表面创建和分析
ArcGIS 支持栅格表面模型和 TIN 表面模型的显示，并在 Spatial Analyst、3D Analyst 和 Geostatistical Analyst 扩展模块中提供了多种用于创建、分析和提取表面信息的分析工具。
什么是表面？
表面表示在其范围内的每个点处都具有值的现象。表面上无数个点位置处的值均来自一组数量有限的实例值。这些值可基于直接测量值，例如，高程表面的高度值或气温表面的温度值；在这些测量位置之间，将通过插值为表面指定值。还能够以数学方式从其他数据获取表面，例如，从高程表面获取的坡度表面和坡向表面，从城市公交车站的数据获取的距离表面，或者显示犯罪活动分布或雷击概率的表面。
- 表面可以使用等值线或等值线图、点的阵列、TIN 和栅格表示；但是，GIS 中大多数表面分析将使用栅格数据或 TIN 数据来实现。
- 等值线是表面上相等的值所组成的线。通常将创建这些等值线来表示地图中的多个表面。
- 点既可规则地分布在表面上也可不规则地分布在表面上。这些点通常用作插值法、克里金法或三角测量工具的输入，以创建栅格表面或 TIN 表面，然而某些情况下，这些点还用于表面的制图表达，例如，风向标记或最小成本方向箭头。
- TIN 是表面上的结点和边形成的三角面所组成的网。TIN 是基于一组已知值或高程点构建的，这些值或高程点用作三角测量中的初始结点。可将表面上形状发生明显变化的位置的线（例如，山脊线、河流或道路）作为隔断线加入到 TIN 中，可将共用一个值的区域作为填充面加入。对于 TIN，可使用基于最近结点的线性插值法获取结点之间的各个位置的值。TIN 通常用于表示工程应用中的 terrain 表面，而高程点则允许不规则地分布以容纳表面中具有较大差异的各个区域，并且高程点的值和实际位置将作为结点保留在 TIN 中。
- 栅格是像元（或像素）的矩形阵列，每个栅格都存储了它所覆盖的表面部分的值。一个指定像元包含一个值，因此，表面的详细程度取决于栅格像元的大小。栅格是 ArcGIS 中最常用的表面模型。栅格数据所具有的简单结构使得对栅格执行计算（或在栅格之间进行比较）的速度要快于对其他表面制图表达执行相同操作。栅格还可用于存储影像、扫描的地图以及通常获取自影像的分类信息（例如，土地利用类）。
创建表面
在 ArcGIS 中，提供了多种基于矢量要素或基于其他表面创建表面的工具。有多种方法可用于创建表面，包括：插入存储在测量点位置的值，根据某区域中各要素的数量插入表示某一指定现象或要素类型的密度的表面，基于一个或多个要素获取距离表面（或方向表面），或者从其他表面获取一个表面（从高程表面获取坡度栅格表面）。
插值工具
插值工具将基于具有测量值（例如，高程或化学物质浓度）的离散样本创建连续表面。提供多种插值工具，每种工具都具有多个影响生成的表面的参数。
下方的示例显示的是不同的插值方法如何基于相同的输入数据生成不同的输出表面。
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最简单的插值工具是反距离权重法 (IDW) 和自然邻域法插值工具。这些插值工具使用附近点的值和距离预估每个像元的表面值。使用反距离权重法插值的表面的内插值是一组附近点的值的加权平均数，由于经过加权，因此附近点的影响将大于距离较远的点的影响（即，与距离成反比）。
下方的示例显示的是使用反距离权重插值法基于点值进行插值的表面。
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除了将使用 Delauney 三角测量识别和加权用于插值各像元表面值的数据点（与在 TIN 中一样），自然邻域法插值与反距离权重法插值相同。与其他插值方法相比，自然邻域法插值能够可靠地处理更大的数据集。
下方的示例显示的是使用自然邻域插值法基于点值进行插值的表面。
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样条函数法和趋势面法插值分别使用多项式法和最小二乘法将最佳拟合表面插值为采样点。样条函数插值法将通过用于最小化锐弯的点来拟合数学表面；此方法适用于平滑变化的表面（例如，地下水位高度）。
下方的示例显示的是使用样条函数插值法基于点值进行插值的表面。
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使用趋势面法插值的表面有助于识别数据中的粗尺度模式；经插值的表面几乎不包含采样点。
