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1、第五章GIS空间分析,1数字地面模型分析2空间数据的查询3空间叠合分析4空间缓冲区分析5空间网络分析6空间统计分析,1DEM概述2DEM数据的网格化3DEM的主要表示方法4DEM的数据源和采样方法5DEM应用,1数字地面模型分析,1空间数据的查询定义与分类11定义12分类2空间数据查询方法21基于SQL扩充的空间查询方法22可视化空间查询方法23基于自然语言的查询方法24超文本查询方法3空间数据的集合分析,第二节空间数据的查询,1空间叠加分析的概念1.1空间叠加分析1.2空间合成叠加1.3空间统计叠加2空间叠加分析的分类2.1点与多边形的叠加2.2线与多边形的叠加2.3多边形与多边形的叠加3多
2、边形与多边形的叠加分析功能,第三节空间叠加(叠合)分析,1网络图论的基本概念1.1定义1.2组成要素2空间网络的类型和构成2.1类型2.2构成3空间网络分析的方法3.1路径分析3.2定位配置分析,第五节空间网络分析,1统计图表分析2分布密度与均值3主成分分析4层次分析5系统聚类分析6判别分析,第六节空间统计分析,1DEM概述2DEM数据的网格化3DEM的主要表示方法4DEM的数据源和采样方法5DEM应用,1数字地面模型分析,1.1DTM与DEM的概念DEMDTM1.2DEM数据的分布特征格网状数据离散数据,1DEM概述,DTM（DigitalTerrainMode）数字地形模型；地形表面形态属
3、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。地表单元上地形参数的集合，通常DTM可由DEM生成。,11DTM与DEM的概念,数字地面模型DTM,数字地面模型由数字高程模型（地形等高线插值产生）产生，主要包括：,（1）高程分级,等间距或不等间距划分为若干高程等级，如用来区分丘陵、低山、中山、高山等,（2）平均高程,式中n的计算单元内栅格个数；h（Pk）为第k点的高程。,（3）相对高程,设参考高程为hm，则各栅格点上相对高程为：k=1，N,（4）极值高程和高差,（5）坡度,切面方程：坡度为该平面法线与水平面法线之间的夹角：将计算结果划分为91级（0-90），为代表水平面的情况。,
4、（6）坡向,坡向为上述拟合平面的法线在水平面上投影的方位角：按22.5度的方位角间隔由正北顺时针划分为16个方位，每级取值范围为11.25度。,（7）地表粗糙度,反映某一面积单元内地势伏变化的复杂程度，是地表面积与投影面积之比：,（8）坡面形态,根据相邻网格点上的坡度和坡向之间的逻辑关系，可以判断坡形的凹凸变化情况，确定沟谷线、山脊和鞍部的位置，划分流域范围。,（9）沟谷密度,沟谷密度由单位面积上沟谷线总长度决定：,（10）地表辐照度,计算辐照度需考虑日照条件（太阳赤纬、高度角、时角及大气状况）与坡面几何条件的相互关系由下式决定：式中，大气透过率，与太阳高度和大气状况有关；Sc为太阳常数；Sa
5、为太阳高度角可由球面三角公式求出；t是时角；a、b为坡面方程系数；为坡度。,数字高程模型DEM（DigitalElevationModel）；数字地形模型中地形属性为高程时，称为数字高程模型。地表单元上高程的集合,通常用矩阵表示；广义的DEM可包括等高线，三角网等。狭义的DEM则特指由地表矩阵单元构成的高程矩阵。,1DTM与DEM的概念,1.1DTM与DEM的概念DEMDTM1.2DEM数据的分布特征格网状数据离散数据,1DEM概述,格网状数据：把DEM覆盖区划分为规则格网，每个格网大小和形状都相同，用相应矩阵元素的行列号来实现网格点的二维空间定位，第三维为特征值，可以是高程和属性。网格大小代
