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1、地理信息系统在水文水资源中的应用,李 俊 水利水电学院水文与水资源工程系,内 容,一.地理信息系统概论二.地理信息系统在水文水资源中的应用三.应用实例,01 地理信息系统概论,GIS概念GIS的基本构成GIS的功能简介空间数据的分类和特征空间分析的原理和方法,地理信息系统的定义,是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。Geographical Information System,GIS,其他定义：GIS是一种获取、存储、检查、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统。英国教育部1987为了获取、存储、检索、
2、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。美国国家地理信息与分析中心（NCGIA）1988在计算机软硬件支持下，以采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据，并回答用户问题为主要任务的计算机系统。,基本内容对象：地理信息、空间数据及其属性数据功能：获取、存储、检索、操作、分析和显示形式：计算机系统,地理信息是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图象和图形等的总称。地理信息具有以下三个特征：,地理信息属于空间信息，其位置的识别与数据联系在一起，地理信息的空间位置是通过地理坐标加以表达的。,地理信息具有多
3、维结构的特征。可利用图形实体识码分析和处理多专题的第三维信息，为多元信息的复合研究和探索地理现象间的内在规律奠定了基础。,地理信息具有时序和动态变化的特征。根据时间的尺度，可把地理信息分为超短期（如台风、地震），短期（如江河洪水），中期（如土地利用，作物估产），长期（如城市化，水土流失），超长期（如地理环境变化）。,地理信息的定义,01 地理信息系统概论,GIS概念GIS的基本构成GIS的功能简介空间数据的分类和特征空间分析的原理和方法,地理信息系统的组成,计算机硬件系统 输入/输出设备、中央处理单元、存储器，等,计算机软件系统计算机系统软件地理信息系统软件和其他支持软件通用的GIS软件包，数
4、据库管理系统、计算机图形软件包、计算机图像处理系统等用于支持对空间数据输入、存储、转换、输出和与用户接口 应用分析软件根据地理专题或区域分析模型编制的用于特定应用任务的程序,空间数据及非空间数据指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等。包括：1）某个已知坐标系中的位置；2）实体间的空间关系；3）与几何位置无关的属性,系统开发、管理和使用人员,01 地理信息系统概论,GIS概念GIS的基本构成GIS的功能简介空间数据的分类和特征空间分析的原理和方法,地理信息系统的功能,位置（Locations）在某个特定的位置有什么条件（Conditions
5、）什么地方有满足某些条件的东西变化趋势（Trends）综合现有数据，以识别已经发生了或正在发生变化的地理现象模式（Patterns）分析与已经发生或正在发生事件有关的因素。将现有数据组合在一起，能更好地说明正在发生什么，找出发生事件与哪些数据有关模型（Models）该类问题的解决需要建立新的数据关系以产生解决方案,GIS功能：数据采集、监测与编辑,主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。一般而论，地理信息系统数据库的建设占整个系统建设投资的70%或更多，并且这种比例在近期内不会有明显的改变。信息共享与自动化数据输入成为地理信息系统研究的
