ArcGIS 空间分析实验教程：从入门到实践

第一部分：实验准备与基础概念

在开始任何空间分析之前，我们需要做好准备工作,并理解一些核心概念。

1 为什么进行空间分析？

空间分析是 GIS 的核心，它超越了简单的地图制图,旨在：

• 发现模式与关系： 犯罪案件是否集中在某些区域？疾病的发生与水源地有何关联？
• 进行预测与建模： 预测森林火灾的蔓延路径,或评估新商业区的潜在客流量。
• 优化决策支持： 寻找最适合建设医院或学校的地点,规划最高效的物流路线。

2 核心数据类型

ArcGIS 主要处理两种基本数据模型：

• 矢量数据： 使用点、线、面来表示离散的地理实体。
  • 点： 代表位置，如学校、树木、监测站。
  • 线： 代表线性特征，如道路、河流、管线。
  • 面： 代表区域范围，如湖泊、行政区划、地块。
• 栅格数据： 将地理空间划分为规则的网格（像元），每个像元都有一个值，非常适合表示连续变化的表面现象。
  • 常见类型： 高程、温度、降雨量、卫星影像、土地利用分类图。

3 实验环境准备

1. 软件： 安装 ArcGIS Pro (推荐 2.8 或更高版本)。
2. 扩展模块： 确保已启用 Spatial Analyst 扩展模块，这是进行栅格分析的前提。
   • 在 ArcGIS Pro 中，点击 Project -> Licensing，确保 Spatial Analyst 处于启用状态。
3. 数据： 准备好实验数据，本教程将使用 ArcGIS 自带的示例数据，你也可以下载公开的地理数据（如从 Natural Earth 或 USGS EarthExplorer）。
   • ArcGIS Pro 示例数据路径： C:\Program Files\ArcGIS\Pro\Resources\SampleData，我们主要使用 SanFrancisco 文件夹中的数据。

第二部分：基础实验操作

数据准备与地图可视化

目标： 加载数据，熟悉 ArcGIS Pro 界面,并进行基本地图制作。

步骤：

1. 创建新工程： 打开 ArcGIS Pro，选择 Map 模板,创建一个新的工程。
2. 添加数据：
   • 在 目录 窗格中，导航到 SanFrancisco 示例数据文件夹。
   • 将 SF_Street_Centerlines (街道线)、SF_Neighborhoods (社区面)、SF_Streetlights (路灯点) 拖拽到内容面板中。
3. 符号化：
   • 在 面板中，右键点击 SF_Street_Centerlines -> 符号系统。
   • 将 类型 从 简单 改为 唯一值，字段选择 CLASS，为不同类型的道路（如高速公路、主干道）设置不同的颜色和宽度。
   • 为社区面和路灯点设置合适的颜色和大小。
4. 结果： 你现在有了一张清晰、美观的旧金山基础地图,这是所有空间分析的基础。

第三部分：核心空间分析实验

缓冲区分析

目标： 识别某个地理要素周围一定距离内的区域，这是最常用、最基础的空间分析工具。

场景： 找出距离旧金山所有街道 500米 范围内的所有区域。

步骤：

1. 打开工具： 在顶部功能区，点击 分析 -> 工具，打开 地理处理 窗格。
2. 搜索工具： 在搜索框中输入 缓冲区，找到 缓冲区 工具。
3. 设置参数：
   • 输入要素： 选择 SF_Street_Centerlines。
   • 输出要素类： 指定一个输出路径和文件名，如 Streets_Buffer_500m。
   • 距离： 输入 500。
   • 距离单位： 选择 米。
   • 溶解类型： 选择 全部,这会将所有重叠的缓冲区合并成一个连续的区域。
4. 运行： 点击 运行。
5. 查看结果： 在地图上查看新生成的 Streets_Buffer_500m 多边形图层,你会发现它覆盖了整个城市的大部分区域。

叠加分析

目标： 将两个或多个图层进行叠加，产生新的空间关系，主要包括交集、并集、擦除。

场景： 找出那些 在街道500米缓冲区内，但 不属于任何社区公园 的区域。

步骤：

1. 准备数据： 如果没有公园数据，我们可以用社区面数据来模拟，或者，假设我们有一个 SF_Parks 图层。
2. 打开工具： 在 地理处理 窗格中搜索 擦除 工具。
3. 设置参数：
   • 输入要素： 选择我们上一步生成的 Streets_Buffer_500m。
   • 擦除要素： 选择 SF_Parks (或社区面)。
   • 输出要素类： 指定一个输出路径和文件名，如 Areas_Near_Streets_Excluding_Parks。
4. 运行： 点击 运行。
5. 查看结果： 新生成的图层显示的就是靠近街道但又排除了公园的区域,这个结果对于规划商业设施或公共设施选址非常有价值。

栅格分析：距离制图

目标： 计算每个栅格到最近源要素的距离,栅格分析的核心是处理连续表面。

场景： 创建一个距离旧金山 海湾 的表面图。

步骤：

1. 准备数据： 我们需要一个代表海湾的线或面数据，假设我们有一个 SF_Bay 面图层。
2. 打开工具： 在 地理处理 窗格中搜索 欧氏距离 工具。
3. 设置参数：
   • 输入栅格或要素源数据： 选择 SF_Bay。
   • 输出栅格： 指定一个输出路径和文件名，如 Distance_to_Bay。
   • 输出像元大小： 可以保持默认值。
   • 环境设置（可选）： 点击 环境 -> 处理范围,可以设置分析的范围。
4. 运行： 点击 运行。
5. 查看结果： 新生成的 Distance_to_Bay 是一个栅格图层，在内容面板中，右键点击它 -> 符号系统，选择 拉伸 渲染器，并选择一个色带（如蓝-白-红），你会发现离海湾越近的区域颜色越蓝，越远越红,这直观地展示了距离分布。

