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1、 欢迎阅读本文档，希望本文档能对您有所帮助!第8章 GIS基本空间分析空间分析是从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、分布、形态、形成和演变等信息的分析技术，是地理信息系统的核心功能之一，它特有的对地理信息的提取、表现和传输的功能，是地理信息系统区别于一般管理信息系统的主要功能特征。在空间分析的研究和实践中，很多在应用领域具有一定普遍意义的、涉及空间位置的分析手段和方法被总结、提炼出来，形成了在GIS软件中均包含的一些固有的空间分析功能模块。这些功能具有一定的通用性质，故而称之为GIS基本空间分析，具体的有叠置分析、缓冲区分析、窗口分析和网络分析。了解GIS基本空间分析对于进一步掌握复杂空间
2、分析方法，具有一定的指导意义。8.1 叠置分析叠置分析是地理信息系统中常用的提取空间隐含信息的方法之一，叠置分析是将有关主题层组成的各个数据层面进行叠置产生一个新的数据层面，其结果综合了原来两个或多个层面要素所具有的属性，同时叠置分析不仅生成了新的空间关系，而且还将输入的多个数据层的属性联系起来产生新的属性关系。其中，被叠加的要素层面必须是基于相同坐标系统的，基准面相同的、同一区域的数据。叠置分析矢量数据叠置分析栅格数据叠置分析图8.1 叠置分析结构框架按照GIS中最常用的两种数据结构将叠置分析分成矢量数据叠置分析和栅格数据叠置分析，具体如图。根据操作形式的不同，叠置分析可以分为图层擦除、交集
3、操作、图层合并等；根据操作要素的不同，可以将矢量数据叠置分析分成点与多边形叠加、线与多边形叠加、多边形与多边形叠加，栅格数据叠置分析分为单层与多层栅格数据叠置分析。要注意的是这里也要对属性进行一定的操作，所指的属性是较为简单的属性值，但注解属性，尺度属性，网络属性等均不能作为输入的属性值。8.1.1 矢量数据的叠置分析1. 点与多边形叠置点与多边形叠置，是指一个点图层与一个多边形图层相叠，叠置分析的结果往往是将其中一个图层的属性信息注入到另一个图层中，然后更新得到的数据图层；基于新数据图层，通过属性直接获得点与多边形叠加所需要的信息。从根本上来说，点与多边形叠加是首先计算多边形对点的包含关系，
4、矢量结构的GIS能够通过计算每个点相对于多边形线段的位置，进行点是否在一个多边形中的空间关系判断，其次是进行属性信息处理，最简单的方式是将多边形属性信息叠加到其中的点上，或点的属性叠加到多边形上，用于标识该多边形。通过点与多边形叠置可以查询每个多边形里有多少个点，以及落入各多边形内部的点的属性信息。例如一个县各乡镇农作物产量图与该县的乡镇行政图进行叠置分析后，更新点属性表，可以计算各乡镇有多少种农作物及其产量，或者查询哪些农作物在哪些乡镇有分布等信息（如图）。叠置结果图层ID名称1大王镇2张家村3李家村ID农作物产量160022,00031,000ID名称农作物产量1大王镇6002大王镇2,0
5、003李家村1,000乡镇区划图层乡镇农作物图层图8.2 点与多边形叠置分析2. 线与多边形叠置线与多边形的叠置同点与多边形叠置类似，线与多边形的叠加，指一个线图层与一个多边形图层相叠，叠置结果通常是将多边形层的属性注入另一个图层中，然后更新得到的数据图层；基于新数据图层，通过属性直接获得线与多边形叠加所需要的信息。同样，线与多边形的叠加首先要比较线坐标与多边形坐标的关系，判断哪一条线落在哪一个或哪些多边形内，由于一条线常常跨越多个多边形，因此必须首先计算线与多边形的交点，将原线分割为两个或两个以上落入不同多边形的新弧段。然后重建线的属性表，表中既包含每条新弧段原来所属的线的所有属性，也包含新
6、添加的、它所落入的多边形标识序号，以及该多边形的某些附加属性。例如河流网络与乡镇区划图进行叠置分析，这样河流网络图层中的各个河流的线属性表，将不仅包含原河流的信息，还含有该河流所在行政区的标号和其他信息，可以依此得到任意省市内的河流的分布密度和长度等（如图）。乡镇区划图层河流图层叠置结果图层图8.3 线与多边形叠置分析ID名称1大王镇2张家村3李家村ID河流1裕河2昌河3十里沟ID名称河流1大王镇裕河2大王镇昌河3李家村昌河3. 多边形叠置多边形叠置是GIS空间分析中的最常用的功能之一，也是叠置分析中最经典的形式。多边形叠置是将两个或多个多边形图层进行叠加，产生一个新的多边形图层。新图层的多边
7、形是原来各图层多边形相交分割的结果，每个多边形的属性含有原图层各个多边形的所有属性数据。图8.4 多边形叠置分析乡镇区划图层土地利用图层叠置结果图层ID名称1高家庄2贾家村3周家堡ID土地利用编号111021113112ID名称土地利用编号1高家庄1102贾家村1103周家堡112多边形的叠置首先要进行几何相交，即首先求出所有多边形边界线的交点，再根据这些交点重新装配多边形，建立拓扑关系，每个多边形赋予唯一标识码，并判断新生的多边形分别落在各图层的哪个多边形内，建立新多边形与原多边形的关系。其次，在关系数据库中建立结果层的多边形属性表，将原图层中对应多边形的属性数据，关联到新的多边形属性表中，
