【教学目的与要求】

1．教学目的：

ArcGIS9.0是ESRI在继承原有ARC/INFO成熟技术的基础上，整合了GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其他多方面的计算机主流技术，成功推出具有极高技术水平的全系列GIS平台。教学目的是了解ArcGIS9.0结构体系以及全新的地理数据库结构的管理，并掌握要在此新型的地理数据模型基础上的各种空间分析功能，并能熟练操作技能及综合的地理空间分析实践能力。

2．教学要求：

（1） 掌握ArcGIS的结构体系和基本功能；

（2） 掌握ArcCatalog数据管理与建立；

（3） 掌握利用ArcGIS进行栅格数据表面分析的能力。

【实验原理】

1．坡度计算

ArcGIS中的坡度计算工具可将一平面与要进行处理的像素或中心像素旁3 x 3 邻域的Z值进行拟合，再应用最大值平均法获得整个平面的坡度值。其值的大小决定着地形的陡势，值越大，地形就越陡峭，反之就越平坦，如图1所示。可使用两种单位输出地形坡度栅格数据：度或百分比。若将铅直高度的增加量比率看作是铅直高度增加量除以水平增加量后与100相乘，便能够理解铅直高度增加量百分比。如图中B所示，当为45度角时，铅直高度增量与水平增量相等，铅直高度增加量百分比为100%；如图2-2中C 所示，当角度无限近似90度时，铅直高度增加量百分比近似无穷大。

图1 度和百分比的坡度

用来计算坡度的基本算法是：

(1)

以度来表示坡度的算法如下：

(2)

坡度算法也可以表示为：

(3)

其中：

；通过计算中心及其周围紧邻的八个像元值的水平与垂直增量表示，如图2所示，e即为计算的像元。

图2 表面分析窗口

所求像元在水平向上的变化率计算方法如下：

(4)

所求像元在垂直向上的变化率计算方法如下：

(5)

其中cellsize表示地形栅格的网格间距。

2．起伏度计算

使用ArcGIS空间分析工具中的栅格领域计算工具进行块统计。块统计工具所执行的邻域运算可为一组固定的非叠置窗口或邻域中的输入像元计算统计数据。为单个邻域或块生成的值会分配给包含在指定邻域的最小外接矩形中的所有像元位置。由于各邻域不叠置，所以只会将一个块的任何特定像元包括在计算中。邻域可有不同的形状，如圆形、矩形或楔形等。根据其定义，块统计工具的工作原理如下：

A. 在分析窗口创建首个指定的邻域，例如圆形邻域（图3）。

图3 圆形图

B. 计算最小的邻域范围的矩形，以确定输出块的大小（图4）。

图4 块图

C. 将栅格的其余区域分成多个已定义块，块之间不能叠置（图5）。

图5 多个定义块

D. 在每个块中标识块计算将要使用的像元位置。像元位置由适合外接矩形的指定邻域（如圆形邻域）的定义确定（图6）。

图6 邻域

E. 为每个块的每个邻域计算输出值。将结果值分配给对应输出块中的每个像元位置。

2.重复第1步，只是将Statistic type值设置为最小值，即可得到DEM数据的最小值层面，记为Hmin。

3.使用栅格计算器，公式为

，即可得到新的图层，即为DEM数据的地形起伏度。

从其概念上可以看出，要获得其值首先需要计算确定面积内海拔高度的最大值和最小值，“确定面积”如何选取才能够很好的全面表征山体的地貌形态，并且具有普遍的适用性。

【教学步骤、内容】

1. 打开ArcGIS软件，新建ArcMap空白文档，将DEM数据添加进软件；

2.坡度提取工具位于ArcToolBox>表面分析>坡度，打开工具，输入数据为dem，选择输出路径与参数，（本实验默认），点击确定，坡度即可被提取出来；

3.坡向提取同上，根据需要设置参数，点击确定输出即可；

4.地形起伏度可通过窗口分析的得到，打开空间分析>邻域分析>焦点统计，输入数据为dem，像元大小为10*10，窗口为矩形，其他参数默认，点击确认即可；

5.地表粗糙度需要通过栅格计算器计算得到，打开地图代数>栅格计算器，按下图输入地表起伏度公式，即可得到地表粗糙度，至此，我们的实验结束。

【实验主要仪器设备及材料】

硬件：电脑；

软件：ArcGIS Desktop及相关扩展模块；

数据：实验数据。

【实验结果与讨论】

通过这次ArcGIS的实验，首先让学生体验ArcGIS的强大功能，也让学生对ArcGIS有一个初步的认识，了解地理信息系统是做什么的以及能够解决什么样的问题；其次，学生掌握了地形坡度及地形起伏度的计算原理，并熟悉了ArcGIS软件中对DEM数据进行相关的坡度、地形起伏度等表面分析功能，能够有效的解决一些实际问题。