1、实验背景
地形指标是最基本的自然地理要素，绝对人类的生产和生活影响最大的自然因素。地形指标的提取对水土流失、土地利用、土地资源评价、城市规划等方面的研究起着重要的作用。而基于ArcGIS的地形指标的提取，大多数是运用DEM数据来完成。根据研究区域尺度的不同，地形指标有许多因子，主要有坡度、坡向、地形起伏度、地面粗糙度四个指标。
特征地形要素，主要指对地形在地表的空间分布特征具有控制作用的点、线或面状要素。特征地形要素构成地表与起伏变化的基本框架。与地形指标的提取主要采用小范围的邻域分析不同的是，特征地形要素的提取更多地应用较为复杂的技术方法，如山脊线、山谷线、沟沿线等的提取采用了全局分析法，成为栅格数据地学分析中很具特色的数据处理内容。而山脊线和山谷线构成了地形起伏变化的分界线（骨架线），对于地形地貌研究具有重要意义。对于水文物理过程研究而言，山脊线和山谷线的提取实质上也是分水线与汇水线的提取。
本实验以兰州市安宁区为例，进行地形指标和地形特征的提取。
2、技术路线图
3、地形指标的提取
3.1 坡度和坡度变率的提取
- 坡度是地面高程的变化率。地面坡度变率，是地面坡度在微分空间的变化率，是依据坡度的求算原理，在所提取的坡度值的基础上对地面每一点再求一次坡度，即坡度变率（Slope of Slope，简称SOS），坡度变率在一定程度上可以很好的反应坡面曲率信息。
- 打开3Danalyst
选择【customize】|【extension】，勾选“3Danalyst”。 ArcGIS 3D Analyst 扩展模块提供了用于在三维 (3D) 环境中创建、显示和分析 GIS 数据的工具。我们下面所使用的工具都建立在此基础上 - 提取坡度指标
选择【ArcToolbox】（工具箱）|【3D Analyst】（3D工具） 打开【Raster Surace】，点击【Slope】（坡度），添加数据，命名为Slope，并改变存储路径
- 【注】用不同的颜色代表坡度值，可通过图例查看，从上到下坡度逐渐增大；右击图层数据，选择【Properties】修改图层相关属性（Symbology），修改颜色属性，即得到灰白色系的坡度数据
- 提取坡度变率指标；
选中Slope.dem图层，选择【Slope】，即对坡度求坡度，可得到坡度变率。命名为SOS
3.2 坡向和坡向变率的提取
- 提取坡向指标
添加DEM数据，选择【Aspect】（对坡向进行提取），并改变存储路径 - 提取坡向变率指标；
坡向变率是指坡向之坡度（Slope of Aspect，简称SOA）可以很好地反映等高线弯曲程度。
对于坡向数据（slope）图层，选择【slope】，对坡向求坡度即可得到坡向变率（SOA）数据,
3.3 地形起伏度的提取
- 地形起伏度，是指在特定的区域内，最高点海拔高度与最低点海拔高度的差值。地形起伏度是描述一个区域地形特征的宏观性指标。
- 使用栅格领域计算工具；
添加DEM数据，选择【Spatial Analyst】|【Neighborhood】打开“Facal Statistics”，输入数据。 - 求最大、最小层面
将“统计类型”选为MAXIMUM;得到DEM的最大层面A，重复以上的操作，将“统计类型”改为MINIMUM，得到DEM的最小层面B - 获取地形起伏度；
选择【Spatial Analyst】|【Map Algebra】打开“Raster Calculator”，计算公式为“A-B” - 地面粗糙度的提取
- 地面粗糙度，是特定的区域内地球表面积与其投影面积之比。地面粗糙度是描述一个区域地形特征的宏观性指标。获得坡度数据层。
- 获得坡度数据层。
添加数据；选择【3D Analyst】| 【Raster Surace】，打开“Slope”窗口添加数据,得到坡度数据层 - 计算地面粗糙度。
选择【Map Algebra】|【Raster Calculator】（栅格计算器），计算地面粗糙度，计算式为1/cos((slope)*3.14159/180)
4、地形特征信息的提取
山脊线的提取&山谷线的提取
- 提取DEM的坡向数据层A。
添加DEM数据，并提取DEM的坡向数据层A - 利用【Slope】提取A的坡度数据，对坡向求坡度。
即是求坡向变率，命名为SOA1 - 求DEM数据层的最大值H 。
选择“Spatial Analyst”工具，选择【Neighborhood】（领域分析）|【Facal Statistics】，输入数据，并将“统计类型”选为MAXIMUM;得到DEM数据层的最大值H - 求DEM的反地形。
选择【Map Algebra】|【Raster Calculator】，计算公式为“H-DEM”，获得反地形DEM数据层 - 计算反地形的坡向变率SOA2。
对于反地形坡向数据（slope）图层，选择【slope】对反地形的坡向求坡度，加入数据，即可得到坡向变率SOA2 - 计算平均值数据层C。
选择【ArcToolbox】|【Spatial Analyst】，打开“Neighborhood”中的“Focal Statistics ”并将“Raster”（数据类型）改为“Mean”计算出平均值数据层C - 求正负地形的分布区域。
选择【Raster Calculator】，利用计算公式“DEM-C”，求正负地形的分布区域 - 提取山脊线
选择【Raster Calculator】，利用计算公式“c>0&SOA>50”，提取山脊线 - 山脊线提取完成
- 用同样的方法提取出山谷线，计算公式为：c<0&SOA>50
- 山谷线提取完成
四、总结
综上，利用ArcGIS进行地形指标的提取和地形特征信息的提取就结束了，ArcGIS的功能远不止此，需要更加深入的学习去探索和发掘，生无机巧姿，所贵唯实践。
五、致谢
感谢大家的阅读，欢迎指正批评。
六、参考
《地理信息系统教程》高等教育出版社，2006；
《ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程 第二版》，汤国安。
七、实验数据
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三山半落，一水中分。地纵经纬，理入乾坤。
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