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1、第二节 空间数据的统计分析,第一节 空间查询与量算,第三节 空间分析,第六章 空间查询与分析,空间查询的方式及方法空间分析的基础ArcGIS软件的空间分析,目的：掌握空间查询的方法；理解空间分析的基础，以ArcGIS软件为例，掌握空间分析的步骤及其应用。,第六章 空间分析(Spatial Analysis),空间分析,是指以地理事物的空间位置和形态特征为基础，以空间数据运算、空间数据与属性数据的综合运算为特征，提取与产生新的空间信息的技术和过程。,（1）分类,基于空间图形数据的分析运算基于非空间属性的数据运算空间和非空间数据的联合运算,根据分析数据性质的不同,（1）分类,根据分析功能的不同,（
2、2）空间分析的内容,拓扑分析 包括空间图形数据的拓扑运算，即旋转 变换、比例尺变换、二维及三维显示和 几何元素计算等属性分析 包括数据检索、逻辑与数学运算、重分 类和统计分析等拓扑属性的联合分析 包括与拓扑相关的数据检索、叠置处理、区域分析、邻域分析、网络分析、形状探测、瘦化处理和空间插值等,（2）空间分析的步骤,建立分析的目的和标准准备空间操作的数据进行空间分析操作进行表格分析结果评价和验证修改产生结果图和表格报告,是按一定的要求对地理信息系统所描述的空间实体及其空间信息进行访问，从众多的空间实体中挑选出满足用户要求的空间实体及其相应的属性。,空间信息查询,6.1空间数据的查询与量算,6.1
3、.1几何参数的查询,MapInfo软件中点目标的几何参数查询,MapInfo软件中线目标的几何参数查询,Mapinfo软件中面状目标的几何参数查询,ArcView软件中图形查属性的表达方式,6.1.3 空间关系查询,面面查询 如与某个多边形相邻的多边形有哪些面线查询 如某个多边形的边界有哪些线面点查询 如某个多边形内有哪些点状地物线面查询 如某条线经过（穿过）的多边形有哪 些，某条链的左、右多边形是哪些,线线查询 如与某条河流相连的支流有哪 些，某条道路跨过哪些河流。线点查询 如某条道路上有哪些桥梁，某条 输电线上有哪些变电站。点面查询 如某个点落在哪个多边形内。点线查询 如某个结点由哪些线相
4、交而成。,查询城镇是否位于平原区内,举例：点面查询,(1)邻接查询,从多边形与弧段关系的表中，检索出该多边形关系的所有弧段从弧段关系的左右多边形的表中，检索出这些弧段所关联的多边形,从线状地物表中查找出组成线状地物A的所有弧段及关联的结点从结点表中查找出与这些结点相关联的弧段（线状目标）即为与A关联的支流,线与线邻接查询的原理,(4)落入查询,查询一个空间对象它落在哪个空间对象之内。可采用空间运算，使用点在多边形内，线在多边形内，或面在多边形内的差别方法。,(5)缓冲区查询,缓冲区查询与后面介绍的缓冲区分析有一点差别，缓冲区查询不对原有图形进行切割，只是根据用户需要给定一个点缓冲、线缓冲或面缓
5、冲的距离，从而形成一个缓冲区的多边形，再根据多边形检索的原理，检索出该缓冲区多边形内的空间地物。,距黄河150公里范围内的主要城市,（6）地址匹配查询,根据街道地址来查询事物的空间位置和属性信息是地理信息系统特有的一种查询功能，这种查询利用地理编码，输入街道门牌号码，就可知道大致的位置和所在的街区。,根据地类号查询斑块分布,SQL查询,（1）查找(Find),查找（Find）是最简单的由属性查询图形的操作，它不需要构造复杂的SQL命令，仅要选择一个属性表，给定一个属性值。,MapInfo中查找的结果显示,Select 需显示的属性项 From 属性表 Where 条件 or 条件 and 条件
6、,（2）标准SQL查询语言,MapInfo软件中SQL输入标准对话框,通过SQL语言查询的结果,（3）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”）,扩展SQL空间查询结果,查询灌溉水田的OC 贮量变化,灌溉水田（11）在重分类值为1,(1)几何量算,点状地物（0维）：坐标；线状地物（1维）：长度，曲率，方向；面状地物（2维）：面积，周长，形状等；体状地物（3维）：体积，表面积等。,6.1.5 空间量算（了解）,几何量算对不同的点、线、面地物有不
7、同的含义：,2）面状地物的面积,在矢量结构下，面状地物以其轮廓边界弧段构成的多边形表示的。对于没有空洞的简单多边形，假设有N个顶点，其面积计算公式为：,形状量算（周长）,（2）其它,质心量算,距离量算,点击,右击字段名,统计举例,有机碳含量统计,直方图显示数据的概率分布特征以及概括性的统计指标。,直方图,正态QQ Plot图 检查数据的正态分布情况。作图原理是用分位图思想。直线表示正态分布，从图中可以看出数据很接近正态分布,趋势分析,（4）半变异函数/协方差函数。该图可以反应数据的空间相关程度。图表的横坐标表示任两点的空间距离，纵标表示该两点的半变异函数值。,半方差/变异函数云图,6.3 空间
