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1、第六章 GIS空间分析原理与方法,空间分析是GIS系统的重要功能之一,是GIS系统与计算机辅助绘图系统的主要区别。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 GIS空间分析模型,空间分析定义,字面定义：空间数据的分析和数据的空间分析空间数据分析描述空间对象的非空间特性方法：概率、数理统计等数学方法特点：几何特征不是主要限制因子（例：聚类分析）数据处理与一般的数据统计分析基本一致分析结果依托于地理空间，描述的是空间过程，揭示空间规律和机制。数据空间分析描述空间对象的空间位置、
2、关系，对空间对象进行定量描述方法：空间统计学、图论、拓扑学、计算几何等。特点：非严格意义的分析，是空间事物的描述和说明，特征提取和参数计算回答是什么、在那里、有多少和怎么样，并不回答为什么。定义：空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息,空间分析的主要内容,空间位置：借助于空间坐标系传递空间对象的定位信息，是空间对象表述的研究基础，即投影与转换理论。空间分布：同类空间对象的群体定位信息，包括分布、趋势、对比等内容。空间形态：空间对象的几何形态空间距离：空间物体的接近程度空间关系：空间对象的相关关系，包括拓扑、方位、相似、相关等。,空间分析、GIS和
3、空间模型,空间分析和空间模型是不同层次上的概念空间分析是基本的，解决一般问题的理论和方法，空间模型是复杂的，解决专门问题的理论和方法。例：工厂选址与水库选址，水土流失应用模型无可枚举，而空间分析技术是有限的。应用模型建立过程比较复杂，有些还不能用数学方法描述，空间分析技术为解决复杂的应用模型提供基本的分析工具。GIS是空间数据处理理论和方法的集成化实现。包含了大部分的空间分析技术，是GIS的技术特色。空间分析和空间模型是零件和机器的关系,空间分析技术发展及存在问题,空间分析技术发展各种地图应用（医学应用）定量分析空间对象的分布模式地理空间本身特征、空间决策过程、时空演化过程等空间分析发展存在问
4、题地图的直观性，忽视地图信息的解析性和复杂性，缺少对地图应用的研究数字地图改变了地图的应用方式，展示了更为广阔的应用领域和更为灵活的应用方式空间分析是GIS区别与其他信息系统的标志，是GIS技术的一个主要发展方向：管理型向分析决策型转变,GIS空间分析模型,地理信息系统不仅要完成管理大量复杂的地理数据的任务，更为重要的是要完成地理分析、评价、预测和辅助决策的任务，必须发展广泛的适用于地理信息系统的地理分析模型，这是地理信息系统走向实用的关键。模型：所谓模型，就是将系统的各个要素，通过适当的筛选，用一定的表现规则描写出来的简明的映象。通常表达了某个系统的发展过程或发展结果。地学模型：是用来描述地
5、理系统各个要素之问相互关系和客观规律的，它用信息的、语言的、数学的或其它表达形式，通常反映地学过程及其发展趋势或结果。是在对系统所描述的具体对象与过程，进行大量专业研究的基础上，总结出来的客观规律的抽象或模拟。地学模型也称为专题分析模型。,分析模型按建立的方法主要有以下三种类型：概念模型：又称为逻辑模型，主要指通过观察、总结、提炼而得到的文字描述或逻辑表达式，常由此构成专家系统的知识库；数学模型：又称为理论模型，是应用数学分析方法建立的数学表达式，反映地理过程本质的物理规律，如区位模型(Location Models)就是解决地理空间问题的很有价值的理论模型；统计模型：包括经验模型，是通过数理
6、统计方法和大量观察实验得到的定量模型，具有简单实用的优点。,第二节 栅格数据分析的基本模式,栅格数据的聚类分析根据设定的聚类条件对原有数据系统进行有选择的信息提取而建立新的栅格数据系统的方法。,在四种类型要素中提取其中要素2的聚类,栅格数据的聚合分析,根据空间分辨力和分类表，进行数据类型的合并或转换以实现空间地域的兼并。空间聚合的结果往往将较复杂的类别转换为较简单的类别，并且常以较小比例尺的图形输出。当从地点、地区到大区域的制图综合变换时常需要使用这种分析处理方法。,1、2类合并为b，3、4类合并为a,2、3类合并为c，1、4类合并为d,栅格数据的信息复合分析,信息复合模型(overlay)包
7、括两类：即简单的视觉信息复合和较为复杂的叠加分类模型。常被用来进行区域适应性评价、资源开发利用、规划等多因素分析研究工作。在数字遥感图象处理工作中，利用该方法可以实现不同波段遥感信息的自动合成处理。视觉信息复合是将不同专题的内容叠加显示在结果图件上，参加复合的平面之间没发生任何逻辑关系，仍保留原来的数据结构；叠加分类模型则根据参加复合的数据平面各类别的空间关系重新划分空间区域，使每个空间区域内各空间点的属性组合一致。,逻辑判断复合法,数学运算复合法：算术运算、函数运算 算术运算指两层以上的对应网格值经加、减运算，而得到新的栅格数据系统的方法。,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1
