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1、第六章,空间分析的基本方法,第六章 空间分析的基本方法,理解GIS中模型的概念、特点和作用 掌握GIS空间分析的一般步骤 了解空间查询与量算的各种方法及其应用 了解视觉信息复合分析的类型和用途 理解叠置分析的概念和类型，掌握多边形叠置分析的步骤和方法 理解缓冲区的概念和作用，并能说明其应用方法 了解泰森多边形、网络分析在地学中的主要用途 了解空间插值的类型和方法 了解空间信息分类和统计分析方法 重点：矢量数据分析方法，栅格数据分析方法、空间插值。 学习目标 难点：空间插值技术,空间分析 是综合分析空间数据的技术的通称。空间分析有着十分丰富的内涵，它是构成地理信息系统的核心部分之一，在整个地理数
2、据的应用中发挥着举足轻重的作用，也是GIS区别与其它信息系统的一个显著标志。,分析技术: 空间图形数据的拓扑运算； 非空间属性数据运算； 空间和非空间数据的联合运算。,第一节地理信息系统的空间分析模型,一、地学模型概述 所谓模型，就是将系统的各个要素，通过适当的筛选，用一定的表现规则所描写出来的简明映象，是对现实世界的简化表达。 地学模型，也称专题分析模型，是用来描述地理系统各要素之间的相互关系和客观规律信息的简明映象，其形式有语言的、数学的或其它的表达模式。 对于GIS来说，专题分析模型是根据目标的知识将系统数据重新组织，得出与目标有关的新的规则和公式。不同的理论观点，不同的体系可以产生不同
3、的结果。 在GIS中，模型能有效地帮助人们从各种因素之间找出其因果关系或者联系，有利于问题的解决。,地学分析模型主要包括： （1）逻辑模型：由地理名词和逻辑运算符组成的逻辑表达式表示； （2）物理模型：由物理模拟过程表达； （3）数学模型：由常数、参数、变量和函数关系等组成的数学表达式表示； （4）图像模型：由某种图像或图像运算的集合表达，如各种专题地图。,二、空间分析模型的特点 GIS中的应用空间分析模型大多数为数学模型，他们除了具有数学模型的一般特征之外，还具有由GIS的性质和任务所决定的一些特点。 （1）空间性：模型与空间位置、分布有密切关系； （2）动态性：模型描述的现象与时间有密切关
4、系； （3）多元性：模型会涉及自然、经济、社会、技术等多 种因素； （4）复杂性：由于所处理问题的复杂性，模型常采用定 量与定性相结合的形式； （5）综合性：实用模型往往涉及多种模型方法。,三、空间分析建模，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，回答有关空间现象问题的过程。 由于空间分析建模是建立在对图层数据操作上的，又称为“地图建模”。地图建模的结果得到一个“地图模型”，它是对空间分析过程及其数据的一种图形或符号表示，目的是帮助分析人员组织和规划所要完成的分析过程，并逐步指定完成这一分析过程所需要的数据。 空间分析建模可以是一个空间分析流程的逆过程，即从分析的最
5、终结果开始，反向一步步分析。为得到最终结果，哪些数据是必须的，并确定每一步要输入的数据以及这些数据是如何派生而来的。,GIS分析建模可采用如下步骤： （1）系统描述与数据分析。对模型所要分析的系统，选择可以描述系统的状态、与外部关系、随时间变化等方面的数据，构造该系统的数据体系； （2）理论推导。根据地理规律和系统的特点，进行理论推导，确定上面的数据体系中多因子之间的量纲关系，作为分析模型的基本框架； （3）简化表达。根据理论分析和具体应用要求，筛选去除相对影响小的和不重要的因素，或采用主成分分析等数学方法简化表达形式，使模型接近使用； （4）参数确定。模型参数的确定可采用参数实验方法，或采用