6、重要内容。目前可用于地理信息系统数据采集的方法与技术很多手扶跟踪数字化仪自动化扫描输入遥感数据集成扫描技术的应用与改进，实现扫描数据的自动化编辑与处理仍是地理信息系统数据获取研究的主要技术关键,GIS功能：数据处理,主要包括数据格式化、转换、概括数据的格式化不同数据结构的数据间变换是一种耗时、易错、需要大量计算量的工作，应尽可能避免；,数据转换数据格式转化数据比例尺的变换：涉及到数据比例尺缩放、平移、旋转等方面，其中最为重要的是投影变换,制图综合（Generalization）包括数据平滑、特征集结等。目前地理信息系统所提供的数据综合功能极弱，与地图综合的要求还有很大差距，需要进一步发展。,G
7、IS功能：数据存储与组织,是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。,是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。空间数据结构的选择在一定程度上决定了系统所能执行的数据与分析的功能；,是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。空间数据结构的选择在一定程度上决定了系统所能执行的数据与分析的功能；在地理数据组织与管理中，最为关键的是:
8、如何将空间数据与属性数据融合为一体?目前大多数系统都是将二者分开存储，通过公共项来连接。这种组织方式的缺点是数据的定义与数据操作相分离，无法有效记录地物在时间域上的变化属性。,GIS功能：空间查询与分析,空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能基于位置的查询基于属性的查询,空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能基于位置的查询基于属性的查询空间分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与空间相关的问题，是地理信息系统应用深化的重要标志。空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其它计算机系统的根本区
9、别。,空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能基于位置的查询基于属性的查询空间分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与空间相关的问题，是地理信息系统应用深化的重要标志。空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其它计算机系统的根本区别。两类重要的分析方法叠加复合分析缓冲区分析,GIS功能：图形与交互显示,GIS为用户提供了许多用于地理数据表现的工具计算机屏幕显示诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件尤其重要的是GIS的地图输出功能GIS制图与输出一个好的GIS系统应能提供一种良好的、交互式的制图环境供GIS的使用者能够设计和制作出高质量的地
10、图相关概念3D表现软拷贝硬拷贝电子发布,01 地理信息系统概论,GIS概念GIS的基本构成GIS的功能简介空间数据的分类和特征空间分析的原理和方法,A、空间数据的分类,按数据来源：地图数据、影像数据、文本数据按数据结构：矢量数据、栅格数据按数据特征：空间数据、非空间数据按几何特征：点、线、面（曲面）、体（3维）按数据发布：数字线画图、数字栅格图、数字高程、数字正射影像,B 空间数据的基本特征,空间特征（定位数据）表示现象的空间位置或现在所处的地理位置空间特征又称为几何特征或定位特征一般以坐标数据表示，例如笛卡尔坐标等。,空间特征（定位数据）表示现象的空间位置或现在所处的地理位置空间特征又称为几
11、何特征或定位特征一般以坐标数据表示，例如笛卡尔坐标等。属性特征（非定位数据）表示实际现象或特征例如变量、级别、数量特征和名称等。,空间特征（定位数据）表示现象的空间位置或现在所处的地理位置空间特征又称为几何特征或定位特征一般以坐标数据表示，例如笛卡尔坐标等。属性特征（非定位数据）表示实际现象或特征例如变量、级别、数量特征和名称等。时间特征指现象或物体随时间的变化其变化的周期有超短期的、短期的、中期的、长期的等。,三个基本特征,（Jack Dangemond，1984）,C、空间数据的拓扑关系,拓扑关系：是明确定义空间结构关系的一种数学方法，在GIS中不仅用于空间数据编辑和组织，还在空间分析和应