8、,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,2,2,2,3,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,3,A,B,C,D=A+B+C,E=|A-B|,F=D-E,函数运算指两个以上层面的栅格数据系统以某种函数关系作为复合分析的依据进行逐网格运算，从而得到新的栅格数据系统的过程。应用面：地学综合分析、环境质量评价、遥感数字图像处理等领域,土壤侵蚀多因子函数运算复合分析,函数运算,栅格数据的追踪分析,对于特定的栅格数据系统，由某一个或多个起点，按照一定的追踪线索进行追踪目标或者追踪轨迹信息提取的空间分析方法。,6,
9、4,7,10,25,20,19,16,8,12,15,21,25,34,22,15,11,17,24,32,30,27,21,12,14,25,31,39,32,25,14,7,20,29,32,33,23,21,12,3,20,26,28,25,20,16,13,4,20,23,23,18,12,9,9,4,17,18,17,12,8,3,2,3,栅格数据的窗口分析,33窗口 55窗口 77窗口,圆形窗口环形窗口 扇形窗口,按窗口统计分析分类：MeanMaximum MinimumMedianSumRangeMajorityMinorityVariety,按窗口形状分类：矩形窗口圆型窗口环型
10、窗口扇型窗口,第三节 矢量数据分析的基本方法,矢量数据的包含分析确定要素之间是否存在着直接的联系，即矢量点、线、面之间是否存在在空间位置上的联系，这是地理信息分析处理中常要提出的问题，也是在地理信息系统中实现图形属性对位检索的前提条件与基本的分析方法。在包含分析的具体算法中，点与点、点与线的包含分析一般均可以分别通过先计算点到点，点到线之间的距离，然后，利用最小距离阈值判断包含的结果。点与面之间的包含分析，或称为Point-Polygon分析。,矢量数据的缓冲区分析,缓冲区分析是研究根据数据库的点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形实体，从而实现空间数据在水平方向得以扩展的
11、信息分析方法。它是地理信息系统重要的和基本的空间操作功能之一。例如，城市的噪音污染源所影响的一定空间范围、交通线两侧所划定的绿化带，即可分别描述为点的缓冲区与线的缓冲带。而多边形面域的缓冲带有正缓冲区与负缓冲区之分,矢量数据的多边形叠置分析,多边形叠置分析也称为Polygon-on-polygon 叠置，它是指同一地区、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置。参加叠置分析的两个图层应都是矢量数据结构。若需进行多层叠置，也是两两叠置后再与第三层叠置，依次类推。其中被叠置的多边形为本底多边形，用来叠置的多边形为上覆多边形，叠置后产生具有多重属性的新多边形。,矢量数据的网络分析,网
12、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。网络分析的主要用途是：选择最佳路径；选择最佳布局中心的位置。网络分析的基本方法：路径分析地址匹配 资源分配,网络中的基本组成部分和属性：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。障碍：禁止网络中链上流动的点。拐角点：出现在网络链中所有的分割结点上状态属性的阻力，如拐弯的时间和限制(如不允许左拐)。中心：是接受或分配资源的位置，如水库
13、、商业中心、电站等。其状态属性包括资源容量，如总的资源量；阻力限额，如中心与链之间的最大距离或时间限制。站点：在路径选择中资源增减的站点，如库房、汽车站等，其状态属性有要被运输的资源需求，如产品数。,最短路径(Network Analyst),最短路径(TSP问题),最短路径(TSP问题优化),服务区域,第四节 数字地面模型及其应用,DTM与DEM的概念 数字地面模型（DTM）是利用一个任意坐标场中大量选择的已知x、y、z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，或者说，DTM就是地形表面简单的数字表示。数字地面模型更通用的定义是描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列。数字高程模型（DE
14、M）是DTM的一个子集，是DTM中最基本的部分，它是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。,DTM的表示方法主要有规则格网（GRID）表示法和不规则三角网(TIN)表示法，此外还有离散点表示法和数学分块曲面表示法。规则格网（GRID）表示法结构简单、计算方便，但：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。不规则三角网(TIN)表示法克服了高程矩阵中冗余数据的问题，而且能更加有效地用于各类以DTM为基础的计算。但其结构复杂。,DEM的应用：作
