GIS空间分析原理与方法

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1、GISGIS空间分析原理与方法空间分析原理与方法GIS=空间分析+计算机制图+数据库 空间分析空间分析是对分析空间数据有关技术的统称，根据作用的数据性质的不同，可以分为：l基于空间图形数据的分析运算；l基于非空间属性数据的数据运算；l空间和属性数据的联合运算Dr. Xi YantaoCUMTGIS空间数据的分析空间数据的分析 查询检索：拓扑查询，位置查询，属性查询，区域查询 形态分析：面积量算，距离量算，质心计算，周长量算等 地形分析：等值线分析，坡度坡向分析，剖面分析等 叠置分析：视觉信息复合，条件叠置，无条件叠置 邻域分析：缓冲区分析，泰森多边形分析，拟合分析等 网络分析：最短路径分析，空

2、间规划，资源配置 图象分析：图象增强，图象分割，图象细化等 应用模型分析：数学模型，统计模型，逻辑模型，空间决策 支持GISGIS空间分析空间分析 数据变换：数据变换：矢栅转换 图形分析：图形分析：旋转，投影变换、比例尺变换；三维显示 属性分析：属性分析：逻辑/数学运算；重分类 地形分析：地形分析：空间内插分析；坡度坡向分析；地形剖面分析；三维地形显示；流域与分水线分析 影像分析：影像分析：增强分析；分类分析；多元信息叠合分析；滤波分析 拓扑与属性联合分析：拓扑与属性联合分析：网络分析；数据检索；缓冲区分析；叠置分析；开窗分析综合属性数据分析综合属性数据分析 l在GIS空间数据库中，主要存贮了

3、两类数据，即空间数据和非空间属性数据。其中属性数据大多是与空间对象有关的专题统计数据。综合属性数据分析就是针对这类数据进行的，通过对数据的抽样统计、整理、模拟及统计特征分析，来描述和模拟空间现象的过程和规律。分析方法包括数学和逻辑运算，分级分析、相关分析、趋势分析、主成分或主因素分析、聚类分析等统计分析方法。虽然在这些分析过程中，一般不考虑对象的空间位置，但由于属性数据是空间对象的固有特征，仍能反映空间对象的内在规律。分析的对象可能是原始图层的属性数据，也可能是多层要素空间叠置后生成的新的属性数据。分析方法不仅适合于矢量结构的空间实体属性数据表，也适合于栅格结构的栅格单元值 Dr. Xi Ya

4、ntaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 l在GIS空间数据库中，主要存贮了两类数据，即空间数据和非空间属性数据。其中属性数据大多是与空间对象有关的专题统计数据。综合属性数据分析就是针对这类数据进行的，通过对数据的抽样统计、整理、模拟及统计特征分析，来描述和模拟空间现象的过程和规律。分析方法包括数学和逻辑运算，分级分析、相关分析、趋势分析、主成分或主因素分析、聚类分析等统计分析方法。虽然在这些分析过程中，一般不考虑对象的空间位置，但由于属性数据是空间对象的固有特征，仍能反映空间对象的内在规律。分析的对象可能是原始图层的属性数据，也可能是多层要素空间叠置后生成的新的属性数据。分析方法不仅

5、适合于矢量结构的空间实体属性数据表，也适合于栅格结构的栅格单元值 Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 一、数学和逻辑运算（一）数学运算 属性数据中的数值型数据可以进行“加”、“减”、“乘”、“除”、“乘方”等及其组合的数学运算，以产生新的属性值。道路密度=道路总长度/区域面积；人口密度=（男性人口数+女性人口数）地区总面积。 Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 一、数学和逻辑运算（二）逻辑运算 逻辑运算的基本原理是布尔代数，这种逻辑分析几乎可以在所有的空间分析中得到应用。它按属性数据的组合条件来检索其他属性项目或图形数据，以及进行

6、空间聚合或聚类。ABNOTAAANDBAORBAXORBA/B1101100100011101101100010000Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 一、数学和逻辑运算（二）逻辑运算 假设A、B、C分别为具有某些特定属性值的集合。那么，布尔逻辑运算的结果组成了新的属性集合 在利用GIS进行土地规划时，不同图斑具有不同属性，其中A为土层厚度50cm的土壤单元结合；B为土壤类别为红砂壤的单元集合；C为pH值大于7.0所有单元集合，则：AANDB检索出全部土层厚50cm且土壤类别为红砂壤的土壤单元；AORB检索出全部土层厚50cm或者土壤类别为红砂壤的土壤单元；（

7、AANDB）ORC检索出全部满足土层厚50cm且土壤类别为红砂壤这两个条件以及PH值大于7.0的所有土壤单元。Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 一、数学和逻辑运算（二）逻辑运算 假设A、B、C分别为具有某些特定属性值的集合。那么，布尔逻辑运算的结果组成了新的属性集合 布尔逻辑运算表达式除完成检索功能外，还可以进行栅格数据的再分类分析。如当（PH值7.0AND土壤厚度50cm）OR土壤类别=红砂壤时，土壤适宜种茶叶；当（PH值7.0AND土壤厚度50cm）AND土壤类别=红砂壤时，土壤适宜种苹果。 Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分

8、析 二、单变量分级分析l属性的单变量分级分析是把单个属性作为变量，依据布尔逻辑方法构造分级条件表达式，将属性值的变化区间合并为若干个类别。例如，属性表中土壤厚度的取值区间为0.00到1.00m，可用下表中的标准划分为五个类别。 土壤厚度(m)类别代码0.20薄层10.200.40较薄20.400.60中厚30.600.80较厚40.80厚层5这种分析方法，可进行属性数据的合并或转换，把复杂的属性类别合并成简单的类别，以实现空间聚合，减少矢量多边形数目或将变化复杂的栅格数据转换为简单、均匀的数据。Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 三、属性信息的统计分析在大量的空

