基于GIS的土壤侵蚀因子分析与信息提取.docx
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基于GIS的土壤侵蚀因子分析与信息提取
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。
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加载dem
图1加载dem
2提取坡向
在Dem基础上提取坡向的步骤如下:
✧在视图目录表中添加dem并激活它。
✧从【Surface】菜单中选择【DeriveAspect】命令。
✧显示并激活生成的坡向主题AspectofDem(如图2)。
图2提取坡向
3提取坡度
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【DeriveSlope】命令。
3.生成新的坡度主题slopeofDem。
4.双击左边的图例,在弹出的LegendEditor对话框中可重新调整坡度分级(如图3)。
图3提取坡度
3提取等值线
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【CreateContours】命令。
3.在出现的ContoursParameters对话框(如图3-4)中输入等高距Contourinterval200和基础等高线的值BaseContours0。
4.生成等高线主题ContoursofDem(图4)。
图4提取等高线
图5提取单根等高线
4水文分析
Fillsinks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【Fillsinks】命令。
3.在视图目录表中显示生成的FilledDem,既为填充过洼地的Dem数据(如图6)。
图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FilledDem。
2.从【Hydro】菜单中选择【FlowDirection】命令。
3.显示新生成的水流流向数据FlowDirection(见图3-7)。
图7提取水流方向
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FlowDirection。
2.从【Hydro】菜单中选择【FlowAccumulation】命令。
3.显示新生成的流水累积量数据主题FlowAccumulation。
双击此主题的图例,在出现的LegendEditor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StandardDeviation为分类类型,单击OK。
提取的FlowAccumulation主题(见图9)显示了地面水系的分布状况。
图9FlowAccumulation主题
提取水网密度的步骤如下:
1.从视图目录表中激活FlowDirection。
2.从【Hydro】菜单中选择【StreamNetworkasLineShape】命令。
3.在出现的StreamNetwork对话框(见图3-10)中输入计算水网密度的最小河流长度200,其单位为栅格数。
4.在Hydro.StreamNetwork对话框(见图3-11)中选择水流方向FlowDirection主题,单击OK。
5.生成新的主题StreamNetworkShape即为水网密度分布图。
水网密度如下图(图10)所示:
图10水网密度
图地形起伏度
5、计算地形起伏度
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【Neighborhoodstatistics】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;如下图(图11所示)
图11NbrMaxDem
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;如下图(图12所示)
图12NbrMinDem
在【Analysis】菜单下使用【MapCalculator】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。
如下图(图13所示)
图14地形起伏度
2、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【Editlegend】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15。
图15地形起伏属性表
地形起伏的最大值为250.91、最小值为0、均值为146.13。
6、计算地面粗糙度:
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【MapCalculator】命令,公式为:
((([SlopeofDem]*3.14159/180).cos))Pow(-1))
即可得到地面粗糙度的层面。
结果如图16所示。
图16地表粗糙度
7、沟壑密度:
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;如图17所示
图17FilledDem
2、对A层使用【Hydro】菜单的【Flowdirection】命令,提取水流方向;如图18;
图18水流方向
3、对水流方向层再用【Hydro】菜单的【Flowaccumulation】命令,得到水流的累积量层;如图19所示
图19水流累积量层
4、用【Mapquery】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;如图20所示
图20沟壑层
5、通过【Editlegend】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为,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)
计算如下
沟壑的栅格单元数为39522,总的栅格单元数为1766498,栅格单元的分辨率为1米,则最后的沟壑密度=39522/(1766498*5*0.001)=22.37公里/平方公里。
图21沟壑层属性值
其次,对流域的坡度组成进行统计。
1.从【Analysis】菜单选取【Mapquery】命令。
在MapQuery对话框中构建查询表达式(([SlopeofDem]<=b))and([SlopeofDem]>a)即可提取坡度(a,b)的数据
2.激活提取坡度分布图打开属性值表,如下图所示
3.重复上述步骤从坡度主题Slope中提取各坡度的数据
4.依次计算各坡度在流域所面积占的比例
图22提取流域坡度在0—3°的分布图及其属性值
图23提取流域坡度在3—5°的分布图及其属性值
图24提取流域坡度在5—8°的分布图及其属性值
图25提取流域坡度在8—15°的分布图及其属性值
图26提取流域坡度在15—25°的分布图及其属性值
图27提取流域坡度在25—35°的分布图及其属性值
图27提取流域坡度在35—60°的分布图及其属性值
图28提取流域坡度在60—90°的分布图及其属性值
四、实验结果
1.计算给定流域地表粗糙度。
2.计算给定流域沟谷密度。
计算如下
沟壑的栅格单元数为39522,总的栅格单元数为1766498,栅格单元的分辨率为1米,则最后的沟壑密度=39522/(1766498*5*0.001)=22.37公里/平方公里。
图21沟壑层属性值
3.计算给定流域坡度百分比,并计算相应的面积。
表1流域坡度组成
坡度分级
面积(m2)
面积百分比(%)
0—3°
17251
0.98
3—5°
25808
1.46
5—8°
57030
3.23
8—15°
190390
10.78
15—25°
404349
22.89
25—35°
497488
28.16
35—60°
564007
31.93
60—90°
10175
0.58
合计
1766498
100
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