栅格分析：坡度与坡向分析

目标： 从高程数据中派生出坡度和坡向信息。

场景： 分析旧金山 陡峭 的区域。

步骤：

1. 准备数据： ArcGIS Pro 示例数据中通常有数字高程模型，如果没有，可以下载一个 DEM 数据，假设我们有一个 SF_DEM 栅格图层。
2. 打开坡度工具： 在 地理处理 窗格中搜索 坡度。
   • 输入栅格： SF_DEM。
   • 输出栅格： Slope_SF。
   • 输出坡度度/百分比： 选择 度。
3. 运行坡度工具。
4. 打开坡向工具： 搜索 坡向。
   • 输入栅格： SF_DEM。
   • 输出栅格：Aspect_SF。
5. 查看结果：
   • 对 Slope_SF 使用 拉伸 渲染器，坡度值越大的区域颜色越亮（如黄色、红色）,这些就是陡峭的区域。
   • 对 Aspect_SF 使用 唯一值 渲染器，不同颜色代表不同的坡向（如北坡、南坡）,这对于研究光照和植被分布很重要。

空间插值

目标： 从离散的采样点数据中生成一个连续的表面。

场景： 根据旧金山几个气象站的 气温观测值,预测整个城市的气温分布。

步骤：

1. 准备数据： 假设我们有一个 SF_Weather_Stations 点图层，其中包含一个字段 Temperature (温度)。
2. 打开工具： 在 地理处理 窗格中搜索 反距离权重法,这是一种常用的插值方法。
3. 设置参数：
   • 输入点要素： SF_Weather_Stations。
   • Z 值字段： Temperature。
   • 输出栅格： IDW_Temperature。
   • 幂： 控制影响衰减的速度，通常使用 2。
   • 输出像元大小： 设置一个合理的值。
4. 运行： 点击 运行。
5. 查看结果： 生成的 IDW_Temperature 栅格图层展示了基于气象站数据的气温预测表面，颜色越暖（红）表示温度越高。

第四部分：综合应用案例：选址分析

目标： 综合运用多种空间分析工具，解决一个实际问题：为旧金山寻找一个建设新公园的最佳地点。

选址标准：

1. 远离陡峭山坡： 坡度小于 15 度。
2. 交通便利： 距离现有街道不超过 300 米。
3. 避开现有公园： 不能与现有公园重叠。
4. 面积要大： 最终候选区域至少要有 5 公顷。

分析流程：

步骤 1：生成坡度图层

• 使用 坡度 工具，基于 SF_DEM 生成 Slope 图层。
• 使用 栅格计算器 工具，创建一个新的栅格 Flat_Areas，公式为 Con("Slope" < 15, 1, 0)，值为 1 的区域代表平地。

步骤 2：生成街道缓冲区

• 使用 缓冲区 工具，基于 SF_Street_Centerlines 生成一个 300 米的缓冲区 Streets_Buffer_300m。

步骤 3：生成候选区域

• 使用 分区统计 工具，将 Flat_Areas 栅格按照 SF_Neighborhoods 面图层进行分区统计,找出每个社区内平地的面积。
• 或者，更直接的方法是使用 栅格转面 工具将 Flat_Areas 中值为 1 的区域转换为面图层 Flat_Areas_Poly。
• 使用 相交 工具，将 Flat_Areas_Poly 与 Streets_Buffer_300m 相交，得到既平坦又靠近街道的区域 Potential_Areas_Step1。

步骤 4：排除现有公园

• 使用 擦除 工具，以 Potential_Areas_Step1 为输入要素，SF_Parks 为擦除要素，得到最终的候选区域 Potential_Park_Sites。

步骤 5：筛选面积

• 在 面板中，右键点击 Potential_Park_Sites -> 打开属性表。
• 添加一个新字段 Area_Ha。
• 右键点击 Area_Ha 字段 -> 计算几何，单位选择 公顷。
• 对属性表进行排序，筛选出 Area_Ha 大于 5 的区域。

最终结果： 满足所有条件的几个多边形,就是建设新公园的理想备选地点。

第五部分：进阶与学习资源

1 进阶主题

• 网络分析： 使用 Network Analyst 扩展模块进行路径分析（最短/最快路径）、服务区分析（如某商场15分钟车程覆盖范围）、选址-分配问题等。
• 空间统计： 使用 Spatial Statistics 扩展模块进行热点分析、聚类和异常值检测、空间自相关等,用于发现更深层次的模式。
• 三维分析： 进行视域分析、日照分析、体积计算等。
• Python 脚本： 使用 ArcPy 库将复杂的分析流程自动化,实现批处理和高级定制。

2 学习资源

• 官方文档： ArcGIS Pro Documentation 是最权威、最全面的资源。
• Esri 中国培训中心： 提供大量中文教程、视频课程和认证考试。
• Esri 社区： ArcGIS Community 是提问、分享和交流的绝佳平台。
• 在线课程平台： Coursera, Udemy 等平台上有许多由大学或 Esri 官方教授的 GIS 课程。
• 书籍： 《GIS空间分析教程》、《ArcGIS空间分析方法与应用》等经典书籍。

空间分析是一个理论与实践紧密结合的领域，本教程为您提供了一个清晰的框架和几个核心实验，请务必亲自动手操作，尝试修改参数，探索不同工具的组合，并尝试解决自己感兴趣的实际问题，熟能生巧,祝您学习愉快！