ArcGIS 空间分析终极教程

第一部分：空间分析基础

在开始操作之前,理解几个核心概念至关重要。

什么是空间分析？ 空间分析是利用地理信息技术，对具有空间位置特征的数据进行操作、查询、分析和建模，以揭示隐藏在数据中的空间模式、关系和过程,最终解决现实世界中的问题。

核心概念

• 栅格数据模型:

  • 概念: 将地理空间划分为一系列规则的网格（像元）,每个像元都有一个值。
  • 特点: 适合表示连续分布的现象，如高程、温度、降雨量、坡度、土地利用类型等，栅格分析是空间分析的核心，许多强大的分析功能（如水文分析、表面分析）都基于栅格数据。
  • 关键术语: 像元、分辨率、栅格数据集。

• 矢量数据模型:

  
  （图片来源网络，侵删）
  • 概念: 使用点、线、面等几何对象来表示离散的地理实体。
  • 特点: 适合表示具有明确边界和位置的对象，如道路、河流、行政区划、建筑物、兴趣点等,矢量分析侧重于几何关系和网络分析。
  • 关键术语: 点、线、面、拓扑。

• 坐标系与投影:

  • 概念: 这是空间分析的“基石”，没有正确的坐标系,所有的空间位置关系都是错误的。
  • 地理坐标系: 定义地球上的位置，使用经纬度（如 WGS 1984）。
  • 投影坐标系: 将球体表面的地理坐标转换到平面上，用于精确的距离、面积和角度量测（如 Web Mercator, CGCS2000 / 3-degree GK Zone 39）。
  • 黄金法则: 在进行任何空间分析之前，请务必检查并统一所有图层的坐标系！

• 属性表:

  每个图层（无论是矢量还是栅格）都关联一个属性表，存储了每个地理实件的附加信息,空间分析常常需要结合属性数据进行条件查询和计算。

第二部分：ArcGIS 空间分析工具箱详解

ArcGIS Pro (推荐) 和 ArcMap (传统) 的空间分析功能主要集中在 “分析” 选项卡下的 “工具” 窗口中,工具箱按功能分为多个工具集。

查询与选择分析

这是最基础、最常用的分析,目的是根据条件筛选出特定的要素或像元。

• 按属性选择:
  • 功能: 根据属性表中的字段和SQL表达式选择要素，选择所有“人口密度”大于5000人/平方公里的城市。
  • 操作: 右键点击图层 -> 分析 -> 选择 -> 按属性选择。
• 按位置选择:
  • 功能: 根据图层之间的空间位置关系选择要素，选择所有“河流”500米范围内的“医院”。
  • 操作: 右键点击图层 -> 分析 -> 选择 -> 按位置选择。
• 要素类转要素类:
  • 功能: 一个强大的“查询与导出”工具，可以根据SQL表达式（按属性）和空间关系（按位置）来选择要素,并将其输出为一个新的图层。
  • 操作: 分析 -> 工具 -> 转换工具 -> 转出要素类 -> 要素类转要素类。

叠加分析

叠加分析是矢量分析的核心，用于合并两个或多个图层的属性信息,生成新的图层。

• 交集:
  • 功能: 保留输入图层和叠加图层都重叠的区域,新图层的属性是两个输入图层属性的合并。
  • 应用: 计算两个行政区的重叠部分；找出同时位于“保护区”和“水源涵养林”内的区域。
• 联合:
  • 功能: 保留所有输入图层的要素，无论是否重叠，重叠区域的属性会被合并，不重叠区域的属性则保留原始值（通常为空）。
  • 应用: 将一个县的行政区划图与土地利用图合并,得到每个地块所属的乡镇和土地利用类型。
• 擦除:
  • 功能: 从输入图层中移除与擦除图层重叠的部分。
  • 应用: 从一个城市图层中移除所有位于公园内的区域,得到非公园的城市区域。
• 标识:
  • 功能: 将叠加图层的属性传递给输入图层中与其相交的要素。
  • 应用: 将“土壤类型”图层的属性赋予所有穿过该土壤类型的“道路”线要素。

