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1、地理信息系统基础,天津师范大学城环学院,李佩武 教授,第六章 空间查询与空间分析,第一节 空间数据查询第二节 空间分析第三节 数字高程模型（DEM）,第一节 空间数据查询,一、空间数据查询的定义二、空间数据查询的内容三、空间数据查询的方法,一、空间数据查询的定义,空间数据查询一般定义为：作用在GIS数据上的函数，返回满足条件的内容。空间数据查询是GIS的一个基本功能。,二、空间数据查询的内容,两种基本查询：通过属性查图形通过图形查属性,通过属性查图形,通过图形查属性,三、空间数据查询的方法,1.扩展SQL（关系数据库查询语言）2.拓扑关系查询 3.缓冲区查询 4.DEM高程查询 5.多媒体查询
2、,扩展SQL查询,SQL是由逻辑运算组合而成的，即通过条件表达式查询符合条件的目标对象与属性信息。标准SQL的不支持空间概念，不能进行空间数据的查询。在标准查询语言SQL的基础上，加入空间关系的查询，就称为扩展SQL。逻辑运算包括算术运算、关系运算、逻辑运算等，包括对函数的操作。,扩展SQL查询,空间拓扑关系,缓冲区查询,DEM高程查询,多媒体查询,第二节 空间分析,一、空间分析的含义 二、空间数据的统计分析三、缓冲区分析 四、叠置分析 五、空间集合分析 六、地学分析 七、地形分析,一、空间分析的含义,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，是从地理信息系统目标之间的空间关系
3、中获取派生的信息和新的知识，包括了诸如数据格式转换、多边形叠合等操作和按一定模式关系进行的各种数据运算（算术、关系、逻辑、函数运算）。根据确定的分析模式，提高分析评价、管理与决策的能力，这是地理信息系统的核心功能，是地理信息系统区别于计算机制图系统的显著标志之一。,空间分析模型是指用于GIS空间分析的数学模型，是在GIS空间数据基础上建立起来的模型，是通过作用于原始数据和派生数据的一组顺序的、交互的空间分析操作命令，对一个空间决策过程进行的模拟。地理信息系统具有的各种应用模型，是判别一个系统优劣的重要标志，也是空间分析的基础。空间分析内容包括：统计分析、缓冲区分析、叠置分析、集合分析、地学分析
4、、地形分析等。,二、空间数据的统计分析,（一）属性数据的特征值（二）统计数据的分类分级（三）相关分析（四）趋势分析,（一）属性数据的特征值,频率 均值 众数 中数 总和 方差 变差系数 其他参数,（二）统计数据的分类分级,为了将地理数据中的统计数据用专题地图的形式表示出来，需要对统计数据进行分类分级。分级分类的方法很多，经常用到的有：变量筛选法：多用主成分分析法实现。系统聚类法：按性质上的相近程度分类。最优分割分级法：使其分割的级内离差平方和为最小，级间离差平方和为最大的一种方法。,（三）相关分析,相关分析主要做三件事：建立相关关系，分析相关程度、讨论相关误差等。,（四）趋势分析,趋势分析主要
5、是模拟地理特征的空间分析与时间过程。,三、缓冲区分析,（一）缓冲区分析的定义（二）缓冲区的三种情况（三）缓冲区分析的意义,（一）缓冲区分析的定义,缓冲区分析是确定不同地理特征的空间接近度或临近性的操作，是针对点线、面实体，自动建立其周围一定范围的缓冲区多边形。其数学表达式为：,（二）缓冲区的三种情况,点要素的缓冲区原理 通常是以点为圆心、一定距离为半径画圆图例,点要素的缓冲区分析实例,线要素的缓冲区,原理 分别对每个顶点和每条边生成缓冲区，然后对这些缓冲区进行叠置操作。通常形成以线为中心轴线、距其一定距离的平行条带多边形图例,线要素的缓冲区分析实例,面要素的缓冲区,原理 面要素的缓冲区，通常是