6、表数据精度。,12DEM数据的分布特征,离散数据：DEM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，第三维仍为高程和属性特征值。,1.2DEM数据的分布特征,1DEM概述2DEM数据的网格化3DEM的主要表示方法4DEM的数据源和采样方法5DEM应用,1数字地面模型分析,21网格化插值计算22网格尺寸的确定23空间插值的方法,2DEM数据的网格化,建立高精度DEM的共识：1）其精度主要取决于原始数据的获取（密度与分布）2）一般情况下，DEM精度与原始数据密度呈线性关系3）由于地形变化大，各种算法都有一定的适应性4）由于地形在地性线（山脊、山谷、断崖）上发生转折，在分块拟合曲面时，跨
7、越地性线的数据点不宜于参加曲面方程的拟合。格网化过程：地形等高线的数字化离散等高线的格网化格网离散点的生成（图示）P170wu,21网格化插值计算,1)在一般情况下，样点的密度基本上决定了网格点的密度。此外，网格尺寸的选定还应分析地形形态特征。2）网格尺寸主要决定于制图目标、DEM数据使用方法和精度要求等因素。,22网格尺寸的确定,1）移动平均法2）距离平方倒数加权法3）趋势面拟合技术4）样条函数5）克立金法,23空间插值的方法,1DEM概述2DEM数据的网格化3DEM的主要表示方法4DEM的数据源和采样方法5DEM应用,1数字地面模型分析,3表示DEM的方法,（1）数学分片表示法（2）图像表
8、示法线模型点模型,3表示DEM的方法,3表示DEM的方法,线模型,表示地形的最普通线模型是一系列描述高程测量曲线的等高线。,点模型,a高程矩阵：将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个高程值，如图所示。,b不规则三角形（TIN）：根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面格网，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。三角网的一种存储方式如图所示。,点模型,1DEM概述2DEM数据的网格化3DEM的主要表示方法4DEM的数据源和采样方法5DEM应用,1数字地面模型分析,41DEM的数据源42DEM的采样方法,4DEM的数据源和采样方法,地面测量的传统方法:现在通常是利用测距经纬
9、仪在野外实测，测量一些点的距离和角度，自动记录与显示所测量得到的数据，并输入到计算机中进行处理，获得这些点的三维坐标。,41DEM的数据源,数字摄影测量：在模拟立体测图仪及解析测图仪上进行摄影测量时，都需要在人眼立体观测情况下使左右测标对准同名点，通过人眼与脑的观测实现影像定位、匹配与识别。数字摄影测量是利用计算机立体视觉代替人眼的立体观测，从遥感立体影像中提取地面高程，其基本原理是识别并测量两个或多个影像上同名影像的像对坐标，实现数字摄影的自动匹配。,41DEM的数据源,利用立体影像测定DEM,等高线法：根据数字化的等高线和地形线等，利用内插算法根据邻近点高程求出待求点的高程。所采用的内插算
10、法有移动曲面拟合法、多面函数法、最小二乘法。,41DEM的数据源,激光测高仪、雷达、GPS等方法：目前，德国已经利用激光遥感技术获取了1：5000的DEM。由于用这种技术获取的是地表地物的高度信息，故只有在处理掉植被、房屋高度后，才可得到真实的地面地形信息。但是，由于水体吸收激光（无反射），故无法获得水面信息，亦即基本无水面数据。根据激光高程点数据，采用SCOP内插程序可获得等高线数据。实践表明，将激光高程数据跟摄影测量三维影像图套合，符合较好。例如，加拿大一家公司用安装在LasarJet上的航空干涉侧视测量雷达STAR-3I获取中、高精度的数字高程模型DEM，其抽样间距为2.5米，高程精度为
11、1.5米。,41DEM的数据源,人工网格法立体像对法三角网法曲面拟合等值线插值法,4.2DEM的采样方法,1）人工网格法,将地形图蒙上格网，逐格读取中心或角点的高程值、构成数字高程模型。,（2）立体像对分析,通过遥感立体像对，根据视差模型、自动选配左右影像的同名点，可建立数字高程模型。,（3）三角网方法（TIN）,对有限个离散点，每三个邻近点联接成三角形，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。,（4）曲面拟合,根据有限个离散点的高程、采用多项式或样务函数求得拟合公式，再逐一计算各点的高程，可得到拟合的DEM。,（5）等值线插值,根据各局部等值线上的高程
