基于GIS的地质灾害与坡度和相对高差相关性分析

毕业设计（论文）任务书

题目： 基于GIS的地质灾害与坡度和相对高差相关性分析 学生姓名： 班级： 学号：

题目类型： 应用型 指导教师： 一、 设计参数

1、地质灾害与GIS的相关知识

2、基于GIS的地形坡度、相对高差的提取 3、相关系数知识

二、 设计（论文）任务及要求

1、熟悉arcgis软件；

2、图像纠正、灾害数据数字化，基于DEM的坡度、相对高差的提取； 3、地质灾害与坡度、相对高差的叠加与计算； 4、灾点在相对高差与坡度上位置相关性计算； 5、相关性分析。 三、 各阶段时间安排

设计内容 查阅文献（10篇，其中要求有1-2篇英文文献） 撰写文献综述 总结拟定本课题的设计方案、技术路线 熟悉arcgis软件 周数 4周 2周 1周 2周 图像纠正、灾害数据数字化，基于DEM的坡度、相对高差提3周 取，相关性计算与分析

毕业论文撰写 毕业答辩

四、主要参考资料

3周 1黎立 张黎建 地质灾害风险评估中GIS技术的应用分析 中国新技术新产品2012 no.07

2 卢全中 彭建兵 地质灾害风险评估研究综述 长安大学 灾害学 2003 12 第18 卷 第4 期

3 姚明波 孔志刚 戴家胜 GIS技术在地质灾害研究中的应用 中国水运 2006 12 第4卷 第12期

4 吴京 何必 李海涛 地理信息系统应用教程 清华大学出版社 15-16页 5 郭芳芳 扬农 孟辉 张岳桥 叶莹莹 地形起伏度和坡度分析在区域滑坡灾害评价中的应用 南京大学 中国地质 2008 2 第35卷 第1 期 6 池建 地理信息系统 清华大学出版社 13-31页

7 王小东 基于GIS的地质灾害数据库设计 河南大学学报 2007 6 第26卷第3期

目录

第一章 研究方向 ................................................................................................................. 1

1.1 引言 ........................................................................................................................ 1 1.2 研究的意义 ............................................................................................................ 2 1.3 研究的内容 ............................................................................................................ 2 第二章 地质灾害与GIS ...................................................................................................... 3

2.1 地质灾害 ................................................................................................................ 3 2.2 地理信息系统(GIS) ............................................................................................... 3

2.2.1 GIS 的简介 .................................................................................................. 3 2.2.2 GIS 的特征 .................................................................................................. 3 2.2.3 GIS 的功能 .................................................................................................. 4 2.2.4 ArcGIS平台 ................................................................................................. 4 2.3 相对高差、坡度与地质灾害 ................................................................................ 4 第三章 基于GIS的坡度、相对高差计算方法 ................................................................. 5

3.1 相对高差和坡度简介 ............................................................................................ 5 3.2 坡度 ........................................................................................................................ 5 3.3 相对高差 ................................................................................................................ 7 3.4 灾害数据 ................................................................................................................ 7 第四章 研究数据的获取 ..................................................................................................... 8

4.1 灾害数据获取 ........................................................................................................ 8

4.1.1 图像纠正 ..................................................................................................... 8 4.1.2 灾害数据数字化 ....................................................................................... 10 4.2 灾害数据数字化成果图 ...................................................................................... 12 4.3 基于DEM的坡度提取 ....................................................................................... 17

4.3.1 坡度的提取和生成坡度图 ....................................................................... 17 4.3.2 灾害点坡度的提取 ................................................................................... 19 4.3.3 灾害点坡度的提取结果图 ....................................................................... 23 4.4 基于DEM的相对高差的提取 ........................................................................... 25

4.4.1 高程（DEM）提取 .................................................................................. 25 4.4.2 相对高差的提取与相对高差图的生成 ................................................... 25

4.4.3 灾害点相对高差的提取 ........................................................................... 27 4.4.4 灾害点相对高差的提取结果图 ............................................................... 30

第五章 灾害数据处理与分析 ........................................................................................... 32

5.1数据格式转换 ....................................................................................................... 32

5.1.1 栅格数据向矢量数据的转换 ................................................................... 32 5.1.2 矢量数据向栅格数据的转换 ................................................................... 33 5.2 地质灾害与坡度、相对高差的叠加计算 .......................................................... 33 5.3 灾害点坡度、相对高差值的分类 ...................................................................... 34

5.3.1 灾害点坡度、相对高差值的分类方法 ................................................... 34 5.3.2 各灾害点坡度、相对高差值的分类结果属性表 ................................... 39 5.4 平均坡度的计算与分析 ...................................................................................... 41 5.5 属性表的导出 ...................................................................................................... 42

5.5.1 导出步骤 ................................................................................................... 42 5.5.2 表格中灾害个数的计算与统计步骤 ....................................................... 43 5.6 灾害的统计结果与分析 ...................................................................................... 44

5.6.1崩塌灾害与坡度、相对高差关系统计结果与分析 ................................ 44 5.6.2滑坡灾害与坡度、相对高差关系统计结果与分析 ................................ 45 5.6.3泥石流灾害与坡度、相对高差关系统计结果与分析 ............................ 46 5.7地质灾害与相对高差和坡度的相关性分析 ....................................................... 47

5.7.1相关系数的计算方法 ................................................................................ 47 5.7.2相关系数的计算与统计结果 .................................................................... 48 5.7.3相关性的分析 ............................................................................................ 49 5.8 结果分析 .............................................................................................................. 50

5.8.1得出结论 .................................................................................................... 50 5.8.2成果分析 .................................................................................................... 50

第六章 结束语 ................................................................................................................... 51 参考文献 ............................................................................................................................. 52 致谢 ..................................................................................................................................... 54 外文翻译 ............................................................................................................................. 56

基于GIS的地质灾害与相对高差和坡度的相关性分析

第一章 研究方向

1.1 引言

今年来 ,各种地质灾害对我国危害程度日益加重 ,地质灾害造成的损失逐年增加 ,造成巨大的经济损失 。所谓地质灾害 ,指由于地质因素的存在和变化能够对各类建筑和工程 造成破坏并招致显著的经济损失 ,对人民生命和生产安全构成威胁 ,对城乡和区域环境产生危害的各类地质作用和现象 。而且随着社会的进步, 政府部门及基层广大群众提高了对地质灾害的重视程度. 对政府而言, 它需要了解辖区内的地质灾害发育规律, 以便采取相应的防治措施; 对群众而言, 则关系到他们的切身利益, 他们需要知道灾害会不会发生, 需不需要搬迁等信息.。通过对相对高差和坡度地貌学中描述地貌形态的两个重要参数的研究，确定相对高差和坡度对地质灾害的影响作用和预测灾害的发生，帮助政府对地质灾害做出科学预报和有效防治，降低和减少地质灾害对国家建设和人民生活的影响。而地理信息系统 (GIS) 是有效表达、处理以及分析与地理分布有关的专业数据的一种技术，它为人们提供了一种快速展示有关地理信息和分析信息的新的手段和平台。 从20 世80 年代以来，GIS在灾害管理中得到逐步深入的应用：从简单的灾害数据管理、多源数据集数字化输入和绘图输出，到DTM和DEM模型的建立和使用；从GIS结合灾害评价模型的扩展分析；到GIS与决策支持系统的集成。GIS的核心是空间数据管理子系统，由空间数据处理和空间数据分析构成。运用GIS所具有的数据采集和提取、转换与编辑、数据集成、数据的重构与转换、查询与检索、空间操作与分析、空间显示和成果输出及数据更新等功能，我们可以根据地质灾害评估的需要，建立以GIS技术为基础的、用于地质灾害评价的空间分析模型，评价结果可以图层的形式显示或者报表、表格形式输出，为专业部门或决策部门提供灾害管理和决策依据。本文主要简述利用 ArcGIS 软件由矢量地形图生成 TIN, 进而得到坡度图、及高程图的方法, 分析地质灾害与相对高差和坡度之间的关系从而帮助政府人员合理科学的预防地质灾害和管理规划地质灾害区的建设与

开发。

1.2 研究的意义

在面对各种地质灾害频发的今天,确定灾害发生的时间、地点、规模显得尤为重要。 因为地质灾害的强大破坏力和对经济的巨大影响使得人们要对它做到足够的认识和预报。而且地质灾害对人民生命和生产安全构成严重威胁，政府部门及基层广大群众更是提高了对地质灾害的重视程度.所以无论从政府方面出发还是从人民方面出发，如何有效的治理和预防地质灾害的发生已经成了人们必须思考的问题。政府急需了解辖区内的地质灾害发育规律, 以便防治。群众需要知道灾害会不会发生如何应急。本文就是致力于研究地质灾害与坡度、相对高差之间的关系来确定灾害发生的时间、地点、规模等问题，为政府宏观决策人民如何防灾减灾做出科学依据。通过研究灾害地区灾害数据，得到统计直方图以及分析结果来帮助政府对地质灾害做出科学预报和有效防治，降低和减少地质灾害对国家建设和人民生活的影响。达到人们对地质灾害的科学认识和合理预防。