栅格分析

栅格分析功能极其强大,是处理连续表面和进行复杂建模的基础。

• 空间分析工具集: 位于 系统工具箱 -> Spatial Analyst Tools 下。
• 距离分析:
  • 欧氏距离: 计算每个像元到最近源（点、线、面）的直线距离。
    • 应用: 计算每个居民点到最近商场的距离。
  • 成本距离: 考虑穿越不同地表类型的成本（如时间、难度），计算每个像元到最近源的最小成本路径。
    • 应用: 计算从救援点到每个受灾点的最短救援时间路径，路径穿过山地、河流、平地的成本不同。
• 表面分析:
  • 坡度: 计算每个像元的陡峭程度。
  • 坡向: 计算每个像元所面对的方向（如正北、东北）。
  • 等值线: 从栅格表面生成等值线（如等高线）。
  • 应用: 地形分析、选址（如不宜在陡坡上建房子）。
• 地形分析:
  • 填挖方: 计算从一个表面到另一个表面需要移动的土方量。
  • 山体阴影: 生成模拟山体阴影效果的栅格,增强地形的立体感。
• 重分类:
  • 功能: 将栅格中现有的值替换为新的值，这是栅格分析中“清洗”和“标准化”数据的关键步骤。
  • 应用:
    • 将坡度重分类为“平地(0-5°)、缓坡(5-15°)、陡坡(>15°)”。
    • 将成本距离重分类为“低成本区、中等成本区、高成本区”。
• 栅格计算器:
  • 功能: 使用类似代数表达式的语言对多个栅格图层进行数学运算。
  • 应用:
    • ["坡度.tif"] * 1.5 + ["降雨量.tif"]：综合坡度和降雨量生成一个新的指数图层。
    • ("Con("成本距离.tif" < 100, 1, 0)")：将成本距离小于100的区域赋值为1（可达），其他为0（不可达）。

邻域分析

以每个像元为中心,分析其周围指定邻域范围内的像元值。

• 焦点统计:
  • 功能: 计算邻域内像元的统计值（如平均值、最大值、总和、标准差）。
  • 应用:
    • 计算每个像元周围3x3邻域内高程的平均值,生成平滑后的DEM。
    • 计算每个像元周围1公里内的人口总和,生成人口密度热点图。

密度分析

将点或线数据转换为密度表面。

• 点密度:
  • 功能: 计算单位面积内点的数量或属性值的总和。
  • 应用: 根据犯罪事件的发生点，生成犯罪热点密度图；根据每个商店的销售额,生成商业活动密度图。
• 核密度:
  • 功能: 更高级的密度分析，在点周围创建一个平滑的“山丘”，距离点越近值越高，越远越低,结果更符合现实。
  • 应用: 生成城市人口密度分布图、野生动物栖息地适宜性图。

水文分析

基于数字高程模型 进行的一系列分析,模拟水流运动。

• 流向: 确定每个像元的水流方向。
• 汇流累积量: 计算每个像元上游所有像元的总数，值越高的地方,越容易形成河流。
• 栅格计算器提取河流: 汇流累积量 > 1000 的像元通常可以代表河流。
• 捕捉倾泻点: 找到河流网络上的特定点（如拟建水坝位置）。
• 流域盆地: 根据出水口,划定整个集水区域。

第三部分：综合应用案例

让我们通过一个完整的例子来串联所学知识。

案例：寻找适合建设新公园的潜在区域

目标： 在城市A内，寻找一块面积不小于5公顷、坡度小于10%、且不能是保护区的平坦土地。

数据准备:

1. 城市边界.shp: 城市A的矢量边界。
2. DEM.tif: 城市A的数字高程模型（栅格）。
3. 保护区.shp: 城市A内的自然保护区（矢量面）。

分析步骤 (ArcGIS Pro):

1. 数据预处理:

   检查所有图层的坐标系,确保一致。

2. 提取城市平坦区域

   • 工具: 空间分析工具 -> 表面分析 -> 坡度。
   • 输入: DEM.tif。
   • 输出: 坡度.tif。
   • 工具: 空间分析工具 -> 重分类。
   • 输入: 坡度.tif。
   • 重分类: 将坡度值0-10度重新分类为1（适宜），其他值重新分类为0（不适宜）。
   • 输出: 适宜坡度.tif。

3. 排除保护区

   • 工具: 空间分析工具 -> 转换工具 -> 由转出 -> 栅格面转栅格。
   • 输入要素: 保护区.shp。
   • 输出栅格: 保护区栅格.tif。
   • 工具: 空间分析工具 -> 重分类。
   • 输入: 保护区栅格.tif。
   • 重分类: 将保护区内的值（如1）重新分类为0（不适宜），保护区外的值（如NoData）重新分类为1（适宜）。
   • 输出: 非保护区.tif。

4. 叠加分析

   • 工具: 空间分析工具 -> 地图代数 -> 栅格计算器。
   • 表达式: "适宜坡度.tif" * "非保护区.tif"。
   • 逻辑: 只有当两个条件都满足时（1 * 1）,结果才为1。
   • 输出: 初步适宜区.tif。

5. 筛选满足面积要求的区域

   • 工具: 空间分析工具 -> 地图代数 -> 区域分组。
   • 输入: 初步适宜区.tif。
   • 输出: 分组区域.tif,此工具会将连续的1值区域赋予唯一编号。
   • 工具: 空间分析工具 -> 区域分析 -> 区域统计。
   • 输入区域栅格: 分组区域.tif。
   • 输入值栅格: 初步适宜区.tif。
   • 统计类型: SUM (计算每个分组中1的总数，即面积)。
   • 输出: 区域面积统计.tif。
   • 工具: 空间分析工具 -> 条件 -> 分区。
   • 输入条件栅格: 区域面积统计.tif。
   • 表达式: Value >= 5 (假设每个像元代表1公顷)。
   • 输出: 最终适宜区.tif。

6. 结果可视化与输出

   • 将 最终适宜区.tif 符号化,高亮显示符合条件的区域。
   • 使用 栅格转面 工具，将最终的栅格区域转换为矢量面图层,方便后续规划和制图。

第四部分：学习资源推荐

1. 官方资源:

   • Esri官方文档: https://pro.arcgis.com/en/pro-app/latest/tool-reference/spatial-analyst/what-is-spatial-analyst-.htm (最权威、最准确)
   • Esri官方教程: https://learn.arcgis.com/ (有大量免费的、手把手的在线课程)

2. 经典书籍:

   • 《GIS空间分析教程》：国内高校常用教材,系统性强。
   • 《ArcGIS空间分析方法与实践》：更侧重于实际应用案例。
   • 《GIS and Science》 by David DiBiase: 经典的在线教材,深入浅出。

3. 在线视频教程:

   • Bilibili/YouTube: 搜索“ArcGIS空间分析教程”、“ArcGIS Pro教程”，有很多UP主分享从入门到精通的系列视频,非常直观。
   • YouTube上的"Geospatial"频道: 如 "Geospatial Academy", "QGIS Tutorials" (虽然QGIS，但原理相通)。

4. 实践社区:

   • Esri社区: https://community.esri.com/ (遇到问题可以在这里提问,有全球的专家和用户解答)
   • 知乎/CSDN: 搜索相关话题,有很多技术博客和经验分享。

学习建议:

• 动手实践: 空间分析是“做”出来的，不是“看”出来的,一定要跟着教程亲自操作每一个工具。
• 理解原理: 不要只满足于“点一下按钮就出结果”,要理解每个工具背后的算法和逻辑。
• 从简单到复杂: 先掌握选择、查询、叠加等基础操作，再逐步挑战水文、表面分析等高级功能。
• 结合项目: 带着一个具体的问题去学习,效率会更高。

希望这份详细的教程能成为你ArcGIS空间分析之旅的绝佳起点！祝你学习顺利！