12、用具有非常重要的意义拓扑关系的类型：拓扑邻接：同类型元素之间，点-点、线-线、面-面拓扑关联：不同类型元素之间拓扑包含：数同类型但不同等级的元素之间，岛的问题,C、空间数据的拓扑关系,拓扑关系的意义：1、不需坐标或距离量算，即可确定相对空间位置关系，并不随图形变化而改变。2、利用拓扑数据有利于空间要素的查询，如沿河的化工厂3、可以拓扑关系，重建地理实体，如最佳路径计算等,D、空间数据的计算机表示,空间分幅：便于空间范围的管理。属性分层：便于对多属性的归类与表达。时间分段：便于关注有点时刻、时段的地表特征。,01 地理信息系统概论,GIS概念GIS的基本构成GIS的功能简介空间数据的分类和特征空
13、间分析的原理和方法,空间分析的原理和方法,数字地形模型分析空间叠合分析空间邻近分析空间网络分析,关于空间分析,GIS的空间分析：是基于空间数据的分析技术，以地球科学原理为依托，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、空间构成、空间演变等信息。GIS区别于其他系统的一个最主要的功能特征分类：矢量空间分析 栅格空间分析 产生式分析：查询式分析：,关于空间分析,空间位置分析：指通过空间坐标系中坐标值来确定空间物体的地理位置。空间分布分析：空间分布反映了同类空间物体的群体定位信息。空间形态分析：空间形态反映了空间物体的几何特征，包括形态表示和形态计算两个方面。前者如走
14、向、连通性等，后者如面积、周长：坡度等。空间关系分析：空间关系反映了空间物体之间的各种关系，如方位关系、距离关系、拓扑关系、相似关系等。,空间分析的原理和方法,数字地形模型分析空间叠合分析空间邻近分析空间网络分析,1DTM,基本概念数字地形模型（DTM）：地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。数字高程模型（DEM）：高程Z关于平面坐标X，Y两个自变量的连续函数，数字高程模型（DEM）只是它的一个有限的离散表示。用于：各种线路选线（铁路、公路、输电线）的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算，任意两点间的通视判断及任意断面图绘制。,规则格网模型等高线模型不规
15、则三角网（TIN）模型层次模型DTM=Zi,j,i=1,2,m,j=1,2,n,1DTM,规则格网,规则格网的优缺点,规则格网的高程矩阵容易存储和处理；容易派生计算等高线、坡度、坡向、晕渲阴影等数据；国家DEM的主要形式数据量过大，要进行压缩存储；哈夫曼编码、离散余弦变换、小波变换压缩等,DTM在内容上包括：数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)高程Z关于平面坐标X，Y两个自变量的函数派生的地形模型坡度坡向,不规则三角网（Delaunay三角网）,TIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶
16、点上，该点的高程值通常通过线性插值的方法得到。所以TIN是一个三维空间的分段线性模型，在整个区域内连续但不可微。,不规则三角网（Delaunay三角网）,TIN的数据存储方式比格网DEM复杂，它要存储：每个点的高程其平面坐标结点连接的拓扑关系三角形及邻接三角形等关系,等高线DTM,等高线模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一条等高线对应一个已知的高程值，这样一系列等高线集合和它们的高程值一起就构成了一种地面高程模型。,等高线DTM,地形因子包括：坡度、坡向、曲面面积、地表粗糙度、高程变异，谷脊特征线等。坡度：水平面与局部地表面之间的夹角，即最大局地表面与周围地表面之间最大的高程变化率；坡向：
