1、實驗七 空間分析建模【實驗內容與學時】（2學時）1 圖解建模的基本概念及類型2 圖解模型的形成過程3 實例分析與應用【實驗目的】模型生成器 (Model Builder) 為設計和實現空間處理模型提供了一個圖形化的建模環境。模型是以流程圖的形式表示，它通過工具將數據串起來以創建高級的功能和流程。你可以將工具和數據集拖動到一個模型中，然后按照有序的步驟把它們連接起來以實現復雜的 GIS 任務。通過對本次練習，我們可以認識如何在Model Builder環境下通過繪制數據處理流程圖的方式實現空間分析過程的自動化，加深對地理建模過程的認識，對各種GIS分析工具的用途有深入的理解。【實驗要求】按照相關

2、要求上交實驗報告。【實驗步驟與過程】一、空間分析建模與圖解建模基本概念1空間分析模型及其分類模型是對現實世界中的實體或現象的抽象或簡化，是對實體或現象中最重要的構成及其相互關系的表述。建模的過程中，需要用到各種各樣的工具。作為各類綜合性地學分析模型的基礎，空間分析為人們建立復雜的模型提供了基本工具。空間分析是地理信息系統的主要特征，也是評價一個地理信息系統功能的主要指標之一。它是基于地理對象的位置和形態特征的數據分析技術，其目的在于提取和傳輸可見信息。空間分析模型是對現實世界科學體系問題域抽象的空間概念模型，與廣義的模型既有聯系，又有區別：空間定位是空間分析模型特有的性質，構成空間分析模型的空

3、間目標(點、弧段、 網絡、面域、復雜地物等)的多樣性決定了空間分析模型建立的復雜性。空間關系也是空間分析模型的一個重要特征，空間層次關系、相鄰關系以及空間目標的拓撲關系也決定了空間分析模型建立的特殊性。包含坐標、高程、屬性以及時序特征的空間數據極其龐大，大量的空間數據通常用圖形的方式來表示，這樣由空間數據構成的空間分析模型也具有了可視化的圖形特征。空間分析模型可以分為以下幾類：空間分布模型：用于研究地理對象的空間分布特征。主要包括：空間分布參數的描述，如分布密度和均值、分布中心、離散度等；空間分布檢驗，以確定分布類型；空間聚類分析，反映分布的多中心特征并確定這些中心；趨勢面分析，反映現象的空間

4、分布趨勢；空間聚合與分解，反映空間對比與趨勢。空間關系模型：用于研究基于地理對象的位置和屬性特征的空間物體之間的關系。包括距離、方向、連通和拓撲四種空間關系。其中，拓撲關系是研究得較多的關系；距離是內容最豐富的一種關系；連通用于描述基于視線的空間物體之間的通視性；方向反映物體的方位。2 / 19空間相關模型：用于研究物體位置和屬性集成下的關系，尤其是物體群(類)之間的關系。在這方面，目前研究得最多的是空間統計學范疇的問題。統計上的空間相關、覆蓋分析就是考慮物體類之間相關關系的分析。預測、評價與決策模型：用于研究地理對象的動態發展，根據過去和現在推斷未來，根據已知推測未知，運用科學知識和手段來估

5、計地理對象的未來發展趨勢，并做出判斷與評價，形成決策方案，用以指導行動，以獲得盡可能好的實踐效果。2空間分析建模概念與建立過程空間分析建模是指運用GIS空間分析方法建立數學模型的過程，運用數學分析方法建立表達式，模擬地理現象的形成過程的模型稱為過程模型，也叫處理模型。過程模型的類型很多，用于解決各種各樣的實際問題。例如：適宜性建模：農業應用、城市化選址、道路選擇等；水文建模：水的流向；表面建模：城鎮某個地方的污染程度；距離建模：從出發點到目的地的最佳路徑的選擇、郵遞員的最短路徑等；這類模型的建立過程如下：明確問題：分析的問題的實際背景，弄清建立模型的目的，掌握所分析的對象的各種信息，即明確實際

