arcgis空間內(nèi)插教程(實(shí)例教程,超詳細(xì))

1、<p>　　GIS空間插值（局部插值方法）實(shí)習(xí)記錄</p><p>　　一、空間插值的概念和原理</p><p>　　當(dāng)我們需要做一幅某個(gè)區(qū)域的專題地圖，或是對(duì)該區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)研究的時(shí)候，必須具備研究區(qū)任一點(diǎn)的屬性值，也就是連續(xù)的屬性值。但是，由于各種屬性數(shù)據(jù)（如降水量、氣溫等）很難實(shí)施地面無縫觀測(cè)，所以，我們能獲取的往往是離散的屬性數(shù)據(jù)。例如本例，我們現(xiàn)有一幅山東省等降雨量圖，但

2、是最終目標(biāo)是得到山東省降水量專題圖（覆蓋全省，統(tǒng)計(jì)完成后，各地均具有自己的降雨量屬性）。</p><p>　　空間插值是指利用研究區(qū)已知數(shù)據(jù)來估算未知數(shù)據(jù)的過程，即將離散點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面。利用空間插值，我們就可以通過離散的等降雨量線，來推算出山東省各地的降雨量了。</p><p>　　二、空間插值的幾種方法及本次實(shí)習(xí)采用的原理和方法</p><p>

3、<b>　　整體插值方法 </b></p><p><b>　　邊界內(nèi)插方法 </b></p><p><b>　　趨勢(shì)面分析 </b></p><p><b>　　變換函數(shù)插值 </b></p><p><b>　　局部分塊插值方法 </

4、b></p><p><b>　　自然鄰域法 </b></p><p>　　移動(dòng)平均插值方法：反距離權(quán)重插值 </p><p>　　樣條函數(shù)插值法（薄板樣條和張力樣條法）</p><p>　　空間自協(xié)方差最佳插值方法：克里金插值 </p><p>　　■局部插值方法的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)與控制點(diǎn)選擇問

5、題</p><p>　　局部插值方法用一組已知數(shù)據(jù)點(diǎn)（我們將其稱為控制點(diǎn)）樣本來估算待插值點(diǎn)（未知點(diǎn)）的值，因此控制點(diǎn)對(duì)該方法十分重要。</p><p>　　為此，第一要注意的是控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)?？刂泣c(diǎn)的個(gè)數(shù)與估算結(jié)果精確程度的關(guān)系取決于控制點(diǎn)的分布與待插值點(diǎn)的關(guān)系以及控制點(diǎn)的空間自相關(guān)程度。為了獲取更精確的插值結(jié)果，我們需要著重考慮上述兩點(diǎn)因素（橫線所示）。</p><p

6、>　　第二需要注意的是怎樣選擇控制點(diǎn)。一種方法是用離估算點(diǎn)最近的點(diǎn)作為控制點(diǎn)；另一種方法是通過半徑來選擇控制點(diǎn)，半徑的大小必須根據(jù)控制點(diǎn)的分布來調(diào)整。</p><p>　　結(jié)合上述分析，在本次實(shí)習(xí)過程中，我們采用局部分塊內(nèi)插的這4種方法（上文中劃橫線的方法）進(jìn)行插值，首先，我們按照默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行插值，目的是粗略比較各種方法的優(yōu)劣；然后選擇出最好的一種方法，對(duì)該方法再嘗試用不同的權(quán)重和點(diǎn)數(shù)參數(shù)來插值，得出最佳的

7、效果。</p><p><b>　　三、目標(biāo)</b></p><p>　　1、根據(jù)帶坐標(biāo)的山東省縣域矢量地圖（sd_county.shp），完成山東年平均降水量與矢量圖的配準(zhǔn)；</p><p>　　2、比較各種不同插值算法的優(yōu)劣；</p><p>　　3、做出山東省各縣年平均降水雨量專題圖。</p><