17、最大高程变化率所在的方向。计算格网单元与它的周围的格网单元之间最大的高程变化率。在规则格网的情况下，周围的格网单元一般有8个。坡度分析的输出是一个栅格数据。每个栅格单元的单位可以是度、或是百分比。,1.1 地形因子的计算,1.1 地形因子的计算,坡度坡向：空间矢量法：通过栅格四角点确定两对角线a,b矢量，则对角线矢量相乘得到栅格法矢量n，坡度就是n同z轴的夹角。坡向：同正北方向的夹角,坡度分析（Slope）,坡度表示：度数表示或转换成百分比表示,坡度分析实例,坡度分析实例,坡度分析实例,坡向分析（Aspect）,坡向分析实例,坡向分析实例,坡向分析实例,1.1 地形因子的计算,坡度坡向计算曲面
18、拟合法：采用二次曲面来拟合局部的地形表面，通常采用3*3的格网来计算中心网格点Z0的坡度坡向。坡度：=tan-1(x2+y2)0.5坡向：=x/y方法1：x=(Z1-Z3)/2X y=(Z4-Z2)/2Y 方法2：X:(Z8+2Z1+Z5)-(Z7+2Z3+Z6)/2X Y:(Z8+2Z1+Z5)-(Z7+2Z3+Z6)/2X 方法3：X:(Z8+Z1+Z5)-(Z7+Z3+Z6)/8Y Y:(Z8+Z1+Z5)-(Z7+Z3+Z6)/8Y,Z0,1.1 地形因子的计算,曲面面积计算：通过栅格中点构成的两连线矢量a,b，则a*b形成的矢量n，其模即为所求面积。另有：海伦公式求两个三角形面积。,
19、1.1 地形因子的计算,地表粗糙度计算：是反映地表起伏变化与侵蚀程度的指标，一般定义为地表单元曲面面积与投影面积之比。但，不能排除光滑斜平面的问题。可：用对角顶点连线L1与L2中点的高差D予以表示。Ri,j=0.5*|Zi+1,j+1+Zi,j Zi,j+1 Zi+1,j|,1.1 地形因子的计算,高程及变异分析平均高程：地表单元网格四个顶点高程的均值，予以表示；相对高程：地表单元网格四个顶点高程，同区域内最低高程之差的均值；高程变异：地表单元网格各定点高程变化，以网格单元顶点的标准差与平均高程的比值。,1.1 地形因子的计算,谷脊特征分析地表形态结构的构成部分，包括：山脊、山谷、鞍点等。通过
20、比较当前位置高程同两个垂直方向上的高程,Zi,j+1 Zi,j中间低,Zi,j+1 Zi,j中间高,Zi+1,j Zi,j中间低,Zi+1,j Zi,j中间高,1.1 地形因子的计算,1.1 地形因子的计算,谷脊特征分析地表形态结构的构成部分，包括：山脊、山谷、鞍点等。通过比较当前位置高程同两个垂直方向上的高程,Zi,j+1 Zi,j中间低,Zi,j+1 Zi,j中间高,Zi+1,j Zi,j中间低,Zi+1,j Zi,j中间高,1.2 地形剖面线计算,地形剖面线计算表现地表从一个点出发到另一个点沿途的地形变化情况，通常采用两点间高程插值。,1.2 地形剖面线计算,地形剖面线计算|Y/X|=1
21、：计算剖面线同DEM横格的交点(沿纵向计算)|Y/X|1：计算剖面线同DEM纵格的交点(沿横向计算)X=0：同格网纵向一致 Y=0：同格网横向一致 yyk=i1+(k-1)*ISG2 横向 xxk=j1+|(yyk-i1)*X/Y|*ISG1 zzk=(xxk-IA)*(ZIK,IB-ZIK,IC)+ZIK,IC IA=xxk,IK=yyk,1.3 DEM通视分析,地形通视分析利用DEM判断地形上任意两点之间，是否可以相互可见，用于架设通信基站、旅游景点规划等。可以生成两点间的剖面线，若两点的连线同剖面线有交点，则不可视。,空间分析的原理和方法,数字地形模型分析空间叠合分析空间邻近分析空间网络
22、分析,2.1 空间叠置分析概念,概念：空间叠置分析(Spatial Overlay Analysis)是指在统一空间参照系统条件下，将同一地区两个地理对象的图层进行叠置，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。,基于矢量数据的叠置分析是参与分析的两个图层的要素均为矢量数据。,点面叠置分析 线面叠置分析面面叠置分析,2.2 基于矢量的叠置分析,矢量叠置分析的数学基础（空间逻辑运算）为讨论方便将空间图层A，B，C定义为二值图象,3、空间逻辑差运算；A-B=X XA 且 X notB,1、空间逻辑并（或）运算；AB=X XA 或 X B,2、空间逻辑交（与）运算；AB=X X