6、問題的實質所在，不僅要明確所要解決的問題是什么，要達到什么樣的目標，還要明確實際問題的具體解決途徑和所需要的數據；分解問題：找出與實際問題有關的因素，通過假設把所研究的問題進行分解、簡化，明確模型中需要考慮的因素以及它們在過程中的作用，并準備相關的數據集；組建模型：運用數學知識和GIS空間分析工具來描述問題中的變量間的關系；檢驗模型結果：運行所得到的模型、解釋模型的結果或把運行結果與實際觀測進行對比。如果模型結果的解釋與實際狀況符合或結果與實際觀測基本一致，這表明模型是符合實際問題的。如果模型的結果很難與實際相符或與實際很難一致，則表明模型與實際不相符，不能將它運用到實際問題。如果圖形要素、參

7、數設置沒有問題的話，就需要返回到建模前關于問題的分解。檢查對于問題的分解、假設是否正確，參數的選擇是否合適，是否忽略了必要的參數或保留了不該保留的參數，對假設做出必要的修正，重復前面的建模過程，直到模型的結果滿意為止。應用分析結果：在對模型的結果滿意的前提下，可以運用模型來得到對結果的分析。3圖解建模概念圖解建模是指用直觀的圖形語言將一個具體的過程模型表達出來。在這個模型中，分別定義不同的圖形代表輸入數據、輸出數據、空間處理工具，它們以流程圖的形式進行組合并且可以執行空間分析操作功能。當空間處理涉及到許多步驟時，建立模型可以讓用戶創建和管理自己的工作流，明晰其空間處理任務，為復雜的GIS 任務

8、建立一個固定有序的處理過程。4模型生成器模型生成器（Model Builder）是ArcGIS9 所提供的構造地理處理工作流和腳本的圖形化建模工具，加速復雜地理處理模型的設計和實施。最初模型生成器出現在ArcView 3 的空間分析模塊中，它同樣是為地理處理的工作流和腳本提供圖形化的建模工具。同時模型生成器也集成了3D、空間分析、地統計等多種空間處理工具。在ArcGIS 中可以通過以下方式啟動模型生成器：1）打開ArcMap，啟動ArcToolbox；2）右鍵單擊Toolbox，選擇Newtoolbox，生成Toolbox1；3）右鍵單擊Toolbox1，在New中選擇Model，則生成mod

9、el。5模型的基本組成圖解模型主要由三部分組成：輸入數據、輸出數據和空間處理工具。輸入數據和輸出數據的類型多種多樣，可以是柵格數據集、shapefile、coverage等。不同空間處理工具要求的數據不同，不同的應用目的也會得到不同類型的輸出數據。空間處理工具包括ArcToolbox中所有的工具集，也可以是模型（models）、由腳本(scripts)定制的工具或者其他工具箱(toolbox)中的系統工具。只有將以上模型要素有機的連接起來，才能組成一個完整的圖解模型。因此，連接也是模型中一個不可或缺的要素。連接指定了數據與操作間的關系，因此符合條件的要素才能被連接。一個模型由一個或多個過程組成

10、。每個過程都有一個共同的基本結構：輸入函數輸出，不同模型所包含的輸入、函數、輸出的數量可以不同，但整體的結構保持不變。同時，在模型運行前，所有的組成部分必須彼此連接。二、圖解模型的形成過程模型的形成過程實際上就是解決問題的過程，不論是簡單的或復雜的模型，都需要經過以下幾個步驟，同時還可以為模型添加注釋、轉換模型為腳本。1添加輸入數據有兩種方法可向模型界面添加數據：方法一：在ArcMap或ArcCatalog中打開數據，直接把數據拖拽至圖解模型界面即可。方法二：（1）在模型生成器中點擊右鍵，選擇create variable ，在變量列表中選擇所要的數據類型。此時的圖形并無顏色填充，因為此變量還