下方的示例显示的是，针对一组点使用趋势面法插值的表面（显示为透明灰色），以及针对相同的点使用反距离权重法插值的表面。
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密度分析工具用于生成表示每单位面积中某事物数量的表面。您可以使用密度表面基于一组观测值表示野生动物种群的分布，或基于道路密度表示某区域的城市化程度。某些密度分析工具适用于点要素和线要素。
下方的示例显示的是基于点要素和线要素进行插值的密度表面。
地形转栅格是一种专用工具，可基于 terrain 组成要素（例如，高程点、等值线、河流线、湖泊面、汇点和研究区域边界面）的矢量数据创建符合真实地表的栅格表面。
下方的示例显示的是使用地形转栅格插值工具基于高程点、等值线、河流线和湖泊面进行插值的表面。
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TIN 表面创建工具包括创建 TIN 和编辑 TIN 工具（这些工具用于在初始时为特定区域创建 TIN 并向其中添加矢量要素）以及栅格转 TIN 工具（此工具用于将栅格表面模型转换为 TIN 表面模型）。
下方的示例显示的是基于点要素、线要素和面要素创建的 TIN 表面。terrain 高度获取自大部分三角面的折点位置的个别取样高程。TIN 表面的形状将通过这些高程点的三角测量值以及隔断线（蓝色的河流以及红色的山脊线和坡折带）和蓝色的水库填充面来确定。
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地统计插值方法以统计数据为基础。这些方法可用于创建预测值表面并根据预测的确定程度进行插值。克里金法是一种高级表面创建方法，当数据中存在空间相关距离或方向偏差时最为适用。此方法最常用于土壤科学和地质学。“地统计”地理处理工具和“地统计”向导随 Geostatistical Analyst 扩展模块提供。
可通过 Geostatistical Analyst 向导使用克里金法以及协同克里金法、径向基函数 (RBF) 插值法、反距离权重法、全局多项式插值法和局部多项式插值法创建表面。此向导还包含数据浏览工具（如直方图、正态 QQ 图）和趋势分析工具。Geostatistical Analyst 还包含用于数据准备（如创建大型数据集的子集）、数据转换和去除数据趋势的工具。
下方的示例显示的是使用克里金法基于点值进行插值的表面。
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分析表面
表面分析涉及多种处理过程，包括从现有表面提取新表面、重分类表面和合并表面。
某些工具用于从一个表面、一组表面，或者从表面和矢量数据提取或获取信息。
Terrain 分析工具
这些工具中的部分工具主要用于分析栅格 terrain 表面。这些工具包括坡度工具、坡向工具、山体阴影工具和曲率工具。
下方的示例显示的是平面视图和透视图中的高程栅格。
坡度工具用于计算像元与其相邻像元之间的最大变化率，这一变化率通常用于表示地形的陡度。
下方的示例显示的是平面视图和透视图中的坡度栅格。
坡向工具用于计算将平面拟合到各像元的坡度面的方向。表面的坡向通常会影响表面接收的日光量（坡度也如此）；在北纬地区，坡向朝南的位置往往比坡向朝北的位置更加温暖干燥。
下方的示例显示的是平面视图和透视图中的坡向栅格。
山体阴影工具用于显示特定位置处被某光源照射的表面上的光照强度；可使用此工具建立模型以反映表面的哪些部分将被其他部分遮挡。
下方的示例显示的是平面视图和透视图中的山体阴影栅格。
曲率工具用于计算坡度的坡度（表面的二阶导数），即表面的指定部分是凸还是凹。表面的凸出部分（如山脊）通常不会被遮挡，这些部分的水流将流向其他区域。表面的凹入部分（如河道）通常会被遮挡，其他区域的水流将流向凹入部分。曲率工具有两个可选变化形式：平面曲率和剖面曲率。这些工具主要用于反映地形对水流和侵蚀的影响。剖面曲率将影响水流的加速和减速，进而影响到侵蚀和沉积。平面曲率将影响水流的汇聚和分散。
下方的示例显示的是平面视图和透视图中的曲率栅格。
可见性工具
可见性工具是多种用于分析表面各部分的可见性的工具。通视分析工具用于识别某一位置是否从另一位置可见以及这两个位置之间连线上的中间位置是否可见。
下方是通视分析的示例。线南端的观察点能够看到此线上绿色部分沿线的地形部分，但无法看到此线上红色部分沿线的地形部分。这种情况下，在此观察点无法观察到山另一侧的山谷中的火情。
可见性工具支持偏移，这样便可指定观察点的高度以及作为观察对象的点或像元。
