第五章-空间查询与空间分析

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1、第五章 空间查询 与空间分析本章介绍空间查询与空间分析。重点 掌握空间查询的一般方法和基于矢量数据 的叠置分析。5-1 空间查询 5-2 GIS空间分析空间数据查询指从空间数据库中 找出所有满足属性约束条件和空间约 束条件的地理对象。空间查询是GIS最基本最常用的功 能。空间数据查询的方式有两大类：即 “属性查图形”和“图形查属性”。5-1 空间查询空间数据库查询条件属性限制空间拓扑限制二者结合GIS软件查询结果统计结果：图、表、文字新图层新的属性域添加到 属性数据库 查询方式图形-属性空间查询语言闪烁、颜色等明显 表示 一、空间查询的方式返回1、给出图形信息：如鼠标点取，拉 框等方式。1）检

2、索其相应属性；2）检索其空间拓扑关系 2、给出属性特征条件1）检索对应的空间实体 2）查询属性 单纯查询：单纯地查询属性，或只查询空间拓扑关系联合查询：将空间数据与属性数据联合查询。空间查询是GIS最基本最常用的功能。可以分为四 种方式： l几何参数查询 l空间定位查询 l空间关系查询 lSQL查询5-1 空间查询二、空间数据查询种类 1、几何参数查询：包括点的位置坐标，两点间的距离，一个或一段线目标的长度，一 个面目标的周长或面积等。实现：查询属性库或空间计算2、空间定位查询：给定一个点或一个几何图形，检索该图形范围内的空间对象及其属性 。1）按点查询：给定一个鼠标点，查询离它最近的对象及属

3、性-点的捕捉。2）开窗查询-按矩形、圆、多边形查询分为该窗口包含和穿过的区域。实现：根据空间索引，检索哪些对象可能位于该窗口，然后根据点、 线、面在查询开窗内的判别计算，检索到目标。-空间运算方法3、空间关系查询1）相邻分析检索-通过检索拓扑关系面面：如查询与面状地物相邻的多边形的实现方法：A、 从多边形与弧段关联表中，检索该多边形关联的所有弧段；B、 从弧段关联的左右多边形表中，检索出这些弧段关联的多边形。线线（与某干流A相连的所有支流）A、 从线状地物表中，查找组成A的所有弧段及关联的结点；B、 从结点表中，查询与这些结点关联的弧段；点点（A与B是否相通）等。2）相关分析检索（不同要素类型

4、之间的关系）-通过检索拓扑关系线面（我国边境线总长度）、点线（自来水GIS中，与某阀门相关的水管）、 点面A12BC3）包含关系查询查询某个面状地物所包含的空间对象。同层包含，如，某省的下属地区，若建立有空间拓扑关系，可直接查询拓扑关系表来实现 。不同层包含，如某省的湖泊分布，没有建立拓扑，实质是叠置分析检索，通过多边形叠置 分析技术，只检索出在窗口界限范围内的地理实体，窗口外的实体作裁剪处理。4）穿越查询某公路穿越了某些县，采用空间运算的方法执行，根据一个线目标的空间坐标，计算哪些 面或线与之相交。5）落入查询一个空间对象落入哪个空间对象之内。-空间运算 6）缓冲区查询根据用户给定的一个点、

5、线、面缓冲的距离，从而形成一个缓冲区的多边形，再根据多边 形检索原理，检索该缓冲区内的空间实体。 7）边沿匹配检索空间查询在多幅地图的数据文件之间进行，这时需应用边沿匹配 处理技术。4、SQL查询（属性查询）1） 查找仅选择一个属性表，给定一个属性值，找出对应 的属性记录或图形。在屏幕上已有一个属性表，用户任意点取记录， 对应的图形以高亮显示。 实现：执行数据库查询语言，找到满足要求的记录 ，得到它的目标标识，再通过目标标识在图形数据 文件中找到对应的空间对象，并显示出来。 实现：交互式选择各项，输入后，系统再转换为标准的SQL，由数 据库系统执行或ODBC语言执行，得到结果，提取目标标识，在