12、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。,等高线输入方法与插值算法,等高线的输入原则：,计曲线作为控制地形的同骨架，必须全部无误地输入。有选择地输入首曲线，选取原则是：1）山顶最高处首曲线必须输入。2）沟底和山脊变化大时，所选的首曲线应该“搭肩”输入。3）鞍部首曲线一般要求全部输入，但对于首曲线拥挤的鞍部，可以只输入高程改变处那一对首曲线，鞍部首曲线必须对称；4）地形变化较大部位，如计曲线之间距离较大，相邻计曲线不套合以及山脊、沟底的分又处等等都属于地形变化大的部位。这些地方的首曲线要求合部输入式
13、者至少要求隔一根输入一根。,等高线DEM插值算法,采用移动拟合加权平均插值方法。设P点为待内插的点，从P点按45的方位间隔引出八务搜索射线，八条射互与P点相邻的等高线的交点为C1，C2Ci，其高程分别为Z1，Z2Zi，它们到P点的距离设为d1，d2di则P点的插值高程Zp为,1DEM概述2DEM数据的网格化3DEM的主要表示方法4DEM的数据源和采样方法5DEM应用,1数字地面模型分析,51主要用途52应用,5DEM的应用,5.1DEM的用途,（1）在数字地形图数据库中存贮高程数据（2）解决道路设计和军事工程中的与高程有关的问题（3）军事目的三维地形显示及风景设计和规划（4）剖面视觉分析（5）
14、道路规划、大坝选址等（6）不同地形之间的静态分析和比较（7）产生坡度图、坡向图和生成着色地形图的坡度剖面图，辅助地貌分析或建立侵蚀图（8）作为专题信息的显示背景或将地形数据与专题数据进行叠合（9）为景观的图像模拟模型和景观处理提供数据（10）通过将高程替换为其他连续变化的属性。,51主要用途52应用,5DEM的应用,1)基于DEM的信息提取2)利用DEM绘制地面晕渲图3)透视立体图的绘制4)利用DEM绘制等高线图5)基于DEM的可视化分析,5.2DEM应用,坡度计算坡向计算曲面面积计算地表粗糙度计算高程及变异分析谷脊特征分析日照强度的分析淹没边界的计算,1)基于DEM的信息提取,从高程矩阵中得
15、到等高线图:方法为把高程矩阵中各像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.连接等高线时如果原高程数据点不规则或间隔过大,必须同时使用内插技术内插到需要的密度.从TIN数据中产生的等高线,是用水平面与TIN相交的办法实现的.TIN中的山脊山谷线等数据主要用来引导等高线的起始点.,2)利用DEM绘制等高线图,制图者为了增加丘陵和山地地区描述高差起伏的视觉效果而发展了“阴影立体法”(地貌晕渲法).方法1(DEM):首先根据DEM数据计算坡度和坡向,然后将坡向数据与光源方向比较,而向光源的斜坡得到浅色调灰度值,反方向的斜坡得到深色调灰度值,介于中间坡度的斜坡得到中间灰度值.灰度
16、值的大小则按坡度进一步确定.方法2(TIN):与高程矩阵类似,只是灰度级的确定不按像元计算而按小三角面计算.,3)利用DEM绘制地面晕渲图,从一个空间三维的立体的数字高程模型到一个平面的二维透视图，其本质就是一个透视变换。将“视点”看作为“摄影中心”，可以直接应用共线方程从物点（X，Y，Z）计算“像点”坐标（X,Y）。透视图中的另一个问题是“消隐”的问题，即处理前景挡后景的问题。,4)透视立体图的绘制,剖面分析通视分析,5)基于DEM的可视化分析,通视分析，图上灰色区域为不可见区域,第五章GIS空间分析,1数字地面模型分析2空间数据的查询3空间叠合分析4空间缓冲区分析5空间网络分析6空间统计分析,1空间数据的查询定义与分类2空间数据查询方法(4种方法）3空间数据的集合分析4.空间量算,第二节空间数据的查询,11定义空间数据的查询是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：一般用带比较运算符的逻辑表达式描述。（如,=）空间约束条件：一般用带空间谓词的逻辑表达式描述。（如包含、相交、重叠、分离等）。,1空间数据
