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1、,学习目标理解GIS中空间分析的概念、特点和作用掌握GIS空间分析的一般步骤了解视觉信息复合分析的类型和用途理解叠合分析的概念和类型，掌握多边形叠合分析的步骤和方法理解缓冲区的概念和作用，并能说明其应用方法了解网络分析在地学中的主要用途了解空间信息分类和统计分析方法 重点：矢量数据分析方法，栅格数据分析方法。,第六章 空间分析,返 回,1854年8月到9月 英国伦敦霍乱流行,琼斯诺博士 把道路、房屋、饮用水机井、霍乱病死者居住位置在1：6500的城区图上标出来,霍乱病死者居住位置,问题？集中钦用“布洛多斯托”水机井,返 回,在这个例子中，分析了患者的居住地与饮用水的空间位置关系。揭示了霍乱发病
2、的根源。,空间描述：制图、数据平滑、聚集探测等；空间解释：位置、空间关系、距离、梯度、格局等；空间预报：插值等；空间调控和决策：优化运筹、策略等。,在这个例子中利用了什么关系？,空间分析是综合分析空间数据的技术的通称。空间分析有着十分丰富的内涵，它是构成地理信息系统的核心部分之一，在整个地理数据的应用中发挥着举足轻重的作用，也是GIS区别与其它信息系统的一个显著标志。,空间分析的对象是一系列跟空间位置有关的数据，这些数据包括空间坐标和专业属性两部分。其中空间坐标用于实体的空间位置和几何形态，专业属性则是实体某一方面的性质。,第一节、空间分析的概述,返 回,一、空间分析的概念 1 基本概念,空间
3、分析是基于空间数据的分析技术，它以地学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间形成、空间演变等信息。目的在于提取和传输空间信息。空间分析是地理信息系统的重要内容。自有地图以来，人们就开始自觉或不自觉地进行着各种类型的空间分析，如在地图上量测地理要素之间的距离、方位、面积，乃至利用地图进行战术研究和战略决策等,都是人们利用地图进行空间分析的实例，而后者实质上已属较高层次上的空间分析。,返 回,返 回,返 回,空间分析是地理信息系统的主要特征，也是评价一个地理信息系统功能的主要指标之一。,空间分析是各类综合性地学分析模型的基础，为人们建立复杂的空间
4、应用模型提供了基本工具。空间分析与应用模型之间关系是“零件”与“机器”的关系。,返 回,空间分析的根本目的在于通过对空间数据的深加工和分析，获取新的信息。,GIS与CAD等非GIS软件相比，空间分析是GIS区别于CAD的最显著功能特征之一。,返 回,返 回,2 空间分析方法的分类（Goodchild）,（1）产生式分析：,地形分析（数字地面模型分析）：,空间叠合分析,缓冲区分析,空间网络分析,空间统计分析,（2）咨询式分析：,空间集合分析,空间数据查询,空间分析内容,1 什么是空间查询空间查询是空间分析基础，任何空间分析都开始于空间查询。回答用户的简单问题不改变空间数据库数据不产生新的空间实体
5、和数据空间查询技术由简单到复杂,第二节 空间查询,空间查询流程,空间数据库,属性限制,空间拓扑限制,二者结合,GIS软件,查询结果,统计结果：图、表、文字,新图层,新的属性域添加到属性数据库,查询方式,空间查询语言,闪烁、颜色等明显表示,空间查询：方式、内容与结果,2 空间数据查询基本方式,图形(几何)查询：图形查属性是根据图形的空间位置来查询有关属性信息；或者实体之间的空间关系查询，实体的属性信息查询等。属性查询：根据一定的属性条件来查询满足条件的空间实体的位置，是基于实体的属性信息进行查询，与一般的数据库查询相同，只不过最后查询的结果需要再与图形关联起来。图形属性互查：将空间关系和属性结合
6、起来进行查询，并将最后结果以图形和属性两种方式显示出来。如：查询京九线沿线人口大于100万的城市及各种属性信息。,几何查询：点,鼠标选取此点,查询结果,几何查询：线,查询线,几何查询：面,鼠标选取此面,属性查询：属性对应的空间位置分布,Select 需显示的属性项 From 属性表 Where 条件 or 条件 and 条件,标准SQL查询语言,example：query sale date of parcel 101：,select sale date,from parcel,where PIN=“p101”,MapInfo软件中SQL输入标准对话框,属性查询：SQL查询,条件：面积大于20