6、图 形文件中找到空间对象，并显示。Select 属性项 From 属性表 Where 条件1 or 条件2 and 条件32）SQL查询3）扩展SQL空间数据查询语言是通过对标准SQL的扩展来形成的，即在数据库查询语言上加 入空间关系查询。为此需要增加空间数据类型（如点、线、面等）和空间操作算子（ 如求长度、面积、叠加等）。在给定查询条件时也需含有空间概念，如距离、邻近、 叠加等。例如，“查询长江流域人口大于50万的县或市”，可表示为：SELECT *FROM县或市WHERE 县或市.人口 50万 AND CROSS（河流.名称=“长江”）主要优点是：保留了SQL的风格，便于熟悉SQL的用户的

7、掌握，通用性较好，易于与关 系数据库连接。执行扩展SQL，如果要将属性和空间关系整体统一起来，从底层进行查询优化，有一 定困难。目前一般将两层分开进行查询。返回5、其它查询方法1）可视化空间查询可视化查询是指将查询语言的元素，特别是空间关系，用直观的图形或符号表示。 查询主要使用图形、图像、图标、符号来表达概念。具有简单、直观、易于使用的特点。缺点：当空间约束条件复杂时，很难用图符描述；用二维图符表示图形之间的关系时， 可能会出现歧义；难以表示“非”关系；不易进行范围（圆、矩形、多边形等）约束；无 法进行屏幕定位查询等。2）超文本查询图形、图像、字符等皆当作文本，并设置一些“热点”（HotSp

8、ot），“热点”可以是 文本、键等。用鼠标点击“热点”后，可以弹出说明信息、播放声音、完成某项工作等。但超文 本查询只能预先设置好，用户不能实时构建自己要求的各种查询。3）自然语言空间查询在SQL查询中引入一些自然语言，如温度高的城市SELECT nameFROM CitiesWHERE temperature is highSELECT nameFROM CitiesWHERE temperature = 33.75这种查询方式只能适用于某个专业领域的地理信息系统，而不能作为地理信息系 统中的通用数据库查询语言。作定量转换l GIS空间分析模型 l栅格数据分析的基本模式 l矢量数据分析的基本

9、方法 l空间数据的其它分析方法 l数字地面模型及其应用5-2 GIS空间分析一、GIS空间分析 空间分析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，其目的在于提取和传输空 间信息。 空间分析是GIS系统的重要功能之一,是GIS系 统与计算机辅助绘图系统的主要区别。空间分 析的对象是一系列跟空间位置有关的数据，这 些数据包括空间坐标和属性特征两部分。其中 空间坐标用于实体的空间位置和几何形态，属 性特征则是实体某一方面的性质。 二、 栅格数据分析的基本模式1. 空间间聚类类进行有选择的信息提取空间间聚类类是根据预预先设设定的聚类类条件，从栅栅格数据中 将所有符合标标准的区域输输出

10、到图图上，不符合条件的区域 为为空白。 栅格数据系统样图 提取要素“2”的聚类结 果 模型：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。模型通常表达了 某个系统的发展过程或发展结果。 地学模型：是用来描述地理系统各地学要素之间的相 互关系和客观规律信息的语言的、数学的或其它的表 达形式，通常反映了地学过程及其发展趋势或结果。 地学模型也称为专题分析模型。对于地理信息系统来 说，专题分析模型是根据关于目标的知识将系统数据 重新组织，得出与目标有关的更为有序的新的数据集 合的有关规则和公式。 发展适用于GIS的地理分析模型是GIS实用化的关键 模型化：是将主观性的思考

11、，以模型的形式反映出来 。不同的理论观点，不同的体系可以产生不同的结果 。 地学分析模型的几种形式： 逻辑模型：由地理名词和逻辑运算符组成的逻辑表达 式 物理模型：由物理模拟过程表达 数学模型：公式 图像模型：图像或图像运算的集合表达 专题分析模型在GIS中的作用 GIS的设计：根据具体需要采用适当的分析模型指导 GIS的总体设计数据项的选择，硬件环境，软件功能 GIS的应用：缺乏足够的专题分析模型 利于信息交流：模型是表达思维对自然界认识的工具 ，GIS分析模型有利于完整准确地表达使用者对问题的认识和处理方法，既利于使用者与系统设计者之间 的交流以发展系统功能，又利于使用者之间交流以增 强系