9、间实体的属性信息中，蕴涵着与实体空间分布、时间变化等相关的规律，通过对这些属性信息进行统计分析来揭示这些规律。（一）常规统计分析 常规统计分析主要完成对同类实体同种属性的平均值、最大值、最小值、总和、标准差、频数、峰度系数等参数的统计计算，以此找到同类实体某种特征的统计特性。Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 三、属性信息的统计分析（二）空间自相关分析 空间自相关分析是认识空间分布特征、选择适宜的空间尺度来完成空间分析的最常用的统计学方法。目前，普遍使用空间自相关系数Moran I指数，其计算公式如下：I的值介于-l与1之间，I1表示空间自正相关，空间实体呈聚合

10、分布；I-l表示空间自负相关，空间实体呈离散分布；I0则表示空间实体是随机分布的。Wij表示实体i与j的空间关系，它通过拓扑关系获得。Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 三、属性信息的统计分析（三）回归分析l回归分析用于分析空间实体的两组属性或多组属性之间的相关关系，常见回归分析方程有线性回归、指数回归、对数回归、多元回归等。Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 三、属性信息的统计分析（四）趋势分析l若实体的属性数据中，存贮了同一变量不同时间的属性值，那么可以使用数学模型来模拟地理特征的空间分布与时间过程，根据空间对象时空分布的实测

11、数据，找出空间对象随时间变化的规律，将未实测时刻的属性内插或预测出来。具体的方法如回归模型、时间序列模型等。 Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 三、属性信息的统计分析（五）专家打分模型l专家打分模型是将相关的影响因素按其相对重要性排队，给出各因素所占的权重值；对每一要素内部作进一步分析，按其内部的分类进行排队，按各类对结果的影响给分，从而得到该要素内各类别对结果的影响量，最后系统进行复合，得出排序结果，以表示对结果影响的优劣程度，作为决策的依据。其数学表达式为：Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 三、属性信息的统计分析（五）专家

12、打分模型专家打分模型可分二步实现。l第一步，打分：用户首先在每个实体的属性表里增加一个数据项，填入专家赋给的相应的分值；l第二步，复合：调用加权复合程序，根据用户对各个实体所给定的权重值进行叠加，得到最后的结果。Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 四、空间信息分类l在GIS空间数据库中存储的数据具有原始的性质，以便用户可以根据不同的使用目的，进行任意提取和分析，特别是对于观测和取样数据，随着采用的分类和内插方法的不同，得到的结果有很大的差异。因此，在大多数情况下，首先是将大量未经分类的属性数据输入信息系统的数据库，然后要求用户建立具体的分类算法，以获得所需要的信

13、息。Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 四、空间信息分类（一）主成分分析l地理问题往往涉及大量相互关联的自然和社会要素，众多的要素经常给分析带来困难，同时也增加了运算的复杂性。主成分分析法通过数理统计分析，将众多要素的信息压缩表达为若干具有代表性的合成变量，以克服变量选取时的冗余和相关。在此基础上，选择信息量最丰富的少数若干因子进行各种聚类分析。Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 四、空间信息分类（一）主成分分析l设有n个样本（实体），m个变量（属性），将原始数据转换为一组新的特征值主成分。主成分是原始变量的线性组合且具有正交特性

14、，即将x1，x2，xm综合为p（pm）个指标z1，z2，zp，使得Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 四、空间信息分类（二）层次分析法 在分析涉及大量相互关联、相互制约的复杂因素时，各因素对问题的分析有着不同程度的重要性。决定它们对目标的重要性序列对问题的分析十分重要。层次分析（AHP）作为系统分析的有效数学工具之一，把相互关联的要素按隶属关系划分成若干层次，请有经验的专家对各层次各因素的相对重要性给出定量指标，利用数学方法综合各专家意见给出各层次各因素的相对重要性的权值，作为综合分析的基础。Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 四

15、、空间信息分类（二）层次分析法l设要比较n个因素y=y1，y2，yn对目标的影响，确定它们在Z中的比重，每次取两个因素yi和yj，用aij表示yi与yj对Z的影响之比，全部比较结果可用矩阵A=(aij)nn表示，A称作对比矩阵，A中的元素应满足：laij0，aji=1/ aij （i，j=1，2，n） Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 四、空间信息分类（二）层次分析法l在旅游问题中，假设某人考虑5个因素：费用y1、景色y2、居住条件y3、饮食条件y4、交通条件y5，经过因素的两两对比，得到了正互反矩阵为： a12=2表示费用y1与景色y2对选择旅游点（目标Z）

16、的重要性之比为2:1；a23=4则表示景色y2与居住条件y3之比为4:1，其它类推。对于正互反矩阵还需求出最大特征值所对应的特征向量，作为进一步分析的权向量。 Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 四、空间信息分类（三）变量聚类分析l所谓变量聚类分析就是一系列样本观测点的属性变量，按其性质上的相似程度进行分类。对不同的要素划分类别往往反映不同目标的等级序列。聚类分析的主要依据是把相似的样本归为一类，而把差异大的样本区分开来。对m个属性变量组成的m维空间，任意两个样本在m维空间的相似性可用相似性系数或变量空间的绝对值距离、马氏距离和欧氏距离等来表示，其中欧氏距离是最

17、直观、最常用的距离形式。 Dr. Xi YantaoCUMT综合属性数据分析综合属性数据分析 四、空间信息分类（三）变量聚类分析l设有n个样本，m个变量，用xik表示第i个样本第k个变量的值，dij表示第i个样本与第j个样本之间的距离，则Dr. Xi YantaoCUMT根据距离，将根据距离，将相似相似的样本的样本归为归为一类，把一类，把差异大差异大的样本的样本区分区分开来。开来。距离距离：表示表示相似程度相似程度，可以欧，可以欧氏距离，绝对值距离、相似系氏距离，绝对值距离、相似系数距离等。数距离等。1 1：东北区：东北区 2 2：内蒙古及长城沿线区：内蒙古及长城沿线区3 3：黄淮海区：黄淮海