6、层次分析法、专家打分法、确定模糊隶属度等方法。 （5）分析模型建立。形式和参数确定后，建立分析模型，并可在应用中完善。由于理论和实践等方面原因，有时可采用递归模型。递归模型便于导出地理系统在任一演变时期的状态和演变过程，在较短的间隔周期内可以作线性问题处理，并且可以参照假设条件的变化随时间调整模型参数。,四、空间分析的步骤 1. 建立分析的目的和标准 2. 准备空间操作的数据 3. 进行空间分析操作 4. 结合分析的目的和任务，对获得的新空间数据进行分析 5. 结果评价和解释 6. 产生最终的结果图和报表,第二节 空间查询与量算,一、空间查询 是按一定条件对空间目标的位置和属性信息进行查询，以
7、形成一个新的数据子集 空间查询分为以下几种： 1. 定位查询 2. 分层查询 3. 区域查询 4. 条件查询 5. 空间关系查询,5. 空间关系查询 空间关系查询又称拓扑查询。其目的是检索出相关的空间目标。 （1）面面查询：查询并判断两个面状地物之间是否相邻、包含、相交以及方向距离关系。如查询某一湖泊周围的土地类型，就是查询同湖泊相邻区域的土性属性。 （2）线线查询：查询并判断线与线之间是否有邻接、相交、平行、重叠以及方向距离关系。如查询某一条公路所跨过的河流，就是查询与该公路相交的河流。 （3）点点查询：查询并判断点与点之间的距离、方向和重叠关系。如查询居民点周围小于2km的商店。 （4）线
8、面查询：查询并判断线与面之间的距离、方向、相交及重叠等关系。如求通过某县的公路，或某一条铁路所经过的县、市。 （5）点线查询：查询并判断点与线之间的距离、方向及重叠关系。如查找某一河流上的桥梁，或通过某一居民点的公路。 （6）点面查询：查询并判断点与面之间的距离、方向及包含关系。如查找某市的采矿点，或某一矿井的所在辖区等。,二、空间量算 1. 几何量算： 一般GIS软件都具有对点、线、面状地物的量算功能。几何量算对不同的点、线、面地物有不同的含义： （1）点状地物（0维）：坐标； （2）线状地物（1维）：长度、方向、曲率； （3）面状地物（2维）：面积、周长、形状等； （4）体状地物（3维）：
9、体积、表面积等。,2. 形状量算 面状目标物的外观是多变的，很难找到一个准确的量对其进行描述。最常用的指标包括多边形的长短轴之比、周长面积比等。其中绝大多数指标是基于面积和周长的。通常认为圆形地物既非紧凑型也非膨胀性，则可定义其形状系数r为： 2 式中：P为地物周长，A为地物面积。如果r1为膨胀型。,3. 质心量测 质心是描述地理现象空间分布的一个重要指标。质心可简单地描述为地理目标保持均匀分布的平衡点。质心通常定义为一个多边形或面的几何中心，当多边形比较简单时，计算很容易。当多边形形状复杂时，计算也更加复杂。 质心量测可用于对地理分布变化的跟踪；计算目标物对周围地区的经济辐射范围。如应用质心
10、量测分析人口变迁、土地类型变化等。,第三节 视觉信息复合分析,视觉信息复合是将统一地区的统一比例尺的不同含义的图形图像进行叠合显示在屏幕上或结果图件上，以便判断不同地理实体的空间关系，从而获取更多的空间信息。 视觉信息复合中，不改变各图层数据结构，也不形成新的数据，只给用户带来视觉效果，用于目视分析。,一、点、线和面状图之间的复合 通过点线和面状图的相互复合，寻求特征信息在空间上的关联性。在这里强调的是复合图之间的关系，而不是强调生成新的目标。如要了解居民点与污染区空间位置关系，就可以把居民点图和污染分区图进行点与面的视觉复合。直觉上可以看到各个居民点的污染轻重。 又如旅游者在确定旅游线路时，
11、可把该地区的旅游景点图、地形、交通和旅游者位置进行信息复合，从而帮助旅游者确定旅游线路等。,二、遥感信息和专题图的视觉复合 遥感信息和非遥感信息结合是地理信息系统和遥感相结合的基础，遥感和地理信息系统所处理问题具有互补性。遥感图上信息丰富，但缺乏行政区划界线等非遥感信息，这样不利于区域分析。另外，在遥感分类中常常出现比较麻烦的“异物同谱”现象。如荒草和牧草，果园和灌木等，从遥感角度看，因为具有相同的光谱特性而无法区分，这时如把遥感分类图和专题图或地形图进行视觉复合，就可以直觉地解决某些“异物同谱”分类问题，从而大大提高遥感分类精度。,三、专题图和数字高程图视觉复合 专题图通常用平面图来表示，而