7、00平方公里且每平方公里人口大于100的地区,空间查询：扩展的SQL查询,例如查询三峡地区长江流域人口大于50万的县或市，扩展的SQL空间查询语句为：Select*From 县或市 Where 县或市人口50万 And Cross（河流名称=“长江”）,空间查询：扩展SQL查询,图形与属性的联合查询。条件：长江三峡地区长江流域人口大于70万的县、市地区,3 其它查询方法,1）可视化空间查询 可视化查询是指将查询语言的元素，特别是空间关系，用直观的图形或符号表示。查询主要使用图形、图像、图标、符号来表达概念。具有简单、直观、易于使用的特点。缺点：当空间约束条件复杂时，很难用图符描述；用二维图符表
8、示图形之间的关系时，可能会出现歧义；难以表示“非”关系；不易进行范围（圆、矩形、多边形等）约束；无法进行屏幕定位查询等。,2）超文本查询,图形、图像、字符等皆当作文本，并设置一些“热点”（HotSpot），“热点”可以是文本、键等。用鼠标点击“热点”后，可以弹出说明信息、播放声音、完成某项工作等。但超文本查询只能预先设置好，用户不能实时构建自己要求的各种查询。,3）自然语言空间查询在SQL查询中引入一些自然语言，如温度高的城市 SELECT name FROM Cities WHERE temperature is high SELECT name FROM Cities WHERE temp
9、erature=33.75这种查询方式只能适用于某个专业领域的地理信息系统，而不能作为地理信息系统中的通用数据库查询语言。,作定量转换,第三节数字地面模型分析,一DTM概述DTM定义：是利用任意一个坐标场中大量选择的已知X、Y、Z的坐标点对连续表面的一个简单的地面统计显示。当z为其他二维表面上连续变化的地理特征，如地面温度、降雨、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等特征，称为DTM（Digital Terrain Models）。当DTM中属性为高程时称DEM，（Digital Elevation Models），它是国家基础空间数据的重要组成部分，表示地表区域上地形的三维向量的有限序列，即地
10、表单元上高程的集合，数学表达为：DTM=Zi,j,DTM的派生产品：平面等高线图；立体等高线图等坡度图晕渲图通视图纵横段面图三维立体透视图三维立体彩色图,等高线绘制,透视图的绘制,渲染图的制作,渲染（阴影制图）,draping with color ramping,三维立体图,立体透视图,DTM的数据采集数据源决定采集方法：（1）航空或航天遥感图像为数据源（2）以地形图为数据源（3）以地面实测记录为数据源（4）其它数据源,手工数字化等高线,汉源流沙河流域三维景观,从遥感影像上自动提取,二 DEM概述当DTM中属性为高程时称DEM，（Digital Elevation Models），它是国家基
11、础空间数据的重要组成部分，表示地表区域上地形的三维向量的有限序列，即地表单元上高程的集合.,DEM表示方法,1 不规则三角网（TIN）TIN（Triangulated Irregular Network)利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点（各三角形的顶点）连接成相互连续的三角面（在连接时，尽可能地确保每个三角形都是锐角三角形或是三边的长度近似相等-Delaunay）。因为TIN可根据地形的复杂程度来确定采样点的密度和位置，能充分表示地形特征点和线，从而减少了地形较平坦地区的数据冗余。,Delaunay三角网特性Delaunay三角网的唯一性；没有任何点在三角形的外接
12、圆内部，反之，如果一个三角网满足此条件，那么它就是Delaunay三角网；Delaunay三角网中的三角形最接近于等边三角形,DTM表示方法：TIN,是一种用以对表面进行建模的复杂数据结构,2 等高线法 高程值的集合是以知的，每一条等高线对应一个以知的高程值，这样一系列等高线集合和他们的高程值一起就构成了一种地面高程模型。,3 规则格网法(Grid),规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间切分成规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。此时，DEM来源于直接规则矩形格网采样点或由不规则离散数据点内插产生。结构简单，计算机对矩阵的处理比较方便，高程矩阵已成为D