18、区 4 4：黄土高原区：黄土高原区 5 5：长江中下游区：长江中下游区 6 6：西南区：西南区 7 7：华南区：华南区 8 8：甘新区：甘新区 9 9：青藏区：青藏区九大农业区聚类分析九大农业区聚类分析3 34 9 2 8 1 5 7 64 9 2 8 1 5 7 6基本思想基本思想：首先是：首先是n n个样本各自成一类，然后计算类与类之间的距离，选择个样本各自成一类，然后计算类与类之间的距离，选择距距离最小离最小的两类的两类合并合并成一个成一个新类新类，计算，计算新类新类与与其它类其它类的距离，再将的距离，再将距离最小距离最小的的两类进行两类进行合并合并，这样每次减少一类，直到达到所需的分类

19、数或所有的样本都，这样每次减少一类，直到达到所需的分类数或所有的样本都归为一类为止。归为一类为止。 Dr. Xi YantaoCUMT栅格数据分析的基本模式栅格数据分析的基本模式 l栅格数据由于其自身数据结构的特点，在数据处理与分析中通常使用线性代数的二维数字矩阵分析法作为数据分析的数学基础。因此，具有自动分析处理较为简单，而且分析处理模式化很强的特征。一般来说，栅格数据的分析处理方法可以概括为聚类聚合分析、多层面复合叠置分析、窗口分析及追踪分析等几种基本的分析模型类型。Dr. Xi YantaoCUMT一、栅格数据的聚类、聚合分析l栅格数据的聚类、聚合分析： 指将一个单一层面的栅格数据系统经

20、某种变换而得到一个具有新含义的栅格数据系统的数据处理过程。也有人将这种分析方法称之为栅格数据的单层面派生处理法。 Dr. Xi YantaoCUMT一、栅格数据的聚类、聚合分析1、聚类分析 栅格数据的聚类是根据设定的聚类条件对原有数据系统进行有选择的信息提取而建立新的栅格数据系统的方法。Dr. Xi YantaoCUMT一、栅格数据的聚类、聚合分析 2、聚合分析 栅格数据的聚合分析是指根据空间分辨力和分类表，进行数据类型的合并或转换以实现空间地域的兼并。 空间聚合的结果往往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。当从地点、地区到大区域的制图综合变换时常需要使用这种分析处

21、理方法。Dr. Xi YantaoCUMT一、栅格数据的聚类、聚合分析 2、聚合分析 栅格数据的聚类聚合分析处理法在数字地形模型及遥感图象处理中的应用是十分普遍的。例如，由数字高程模型转换为数字高程分级模型便是空间数据的聚合，而从遥感数字图象信息中提取其一地物的方法则是栅格数据的聚类。 Dr. Xi YantaoCUMT二、栅格数据的信息复合分析l能够极为便利地进行同地区多层面空间信息的自动复合叠置分析，是栅格数据一个最为突出的优点。正因为如此，栅格数据常被用来进行区域适应性评价、资源开发利用、规划等多因素分析研究工作。在数字遥感图象处理工作中，利用该方法可以实现不同波段遥感信息的自动合成处理

22、；还可以利用不同时间的数据信息进行某类现象动态变化的分析和预测。因此该方法在计算机地学制图与分析中具有重要的意义。信息复合模型(overlay)包括两类，即简单的视觉信息复合和较为复杂的叠加分类模型。Dr. Xi YantaoCUMT二、栅格数据的信息复合分析1、视觉信息复合 视觉信息复合是将不同专题的内容叠加显示在结果图件上，以便系统使用者判断不同专题地理实体的相互空间关系，获得更为丰富的信息。地理信息系统中视觉信息复合包括以下几类：Dr. Xi YantaoCUMT二、栅格数据的信息复合分析1、视觉信息复合l面状图、线状图和点状图之间的复合；l面状图区域边界之间或一个面状图与其他专题区域边

23、界之间的复合；l遥感影像与专题地图的复合；l专题地图与数字高程模型复合显示立体专题图；l遥感影像与DEM复合生成真三维地物景观。 Dr. Xi YantaoCUMT二、栅格数据的信息复合分析2、叠加分类模型 简单视觉信息复合之后，参加复合的平面之间没发生任何逻辑关系，仍保留原来的数据结构；叠加分类模型则根据参加复合的数据平面各类别的空间关系重新划分空间区域，使每个空间区域内各空间点的属性组合一致。叠加结果生成新的数据平面，该平面图形数据记录了重新划分的区域，而属性数据库结构中则包含了原来的几个参加复合的数据平面的属性数据库中所有的数据项。叠加分类模型用于多要素综合分类以划分最小地理景观单元，进

24、一步可进行综合评价以确定各景观单元的等级序列。Dr. Xi YantaoCUMT二、栅格数据的信息复合分析2、叠加分类模型（1）逻辑判断复合法 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。 Dr. Xi YantaoCUMT二、栅格数据的信息复合分析2、叠加分类模型 （2）数学运算复合法 是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:Dr. Xi YantaoCUMT二、栅格数据的信息复合分析2、叠加分类模型 （2）数学运算复合法 1)算术运算 指两层以上的对应网格值经

25、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。Dr. Xi YantaoCUMT二、栅格数据的信息复合分析2、叠加分类模型 （2）数学运算复合法 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。Dr. Xi YantaoCUMT二、栅格数据的信息复合分析2、叠加分类模型 （2）数学运算复合法 2)函数运算 例如利用土壤侵蚀通用方程式计算土壤侵蚀量时，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