23、A 且 XB,4、空间包含；A B,2.2 基于矢量的叠置分析,点与多边形的叠置是确定一个图层上的点落在另一图层的哪个多边形内，以便为图层上的点建立新的属性。例如:将水井与规划区图层相叠置，可确定每口井所属的规划区范围。,(1)点与多边性的叠置,2.2 基于矢量的叠置分析,线与多边形的叠置:将线状要素层或网状要素层和多边形叠置，对线和多边形求交运算，根据每个线要素同多边形的关系，以形成新的空间目标集、新的属性表，得到线与多边性联合的属性表。线与多边形的叠合的目的是确定某一线状图层上的弧段落在另一多边行图层上的哪个多边形内，以便为图层的每条弧段建立新的属性。,(2)线与多边形的叠置,2.2 基于
24、矢量的叠置分析,例如：当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置：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，建立弧段与多边形的归属关系。,2.2 基于矢量的叠置分析,指将两个不同图层的多边形要素相叠加，根据两组多边形的交点来建立多重属性的多边形或进行多边形范围内的属性特征的统计分析。多边形叠置过程分几何求交过程和属性确定过程，算法的核心是多边形求交。对两个多边形进行边界求交和弧段分割运算，并以新弧段为单位重建拓扑关系；判断重建多边形落在原始多边形层的哪个多边形内，从而建立新叠置多边形与原始多边形的关系，并抽取属性。,(3)多边形与多边形的叠置,
25、2.2 基于矢量的叠置分析,新多边形的属性,多边形之间的叠置 Union,层2,2.2 基于矢量的叠置分析,取本底多边形,建立包含关系,多边形的叠置流程图,2.2 基于矢量的叠置分析,多边形与多边形叠置及拓展,并(Union)：保留两个输入层中所有多边形；,交(Intersect)：保留两个输入层中的公共区域,判断(Identity)：以输入图层为界，保留边界之内的所有多边形,2.2 基于矢量的叠置分析,叠置拓展操作,删除(Erase)：输出层为保留以其中一输入图层为控制边界(b)之外的所有多边形。即：在将更新的特征加入之前，须将控制边界之内的内容删除。更新(Update)：输出层为一个经删除
26、处理后的图层与一个新特征图层进行合并后的结果 切割(Clip)：输出层为按一个图层的边界，对另一个图层的内容要素进行截取后的结果。,2.2 基于矢量的叠置分析,叠置分析实例：有日喀则地区的行政界线图层和通过遥感技术提取的该区沙漠化类型分布图层，求日喀则地区各县沙漠化类型统计数据。,2.2 基于矢量的叠置分析,行政区界图属性表,图层1：图形，属性表,日喀则地区行政区界线图,2.2 基于矢量的叠置分析,日喀则地区沙漠化类型分布图属性表,图层2：图形，属性表,日喀则地区沙漠化类型分布图,2.2 基于矢量的叠置分析,空间叠置图,叠置图属性表,使用IDENTITY命令，进行两图层空间叠置，得到叠置图,2
27、.2 基于矢量的叠置分析,图层1属性表,图层2属性表,2.2 基于矢量的叠置分析,特点：栅格数据的叠置算法，虽然数据存贮量比较大，但运算过程比较简单。变换方法：（1）点变换（2）区域变换方法（3）邻域变换方法,基于栅格数据的叠置分析是参与分析的图层的要素均为栅格数据。可以多于两个图层进行操作条件：同一地区；相同行列数目；相同栅格大小,2.3 基于栅格的叠置分析,（1）点变换,点变换只依据参与叠置图层相应点的属性值进行新的运算，既与各图层的邻域点的属性无关，也不受区域内一般特征的影响。,运算方法包括：算术运算 逻辑运算 关系运算 函数运算 统计运算,2.3 基于栅格的叠置分析,-,=,点变换示意