13、EM最通用的形式。高程矩阵特别有利于各种应用。,但Grid系统也有下列缺点：a)地形简单的地区存在大量冗余数据；b)如不改变格网大小,则无法适用于起伏程度不同的地区；c)对于某些特殊计算如视线计算时，格网的轴线方向被夸大；d)由于栅格过于粗略，不能精确表示地形的关键特征,如山峰、洼坑、山脊等；,DEM的生成,1 人工网格法 在地形图上蒙上格网，逐格读取中心点或交点的高程值。,2 三角网法 对有限个离散点，每三个邻近点联结成三角形，每个三角形代表一个局部平面，再根据每个平面方程，可计算各格网点高程，生成DEM。,由TIN生成的三维模型,3 立体像对法通过遥感立体像对，根据视差模型、自动选配左右影
14、像的同名点，可建立数字高程模型。,4 曲面拟合根据有限个离散点的高程、采用多项式或样条函数求得拟合公式，再逐一计算各点的高程，可得到拟合的DEM。,5等值线法根据各局部等值线上的高程点，通过插值公式计算各点的高程，得到DEM。等值线插值法是比较常用的方法，输入等值线后，可在矢量格式的等值线数据基础上进行，插值效果较好。,DEM的应用,1 坡度分析（Slope Analyze）：就是利用数字高程模型数据（DEM）来生成目标区域每 个点的坡度信息的过程；这里的DEM指的是Grid DEM栅格数据 坡度分析的输入是一个Grid DEM数据，输出也是一个 Grid栅格数据，两个数据的地理范围基本上是一
15、样的；坡度的定义及分析算法见教材 坡度计算结果的单位可以使DEGREE（角度数 090）或 者PERCENT_RISE（上升比值0）,坡度分析参数设置,坡度,2 坡向分析：利用输入的数字高程模型数据（Grid DEM），生成同一地区的各个格点坡向的过程；坡向分析的操作过程和坡度类似 坡向分析的操作输入数据是一个地区的数字高程模型数 据（DEM），输出是表示每个格点坡向的Grid数据，两个栅格数据的地理范围基本一样；坡度的单位为角度，取值范围0360,坡向分析参数设置,坡向,line shows green(visible)red(not visible),3制作剖面图,surface prof
16、ile generated,4 通视分析 通视分析是指以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析。1）方法：a、设立观察点，对格网DEM或三角网DEM上的每个点判断通视与否，通视赋值为1，不通视赋值为0。由此可形成属性值为0和1的格网或三角网。对此以0.5为值追踪等值线，即得到以O为观察点的通视图。b、以观察点O为轴，以一定的方位角间隔算出0360的所有方位线上的通视情况。对于每条方位线，通视的地方绘线，不通视的地方断开，或相反。这样可得出射线状的通视图。,可视域及可视性分析,一、空间缓冲区分析基本概念（Spatial buffer analysis）,是指根据分析对象的点、线、面实体，
17、自动建立它们周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围或影响度，以便为某项分析或决策提供依据。,例如：防护林带,第四节基于距离的分析缓冲区分析,缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具之一,邻近度（Proximity）：描述了地理空间中两个地物距离相近的程度，它的确定是空间分析的一个重要手段。交通沿线或河流沿线的地物有其独特的重要性，公共设施（商场，邮局，银行，医院，车站，学校等）的服务半径，大型水库建设引起的搬迁，铁路，公路以及航运河道对其所穿过区域经济发展的重要性等，均是一个邻近度问题。缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具之一。,从数学的角度看，缓冲区分析的基本思
18、想是给定一个空间对象或集合，确定它们的邻域，邻域的大小由邻域半径 R决定。因此对象 Oi的缓冲区定义为：,所谓缓冲区就是地理空间目标的一种影响范围或服务范围。,返 回,缓冲区分析,返 回,基于距离的分析缓冲区分析应用举例,在中山陵水源保护条例中规定：中山陵园水源沿岸500m范围内不得建立永久性建筑物。解决方案是什么？,例I,这个问题的实质就是以水源为多边形对象，生成500m为半径的缓冲区，从而为有效保护中山陵风景区水源提供了依据。,问题：一个突发的事件，影响的区域是长江周围50-100公里的范围要求：影响到那些省影响到那些县影响到那些道路不同地区的土壤类型解决方案是什么？,综合例子II,缓 冲
19、 区 分 类,点的缓冲区,线的缓冲区,面的缓冲区,二、缓 冲 区 分 类,缓 冲 区 分 类,点的缓冲区,线的缓冲区,面的缓冲区,二、缓 冲 区 分 类,缓 冲 区 分 类,点的缓区,线的缓冲区,面的缓冲区,二、缓 冲 区 分 类,进行空间缓冲区分析时，通常要将研究的问题抽象为以下三类因素来进行分析：,三、空间缓冲区分析基本问题,1 主 体：表示分析的主要目标，一般分为点、线、面三种类型。2 邻近对象：表示受主体影响的客体，例森林遭砍伐时所影响的水土流失范围等等。3 作用条件：表示主体对邻近对象施加作用的影响条件或强度。,（1）线性模型（2）二次模型（3）指数模型,缓冲区是根据点、线、面地理实