1.3 研究的内容

在地质灾害高发的今天，研究地质灾害的方法越来越成熟，工具也越来越多。而地理信息系统 (GIS) 就是一种研究地质灾害理想工具，它有着不可替代的优势与功能。它不仅可以有效的表达、处理以及分析与地理分布有关的专业数据，也可以为人们提供一种快速展示有关地理信息和分析信息的新的手段和平台。本文就是基于GIS利用ArcGIS 软件平台研究灾害地区（甘肃甘谷地区）的各种灾害的发生与坡度、相对高差之间的关系。提取出坡度图、相对高差图, 统计得到坡度、相对高差与各种灾害（滑坡、泥石流、崩塌、不稳定斜坡）之间的关系直方图并加以分析，确定地质灾害与相对高差和坡度之间的关系。再在此基础上计算得到灾害与坡度、相对高差之间的相关系数与统计图，对灾害与坡度、相对高差之间的相关性加以分析研究。确定它们之间的相关性大小。从而确定各种灾害的发生与坡度、相对高差之间的具体关系，帮助政府人员合理科学的预防地质灾害和管理规划地质灾害区的建设与开发。帮助人民防灾减灾。

第二章 地质灾害与GIS

2.1 地质灾害

地质灾害是包括自然因素或人为活动引发的危害人民生命和财产安全的山体滑

[1]

坡、崩塌、泥石流、地裂缝等与地质作用有关的灾害。我国是世界上自然灾害最多、

损失最严重的国家之一,灾害种类多,分布地域广,造成损失大。应对自然灾害是人类生存与可持续发展不可回避的问题之一,与风险共存,始终做到居安思危、防患于未然,是减灾和灾害管理的基本点和出发点。

2.2 地理信息系统(GIS)

2.2.1 GIS 的简介

地理信息系统(GIS)是一门集计算机，信息学，地理学等多门学科为一体的学科。它是在计算机软件和硬件支持下，应用系统工程和信息工程的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。[2] GIS通常也被认为是一种决策支持系统。它是有信息系统的一般特点。GIS可以通过、分析、通讯进行复杂图案识别以及空间建模和数据挖掘。一个GIS系统一般由5部分组成硬件、软件、数据、人员、方法。所以GIS既是一门学科又是一个技术系统。

2.2.2 GIS 的特征

（1）具有采集，管理，分析和输出多种地理空间信息的功能，具有空间性和动态性。

（2）以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析，多要素综合分析，多要素综合分析和动态预测的能力。 （3） 由计算机系统支持进行空间地理数据管理。[3]

2.2.3 GIS 的功能

（1） 数据的提取，转换和编辑 （2） 数据的集成

（3） 数据结构的重构和数据转换 （4） 空间数据的查询和检索 （5） 空间操作和分析 （6） 空间显示和成果输出

2.2.4 ArcGIS平台

ArcGIS 是 美 国 环 境 系 统 研 究 所 ESRI（Environment System Research Institute）开发的GIS 软件，该软件功能强大，易学易用。是世界上应用最广泛的GIS软件之一，也是我国 GIS 领域常用的商业软件之一。[4] 随着用户的需要的不断增长和应用领域的不断拓展，ArcGIS软件业不断的升级完善。主要有ArcGIS9.0 ArcGIS9.2 ArcGIS9.3 等。本篇论文运用的是ArcGIS9.3版本。ArcGIS9.3是优秀的地理信息系统软件，不仅功能强大而且界面友好。基本上可以满足不同层次的用户需要。ArcGIS9.3有四部分组成，分别是桌面GIS、嵌入式GIS、移动GIS和服务器GIS。而桌面GIS软件ArcGIS Desktop是开发、设计地理信息系统的主要应用程序。是一系列整合的应用程序总称。主要包括ArcMAP、ArcCatalog、ArcToolbox 。除此之外，还包括若干可选的扩展模块，如3D Analyst、Spatial Analyst 。

2.3 相对高差、坡度与地质灾害

坡度对地形分析的影响是多方面的, 从选择、确定灾害发生地以及城市景观的组织无一不受地形的影响,形影响因素主要有: 高程、坡度、坡向等。且坡的发育受控于很多因素, 如地形(相对高差)、地层岩性层、地质构造等， 这些主控因素成为地质灾害危险度区划的基础。然而, 只有深入研究每一个主控因素与灾害发育之间的关系, 才能最终建立科学的灾害评价系统, 提供客观的灾害发生的区域空间预测模型。在灾害形成的地形控制因素分析中, 坡度和相对高差受到了重视, 尤其在单体滑坡的监测中, 坡度和相对高差可以通过野外实测得到, 是控制单体滑坡发育的重要

因素。在滑坡区域空间预测和相关性研究中, 坡度和相对高差的提取基于DEM。在ArcGIS 软件平台上, 利用已知数据资料, 通过对研究区相对高差和坡度的提取, 结合现有区域数据资料, 建立这两个地形参数与区域灾害发育之间的相关性, 探讨相对高差和坡度分析在地质灾害评价中的应用。可以很好的研究和了解地质灾害的形成，发生和预测。

第三章 基于GIS的坡度、相对高差计算方法

3.1 相对高差和坡度简介

相对高差和坡度是地貌学中描述地貌形态的两个重要参数。 相对高差反映地表起伏程度, 常用某一确定面积（一定半径的圆面）内最高点和最低点海拔高度之差来表示, 坡度一般指坡面的铅直高度和水平宽度比值的反正切值。地面上某点的坡度是表示地表面在该点倾斜程度的量, 它是一个既有大小、又有方向的量。地表面任一点的坡度是指过该点的切平面与水平地面的夹角。坡度表示了地表面在该点的倾斜程度。[5] ArcGIS 中坡度包括两种表示方法，一是坡度 (Degree of slope)，二是坡度百分比(Percent of slope)。而本文中坡度不是指实测得到的值, 而是基于DEM 数据利用ArcGIS 提取的坡度值。新近快速发展的地理信息系统(Geographic Information System,GIS) 为地质学研究和地貌形态的定量分析提供了新的视角和平台。数字高程模型(DigitalElevation Model,DEM) 作为地理数据库中最为重要的空间信息资料和赖以进行地形分析的核心数据系统，不仅可以提取相对高差、坡度和坡向等地形参数，这些参数同时成为定量分析地形地貌和地质灾害评价的基础。另外, 地理信息系统在滑坡灾害评价中的应用日益成为地质灾害研究中的热点。

3.2 坡度

格网模型中地表基本单元的坡度等于其法向量ni,j与 z轴之夹角（图3-2-1中的slopei,j），而两向量的夹角余弦等于两向量的数量积与模的乘积之商，即：



图3-2-1 地表基本单元坡度、坡向示意图 图3-2-2 格网点配置示意图

Slopei,j=arcos( znij) znij =arcos(2 xy/((y(zi,j1zi,jzi1,j1zi1,j))2 (3-2-2)

+(x(zi,j1zi1,j1zi1,jzi,j))4xy)2)

根据(3-2-2)式计算格网模型的坡度的过程较为复杂。一般情况下，如果格网为正方形，那么可以采用下面介绍的简化公式（参见图3-4）进行计算。

假设 zazbzczd为地表基本单元四个格网点的高程数据，xy为格网的基本单位长度，那么p点的微分公式为：

2221u =

V =

2(zazb)zzazb xdis2xy2(zcczd)zzczd ydis2xySloopi,j =actanu2v2 (3-2-3)

对(3-2-2)、(3-2-3)而言，0slopei,j90。应用时，可根据需要对度数进行分级，以形成坡度分析的分级标准。当需要时，也可以把度数转化为百分比。[6]

3.3 相对高差

相对高差又可以理解为地形起伏度，是指在一个特定的区域内，最高点海拔高度与最低点海拔高度的差值。它是描述一个区域地形特征的一个宏观性的指标。从相对高差（地形起伏度）的定义可以看出，求地形起伏度的值，首先要求出一定范围内海拔高度的最大值和最小值，然后，对其求差值即可。地形起伏度最早源于前苏联科学院地理所提出的地形切割深度，地形起伏度现在成为划分地貌类型的一个重要指标。 本文是在研究的地质灾害区域内安半径为11米得的圆为研究最小单元，在此最小单元内进行计算大的最大高程值与最小高程值之差。 它的计算要在Arc GIS中进行，利用栅格邻域计算工具设置最大值A；设置最小值为 B。然后 [A]-[B]，即可得到一个新层面，其每个栅格的值就是以这个栅格为中心的确定邻域的相对高差（地形起伏）值。