6、以面的闭合线为基础、向内或向外生成的距其一定距离的多边形。图例,面要素的缓冲区分析实例,（三）缓冲区分析的意义,缓冲区分析是地理信息系统重要的和基本的空间分析功能之一。如制定自然保护区时，要求在距保护区一定范围内规定出禁止砍伐树木，就需要用缓冲区来实现。应用缓冲区操作生成的缓冲区多边形将构成新的数据层，这个新的数据层就是需要的有用的信息。,四、叠置分析,（一）叠置分析的定义（二）叠置分析的原理（三）叠置分析的分类（四）叠置分析与视觉信息复合的区别,（一）叠置分析的定义,叠置分析是将两层或多层地图要素进行叠加产生一个新要素层及其属性的操作。这个新的要素层综合了原有各图层所具有的属性。,（二）叠置
7、分析的原理,（三）叠置分析的分类,不论是属性数据还是空间数据，建库时都是按属性分层录入的，这样便形成了若干个不同属性的数据层，如河流是一层，公路是一层，铁路又是一层等。各层都有不同的属性定义，如河流为弧线，公路为平行线，铁路为黑白相间线等。将同一地区，同一比例尺的两组或更多的多边形要素的数据层进行叠置，会出现两种成果形式，一种是根据两组多边形边界的交点来建立具有多重属性的多边形，称为合成叠置；另一种是进行多边形范围的属性特征的统计分析，称为统计叠置。,合成叠置：一种是根据两组多边形边界的交点来建立具有多重属性的多边形。合成叠置得到一张新的叠置图，产生了许多新的多边形，每个多边形内都具有两种以上
8、的属性，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。,合成叠置,统计叠置,统计叠置：是进行多边形范围的属性特征的统计分析。统计叠置得到的是新的属性数据，得到的新属性值可能与原数据层的属性意义不一致，因为得到的结果可能是名称、分类值，也可能是分析后的结果。,（四）叠置分析与视觉信息复合的区别,叠置分析与视觉信息复合不同，叠置分析是把参与叠加的各数据层经过算术的、几何的、逻辑的运算生成新的数据层；而视觉信息复合仅是把不同的数据层同时显示到一个屏幕上或绘制在一幅图形里，各数据层间不存在逻辑关系，没有生成新的数据文件，在同一区域内，地图投影与比例尺相同便可进行视觉信息复合。由于数
9、据结构的不同，基于矢量结构与栅格结构的叠置方法是不一样的。,五、空间集合分析,（一）空间集合分析的定义（二）叠置分析和空间集合分析的区别,（一）空间集合分析的定义,空间集合分析是在叠置分析的基础上进行的逻辑选择过程，通常是按照两个逻辑子集给定的条件进行逻辑交运算、逻辑并运算、逻辑差运算等。,逻辑交运算,逻辑交运算提取的数据是各数据层中共有（重叠）部分，与数学里的交运算相同（同时满足所给条件）。,逻辑并运算,提取的数据是各数据层中任一满足条件的所有部分，而非仅仅是重叠部分，与数学里的并运算相同（满足任何所给条件都为满足条件）。,逻辑差运算,提取的数据是从某一个数据层减去与另一个数据层共有（重叠）
10、部分，与数学里的差运算相同。,（二）叠置分析和空间集合分析的区别,叠置分析和空间集合分析虽然都可以在基于矢量的地理信息系统和基于栅格的地理信息系统中完成，但由于基于栅格的系统的叠加分析要容易和快得多，而矢量数据在叠置操作时容易产生多边形误差且边界搜索也很困难，运算速度又慢等原因，所以一般用栅格数据进行空间集合分析。各类集合操作如下图,各类集合操作,六、地学分析,（一）发展预测分析（二）网络分析（三）土地适应性分析（四）其它地学分析,（一）发展预测分析,可以根据地理信息系统中存储的丰富信息，运用科学的分析方法，预测某一事物如人口、资源、环境、粮食产量等，及在今后的可能发展趋势，并给出评价和估计，