8、但前提是多边形对象内属性是均质的，将它们分割后，属性不变（如图）。由于两个多边形叠加时其边界在相交处是被分割的，因此，输出多边形的数目可能远大于输入多边形之和。在多边形叠加操作中，往往因此产生很多较小的多边形，其中大部分并不代表实际的空间变化，这些小而无用的多边形称之为破碎多边形或伪多边形，它们是多边形叠置的主要问题。破碎多边形即沿着两个输入地图的相关或共同边界线的细小多边形（图），它是由于数字化过程中的误差而造成的，输入地图上的共同边界线不会刚好相互重叠。当两幅地图叠加后，数字化边界线的相交形成了破碎多边形。引起破碎多边形的其他原因包括源地图的误差或解译误差。一般来说，多边形边界通常是由野外
9、调查数据、航空相片和卫星图像解译出来的，解译差错也可能产生不正确的多边形边界。通常GIS软件在地图叠加操作中设置模糊容差值，以去除破碎多边形。模糊容差原理是如果这些点落在指定距离范围之内的话，将强制性把构成线的点捕捉到一起。但是容差值的大小难以把握，容差过大，则容易将一些正确的多边形删除，而容差过小，又无法起到剔除的效果。消除破碎多边形的另一种办法是应用最小制图单元概念。最小制图单元代表由政府机构或组织指定的最小面积单元，小于该值的多边形通过合并到其邻接多边形而被消除。多边形叠置广泛地应用于生活、科研、生产等各个方面。例如对于土地管理信息系统的用户，他们经常需要提取某个县、某些人口统计单元或水
10、文区域内的土地利用数据，并进行面积统计。此时就需要把土地利用图与人口统计分区等图进行叠置。又如进行土地资源分析，还需要把土地利用图与土壤分布图、DTM模型的数据进行叠置，以得到一系列的分析结果，为土地利用规划等提供依据。8.1.2 栅格数据的叠置分析栅格数据由于其空间信息隐含属性信息明确的特点，可以看作是最为典型的数据层面，通过数学关系建立不同数据层面之间的联系是GIS提供的典型功能，空间模拟尤其需要通过各种各样的方式将不同的数据层面进行叠加运算，以揭示某种空间现象或空间过程。在栅格数据内部，叠加运算是通过像元之间的各种运算来实现的。设，分别表示第1层至第n层上同一坐标属性值，f函数表示各层上
11、属性与用户需求之间的关系，E为叠置后属性输出层的属性值，则 (8.1)叠加操作的输出结果可能是： 各层属性数据的算术运算结果； 各层属性数据的极值； 逻辑条件组合； 其他模型运算结果。同矢量数据多边形叠置分析相比，栅格数据的更易处理，简单而有效，不存在破碎多边形的问题等优点，使得栅格数据的叠置分析在各类领域应用极为广泛。根据栅格数据叠加层面来将栅格数据的叠置分析运算方法分为以下几类：1. 布尔逻辑运算栅格数据一般可以按属性数据的布尔逻辑运算来检索，即这是一个逻辑选择的过程。设有A、B、C三个层面的栅格数据系统，一般可以用布尔逻辑算子以及运算结果的文氏图表示其一般的运算思路和关系。布尔逻辑为AN
12、D、OR、XOR、NOT，如图所示。 布尔逻辑运算可以组合更多的属性作为检索条件，以进行更复杂的逻辑选择运算。A .AND. B .AND. CA .OR. B .OR. CA .XOR. B .XOR. CA .NOT. (B .AND. C)A .AND. B .OR. CA .AND. (B .OR. C)图8.6 布尔逻辑算子文氏图2. 重分类重分类是将属性数据的类别合并或转换成新类。即对原来数据中的多种属性类型，按照一定的原则进行重新分类，以利于分析。重分类时必须保证多个相邻接的同一类别的图形单元应获得相同的名称，并将图形单元合并，从而形成新的图形单元（图）。图8.7 重分类的过程3
13、. 数学运算复合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。其主要类型有以下几种：（1） 算术运算ABCD=A+B+CE=|B-C|F=D-E图8.8 栅格数据的算术运算指两个以上图层的对应网格值经加、减运算，而得到新的栅格数据系统的方法。这种复合分析法具有很大的应用范围。图给出了该方法在栅格数据编辑中的应用例证。（2） 函数运算指两个以上层面的栅格数据系统以某种函数关系作为复合分析的依据进行逐网格运算，从而得到新的栅格数据系统的过程。这种复合叠置分析方法被广泛地应用到地学综合分析、环境质量评价、遥感数字图像处理等领域中。例如利用土壤侵蚀通用方程式计算
14、土壤侵蚀量时，就可利用多层面栅格数据的函数运算复合分析法进行自动处理。一个地区土壤侵蚀量的大小是降雨()、植被覆度()、坡度()、坡长（）、土壤抗蚀性(SRL)等因素的函数。可写成 (8.2)逐网格的栅格数据叠置分析运算如图所示。 坡度图坡长图土壤抗蚀图降雨量图植被覆度图侵蚀量图图8.9 土壤侵蚀多因子函数运算复合分析示意图类似这种分析方法在地学综合分析中具有十分广泛的应用前景。只要得到表达事物关系的各图层间的函数关系式，便可运用以上方法完成各种人工难以完成的极其复杂的分析运算。例如，进行土地评价所涉及的多因素分析中可能包括土壤类型、土壤深度、排水性能、土壤结构以及地貌等各个数据层的信息，如果直接对这些数据层上的属性值进行数学运算，得到的结果可能是毫无意义的，必须将其变成另一基本元素（如用数值量化的土地适用性）后才能进行这种多因素分析的数学运算，其结果对土地评价有着重要的指导意义。8.2 缓冲区分析缓冲区分析是地理信息系统中常用的一种空间分析方法，是对空间特征进行度量的一种重要手段。缓冲区分析是研究根据数据库的点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度范围