28、,结果特征：运算后得到的新属性值可能与原图层的属性意义完全不同。,2.3 基于栅格的叠置分析,(2)区域变换方法,指在计算新图层相应的属性值时，不仅与原图层对应的栅格的属性值有关，而且要顾及原图层所在区域的集合特征（区域长度、面积、周长等）。,(3)邻域变换方法,指在计算新图层相应的属性值时，不仅考虑原图层对应的栅格及其属性，而且还应顾及与该栅格相关联的邻域或者影响半径内的栅格属性值的影响。,2.3 基于栅格的叠置分析,-,=,点变换实例：土地利用变化区域探测,80年遥感影像,90年遥感影像,点变换后影像,点变换后影像分析通过80和90年两期影像的相减运算后得到变换影像，如果：变换影像值 0；
29、说明该区未发生变化变换影像值 0；说明该区已发生变化,2.3 基于栅格的叠置分析,空间分析的原理和方法,数字地形模型分析空间叠合分析空间邻近分析空间网络分析,3 空间邻近度分析,空间邻近度（proximity）：描述地理空间中两个地物距离相近的程度。通常有空间缓冲区分析Buffer和Voronoi多边形分析。,缓冲区分析是指根据分析对象的点、线、面实体，自动建立其周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或者主体对邻近对象的辐射范围或者影响程度，是解决临近度问题的空间分析工具之一。它在交通、林业、资源管理、城市规划中有着广泛的应用。例如：湖泊和河流周围的保护区的定界；汽车服务区的选择；民宅区远离街
30、道网络的缓冲区的建立等。,3.1 缓冲区分析,2 缓冲区主要的类型（1）基于点要素的缓冲区：通常以点为圆心、以一定距离为半径的圆（2）基于线要素的缓冲区：通常是以线为中心轴线，距中心轴线一定距离的平行条带多边形。（3）基于面要素的缓冲区：向外或向内扩展一定距离以生成新的多边形。,3.1 缓冲区分析,基于点要素的缓冲区,基于线要素的缓冲区,基于面要素的缓冲区,空间缓冲区分析过程,(1)建立缓冲区 以图形元素为基础，拓宽或紧缩一定宽度而形成的区域。这个宽度通常是等距的，也可以是不等距的缓冲区。(2)缓冲区分析 根据建立的缓冲区，对缓冲区内的空间信息形态、特征、分布作进一步分析。,3.1 缓冲区分析
31、,空间缓冲区分析模型,(1)缓冲区分析的三要素 在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要素:主体表示分析的主要目标，一般分为点源、线源和面源三种类。邻近对象表示受主体影响的客体，例如行政界线变更时所涉及的居民区、森林遭砍伐时所影响的水土流失范围等。对象的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。,3.1 缓冲区分析,线性模型二次模型指数模型,(2)缓冲区分析模型 根据主体对邻近对象作用性质的不同，一般可采用以下三种不同的分析模型:,3.1 缓冲区分析,Fi=f0(1-ri)ri=di/d0 0=ri=1,线性模型 当主体对邻近对象的影响度(Fi)随距离(ri)的增大
32、而呈线性形式衰减时，其表达式为:,式中Fi为主体对邻近对象的实际影响度；f0为主体自身的综合规模指数；di为邻近对象离开主体的实际距离；d0为主体对邻近对象的最大影响距离。,距离ri,3.1 缓冲区分析,Fi=f0(1-ri)2 ri=di/d0 0=ri=1,二次模型 用于当主体对邻近对象的影响度(Fi)随距离(ri)的增大而呈二次形式衰减时(图5一29)，其表达式为:,式中Fi为主体对邻近对象的实际影响度；f0为主体自身的综合规模指数；di为邻近对象离开主体的实际距离；d0为主体对邻近对象的最大影响距离。,距离ri,3.1 缓冲区分析,指数模型 用于当主体对邻近对象的影响度(Fi)随距离(
33、ri)的增大而呈指数形式衰减时(图5一30),其表达式为:,Fi=f0(1-ri)ri=di/d0 0=ri=1,式中Fi为主体对邻近对象的实际影响度；f0为主体自身的综合规模指数；di为邻近对象离开主体的实际距离；d0为主体对邻近对象的最大影响距离。,距离ri,3.1 缓冲区分析,矢量数据缓冲区的实现弧段处以缓冲距离作平行线；端点处以缓冲距离作圆；取所有多边形的并集。栅格数据缓冲区的实现做距离扩散按缓冲距离分级生成缓冲区,3.1 缓冲区分析,缓冲区的建立,缓冲区的建立,缓冲区边界相交的情况,空间缓冲区的栅格实现,空间缓冲区的栅格实现栅格距离,缓冲区的栅格实现多重缓冲区,求解：首先要以区域的道
