ArcGIS 空间分析全面教程
第一部分：基础入门
什么是空间分析？
空间分析是地理信息系统的核心功能,它通过地理空间数据的位置、分布、关系和模式，运用数学、统计学和逻辑运算方法，来解决现实世界中的问题。
就是回答“在哪里？”、“有多少？”、“怎么样？”以及“为什么？”这类问题。
- 在哪里？：找出所有坡度大于15度且靠近水源的区域。
- 有多少？：计算某个城市公园的服务半径内覆盖了多少居民。
- 怎么样？：预测一场森林火灾可能蔓延的路径。
- 为什么？：分析犯罪案件高发区与特定地理因素（如酒吧、废弃建筑）的相关性。
ArcGIS 空间分析工具
ArcGIS 提供了强大的空间分析工具集，主要分布在以下几个位置：
- ArcToolbox (工具箱)：这是最核心、最全面的工具集合，你可以通过
地理处理->ArcToolbox打开。- 工具集：工具被分类组织在不同的工具集中，如
分析工具、空间分析工具、3D分析工具、网络分析工具等。
- 工具集：工具被分类组织在不同的工具集中，如
- 地理处理窗格：现代 ArcGIS Pro 中推荐使用的界面，更流畅，支持搜索和拖放。
- Python 窗口：对于高级用户，可以通过编写 Python 脚本来批量、自动化执行空间分析任务。
- ArcGIS Online/ArcGIS Enterprise 分析：在云端进行大规模或特定的分析，如热力图、查找位置等。
准备工作：数据与坐标系
在进行任何空间分析之前,数据准备至关重要。
- 数据类型：
- 要素类：点、线、面矢量数据。
- 栅格：由网格单元组成的影像或表面数据（如 DEM、坡度图）。
- 坐标系：
- 地理坐标系：使用经纬度（如 WGS 1984），定义地球的球面形状。
- 投影坐标系：将球面展平到平面上，用于精确的距离、面积和方向计算（如 Web Mercator, UTM）。
- 黄金法则：在进行空间分析（特别是叠加、缓冲区等）时，所有输入数据必须拥有相同的坐标系！ ArcGIS 会尝试进行投影，但最好提前统一。
第二部分：核心空间分析功能详解
这里我们以最常见的 空间分析工具集 为例，介绍几类核心功能。
缓冲区分析
功能：围绕一个或多个要素，创建指定距离的多边形区域，这是最基础也是最重要的分析之一。
应用场景：
- 确定学校周边500米的安全区域。
- 计算河流两岸100米范围内的生态保护区。
- 分析商店的服务半径。
操作步骤 (ArcGIS Pro):
- 打开
地理处理窗格。 - 搜索
缓冲区工具。 - 输入要素：选择要创建缓冲区的图层（如学校点图层）。
- 输出类：指定结果保存的位置和名称。
- 距离：输入缓冲区的距离，并选择单位（如米、公里）。
- 溶解类型：选择
ALL（所有缓冲区独立）或LIST（按某个属性字段合并，如同一所学校的缓冲区合并）。 - 点击
运行。
叠加分析
叠加分析是将两个或多个图层进行叠合,从而产生新的空间和属性关系。
a. 擦除
功能：从一个图层中移除与另一个图层相交的部分。
应用场景：
- 从一个林地规划区中,擦除陡坡（>25度）区域，得到适宜造林的地块。
- 从一个城市建成区中,擦除保护区，得到可开发建设的区域。
操作步骤:
- 使用
擦除工具。 - 输入要素：要被修改的图层（如林地规划区）。
- 擦除要素：用来“挖洞”的图层（如陡坡区）。
- 输出类：保存结果。
b. 相交
功能：找出所有输入图层相交的部分，并生成一个包含所有输入图层属性的新图层。
应用场景：
- 找出同时位于“农业保护区”和“水源涵养区”的土地。
- 分析道路图层与行政区划图层的重叠部分,以计算各行政区内的道路总长。
操作步骤:
- 使用
相交工具。 - 输入要素：选择两个或多个需要叠加的图层。
- 输出类型：选择输出的几何类型（如输入要素的交集、面、线等）。
- 输出类：保存结果。
c. 联合
功能：将所有输入图层的完整范围进行合并，相交部分会被分割，并保留所有输入图层的属性。
应用场景：
- 将一个地块图层和一个土壤类型图层进行联合,得到每个地块的详细土壤信息。
- 将行政区划图和土地利用图联合,生成新的图层，每个多边形都同时拥有行政和土地利用属性。
操作步骤:
- 使用
联合工具。 - 输入要素：选择两个或多个图层。
- 输出类：保存结果。
栅格分析
栅格分析基于网格单元,非常适合处理连续表面数据。
a. 表面分析
- 坡度：计算每个栅格单元的陡峭程度。
- 坡向：计算每个栅格单元的朝向（如北、南、东、西）。
- 等高线：从高程模型中提取等高线。
- 视线：分析从一个点到另一个点之间是否有视线遮挡。
应用场景：
- 坡度：用于工程建设、地质灾害风险评估。
- 坡向：用于农业种植规划（某些作物喜阳，某些喜阴）。
操作步骤 (以坡度为例):
- 确保你有高程数据（DEM），通常是
.tif格式的栅格数据。 - 使用
坡度工具。 - 输入栅格：选择你的 DEM 数据。