11、以调节控制计划或行动。,（二）网络分析,能够用来进行最佳路径分析，以及追踪某一污染源流经的排水管道等。,网络分析之最佳路径分析,Dijkstra算法图,最佳路径分析,（三）土地适应性分析,可以用来评价和分析各种开发活动包括农业应用、城市建设、农作物布局、道路选线等用地，优选出最佳方案，为土地规划提供参考意见。,土地利用分析,（四）其它地学分析,利用地理信息系统还可以进行最佳位置的选址，新修公路的最佳路线选择，辅助决策分析和地学模拟分析等。,七、地形分析,（一）等高线分析（二）透视图分析（三）坡度坡向分析（四）断面图分析（五）地形表面面积和挖填方体积计算,（一）等高线分析,用等高线表示地面高程的
12、空间变化是人们传统上观测地形的主要手段，人们可以在等高线图上精确地获得地形的起伏程度，区域内各部分的高程等。等高线图可以从格网数字高程模型中获取，也可以在不规则三角网数字高程模型中生成。从格网数字高程模型中获得等高线的方法是：把格网中各单元的高程分成适当的高程类别，然后用不同的颜色或灰度输出每一类别，两高程类别之间的分界线即是等高线。从不规则三角网数字高程模型数据中获得等高线的方法是：用水平面与不规则三角网数字高程模型相交割而产生等高线。,等高线图虽然可精确地描述地面起伏变化，但不够直观，很难在人们的脑海中呈现出地面的三维概貌，且在进行数据分析和模拟计算方面也存在不足。而用户往往需要从直观上观
13、察地形的起伏，所以地理信息系统通常具有绘制透视图的功能。三维透视图利用数字高程模型以数字形式表示地表数据变化，通过计算三维立体图的程序，用线划描述或是用栅格阴影显示来表示立体图形，有些系统还能在三维空间格网上添加颜色，使图形更加逼真，效果更好。,（二）透视图分析,（三）坡度坡向分析,坡度是水平面与局部地面夹角的正切值，用百分数表示；坡向是坡度变化率最大的方向，从北方起算角度。建立了数字高程模型以后，我们很容易在格网内或三角形内计算坡度和坡向，派生出坡度和坡向图供地形分析使用。坡度与坡向的计算是在格网数字高程模型中采用开窗连续移动搜索以完成整幅图的计算工作。输出时，既可是数字形式，又可是坡度图与
14、坡向图。,坡度坡向分析,（四）断面图分析,断面图主要用于工程设计和工程量算，用户可以在断面图上考察该剖面地形的起伏和计算剖面面积，从而为工程设计提供依据。,断面图分析,（五）地形表面面积和挖填方体积计算,以每个格网或每个三角形为基本单元，根据地形的起伏计算每个单元的斜面面积，进而求得整个数字高程模型的表面面积。用户还可以根据两个不同时期的数字高程模型计算挖填方的体积和范围，从而有效地提高了工作效率和经济效益。,第三节 数字高程模型（DEM）,一、DEM的基本概念二、DEM的表示方法 三、DEM数据获取和采样方法 四、DEM的主要用途 五、DEM的可视化,一、DEM的基本概念,（一）地形表达的方
15、法（二）数字高程模型的概念（三）DEM与传统地形图比较（四）DEM的数学表达（五）DEM数据的分布特征,（一）地形表达的方法,1.绘图2.地图3.摄影4.摄像5.三维图6.DEM与三维表达,1.绘图,人们一直在探索并希望用一种既方便又准确的方法来表达实际地表现象，最早的是绘画，它能粗略地反映所见到的地形景观，反映的是形态特征和色彩特征，但定量的描述有限；,2.地图,地图也使古老而有效的表达地表现象的方式，它是记录和传达关于自然世界、社会和人文的位置与空间特性信息的工具，等高线地形图是用来描述地貌形态，地图有数学法则性、制图综合性、内容符号性，现代地图的最大优点是具有可量测性。,3.摄影,与各种
