地理信息系统—空间分析

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1、,学习目标 理解GIS中空间分析的概念、特点和作用 掌握GIS空间分析的一般步骤 了解视觉信息复合分析的类型和用途 理解叠合分析的概念和类型，掌握多边形叠合分析的步骤和方法 理解缓冲区的概念和作用，并能说明其应用方法了解网络分析在地学中的主要用途 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。,第六章 空间分析,返 回,1854年8月到9月 英国伦敦霍乱流行,琼斯诺博士 把道路、房屋、饮用水机井、霍乱病死者居住位置 在1：6500的城区图上标出来,霍乱病死者居住位置,问题？ 集中钦用 “布洛多斯托” 水机井,返 回,在这个例子中，分析了患者的居住地与饮用水的空间位置

2、关系。揭示了霍乱发病的根源。,空间描述：制图、数据平滑、聚集探测等；空间解释：位置、空间关系、距离、梯度、格局等；空间预报：插值等；空间调控和决策：优化运筹、策略等。,在这个例子中利用了什么关系？,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。,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专业属性两部分。其中空间坐标用于实体的空间位置和几何形态，专业属性则是实体某一方面的性质。,第一节、空间分析的概述,返 回,一、空间分析的概念

3、 1 基本概念,空间分析是基于空间数据的分析技术，它以地学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间形成、空间演变等信息。 目的在于提取和传输空间信息。 空间分析是地理信息系统的重要内容。自有地图以来，人们就开始自觉或不自觉地进行着各种类型的空间分析，如在地图上量测地理要素之间的距离、方位、面积，乃至利用地图进行战术研究和战略决策等,都是人们利用地图进行空间分析的实例，而后者实质上已属较高层次上的空间分析。,返 回,返 回,返 回,空间分析是地理信息系统的主要特征，也是评价一个地理信息系统功能的主要指标之一。,空间分析是各类综合性地学分析模型的基

4、础，为人们建立复杂的空间应用模型提供了基本工具。空间分析与应用模型之间关系是“零件”与“机器”的关系。,返 回,空间分析的根本目的在于通过对空间数据的深加工和分析，获取新的信息。,GIS与CAD等非GIS软件相比，空间分析是GIS区别于CAD的最显著功能特征之一。,返 回,返 回,2 空间分析方法的分类（Goodchild）,（1）产生式分析：,地形分析（数字地面模型分析）：,空间叠合分析,缓冲区分析,空间网络分析,空间统计分析,（2）咨询式分析：,空间集合分析,空间数据查询,空间分析内容,1 什么是空间查询 空间查询是空间分析基础，任何空间分析都开始于空间查询。 回答用户的简单问题 不改变空

5、间数据库数据 不产生新的空间实体和数据 空间查询技术由简单到复杂,第二节 空间查询,空间查询流程,空间数据库,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,空间查询语言,闪烁、颜色等明显表示,空间查询：方式、内容与结果,2 空间数据查询基本方式,图形(几何)查询：图形查属性是根据图形的空间位置来查询有关属性信息；或者实体之间的空间关系查询，实体的属性信息查询等。属性查询：根据一定的属性条件来查询满足条件的空间实体的位置，是基于实体的属性信息进行查询，与一般的数据库查询相同，只不过最后查询的结果需要再与图形关联起来

6、。图形属性互查：将空间关系和属性结合起来进行查询，并将最后结果以图形和属性两种方式显示出来。如：查询京九线沿线人口大于100万的城市及各种属性信息。,几何查询：点,鼠标选取此点,查询结果,几何查询：线,查询线,几何查询：面,鼠标选取此面,属性查询：属性对应的空间位置分布,Select 需显示的属性项From 属性表Where 条件or 条件and 条件,标准SQL查询语言,example：query sale date of parcel 101：,select sale date,from parcel,where PIN = “p101”,MapInfo软件中SQL输入标准对话框,属性查询

7、：SQL查询,条件：面积大于2000平方公里且每平方公里人口大于100的地区,空间查询：扩展的SQL查询,例如查询三峡地区长江流域人口大于50万的县或市，扩展的SQL空间查询语句为：Select *From 县或市Where 县或市人口50万And Cross （河流名称=“长江”）,空间查询：扩展SQL查询,图形与属性的联合查询。 条件：长江三峡地区长江流域人口大于70万的县、市地区,3 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

8、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”（HotSpot），“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 Ci

9、tiesWHERE 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,第三节数字地面模型分析,一DTM概述 DTM定义： 是利用任意一个坐标场中大量选择的已知X、Y、Z的坐标点对连续表面的一个简单的地面统计显示。当z为其他二维表面上连续变化的地理特征，如地面温度、降雨、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等特征，称为DTM（Digital Terrain Models）。当DTM中属性为高程时称DEM，（Digital Elevation Models），它是国家基础空间数据的重要组成部分，表示地

