全国大学生GIS技能大赛试题II解题方案

全国大学生GIS技能大赛试题II解题方案
——A120
一、大赛赛题
根据提供的数字高程模型，完成以下要求：
（1）计算“植被覆盖”图层范围内的坡度、坡向；
（2）提取“植被覆盖”图层范围内的河流线数据（不考虑图层范围外部的影响，汇流临界值为1000）；
（3）在“植被覆盖”图层范围内，计算每个栅格到最近河流的直线距离值；
（4）根据地形、植被、水体方面的生态因子及其对该地区的敏感性等级，赋予各因子权重值，加权计算该区域的生态敏感性信息，并按照敏感性等级分类方法，绘制该地区的生态敏感性等级分布专题图。

（5）根据你的解决方案，开发一个应用型GIS系统，该系统需要具备加载数据、浏览数据、查询数据等基本功能，其它功能不需编写代码，但应在程序界面上体现。

二、数据和软件说明
软件说明：ArcGIS for Desktop10.0、Office 2010、Visual Studio 2010。

数据说明：（1）DEM：地区的数字高程模型；（2）植被覆盖：地区植被覆盖的信息。

三、解题思路
根据地理信息栅格空间分析和栅格叠置分析的要求和规范，基于ArcGIS软件平台，本方案确立如图1的解题思路。

主要包括以下几个过程：（1）生态二级因子提取。

根据地区“DEM”数据和“植被覆盖”数据，提取地形、植被、水体方面的生态二级因子，主要包括坡度数据、坡向数据、水系数据、水系缓冲区数据、高程数据、植被覆盖数据。

（2）生态二级因子的权重值分配，根据地形、植被、水体方面的生态二级因子对该地区的敏感性等级，将各生态二级因子数据的属性值转换成敏感性等级。

（3）区域生态敏感性信息加权计算。

叠加所有的已知等级的生态二级因子数据进行加权计算，得到区域生态敏感性信息。

（4）专题图制作。

对区域生态敏感性信息进行符号化和输出布局，完成出图。

图1 解题思路流程图
四、解题过程
4.1 设置分析环境
打开ArcMap 软件，并加载DEM 以及植被覆盖图层。

点击地理处理菜单，通过环境选项来设置空间分析的全局环境，具体包括：设置栅格处理范围为“植被覆盖”图层覆盖的范围、设置栅格输出分辨率为原始DEM 数据的分辨率等。

图2 全局环境设置
提取坡度
提取水系
提取坡向
转换 权重值 叠
加计算敏感性等级
缓冲水系
DEM
坡度数据
坡向数据
水系数据
缓冲数据
转换 权重值
坡向 权重数据 转换 权重值
转换 权重值
植被覆盖
敏感性 等级信息
数 据 操 作 数据流
转换 权重值 转换 权重值 植被 权重数据 高程 权重数据
坡度 权重数据 水系 权重数据
缓冲 权重数据
说明：本方案选取栅格输出分辨率采用以下原则：（1）赛题无特殊规定，以需要处理的源数据的分辨率为准。