26、。一个地区土壤侵蚀量的大小是降雨(R)、植被覆度(C)、坡度(S)、坡长（L）、土壤抗蚀性(SR)等因素的函数。可写成EF(R，C，S，L，SR)Dr. Xi YantaoCUMT二、栅格数据的信息复合分析Dr. Xi YantaoCUMT三、栅格数据的追踪分析 对于特定的栅格数据系统，由某一个或多个起点，按照一定的追踪线索进行追踪目标或者追踪轨迹信息提取的空间分析方法。64710252019168121521253422151117243230272112142531393225147202932332321123202628252016134202323181299417181712832

27、3n n栅格所记录的是地面点栅格所记录的是地面点的海拔高程值，根据地面的海拔高程值，根据地面水流必然向最大坡度方向水流必然向最大坡度方向流动的基本追踪线索，可流动的基本追踪线索，可以得出在以上两个点位地以得出在以上两个点位地面水流的基本轨迹。此外，面水流的基本轨迹。此外，追踪分析法在扫描图件的追踪分析法在扫描图件的矢量化、利用数字高程模矢量化、利用数字高程模型自动提取等高线、污染型自动提取等高线、污染源的追踪分析等方面都发源的追踪分析等方面都发挥着十分重要的作用。挥着十分重要的作用。 Dr. Xi YantaoCUMT四、栅格数据的窗口分析l地学信息除了在不同层面的因素之间存在着一定的制约关系

28、之外,还表现在空间上存在着一定的关联性。对于栅格数据所描述的某项地学要素，其中的(I，J)栅格往往会影响其周围栅格的属性特征。准确而有效地反映这种事物空间上联系的特点，也必然是计算机地学分析的重要任务。窗口分析是指对于栅格数据系统中的一个、多个栅格点或全部数据，开辟一个有固定分析半径的分析窗口，并在该窗口内进行诸如极值、均值等一系列统计计算，或与其它层面的信息进行必要的复合分析，从而实现栅格数据有效的水平方向扩展分析。 Dr. Xi YantaoCUMT四、栅格数据的窗口分析1 分析窗口的类型 按照分析窗口的形状，可以将分析窗口划分为以下类型：(1)矩形窗口：是以目标栅格为中心，分别向周围八个

29、方向扩展一层或多层栅格。(2)圆型窗口：是以目标栅格为中心，向周围作一等距离搜索区，构成一圆型分析窗口。(3)环型窗口：是以目标栅格为中心，按指定的内外半径构成环型分析窗口。(4)扇型窗口：是以目标栅格为起点，按指定的起始与终止角度构成扇型分析窗口。 Dr. Xi YantaoCUMT四、栅格数据的窗口分析2 窗口内统计分析的类型 栅格分析窗口内的空间数据的统计分析类型一般有以下几种类型： （1）Mean； (2)Maximum; (3) Minimum （4）Median; （5）Sum; （6）Range； （7）Majority； （8）Minority； （9）VarietyDr. X

30、i YantaoCUMT栅格主题的裁剪 l对一幅范围比较大的栅格主题，如果只需要其中的一部分，可以通过裁剪的方法来完成。裁剪框的形状不同，可以有不同的裁剪方法。 Dr. Xi YantaoCUMT矩形裁剪矩形裁剪l点击【View】下的【New Theme】 命令，选择建立一个Polygon主题A；l点击绘制矩形的工具按钮，用鼠标绘制要裁剪的矩形，则形成一个包含有一个矩形的多边形主题； l点击【Analysis】下的【Properties】，输入分析范围为“Same as A”， 栅格单元的大小为“Same as 栅格主题 ”。同样，也需要对分析范围的Left、 Right、Bottom、Top

31、值进行修正（舍去小数位），把其改为分析栅格单元尺寸的整数倍。l点击【Analysis】下的【Map Calculator】命令，公式为“栅格主题*1”，则可得到裁剪后的新的栅格主题。 Dr. Xi YantaoCUMT任意多边形裁剪l1、 点击【View】下的【New Theme】 命令，选择建立一个Polygon主题A；l2、 激活多边形主题A，点击绘制多边形的工具按钮，用鼠标绘制一个要裁剪的多边形，单击增加多边形的节点，双击则结束绘制多边形。点击打开表的按钮或点击【Theme】下的【Table】 命令，把这个多边形的ID值设为1；l如果在其它主题中已经有绘制好的边界，则只需激活边界所在的主

32、题，选择边界所在的多边形，点击【Edit】下的【Copy Features】 命令。重新激活多边形主题A，选择【Edit】下的【Paste】（粘贴）命令，也可完成主题A中裁剪框的生成。同样，进行表编辑，把这个多边形的ID改为1；Dr. Xi YantaoCUMTl3、点击【Analysis】下的【Properties】，输入分析范围为“Same as A”， 栅格单元的大小为“Same as 栅格主题 ”。同样，也对分析范围的Left、 Right、Bottom、Top值进行修正，把其改为分析栅格单元尺寸的整数倍。l4、选择【Theme】下的【Convert to Grid】 命令，把多边形主

33、题A转为栅格数据。在转换的过程中，需要确定生成的栅格主题所在的路径和文件名（在此文件名记为B），选择ID字段作为栅格单元的值。l5、点击【Analysis】下的【Map Calculator】命令，公式为“栅格主题* B”，则可得到裁剪后的新的栅格主题，编辑新主题的图例，把No Data的颜色设为白色。Dr. Xi YantaoCUMT5.2 空间查询与量算空间查询与量算 5.2.1 空间查询空间查询图形与属性互查： 属性查图形：属性查询，对应指向图形 属性比较ID号对应实体 图形查属性：检索被选实体，查询实体属性 如何捕捉如何捕捉(Snap)被查询的实体被查询的实体? 点的捕捉 线的捕捉 面