8、分析,缓冲区分析,叠加分析,空间插值,路径分析,数字地面/高程模型（在DEM/DTM),重/再分类,6.3.1 再/重分类,地理信息系统对原始数据进行的再次分类组织，因此称为再分类（Reclassification）,图2-6-3 多个属性的再分类,举例：坡度文件重分类,点3DAnanlyst Reclassify,点击进入手动分类,可修改,重分类的坡度图,查询不同坡度下有机质含量,6.3.2 缓冲区分析（Buffers Analysis）,缓冲区是指基于对点、线或面等因素，按指定的条件，在其周围建立一定空间区域作为分析对象，这个区域称为缓冲区。缓冲区实际上是独立的多边形区域，它的形态和位置与
9、原来因素有关。,缓冲区分析（续）,邻近度（Proximity）描述了地理空间中两个地物距离相近的程度，其确定是空间分析的一个重要手段。缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具之一。,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。从数学的角度看，缓冲区分析的基本思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。,缓冲区计算的基本问题是双线问题,角平分线法,凸角圆弧法,点、线、多边形的缓冲区,成都平原城镇缓冲区与全氮等值线图的叠置,人口,地价,成都市主城区放大图,样点,缓冲距离 0.5km,1.0km,1.5km，2.0km,2.5km,3.0km,6.3.3 叠置分
10、析,在统一的空间参照系统条件下，每次将同一地区两个或多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。,(1)视觉信息叠置,GIS/LIS中视觉信息叠加包括以下几类：点状图，线状图和面状图之间的叠加显示。,县（市）2002年样点 1982年样点,1982年和2002年土壤样点分布图,遥感影像与专题地图的叠加专题地图与数字高程模型（DEM）叠加 显示立体专题图,(2)点与多边形的叠置,*通过点与多边形叠加，可以计算出每个多边形类型里有多少个点，不但要区分点是否在多边形内，还要描述在多边形内部的点的属性信息。通常不直接产生新数据层面，只是把属性信息叠加到原
11、图层中，然后通过属性查询间接获得点与多边形叠加的需要信息。,(3)线与多边形叠置,线与多边形的叠加，是比较线上坐标与多边形坐标的关系，判断线是否落在多边形内。,(4)多边形叠置,多边形叠置分析,多边形叠置产生碎屑多边形（Silver Polygon）,根据叠加结果最后欲保留空间特征的不同要求，一般的GIS软件都提供了三种类型的多边形叠加操作：,多边形的不同叠置方式,叠置分析统计示意图,合成叠置 统计叠置,叠置分析统计示意图,(5)栅格图层叠置,基于常数对数据层面进行的代数运算；基于数学变换对数据层面进行的数学变换（指数、对数、三角变换等）；多个数据层面的代数运算（加、减、乘、除、乘方等）和逻辑
12、运算（与、或、非、异或等）。,地图代数功能有三种不同的类型,1981年,2002年,21年间,SOM(g kg-1)及其变化的分级图,74.8%25.2%,栅格数据的函数运算,6.3.4 插值/等值线分析,空间插值分析是将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面的方法。其作用是便于与其它空间现象的分布模式进行比较。它包括了空间内插和外推两种算法。,空间内插算法是一种通过已知点的数据推求同一区域其它未知点数据的计算方法；空间外推算法则是通过已知区域的数据，推求其它区域数据的方法,使用空间插值的原因,1）现有离散曲面的分辨率、像元大小和方向与所要求的不符，需重新插值。2）现有的连续曲面的数据模型与所需
13、的不符，如从TIN模型到栅格。3）现有数据不能完全覆盖所要求的区域范围。,空间插值的理论假设是空间位置上越靠近的点，越可能具有相似的特征值；而距离越远的点，其特征值相似的可能性越小。,空间插值的数据源,摄影测量得到的正射航片或卫星影像；卫星或航天飞机的扫描影像；野外测量采样数据，采样点随机分布或有规律的线性分布（沿剖面线或沿等高线）；数字化的多边形图、等值线图；,在资源环境研究中，主要需要样点调查资料和数字化的区域边界图,各种不同的采样方式,空间插值方法,整体插值方法 用研究区所有采样点的数据进行全 区特征拟合；局部插值方法 是仅仅用邻近的数据点来估计未知 点的值。,边界内插方法 边界内插方法