34、路分布图、河流分布图、森林分布图为数据源。,采伐区,道路周围5km缓冲区,叠置,河流周围1km缓冲区,叠置,缓冲区分析实例1 已知一伐木公司，获准在某林区采伐，输出森林采伐图，满足：为防止水土流失，规定不得在河流周围 1km 内采伐林木。另外，为便于运输，决定将采伐区定在道路周围 5km 之内。,3.1 缓冲区分析,将该地区具有相同比例尺且进行配准的道路分布图、河流分布图、森林分布图，进行预处理和数字化；利用河流分布图生成1km的等距离缓冲区；利用道路分布图生成5km的等距离缓冲区；森林分布图中可采伐林地、道路缓冲区及河流缓冲区图进行叠置，叠置条件表达式为:采伐区 森林分布图中可伐林地 道路周
35、围5km缓冲区 非河流周围1km缓冲区,3.1 缓冲区分析,缓冲区分析实例2,已知一湖泊，要求在它周围5000m内必需禁止任何污染性工业企业存在，在它周围500m内必需禁止建筑任何永久性建筑物。解题步骤：1）先建立缓冲区:湖泊周围500m、5000m；2）同现有污染性工业企业图叠置，显示在范围内应禁止的污染性工业企业；3）同现有永久性建筑物图叠置，显示在范围内应禁止的永久性建筑物。,3.1 缓冲区分析,1911年，荷兰气候学家AHThiessen提出了一种根据离散分布的气象站的降雨量来计算平均降雨量的方法，即 将所有相邻气象站连成三角形，作这些三角形各边的垂直平分线，于是每个气象站周围的若干垂
36、直平分线便围成一个多边形。用这个多边形内所包含的一个唯一气象站的降雨强度来表示这个多边形区域内的降雨强度，并称这个多边形为泰森多边形,3.2 Voronoi多边形分析,原理(p167):根据离散分布的已知数据点对研究区域进行划分，使得划分成的多边形（Voronoi多边形）覆盖整个研究区域，形成一个Voronoi图，且每一个多边形中仅包含一个已知的数据点。经常用于空间插值计算,泰森多边形分析,泰森多边形的特性是：1、每个泰森多边形内仅含有一个离散点数据；2、泰森多边形内的点到相应离散点的距离最近；3、位于泰森多边形边上的点到其两边的离散点的距离相等。,泰森多边形分析（Voronoi多边形）,泰森
37、多边形分析（Voronoi多边形）,泰森多边形分析（Voronoi多边形）,Voronoi多边形,Voronoi多边形的数学定义：V(pi)=p|d(p,pi)d(p,pj),ji,j=1,n p1,pn：2维平面空间R2中的有限个点p：R2中任意位置点V(pi)：第i个特征点的Voronoi多边形d(p,pi)：p点到pi点的Euclidean距离,Voronoi多边形步骤实例,Voronoi多边形步骤实例,Voronoi多边形步骤实例,Voronoi多边形步骤实例,Voronoi多边形栅格实现,栅格距离扩散,Voronoi多边形栅格实现,Voronoi多边形的边处于网格的脊线上，提取脊线,
38、问题：已有5个站点年降水量，估算流域 平均降水量？,空间分析的原理和方法,数字地形模型分析空间叠合分析空间邻近分析空间网络分析,一、概念,1、网络 网络是一个由点、线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。如：交通网络、城市基础设施网络（电力线、电话线、供排水管线）等。2、网络分析 其基本思想在于人类活动总是趋向于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置或路径。也就是说：网络分析的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好。,4 网络分析,3、网络分析理论基础,网络图论是空间网络分析的理论基础，它是用图的形式来模拟任何一个能用二元关系来描述的系统。网络的数据
39、结构：几何结构：表示网络的地理分布位置，可以用矢量数据结构中的点和线表达；拓扑结构：表示网络中元素的连接关系，通常采用图的形式表达。,4 网络分析,空间几何结构,图论拓扑结构,4 网络分析,空间网络的存储结构空间几何结构空间点空间弧段图论拓扑结构 Graph顶点（Vertex，Junction，结点）边（Edge）,4 网络分析,网络图论的基本概念一个图G（Graph）是指由集合V(G)=vi，和V(G)中元素的无序对的集合E(G)=ek所构成的二元组(V(G),E(G)；V(G)中的元素vi叫做顶点；E(G)中的元素ek叫做边（无向）或弧（有向）；V=v1,v2,.vn，E=(vi,vj)|
