第八讲+空间分析原理与方法

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1、第八章第八章 空间分析原理与方法空间分析原理与方法 吉首大学城乡资源与规划学院 1如何为一公 园选择合理 位置？依山傍水； 交通方便； 较安静要求方案2条件2方案1条件1处理、分析空间分析算法现实世界获取水系信息地形信息道路信息植被信息等+空间数据库存储主要内容一、空间分析概述 二、空间数据查询三、空间数据量算 五、空间缓冲区分析四、空间叠加分析六、空间网络分析八、空间插值九、邻域分析及聚类 聚合分析七、空间统计分析第一节 空间分析概述 空间分析 是以地理事物的空间位置和形态特征为基础，以空间数据运算、空间数据与属性数据的综合运算为特征，提取与产生新的空间信息的技术和过程。空间分析是对分析空间

2、数据有关技术的统称。 空间分析目的 是通过对空间数据的分析处理，获取地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间演变等新信息。解决人们所涉及到地理空间的实际问题，提取和传输地理空间信息，特别是隐含信息，以辅助决策。一、空间分析含义第一节 空间分析概述 二、空间分析的主要内容由于GIS空间数据库中存储了包含空间特征的空间信息及同应用相关的专题信息，因此GIS中的空间分析包含: 空间数据的空间特征分析 空间数据的非空间特征分析 空间特征和非空间特征的联合分析 三、空间分析、应用模型与GIS的关系空间分析方法与应用模型是GIS的一个很重要的组成部 分，这一部分的好坏是衡量一个GIS的功能强弱的重要指

3、标。 第一节 空间分析概述 第一节 空间分析概述 四、空间分析分类1、按分析方法看GIS空间分析分类(1)GIS系统提供的空间分析归纳起来，主要有查询检索分析、空间形态分析、地形分析、叠加分析、邻域分析；网络分析、图像分析、空间统计分析等。(2)专用空间模型分析指在GIS支持下通过建立一定的数学模型实现地理现象的分析和模拟，这是GIS应用深化的重要标志。正是由于模型的支持，特别是多模型的渗入，空间分析才能上升到空间决策层，空间决策支持系统就是在此基础上发展起来的计算机支持系统。第一节 空间分析概述 2、按用户交互方式看GIS空间分析分类（1）咨询式空间分析主要根据已有数据实现空间数据的查询检索

4、及集合分析。（2）产生式空间分析基于GIS中拓扑关系和空间操作运算、空间统计分析及将GIS作为通用工具同其他专业模型结合，实现空间数据的模拟和分析。第一节 空间分析概述 3、按空间数据特征看GIS空间分析分类（1）空间数据的空间特性分析 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。（2）空间数

5、据的非空间特性分析主要是基于数据库的统计分析。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 1、空间查询方式？2、查询结果显示？第二节 空间数据查询 第二节 空间数据查询 空间数据的查询是GIS最基本的功能，它是GIS高层次空间分 析的基础，也是GIS面向用户的直接窗口。在GIS中，用户的很 多问题可通过查询解决，查询还能派生新数据。一、空间数据查询的类型空间 数据 查询 类型基于空间特性的查询结合空间特性和非空间（属性） 特征的查询基于属性（非空间）特征的查询图

6、查文(几何查询)文查图(属性查询)逻辑查询(SQL查询)空间关系的查询第二节 空间数据查询 属性特征的查询主要在属性数据库中完成，这种查询通常基 于标准的SQL查询语言实现，之后按照属性数据和空间数据的对 应关系显示图形。1、基于属性（非空间）特征的查询标号植被面积101工业地169 102林地122103农地230104林地100基于属性（非空间）特征的查询例：已有某地区的土地利用表及相应的图，现要找到林地，通过对下列属性数据表查找植被为林地的记录，并显示这些记录相应的空间位置。 102104103101第二节 空间数据查询 空间性是空间数据的主要特征，空间特征的查询通常指以图形、图像或符号

7、为语言元素的可视化查询。从查询的内部过程看，是属于“图到属性的查询”。这种查询首先借助于空间索引在空间数据库中找出空间地理对 象，然后，再根据GIS中属性数据和空间数据的对应关系找出 显示地理对象的属性，并可进一步进行相关的统计分析。2、 基于空间特性的查询第二节 空间数据查询 (1)空间几何数据查询主要根据空间目标的几何数据，分析计算不同地物(如线状地物)的长度、组成、坐标点数及面状地物的面积、周长等。 (2)空间位置查询这是空间查询中最基本的查询功能，只要空间数据是同大地坐标进行了配准，即可查询： 简单点击空间点状地物，就可获取坐标点地理位置； 点击线状地物，就可获取该线的长度及地理位置；

8、 点击面状地物，就可获取该面的周长、面积及其地理位置等。 例：右图就是在ARCVIEW软件下，点击黄色图斑，就可获取烟台市辖区的周长、面积等信息。烟台市辖区第二节 空间数据查询 第二节 空间数据查询 (3) 空间关系查询空间关系查询主要指拓扑关系查询。同类要素间的邻接性查询、连通性查询、包含性查询、重合性查询、方向性查询等。（面-面查询；线-线查询；点-点查询）例：从中国地图上查与山东省相邻的有哪几个省，实质是进行邻接性查询。不同类要素间的关联性查询、穿越性查询、落入性查询、方向性查询等。（线-面查询；点-线查询；店面查询）例：从中国地图上查京九铁路沿线有多少站，实质是进行关联性查询。例：从中