15、为国家地理信息的基础数据：我国现在强调4D产品的建设。即：数字线化图(Digital Linear Graphs，简称DLG)；数字高程模型(Digital Elevation Models，简称DEM)；数字正射影像(Digital Orthophoto Quadrangles，简称DOQ)；数字栅格图(Digital Raster Graphs，简称DRG)。并以前3D作为国家空间数据基础设施(NSDl)的框架数据。土木工程、景观建筑与矿山工程的规划与设计为军事目的(军事模拟等)而进行的地表三维显示景观设计与城市规划流水线分析、可视性分析交通路线的规划与大坝的选址不同地表的统计分析与比较生
16、成坡度图、坡向图、剖面图，辅助地貌分析，估计侵蚀和径流等。作为背景叠加各种专题信息如土壤、土地利用及植被覆盖数据等，以进行显示与分析等等,地形因子的自动提取-坡度,坡度：地表单元的法向与Z轴的夹角，即切平面与水平面的夹角。在计算出各地表单元的坡度后，可对不同的坡度设定不同的灰度级，可得到坡度图。,地形因子的自动提取-坡向,坡向：地表单元的法向量在水平面上的投影与X轴之间的夹角。在计算出每个地表单元的坡向后，可制作坡向图，通常把坡向分为东、南、西、北、东北、西北、东南、西南8类，再加上平地，共9类，用不同的色彩显示，即可得到坡向图。,地形因子的自动提取-面积与体积,面积与体积计算用投影面积与曲面
17、面积之比计算地表粗糙度，分析地表起伏状况计算两个不同时期面积和体积的差异，分析地表形态变化状况（如背斜的隆起与向斜的凹陷、沟谷的堆积与山峰的销蚀）计算两个不同时期面积和体积的差异，分析地表形态变化状况（如火山爆发前与爆发后的形态）,地形因子的自动提取-等值线,等值线自动生成等值线是是指属性值相等的点相连得到的曲线“值”可以是高程、温度、降水量、大气压，甚至商服繁华度、文化水平等等等值点的追踪规则：三角网法、格网法根据等高线的疏密程度、走势等可分析谷脊特征,地形因子的自动提取-淹没区计算,淹没边界的计算计算高程小于既定阈值的区域，可分析该区域的淹没面积和淹灌填充体积如水利工程修建对周围区域的影响
18、,透视图的绘制,渲染图的制作,第五节 空间数据查询分析,空间数据的查询属于数据库的范畴，一般定义为从数据库中找出所有满足属性约束条件和空间约束条件的地理对象。属性约束条件：带比较运算符的逻辑表达式。空间约束条件：带空间谓词的逻辑表达式。空间谓词由地理对象间的空间关系演变而来，如包含、相交、相离、重叠、距离、方向等。,查询方式,空间数据查询过程,空间数据库,查询条件,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,图形-属性,空间查询语言,闪烁、颜色等明显表示,空间查询的方式,给出图形信息：如鼠标点取，拉框等方式检索其相应属性检
19、索其空间拓扑关系 给出属性特征条件检索对应的空间实体 查询属性 单纯查询：单纯地查询属性，或只查询空间拓扑关系联合查询：将空间数据与属性数据联合查询。,几何参数查询包括点的位置坐标，两点间的距离，一个或一段线目标的长度，一个面目标的周长或面积等。实现：查询属性库或空间计算,空间数据查询种类,空间定位查询,给定一个点或一个几何图形，检索该图形范围内的空间对象及其属性。按点查询：给定一个鼠标点，查询离它最近的对象及属性点的捕捉。开窗查询按矩形、圆、多边形查询分为该窗口包含和穿过的区别。实现：根据空间索引，检索哪些对象可能位于该窗口，然后根据点、线、面在查询开窗内的判别计算，检索到目标。空间运算方法
20、,空间关系查询,相邻分析检索通过检索拓扑关系面面（如查询与面状地物相邻的多边形）线线（与某干流A相连的所有支流）点点（A与B是否相通）相关分析检索（不同要素类型之间的关系）通过检索拓扑关系线面（我国边境线总长度）点线（自来水GIS中，与某阀门相关的水管）点面包含关系查询查询某个面状地物所包含的空间对象。通过叠置分析检索,A,B,C,空间关系查询(续),穿越查询某公路穿越了某些县，采用空间运算的方法执行，根据一个线目标的空间坐标，计算哪些面或线与之相交。落入查询一个空间对象落入哪个空间对象之内。空间运算 缓冲区查询根据用户给定的一个点、线、面缓冲的距离，从而形成一个缓冲区的多边形，再根据多边形检
21、索原理，检索该缓冲区内的空间实体。,属性查询,查找仅选择一个属性表，给定一个属性值，找出对应的属性记录或图形。在屏幕上已有一个属性表，用户任意点取记录，对应的图形以高亮显示。实现：执行数据库查询语言，找到满足要求的记录，得到它的目标标识，再通过目标标识在图形数据文件中找到对应的空间对象，并显示出来。SQL查询Select 属性项 From 属性表 Where 条件 or 条件 and 条件实现：交互式选择各项，输入后，系统再转换为标准的SQL，由数据库系统执行，得到结果，提取目标标识，在图形文件中找到空间对象并显示。,空间查询的方法,基于关系查询语言扩充的空间查询方法可视化空间查询方法基于自然