（2）不同源数据之间，以衍生的分析数据较多的为准。

4.2 提取坡度
采用【坡度】工具提取坡度数据。

输入栅格为DEM数据，输出坡度数据。

图3 坡度提取
说明：参数Z因子表示，1个表面Z值单位中X，Y单位的数量。

本方案中Z值和平面距离单位都为米，所以Z因子设置为1。

4.3 提取坡向
采用【坡向】工具提取坡向数据，输入栅格为DEM数据，输出坡向数据。

图4 坡向提取
4.4 提取河网缓冲区
（1）采用【填洼】工具对DEM数据进行填洼处理。

图5 洼地填充
说明：由于现实世界存在以及DEM数据采集过程出现误差，DEM中含有洼地。

洼地会导致水流无法流出，造成流向计算失败。

因此，在计算水流方向前需要先进行洼地填充处理。

在洼地填充中Z值是洼地处理的阈值即超过Z值的洼地不处理。

本方案在未做要求的情况下选取默认阈值，对范围内全部洼地进行填充。

（2）采用【流向】工具对DEM数据进行流向提取。

图6 流向提取
说明：结合地理实际情况，不勾选“迫使边界像元的流向都流向外部”。

（3）采用【流量】工具对提取的流向数据进行汇流累积量计算。

图7 流量计算
说明：由于地理要素空间分析的复杂性，本方案在做汇流累积计算时，假定每个像元拥有1个单位的水量。

因此不输入权重栅格。

（4）采用【栅格计算器】工具对得到的汇流累积量数据进行筛选，获取河网数据。

具体公式为：Con（“汇流累计数据”> 1000，1）。

图8 河网提取
说明：本方案采用Con函数对汇流累积数据中大于1000的栅格像元赋值为1，其余像元为无值区。

为方便展示，本方案将河网转成矢量以供可视化，即图8中蓝色数据。

（5）采用【欧氏距离】工具求取河网缓冲。

图9 缓冲区提取
4.5 转换因子权重属性
采用【重分类】工具，对坡度数据、坡向数据、高程数据、植被覆盖数据、河网数据和河网缓冲数据进行权重因子转换。

以坡度数据为例，如图10。

另附“各因子影响范围所附权重值表”如表1。

图10 敏感性权重获取 表1各因子影响范围所附权重值表
4.6 计算敏感性信息
采用【栅格计算器】工具，根据表1中各因子的权重值对区域敏感性信息进行计算。

具体公式为：
坡度* 0.2 + 高程* 0.1 + 坡向* 0.1 + 植被* 0.3 + 水系* 0.2 + 河流缓冲* 0.1。

图11 敏感性信息提取
说明：参与计算的所有栅格数据都是转换后的因子等级数据，即通过属性值等级化后确保栅格计算时所有因子单位统一。

4.7 输出专题图
依据“敏感性等级分类方法表”如表2，对区域敏感性信息数据进行分级符号化。

表2敏感性等级分类方法表
转换为布局视图，进行出图设计，结果如图12。

图12 生态敏感性等级分布图
说明：本方案出图时将原本为倾斜视角的“植被覆盖”范围内的数据通过数据框属性逆时针倾斜5度。

因此指北针和方里网都出现逆时针倾斜5度。

五、系统设计
根据赛题要求，本方案设计系统实现对从地形、植被、水体三个方面分析生态环境敏感性的研究。

系统介绍如下：
5.1 主界面
如图13所示，主界面有菜单栏、图层管理、视图管理以及状态栏四个部分组成，其中，数据管理又分为数据视图和布局视图。

图13 主界面截图
5.2 各模块说明
（1）文件管理。

该模块功能包括打开文档、保存文档、文档另存、添加数据、关闭程序。

负责整个系统的数据加载与保存。

模块截图如图14所示。

图14 文件管理
（2）地图操作。

该模块功能包括指针、全图显示、平移、拉框放大、拉框缩小、上一视图、下一视图、属性查询、刷新视图。

是系统加载数据的查看和操作模块。

模块截图如图15所示。

图15 地图操作
（3）敏感性分析。

该模块包括坡度、坡向、填洼、流向提取、汇流累积量、栅格计算器、重分类和缓冲区提取几大功能。

是整个系统的核心模块。

负责敏感性各生态因子的提取、按权重复合和结果的分级显示。

模块截图如图16所示。

图16敏感性分析
（4）制图输出。

该模块为专题图的制作输出模块。

主要包括图名、文本说明、内图廓、图例、比例尺、指北针、以及地图输出功能。

模块截图如图17所示。

图17制图输出
（5）辅助功能。

该模块主要包括书签的添加与管理以及量算功能。

菜单模块如图18所示。

图18敏感性分析
（6）系统帮助。

该模块是整个系统的帮助模块，包含系统的设置、版本信息查看、联系我们和系统帮助几项功能，是系统的系统信息的查看和帮助的查看模块。

模块截图如图19所示。

图19制图输出
说明：应赛题要求，本方案实现了文件管理和地图操作模块的功能，具体功能包括打开文档、文档另存、添加数据、全图显示、平移、拉框放大、拉框缩小、属性查询、刷新视图等。

六、总结与讨论
在本方案中，通过对原始DEM数据的空间分析，获取到了所需的二级因子，包括坡度、坡向、水系、水系缓冲等数据；通过重分类工具将所有二级因子根据属性值转换为了敏感性等级；叠加所有敏感性数据，取得了区域敏感性信息数据，并进行了分级符号化和出图。

在实现了赛题要求之余，本方案认为在以下与赛题相关的方面值得进一步探讨：（1）因为不同空间分辨率下进行的空间分析，所得到的结果数据的精度不同。

因此能否通过对不同分辨率下所得到的结果进行比较，探索方案区域最佳的空间分析分辨率。

（2）本方案在研究生态敏感性问题时，主要考虑了水系、地形、植被3个要素。

能否添加更多的影响因子，比如
气候、生物活动等，制作相应的专题地图集，更多元地探究生态敏感性专题。