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1、第四章 空间数据的查询与分析4.1 查询与量算【学时安排】2 学时【目的要求】1、 理解图文互访；2、 掌握点、线、面相互关系的查询；3、了解地址匹配查询与量算。【重点难点】点、线、面相互关系的查询。【教学方法与手段】示例式、启发式教学方法，多媒体、软件演示教学手段。一、空间关系的类型空间关系主要是指地理实体之间的位置关系，即点、线、面三类基本数据之间的关系，它们两两相关，显然有六种关系，即：1、点点关系 点和点之间的关系主要有两点（通过某条线）是否相连，两点之间的距离是多少？如城市中某两个点之间可否有通路，距离是多少？这是在实际生活中常见的点和点之间的空间关系问题。2、点线关系点和线的关系主
2、要表现在点和线的关联关系上。如点是否位于线上，点和线之间的距离等等。3、点面关系点和面的关系主要表现在空间包含关系上。如某个村子是否位于某个县内？或某个县共有多少个村子？4、线线关系线和线是否邻接、相交是线和线关系的主要表现形式。如河流和铁路的相交，两条公路是否通过某个点邻接？5、线面关系线和面的关系表现为线是否通过面或和面关联或包含在面之内？6、面面关系面和面之间的关系主要表现为邻接和包含的关系。二、图文互访图文互访是最常用的查询，主要有两类：第一类是按属性信息的要求来查询空间位置，俗称“文查图” ，如查出土地级别为一级地块的空间分布情；第二类是按空间位置来查询属性信息，俗称“图查文” 。最
3、常用的是在图形显示屏幕前，把光标移到某些点、线、面（多边形）上，查出这些点、线、面有关的文字属性信息。三、点、线、面相互关系的查询1、面面查询：与某个多边形相邻的多边形是哪些；2、面线查询：某个多边形的边界是哪些线（链） ；3、面点查询：某个多边形内有哪些点状要素；4、线面查询：某条线经过（或穿过）哪些多边形，某条链的左、右多边形是哪些；5、线线查询：与某条河流相连的支流是哪些，某些道路跨过哪些河流；6、线点查询：某条道路上有哪些桥梁，某条输电线路上有哪些变电站；7、点面查询：某个点落在哪个多边形内；8、点线查询：某个结点由哪些线（链）相交而成。9、 “开窗”查询：在图形显示屏幕上用光标临时划
4、定一个不规则的多边形，好像在背景地图上开了一个“ 窗” ，然后查出和该窗口有关的点、线、面及其属性信息。拓扑结构的矢量模型很容易实现上述功能。四、地址匹配查询 从街道的自然地址来查询事物的空间位置是 GIS 的一种特有的查询方法，这种查询往往建立在类似 DIME 和 TLGER 的地理编码基础上，利用这种地理编码，输入街道的门牌号码，就可知道大致的位置和所在的街坊。 （如图 41 所示） 。这对与空间分布有关的社会、经济调查与统计很有用，因为只有在调查表上填了地址，计算机就会自动地从空间位置的角度来作统计、分析。另外，这种查询也经常用在公用事业管理、事故分析等方面，如邮政、通讯、供水、供电、治
5、安、消防、医疗等。图 41 DIME 文件记录示意五、空间数据的查询检索空间数据的查询检索是地理信息系统中最基本的分析功能，通过它，用户可以进一步获取很多派生空间数据。空间数据的查询检索实质上是按一定条件对空间目标的位置和属性信息进行查询，以形成一个新的数据子集，可大致分下面几种：1、定位查询 用于实现图形数据和属性数据的双向查询。如将光标指向屏幕上图形的某一部分时，可得到相应的属性数据。相反，当光标指向属性数据中某一数据项时，在屏幕上显示该数据项相关联的图形。定位查询是最基本的查询功能。2、分层查询 用于查询分层存放的图形数据和属性数据。如当地图的地理要素分成行政界线、交通、水系及居民地等层