- 输出栅格：指定结果保存位置。
- 点击
运行。
b. 距离分析
- 欧氏距离：计算每个栅格单元到最近源要素的直线距离。
- 成本距离：考虑穿越不同地形的“成本”（如时间、难度），计算到最近源要素的最小成本路径。
应用场景：
- 欧氏距离：计算居民点到最近医院的距离。
- 成本距离：计算救援车辆穿过不同地形（道路、河流、山地）到达灾点的最快路径。
c. 重分类
功能：根据指定的规则，重新栅格单元的值，这是栅格分析中非常灵活和强大的工具。
应用场景：
- 将坡度图重分类为：0-10度为“适宜”，10-25度为“一般”，>25度为“不适宜”。
- 将土地利用图重分类为：1=林地，2=水域，3=建设用地。
操作步骤:
- 使用
重分类工具。 - 输入栅格：选择要重分类的栅格图层（如坡度图）。
- 重分类字段：通常选择
Value。 - 在
重分类表格中，设置旧值范围和新值。 - 输出栅格：保存结果。
网络分析
网络分析是在线性网络（如道路网、管线网）上进行的分析。
应用场景：
- 路径分析：寻找A点到B点的最快/最短路径。
- 服务区分析：计算从某个中心点（如消防站）出发，在指定时间内可以到达的所有区域。
- 位置分配：在给定区域内，为新建的N个设施（如超市、充电桩）选择最优位置，以服务最多的人口。
操作步骤 (以服务区分析为例):
- 准备网络数据集：通常使用包含道路信息的要素类创建。
- 打开
网络分析窗格。 - 新建一个
服务区分析图层。 - 将设施点（如消防站）拖入
设施点类别。 - 设置
阻抗（如“分钟”或“米”）和中断值（如5分钟、10分钟）。 - 点击
运行，生成服务区多边形。
第三部分：进阶与综合应用
空间插值
功能：根据离散点（如气象站、采样点）的测量值，生成一个连续的表面栅格图。
常用方法：
- 反距离权重：假设离采样点越近的位置，其值越受该点影响。
- 克里金：不仅考虑距离，还考虑数据的空间自相关性，能提供误差预测图。
应用场景：
- 根据多个气象站的气温数据,生成区域气温分布图。
- 根据土壤采样点的重金属含量数据,预测整个区域的污染状况。
热点分析
功能：识别要素（如犯罪案件、客户订单）的聚集区域，并判断这些聚集是“热点”（高值聚集）还是“冷点”（低值聚集）。
应用场景：
- 分析犯罪案件高发区,为警力部署提供依据。
- 分析客户订单分布,寻找潜在的新市场区域。
综合案例：适宜性分析
这是空间分析的经典应用,通常结合多个因素进行加权叠加。
场景：为一个新的风力发电厂选址。
步骤：
-
确定评价因子：
风速：风速越大越好。离居民区距离：距离越远越好（减少噪音和视觉污染）。坡度：坡度越小越好（便于建设）。土地利用类型：最好是未利用地或荒地。
-
数据准备与标准化：
- 将所有因子数据转换为栅格。
- 对每个栅格图层进行重分类，统一评分标准（1-5分，5分最适宜）。
-
确定权重：
通过专家打分法或AHP层次分析法,确定每个因子的权重，风速(0.5), 离居民区距离(0.2), 坡度(0.2), 土地利用(0.1)。
-
加权叠加：
- 使用
加权叠加工具。 - 将所有重分类后的栅格图层作为输入要素。
- 为每个图层输入其对应的权重。
- 运行工具,生成最终的“适宜性评价图”，图中值越高的区域，越适合建设风力发电厂。
- 使用
第四部分：学习资源与建议
官方资源
- ArcGIS Pro 文档：最权威、最全面的资料库，搜索任何工具或功能，都能找到详细的说明和示例。
- Esri 中国官网：提供教程、案例、网络研讨会等中文资源。
视频教程
- Bilibili (B站)：搜索“ArcGIS教程”、“空间分析入门”，有大量国内UP主分享的免费视频教程，非常直观。
- YouTube：搜索 "ArcGIS Tutorial"、"Spatial Analysis"，有 Esri 官方和全球各地专家发布的优质教程。
书籍
- 《GIS空间分析教程》：国内高校常用的经典教材，理论结合实践。
- 《ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程》：侧重于动手操作，步骤详细。
学习建议
- 从简单开始：先掌握缓冲区、叠加、重分类等基础工具，理解其原理和应用场景。
- 动手实践：找一套公开的地理数据（如从国家地理信息公共服务平台下载），尝试完成一个具体的小项目，为公园选址”或“分析学区覆盖范围”。
- 理解原理：不要只满足于“会点按钮”，要思考每个工具背后的数学或逻辑原理，缓冲区是基于距离的，叠加是基于拓扑关系的。
- 解决问题：带着问题去学习，当你有一个具体的目标时，学习会更有方向性和动力。
- 拥抱 Python：当你需要重复执行某个分析流程时，学习使用 Python 脚本可以极大提高效率。
希望这份教程能为你打开 ArcGIS 空间分析的大门，祝学习愉快！