11、未賦值；（2）雙擊新建的變量，選擇所要添加的輸入數據，或直接輸入數據的值。根據數據的類型不同，選擇不同的操作。由于變量已賦值，此時的圖形便有顏色填充。2添加空間處理工具添加空間處理工具相對簡單，只要將所需添加的工具拖拽到圖解模型界面即可。但是處理的工具是多種多樣的，可以是ArcToolbox 中任何工具、腳本、模型，也可以是用戶在應用程序中的共享工具，比如用模型（models）或由腳本(scripts)定制的工具或者其他工具箱(Toolbox)中的系統工具。由于空間處理工具的功能決定了輸出數據的類型，因此輸出數據也就隨著空間處理工具的添加而產生。3添加連接 只有將一個個的空間模型要素有機的連接

12、起來，才能組成一個完整的圖形模型。不過對象間的連接是有前提的，如果不符合連接的條件，兩個圖形則無法連接。添加連接后，模型要素便由原來的無顏色填充變為有顏色填充。有兩種方法添加連接：方法一：單擊模型生成器界面工具面板的Add connection 圖標連接目標圖形。方法二：雙擊空間處理工具，在對話框中選擇所要處理的數據，點擊“OK”即為數據和工具添加了連接。4保存模型在菜單條中單擊File下的Save 命令，保存模型當前的狀態；同時在ArcToolbox中保存設置，才可以以便下次打開。方法如下：右鍵ArcToolbox，選擇Save Settings命令，保存為文件，則該設置被保存.xml 格式

13、。下次打開時，只要點擊右鍵ArcToolbox，選擇Load Settings命令，以文件形式打開（From File），選擇所要打開的設置即可。5添加注釋為了更好地了解模型的結構和功能、更徹底地理解模型和處理過程，在圖解模型中加入注釋。同時也為了更好地組織項目，明確多過程之間的關系，可以給輸入、輸出、空間處理工具添加注釋，還可以對連接添加注釋。選擇所要添加注釋的圖形要素，右鍵選create label 命令，雙擊矩形框輸入注釋。6設置參數為模型設置參數，在打開模型時就會出現參數輸入對話框。直接輸入數據、常數、輸出數據的路徑。有兩種方法設置參數：方法一：右鍵單擊所要設置為參數的圖形要素，選擇M

14、odel Parameter命令；方法二：右鍵單擊模型圖標，選擇Properties命令，進入Parameter選項卡，單擊 圖標，增加所要設置為參數的要素。7運行圖解模型模型建好后，需要運行模型以檢查結果是否滿意。有兩種方法可以運行圖解模型：方法一：在工具條上，點擊運行模型。方法二：在菜單條中，單擊Model下的Run命令，模型被啟動運行。模型運行后，模型運行狀態條可以顯示出模型是否成功地被執行。8轉換程序模型圖11.6 保存對話框 建立好的模型可以轉換為腳本使用，腳本的形式有：Python、JScript和VBScript。在Model下拉菜單中單擊Export命令，選擇To Script

15、命令，保存為Python、JScript或是VBScript即可。三、土壤侵蝕危險性分布圖的獲取1確定目標，加載數據目標確定：獲取土壤侵蝕危險性分布圖；因子確定：坡度、土壤類型、植被覆蓋；獲取數據：矢量數據：研究區界線(Study Area)、植被(Vegetation)，柵格數據：土壤類型柵格(Soilsgrid)。（1）在ArcMap中新建一個地圖文檔；（2）利用Add data工具添加矢量數據：StudyArea、Vegetation、柵格數據Soilsgrid；（3）激活Spatial Analyst空間分析擴展模塊和3D分析擴展模塊（執行菜單命令 Tools/Extensions，在

16、出現的對話框中選中 “Spatial Analyst”和“3D Analyst”）；（4）根據Vegetaion 中的屬性VEGTYPE設置植被圖層的符號為“唯一值渲染（Unique values）”，根據SoilsGrid 圖層中屬性S_Value設置土壤類型柵格的符號為“唯一值渲染（Unique values）”，設置圖層StudyArea的邊界和填充，并調整各圖層的順序得到如下效果，見圖7-1。圖7-1應用分析的原始數據（5）保存地圖文檔為“Ex7_lxs000.mxd”，地址保存到該實驗的Temp文件夾中。2創建模型（1）在ArcMap中，打開Arctoolbox，執行菜單命令Tool