6、时，为了提取行政界线可只查询行政界线层。3、区域查询 用于在屏幕上开一窗口或指定一任意多边形区域，并查询该区域内的所有图形数据及相关的属性数据。此外，也可检索点、线、面的一定范围内的图形数据及相关的属性数据。4、备件查询 根据数据项与运算符组成的条件表达式来查询图形数据和属性数据。这里所说的运算符包括：算术运算符“，” ；关系运算符“，”及逻辑运算符“，”等等。5、空间关系查询 它又称拓扑查询。空间目标之间拓扑关系分两类：一种是几何元素之间的结构关系，如点、弧段和面之间的关联关系，用来描述和表达几何元素间的拓扑数据结构。另一种是空间目标之间的位置关系，用来描述所表达几何元素之间的分布特征，如邻
7、接关系、包含关系、重叠关系、方向关系等。空间关系查询的目的是检索与指出相关的空间目标。(1)面面关系。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。例如查询某一湖泊周围的土地类型，就是查询同湖面相邻接区域的图形属性。(2)线一线关系。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。例如，查询河流的支流就是查询同主流相交的河流。(3)点点关系。查询并判断点与点之间的距离、方向及重叠关系。例如，查询某居民点周围距离小于 2的商店。(4)线面关系。查询并判断线与面之间的距离、方向、相交及重叠等关系。例如，求通过某县的公路或某一高速公路所经过的县、市。(5)点一线关
8、系。查询并判断点与线之间的距离、方向及重叠的关系。例如，查找某一条河流上的桥梁或通过某一居民点的公路。(6)点一面关系。查询并判断点与面之间的距离、方向及包含关系。例如查找某林区内的消防站。六、量算常用的简单量算有：累计某个多边形内某种点状要素的数量；两点之间或点到线的距离；线的长度和线的非直线系数（曲线长度/该线起终点的直线距离） ；多边形的周长和面积；多边形的形心位置；居住人口的重心位置；某施工场地填、挖方的体积等等。4.2 空间分析的方法【学时安排】3.5 学时【目的要求】1、掌握缓冲区分析；2、掌握拓扑叠加分析；3、理解逻辑关系分析；4、掌握相关与连接。【重点难点】空间分析的方法。【教
9、学方法与手段】示例式、启发式教学方法，多媒体、软件演示教学手段。一、缓冲区分析缓冲区是根据数据库中事物的点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形，如图 4-2、图 4-3、图 4-4 所示。例如，修造一条铁路，要知道铁路两边 30m所涉及的房区及桥梁；修建一个飞机场需要定出周围一定范围内居民的搬迁数等。在建立点的缓冲区时，只需要给顶半径绘圆即可。面的缓冲区只朝一个方向，而线的缓冲区需在线的左右配置。下面简要介绍线的缓冲区的建立思路。在建立缓冲区时，通常首先要对线进行化简，以加速缓冲区建立的速度。建立线的缓冲区就是生成缓冲区多边形， 只需在线的两边按一定的距离绘平行线，并在线的
10、两端点处绘半圆，就可连成缓冲区多边形。对一条线所建的缓冲区有可能重叠，如图 4-4b。这时需去重叠的部分。基本思路是：对缓冲区边界求交点，并判断每一交点是出点还是入点，以决定交点之间的线段是保留还是删除，这祥就可以得到岛状的缓冲区。在对多条线建立缓冲区时，可能会出现缓冲区之间的重叠，这时需把缓冲区内部的线段删除，以合并连通的缓冲区如图 4-3b、图 4-3c。图 4-2 不同类型实体缓冲区的建立( 据 ESRI，1988)二、拓扑叠加分析拓扑叠加分析是把分散在不同层上的空间属性信息按相同的空间位置加到一起，合为新的一层。该层的属性由被叠加层各自的属性组合而成。这种组合可以是简单的逻辑合并的结果
11、，也可以是复杂的函数运算的结果。拓扑叠加分析是地理信息系统最基本最常用的分析功能。按叠加形式可分为点与点的叠加、面与面的叠加( 如图 45) 、线与面的叠加、点与面的叠加。从数据结构的角度看，叠置分析有栅格叠置分析和矢量叠置分析。它们分别针对栅格数据结构和矢量数据结构，两者都用来求解两层或两层以上数据的某种集合。只是栅格叠置得到的是新的栅格属性，而矢量叠置实质上是实现拓扑叠置，叠置后得到包括新的空间特性和属性关系。在拓扑叠置时，如多边形叠置时可能产生许多较小多边形，其中有些多边形是由于同一线段多次输人时引人误差面产生的。这些多边形并不代表空间实际的变化，称为伪多边形，通常由用户指定一些容差值来