34、的捕捉Dr. Xi YantaoCUMT一、几何参数查询一、几何参数查询 点的位置坐标 两点的距离 线目标的长度 面状目标的周长或面积Dr. Xi YantaoCUMT 形状查询Dr. Xi YantaoCUMTGIS空间查询的形式空间查询的形式 扩展关系数据库的查询语言 可视化空间查询 超文本查询 自然语言空间查询Dr. Xi YantaoCUMT二、空间定位查询二、空间定位查询给定一个点或一个几何图形，检索出该图形范围内的空间对象以及相应的属性 按点查询 按矩形查询 按圆查询 按多边形查询Dr. Xi YantaoCUMT三、空间关系查询三、空间关系查询 邻接查询：多边形邻接查询；线与线邻

35、接查询 包含关系查询 穿越查询 落入查询 缓冲区查询注意：与拓扑关系结合Dr. Xi YantaoCUMTDr. Xi YantaoCUMTDr. Xi YantaoCUMT四、四、SQL与扩展与扩展SQL查询查询SQL查询：查询： 由属性查找相应的图形Select 需显示的属性项From 属性表Where 条件 or 条件 and 条件Dr. Xi YantaoCUMT扩展的扩展的SQL查询：查询：将SQL的属性查询和空间关系的图形条件组合在一起进行查询如：查询三峡地区长江流域人口大于50万的县或市 Select * From 县或市 Where 县或市.人口50万 And Cross(河流

36、.名称=“长江”)空间关系谓词：相邻：Adjacent；包含：Contain; 穿过：Cross; 在之内：Inside； 缓冲区：BufferDr. Xi YantaoCUMT5.2.2 空间量算空间量算一、几何量算一、几何量算1 线的长度线的长度矢量数据结构中：栅格数据结构中： 长度地物骨架线穿过的格网数目Dr. Xi YantaoCUMT2 面状目标的面积面状目标的面积Dr. Xi YantaoCUMT二、形状量算二、形状量算形状系数r P：地物周长；A：面积 r1为膨胀型Dr. Xi YantaoCUMT三、质心量算三、质心量算Dr. Xi YantaoCUMT四、距离量算四、距离量算

37、欧氏距离：计算两点的直线距离非欧式距离（两点之间存在障碍或阻力）曼哈顿距离：k = 1时Dr. Xi YantaoCUMT5.3 缓冲区（缓冲区（Buffer）分析分析一、定义一、定义缓冲区缓冲区：地理空间目标的一种影响范围或服务范围。从数学角度看：即给定一个空间对象或集合，确定它们的邻域，邻域的大小由邻域半径R决定。 对象Oi的缓冲区定义为：Bi=x: d(x, Oi)R对象集合 O=Oi : i=1, 2, , n 的缓冲区Dr. Xi YantaoCUMTGISGISDr. Xi YantaoCUMTDr. Xi YantaoCUMTDr. Xi YantaoCUMT二、建立方法二、建立

38、方法点缓冲区就是以点为圆心，按给定缓冲距为半径生成的圆 线是一系列点构成的，它的缓冲区实际上是任一端点生成的缓冲区沿该线滚动所形成的轨迹 面缓冲区是沿其边沿线建立的，但面缓冲区有内缓冲区和外缓冲区之分 Dr. Xi YantaoCUMT建立方法步骤建立方法步骤Dr. Xi YantaoCUMT1 角分线法角分线法算法：在轴线首尾点处，作轴线的垂线并按缓冲区半径R截出左右边线的起止点；在轴线的其他转折点上，用与该线所关联的前后两邻边距轴线的距离为R的两平行线的交点来生成缓冲区对应顶点Dr. Xi YantaoCUMT2 凸角圆弧法凸角圆弧法算法：在轴线首尾点处，作轴线的垂线并按缓冲区半径R截出左

39、右边线的起止点；在轴线的其他转折点上，首先判断该点的凸凹性，在凸侧用圆弧弥合，在凹侧则用前后两邻边平行线的交点生成对应顶点。Dr. Xi YantaoCUMT3 几种特殊情况几种特殊情况（1）缓冲区发生重叠时的处理Dr. Xi YantaoCUMTDr. Xi YantaoCUMT（2）特征要求缓冲区宽度不同时的处理Dr. Xi YantaoCUMT（3）复杂图形缓冲区的内外标识 Dr. Xi YantaoCUMT（4）多级缓冲区Dr. Xi YantaoCUMTDr. Xi YantaoCUMT三、应用三、应用1 确定拆迁区范围及区内建筑物状况2 确定商业或服务中心的影响范围3 预测灾害影响

40、面积与损失评估4 特殊保护区域的确定5 环境污染源的污染空间确定6 环境监测点的控制范围7 微波接收站的影响与作用范围Dr. Xi YantaoCUMT 5.4 空间叠置（叠加空间叠置（叠加,Overlaying）分分析析一、定义一、定义将同一地区、同一比例尺的两幅或两幅以上的图层重叠在一起，产生新的空间图形或空间位置上新的属性。或：叠加分析叠加分析是将有关主题层组成的数据层面，进行叠加产生一个新数据层面的操作，其结果综合了原来两层或多层要素所具有的属性。它包含了空间关系的比较和属性关系的比较。叠置后新的属性是原图形相应位置属性的函数： U = f (A, B, C，)Dr. Xi Yanta

41、oCUMTDr. Xi YantaoCUMTDr. Xi YantaoCUMT叠加分析不仅包含空间关系的比较，还包含属性关系的比较，它可以分为以下五类： 视觉信息的叠加：视觉信息的叠加：将多个图层内容放在一起进行显示 点与多边形的叠加：点与多边形的叠加：实质上是计算多边形对点的包含关系，用于统计或属性赋值。 线与多边形的叠加：线与多边形的叠加：主要用于计算线落在哪些多边形中以及各自的部分。 多边形叠加：多边形叠加：最常用的叠加分析。 栅格图层叠加：栅格图层叠加：利用某种计算模型对不同栅格图层中相同位置像元值进行计算，得到新的栅格图层。Dr. Xi YantaoCUMT二、矢量数据的叠置分析及其

