空间分析的原理和方法课件

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1、第五章 空间分析的原理和方法第一节第一节 数字地面模型分析数字地面模型分析第二节第二节 空间叠合分析空间叠合分析第三节第三节 空间缓冲区分析空间缓冲区分析第四节第四节 空间网络分析空间网络分析第五节第五节 空间统计分析空间统计分析第六节第六节 空间数据的集合分析和查询空间数据的集合分析和查询 空间分析是空间分析是GISGIS系统的重要功能之一系统的重要功能之一, ,是是GISGIS系统与计算机辅助绘图系统的主要区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置有关的数据，这些数据包括空间坐标和专业属性两部分

2、。其中空间坐标用于和专业属性两部分。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。则是实体某一方面的性质。第五章第五章 空间分析的原理和方法空间分析的原理和方法一、空间分析的意义一、空间分析的意义 是地理信息系统的重要组成部分，也是区别于其它类型系是地理信息系统的重要组成部分，也是区别于其它类型系统的一个最主要的功能特性。统的一个最主要的功能特性。二、空间分析的目的：在于通过对空间数据的深加工或分析，二、空间分析的目的：在于通过对空间数据的深加工或分析，获取新的信息。获取新的信息。三、空间分析：是基于空间数据的分析技术，以地学原理为

3、依三、空间分析：是基于空间数据的分析技术，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现象的空间托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理现象的空间位置、空间分布、空间形态、空间形成、空间演变等信息。位置、空间分布、空间形态、空间形成、空间演变等信息。四、空间分析类型：四、空间分析类型：1. 1. 产生式分析：产生式分析：如如数字地面模型分析、空间叠合分析、缓冲区数字地面模型分析、空间叠合分析、缓冲区数字地面模型分析、空间叠合分析、缓冲区数字地面模型分析、空间叠合分析、缓冲区分析、空间网络分析、空间统计分析；分析、空间网络分析、空间统计分析；分析、空间网络分析、空间统计分析；分析、

4、空间网络分析、空间统计分析； 2. 2. 咨询式分析：如空间集合分析，空间数据查询等。咨询式分析：如空间集合分析，空间数据查询等。第一节第一节 数字地面模型分析数字地面模型分析一、一、DTMDTM与与DEMDEM1. DTM1. DTM：数字地面模型，是定义于二维区域上的一个有限：数字地面模型，是定义于二维区域上的一个有限项的向量序列，以离散的平面点来模拟连续分布的地形。项的向量序列，以离散的平面点来模拟连续分布的地形。2. DEM2. DEM：数字高程模型，是高程关于平面坐标自变量的连：数字高程模型，是高程关于平面坐标自变量的连续函数的一个有限的离散表示。又叫地形模型。续函数的一个有限的离散

5、表示。又叫地形模型。DTM=DTM=Z Zi,ji,j i=1,2,3,m-1,m i=1,2,3,m-1,m；j=1,2,3,n-1,nj=1,2,3,n-1,n二、二、DEMDEM的主要表示模型的主要表示模型1. 1. 规则格网模型规则格网模型2. 2. 等高线模型等高线模型3. 3. 不规则三角网模型（不规则三角网模型（TINTIN）4. 4. 层次模型层次模型三、三、DEMDEM的建立的建立数字地形模型数字地形模型DTMDTM和和DEM DEM 数字地形模型数字地形模型(Digital Terrain (Digital Terrain Model,DTMModel,DTM) )是在空是

6、在空间数据库中存储并管理的空间地形数据集合的统间数据库中存储并管理的空间地形数据集合的统称。是带有空间位置特征和地形属性特征的数字称。是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。是建立不同层次的资源与环境信息系统不描述。是建立不同层次的资源与环境信息系统不可缺少的组成部分。可缺少的组成部分。地表属性的三维特征，诸如高度、坡度、坡向等重地表属性的三维特征，诸如高度、坡度、坡向等重要的地貌要素，是地学分析和生产应用中的基础要的地貌要素，是地学分析和生产应用中的基础数据，它们可以广泛地应用在多种领域，如农、数据，它们可以广泛地应用在多种领域，如农、林、牧、水利、交通、军事领域等。具体地说象林、牧、水

7、利、交通、军事领域等。具体地说象公路、铁路、输电线的选线、水利工程的选址、公路、铁路、输电线的选线、水利工程的选址、军事制高点的地形选择、土壤侵蚀、土地类型的军事制高点的地形选择、土壤侵蚀、土地类型的分析等；也可应用于测绘、制图、遥感等领域。分析等；也可应用于测绘、制图、遥感等领域。DTMDTM的生成已成为的生成已成为GISGIS的研究课题之一。的研究课题之一。DTMDTM中属性为高程的要素叫数字高程模型中属性为高程的要素叫数字高程模型(Digital (Digital Elevation ModelElevation Model，简称，简称DEM)DEM)。高程是地理空间的。高程是地理空间的

8、第三维坐标，第三维坐标，DEMDEM是地表单元上的高程集合，通常是地表单元上的高程集合，通常用矩阵表示，广义的用矩阵表示，广义的DEMDEM可包括等高线、三角网等，可包括等高线、三角网等，这里特指由地表网格单元构成的高程矩阵。这里特指由地表网格单元构成的高程矩阵。DEMDEM是是建立建立DTMDTM的的“基础数据基础数据”或称为单要素图，其它要或称为单要素图，其它要素均可以从素均可以从DEMDEM数据直接或间接导出，因此称为数据直接或间接导出，因此称为“派生数据派生数据”，如：平均高程、坡度、坡向等仍是系统数据库中，如：平均高程、坡度、坡向等仍是系统数据库中存储的一个层面或基本图件。这些层面都