40、viV,vjV网络：边或弧上加权的图,4 网络分析,网络的存储结构邻接矩阵邻接表，等,4 网络分析,4 网络分析,Dijkstra迪杰斯特拉算法用于求解一个有向图（也可是无向图）的一个点（称之为源点）到其余各点（称之为周边点）的最短路径问题。算法构思很是巧妙，本身并不是按照我们的思维习惯：求解从源点出发的各有向路径的从小到大的排列，但是算法最终确实得到了从源点到图中其余各点的最短路径。,4 网络分析,Dijkstra算法过程：p171设：最短距离已知的点集为红点集，未知为蓝点集初始时，只有源点（起始点）的最短路径距离是已知的，此时红点集只包含源点，蓝点集包含其他所有顶点。在当前蓝点集中选择一个
41、距离（源点）最小的蓝点来扩充红点集，以保证算法按路径长度递增的顺序产生各顶点的最短路径。每扩充一个蓝点到红点集，则将蓝点集中剩余的蓝点的路径按照新加入的红点作为中间顶点进行修正，一旦加入新红点是的蓝点的路径长度变短，则用最短的路径代替原来的蓝点路径长度。直到蓝点集只剩下距离为无穷大的蓝点，或者所有蓝点已经扩充到红点集。,4 网络分析,1,4,5,2,3,10km,50km,20km,10km,30km,60km,100km,50,10,60,50,90,60,60,30,1,4,5,2,3,10km,50km,20km,10km,30km,60km,100km,50,10,主要针对空间实体之间
42、存在的拓扑、顺序、距离、方位等关系的查询。点-点：距川大西门50m范围内所有的公交站,5.1 空间关系查询,主要针对空间实体之间存在的拓扑、顺序、距离、方位等关系的查询。点-点：距川大西门50m范围内所有的公交站线-点：距府南河1km范围内的所有居民点,5.1 空间关系查询,主要针对空间实体之间存在的拓扑、顺序、距离、方位等关系的查询。点-点：距川大西门50m范围内所有的公交站线-点：距府南河1km范围内的所有居民点面-点：川大望江校区内的食堂分布,5.1 空间关系查询,主要针对空间实体之间存在的拓扑、顺序、距离、方位等关系的查询。点-点：距川大西门50m范围内所有的公交站线-点：距府南河1k
43、m范围内的所有居民点面-点：川大望江校区内的食堂分布点-线：基教楼500m范围内街道分布,5.1 空间关系查询,主要针对空间实体之间存在的拓扑、顺序、距离、方位等关系的查询。点-点：距川大西门50m范围内所有的公交站线-点：距府南河1km范围内的所有居民点面-点：川大望江校区内的食堂分布点-线：基教楼500m范围内街道分布线-线：同科华北路连接的街道,5.1 空间关系查询,主要针对空间实体之间存在的拓扑、顺序、距离、方位等关系的查询。点-点：距川大西门50m范围内所有的公交站线-点：距府南河1km范围内的所有居民点面-点：川大望江校区内的食堂分布点-线：基教楼500m范围内街道分布线-线：同科
44、华北路连接的街道面-线：川大望江校区内能行驶大型机动车的道路,5.1 空间关系查询,主要针对空间实体之间存在的拓扑、顺序、距离、方位等关系的查询。点-点：距川大西门50m范围内所有的公交站线-点：距府南河1km范围内的所有居民点面-点：川大望江校区内的食堂分布点-线：基教楼500m范围内街道分布线-线：同科华北路连接的街道面-线：川大望江校区内能行驶大型机动车的道路点-面：神州飞船降落地点所在的行政区,5.1 空间关系查询,主要针对空间实体之间存在的拓扑、顺序、距离、方位等关系的查询。点-点：距川大西门50m范围内所有的公交站线-点：距府南河1km范围内的所有居民点面-点：川大望江校区内的食堂分布点-线：基教楼500m范围内街道分布线-线：同科华北路连接的街道面-线：川大望江校区内能行驶大型机动车的道路点-面：神州飞船降落地点所在的行政区线-面：岷江穿过的地区面-面：,5.1 空间关系查询,