9、国地图上查黄河经过哪几个省，实质是进行穿越性查询。注：进行空间关系查询时，不总是局限某一查询功能，常要用多种查询 联合起来才能完成查询功能。 第二节 空间数据查询 3、结合空间特性和非空间（属性）特征的查询空间特征和属性特征的联合查询不是简单地由定位空间特性查询结果，显示相关的属性，也不是从属性特征的查询结果，显示相关的空间位置。空间特征和属性特征联合查询的实质是指查询条件中同时涉及空间特征和属性特征。 例：从中国地图上查同北京的距离(查空间中距离)小于2000km、长江以南(查空间中位置)、人口数大于100万的城市。本例中查查人口数大于100万的城市，属于属性查询查询 ；查查同北京的距离(查

10、查空间间中距离)小于2000km的城市，属于空间间距离查询查询 ；查长查长 江以南的城市，属于方位查询查询 。 第二节 空间数据查询 二、空间数据查询的数学基础主要使用布尔代数方法，即按照两个逻辑子集在给定的条 件下进行逻辑运算。它的基本运算符号或算子包括3个，交、 并、差。AND(交)OR（并）NOT（差） 及其组合逻辑运算的结果为“真”或“假”。第二节 空间数据查询 下图中，设属性分别为A和B的两个多边形相交，形成的空间单元分别为1、2、3，则它们经布尔操作后的结果如表所示。运算条件运算结果123A.AND .B010A.OR.B111NOT.A001逻辑运算的真(1)或假(0)AB132

11、多边形相交及其形成的空间单元第二节 空间数据查询 三、空间查询的方法如: Select 所需数据项 From 属性表Where 条件表达式1、基于SQL语言的空间查询目前的GIS软件常提供实现SQL查询的对话框，使查询更为简单方便 。 优点：适合关系表的查询与操作。缺点：无法表达空间关系及空间运算操作。第二节 空间数据查询例：在ARCVIEW软件下，提供查询的对话框，可在对话框编写查询的条件进行查询。第二节 空间数据查询 对SQL进行扩充或改造，实现空间关系及空间运算操作的查询。2、基于空间查询语言(Spatial Query Language)的查询 在SQL上发展的空间结构化查询语言。如：

12、空间查询例：查高速公路，并用红虚线表示。Set Color RedPattem Dashed For Select Geometryfrom Road where Type=“Highway”)第二节 空间数据查询 将查询语言的元素用直观的图形或者符号表示。3、 可视化空间查询方法可视化查询的语言元素经过转换可视化查询语句实 现 过 程优点：查询直观形象。缺点：查询语言的元素数量较少，仅能进行有限的查询。第二节 空间数据查询 4、 基于自然语言的查询在查询语言中引入自然语言的概念。优点：查询变得更加简单和方便。缺点：在自然语言的量化时，与语言环境及专业领域相关。因此，很难作为通用的数据库查询语

13、言。如：查询高气温的城市：Select NameFrom Cities 这里使用了一个自然语 言的概念，即“温度高”将“自然语言”转换为“查询语言” Where Temperature = 33. 75Where Temperature is high实 现 过 程第二节 空间数据查询 5、超文本查询方法超文本是由文本信息结点和结点间相关联的链所组成的具有一定逻辑关系和语言查询信息集成化的网络。第三节 空间数据量算点状目标（0维）：坐标；线状目标（1维）：长度、曲率、方向；面状目标（2维）：面积、周长、形状等；体状目标（3维）：表面积、体积等。 距离 面积 坐标第三节 空间数据量算第三节 空间

14、数据量算 一、线的长度折线的长度等于其每段线段长度之和，多边形的周长实际上也是一条折线。两点间的线段长度计算:设坐标为 p1(x1,y1)，p2(x2,y2) 则直线段 p1p2 长度为:d=sqrt ( (x2-x1)2 + (y2 - y1)2 ) p1p2长度量算示意图OYXn 维匀质空间广义距离公式 j(xj, yj)i(xi, yi)ijij距 离 计 算 公 式n 维非匀质空间距离计算q=2，二维欧氏距离q=1，曼哈顿距离q=0.6,非殴氏距离（障碍或阻力）第三节 空间数据量算 1、距离计算、通道选择 成本距离分析，通过成本距离 分析计算最佳的通道。 直线距离：不一定是最佳的通 道

15、 成本距离：考虑了阻抗、成本 成本距离分析的应用（上机练 习）第三节 空间数据量算 （1）成本距离分析 有障碍的旅行（坡度、额外的费用） 运动的成本 累计距离 最低成本表面 最小成本路径第三节 空间数据量算 （2）成本距离的计算原理accum_cost = a1 + ( (cost_a + cost_b) / 2 ) * Daccum_cost：某一单元b的累计通行成本a1：上一个相邻单元a的累计通行成本cost_a：单元a的成本 cost_b：单元b的成本第三节 空间数据量算 （3）直线距离和成本距离第三节 空间数据量算 第三节 空间数据量算 二、 面积量测 面状对象在计算机内部是以一系列首

16、尾相接的坐标串表示的。按多边形顶点顺序依次求出多边形所有边与x轴(或y轴)组成的梯形的面积，然后求其代数和。假设有N个顶点，其面积计算公式为： 多边形面积量算示意图Pk = 1 2(yk+1 + yk)(xk+1 - yk) (yn + y1)(xn x1) 1 2Pk + n-1 k=1 P = 注：总面积公式中第二项为最后一个点和第一点围成的梯形面积第三节 空间数据量算三、地形的体积量算步骤：生成等值线图量算每条等值线围成的面积，设为f0，f1，f2，fn设等值线的间距为h，则体积为：v=f0*h0/3+(f0+2*f1+2*(n-1)*fn)*h/2地形体积量算示意图其中，f0，h0分别为最上层(或最下层)等高线围成的面积和相应的高程差 。第三节 空间数据量算四、形状指数对于多边形边界轮廓的