22、语言的查询方法超文本查询方法,扩展SQL,空间数据查询语言是通过对标准SQL的扩展来形成的，即在数据库查询语言上加入空间关系查询。为此需要增加空间数据类型（如点、线、面等）和空间操作算子（如求长度、面积、叠加等）。在给定查询条件时也需含有空间概念，如距离、邻近、叠加等。例如，“查询长江流域人口大于50万的县或市”，可表示为：SELECT*FROM县或市WHERE 县或市.人口 50万 AND CROSS（河流.名称=“长江”）主要优点是：保留了SQL的风格，便于熟悉SQL的用户的掌握，通用性较好，易于与关系数据库连接。执行扩展SQL，如果要将属性和空间关系整体统一起来，从底层进行查询优化，有一
23、定困难。目前一般将两层分开进行查询。,可视化空间查询方法,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。,第六节 空间分析应用,空间分析的目的是解决某类与地理空间有关的问题，通常涉及多种空间分析操作的组合。一般步骤是：明确分析的目的和评价准则 准备分析数据 进行空间分析操作 进行结果分析 解释、评价结果（如有必要，返回
24、步骤1）结果输出（地图、表格和文档）,1、道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算,利用建立缓冲区、拓扑叠加和特征提取，计算道路拓宽改建中的拆迁指标。明确分析的目的和标准目的：计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑物的建筑面积和房产价值。道路拓宽改建的标准是：道路从原有的20m拓宽至60m；拓宽道路应尽量保持直线；部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除。准备进行分析的数据 本例需要涉及两类信息，一类是现状道路图；另一类为分析区域内建筑物分布图及相关信息。进行空间操作选择拟拓宽的道路（中心线），根据拓宽半径，建立缓冲区。将此缓冲区与建筑物数据进行叠合，产生一幅新图，此图包括所有部分或全部位于拓宽区内的建筑物信
25、息。进行统计分析对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择，凡部分落入拆迁区且楼层高于10层以上的建筑物，将其从选择组中去掉，并对道路的拓宽边界进行局部调整。对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。将分析结果以地图和表格的形式打印输出,2、辅助建设项目选址,利用空间操作和特征提取功能，为一建设项目选择最佳的建设位置。建立分析的目的和标准目的：确定一些具体的地块，作为一个轻度污染工厂的可能建设位置。工厂选址的标准包括：地块建设用地面积不小于10000m2；地块的地价不超过1万元/m2；地块周围不能有幼儿园、学校等公共设施，以免受到工厂生产的影响。从数据库中提取用于选址的数据 为达到选址的目的，需准备
26、两种数据，一种为包括全市所有地块信息的数据层；另一类为全市公共设施（包括幼儿园、学校等）的分布图。进行特征提取和空间拓扑叠加 从地块图中选择所有满足条件1、2的地块，并与公共设施层数据进行叠合。进行邻域分析对叠加的结果进行邻域分析和特征提取，选择出满足要求的地块。将选择的地块及相关信息以地图和表格形式打印输出,3、洪水淹没损失分析,分析目的和评价准则估计住宅用地被洪水淹设而造成的损失洪水水位的相对高程为500米损失的大小和居民的财产、地基的稳定性有关可获得的资料数字化的地块多边形地图。每个地块均有土地使用、可遭损失的财产状况（简称估计财产）、不同地基类型等属性地块多边形属性表中有地均财产这一项
27、，地均财产=估计财产/地块面积。对每一类地基，可估计其稳定性，并估计房屋倒坍的可能性，称损失系数数字化的等高线地形图,洪水淹没损失分析(续),进行空间操作将地块多边形和高程多边形叠合，产生地块高程多边形地图和对应的属性表。在地块高程属性表中选择高程小于等于500，土地使用性为住宅(R1、R2)的记录和地基损失系统对照表连接，获得新的地块高程属性表。估计损失=面积地均财产损失系数。可知，当洪水淹没了500米以下的地区时，每个地块财产的大致损失状况。对地块高程图按对应属性进行分类，得到洪水淹没损失分布图。,进行统计分析形成损失估计表和分析结论表,洪水淹没损失分析(续),作业,什么是空间分析？空间分析的主要内容有哪些？解释缓冲区分析、叠置分析、最佳路径分析，并举实例说明用途。说明DEM的概念及应用。空间分析应用道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算辅助建设项目选址洪水淹没损失分析,