12、统的共享性。 GIS模型化的一般方法XOY=MX表示某个体系；Y表示某种介质；O表示Y对X 产生的作用；M建立的模型 分析模型按建立的方法分：（1）概念模型：定性，作为专家系统的知识库（2）统计模型：定量模型，简单实用，如回归分析方法建立的模型（3）数学模型：又称理论模型，往往理想化 建模方法：（1）由概念模型统计模型数学模型（2）综合方法：系统描述与数据分析理论推导 简化表达参数确定 模型举例土壤侵蚀模型一种数学模型，随具体区域而不同美国普渡大学根据30余个观测站的数以万计的资料，用计算机加以分析，得出土壤流失方程。A=0.224RKLSCPA土壤流失量，kg（m2a）1R降雨侵蚀力；K土壤

13、可蚀性L坡长；S坡度C植被覆盖度；P土壤侵蚀控制措施 设计土壤侵蚀数据处理流程暴雨数据土壤数据土地利用数据数字地形模型确定R值的 计算方法确定K值的 计算方法确定各类型 C值计算坡度坡向由离散点栅格化数字化计算P值矢栅转换计算年均土壤侵蚀 量A=土壤侵蚀量的分级和输出二、 栅格数据分析的基本模式1. 空间间聚类类进行有选择的信息提取空间间聚类类是根据预预先设设定的聚类类条件，从栅栅格数据中 将所有符合标标准的区域输输出到图图上，不符合条件的区域 为为空白。 栅格数据系统样图 提取要素“2”的聚类结 果 2 空间间聚合根据空间分辨率和分类表，进行数据类别的合并与转换，以实现空间地域的兼并。空间聚

14、合的结果是将较 复杂的类别转换为较简单的类别，并且常以较小比例尺 的图形输出 。当从点地区大区域的制图综合变换时常需要这种分析处理方法（图6-2）。二、栅格数据分析的基本模式二、栅格数据分析的基本模式栅格数据的聚合分析 1、2 类合 并为b ，3、 4类合 并为a 2、3 类合 并为c ，1、4 类合 并为d 栅格数据的聚类、聚合分析处理法在DTM及遥感图像处理中应用十分普遍。如由数字高程模型转换为数 字高程分级模型便是空间聚合，从遥感影像信息中提取 某一地物的方法则是栅格数据的聚类。 二、 栅格数据分析的基本模式3 叠置分析 -栅格数据的一种复合分析方法叠置分析功能是将同地区、同比例尺的两个

15、或 两个以上数据层进行叠置，生成一个新的数据层，让新 数据层的各个目标具有各叠置层目标的多重属性或各叠 置层目标属性的统计特征 。即求两组或两组以上空间图 形的交集 。栅格叠置分析得到的是合成的数据串 。通过叠置分析功能，可以完成以下工作：(1)类型叠置：它是将两组或两组以上的栅格数据，通 过求它们的交集，以建立新的数据文件。二、 栅格数据分析的基本模式(2) 数量统计统计 ：与矢量中的统计统计 叠置类类似，数量统计统计 是 计计算一种要素（如面积积）在另一种要素（如行政区域） 的某个区域内的分布状况和数量特征。 (3) 几何提取：通过过随机建立的几何图图形（例如圆圆、矩 形或某种带带状区），

16、提取该图该图 形范围围内的某种信息。 例如，以不同半径的圆圆作为为搜索区，通过过建立圆圆左右 边边界之间间的数据串，与专门专门 内容的属性作比较较，可以 快速实现圆实现圆 范围围内信息的提取。 二、 栅格数据分析的基本模式叠置分析方法（1）逻辑判断叠置法利用布尔逻辑算子.二、 栅格数据分析的基本模式（2）数学运算叠置法指不同层面的栅格数据逐网格按一定的数学法则进行运算，从而得到新的栅格数据系统的方法算术运算：加减运算函数运算：以函数关系对两个以上栅格数据层进行算术运算：加减运算函数运算：4 视觉信息复合参加复合的平面之间未发生逻辑关系， 仍保留原来的数据结构。 将不同专题内容叠加显示在结果图上，以便系统使用者 判断不同专题地理实体间的相互关系，获得更为丰富的 信息。GIS中视觉信息复合分类（含栅格数据的复合）：（1）面状图、线状图和