20、体，建立起周围一定宽度范围内的扩展距离图，缓冲区的作用是用来限定所需处理的专题数据的空间范围，一般认为缓冲区以内的信息均是与构成缓冲区的核心实体相关的，及邻接或关联关系，而缓冲区以外的数据与分析无关。,四、缓冲区生成步骤,缓冲区空间分析（2）,全图的缓冲区分析操作入口,选中地物的缓冲区分析操作入口,缓冲区空间分析可设置的参数 对全图进行分析还是只是选中地物：选中或者全图 缓冲分析的距离大小及单位：大小单位 缓冲的方向：内、外或者两个方向 结果多边形是否进行合并：是或者否,矢量数据的缓冲区分析,第五节 空 间 叠合 分 析,矢量数据的空间 变换分析,栅格数据的空间 变换分析,多边形叠合分析,包含
21、分析,缓冲分析,叠合分析,空聚类间,空间聚合,空 间 变 换 分 析,7.3.1 基本概念一、空间叠合分析的概念,1.空间叠合分析（spatial overlay analysis）是指在统一空间参照系统条件下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。,叠合分析是地理信息系统最常用的提取空间隐含信息的手段之一。该方法源于传统的透明材料叠加，即将来自不同的数据源的图纸绘于透明纸上，在透光桌上将其叠放在一起，然后用笔勾出感兴趣的部分提取出感兴趣的信息。,提取某个区域范围内某些专题内容的数量特征，称为空间统计叠合,2.空间叠合分析根据
22、叠合对象图形特征的不 同划分为：,（1）点与多边形的叠合(Point-in-polygon overlay)（2）线与多边形的叠合(Line-in-polygon overlay)（3）多边形与多边形的叠合(polygon-on-polygon overlay),二、点与多边形的叠合,实质：点与多边形之间的包含分析点与多边形的叠合可以分析每个多边形内某类点状要素一共有多少，或哪些点落在哪些多边形内。应用范围：这一功能常用于城市中各种服务设施分布情况的分析。,三、线与多边形的叠合,实质：建立某一图层上的弧段与另一图层的 多边形的归属关系。线与多边形的叠合点是确定一图层上的弧段落在另一图层的哪个多
23、边形内，以便为图层的每条弧段建立新的属性。应用：例如确定某一行政区内各种等级道路的里程数时，就需要将道路图与境界图相叠合，计算弧段与多边形边界的交点，在交点处截断弧段，并对弧段重新编号，建立弧段与多边的归属关系。,图5-16 线与多边形的叠合,又例：如何确定江苏省内高速公路的里程数？线与多边形的叠合,？几部分？,定义,步骤,分类,同一地区、同一比例尺的两种或两种以上专题要素进行叠置，形成具有二重或多重属性的相交多边形集合。,四、多边形与多边形的叠合,定义,步骤,分类,对原始多边形数据形成拓扑关系多层多边形数据的空间叠置，形成新的层对新层中的多边形重新进行拓扑组建剔除多余的多边形，提取出感兴趣的
24、部分,四、多边形与多边形的叠合,定义,步骤,分类,合成叠置：通过区域多重属性的模拟，寻找和确定同时具有几种地理属性的分布区域，或者按照确定的地理指标，对叠置后产生的具有不同属性级的多边形进行重新分类或分级。因此，合成叠置的结果为新的多边形数据文件。统计叠置：精确的计算一种要素在另一种要素的某个区域多边形范围内的分布状况和数量特征，或提取某个区域范围内某种专题内容的数据，因此，叠置的结果为统计报表或列表输出,四、多边形与多边形的叠合,四、多边形与多边形的叠合,实质：将两个不同图层的多边形要素相叠合，产生输出层的新多边形要素。应用：用以解决地理特征的动态变化分析、区域多重属性的模拟分析、区域信息提
25、取等。,多边形与多边形的叠合,又例如：多边形叠合分析统计示 图,叠置图,某县土地报表,4,主要叠合分析命令 UNION：合并操作INTERSECT：求交集操作IDENTIFY：识别操作ERASE 擦除操作UPDATE更新操作,Arcinfo中多边形与多边形的叠合分析功能,：,UNION 合并操作,IDENTITY（识别操作）将点、线或多边形叠加到多边形上，保留所有输入图层的特征。输入图层的可以是多边形、点、线，而操作图层（叠加）要素必须是多边形。,INDENTIFY 标识操作设置,标识地物,被穿越的林地多边形ID=1,ERASE擦除操作：进行多边形叠合，输出层为保留输入图层为控制边界之外的所有