8、;p><b>　　四、數(shù)據(jù)源</b></p><p>　　1、采用蘭伯特等角圓錐投影、以國家2000坐標(biāo)系為基準(zhǔn)面的山東省縣域行政區(qū)劃矢量圖</p><p><b>　　如圖：</b></p><p>　　2、山東年平均降水量分布圖(mm)71-00.jpg。</p><p>　　五、軟件平臺(tái)

9、：ArcGIS 10.0</p><p><b>　　六、具體操作步驟</b></p><p>　　S1、為該次實(shí)習(xí)建立一個(gè)工作目錄，將山東省氣候要素圖導(dǎo)入到該文件夾中來；</p><p>　　S2、在該目錄下新建一個(gè)shapefile文件，命名為“山東省等降水量線”，類型為“線”，導(dǎo)入山東省縣域矢量圖的坐標(biāo)——確定。如圖：</p>

10、<p><b>　　S3、配準(zhǔn)</b></p><p>　　1、將“山東年平均降水量分布圖(mm)71-00.jpg”添加到現(xiàn)在的圖層，調(diào)用“地理配準(zhǔn)”工具欄：</p><p>　　2、選擇標(biāo)志性點(diǎn)，對(duì)兩幅圖進(jìn)行配準(zhǔn)：</p><p>　　如圖：在德州市附近的輪廓線上，存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，于是利用這個(gè)明顯的拐點(diǎn)對(duì)兩幅圖像進(jìn)行配準(zhǔn)：

11、</p><p>　　依此類推，將山東省輪廓線上的明顯的標(biāo)志拐點(diǎn)兩兩配準(zhǔn)，建立了27對(duì)控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)添加完成后，點(diǎn)擊“更新顯示”并將配準(zhǔn)后的圖保存為一個(gè)單獨(dú)的文件。效果如下：</p><p>　　S4、矢量化等降雨量線，錄入屬性</p><p>　　將“山東省等降水量線”添加到圖層——開始編輯——依照柵格圖進(jìn)行矢量化，最終形成如下效果圖：</p>&l

12、t;p>　　4、對(duì)矢量化后的圖層進(jìn)行屬性值的錄入。鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊“山東省等降水量圖”——打開屬性表——表選項(xiàng)——添加字段，字段名稱為prec，類型為短整型——確定；然后點(diǎn)擊編輯器——開始編輯。對(duì)于每條等降雨量線，在prec字段錄入其屬性值（降水量），完成屬性表。這時(shí)，利用ArcGIS的自動(dòng)標(biāo)注功能，顯示如下：</p><p>　　S5、將等降水量線轉(zhuǎn)換成為點(diǎn)文件</p><p>　　這

13、一步是比較關(guān)鍵的一步：因?yàn)椴还苁遣捎媚姆N方法進(jìn)行空間插值時(shí)，都是使用的點(diǎn)文件。所以，我們需要在這一步將線文件等間距打斷并取中點(diǎn)，得到均勻分布的點(diǎn)文件，便于下一步進(jìn)行空間插值比較研究。</p><p>　　1、點(diǎn)擊編輯器——開始編輯；選中一條等降水量線——編輯器——分割，如圖所示：</p><p>　　此時(shí)，彈出“分割”對(duì)話框。由于為了達(dá)到點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離盡可能一致，我們將線分成相等的部分：

14、</p><p>　　例如，當(dāng)前選中的線長度為580087.019米（580公里）因此我們按照每10公里一個(gè)點(diǎn)的布局，進(jìn)行分割，因此“分成相等的部分”框中填58（580÷10=58）—>確定；</p><p>　　注：這樣可以保證每條等降水量線每隔10公里固定采樣，使點(diǎn)的分布盡可能均勻化。</p><p>　　2、按照同樣的步驟，將每條等降水量線進(jìn)行