3.4 灾害数据

灾害数据是指为研究灾害地区的灾害发生情况进行灾害预报和科学研究灾害而通过各种手段获取的有关灾害的数字信息，图像影像信息以及其他信息。比如：灾害数据可以是收集的已有地图。本文研究的灾害数据就是已获得的影像地图，这种灾害数据信息的获取需将图像数字化后才可获取得到具体数据信息。首先使图像扫描、纠正图像。再进行灾害数据数字化，便可得到研究灾害相关性的数据信息。纠正是指，使摄影测量得到的地质灾害图像与灾害界址图像具有相同的坐标，且能很好的重合。让地质灾害图像的坐标和比例尺达到一定精确，满足图像数字化处理要求。其图像纠正的具体方法是加载ggboiund（界址图）与灾害图，点击zoom to layer 利用Georeferencing工具完成图像纠正。

第四章 研究数据的获取

4.1 灾害数据获取

4.1.1 图像纠正

图像纠正的步骤：在ArcGIS中打开界址图如图(1)，加载灾害图如图(2)，左击灾害图出现菜单，然后点击zoom to layer ，修改在灾害图坐标，使之达合理精度要求如图(3)。再检查所修改的坐标，确定满足要求精度如图(4)。利用Georeferencing工具中的fit to display完成图像纠正。其结果如图(5)。

图4.1界址图像

图4.2灾害图像

图4.3修改坐标

图4.4坐标属性框

图4.5纠正结果图

4.1.2 灾害数据数字化

1 灾害数据数字化步骤

灾害数据数字化的目的是为相关性分析获得基础数据，步骤是加载纠正后的图像，新建各个（滑坡，泥石流，不稳定斜坡，崩塌）灾害图层。下面以滑坡灾害数据化为例介绍操作步骤：新建滑坡图层，添加纠正后图像，在滑坡图层下选择合适的标

志点，逐次在纠正图上点出滑坡的灾害点如图(6)。打开滑坡灾害图的属性表open Attribute tabie,再在属性class一栏中单击右键，选择field calculator如图(7)。编辑class=滑坡，点击ok运行后，结果如图(8)。到此滑坡灾害数据化完成，其他灾害数据化步骤与其相同这里不在一一介绍。其它灾害数据化结果如图(9) 图(10) 图(11)

图4.6滑坡灾害数据数字化

图4.7 field calculator

图4.8 坡灾害数据数字化结果图

泥石流：

图4.9泥石流灾害数据数字化结果

崩塌：

图4.10 崩塌灾害数据数字化结果图

不稳定斜坡：

图4.11 崩塌灾害数据数字化结果

4.2 灾害数据数字化成果图

灾害数据数字化（界址灾害）成果图

成果图4.1 泥石流灾害点图

成果图4.2 滑坡灾害点图

成果图4.3 崩塌灾害点图

成果图4.4不稳定斜坡灾害点图

2灾害数据数字化（界址灾害）成果图

成果图4.5滑坡灾害点图

成果图4.6 泥石流灾害点图

成果图4.7崩塌灾害点图

成果图4.8不稳定斜坡灾害点图

4.3 基于DEM的坡度提取

4.3.1 坡度的提取和生成坡度图

坡度的提取是为相关性分析提取必要数据，坡度的提取坡度的计算方法很成熟，基于已有数据，第一步：用行政边界和等高线数据生成TIN，然后转成DEM。（ARCGIS 3D ANALYSIS TOOL—CREATE/MODIFY TIN—CONVERT第二步：用生成的DEM来进行坡度分析。（ARCGIS 3D ANALYSIS TOOL—SURFACE—SLOPE OR ASPECT 具体的工具是创建Tin3D Analyst工具条->CREATE/MODIFY TIN->Create Tin from Features提取坡度工具3D Analyst和Sapatial Analyst工具条上的Surface Analyst->Slope(坡度)。在ArcGIS中添加dem，然后在spatial Analyst工具中选择

surfaleAnalsic—slope通过点击sloop进行确定，其操作过程如图（12），

图4.12 surfaleAnalsic—slop

弹出slope对话框图（13）。在对话框中编辑如图属性：然后点击ok。

图4.13 slope对话框

得到坡度图：

成果图4.9 坡度图

4.3.2 灾害点坡度的提取

1 提取方法与步骤

提取坡度值和高程值到灾害点，是研究相关性必要的数据处理过程，下面以滑坡为例介绍操作过程。在ArcGIS中添加数字化后的各灾害图，以及坡度图。打开工具条，在spatial Analyst tools --Extraction中找到Extract Values Points工具，如图（14）

图4.14 Extract Values Points

打开Extract Values Points对话框，按照如图(15)选择提取数据与保存位置，点击ok，完成滑坡灾害点坡度的提取。

图4.15 Extract Values Points对话框

再打开数据化后灾害图（以滑坡为例）属性表，修改属性字段名称。在options--Add Field中添加sloop字段，利用field calculator计算器修改，函数公式为sloop=RASTERVALV 如图(16) 图(17) 使之属性表中出现sloop（坡度）一列。

图4.16 field calculator

图4.17编辑sloop=RASTERVALV

2灾害点坡度提取属性表结果

成果表4.1泥石流

成果表4.2 滑坡

成果表4.3 不稳定斜坡

成果表4.4崩塌

4.3.3 灾害点坡度的提取结果图

1滑坡灾害发生点坡度图：

成果图4.10 滑坡灾害发生点坡度图

2泥石流灾害发生点坡度图：

成果图4.11 泥石流灾害发生点坡度图

3崩塌灾害发生点坡度图：

成果图4.12崩塌灾害发生点坡度图

4不稳定斜坡灾害发生点坡度图：

成果图4.13不稳定斜坡灾害发生点坡度图

4.4 基于DEM的相对高差的提取

4.4.1 高程（DEM）提取

提取高程值到灾害点，与提取坡度值到灾害点操作步骤与方法类似，还是在ArcGIS中添加数字化后的各灾害图，以及DEM图。打开工具条，在spatial Analyst tool --Extraction中找到Extract Values Points工具进行提取，在选择提取数据时选择dem数据。这里不再详细介绍。

4.4.2 相对高差的提取与相对高差图的生成

1相对高差的提取方法步骤

相对高差（地形起伏度）的具体提取方法如下： 方法（1）：

激活 DEM 数据， 在 Spatial Analyst下使用栅格邻域计算工具 Neighborhood Statistics 。设置 Statistic type 为最大值，邻域的类型为矩形或圆 ，本文为邻域的大小为 半径为11米的圆（这个值也可以根据自己的需要进行改变），则可得到一个邻域半径为 11米的圆的最大值层面，记为 A； 重复 以上操作，只是把 Statistic type 值设置为最小值，即可得到 DEM 数据的最小值层面，记为 B；在Spatial Analyst下使用栅格计算器Calculator，公式为[A]-[B]，即可得到一个新层面，其每个栅格的值是以这个栅格为中心的确定邻域的地形起伏值。本文利用方法1进行相对高差（地形起伏度）的具体提取. 方法（2）：

在ArcGIS的Spatial Analyst Tool下，采用Focal函数分别计算DEM的最大高程值和最小高程值，再将最大高程值和最小高程值进行差值运算。 方法（3）：

用Createfishnet工具做个要计算的大小范围的栅格，用Zonal statistics直接计算RANGE，即为地形起伏度。 2相对高差图

(1) DEM单位面积（半径为 11米的圆）最大值层面图A：

成果图4.14最大值层面图A

(2) DEM单位面积（半径为 11米的圆）最小值层面图B：

成果图4.15最小值层面图B

（3）相对高差提取图：

成果图4.16相对高差提取图

4.4.3 灾害点相对高差的提取

1灾害点相对高差的提取方法与步骤

相对高差的计算关键在于统计单元的选择 ,也就是定义所指的某一确定面积的值。随着统计单元半径的增大 ,相对高差(地形起伏度)的值也随之增大 ,但增到一定程度即趋于稳定。最佳的统计单元才能真实反映相对高差（地形起伏）。

提取相对高差值到灾害点，与提取坡度值、DEM值到灾害点的操作步骤与方法类似，还是在ArcGIS中添加数字化后的各灾害图，以及相对高差的提取图。打开工具条，在spatial Analyst tool --Extraction中找到Extract Values Points工具进行提取，在选择提取数据时选择相对高差数据。这里不再详细介绍。其结果如图（19）

图4.19结果属性表

2灾害点基于坡度相对高差的提结果

成果表4.5 泥石流

成果表4.6不稳定斜坡

成果表4.7滑坡

成果表4.8崩塌

4.4.4 灾害点相对高差的提取结果图

1滑坡：

成果图4.17 滑坡灾害点相对高差图

2泥石流：

成果图4.18泥石流灾害点相对高差图

3崩塌：

成果图4.19崩塌灾害点相对高差图

4不稳定斜坡：

成果图4.20不稳定斜坡灾害点相对高差图

第五章 灾害数据处理与分析

5.1数据格式转换

5.1.1 栅格数据向矢量数据的转换

展开 Conversion Tools 工具箱，打开From Raster工具集，双击 Raster to Polygon，打开 Raster to Polygon 对话框。 在 Input raster文本框中选择输入需要转换的栅格数据。在Output Polygon Features文本框键入输出的面状矢量数据的路径与名称。 选择 Simplify Polygons按钮 （默认状态是选择），可以简化面状矢量数据的边界形状。单击 OK按钮，执行转换操作。