12、消除。在栅格叠置时，尤其是当叠加要素较多时，可能产生很多组合，这些组合其数量可能很大，使用户无法接受。这时往往希望在叠置前或叠置后先进行聚合或聚类处理，这祥就引人叠置条件的概念。1、点与点的叠加 点与点的叠加通常是在栅格模型中进行。图 43 多个特征缓冲区图形的处理( 据 ESRI，1988)图 44 同一特征缓冲区图形的处理图 45 面与面的叠加（据 Introduction to Geoinomation Management）2、面与面的叠加 面与面的叠加是将两个多边形层叠加到一起，合成一个新的多边形。面与面的叠加在城市规划及土地管理中用途程广。面与面的叠加如图 45 所示。3、线与面的
13、叠加 线与面的叠加是将一个线状元素或网络状元素与多边形叠加。例如：线为道路网，面为市区某区块，则可得到该区内道路分布状况及密度、内部交通流量、进入和离开交通量等。线与面的叠加分析如图 46。点与面的叠加可以分析每个多边形内某类点状元素的多少或哪些点落在哪些多边形内，常用于各种事物分布分析，如查看 GPS 控制点的分布情况等。三、逻辑关系分析用逻辑表达式来分析处理重合点的非几何特性之间的逻辑关系，实现对空间数据复合、提取、删除等操作。常用逻辑运算包括：1、逻辑交运算 若子集为 A，B ，对其进行逻辑交运算，得交集 CAB，如图 47a 所示。如子集A 为针叶林区，子集 B 为坡度小于 15，逻辑
14、交运算后得子集 C，它表示既是针叶林又是坡度小于 15的区域。2、逻辑并运算 若子集为 A，B，对其进行逻辑并运算得 CAUB，如图 44b 所示。上述 A，B 两子集，经逻辑并运算后得子集 C，它表示该区域是针叶林或坡度小于 15的区域。3、逻辑非运算 若子集为 A，B，对其进行逻辑非运算可表示为 CAB，如图47c 所示。上述 A，B 两子集，经逻辑非运算后得子集 C，它表示坡度不小于 15(即大于等于 15)的针叶林区。四、相关和连接地理信息系统包括两种类型的数据：空间数据和属性数据，它们都定义每一个特征。为了使每一个特征的空间数据和属性数据之间建立起联系，使它们二者“相关”，就需要对这
15、两种记录类型存储一个公用的特征序号。例如：对于每一个特征值可利用唯一的 ID 序号，使其坐标与属性之间建立起相关关系。同样，任何两个表，只要它们共享一个公共的属性，就可以“ 连接” 在一起。相关是利用一个公共项，在两个表的相对应记录中建立起联系。关系连接是利用一个公共项，将两个表在物理上组合在一起的相关操作。4.3 执行空间分析的步骤【学时安排】图 46 线与面的叠加（ 据 Understanding GIS ）图 47 逻辑运算3.5 学时【目的要求】1、 掌握执行空间分析的步骤；2、 针对具体问题会进行空间分析。【重点难点】空间操作方法的选择。【教学方法与手段】启发式、案例教学方法，多媒体
16、、软件演示教学手段。一、执行空间分析的步骤（一）建立分析目的和标准以公园选址为例，可能用到的标准有：1、公园的位置必须是从主要公路上容易到达的，但又不能太靠近公路，以减少燥声或其它干扰；2、公园应设计成环绕着一条天然的小河流；3、使公园的可利用面积最大，公园中应很少或没有沿河流分布的沼泽地。每个标准可以利用像建立缓冲区、线段与多边形以及多边形与多边形的叠加之类的空间操作来进行分析。在完成这些操作之后，就可以对适合于建造新公园的不同土地区域作出评价。（二）准备空间操作的数据这一步骤用于确定和准备分析中所要用到的数据。例如：可能需要对存储特殊属性的单位进行转换（如将以平方英尺为单位存储的面积测量数据值转换为以英亩为单位存储） 。（三）进行空间操作空间操作包括建立特征缓冲区，进行