15、分割；</p><p>　　3、接下來，打開ArcToolbox里面的數(shù)據(jù)管理工具——要素——要素轉(zhuǎn)點(diǎn)，輸入要素類為“山東省等降水量線”，輸出要素類命名為“prec”；選擇“內(nèi)部”（這是為了僅在線上生成點(diǎn)。否則會(huì)按線的幾何中心生成點(diǎn)，比如對(duì)于折線來說，有時(shí)候生成的點(diǎn)在線的外側(cè)）；</p><p>　　4、此時(shí)，均勻分布的點(diǎn)文件已經(jīng)生成，并且每個(gè)點(diǎn)具有降雨量屬性字段“prec”。如圖：<

16、;/p><p>　　S6、按照不同方法進(jìn)行空間插值，并比較各自優(yōu)劣</p><p>　　打開ArcToolbox——Spatial Analyst 工具——插值，打開插值方法列表，如下圖：</p><p>　　A、采用反距離權(quán)重法（IDW）對(duì)降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值：</p><p>　　反距離權(quán)重法的特點(diǎn)是按照距離待插值點(diǎn)的遠(yuǎn)近核定已知數(shù)據(jù)點(diǎn)的權(quán)重，

17、從而對(duì)待插值點(diǎn)進(jìn)行插值的過程。一個(gè)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)距離待插值點(diǎn)越遠(yuǎn)，權(quán)重就越低，它的值對(duì)待插值點(diǎn)的影響就越小。影響的程度用點(diǎn)之間距離乘方的倒數(shù)表示，通過“power”設(shè)置乘方。乘方為1意味著點(diǎn)之間數(shù)值變化率為恒定，稱為線性插值法；乘方為2或更高則意味著越靠近已知點(diǎn)，數(shù)值的變化率越大。</p><p>　　這種插值方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于數(shù)據(jù)分布均勻的區(qū)域，插值效果好；缺點(diǎn)是在數(shù)據(jù)分布不均地區(qū)插值容易出現(xiàn)小的封閉等值線（“球狀突

18、起”）和因數(shù)據(jù)缺乏而產(chǎn)生的不規(guī)則等值線。</p><p>　　雙擊ArcToolbox里面的“反距離權(quán)重法”，輸入點(diǎn)要素選擇“prec”，Z值字段選擇“prec”，輸出像元大小選擇1000。點(diǎn)擊確定，效果如下圖：</p><p>　　由圖像可以看出，山東省內(nèi)陸地區(qū)由于布點(diǎn)均勻，插值效果比較好；但是沿海地區(qū)出現(xiàn)兩條“球狀弧線”，如下圖：</p><p>　　B、采用克

19、里金法對(duì)降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值：</p><p>　　克里金插值與IDW插值的區(qū)別在于權(quán)重的選擇。IDW僅僅是將距離的倒數(shù)作為權(quán)重，而克里金考慮了空間相關(guān)性的問題?？死锝鸱ㄊ紫葘⒚績蓚€(gè)點(diǎn)進(jìn)行配對(duì)，這樣就能產(chǎn)生一個(gè)以兩點(diǎn)之間距離為自變量的函數(shù)。對(duì)于這種方法，原始的輸入點(diǎn)可能會(huì)發(fā)生變化。在數(shù)據(jù)點(diǎn)多時(shí)，內(nèi)插的結(jié)果可信度較高。</p><p>　　1、雙擊ArcToolbox里面的“克里金法”，輸入點(diǎn)

20、要素選擇“prec”，Z值字段選擇“prec”，半變異函數(shù)屬性中，設(shè)置克里金方法為普通克里金（Ordinary Krigging，OK），半變異模型選擇球面（Sphere）；輸出柵格命名為“ok_sphere”，輸出像元大小選擇1000。點(diǎn)擊確定，效果如下圖：</p><p>　　發(fā)現(xiàn)，局部存在比較明顯的“鋸齒現(xiàn)象”，如圖：</p><p>　　2、同樣是克里金插值方法，本次采用線形普通克

21、里金插值，效果如圖：</p><p><b>　　效果比較理想。</b></p><p>　　對(duì)于各種方法，依次展示如下：</p><p><b>　　高斯：</b></p><p><b>　　指數(shù)：</b></p><p><b>　　圓：