5.1.2 矢量数据向栅格数据的转换

展开 Conversion Tools 工具箱，打开To Raster 工具集，双击 Feature to Raster打开 Feature to Raster对话框。 在 Input features 文本框中选择输入需要转换的矢量数据。在Field窗口选择数据转换时所依据的属性值。 在 Output raster 文本框键入输出的栅格数据的路径与名称。在 Output raster文本框键入输出栅格的大小，或者浏览选择某一栅格数据，输出的栅格大小将与之相同。 单击 OK按钮，执行转换操作。该命令同样适用于地理数据库中的要素类 。

5.2 地质灾害与坡度、相对高差的叠加计算

在arcgis常见的叠加分析情况汇总。在矢量叠加，即将同一区域、同一比例尺的两组或两组以上的多边形要素的数据文件进行叠加产生一个新的数据层，其结果综合了原来图层所具有的属性。矢量叠加操作分为：交集（Intersect）、擦除（Erase）、标识叠加（又称交补集,Identify）、裁减（Clip）、更新叠加（Update）、对称差（SymmetricalDifference）、分割（Split）、合并叠加（Union）、添加（Append）、合并（Merge）以及融合（Dissolve）等类型。编辑里边的merge是将同一要素类里边的要素合并生成新的要素，并将原要素删除，其属性按指定的要素修改。编辑里边的union可将同一要素类或不同要素类的要素合并生成新的要素，不删除原要素，新要素的属性为系统默认值（空格或0等，根据字段属性而定）。编辑里的merge和union是对选中的要素进行操作。

灾害点坡度、相对高差叠加后图像：

成果图5.21 灾害点坡度、相对高差叠加后图

5.3 灾害点坡度、相对高差值的分类

5.3.1 灾害点坡度、相对高差值的分类方法

为了方便相关性分析，还要将提取出来的灾害点坡度、相对高差值进行分类研究，添加新的属性字段，在options--Add Field添加坡度分类字段sloopcalss ，相对高差分类字段xdgcclass. 下面以灾害点坡度分类为例进行详细介绍：打开属性表，添加sloopcalss字段，如图（20）pe框中选择Text。

图5.20 options--Add Field

然后打开Salect By Attributes工具，如图（21）

图5.21 Salect By Attributes

在Salect By Attributes对话框中选择sloop＜5 使之选出坡度小于5度的灾害点，之后点击APPLY. 确认，如图（22）

图5.22 Salect By Attributes对话框

确认之后再在属性表中点击selected 使之在全属性表中搜索选择数据，如图（23）图（24）

图5.23 selected

图5.24筛选

再打开field czlculater计算工具，在field czlculater对话框中编辑sloopcalss=”0-5”,如图（25）图（26）

图5.25 field czlculater

图5.26 field czlculater对话框

按照以上方法，依次在Salect By Attributes计算工具中编辑sloopcalss≤10 and sloopcalss＞5 sloopcalss≤20and sloopcalss＞10 sloopcalss≤40 and sloopcalss＞20 sloopcalss≤60and sloopcalss＞40 进行坡度分类，选择出不同坡度的灾害点数。如图（27）

图5.27 编辑公式图

分类结果属性表如图（28）

图5.28 结果属性图

其它灾害点的坡度分类方法与上面步骤一致，各灾害点的相对高差分类方法也与上面步骤类似，在编辑公式时安xdgcclass的分类大小范围编辑即可。这里不再详细介绍。

5.3.2 各灾害点坡度、相对高差值的分类结果属性表

泥石流：

成果表5.9 泥石流

滑坡：

成果表5.10 滑坡

崩塌：

成果表5.11 崩塌

不稳定斜坡：

成果表5.12 不稳定斜坡

5.4 平均坡度的计算与分析

利用ArcGIS软件的SpatialAnalyst(空间分析模块)功能模块,先由矢量等高线数据生成DEM栅格表,再由Slope函数提取出坡度,对坡度进行重分类,然后对该数据层的属性数据进行统计和分析。操作流程如下:①加载等高线数据。②加载Spa-tial Analyst(空间分析模块)功能模块,运行Spatial Ana-lyst/Interpolate to Raster/Spline命令,生成DEM栅格表。③图形裁减。利用ArcToolbox/Spatial Analyst Tools/Ex-·17·资源开发与市场Resource Development&Market 2009 25(1)·实验术·traction/Extract by Mask工具,对栅格图像进行裁剪,依据研究区轮廓图将研究区的DEM图裁剪出来。④提取坡度。运行Spatial Analyst/Surface Analy-sis(面分析)/Slope(坡度分析),生成研究区的坡度图,栅格图形中每一个点的像素单元值(Pixel Value)即为改点的坡度值,结果见图2。⑤坡度重分类。运行Spatial Analyst/Reclassify(重分类)工具,将坡度按表1进行分类,结果见图3。⑥坡度分类统计。将重分类后生成的栅格图形属性表导出为.dbf文件,通过Excel软件进行汇总和统计,计算出研究区坡度组成以及平均坡度。

5.5 属性表的导出

5.5.1 导出步骤

打开属性表，在Options中打开Export Data，选择好保存位置进行属性表的导出，如图（29） 图（30）

图5.29 Export Data

图5.30 Export Data

5.5.2 表格中灾害个数的计算与统计步骤

按照坡度、相对高差等级统计。方法为excel中建立透析表进行统计打开导出的属性表，如图(31)

图5.31 新建立透析表

按照透析表统计函数进行统计计算如图（32）。复制透析表到其他位置，仅保留值和数字格式。并在EXCEL表格中插入统计直方图，统计计算灾害个数。

图5.32统计计算

5.6 灾害的统计结果与分析

5.6.1崩塌灾害与坡度、相对高差关系统计结果与分析

1崩塌统计表：

成果图5.22 崩塌统计图表

2 分析：

灾害区域崩塌灾害可能发生的地点有32个，从统计表中分析大多集中在坡度为0-10度和200-300米的相对高差这度范围内，在这个范围里坡度不是太大，这里地貌以土山丘为主。土质比较疏松，所以容易发生崩塌灾害。崩塌发生点一般离河较远，多发生在地形起伏较大地区。在高坡度和相对高差大的地点虽然有崩塌发生的可能但不多，这主要是在这一坡度和相对高差范围内，地貌多以石山和较稳定的土山为主，结构稳定不易崩塌。但还是要定期做好变形监测工作，以防发生崩塌灾害。而重点监测区还是以0-10度这个坡度范围监测，这里是崩塌高发地区，要做好预防减灾工作。

5.6.2滑坡灾害与坡度、相对高差关系统计结果与分析

1滑坡统计表：

成果图5.23 滑坡统计图表

2分析：

灾害区域内滑坡灾害可能发生的地点有223个，在统计表中分析，灾害多集中在0-10度这个坡度范围内，在这个坡度范围里总共有83个灾害发生点。地面起伏度在200-300米范围内灾害发生数最多。结合滑坡灾害坡度图等分析，滑坡灾害多发生在河谷区域，这里地貌以黄土坡为主。黄土的黏性较差土质也比较疏松，极易受到降雨或其他外力的切割破坏。所以较容易发生滑坡灾害，在高坡度地区滑坡很少发生，分析这些高坡度地区地貌以石山和较稳定的土山为主，结构稳定不易滑坡。在原始灾害数据获取中，滑坡地质灾害的测量确认范围一般都集中在人类利用和开发的地区。比如农田果园牧地等，对于荒山人烟稀少的荒芜地区测量关注度相对较低。所以得到这这种灾害的灾害发生数据时，数据对整个地区的代表性不是太高。

5.6.3泥石流灾害与坡度、相对高差关系统计结果与分析

1泥石流统计表：

成果图5.24 泥石流统计图表

2分析：

灾害区域泥石流灾害可能发生的地点有54个，统计分析泥石流灾害发生多集中在0-10度这个坡度范围内，在这个范围内灾害发生点高达37个之多。结合泥石流灾害点坡度图分析，泥石流高发于河床两岸。这里坡度虽低但土质含水量高，河床和河道两岸河水对土壤的结构和稳定度影响严重。使得这一地区土质疏松，结构不稳定。加之这里高程较低如果发生洪水这一地区受洪水影响严重。在洪水的作用下这一地区容易发生泥石流灾害。这也就很好的解释了为什么泥石流灾害高发于坡度为0-10度这一低坡度区域。