16、线划图形相比，影像无疑具有更大的优点，细节丰富、成像快速、直观逼真，1849年开始出现了利用地面摄影相片进行地形图的编绘。航空摄影由于周期短、覆盖面广、现势性强，利用多张具有一定重叠度的相片还能够重建世纪地形的立体模型，并可以进行精确的三维量测。,4.摄像,20世纪60年代初，遥感技术的兴起，遥感技术除了是用黑白摄像机，彩色或才红外摄影机、全景摄影机、红外扫描一、多光谱扫描仪、雷达、ccd推扫式行扫描仪和矩阵数字摄影机等，能提供更丰富的影像信息。,5.三维图,由于客观世界的丰富多彩，千姿百态，用二位空间的表达寓所表示的三维现实世界之间，有着不可逾越的鸿沟，因此学者们一直致力于地形图的立体表示，
17、试图寻求到一种既能符合人们的视觉生理习惯，又能恢复真是地形世界的方法。曾先后出现过写景法、地貌晕渲法、分层设色法等，但这些缺乏严密的数学理论以及复制复杂而使其应用受到很大局限。,6.DEM与三维表达,20世纪中叶，计算机、现代数学与计算机图形学的发展，各种数字的地形表达方式得到迅猛发展。借助于数字地形表达，现实世界的三维特征能够得到充分而真实地再现。,（二）数字高程模型的概念,模型是对现实世界的一种抽象，用来表现其他事物的一个对象或概念，是按照比例所缩减转变到我们能够理解的形式的事物本体，模型分概念模型、物质模型、数学模型：概念模型是基于个人的经验与只是在大脑中形成的关于状况或对象的模型；物质
18、模型通常是一个模拟的模型，如三维立体模型；数学模型一般实际与数字系统的定量模型，根据问题的确定性和随机性数学模型又有函数模型和随机模型之分。,数字高程模型是新一代的地形图，地貌和地物不再用直观的等高线和图例符号在纸上表达，而是通过储存在磁性介质上的大量密集的地面点的空间坐标和地形属性编码，以数字的形式描述。DEM以数字的形式按一定的组织结构组织在一起，表示实体地形特征空间分布的模型，是地形形状大小和起伏的数字描述。,DEM是2.5维表面，具有真实外部形状特征的建筑物表面模型，如有特殊的屋顶达到了2.75维，真三维实体应该是 完整描述建筑物外部形状特征 内部构造特征的模型。,（三）DEM与传统地
19、形图比较,地球表面的的高低起伏变化是一种连续变化的曲面，二者曲面是无法用平面地图来确切表示的。DEM与传统地形图相比有如下特点：（1）容易以多种形式显示地形信息，地形数据经计算机处理后能产生比例尺、纵横断面图与立体图，而常规地图一旦制作形成，比例尺不容易改变，在绘制其他的地形图需要人工处理；（2）精度不会损失，没有载体变形的问题；（3）形象逼真。,（四）DEM的数学表达,DEM的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地表提供连续描述的算法，最基本的DEM由一系列地面x,y位置及其相联系的高程z所组成。数学表达是z=f(x,y)，x,y属于DEM所在区域。Z=f(x,y)，可用其0次项表示平
20、面；用其1次项表示线性；用其2次项表示二次曲面；用其3次项表示三次曲面；用其4次项表示四次曲面；用其5次项表示五次曲面；不同的地形可选其中一个或多个描述。,（五）DEM数据的分布特征,按其空间分布特征可分为两类：格网状数据和离散数据。把DEM覆盖区划分为规则格网，每个网格大小和形状都相同，用相应矩阵元素的行列号来实现网格点的二维地理空间定位，第三维为特征值，可以是高程和属性。网格大小代表数据精度。不可能用规格网获取数据时，则获取离散数据，离散数据DEM的平面二维地理空间定位由不规则分布的离散样点平面坐标实现，第三维仍未高程或属性特征值。如气象、水文与其他地理抽样条调查等呈不规则分布，需取离散数