下方的示例显示的是将不具有偏移的结果与具有目标偏移的结果进行比较的通视分析。这条线上可从观察点看到的位置显示为绿色，而那些被中间地形所遮挡的位置显示为红色。
您可以使用目标偏移为建筑物或烟流建模。
如果使用较大的目标偏移，目标将可见，即使中间地形上各点的可见性不发生变化也如此。
您还可向观察点添加偏移，从而在观察点位置模拟一座塔楼。添加观察点偏移通常将增加从某位置可见的 terrain 的数量。
视点分析工具用于识别可从哪些观察点（指定为一组点）看到栅格表面的任意指定像元。视域工具将针对栅格表面的每个像元以及一组输入点（或输入线的折点）计算能够看到任意指定像元的观察点的数量。
下方的示例显示的是具有单一输入观察点的视域分析。观察点将使用偏移来模拟高于地面 50 米的火警瞭望塔上的视域。在右侧的图像中，观察点视域之外的像元显示为黑色。
在下方的透视图中，您可以看到观察点和地形。
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从此观察点进行观察时，山脊遮挡了其后方的山谷。
“视点分析”工具和“视域”工具还可用于指定观察点和目标偏移以及一组可限制各观察点能够查看的方向和距离的参数。
体积工具
体积工具是多种基于表面信息计算体积的工具。这些工具用于计算栅格表面或 TIN 表面与其他表面的体积差异。对于此工具，其他表面可以是具有指定高程的水平面，也可以是另一个栅格表面或 TIN 表面。
下方的示例显示的是表示水库的常规水位的 terrain 表面。您可以使用体积工具计算水库水量接近最大容积时的附加水量。
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表面体积工具用于计算特定高程的水平面之上或之下的表面的体积。您可以使用此工具计算处于特定洪水位的某段河道中的水量。此工具可在栅格表面或 TIN 表面上使用。此工具的输出是一个文本文件，此文件将记录所使用的参数以及所生成的表面的面积和体积。
填挖方工具用于计算相同区域的栅格在处理之前和处理之后每个像元的差异程度。此工具可用于计算为改造某一表面而需要运至建筑工地或从建筑工地运走的土方的体积。此工具作用于两个栅格，而结果则表示为一个包含这两个图层之间的差异的栅格。
TIN 差异工具与“填/挖方”工具类似，但它作用于一对输入 TIN 表面。此工具将创建面要素类，其中每个面都将被赋予指定的属性，这些属性用于识别第二个 TIN 与第一个 TIN 的相对位置（位于第一个 TIN 之上、之下或位于相同高度）以及该面中这两个 TIN 之间的体积差异。
TIN 面体积工具用于计算要素类中每个面相对于 TIN 表面的体积差异和表面面积。要素类中的每个面均表示一个位于某一高程（在高度字段中指定）的水平面。此平面与之上或之下的 TIN 表面之间的体积将被添加到要素类中的体积字段，此面的表面面积将被添加到表面面积字段。
重分类工具
将表面数据转换为更易用的信息以进行分析的一种方法是对表面进行重分类。对表面进行重分类会将某一范围的多个值设置为等于一个值。您可对表面进行重分类，这样，值大于指定值或在两个临界值之间的像元所在的区域将被指定一个编码，其他区域将被指定另一个编码；您还可使用重分类（或分割）工具将表面分割为指定数量的类，以此作为聚合和概化详细数据的方法。对表面进行重分类通常用于减少叠加分析的输出类别的数量。
下方的示例显示的是分割为多个类的高程栅格（每个类表示一个范围的高程值）和重分类为两个类（在指定高程之上和之下）的高程栅格。
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下方的示例显示的是重分类为两个类的坡向栅格；坡向朝南和西南的坡的值为 1（亮），具有其他坡向的坡的值为 0（暗）。
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距离工具
某些距离工具用于创建显示一组位置中每个像元的距离的栅格。
这些工具用于确定到一组源要素的最短直线距离以及最近要素的方向。欧氏分配工具用于在某一表面上创建分配到最近要素的区域。
成本距离、成本路径、成本回溯链接和成本分配工具用于查找从源到目标的最短（最小成本）路径，并将创建用于量化对表面进行遍历的成本的栅格。成本栅格既可反映难度成本、能源成本、时间成本或美元成本，也可反映多种因素对行驶或流经某一表面的成本的综合影响。路径工具集与“成本”工具集的功能相同，但还将考虑表面距离和垂直行进难度（成本）因素；例如以下示例：丘陵地形上某条指定线的长度要大于完全水平的表面上相同线的长度、沿坡面水平移动将易于上坡或下坡。
