夹下添加矢量主题Watershed.shp，编辑该主题的属性并重命名为“Otter Tail River Watershed”，显示该主题。
　　● 通过ANALYSIS | Properties菜单选项打开Properties表，将Analysis Extent设置为“Same as Otter Tail River Watershed”，可以看到区域不是一个严格的整数值。之前课堂上讨论过，我们一般喜欢将其取为整数。
　　● 为了操作简单，我们在按钮栏的最右端添加一个新的按钮，叫做“Set Extent”按钮，点击此按钮，会需要输入像元大小，我们输入30，，可以注意到屏幕上绘制出相应的窗口范围；
　　● 使用ANALYSIS | Properties 选项检查Analysis属性。
　　● 要生成定位掩膜，需要将多边形shapefile转换为GRID。激活该主题，利用THEME | Convert to Grid 菜单选项，将文件保存至d:\RASTERANALYSIS\DATA并命名新栅格为SITEMASK。也需要指定译码时你想要使用的属性，选择MINOR5字段，将属性加入栅格并添加进新视图，打开即为生成的定位掩膜。
　　● 在使用此掩膜之前，需要更新下Analysis Properties，使用ANALYSIS | Properties 菜单选项打开属性表，将Analysis Mask设置为“SITEMASK”。
　　● 下面我们要结合土地覆盖和利用三类矢量数据转换的栅格数据文件。矢量数据文件在d:\RASTERANALYSIS\DATA 文件夹下，名为Landuse_carlisle.shp，Landuse_fergusfalls.shp，Landuse_walllake.shp，添加入视图文件，每个都要分别转换为栅格主题。
　　● 首先打开Landuse_carlisle.shp并激活，使用THEME | Convert to Grid菜单选项将此主题转换成栅格，命名为 LUSE_CARLISLE并保存于C:\RASTERANALYSIS\DATA文件夹下。LUSE_CODE 字段用来给单元格赋值，不要连接属性，将该栅格添加入视图中。
　　● 重复上述步骤，完成Landuse_fergusfalls.shp (输出栅格名为luse_ff)和Landuse_walllake.shp (输出栅格名为luse_walllk)的转换等。
　　● 打开这些栅格主题，注意到栅格数据只存在于分析区域之内。
　　● 保存工程，退出ArcView。

（4）  栅格的融合（Merging ）/ 镶嵌（Mosaicing）和剪裁（Clipping） 

　　● 镶嵌——用于集合连续性数据。运用加权平均值平滑重叠像元的值。
　　● 融合——用于集合分类数据。对于重叠像元采用命令输入来指定优先权。
　　● 栅格图像的裁剪，可使用Analysis Extent/Mask和Map Calculator实现。
　　● 此练习中，使用栅格分析工具箱（Raster Analysis Toolbox）融合一些栅格数据，然后剪裁一些多余的数据……
　　　　启动ArcView，打开上次练习中使用的文件C:\RASTERANALYSIS\EXERCISE_3.APR；
　　　　打开视图窗口“The Site Mask”，该视图包含我们研究区的土地覆盖数据，但它破碎为三块区域。
　　　　使用Map Calculator 和MERGE 请求融合这些文件。首先通过ANALYSIS | Map Calculator菜单选项打开map calculator；
　　　　输入如下方程： Luse_walllk.MERGE( { [luse_ff] , [luse_carlisle] } )，点击Evaluate按钮开始处理；
　　　　当ArcView处理完毕会自动将结果主题添加到视图文件中，此处主题名为“Map Calculation 1”；
　　　　打开该主题，可以看出它已经被裁去一部分。为什么呢？因为你已在Analysis Properties中指定了一个掩膜。
　　　　由THEME | Properties选项打开主题的属性表，注意这是一个“Temporary” 主题。一旦你关闭ArcView 或者从视图中删除了这个主题，数据也就从硬盘中删除了。为了防止这事发生，利用THEME | Save Data Set 选项将此文件保存至d:\RASTERANALYSIS\DATA文件夹下，并命名为栅格LANDUSE。
　　　　编辑这个主题的图例，然后点击Load按钮，装载d:\RASTERANALYSIS 文件夹下LANDUSE.AVL文件。选择VALUE字段，点击OK按钮确定并应用。
　　　　打开此栅格的属性表，观察VALUE和COUNT这两个字段。
　　　　下面添加一个ACRES 字段，计算面积。首先利用TABLE | Start Editing选项使表格处于可编辑状态；
　　　　使用EDIT | Add Field菜单选项添加一个新字段，取名为ACRES，类型为 NUMBER ，8位数无小数位。点击OK按钮添加…
　　　　然后使用Calculator 按钮按照下列方程计算土地面积（acres）： ([COUNT] * 900) * 0.0002471；
　　　　保存属性表的更改，用TABLE | Stop Editing 菜单选项停止编辑状态；
　　　　保存工程，关闭ArcView。