17、s/Options, 在Options設置對話框中，選擇“空間處理(Geoprocessing)”標簽，在對話框中將“我的工具箱位置(My Toolboxes)”設置為路徑D:PAGISGIS07Exec1Temp，下面我們建立的模型將會被保存到后綴為“.tbx”的文件中，該文件也將保存在設定的路徑下。點按“確定”完成設置。（2）在Arctoolbox窗口中，右鍵點擊根目標Arctoolbox,在右鍵菜單中執行“New Toolbox（新工具箱”命令，將新建工具箱改名為geospatial_lxs000。（3）右鍵點擊新建的工具箱geospatial_lxs000, 在右鍵菜單中，執行命令Ne

18、w/Model，打開 Model Builder 應用程序窗口，見圖7-2。對已存在的模型，右鍵點擊模型后，選擇Edit也可以打開ModelBuilder窗口，對已存在的模型進行編輯。圖7-2空間建模應用程序窗口3編輯模型（1）在ModelBuilder窗口中，執行菜單命令Model/Model Properties。在General標簽對話框的Name中設置為“土壤侵蝕危險性分析”；在Label中設置為“土壤侵蝕危險性模型”；在Environment標簽中點開General Settings前的加號，勾選Extent并點按Values按鈕，在出現的對話框中點按General Settings

19、，在Extent下拉列表中選擇“Same as layer studyarea”，點按“OK”完成設置。點按“確定”完成設置。（2）在Model Builder窗口中，執行菜單命令Model/Diagram Properties(圖解屬性)，在對話框中選擇Symbology標簽，在該對話框中點選Style2，并點按“確定“完成設置。（3）從ArcMap中，將圖層Vegetaion、Soilsgrid拖放到 Model Builder窗口中； 從Arctoolbox中將工具DEM to Raster(該工具在Conversion Tools/To Raster/下)拖放到Model Builde

20、r窗口中，見圖7-3。【問1】提交所得成果界面。圖7-3拖放圖層及工具到空間建模窗口（4）在Model Builder窗口中，雙擊工具圖框 DEM to Raster，在出現的工具設置對話框中指定Input USGS DEMfile為elevation.dem，通過輸入框右邊的瀏覽打開按鈕在硬盤上找到該文件（D:PAGISGIS07Exec1elevation.dem）。設置Output raster（輸出柵格數據）為D:PAGISGIS07Exec1TEMPDEMToRa_elev1；點按“OK”完成設置。圖7-4 為工具設置相關參數（5）從Arctoolbox中將工具slope(此工具在3

21、D Analyst Tools/ Raster Surface下)拖放到Model Builder窗口中，在 Model Builder 窗口中，點擊Add Connection(添加連接)按鈕并在圖框DEMToRa_elev1與工具圖框slope之間畫線將他們連接在一起。右鍵點擊圖框Output raster將其改名（Rename）為坡度圖。完成后效果如圖7-5所示。圖7-5拖放工具和建立連接（6）從Arctoolbox中將工具Reclassify(此工具在Spatial Analyst Tools/Reclass下)拖放到Model Builder窗口中，在Model Builder窗口中

22、，點擊Add Connection(添加連接)按鈕將派生數據圖框坡度圖與工具圖框Reclassify連接在一起，完成后效果如圖7-6所示。【問2】提交所得成果界面。圖7-6拖放工具和建立連接（6）在Model Builder窗口中，雙擊工具圖框Reclassify，在Reclassify對話框中將坡度重分類：在Input raster下拉列表總選擇坡度圖；在Reclass field下拉列表中選擇Value；點擊Load按鈕，裝載INFO數據表slopereclass，按照該數據表對坡度進行重分類；在Output raster輸入框中設置輸出的文件名和路徑為：D:PAGISGIS07Exec1