42、应用二、矢量数据的叠置分析及其应用（一）包含分析基本方法：基本方法：将点、线要素数字化后，经处理形成具有拓扑结构的相应图层，然后和已存放在系统中的多边形进行点与面、线与面的叠加；最后对各个多边形或区域进行这些点或线段的自动计数或归属判别。Dr. Xi YantaoCUMT 点与面之间的包含分析(point-in-polygon) Dr. Xi YantaoCUMT 线与面之间的包含分析(line-in-polygon) 先进行线与多边形边界的求交，并将线进行切割Dr. Xi YantaoCUMT（二）多边形叠置(overlay)Polygon-on-polygon对两层多边形的边界全部进行边界

43、求交和切割，然后根据切割弧段重建拓扑关系。本底多边形上覆多边形叠置多边形Dr. Xi YantaoCUMT多边形叠置过程可分为几何求交过程和属性多边形叠置过程可分为几何求交过程和属性分配过程两步分配过程两步 几何求交过程首先求出所有多边形边界线的交点，再根据这些交点重新进行多边形拓扑运算，对新生成的拓扑多边形图层的每个对象赋予多边形唯一标识码 再生成一个与新多边形对象一一对应的属性表。 Dr. Xi YantaoCUMTDr. Xi YantaoCUMTDr. Xi YantaoCUMTDr. Xi YantaoCUMT交并差分割Dr. Xi YantaoCUMTDr. Xi YantaoCU

44、MTDr. Xi YantaoCUMTAB123451B2B1A2A4A3A5B3B4B降雨量土壤类型适宜农作物Dr. Xi YantaoCUMT三、栅格数据的叠置分析及其应用三、栅格数据的叠置分析及其应用 基于常数对数据层面进行的代数运算； 基于数学变换对数据层面进行的数学变换； 多个数据层面的代数运算和逻辑运算从运算函数的角度看： 点变换函数 区域变换函数 邻域变换函数Dr. Xi YantaoCUMT基于栅格叠置的作用：基于栅格叠置的作用：类型重叠 数量统计 动态分析 益本分析 几何提取 多因素综合评价 多层数据运算分析 单层数据变换Dr. Xi YantaoCUMT 栅格数据叠置在方法

45、上比矢量多边 形叠置简单，但由于其数据量大，因此关键在于提高运算速度直接在原始数据上进行叠加分析在压缩后的数据上进行叠加分析（行程编码，四叉树编码）Dr. Xi YantaoCUMTDr. Xi YantaoCUMT5.5 网络分析网络分析一、定义与基本概念一、定义与基本概念网络：网络：一系列相互连接的弧段，形成物质、信息流通的通道。如：道路，管线Dr. Xi YantaoCUMTArcView网络分析扩展模块网络分析扩展模块Network Analyst主要有主要有以下三种主要功能：以下三种主要功能：l寻找最佳行进路线，寻找最佳行进路线，如：找出两地通达的最佳路径。如：找出两地通达的最佳路径

46、。l确定最近的公共设施，确定最近的公共设施，如：引导最近的救护车到事如：引导最近的救护车到事故地点。故地点。l创建服务区域，创建服务区域，如：确定某配送中心的服务区域，如：确定某配送中心的服务区域，从而查明区域内的顾客数等等。从而查明区域内的顾客数等等。Dr. Xi YantaoCUMT网络分析主要内容网络分析主要内容l具有网络结构的线要素专题l生成最佳路径l行进方向 l确定/定位 最近的服务设施l服务区Dr. Xi YantaoCUMTl名词：网络是线要素图层，具有拓扑属性和用于对象流(如交通)的适当属性。l网络的几何形状可被数字化或由现有数据源导入。但一个网络必须具有实际应用的适当属性。l

47、因为许多网络应用都涉及道路系统，下面集中讨论道路网络的要素和属性数据，包括赋予网络链接、转弯、单行道、天桥和地下通道的阻抗值。Dr. Xi YantaoCUMTl具有网络结构的线要素专题: 矢量数据基于普通的线要素矢量图层方向性明确必须具有连通性Dr. Xi YantaoCUMT名词：链路阻抗l链路是指在道路网络中由两个节点定义的一条线段。链路阻抗是经过一条链路的成本。简单衡量成本的方法是测量链路的实际长度，但实际长度并不是真正的成本测度，特别在城市中不同街道的时速限制和交通状况有显著差异。链路阻抗的较好测度是由长度和链路的时速限制来估算的行进时间。例如，如果时速限制为30km/h且长度为2k

48、m，那么该链路的行进时间为4min(即2/30*60min)l测量链路的行进时间的方法有多种多样。行进时间有方向性的，即在一个方向的行进时间可能不同与其他方向的。这样，行进时间取决于弧段的方向，往与返要分开输入。另外，在一周中的不同日期和一天中的不同时段，行进时间也可能不同。这就要求对不同的应用建立不同的网络属性数据。Dr. Xi YantaoCUMTl具有网络结构的线要素专题：属性结构为了进行网络分析，必须具备特定的属性字段“开销Cost”字段决定路线行进的成本 。开销字段可以指定为 线段长度, 行程所需时间, 或任何被支持的用户定义的阻抗字段 路径和环路 由行动的阻抗成本决定Dr. Xi

49、YantaoCUMTl具有网络结构的线要素专题：开销字段 cost开销单位开销单位字段名称字段名称secondsSECONDSminutesMINUTES DRIVETIME IMPEDANCETRAVELTIMEhoursHOURSmillimetersMILLIMETERScentimetersCENTIMETERSmetersMETERSkilometersKILOMETERSinchesINCHESyardsYARDSfeetFEETmilesMILESnautical milesNAUTICALMILESnon-time/non-distance units, such as mon