22、</b></p><p>　　泛克里金——與一次漂移函數(shù)成線性關(guān)系：</p><p>　　泛克里金——與二次漂移函數(shù)成線性關(guān)系：</p><p>　　3、依次嘗試各種克里金插值法，對(duì)比得出：</p><p>　　C、采用薄板樣條函數(shù)法對(duì)降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值：</p><p>　　薄板樣條函數(shù)法使用樣條函數(shù)來對(duì)

23、空間點(diǎn)進(jìn)行插值，它有兩個(gè)基本條件：</p><p>　　a.表面必須完全通過控制點(diǎn)（樣本點(diǎn)）</p><p>　　b.使所有點(diǎn)的坡度變化最小，換句話說，表面的二階曲率是最小的。</p><p>　　該方法適用于高程面、水位面、氣候數(shù)據(jù)（如平均降水量）的插值。有一個(gè)缺點(diǎn)是，在數(shù)據(jù)貧乏的地區(qū)坡度較大，經(jīng)常涉及如同過伸的情況。</p><p>　　

24、樣條函數(shù)插值分為兩種，規(guī)則樣條函數(shù)和張力樣條函數(shù)。下面分別進(jìn)行操作：</p><p>　　1、雙擊ArcToolbox里面的“樣條函數(shù)法”，輸入點(diǎn)要素選擇“prec”，Z值字段選擇“prec”，樣條函數(shù)類型選擇：REGULARIZED（規(guī)則樣條函數(shù)），輸出像元大小選擇1000。點(diǎn)擊確定，效果如下圖：</p><p>　　觀察發(fā)現(xiàn)，規(guī)則樣條函數(shù)也是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定程度的拉伸，但是拉伸幅度不大

25、，拉伸后的像元值介于99—1108之間（相比之下，普通克里金的高斯方法和泛克里金的與二次漂移函數(shù)呈線性關(guān)系方法拉伸幅度分別達(dá)到了-597—4903、-5347—4292），可以說是拉伸范圍適宜；在山東省內(nèi)部區(qū)域插值分布比上述所有方法都要更加均勻一些；雖然在邊緣地帶出現(xiàn)一定的數(shù)據(jù)突兀（如下圖，色調(diào)偏白的區(qū)域年平均降雨量只有200mm以下），但總體效果基本上能令人滿意。</p><p>　　2、雙擊ArcToolbo

26、x里面的“樣條函數(shù)法”，輸入點(diǎn)要素選擇“prec”，Z值字段選擇“prec”，樣條函數(shù)類型選擇：TENSION（張力樣條函數(shù)），輸出像元大小選擇1000。點(diǎn)擊確定，效果如下圖：</p><p>　　可見得，張力樣條插值不存在數(shù)據(jù)過拉伸現(xiàn)象，插值平滑且無突兀地帶，插值效果非常好。</p><p>　　D、采用自然鄰域法對(duì)降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值：</p><p>　　這種方

27、法的原理是構(gòu)建voronoi多邊形，也就是泰森多邊形。首先將所有的已知數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)建一組voronoi多邊形，然后將待插值點(diǎn)也構(gòu)建一組voronoi多邊形，這樣后一組多邊形與原多邊形有很多相交的地方。接下來，根據(jù)每一塊的面積按比例設(shè)置權(quán)重，這樣就能求得待插值點(diǎn)的值了。</p><p>　　雙擊ArcToolbox里面的“自然鄰域法”，輸入點(diǎn)要素選擇“prec”，Z值字段選擇“prec”，輸出像元大小選擇1000。點(diǎn)擊

28、確定，效果如下圖：</p><p>　　可見，該方法在有數(shù)據(jù)的區(qū)域，插值效果非常好，優(yōu)于上述各種方法；但是由于自然鄰域法是基于鄰近點(diǎn)的算法，所以圖上山東省輪廓邊緣（如魯西北、威海榮成成山頭附近）出現(xiàn)數(shù)據(jù)空白區(qū)，不符合最后成圖要求。</p><p>　　S7、對(duì)插值效果最好的一種方法，調(diào)整插值參數(shù)</p><p>　　經(jīng)過上述比較，得出插值效果最理想的是薄板張力樣條插