有关距离工具的详细信息，请参阅邻域分析部分。
从表面提取信息
某些工具用于从表面提取矢量要素，或者生成表格式汇总或表面的更小栅格样本。
对栅格进行采样
采样工具可创建用于显示一组采样点位置处一个或多个栅格的值的表。这些采样点可位于一个点要素类中或位于某一栅格中值不是 NoData 的像元中。您可使用此工具从 terrain 栅格、水源距离栅格和森林类型栅格获取有关一组点处（如鸟类筑巢位置）发生的事件的信息。
下方的示例显示的是正在地质栅格中的一组点处进行采样；采样结果是一个表。
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可单独对输出表进行分析或将输出表关联到采样点要素。
下方的示例显示的是重新关联到原始采样点的采样结果表。
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提取工具可使用某一掩膜区域中的像元的副本创建新栅格。通过按掩膜提取工具可使用面要素类提取栅格数据。
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值提取至点工具可使用某一栅格中一组输入点要素处的值创建新的点要素类。按属性提取工具可根据逻辑查询选择栅格的像元。多边形提取和用矩形提取可提取定义某一区域的多组坐标值并输出位于多边形之内或之外的栅格。按圆形区域提取可提取圆的中心坐标和半径并输出位于圆之内或之外的栅格。用点提取可提取定义一组点的一组坐标值并输出包含这些点（或除这些点之外的点）处的像元值的栅格。任何情况下，原始栅格中不属于提取区域的像元都将被赋予 NoData 值。3D Analyst 表面点工具用于从表面提取一组点要素的高程值并将这些值添加为点的 Spot 属性。
从 TIN 提取信息
TIN 会将坡度和坡向信息存储为 TIN 表面的属性。无需获取 TIN 表面的坡度和坡向（当您处理仅存储高程值的栅格 terrain 模型时），您只需将该信息从这些表面提取到一组面。TIN 坡向和 TIN 坡度用于从 TIN 提取坡向和坡度数据并将这些信息添加为面要素类的属性。
下方的示例显示的是 TIN 高程模型及其包含的坡向信息：
下方的示例显示的是 TIN 高程模型及其包含的坡度信息：
提取等值线
等值线工具用于从栅格表面提取具有相等值的线（等值线）。TIN 等值线工具用于从 TIN 表面提取由等值线组成的线要素类。
下方的示例显示的是一个高程模型以及从该模型提取的等值线。
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分区统计工具可为指定栅格生成汇总统计数据表，此生成操作将基于由其他栅格或某一面要素类定义的区域，此工具还可使用某项特定汇总统计数据作为属性生成与这些区域对应的新栅格。
水文分析工具
水文分析工具用于从 terrain 栅格获取流域盆地和河流信息；这些信息可转换为矢量要素。此过程需要多种用于从 terrain 表面获取信息的工具，并将生成可转换为矢量要素的盆域栅格和河流栅格。流向工具用于提取 terrain 表面和识别每个像元的下坡方向。盆域分析工具使用“流向”工具的结果来识别流向同一位置的相连像元所组成的流域盆地。流量工具用于确定每个像元中的表面流量大小；具有较高流量值的像元通常是河流或河道。此工具还可识别局部地形高点（零流量区域），例如山峰和山脊线。
以下是高程模型的示例：
下方的示例显示的是从高程模型获取的流向表面：
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下方的示例显示的是从流向表面获取的盆域：
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下方的示例显示的是从流向表面获取的流量表面：
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可以使用地图代数条件 (Con) 语句对流量表面进行处理，例如：
con (flowacc > 100, 1)
要只将那些具有较高流量值（在此示例中为大于 100 的流量值）的像元捕获到河流栅格中。
下方的示例显示的是从流量表面提取的河流栅格：
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栅格河网矢量化工具可基于河流栅格和流向表面创建矢量河流线要素。