21、据。,二、DEM的表示方法,1.数学方法 2.图像法,1.数学方法,用数学方法拟合表面时，在整体表示时，需依靠连续三维函数，连续的三维函数能以高平滑度表示复杂表面，一般用到傅里叶级数或高次多项式。表示局部使用规则块或不规则块，是将地表分为正方形像元，或面积大致相等的不规则形状的小块。据部分块模拟广泛应用于复杂表面模拟的机助设计系统，现在地下水、土壤特征或其他环境数据的表面内插。,2.图像法,分点模式与线模式，点模式分规则与不规则，规则两类，处理典型特征如山峰，洼地，边界等。线数据可处理水平限于垂直线与典型线如山脊线、谷底线、海岸线坡度变化线等。点模式：DEM的最普通形式是高程矩阵或规格矩形网格
22、，高程数据直接由解析立体测量仪从立体航空相片上定量测量。,2.图像法,不规则三角网由不规则的数据点连成三角网组成，三角面的形状与大小取决于不规则分布的观测点或称节点的密度和位置，虽地形起伏变化的复杂性而改变采样的密度和位置，而搞成矩阵则不能。TIN的模型是矢量拓扑结构，三角网可人工构建，也可自动建立。线模式：线模式是一系列描述高程测量曲线的等高线。,三、DEM数据获取和采样方法,1.数据获取 2.采样方法,TIN生成文理数据的获取建筑物高度数据的获取,1.数据获取,TIN生成,DEM包括平面位置和高程数据两种数据，2DGIS中DEM一般由离散高程点通过TIN构造生成，这种方法精度高但费时。目前
23、的主要研究方向转向由高分辨影像获取，另一方面由机载激光扫描仪获取等两条途径。现有的城市三维模型构建中获取途径有以下几种：直接使用2DGIS中的DEM。由于其是通过实测高程点构建TIN得来，能逼真地反映实体，精度高但获取和更新慢，不腻构建和维护一个大型的虚拟现实系统。,TIN生成,通过数字测量系统，处理摄影影像生成。受扫描仪分辨率与测量手段影响，精度受到影响但获取速度较快。由机载扫描仪系统直接扫描并经后续处理后得到。优点直接测量地面高程，无需人工干预自动快速的数据处理，获取速度快。缺点，精度低，需要专门的处理算法。用合成孔径雷达(SAR)获取数字高程模型。分辨率高，获取成本高。目前不宜推广。影像
24、（航空摄影与航天遥感）地形图地面本身：GPS、全站议、经纬仪在野外获取观测地面点数据,TIN生成,（2）文理数据的获取,由计算机作简单模拟提取。获取速度快数据量小，真实感不强。地面摄影相片直接提取。该法须用相机拍摄大量的建筑物侧面相片，强获取速度慢数据量大，但真实感强。航摄像片由计算机生成。对具有相似的纹理的建筑物，使用计算机提取建筑物纹理特征，速度快，但真实感相对较差。由空中影像获取。主要用来获取地面影像，影像中含有建筑物纹理信息，为减少工作量客队纹理进行提取并加以处理。获取的纹理变形较大，真实感较差。,建筑物高度数据的获取,在2DGIS的基础上，按层数粗略求算建筑物高度。建筑物用平顶表达，
25、或者认为加一个装饰性屋顶。用人工伙伴自动方式借助软件基于影像获取，该方法获取的数据重构的建筑物形状接近实际，工作量较大。根据算法，从影像中直接提取建筑物高度以及其他信息，该法高效，但目前大批量数据的自动处理尚不适宜。用机载激光扫描仪结合空中影像，经过算法处理提取建筑物藁城、纹理以及其它数据。该法快速高效，但后续处理工作量大，费用可观但发展前途大。,摄影测量数据采集方法 从现有地图获取数据 基于不规则三角网的方法,2.采样方法,摄影测量数据采集方法,模拟摄影测量、解析摄影测量与数字摄影测量。模拟摄影测量采用光学投影器或机械投影器模拟摄影过程；随着模数转换技术、电子计算机与自动控制技术的发展，用数