29、值方法，接下來調(diào)整搜索半徑，比較在不同的插值半徑下不同的效果。</p><p>　　1、雙擊ArcToolbox里面的“樣條函數(shù)法”，輸入點(diǎn)要素選擇“prec”，Z值字段選擇“prec”，樣條函數(shù)類型選擇：TENSION（張力樣條函數(shù)），輸出像元大小選擇1000，權(quán)重值填0.1，點(diǎn)數(shù)填12。文件名設(shè)為ten_A_12。點(diǎn)擊確定，效果如下圖：</p><p>　　只改變權(quán)重值，不改變其他參數(shù)

30、，重新嘗試。權(quán)重值填2，點(diǎn)數(shù)12。確定，效果如下圖：</p><p>　　再次改變權(quán)重值，不改變其他參數(shù)。權(quán)重值填12，點(diǎn)數(shù)填12。點(diǎn)擊確定，效果如下圖：</p><p>　　通過對(duì)比，可得：對(duì)薄板張力樣條插值方法來說，在選取同樣多的控制點(diǎn)的前提下，權(quán)重越小，生成的表面越光滑。例如，權(quán)重0.1的效果＞權(quán)重2的效果＞優(yōu)于權(quán)重12的效果。</p><p>　　2、同理，

31、對(duì)比在同一權(quán)重值下，控制點(diǎn)數(shù)目不同所產(chǎn)生的效果差異：</p><p>　　在權(quán)重為0.1的前提下，我們?cè)O(shè)置控制點(diǎn)數(shù)量為5個(gè)、30個(gè)，跟控制點(diǎn)12個(gè)的作比較：</p><p><b>　　■5個(gè)控制點(diǎn)：</b></p><p><b>　　■30個(gè)控制點(diǎn)：</b></p><p>　　可見得，控制點(diǎn)5

32、個(gè)和30個(gè)的情況均不如12個(gè)的時(shí)候效果好，也就是說，控制點(diǎn)不一定要太多，也不一定要少，要結(jié)合已知數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)和分布來判定最佳方案。因此我們最終選擇權(quán)重0.1、12個(gè)控制點(diǎn)的圖像進(jìn)行插值。</p><p>　　S8、制作山東省縣域年平均降水量地圖</p><p>　　1、首先制作一個(gè)山東省輪廓圖。保存一份山東省縣界圖的副本，命名為sd.shp，鼠標(biāo)點(diǎn)擊編輯器——開始編輯，將所有要素選中，點(diǎn)擊

33、編輯器下拉菜單中的“合并”，生成的文件就是山東省輪廓范圍了；</p><p>　　2、利用山東省輪廓范圍矢量圖對(duì)ten_A_12柵格圖進(jìn)行裁剪。打開數(shù)據(jù)管理工具——柵格——柵格處理——裁剪，彈出“裁剪”對(duì)話框。輸入柵格選擇ten_A_12，輸出范圍選擇sd，</p><p>　　在“將輸入要素用于裁剪幾何”處打?qū)?，目的是為了按照山東省的邊界來裁剪降水量圖（否則，默認(rèn)是按照矢量多變性的最小

34、外接矩形來裁剪柵格圖像）。如下圖：</p><p>　　3、現(xiàn)在生成了一幅灰度圖像。我們還是按照顏色對(duì)其進(jìn)行分類：</p><p>　　鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊sd_prec，選擇屬性——符號(hào)系統(tǒng)——已分類，彈出計(jì)算直方圖對(duì)話框，詢問是否計(jì)算直方圖，選擇“是”。目前最大值是835，最小值是490，數(shù)據(jù)跨度為345，因此我們按照每25mm為一個(gè)降水量帶，對(duì)圖像進(jìn)行分類制圖。345÷25+1≈1