14、假设任何重要的变化发生在边界上，边界内的变化是均匀的，同质的，即在各方向都是相同的。,整体插值方法,趋势面分析,根据采样点的属性数据与地理坐标的关系，进行多元回归分析得到平滑数学平面方程的方法，称为趋势面分析。,局部插值方法,局部插值方法只使用邻近的数据点来估计未知点的值，包括几个步骤：a.定义一个邻域或搜索范围；b.搜索落在此邻域范围的数据点；c.选择表达这有限个点的空间变化的数学函数；d.为落在规则格网单元上的数据点赋值。重复这个步骤直到格网上的所有点赋值完毕。,最近邻点法：泰森多边形方法,移动平均插值方法：距离倒数插值,克里格插值,克里格插值是空间自协方差最佳插值方法,局部插值方法 分类
15、,克里格插值:空间自协方差最佳插值方法,克里格插值方法的区域性变量理论假设任何变量的空间变化都可以表示为下述三个主要成分的和：1）与恒定均值或趋势有关的结构性成分；2）与空间变化有关的随机变量，即区域性变量；3）与空间无关的随机噪声项或剩余误差项。,图2-6-11 区域变量理论将复杂的空间变化分为三个部分(i)地形的平均特性；(ii)空间相关的不规则变化；(iii)随机的、局部的变化,图2-6-13 克里格插值的示例,克里格插值举例,搜索邻近的观测点,各种预测误差交叉确认,输出克里格插值图层参数统计,克里格插值结果图,6.3.5 数字地面模型Digital Terrain Model,分类,（
16、1）规则格网DTM,（2）平面多边形DTM,（3）曲面DTM,（4）空间多边形DTM,（5）等值线DTM,（6）散点DTM,(数字高程模型 Digital Elevation Model),它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型,网格DEM,?DEM/DTM建立的主要方法,直接从地面测量根据航空或航天影像，通过摄影测量途径获取从现有地形图上采集,汉源流沙河流域三维景观,从遥感影像上自动提取,1、首先选中等高线图层，将其转换为TIN模型。,根据现有地图数字化后的等高线提取坡度文件,建立TIN模型时选择的图层为等高线图层。,将建立好的TIN模型添加进来。,2、提取坡度,坡度图,用
17、数字高程模型提取坡度、坡向图,地表形态的自动分类,分类指标确定或拟定地形分类决策表 编程实现自动分类或利用程序实现自动提取地形信息的过程 例子,利用DEM进行剖面分析,根据等高线所做的沟渠纵断面图,利用DEM进行通视分析示例,观察点,不通视,通视,雷达盲区飞行,可视域的三维显示,利用DEM进行地形三维图绘制,DEM高程点,建立几何模型,透视变换,隐藏线、面的消除,光照模型计算,贴纹理,图形输出,流域水文特征（DEM水文分析）,水淹示例,6.3.6 网络分析,节点（Nodes）：网络中任意两条线段的交点,链（Links）：网络中流动的管线。其状态属性包括阻力（Impedence）和需求（Dema
18、nd）,中心（Centers）：网络中位于节点处，具有沿着链收集或发放资源能力的设施,障碍（Barriers）：禁止网络中链上流动的节点，即资源不能通过的节点。,网络数据结构,站点（Stops）：资源沿着网络路径流动时被分配或收集的节点，其状态属性有要被运输的资源需求。,拐角点（Turns）：出现的网络链中所有的分割结点，状态属性有阻力。,主要网络分析功能,路径分析,最短路径或最佳路径,动态分段技术,资源分配分配中心向四周输出 四周向中心集中,N条最佳路径,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。动态最佳路径分析：实际网络中权值是随权值关系式
19、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。,寻找最短路径,例：某人要去医院看病，现在为他设计一条从他家到医院的最短路线。具体的操作如下：,把相关主题添加进视图目录表中。,激活Customer.shp，选择起始点（如某人的家，黄色的点表示选中的点）。,激活S_fran.shp（路径主题），主题突出显示,从【Network】菜单选择【Find Closest Route】命令,4、选择Hospital.shp。5、选择目的地个数。6、输入距离（到达费用，可以是距离或者时间）。7、载入事件。,8、选择Customer.shp。9、点击ok。10、选择事件（刚才选中的起始点）。11、