50、etary unitsCOST or UNITS支持的开销属性和字段名称：Dr. Xi YantaoCUMTl具有网络结构的线要素专题: 属性值为网络分析功能进行属性编码“开销Cost” 字段 决定行进阻抗。通常包含有地址定位所需的地理编码属性必须编辑每个弧段的属性值.Dr. Xi YantaoCUMT名词：转弯阻抗l转弯是网络中一个弧段到另一个弧段的过渡。转弯阻抗是完成转弯所需的时间。这在拥挤的街道网络中是很有意义的（Ziliaskopoulos等1996)。因为网络通常有许多不同情况的转弯，所以转弯表可用来赋予转弯阻抗值。一个转弯表有三个项目：交叉的节点数、转弯涉及的弧段数和转弯阻抗值。l

51、转弯表必须用弧段数列出每个十字路口所有可能的转弯。司机在街道十字路口通常有三种选择：直行、右转和左转。有时还有第四个选择即完成一个U形转弯。假如一个十字路口涉及四个街道分段（如同大多数交叉路口），就意味着在这里除U形转弯外至少有12种可能的转弯。（图16.1)。l在充分考虑各种实际情况时，GIS未必需要在转弯表中包括所有的十字路口和所有可能的转弯。对于网络应用，一般在转弯表中只列出十字路口的停车灯即够了。l转弯阻抗通常是有方向性的。例如，在停车灯外，直行可能要等5S，右转要等10S，左转要等30S。转弯的负阻抗值意为禁止转弯，比如，误行到单行道上。Dr. Xi YantaoCUMTl具有网络结

52、构的线要素专题需要编辑的每个弧段的属性值：如果需要考虑转弯阻抗建立网络转弯表Dr. Xi YantaoCUMTl具有网络结构的线要素专题: 属性编辑需要编辑的每个弧段的属性值：行进开销 (1个或多个字段)单行道天桥和地下通道 封闭的道路/断头路单行道或封禁的街道可以用字段标示在网络属性表中。字段值可显示单行道的交通方向，如FT表示允许从弧段的始节点到终节点。TF表示允许从弧段的终节点到始节点，而N表示在任何方向都不能通行。Dr. Xi YantaoCUMT天桥和地下通道l在网络中有两种方法来表示天桥和地下通道。1.第一种方法是用非平面的要素：天桥和其下的道路在它们的交叉处都表示无节点的连续路径

53、(图162)。2.第二种方法是把天桥和地下通道视为平面要素：如果代表天桥的两条弧段相交于一个节点，那么代表天桥下面的街道的两条弧段就相交于另一节点(图163)。给弧段指派一个高程项：给弧段指派一个高程项：T-E1evT-E1ev表示进入十字路口表示进入十字路口的弧段的海拔，的弧段的海拔，F-E1evF-E1ev表表示离开十字路口的弧段的示离开十字路口的弧段的海拔。海拔。为了区分天桥与街道，可为了区分天桥与街道，可以赋予天桥的节点以赋予天桥的节点(1)(1)比比街道的节点街道的节点(0)(0)更高的高更高的高程值。程值。Dr. Xi YantaoCUMTl具有网络结构的线要素专题: 转弯表如果要

54、考虑到转弯阻抗生成结点编号 (可通过软件自动完成)Use sample scripts to copy node numbers to arcs为每个节点创建转弯表，转弯表中包含如下字段NODE# 节点编号ARC1# and ARC2# (from and to arc ID numbers) 相邻弧段编号Supported Cost field 开销字段Prohibited turns 禁止转弯Dr. Xi YantaoCUMTl生成最佳路径: 数据准备具有网络结构的线要素图层停靠点图层Dr. Xi YantaoCUMTl生成最佳路径: 定义问题从点要素主题中选择停靠点专题转回到出发点删除不

55、需要的停靠点修改停靠顺序或进行优化 解决问题Dr. Xi YantaoCUMTl生成最佳路径: 解决的问题路径总开销和 累进开销计算生成新的图层表示找到的最佳路径Dr. Xi YantaoCUMTl行进方向Dr. Xi YantaoCUMTl行进方向Dr. Xi YantaoCUMTl确定/定位 最近的服务设施根据两点间的空间关系来确定沿道路网络从一点到另一点的路径与要停靠多个站点的最佳路径不同 “最近” 服务设施实际表示 “最低开销” 的设施开销是由用户指定的Dr. Xi YantaoCUMTl确定/定位 最近的服务设施：定义问题事件（点要素）服务设施（点要素）解决问题设置行进方向修改属性

56、(e.g., 指定开销字段)到每个服务设施的开销Dr. Xi YantaoCUMTl确定/定位 最近的服务设施：已解决的问题新图层事件最近设施及行进成本Dr. Xi YantaoCUMTl确定/定位 最近的服务设施：行进方向Dr. Xi YantaoCUMTl服务区: 定义问题从点要素图层中选择服务设施主题解决问题创建紧凑服务区定义行进方向修改属性 (定义开销)Dr. Xi YantaoCUMTl服务区: 已解决的问题5分钟服务区10分钟服务区新建图层Dr. Xi YantaoCUMT网络的基本要素：网络的基本要素： 结点 链 转弯 停靠点 中心 障碍阻碍强度资源需求量资源容量Dr. Xi Y

57、antaoCUMTDr. Xi YantaoCUMTGISGIS二、网络的应用二、网络的应用 路径分析 最佳布局中心位置 资源分配 连通分析 流分析Dr. Xi YantaoCUMT二、网络的应用二、网络的应用 路径分析 最佳布局中心位置 资源分配 连通分析 流分析Dr. Xi YantaoCUMTGIS三、最佳路径选取三、最佳路径选取IMPED = min IMPEDi(P1,P2)GIS 引入辅助向量Dist（i）表示从起始点到每个终点Vi的最优路径，V表示结点的集合。算法过程：1）假定起始点在有向图中序号为i0，并设Dist（i）初始值为Cost(i0,j），i=1,2n。令S为已经搜索

