栅格数据的空间分析
栅格数据结构简单、直观，非常利于计算机操作和处理，是GIS常用的空间基础数据格式。基于栅格数据的空间分析是GIS空间分析的基础，也是ArcGIS的空间分析模块的核心内容。栅格数据的空间分析主要包括：距离制图、密度制图、表面生成与分析、单元统计、领域统计、分类区统计、重分类、栅格计算等功能。ArcGIS栅格数据空间分析模块（Spatial Analyst）提供有效工具集，方便执行各种栅格数据空间分析操作，解决空间问题。本章将对ArcGIS中栅格数据空间分析的各模块从原理上和实现上作详细的说明，并附以具体实例，引导读者更好的应用。 8.1 设置分析环境
基于ArcGIS进行空间分析首先要设置分析环境。分析环境的设置会一定程度地影响空间分析结果。它主要包括工作目录的选择、栅格单元大小的设定、分析区域的选定、坐标基准的配准模式、分析过程文件的管理等。本节将逐一对各分析环境的设置作详细说明。 8.1.1工作路径
缺省情况下分析结果将自动保存在操作系统的默认路径下，如c:\\...\\temp。当然，通过栅格空间分析模块中的Option选项的设置，可以指定新的所有分析结果的默认存放位置。
图8.1 设置工作路径
1． 单击Spatial Analyst菜单下的Option命令，打开Option对话框。 2． 在弹出的Option对话框中选择General标签（图8.1）； 3． 在Working栏中指定存放路径； 4． 点击确定按钮。 8.1.2 栅格大小
此处栅格大指分析过程中系统默认的栅格数据的栅格单元大小（Cell Size），也有人把它称为分析解析度。栅格数据的空间分析就是在每一个栅格单元的基础上进行的。如果单 1
元过大则分析结果精确度降低，如果单元过小则会产生大量的数据，而且计算速度降低。所以需要选择合适的单元大小。可以通过如下方式来设置：
1. 单击Spatial Analyst菜单下的Option命令，打开Option对话框。 2. 在弹出的Options对话框中选择Cell Size标签（图8.2）；
3. 在Analysis cell栏的下拉菜单中可选择如下三种方式中的一种来进行分析； （1） Maximum of Inputs：输入栅格的最大单元值； （2） Minimum of Inputs：输入栅格的最小单元值；
（3） As Specified Below：自己设定合适的单元大小。可以手动输入栅格大小值，也可以选择已有的栅格数据层，或点击右边文件打开图标，选择合适的栅格文件作为默认分析栅格大小。图8.2 为计算结果设置单元大小
（4） Number of rows和Number of columns栏中分别设定行和列的数目。 4. 点击确定按钮。 8.1.3 分析区域
1．利用坐标设置分析区域
在栅格数据的空间分析中，当对几个输入栅格进行函数计算时，缺省情况下其计算范围是在几个输入栅格的重叠位置上进行的，即是在输入栅格的交集上进行的，则它的计算结果也是这个范围。但是为了满足工作需要，可以定义一个用户需要的计算范围。定义方法为：
（1） 单击Spatial Analyst菜单下的Option命令，打开Option对话框。图8.3利用坐标设置分析区域
（2） 在弹出的Options对话框中选择Extent标签，如图8.3；
（3） 在Analysis extent栏的下拉菜单中可选择如下四种方式中的一种来进行分析； 1） Same as Display：在地图的可视区域上进行分析；
2） Intersection of Inputs （默认值）：在输入栅格的交集上进行分析； 3） Union of Inputs：在图层的并集上进行分析； 4） As Specified Below：自己设定合适的分析范 2
围。可以手动输入Top, Bottom, Left, Right栏的具体坐标值，来控制分析范围。也可以选择已有的栅格数据层，或点击右边文件打开图标，选择合适的栅格文件，用它们的坐标范围作为当前分析范围。 （4） 点击确定按钮。 2．利用掩码设置分析区域
此外，在进行空间分析的过程中，如果分析只是在所选择的单元集或局部区域进行，并不需要在整个单元集上进行，这时就需要设置分析码。分析掩码标识了分析过程中需要考虑到的分析单元即分析范围。此过程中，首先要预设分析掩码，并对不需要进行分析的单元赋空值，然后进行分析。分析掩码的创建参照重分类（8.5 重分类）。分析掩码的设定过程为：
（1） 单击Spatial Analys图8.4 分析掩码的使用
打开Option对话框。在弹出的Options对话框中选择General标签，如图8.4； （2） 在Analysis mask中选择 （3） 点击确定按钮。 在后继分析中，所有的分 8.1.4 坐标系统