20、点击路径生成按钮。,追踪分析,空间分析方法示例以学校选址为例,一、背景,合理的学校空间位置布局，有利于学生的上课与生活。学校的选址问题需要考虑地理位置、学生娱乐场所配套、与现有学校的距离间隔等因素，从总体上把握这些因素能够确定出适宜性较好的学校选址区。,二、目的,通过练习，熟悉ArcGIS栅格数据距离制图、成本距离加权、数据重分类、多层面合并等空间分析功能，熟练掌握利用ArcGIS空间分析功能，分析类似学校选址等实际应用问题。,三、数据,1、Landuse（土地利用数据）2、dem（地面高程数据）3、rec_sites（娱乐场所分布数据）4、school（现有学校分布数据）,四、要求,1、新学
21、校选址需注意如下几点：1）新学校应位于地势较平坦处2）新学校的建立应结合现有土地利用类型综合考虑，选择成本不高的区域3）新学校应该与现有娱乐设施配套，学校距离这些设施越近越好4）新学校应避开现有学校，合理分布,2、各数据层的比重为：距离娱乐设施占0.5，距离学校占0.25，土地利用类型和地势位置因素各占0.125。3、给出适合新建学校的适宜地区图，并作简要分析。,五、操作步骤,（一）运行ArcMap，加载Spatial Analyst模块，并打开school图层。,（二）设置空间分析环境。单击Spatial Analyst模块的下拉箭头，打开Options对话框，设置相关参数：包括常规中的工作
22、目录、分析范围选择“与层landuse”一样、像素尺寸中也选择“与层landuse”一样。,（三）从DEM数据提取坡度数据集。选择DEM数据层，单击Spatial Analyst模块的下拉箭头，选择Surface Analyst并单击Slope，生成坡度数据集。,（四）从娱乐场所数据提取娱乐场所直线距离数据。选择rec_sites数据层，单击Spatial Analyst模块的下拉箭头，选择Distance并单击Straight line，生成dis_recsites数据集。,（五）从现有学校位置数据“school”提取学校直线距离数据集。选择school数据层，单击Spatial Analy
23、st模块的下拉箭头，选择Distance并单击Straight line，生成dis_school数据集。,(六)重分类数据集1、重分类坡度数据集学校的位置在平坦地区有利，因此，采用等间距分级把坡度分为10级。平坦的地方适宜性好，赋以较大的适宜性值，反之则反，得到坡度适宜性数据recalssslope。,2、重分类娱乐场所直线距离数据集考虑到新学校距离娱乐场所比较近时适宜性好，采用等间距分级分10级，距离娱乐场所最近适宜性最高，赋值10，最远1。得到娱乐场所适宜性图reclassdisr。,3、重分类现有学校直线距离数据集考虑到新学校距离现有学校比较远时适宜性好，仍分10级，距离娱乐场所远赋值
24、10，最近1。得到重分类学校距离图reclassdiss。,4、重分类土地利用数据集在考察土地利用数据时，容易发现各种土地利用类型对学校适宜性也存在一定的影响。如在有湿地、水体分布区建校的适宜性极差，故在重分类时删除这两个选项。按Ctrl键，选择“water”、“wetland”、“grass”，并单击“删除条目”。然后，根据用地类型给各种类型赋值，得到reclassland。,（六）适宜区分析重分类后，各个数据集都统一到相同的等级体系内，且每个数据集中那些被认为比较适宜的属性都被赋以较高的值，现在开始给四种因素赋以不同的权重，然后合并数据集以找出最适宜的位置。单击Spatial Analys
25、t下拉列表中的Raster Calculator命令对各个重分类后数据集的合并计算，最终适宜性数据集的加权计算公式为：Suit（最终适宜性）reclassdisr0.5+reclassdiss0.25+reclassland0.125+reclassslope0.125,将suit数据层中大于8的区域提取出来，得到Suitsite，确定其为最佳选址区域，即图中紫色区域。,参考文献：1.刘耀林.土地信息系统M.北京:中国农业出版社.2003.2.黄杏元,马劲松,汤勤.地理信息系统M.北京:高等教育出版社.2001.3.汤国安,陈正江,赵牡丹等.ArcView地理信息系统空间分析方法M.北京:科学出版社.2002.4.陈述彭,鲁学军,周成虎.地理信息系统M.北京:科学出版社.2002.5.李玉龙,何凯涛.ArcView GIS基础与制图设计M.北京:电子工业出版社.2002.,思考题：1.空间查询和空间分析的概念。2.空间查询的方式。在MapInfo和ArcView软件中空间查询的方法。3.缓冲区分析和叠置分析的概念，并举例说明这两种空间分析方法的用途。4.理解基于栅格结构空间变换的三种方式。5.再分类、网络分析的概念。6.数字地面模型的类型。7.熟悉ArcGIS软件中的基本分析功能及其应用。,