23、TempReclass_Slop1；點按“OK”完成設置。 數據表Slopereclass中有特殊的字段FROM、TO、OUT、MAPPING，可以用于重分類，我們可以在ArcMap中查看。圖7-7重分類坡度數據表在Model Builder窗口中，右鍵點擊工具圖框重分類后面的輸出柵格Reclass_Slop1將其改名為重分類坡度圖。效果如圖7-8所示。圖7-8輸出數據結果改名(7)從Arctoolbox中將工具Feature to Raster(此工具在Conversion Tools/ TO Raster下) 拖放到Model Builder窗口，在Model Builder 窗口中，點擊

24、Add Connection(添加連接)按鈕將數據圖框vegetaion與工具圖框Feature to Raster連接在一起。將工具圖框Feature to Raster后的Output raster 改名為 植被柵格。完成后效果如圖7-9所示。圖7-9添加工具和建立連接（8）雙擊與Vegetaion相連的工具圖框Feature to Raster，在出現的對話框中，設置Input features為vegetation；設置Field（字段）為VEGTYPE；設置Output raster （輸出柵格數據）為D:PAGISGIS07Exec1TempFeature_vege1；點按“OK”

25、按鈕完成設置。在Model Builder中右鍵選中圖框Feature to Raster，執行Run（運行）命令。圖7-10設置參數并運行模型（9）從Arctoolbox中將工具Weighted Overlay（加權疊加）(此工具在Spatial Analyst Tools/ Overlay下)拖放到Model Builder窗口中，右鍵點擊工具圖框Weighted Overlay后的結果數據圖框改名為“土壤侵蝕柵格”；在Model Builder窗口中，雙擊工具圖框Weighted Overlay，在出現的工具設置對話框中進行如下設置：【問3】提交自己設置好后的對話框界面。點擊 Add R

26、aster Row按鈕，在出現的對話框中設置Input raster為“soilsgrid”，在Input field為“S_value”，點按“OK”；繼續點擊 Add Raster Row按鈕，在出現的對話框中設置Input raster為“植被柵格”，在Input field為“Vegtype”，點按“OK”；再次繼續點擊 Add Raster Row按鈕，在出現的對話框中設置Input raster為“重分類坡度圖”，在Input field為“Value”，點按“OK”；三個因子添加完成后，回到加權疊加工具設置對話框，分別將因子“Soilsgrid” 、“植被柵格”、“重分類坡度圖”

27、的權重（Influence）欄中依次設置為25%、25%、50，并指定結果柵格數據的名稱和路徑為D:PAGISGIS07Exec1TempSoilHazard；設置因子Soilsgrid：根據不同土壤類型對土壤侵蝕危險性的影響力，不同的土壤類型給定不同的數值，數值1表示土壤侵蝕危險度較低，9表示較高。在Scale Value一欄中進行修改：Bedrock（基巖）為1，Clay（粘土）為5，Clay loam（粘壤土）為9，Sandy Loam（砂壤土）為3，NODATA為Restricted。 設置因子植被柵格：根據不同植被類型對土壤侵蝕危險性的影響力，不同的植被類型給定不同的的數值，數值1表

28、示土壤侵蝕危險度較低，9表示較高。在Scale Value一欄中進行修改：Krummholz（高山矮曲林）為6，Lodgepole pine（黑松）為3，Engelmann spruce(英國針叢)為1，nonforest（非林地）為9，Whitebark pine（白松）為8，Water和NODATA設置為Restricted。設置因子重分類坡度圖：根據坡度低的區域發生土壤侵蝕的危險系統較小，坡度較大的區域發生土壤侵蝕的危險系數較大，不同坡度對應不同數值，數值1表示土壤侵蝕危險度較低，9表示較高。在Scale Value一欄中進行修改：19保持不變，將10改為9，NODATA改為Restri