5.7地质灾害与相对高差和坡度的相关性分析

5.7.1相关系数的计算方法

1.相关系数归一化方法

在打开的Excel表格中添加slope1,xdgc1两个字段，使得slope1字段中的每列值为对应列slope值减去坡度最小值后再除以坡度最大值减最小值的差值。xdgc1的计算与slope1计算类似。 2. Excel归一化后相关系数计算

在表格中插入相关系数函数，如图（33）

图5.33 插入相关系数函数

然后选择要计算相关性的两列数据，进行计算。

5.7.2相关系数的计算与统计结果

1泥石流灾害易发点坡度与相对高差相关系数计算结果与统计图： 相关系数： 统计图：

0.361540448

泥石流灾害相关性统计分析1.21坡度归一化值0.80.60.40.20slope1相对高差归一化值xdgc100.0174927110.1195335280.1253644310.1282798830.1778425660.1982507290.2390670550.2419825070.2594752190.291545190.2944606410.3090379010.3148688050.3352769680.3411078720.3702623910.3760932940.379008746

成果图5.25泥石流灾害相关系数统计图

2滑坡灾害易发点坡度与相对高差相关系数计算结果与统计图： 相关系数： 0.151169568

滑坡灾害相关性统计xdgc00.0571428570.0928571430.0964285710.1035714290.1107142860.1214285710.1607142860.1928571430.1964285710.2035714290.2142857140.2178571430.2214285710.2464285710.250.2571428570.2607142860.2642857140.2678571431.210.8坡度归一化值0.60.40.20slope1相对高差归一化值

成果图5.26滑坡灾害相关系数统计图

3崩塌灾害易发点坡度与相对高差相关系数计算结果与统计图： 相关系数： 统计图：

xdgc100.1801470590.18750.2058823530.2132352940.2316176470.2610294120.2647058820.2683823530.2720588240.3088235290.3198529410.3419117650.3897058820.4044117650.4264705880.4411764710.4669117650.4779411760.4926470590.6213235290.110360676

崩塌灾害相关性统计1.21坡度归一化值0.80.60.40.20slope1相对高差归一化值

成果图5.27崩塌灾害相关系数统计图

5.7.3相关性的分析

研究区（甘谷）各灾害的发生都基本集中在坡度为0-10度，相对高差为200-300米的范围内，且每类灾害的发生从坡度和相对高差两个影响因子分析，两者具有较好的相关性。泥石流灾害相关性计算显示其坡度和相对高差具有较明显的相关性，相关系数为三类灾害之首。这一结果说明泥石流灾害的发生受坡度和相对高差共同影响，且坡度大小变化对泥石流灾害的影响程度与相对高差大小变化对泥石流灾害的影响程度相似。泥石流易发区一般多为河谷地区，地质形态单一且灾害发生多与洪水有关，灾害发生主导因素较少。在利用数学函数分析计算中其坡度和相对高差更具有较高的相关性。也就很好说明这一地质灾害其坡度和相对高差相关性较高的原因。 崩塌和滑坡灾害相关性计算显示其坡度和相对高差相关性一般，不是太明显。但坡度和相对高差对这两种地质灾害的共同影响也是显著的。在原始灾害数据测量统计中，崩塌、滑坡地质灾害的测量确认范围与重视度一般都集中在与人类生活生产关系较为密切

的地区。比如农田果园牧地等，对于荒山与高海拔地区以及人烟稀少的荒芜地区，测量关注度相对较低。所以在得到这两种灾害的灾害发生数据时，数据对整个地区的代表性不是太高。且崩塌和滑坡灾害的发生主导因素较多，土质、山体主要构成岩石类型、植被覆盖率等都可影响崩塌和滑坡灾害的发生。计算出的坡度和相对高差相关性较小，其灾害的发生区坡度和相对高差相关性一般。

5.8 结果分析

5.8.1得出结论

相对高差和坡度提取方法简单, 便于计算机程序实现, 操作具有可重复性, 对于区域各种地质灾害空间的分布规律和预测具有重要的实践意义和应用价值。将相对高差和坡度与区域灾害的发生进行统计分析, 发现它们之间存在很好的相关性。研究区滑坡易发区的相对高差主要在200-300m。 研究区泥石流易发区和塌易发区的相对高差主要也在 200-300m这个范围。且各种灾害高发区的坡度范围也大致相同，都在0-10度这个坡度范围。

5.8.2成果分析

总体上, 相对高差与坡度相互对应, 各区间分布呈现较好的一致性, 它们共同反映区域地质灾害的分布规律。相对高差和坡度不仅可以定量描述地形地貌特征, 同时和地质灾害的发生存在很大相关性。研究区地质灾害发生区的相对高差和坡度分别集中在200-300m 和0-10°, 而这个区间在全国范围内是否适用, 还有待进一步研究。本次研究结果为区域地质灾害评价和预测提供了一条新的思路, 对区域防灾和规划具有宏观决策意义。利用ArcGIS软件对数据处理和空间分析功能可算出研究区的最高、最低海拔和平均海拔坡度等各项属性数据。该技术具有数据存储、查询、图形计算、统计分析、属性和图形数据输出、模型应用等功能。ArcGIS图形空间叠加和分析功能为地质灾害预防工作提供一种新技术、新方法。

第六章 结束语

经过两个多月的努力，论文终于完成 在整个设计过程中，出现过很多的难题，但都在老师和同学的帮助下顺利解决了，在不断的学习过程中我体会到，写论文是一个不断学习的过程，从最初刚写论文时对熟悉ArcGIS相关知识的模糊认识到最后能够对ArcGIS熟练的掌握，我体会到实践对于学习的重要性，以前只是明白理论，没有经过实践考察，对知识的理解不够明确，通过这次的做，真正做到林论时间相结合。总之，通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一步，这样才能更加有效。

参考文献

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19 王宝军 ArcGIS环境地质学应用 2012科学出版社 2-21页

致谢

光阴似箭，转眼间，四年的大学生活即将结束，依依不舍之情难以言表，总结大学四年的生活，感觉获益还是颇多的，在这里需要的感谢的人很多，是他们让我这大学四年从知识到人格上有了一个全新的改变。

感谢兰州理工大学技术工程学院，在这里有环境舒适的学生公寓，为我的日常生活提供了很多方便；有一批知识渊博，身正为范的老师，为我开启学海之舟。在这里，我开阔了见识，增长了知识，锻炼了能力。四年前我带着崇敬之心来到了这里，四年里，亲身的体验让我更增加了对这所学校的热爱和不舍。

感谢土木工程系的每一位老师，无论是从学识上，还是从人格上，他们都是最值得尊敬的的人。这些老师知识渊博，阅历丰富，讲课独具风格：魏老师讲课幽默风趣、牛老师讲课认真严谨、孔老师讲课生动活泼、杨老师讲课深入浅出、朱老师讲课纵贯古今……，听他们的课是一种享受，享受知识、享受智慧、享受人格魅力。这些老师帮助我们构建知识，指导我们处理生活中的许多问题，他们总能高屋建瓴地给我们的生活导航。是他们开启了我对测绘的兴趣，激发了我对知识的渴望，同时我也从他们身上学到了很多难能可贵的精神：认真、感恩、负责、谦和，所有这些都让我终身受益。感谢您们！！

在这里我想特别感谢一位老师，那就是我的导师——牛全福老师，他的每一次讲课都能引发我对高中课堂的回忆，每堂课都是那么的认真与仔细，都能将细微的知识点生动的讲解给我们。在他的课堂上感觉很容易学到东西。最让我记忆犹新的是上次考测绘证书时，他耐心给我们一一辅导，自己亲自总结重点知识，打印成册让我们复习。并在考试前给我们很大的帮助。

在收集资料的过程中，牛老师给我提供了很多宝贵的意见。他让我多阅读有关文献，多收集前人的研究成果，只要和ArsGIS有关的材料都不要放过，然后再着手写。与此同时，牛老师还根据要求确定了我的题目和论文的结构安排。以及给了我详细的任务书。

在写作过程中，牛老师还经常找我谈话，指导我把写作重点放在理论上，认真熟悉ArcGIS软件的操作。让我多借鉴其他人的相关经验，然后结合结论，写出有自己特色的论文。

论文写完以后，牛老师还精心审阅了我的写作初稿，大到内容结构，小到标点符号、论文格式，都给我提供了宝贵的修改意见，在他的帮助下我的论文才得以顺利完成。

所以我的论文从选题到结构安排，从内容到文字润饰，都凝聚了他大量的心血，他这种一丝不苟的负责精神、质朴平实的治学风格、和蔼可亲的待人原则、关心后辈的的责任心使我深受感动，对我做人、做事、做学问都产生了积极影响。在此，我谨向尊敬的牛老师表示真挚的谢意。

感谢我的同学在这大学四年里对我生活上、学习上的帮助。我们在一起共同经历了很多欢乐和难忘的时光，大学校园里有我们的笑声，是你们祛除了我内心的孤独，教会了我做人处事的方法。在这里我想说：“有了你们的存在，我的生活更加丰富多彩”。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我们共同成长，共同进步。在这里，我祝愿我的每一位同学在以后的人生道路上一路走好！

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，要感谢的人太多，要说得话也太多，尽管文字很无力，但我还是想用无力的语言表达我想说的话，故借写论文致谢信之机向各位可敬的师长、同学、朋友表达我最诚挚的谢意！

外文翻译

GIS ON BASIC AND APPLIED

一 、GIS Basics

1、Definitions of GIS

“GIS” is an acronym meaning of Geographic Information System. In order to provide a good understanding of GIS, the following two definitions given by Rhind (1989) and the United States Geological Survey ( USGS , 1997 ) respectively are presented first.1 GIS a system of hardware, software, and procedures designed to support the capture, management, manipulation, analysis, modeling, and display of spatially referenced data for solving complex planning and management problems .” 2 “ GIS a computer system capable of assembling, storing, manipulating, and displaying geographically referenced information , ie data identified according to their location .”