58、到的从起点出发的最优路径的终点的集合。Dr. Xi YantaoCUMT 2） 选 择 Vj， 使 得 Dist(j)=minDist(i)， 其 中ViV-S。Vj就是当前一条从Vi0出发的最优路径的终点，并令S=SVj。Dr. Xi YantaoCUMT3）修改从Vi0出发到集合V-S中任意一结点Vk的最优路径的累计阻碍强度。若Dist(j)Cost(j,k)Dist(k)，则修改Dist(k)= Dist(j)Cost(j,k)。4）重复第2、3步骤共n-1次，由此求得从Vi0出发的到各个结点的最优路径是按累计阻碍强度递增的序列。Dr. Xi YantaoCUMTGIS终点从v0到其他各

59、个节点的最短距离V1V210V0,v2V360V0,v2,v350V0,v4,v3V430V0,v430V0,v4V5100V0,v5100V0,v590V0,v4,v560V0,v4,v3,v5vjv2v4v3Dr. Xi YantaoCUMT四、最佳布局中心选择四、最佳布局中心选择目的：目的：把所有链弧都分配到某一中心，并把中心的资源分配给这些链弧以满足其需求Dr. Xi YantaoCUMT五、资源分配问题五、资源分配问题定位：已知需求源的分布，确定最合适的供应点布 设位置分配：确定需求源分别受哪个供应点服务项目Dr. Xi YantaoCUMT六、网络分配实例六、网络分配实例目标：校址

60、选择数据：学生从住址到旧校址的时间输入数据库 该市街道网络模型，道路上标注时间坐标配准：家庭住址，旧校址，新校址，网络 统计数据作为网络要素的属性结果：校区合理选址Dr. Xi YantaoCUMTGIS应用分析：应用分析： 空间建模与辅助决策空间建模与辅助决策q 一般步骤一般步骤 确定目标和评价准则 准备分析数据 建立模型 寻求手段 结果评价q 应用 最佳路径、选址、定位分析、资源分配等Dr. Xi YantaoCUMT实例分析实例分析 （1）n问题背景n为了在某地建立一森林公园旅游点，需参考一定的旅游条件，假设该旅游点须满足距公路、铁路0.5km以外10km以内，非市区，有林地，要求在行政

61、区划图上选出该旅游点位置，并注明面积大小。n数据源n公路及铁路分布图；n森林分布及权属图；n城镇行政区划图；Dr. Xi YantaoCUMTn所涉及的GIS功能n属性重分类；n面状边界消除与合并；n缓冲区生成；n拓扑叠加；n面积量测；n绘图输出；n生成报表实例分析实例分析 （1）Dr. Xi YantaoCUMT实例分析实例分析 （1）n具体步骤(1)将森林分布图分成林地及非林地两类；(2)消除同一属性值为林地或非林地的相邻多边形的边界并加以合并；(3)将所有公路和铁路周围生成0.5km宽的缓冲区；(4)将所有公路和铁路周围生成10km宽的缓冲区；(5)拓扑叠加(2)、(3)、(4)三步生成

62、的图层，生成具有下述属性的多边形n林地、非林地；n0.5km内区域；n 0.5-10km区域；n 10km外区域；Dr. Xi YantaoCUMT实例分析实例分析 （1）n具体步骤(6)将城镇行政区划图重新分类，生成市区、非市区两类；(7)拓扑叠加(5)、(6)生成的图层，得到n非林地；n林地且市区；n林地、非市区、距道路0.5km内；n林地、非市区、距道路0.5km外10km内；n林地、非市区、距道路10km外n(8)依约束条件，提取第4类多边形，并计算其面积；(9)与行政区划图叠加，打印输出结果；Dr. Xi YantaoCUMT实例分析实例分析 （2）n道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算

63、 n所解决的问题及约束条件n计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑面积和房产价值 ；n道路拓宽改建的标准是： n道路从原有的20米拓宽到60米 ；n拓宽道路应尽量保持直线 ；n部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除 ；n所需资料n现状道路图； n区域内建筑物分布图； Dr. Xi YantaoCUMT实例分析实例分析 （2）n空间操作 n选择拟拓宽的道路，根据拓宽半径，建立道路的缓冲区；n将缓冲区图与建筑物分布图进行拓扑叠加，此图包括所有部分或全部位于拓宽区内的建筑物信息；n统计分析 n选择落入拆迁区内的楼层高为10层以上的建筑物，将其排除掉，其余为拆迁建筑物 ；n对所需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算

64、，包括建筑物面积、房产价值。Dr. Xi YantaoCUMT实例分析实例分析 （3）n辅助建设项目选址 n需解决的问题和约束条件 n需解决的问题：n确定一些具体的地块，作为一个轻度污染工厂的可能建设位置n约束条件：(1)地块建设用地面积不小于10000m2(2)地块的地价不超过1万元/m2(3)地块周围不能有幼儿园、学校等公共设施Dr. Xi YantaoCUMT实例分析实例分析 （3）n所需数据 n全市所有地块信息的数据层n全市公共设施的分布图n空间分析 n从地块图中选取所有满足条件(1)(2)的地块n与公共设施层数据进行拓扑叠加n对叠加的结果进行邻域分析和特征提取，选择出满足要求的地块n将选择的地块及相关信息以地图和表格形式打印输出 Dr. Xi YantaoCUMT重点：重点：常用空间量算与空间查询方法的编程实现原理 缓冲区分析、叠置分析、网络分析的基本概念、方法与适用情况作业：作业：1 根据缓冲区分析、叠置分析、网络分析的特点与适用情况，分别提出若干可以解决的问题2 对在实现各种空间分析中矢量和栅格数据结构的实现方法与优缺点进行比较Dr. Xi YantaoCUMT