在ArcGIS的空间分析中，可以通过两种方式设定分析结果的坐标系统配准方式，具体过程为：
1. 单击Spatial Analyst菜单下的Option命令，打开Option对话框。在弹出的Options对话框中选择General标签，如图8.5； 图8.5 坐标系统 2. 在Analysis Coordinate System栏中选择你所需要的坐标系统；
（1） 分析结果将以输入栅格的坐标系统来存储(如果存在多个输入栅格，则将以第一个输入栅格坐标系统存储)；
（2） 分析结果将以“Active”数据的坐标系统来存储。 3. 点击确定按钮。 3
8.1.5 过程文件管理
在ArcGIS空间分析过程中，除了少数需要明确指出输出文件名称的分析功能模块外，大多数分析的过程文件和结果文件都是临时性的。如果需要保存，可以通过三种方式将临时性结果转化为永久性结果。图8.6 文件输出对话框 1. 在函数对话框中输入结果全名
在输出计算结果时，在文件输出对话框（Output raster）输入结果文件全名，计算结果将被永久性保存。如图8.6。 2. 通过目录表永久保存计算结果
激活需要永久保存的数据层，点击鼠标右键，选择Make Permanent命令（图8.7），在弹出的对话框中设置目录路径并为结果指定名称。图8.7 通过目录表永久保存计算结果
3. 通过保存地图文档永久保存计算结果
在文件（File）菜单中选择保存（Save）或另存为（Save As）命令。在弹出的对话框中指定存放路径和文件名称，并在保存类型下拉箭头中选择ArcMap Documents（*.mxd）。地图文档保存的仅仅是当前地图文档中所有数据层的索引信息，包括文件的名称、存放路径、符号化等，并不存放数据层的具体数据，在以后应用中，如果数据层的存放路径发生改变，地图文档就无法自动完成数据的链接和读入。 8.2 距离制图
距离制图（Distance）即根据每一栅格相距其最邻近要素（也称为“源”）的距离来进行分析制图，从而反映出每一栅格与其最邻近源的相互关系。通过距离制图可以获得很多相关信息，指导人们进行资源的合理规划和利用。例如，飞机失事紧急救援时从指定地区到最近医院的距离；消防、照明等市政设施的布设及其服务区域的分析等。此外，也可以根据某些成本因素找到A地到B地的最短路径或成本最低路径。本节就ArcGIS中距离制图的基本原理和实现过程进行详细阐述。 4
8.2.1距离制图基础
距离在空间分析中是一个非常广义的概念。它不再只是单一的代表两点间的直线长度，而是被赋予了更加丰富的内容。在此，提出了一个新的概念，函数距离。函数距离是描述两点间距离的一种函数关系，如以时间、摩擦、消耗等为函数，将这些用于距离测量的函数集中起来，称为函数距离。图8.8 距离制图函数所在位置
ArcGIS中的距离制图包括了四个部分（图8.8）：直线距离函数（Straight Line）、分配函数（Allocation）、成本距离加权函数（Cost Weighted）、最短路径函数（Shortest Path），可以很好实现常用的距离制图分析。在ArcGIS中，距离制图分析主要通过距离制图函数完成，在这里有些基本概念和约定首先需要说明。 1. 源
源即距离分析中的目标或目的地。如学校，商场，水井，道路等。在空间分析中，用来参与计算的源一般为栅格数据，源所处的栅格赋予源的相应值，其他栅格没有值。如果源是矢量数据则需要先转成栅格数据。 2. 距离制图函数 （1） 直线距离函数
直线距离函数用于量测每一栅格单元到最近源的直线距离。它表示的是每一栅格单元中心到最近源所在栅格单元中心的距离。 （2） 成本距离加权函数
成本距离加权函数用其它函数因子修正直线距离，这些函数因子即为单元成本。通过成本距离加权功能可以计算出每个栅格到距离最近、成本最低源的最少累加成本。这里成本的意义非常广泛，它可以是金钱、时间或偏好。直线距离功能就是成本距离加权功能的一个特例，在直线距离功能中成本就是距离。成本距离加权依据每个格网点到最近源的成本，计算从每个格网点到其最近源的累加通行成本。
成本距离加权考虑到了事物的复杂性，对于基于复杂地理特性的分析非常有用。例如不是所有道路都是平坦的，即使目的地就在山的另一边，其直线距离很近，但翻过高山要比走直路难得多，如将时间作为成本，翻山需要1小时，绕路需要30分钟，则此时翻山的成本距离就要大于绕路的成本距离，因此人们会自觉选择绕路而不是翻山。除此之外，成本距离加权还对动物迁移研究、顾客旅游行为、道路、输送管线、输油管等等的最低耗费成本计算非常有帮助。 （3） 距离方向函数
距离方向函数表示了从每一单元出发，沿着最低累计成本路径到达最近源的路线方向。如图8.9为成本距离加权数据与方向数据的说明图，图a为成本距离加权数据，图b 5