29、cted。全部設置完成后點按“OK”結束。【問4】提交最終模型結果界面。最終完成的模型圖如圖7-11所示。大家可對模型形式進行調整使其更美觀與條理。圖7-11 最終模型結果圖4執行模型，查看結果（1）在Model Builder窗口中執行菜單命令Model/ Run Entire Model (運行整個模型）。請耐心等待10-15s后可完成計算。（2）在Model Builder窗口中，右鍵點擊圖框土壤侵蝕柵格，在出現的右鍵菜單中選擇Add To Display（添加到顯示窗口）。于是土壤侵蝕危險性分級柵格數據SoilHazrad 被加入到ArcMap中，從09表示研究區內土壤侵蝕的危險級別，

30、1表示發生土壤侵蝕的可能性較小，9表示發生土壤侵蝕的可能性極大。處理后的地圖效果如圖7-12所示。【問5】提交最終成果地圖界面。圖7-12 最終成果圖四、明暗等高線制作1背景分析等高線是地圖上最常用的表示地貌的方法，但其不足之處是所表示的地形立體感不強，并非所有讀者都能準確讀出它所描述的實際地表形態。對于如何用等高線表示地貌的立體形態，1895 年，波烏林（J. Pauling）提出明暗等高線法，又稱波烏林法。其基本論點主要建立在以下三方面：（1）根據斜坡所對的光線方向確定等高線的明暗程度；（2）將受光部分的等高線印為白色，背光部分的等高線印為黑色；（3）地圖的底色飾為灰色。首先從DEM中提取

31、一定等高距的矢量等高線。將區域分為受光部分和背光部分，可以對原始的全柵格DEM數據進行坡向提取，并根據坡向對等高線的分類，進而生成明暗等高線地圖。背光和受光柵格要根據入射光的方向進行確定，假定光源位置定位于地面西北方向，則坡向為0 45、225 360時地表面為受光面，用白色表示；坡向為45 225時地表面為背光面，用黑色表示。將其二值化即以0和1表示，再轉化為矢量與等高線融合。2建立模型（1）在ArcMap 中打開Tools 菜單，選擇Extentions，加載Spatial Analyst 模塊。（2）右鍵單擊ArcToolbox，生成一個New Toolbox，右鍵單擊New Toolb

32、ox，在New子菜單中選擇Model，生成一個新的model。（3）打開spatial analyst tools的Surface 功能，選中Aspect工具拖拽到模型生成器窗口中。（4）在模型窗口空白處點擊右鍵，選擇Create Variable 命令，在數據類型選擇框中選中Raster Dataset。（5）右鍵單擊Raster Dataset框，點擊Rename命令，在彈出的對話框中輸入DEM，將原始的Raster Dataset 重命名為DEM。單擊添加連接圖標，連接DEM 和Aspect圖形要素。圖7-13拖放工具及建立連接（6）在模型生成器窗口中選擇spatial analyst

33、tools的math工具集，將logical中的less than 和greater than兩個工具命令拖放到模型窗口中。右鍵點擊（或雙擊）greater than圖框，打開greater than對話框，在input raster or constant value 2 輸入45，點按“OK”完成設置；同樣方法，在less than 對話框中input raster or constant value 2 中輸入225，點按“OK”完成設置。（7）單擊添加連接圖標，分別連接Aspect 生成的柵格圖形圖框和greater than、less than圖框，如圖7-14所示。圖7-14建立連

34、接（8）在math工具集中選擇Plus，將其拖動到模型窗口中，將得出背光和受光面數據相加；單擊添加連接圖標，分別連接greater than、less than生成的柵格圖形圖框和plus圖框，見圖7-15。【問6】提交所得成果界面。圖7-15添加工具及建立連接（9）選擇conversion Tools下from raster中的Raster to polygon，將其拖放到模型窗口，將以上結果轉換為矢量；單擊添加連接圖標，連接步驟8生成的結果和Raster to polygon圖框，見圖7-16。圖7-16添加工具及建立連接（10）打開Spatial Analyst Ttools的Surface功能，選中Contour工具拖拽到模型生成器窗口中，雙擊打開對話框,在Contour interval(等高距)輸入框中輸入50，點按“OK”結束。單擊添加連接圖標，連接DEM 與Contour圖框，如圖7-17。（11）選擇Analysis Tool