26、多边形,面面擦除,线面擦除,擦除操作,基于栅格数据的叠合分析,参与叠合分析的两个图层的要素均为栅格数据优：数据量大缺：运算过程比较简单,函数运算,视觉信息叠加是将不同侧面的信息内容叠加显示在结果图件或屏幕上，以便研究者判断其相互空间关系，获得更为丰富的空间信息。地理信息系统中视觉信息叠加包括以下几类：l 点状图，线状图和面状图之间的叠加显示。l 面状图区域边界之间或一个面状图与其他专题区域边界之间的叠加。l 遥感影象与专题地图的叠加。l 专题地图与数字高程模型（DEM）叠加显示立体专题图。视觉信息叠加不产生新的数据层面，只是将多层信息复合显示，便于分析。,视觉信息叠加的问题,l 专题地图与数字
27、高程模型（DEM）叠加显示立体专题图。视觉信息叠加不产生新的数据层面，只是将多层信息复合显示，便于分析。,视觉信息叠加的问题,Spatial network analysis,对地理网络（如交通网络）、城市基础设施网络（如各种网线、电力线、电话线、供排水管线等）进行地理分析和模型化，是地理信息系统中网络分析功能的主要目的。网络分析是运筹学模型中的一个基本模型，它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好，如一定资源的最佳分配，从一地到另一地的运输费用最低等。其基本思想则在于人类活动总是趋于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置。这类问题在社会经济活动中不胜枚举，因此在地理信息
28、系统中此类问题的研究具有重要意义。,第六节 空间网络分析7.5.1 概述,Spatial network analysis,对地理网络（如交通网络）、城市基础设施网络（如各种网线、电力线、电话线、供排水管线等）进行地理分析和模型化，是地理信息系统中网络分析功能的主要目的。网络分析是运筹学模型中的一个基本模型，它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好，如一定资源的最佳分配，从一地到另一地的运输费用最低等。其基本思想则在于人类活动总是趋于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置。这类问题在社会经济活动中不胜枚举，因此在地理信息系统中此类问题的研究具有重要意义。,7.5 空间网络
29、分析7.5.1 概述,1.网络是一个由点、线的二元关系构成的系统，通常用来描述某种资源或物质在空间上的运动。例如城市的道路系统、各类地下管理线系统、流域的水网等，都可以用网络来表示，形成各类物质、能量和信息流通的通道。这类面向网络的数据在GIS空间数据中占有较大的比重。,一、基本概念,网络数据结构的基本组成部分和属性如下：1）链（Link）网络中流动的管线，如街道、河流、水管等，其状态属性包括阻力和需求。2）结点（Node）*网络中链的结点，如港口、车站、电站等，其状态属性包括阻力和需求等。结点中又有下面几种特殊的类型。l 障碍（Barrier），禁止网络中链上流动的点。l 拐点（Turn），
30、出现在网络链中的分割结点上，状态属性有阻力，如拐弯的时间和限制（如在8：00到18：00不允许左拐）。l 中心（Center），是接受或分配资源的位置，如水库、商业中心、电站等，其状态属性包括资源容量（如总量），阻力限额（中心到链的最大距离或时间限制）。l 站点（Stop），在路径选择中资源增减的结点，如库房、车站等，其状态属性有资源需求，如产品数量。除了基本的组成部分外，有时还要增加一些特殊结构，如邻接点链表用来辅助进行路径分析。*在图数据结构中称为“弧”。,二、网络数据结构,1）静态求最佳路径：在给定每条链上的属性后，求最佳路径。2）N条最佳路径分析：确定起点或终点，求代价最小的N条路径，
31、因为在实践中最佳路径的选择只是理想情况，由于种种因素而要选择近似最优路径。3）最短路径或最低耗费路径：确定起点、终点和要经过的中间点、中间连线，求最短路径或最小耗费路径。4）动态最佳路径分析：实际网络中权值是随权值关系式变化的，可能还会临时出现一些障碍点，需要动态的计算最佳路径。,路径分析,三、网络分析的应用,为了进行网络最短路径分析，需要将网络转换成有向图。无论是计算最短路径还是最佳路径，其算法都是一致的，不同之处在于有向图中每条弧的权值设置。如果要计算最短路径，则权重设置为两个节点的实际距离；而要计算最佳路径，则可以将权值设置为从起点到终点的时间或费用。Dijkstra算法可以用于计算从有向图中任意一个节点到其它节点的最短路径。,二、计算最短路径的Dijkstra算法,