12、数字高程模型（DEM）的立体彩色显示是具有高度真实感的，如果把各种专题图和数字高程图复合生成立体专题图，可以大大增强视觉效果，便于人们认识和研究自然资源。例如，把旅游图和数字高程图结合生成立体旅游景观图，有利于人们观察景点分布和旅游路线选择；再如将野生动物分布图与数字高程图结合，生成立体野生动物分布图，可以帮助动物学家对野生动物群体生存环境的研究。,第四节 空间聚类与聚合分析,一、空间聚类 空间聚类是根据预先设定的聚类条件，使符合条件的区域输出在图上，不符合条件的区域为空白。在空间聚类中常用的是逻辑运算，用逻辑表达式来分析处理非几何特性之间的逻辑关系。常用逻辑运算包括： （1）逻辑交运算。若子
13、集为A,B，对其进行逻辑交运算，得交集C=AB,如图6-1（a）所示。 （2）逻辑并运算。若子集为A,B，对其进行逻辑并运算，得并集C=AB,如图6-1（b）所示。 （3）逻辑非运算。若子集为A,B，对其进行逻辑非运算，得并集C=A-B,如图6-1（c）所示。,（a） (b) (c),逻辑设定条件可以按照需要的属性设定，也可按照空间要素的集合条件设定。如左下图所示，是一幅某镇土地利用现状栅格图（1.耕地，2.园地，3.林地，4.居民点，5.独立工矿，6.水域，7未利用地），设定条件可以是： E=（属性=“水域”） （面积1公顷） （水域邻接居民地） 其输出的结果图如右下图所示。这类聚类条件的设
14、定常用于位址规划。,二、空间聚合 空间聚合是根据预先设定的聚合条件，在同一图层上进行数据类别的合并或转换，以实现空间地域的兼并，从而将复杂的空间数据合并成预定的类别。空间聚合的结果往往是将复杂的类别转换为较简单的类别，大多数以小比例尺图形输出。当从大比例尺图形向小比例尺图形转换时，常使用这种方法。,三、区域提取 区域提取是以某一区域为提取范围，提取另一图层中相应地区的属性数据，从而得到一新的目标图。,第五节 叠置分析,GIS的叠置分析是将有关主题层组成的数据层面，进行叠加产生一个新数据层面的操作，其结果综合了原来两层或多层要素所具有的属性。叠置分析不仅包含空间关系的比较，还包括属性关系的比较。
15、 从叠置条件看，叠置分析分为条件叠置和无条件叠置两种， 条件叠置是以特定的逻辑、算术表达式为条件，对两组或两组以上的图件中相关要素进行叠置。GIS中的叠置分析，主要是条件叠置。 无条件叠置也称全叠置，将同一地区、同一比例尺的两图层或多图层进行叠合，得到该地区多因素组成的新分区图。 从数据结构看，叠置分析有矢量叠置分析和栅格叠置分析两种。,一、矢量数据的叠置分析 叠置分析是指在统一空间参照系统条件下，把两层或两层以上的专题要素图层进行叠置，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理要素之间的空间对应关系。 根据叠置目的的不同可分为合成叠置与统计叠置两类。合成叠置是用于搜索同时具有几种地理属性的分布区域，或对叠置后产生的多重属性进行新的分类（左下图所示）。统计叠置是用于提取某个区域范围内某些专题内容的数量特征（右下图所示）。,合成叠置,统计叠置,空间叠置分析根据叠置对象图形特征的不同，分为点与多边形的叠置、线与多边形的叠置、多边形与多边形的叠置三种类型。,1. 点与多边形叠置 点与多边形的叠置是确定一图层上的点落在另一图层的哪个多边形内，以便为图层的每个点建立新的属性图（如下图所示） 例如，矿井点位与行政区多边形叠置，可确定每个矿井所属的政区范围。点与多边形的叠置实际上是计算多边形对点的包含关系，解决这类问题可采用铅垂线算法来实现。,2. 线与多边形叠