26、字投影仪代替物理投影，物理投影指光学的机械的模拟投影，数字投影是利用计算机实时地进行共线方程的结算，从而交会被摄物体的空间位置,摄影测量数据采集方法,从现有地图获取数据,从地形图上采集数据最基本的问题是数据化处理，如手扶跟踪数字化、扫描数字化等设备数字化，而后再用某种数据建模方法产生DEM。其过程为：地形图-地图扫描-质量检测与元数据文件记录-矢量化-等高线高程赋值-构造三角网内插DEM网格DEM建库与刻盘。,基于不规则三角网的方法,利用基于不规则三角网的方法进行数据建模和随机栅格转换，是快速可靠地生产高精度格网DEM切实可行的方案。,四、DEM的主要用途,1.相关学科和技术支持2.主要用途3
27、.数字高程模型表面建模,1.相关学科和技术支持,计算机是数字高程模型产生和发展的最重要的基础之一，数值逼近、计算几何、图论和数学形态学等数学分支的技术理论和方法奠定了数字高程模型的数学基础，各种数字机输入编码、数据压缩、数据结构和数据库技术等市组织数字高程模型数据的理论依据。数字高程模型的可视化表现更是依托于计算机图形学的发展。,2.主要用途,模型是地理空间定位的数字数据的集合，因此凡涉及到空间定位，在研究过程中又要依靠计算机系统支持的课题，一般都要建立数字高程模型。在测绘中可用于绘制等高线、坡度图、坡向图、立体透视图、立体景观图，并应用于制作正射影像、立体地形模型与地图修测。在环境与规划中可
28、用于土地现状的分析、各种规划与洪水险情预报等。,数字高程模型是地形表面的一个数学模型。可以使用一个或多个数学函数来对地表进行表示。这样的数学函数通常为认为是内插函数，对地形表面进行表达的各种处理可以成为表面重建或表面建模（1）数字表面建模的各种方法（2）不规则三角网的形成,3.数字高程模型表面建模,（1）数字表面建模的各种方法,基于点的建模方法、基于三角形的建模方法、基于格网的建模、混合表面的建模。基于三角形和网格的建模方法使用较多，被认为是两种基本的建模方法。,（2）不规则三角网的形成,通过从不规则分布的数据点生成的连续三角面来逼近地形表面，对于TIN的模型其基本要求有三点：唯一的；力求最佳
29、三角形的几何形状（尽量接近等边形状）；保证最邻近的点构成三角形，即三角形的边长之和最小。,五、DEM的可视化,所谓可视化是讲科学计算中的中间数据和结果数据，转换为人们容易理解的图形图像形式。DEM的可视化技术经历了从简单到复杂、从低级符号化到高级符号化、从抽象到逼真的过程。,写景法：表现的是从侧面看到的山地、丘陵的仿真图形，手法粗略，艺术性多于科学性等高线法：用一定间隔的等高线组合来反映地面的起伏形态，科学性强，但无法描述微小地貌，缺乏立体感。,地貌晕渲法：是产生地貌立体效果的主要方法，通过光辉与暗影的变化，通过人的视觉心里间接地接收到山体的起伏变化。之所以有立体感是因为观察着积累的视觉经验使然，而非是直接产生的生理水平的感知。分层设色法：给不同的高度代设置不同的颜色，给人已高程分布与对比的印象，有一定的立体感，不单调。,拍摄的景观照片：一定程度上有层次感与立体感。建造三维几何相似的实物模型：如沙盘，可取得比较全面地观察效果，费时，成本高。看起来与人工痕迹。,三维线框透视投影图：长期以来线框形式的透视投影图一直被用来表达地形模型，三维线框图一般采用透视变化原理，按剖面方向消音，从而得到有地形起伏立体感的图形。逼真显示（真实感图形）：需要光远的位置和颜色，地面的起伏和方位、地面的光谱特性等计算画面中每一点的颜色灰度。,谢谢！,