10、表区域上地形的三维向量的有限序列，即地表单元上高程的集合，数学表达为：DTM= Zi,j,DTM的派生产品： 平面等高线图； 立体等高线图 等坡度图 晕渲图 通视图 纵横段面图 三维立体透视图 三维立体彩色图,等高线绘制,透视图的绘制,渲染图的制作,渲染（阴影制图）,draping with color ramping,三维立体图,立体透视图,DTM的数据采集数据源决定采集方法： （1）航空或航天遥感图像为数据源 （2）以地形图为数据源 （3）以地面实测记录为数据源 （4）其它数据源,手工数字化等高线,汉源流沙河流域三维景观,从遥感影像上自动提取,二 DEM概述 当DTM中属性为高程时称DEM

11、，（Digital Elevation Models），它是国家基础空间数据的重要组成部分，表示地表区域上地形的三维向量的有限序列，即地表单元上高程的集合.,DEM表示方法,1 不规则三角网（TIN）TIN（Triangulated Irregular Network) 利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点（各三角形的顶点）连接成相互连续的三角面（在连接时，尽可能地确保每个三角形都是锐角三角形或是三边的长度近似相等-Delaunay）。因为TIN可根据地形的复杂程度来确定采样点的密度和位置，能充分表示地形特征点和线，从而减少了地形较平坦地区的数据冗余。,Delauna

12、y三角网特性 Delaunay三角网的唯一性； 没有任何点在三角形的外接圆内部，反之，如果一个三角网满足此条件，那么它就是Delaunay三角网；Delaunay三角网中的三角形最接近于等边三角形,DTM表示方法：TIN,是一种用以对表面进行建模的复杂数据结构,2 等高线法 高程值的集合是以知的，每一条等高线对应一个以知的高程值，这样一系列等高线集合和他们的高程值一起就构成了一种地面高程模型。,3 规则格网法(Grid),规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间切分成规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。此时，DEM来源于直接规则矩形格网采样点或由不规则离

13、散数据点内插产生。结构简单，计算机对矩阵的处理比较方便，高程矩阵已成为DEM最通用的形式。高程矩阵特别有利于各种应用。,但Grid系统也有下列缺点： a) 地形简单的地区存在大量冗余数据； b) 如不改变格网大小,则无法适用于起伏程度不同的地区； c) 对于某些特殊计算如视线计算时，格网的轴线方向被夸大； d) 由于栅格过于粗略，不能精确表示地形的关键特征,如山峰、洼坑、山脊等；,DEM的生成,1 人工网格法 在地形图上蒙上格网，逐格读取中心点或交点的高程值。,2 三角网法对有限个离散点，每三个邻近点联结成三角形，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。

14、,由TIN生成的三维模型,3 立体像对法 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。,4 曲面拟合 根据有限个离散点的高程、采用多项式或样条函数求得拟合公式，再逐一计算各点的高程，可得到拟合的DEM。,5等值线法 根据各局部等值线上的高程点，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。,DEM的应用,1 坡度分析（Slope Analyze）： 就是利用数字高程模型数据（DEM）来生成目标区域每个点的坡度信息的过程； 这里的DEM指的是Grid DEM栅格数据 坡度分

15、析的输入是一个Grid DEM数据，输出也是一个Grid栅格数据，两个数据的地理范围基本上是一样的； 坡度的定义及分析算法见教材 坡度计算结果的单位可以使DEGREE（角度数 090）或者PERCENT_RISE（上升比值0 ）,坡度分析参数设置,坡度,2 坡向分析： 利用输入的数字高程模型数据（Grid DEM），生成同一地区的各个格点坡向的过程； 坡向分析的操作过程和坡度类似 坡向分析的操作输入数据是一个地区的数字高程模型数 据（DEM），输出是表示每个格点坡向的Grid数据，两个栅格数据的地理范围基本一样； 坡度的单位为角度，取值范围0360,坡向分析参数设置,坡向,line shows

16、 green (visible) red (not visible),3制作剖面图,surface profile generated,4 通视分析通视分析是指以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析。 1）方法： a、设立观察点，对格网DEM或三角网DEM上的每个点判断通视与否，通视赋值为1，不通视赋值为0。由此可形成属性值为0和1的格网或三角网。对此以0.5为值追踪等值线，即得到以O为观察点的通视图。 b、以观察点O为轴，以一定的方位角间隔算出0360的所有方位线上的通视情况。对于每条方位线，通视的地方绘线，不通视的地方断开，或相反。这样可得出射线状的通视图。,可视域及可视性分析,一、空间缓冲区分析基本概念 （Spatial buffer analysis）,