GIS books generally adopt the ideas expressed by these two definitions. These two characteristics distinguish GIS from other types of information systems: The word “ Geographic ” in GIS explains “spatially” where things are such as the location of nations, states, counties, cities, schools, roads, rivers, lakes, and the list can go on and on . Spatially means where on the earth’s surface an object or feature is located. This can be as simple as the latitude and longitude of a feature. The geographic feature or object can be anything of interest “Information” in GIS is the“data”or“attribute”information about specific features that we are interested in . The name of the feature, what the feature is, the location of the feature , and any other information that is important . An example could be the name of a city , where it is located , ho w big it is in square feet (area) , its population , its population in the past, and any other information that is important .

“System” in GIS is the computer software that is written to help people analyze the data, look at the data and combine it in various ways to show relationships or to create geographic models. A GIS can be made up of a variety of software and hardware tools, as long as they are integrated to provide a functional geographic data processing tool .

As mentioned above, GIS is a computer system that links geographic information (where things are) with descriptive information ( what things are) . Unlike a flat paper map, where “what you see is what you get” , a GIS can present many layers of different information. To use a paper map , all you do is unfold it . Spread out before you is a representation of cities and roads, mountains and rivers, railroads, and political boundaries. The cities are represented by little dots or circles, the roads by black lines, the mountain peaks by tiny triangles, and the lakes by small blue areas similar to the real lakes. A digital map is not much more difficult to use than a paper map. As on the paper map, there are dots or points

that represent features on the map such as cities, lines that represent features such as roads, and small areas that represent features such as lakes . All this information— where the point is located , how long the road is, and even how many square miles a lake occupies—is stored as layers in digital format as a pattern of ones and zeros in a computer . Think of this geographic data as layers of information underneath the computer screen. Each layer represents a particular theme or feature of the map . One theme could be made up of all the roads in an area. Another theme could represent all the lakes in the same area. Yet another could represent all the cities. These themes can be laid on top of one another, creating a stack of information about the same geographic area. Each layer can be turned off and on, as if you were peeling a layer off the stack or placing it back on. You control the amount of information about an area that you want to see, at any time, on any specific map .

The technology components of a GIS can be explained in terms of hardware, software and human resources. GIS hardware includes: computers, computer configuration/ net works, input devices, printers, and storage systems. Computers for GIS usage can be PCs or supercomputers. These computers can be stand-alone units or can be hooked into a network environment. Input devices include digitizers and scanners. Printers and plotters are used to produce a hardcopy map . GIS storage systems include: optical disks, magnetic disks (such as a hard drive) , floppy disks or magnetic tapes . GIS software includes both GIS program and special application packages, such as digital terrain modeling and network analysis. The main difference between GIS software programs and desktop mapping programs is the ability of GIS programs to perform spatial analysis. ARC/ INFO by Environmental Systems Research Institute (ESRI) Inc is one of typical examples of GIS software packages. Desktop mapping programs offer many of the same features, as a GIS , but their ability to support spatial analyses are limited . They are developed to satisfy individual user needs for mapping presentations. MapInfo developed by MapInfo Corp is an example of popular desktop mapping programs. Human resources used to operate a GIS typically include: operational staff, technical professional staff, and management personnel. Operational staff are people such as( 1 ) cartographers ,who monitor the design of map displays, the standards for map symbols and standard map series, (2 ) data capturers, who converts map into digital for m and (3 ) potential users of a GIS . Technical professional staff include ( 1 ) information analysts who solve particular user problems and satisfy their information needs, (2 ) system administrators , who are responsible for keeping the system ( hardware/ software) operational, (3 ) programmers , who translate the application specifications prepared by the analyst into programs and ( 4 ) the database administrator , who assists the analysts, programmers and users to organize geographic features into layers, identify sources of data , develop coding structures for non-graphics data, and document information about the contents of the databases .

Management personnel include (1) the manager, who monitors the daily performance of the GIS project implementation team and manages the output production as required

by the organization and (2) the Quality Assurance Coordinator who manages the output of the final product to ensure that it meets the conversion specification and data acceptance plan. 2、How a GIS Works

A GIS works by providing a way to capture or input data , store , retrieve and manage the data , manipulate and analyze the data , and finally a way of displaying that data as a map or as a document or both . Let’s take a closer look as each of these aspects of GIS . Data Input: All GIS data has to be in a digital format so whether it ’s a report, a photo , a map , or information gathered in the field , it has to be made digital . Obtaining geographic data to insert into a GIS is a large subject in which includes a number of different approaches. One of the most common ways to collect spatial geographic data is to performa physical survey. This includes surveying the land, underwater areas, and underground features of the earth (which are referred to as field survey,hydrographic survey and mining survey respectively). Basic forms of data input include: ( 1 ) Typing:Reports, survey documents, population statistics , etc ., all have to be entered into the computer preferably in a data base format or as tabular data .( 2) Scanning: Paper maps such as topographic maps, aerial photographs ,remotely sensed images if not already in a digital for m at need to be scanned and then georeferenced or georectified . When a picture or a map or an aerial photo is georeferenced it will open in a GIS program in the right place on a map in relation to other map objects being viewed . They will be in the proper place spatially . (3) Digitizing: Currently digitizing is the most common method for converting existing maps and images into digital form. Digitizing is basically tracing points, lines, or areas from a paper map, or aerial photo so that instead of a photograph or a raster image , is now a digital line graphic or vector file . (4) GPS data capture: Data can also be placed in a GIS as points, lines, and polygons from a GPS unit if it has the capability of recording such information. (5) Aerial photography/remote sensing: This is an increasingly popular way to gather spatial data. Aerial photographs are taken from an aircraft, after which they are measured and interpreted. Similarly, satellite remote sensing can be interpreted for physical features and attributes. (6)Censuses: Censuses conducted by the U .S. Census Bureau gather a variety of demographic data such as population, age structure, sex ratio, race composition, employment rates . (7)Statistics: Statistics are a set of mathematical methods used to collect and analyze data .These methods include the collection and study of data at different time intervals and at a fixed location, providing information for yearbooks, weather station reports, etc . 二、Applications of GIS

Due to increasing complexity of the real world situations, more challenges emerge in knowing about theprecious earth and also in planning and decision making processes. GIS is nowadays considered as an important tool in planning and decision making. It has been found applied in many fields, such as cadastral mapping, land use planning, forestry, wildlife management, infrastructure planning, zoning, military, environ mental monitoring, network planning, facility selecting,

archaeology, agriculture, business marketing and sales, banking, health and human services, landscape architecture, libraries and museums, marine, coast, and oceans, media, mining and earth sciences, petroleum, retail business, state and local government, transportation. Some of the advanced applications at present involve air traffic monitoring, road navigation, crime analysis, and so on. At present, GIS has become the accepted and standard means of utilizing spatial data. Likewise, the use of spatial data is growing very rapidly in diverse fields. This ability to incorporate spatial data, manage it, analyze it, and answer spatial questions is the distinctive characteristic of a geographic information system. Mapmaking and geographic analysis is not new, but GIS makes it possible to do this type of work faster and more efficiently because of the power and ease of using modern computers. It allows virtually anyone to create a map to help explain historic events, plan for the future, and predict outcomes. The following examples explain the application fields of GIS. 1、Environment:

Environ mental fields have long used GIS for a variety of applications that range from simple inventory and query,to map analysis and overlay,to complex spatial decision making systems. Examples include: forest modeling, air/water quality modeling and monitoring, environ mentally sensitive zone mapping, analysis of interaction between economic, meteorological, and hydrological & geological change. Typical data input into an environmental GIS include: elevation, forest cover, and soil quality and hydrogeology coverage. In many cases environmental GIS are used so that environmental considerations can be better incorporated into socioeconomic development enabling a balance between the two. 2、Infrastructure and Utilities:

GIS technologies are also widely applied to the planning and management of public utilities. Organizations dealing with infrastructure and public utilities find GIS a powerful tool in handling aspects such as planning, decision support, customer service, regulatory requests, standardization of methods, and graphics display. Typicaluses include management of the following services: electric, gas, water, roads, telecommunication, storm sewers, T V/FM transmitting facilities, hazards analysis, and dispatch and emergency services. Typical data input includes street network, topographic data, demographic data and local government administration boundary. 3、Computer Cartography:

The growth of computer-assisted cartography (CAC) has been largely dependent on the development of vector based GIS. With the help of GIS, cartographic tasks such as thematic overlays of information, map projections, and map sheet layouts can be performed much more conveniently. Continually updated geographic databases provide an easy way to produce new map editions. Automated mapmaking and virtual map images have replaced traditional paper maps in many applications. Web based maps have made general purpose navigation far more accessible to the public. However, manually digitized paper maps remain the primary form of data input in an automated

cartography GIS. Scanned maps are also often used. 4、Land Information:

GIS has aided management of land information by enabling easy creation and maintenance of data for land records, land planning and land use. In particular, a flourishing number of municipal governments have started to implement GIS to help manage their land information. GIS makes input, updates, and retrieval of data such as tax records, land use plan, and zoning codes much easier than during the paper map era. Typical uses of GIS in land information management include managing land registry for recording titles to land holdings, preparing land use plan and zoning maps, cadastral mapping, etc. Input of data into a land information GIS includes: political and administrative boundaries, transportation, and soil cover. 5、Engineering Pipeline:

Competitive pressure and regulatory constraints are placing increasing demands on pipeline operators to function in an efficient, safe, and responsible manner. Responding to these demands requires accessibility to information regarding geographically distributed assets and operations. GIS technology facilitates the organization and management of data with a geographic component. It also eases data acquisition and utilization. GIS provides pipeline operators in companies such as Shell International with improved capability to manage pipeline integrity, improved efficiencies in pipeline operations, and improved response to business development opportunities.

6、Engineering Surveying:

Surveyors and engineers understand the importance of geographic data. Surveyors use precise instruments, procedures, and computations to accurately locate and define geographic features while conducting field surveys that range from cadastral to engineering construction layout. Engineers design and build structures and infrastructures on geography measured by surveyors. GIS provides the tools to help surveyors in thousands of state and local governments, including Marion County, Oregon, to integrate a variety of data sources and types, maintain and manage inventories, and visualize data and related information using dynamic maps. GIS is also used for real estate litigation support by providing modeling and analysis. 7、Location Services:

As the global community increasingly becomes more mobile, locating people,

places, and things while deriving useful information from raw locations has never been more important. Governments and businesses managing enterprise wide spatial data repositories require expedient options to disseminate critical business data to personnel and resources in the field; mobile consumers increasingly demand convenient commercial location services that enhance mobile lifestyles; and legislation in some regions of the world forces solution providers to quickly develop highly reliable, trusted, and always available emergency service applications, ensuring public safety responses for all location aware mobile devices and entities. Many companies, including Air Zip, Signal Soft, and Traffic Station, are assisting ESRI in bringing this technology to businesses and governments throughout the world.

8、Mining and Earth Sciences:

GIS creates efficiency and productivity opportunities in all aspects of mineral exploration and mining. GIS enables mineral geologists and mine operators to mine intelligently, efficiently,competitively, safely, and environmentally. GIS provides the framework to acquire, develop, and interpret the complex spatial and tabular data sets used for mining and the earth sciences. Mapping, spatial concepts, and time/space operations technology are absolutely essential to effective mining. Natural Resources at a time when the earth’s resources are being taxed like never before, natural resource managers are discovering the power of GIS to help them make crucial decisions. GIS is helping development and conservation communities find common ground by providing a framework for the analysis and discussion of resource management issues.

Companies and organizations, including the Nature Conservancy, the Environmental Protection Agency, Chevron, and the Department of Fish and Wildlife, are unleashing the power of GIS to manage natural resources. 9、Transportation:

In the transportation industry,geographic analysis is the key to making better decisions. GIS serves three distinct transportation needs: infrastructure management, fleet and logistics management, and transit management. Transportation professionals, such as the New York Department of Transportation, the Maryland State High way Administration, and the city of Reykjavik, Iceland, use GIS to integrate mapping analysis into decision support for network planning and analysis, tracking and routing, inventory tracking, route planning and analysis, and more.

GIS有关基础与应用

一、GIS的有关基础内容 1、GIS的定义

地理信息系统” 是一个缩写含义，地理信息系统。为了提供一个很好的了解，下面给出的定义由兰德（1989）和美国地质调查局（美国地质勘探局，1997）分别是第一次提出。 1“GIS 是一个由硬件，软件，和程序设计，支持捕获，管理，处理，分析，建模，并显示空间参照的数据，以解决复杂的规划和管理的问题的一个系统。” 2“GIS是一个计算机系统能组装存储操作和显示地理参考信 等,根据其位置来数据证实。” GIS书籍通常采用这两个定义所表达的思想。这两个特征用以区分GIS与其他类型的信息系统: “地理”在GIS的解释是事物所在的“空间” ，比如国家,州,县、市、学校、道路、河流、湖泊等等之类的位置。空间意味着在地球表面上的一个对象或特征所在地。这可以被简单的理解为一个特征的纬度和经度。地理特征或对象可以是任何我们感兴趣的事物。“信息”在GIS里是指我们感兴趣的空间特征的“数据”或“属性”信息。特性的这个名字,什么是特性, 特征的位置 及关于它的任何其它的重要信息 一个范例可以是一个城市的名字,它的位置,它有多大的平方英尺(区域),它的人口,其在过去的人口,和其他重要的信息。 “系统”在GIS中是指所编写的计算机软件，它用来帮助人们分析数据,查找数据,并以不同方式把它们结合在以一起来显示它们的关系或创建地理模型。GIS系统由各种各样的软件和硬件工具组成,只要它们是集成在一起，就能够提供一个实用的地理数据处理工具。

正如上面提到的,GIS 是一个将地理信息（在哪里）和描述性信息（是什么）链接在一起的电脑系统。不像平面纸质地图,“你看到的就是你得到的全部”,一个 GIS 可以表达许多层的不同信息。使用纸制地图,你所要做的就是打开它。面前展现出你是一个关于城市、道路、山川和河流、铁路、和政治边界的描述。城市用小点或圆表示,道路被黑色线条,山峰通过小的三角形,湖泊由类似于真正的湖泊的小型蓝色区域表示。相比纸制地图,数字地图使用没有太大的困难。在纸质的地图上,采用点代表城市类的特地物,采用 线代表道路类的线状地物,采用小区域代表河流类的特征地物。所有这些信息——这一点的所在的位置,路是多长,甚至是一个湖占据有多少平方英里 都是以数字 格式作为图层以 1 或 0 的模式存储在计算机里。考虑这个地理数据作为层信息显示在电脑屏幕上。每一层代表地图的一个特定的主题或者特征。一个主

题可以是由在一个区域的所有道路组成。另一个主题可以表示同一区域内所有的湖泊 然而,另一个能代表所有的城市。这些主题可以被放置在另一个之上,创建同一地理区域内的一叠信息.每一层都可以关闭和开启,仿佛你从一叠里剥去一层或把它重新打开。你控制一个区域里的所有信息,你可以在任何时间，任何专题图上浏览它们。

GIS 的技术组件在硬件、软件和人力资源这些术语里给予解释。GIS 硬件包括:电脑、电脑配置/网络工程、输入设备,打印机,和存储系统。用于 GIS 的计算机可以是个人计算机或超级计算机 这些计算机可以是独立的单元或可以连接到一个网络环境 输入设备包括数字转换器和扫描仪 打印机和绘图仪是用来产生硬拷贝地图 GIS 存储系统包括:光学磁盘,磁磁盘(如硬盘驱动器),软盘或磁带。GIS 软件包括 GIS 项目和特殊应用程序包，如数字地面模型和网络分析。GIS 软件项目和桌面制图程序最主要的区别在于 GIS 具有空间分析的能力。由美国环境系统研究所 (ESRI)有限公司出 的ARC/INFO，就是一个典型的 GIS 软件包。桌面制图程序提供许多类似的特性,但作为 GIS,它们支持进行空间分的能力是有限的。他们正在开发以满足个人用户需要的地图显示。MapInfo 公司开发的 MapInfo 就是一个目前应用较多的桌面制图程序。用来操作 GIS 系统的人力资源通常包括:操作人员、专业技术人员和管理人员。操作人员是这样的人:(1)监控设计的地图显示,标准地图符号和标准地图集的绘制(2)将地图转成数字形式的数据获取人员(3)潜在的 GIS 系统的用户。专业技术人员,包括(1)解决特定用户的问题并满足他们的信息需求的信息分析员,(2)负责保持系统(硬件/软件)运行的系统管理员(3)将分析师准备好的应用程序规范编译成项目的程序员,和(4)协助分析员,程序员和用户将地理特征组织到每一层,确定的数据来源,为非图像数据开发编码结构和管理数据库的文档信息的数据库管理员。 管理人员包括(1)经理, 监控 GIS 项目实现团队的日程的和管理按组织的要求生产输出 (2)质量保 证协调员负责最终产品的输出,以确保它满足了转换规范和数据验收计划。 2、地理信息系统的工作方式:

GIS 是通过提供一种方式来捕获或输入、存储、检索和管理数据、处理和分析数据 , 最后以一种方式将数据显示为一个地图或一个文档或两者。让我们来仔细看一下 GIS 的每个方面。数据输入:所有 GIS 数据必须是数字格式，因此无论是报告、照片、地图,或者收集到的一个区域的信息,它必须是数字。将获取的地理数据输入一个 GIS 是一个包括许多不同的方法的大型工程。空间地理数据收集的最普遍的方法之一是的进行一项物理测量。这包括测量土地,水下地区,和地球的地下特性(这分别

被称为野外测量、水文测量和矿山调查)。基本形式的数据输入包括:(1)打字:报告 测量文件,人口统计数据等等 所有这些最好以一个数据基础格式或表格数据输入电脑。 (2)扫描:纸质地图如地形图,航拍照片,遥感图像如果不是数字格式，则需要扫描,然后匹配或矫正地图。当一幅图片或一个地图或航拍照片是匹配过的，它会以正确的位置被 GIS 打开在一个地图上,与其它相关的地图对象一同被显示。他们将在空间上的正确位置。 (3)数字化:目前数字化是最常见的将现有的地图和图像转换成数字形式的方法。数字化基本上是从纸质地图或航空相片跟踪点、线或区域来替代一个照片或一个栅格图像, 变成一个数字图形或矢量文件。 (4)GPS 数据捕获:数据可以作为为点、线和多边形从 GPS 装置放置到一个 GIS 里，如果 GPS 具有记录这种信息的能力。(5)航空摄影/遥感:这是一种越来越流行的方法来收集空间数据。摄影测量采取一架飞机,这从而数据被测量和解释。同样,卫星遥感技术可以被解释为物理特性和属性。 (6)的人口普查:人口普查由美国人口普查局管理，它们收集各种的人口数据诸如人口、年龄结构、性别比例、种族组成,就业率。(7)统计：统计数据是一组用于收集和分析数据的数学方法。这些方法包括在一个固定地点的不同的时间间隔收集和研究数据,为年鉴、气象站报告等提供信息。这此 信息通常有一个空间结构，因此，可以被合并到 GIS 中。 二、GIS的应用

由于现实日益复杂的现实世界的情况，关于地球的精确规划和决策的过程出现了更多的挑战。GIS 现信被认为是一个在规划和决策制定上的重要工具。它被发现用于很多个领域，比如地籍图制作，土地利用规划，林业，野生动植物管理，基础设施规划，区域划分，军事，环境监测，网络规划，设备选择，考古学，农业，企业市场营销和销售，银行业，健康与人类服务业，园林景观，图书馆和博物馆，海事，海岸和海洋，媒体，矿业和地球科学，石油，零售业，国家和地方政府，运输业。目前更深层次的应用包括航空交通监测，道路导航，犯罪分析等等。目前，GIS 成为利用空间数据的公认的标准方法。同样的，空间数据在多种领域的利用也在迅速的增长，组织、管理、分析空间数据并且解决空间问题的能力是 GIS 系统的一个显著的特征。地图制作和地理分析并不是新知识，但是因为现代计算机的力量和方便，GIS 能够使更快速、更高效地完成这样的工作成为一种可能。环境领域长期在各种领域应用 GIS，范围涉及从简单的库存和查询范围到地图分析和叠加，再到复杂地空间决策系统。 1、环境方面：

包括下面的例子：森林建模，空气/ 水质量建模和监测，环境敏感区制图，经济交叉分析，气象学，水文和地质变化。输入到环境地理信息系统里的象征性的数据包括：高程，森林覆盖，土壤推土机和水文地质覆盖。在很多情况下，环境地理信息系统被应用，所以环境因素能够很好地与社会经济学发展相结合并且能够达到两者之间的平衡。

2、基础设施和公用事业方面：

GIS 技术在规划和管理公共事业方面的应用也非常广泛， 基础设施和公用事业处理组织 发现 GIS在处理某些方面的问题的时候是一个有力的工具，比如规划，决策支持，客户服务，管理要求，方法标准化和图表显示。典型的应用包括以下设施的管理：电，燃气，水，公路，交通，排水管道，电视 / 电台发射设备，危险分析，调度和应急服务。输入的典型数据包括街道网，地形数据，人口统计数据和地方政府的管理边界。

3、计算机的地图制作方面：

计算机辅助制图技术的成长很大依靠基于 GIS 的矢量的发展。在 GIS 的帮助下，制图任务像专题信息的叠加，地图投影和单张地图的布局能够更方便地进行。持续地更新地理数据库为生产新地图的版本提供了一个简单方式。自动制图和地图图像在很多应用领域取代了传统的纸质地图。以一般地导航为目的基于网络的地图对于公众更为方便。然而，人工数字化纸质地图仍然是将数据输入到一个自动成图地理信息系统的主要形式。扫描地图也也经常用到。 4、土地信息方面：

GIS 通过轻松创建和维护土地记录，土地规划和土地利用数据来帮助管理土地信息。特别的，大量的市政府开始应用 GIS 来帮助管理他们的土地信息。GIS 使输入，更新，恢复诸如纳税记录，土地利用规划，和区域编码比纸质地图时代更加容易。GIS 中在土地信息管理中的典型应用包括为地产权益，管理土地登记，准备土地利用规划和地图分区，地图制作等。输入到一个土地信息系统中的数据包括：行政和管理区划，交通运输和土地覆盖。 5、工程管道方面：

竞争压力和监管机制对管道管理者高效、安全、合理的行使职责，提出了更高的要求，为了响应这些需求，需要获得有关地理上分散的资产和业务的信息。GIS 技术通过地理组件技术促进了数据的组织和管理，它也使数据的获取和应用更容易。GIS

为公司里的管道运营商提供像壳（ciao）牌国际一样的管道完整性管理的改进能力，提高流水线作业的效率，并改善响应业务发展能力。 6、工程测量方面：

测量员和工程师了解地理数据的重要性，从地籍测量到工程施工放样，测量员在进行野外测量时采用高精度的仪器，流程和计算方法来精确定位并确定地理特征，工程师根据测量员测量的地形设计和建造结构及基础设施。在数以千计的国家政府和地方政府，包括马里恩县，俄勒冈州，GIS 提供工具来帮助测量员，它将多种数据来源和数据类型融合到一起，维护和管理目录，并采用动态地图来显示数据和相关信息，GIS 通过提供模型和分析为房地产诉讼提供支持。 7、定位服务方面

随着全球社会变得更加流动，相对初始位置定位人、地点和事件，同时获取有用信息从未变得像现在这样重要。政府和企业对企业范围内的空间数据库的管理，对关键的商业信息传递给人力资源传递提供了有用的选项。手机消费者对提高移动生活方式的便利化、商业化的定位服务提出了更多的需求；世界上一些地区 的法律强迫解决方案供应商开发高度可靠，可信赖的，并且随时提供紧急服务的应用，以确保公众 对所有位置感知移动设备和实体的安全响应。许多公司，包括 Air Zip, Signal Soft 和 Traffic Station，帮助 ESRI 将这项技术带入商业、政府直至整个世界。 8、矿业和地球科学方面：

GIS 在矿产资源勘查和开采的所有方面创造了提高效率和生产力的机会。地理信息系统，使矿产地质学家和矿商智能地，高效地，有竞争力地，安全地，环保地挖掘，GIS 提供了获取、开发和解译复杂的空间属性数据用于采矿和地球科学的框架。制图、空间概念和时/ 空操作技术对于高效的开采是十分必要的。地球的自然资源从未有像现在这

样大的负担，自然资源的管理者发现了 GIS 帮助他们制定关键决策的作用。GIS 提供了分析和讨论资源管理话题的框架，帮助找到社会中发展和保护的共同点。各种公司、机构包括自然保护机构、Chevron 环境保护组织、和鱼类和野生动物部，正在释放地理信息系统管理自然资源的动力。 9、交通方面：

在交通运输业，地理分析对制定更好决策起关键作用。GIS 满足三种不同的交通需求：基础设施管理、船泊与物流管理和运输管理。在交通运输领域，例如纽约交通

部、马里兰高速路管理局 、雷克雅未克市和冰岛，用 GIS 将地图分析融入到为交通网络规划分析、跟踪路由、追踪存货、路径规划分析等更多提供支持的决策中。