9、是位置配存储的一个层面或基本图件。这些层面都是位置配准的，将它们与其它属性的层面叠置，可以完成多准的，将它们与其它属性的层面叠置，可以完成多种资源与环境分析。种资源与环境分析。对于对于DTMDTM，只输入和存储数字高程模型，只输入和存储数字高程模型DEMDEM，并保证其，并保证其精度符合要求，其它派生要素在需要的时候通过计精度符合要求，其它派生要素在需要的时候通过计算得到且精度就可以得到保证。算得到且精度就可以得到保证。DEMDEM的表示方法的表示方法某地区地表高程的变化可用多种方法模拟。用数学某地区地表高程的变化可用多种方法模拟。用数学定义的表面或点、线影像都可用来表示定义的表面或点、线影像

10、都可用来表示DEMDEM。 数学分块法数学分块法数学方法拟合表面时需依靠连续的三维函数，连续数学方法拟合表面时需依靠连续的三维函数，连续的三维函数能以高平滑度表示复杂表面。局部的三维函数能以高平滑度表示复杂表面。局部拟合法是将复杂表面分成正方形像元，或面积拟合法是将复杂表面分成正方形像元，或面积大致相同的不规则形状小块，根据有限个离散大致相同的不规则形状小块，根据有限个离散点的高程，可得到拟合的点的高程，可得到拟合的DEMDEM。 图形法图形法 线模式：表示地形的最普通线模式是一系列描述线模式：表示地形的最普通线模式是一系列描述高程曲线的等高线。地图（有等高线）便是数高程曲线的等高线。地图（有

11、等高线）便是数字地面模型的现成数据源，用扫描仪在这些图字地面模型的现成数据源，用扫描仪在这些图上自动获取上自动获取DEMDEM数据方面已做了许多工作。数据方面已做了许多工作。另外是根据各局部等值线上的高程点，通过插另外是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，得到值公式计算各点的高程，得到DEMDEM。点模式点模式：人工网格法人工网格法：将地形图蒙上格网，逐格读取中心将地形图蒙上格网，逐格读取中心或角点的高程值，构成数字高程模型。由于计算或角点的高程值，构成数字高程模型。由于计算机中矩阵的处理比较方便，特别是以网格为基础机中矩阵的处理比较方便，特别是以网格为基础的地理信息系统中

12、高程矩阵已成为的地理信息系统中高程矩阵已成为DEMDEM最通用的最通用的形式。形式。网格法的缺点，即：网格法的缺点，即：地形简单的地区存在大量地形简单的地区存在大量冗余数据；冗余数据；如果不改变网格大小，无法适用地如果不改变网格大小，无法适用地形复杂程度不同的地区。形复杂程度不同的地区。立体像对分析：先进采样法立体像对分析：先进采样法(Progressive (Progressive Sampling)(Sampling)(消除冗余数据问题）就是通过遥感立消除冗余数据问题）就是通过遥感立体像对，根据视差模型，自动选配左右影像的同体像对，根据视差模型，自动选配左右影像的同名点，建立数字高程模型。

13、在产生名点，建立数字高程模型。在产生DEMDEM数据时，数据时，地形变化复杂的地区，增加网格数量地形变化复杂的地区，增加网格数量( (提高分辨提高分辨率率) )，而在地形起伏不大的地区，则减少网格数，而在地形起伏不大的地区，则减少网格数量量( (降低分辨率降低分辨率) )。不规则三角网方法不规则三角网方法(TIN)(TIN)：对有限个离散点，每三：对有限个离散点，每三个最邻近点联结成三角形，每个三角形代表一个局个最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，可计算各网格点高部平面，再根据每个平面方程，可计算各网格点高程，生成程，生成DEMDEM。不规则三角网是产生不规则

14、三角网是产生DEMDEM数据而设计的采样系统。数据而设计的采样系统。该该DEMDEM系统克服了高程矩阵中冗余数据的问题，而系统克服了高程矩阵中冗余数据的问题，而且能更加有效地用于各类以且能更加有效地用于各类以DEMDEM为基础的计算。为基础的计算。DEMDEM生成的上述方法中，人工网格方法的精底低、生成的上述方法中，人工网格方法的精底低、工作量大，不宜采用；立体像对分析要求有立体像工作量大，不宜采用；立体像对分析要求有立体像对影像和特殊的软件，且运算时间较长，技术条件对影像和特殊的软件，且运算时间较长，技术条件特殊；三角网法在有足够离散点的情况下效果较好；特殊；三角网法在有足够离散点的情况下效

15、果较好；曲面拟合可反映总的地势，但局部误差较大；等值曲面拟合可反映总的地势，但局部误差较大；等值线插值是用的比较普遍的方法，输入等值线后，可线插值是用的比较普遍的方法，输入等值线后，可在矢量格式的等值数据基础上进行，插值效果较好。在矢量格式的等值数据基础上进行，插值效果较好。 DEM的表示方法的表示方法DEM的应用的应用不论不论DEMDEM是高程矩阵、数组、规则的点数据，还是三角网数据等形是高程矩阵、数组、规则的点数据，还是三角网数据等形式，都可以从中获得多种派生产品。式，都可以从中获得多种派生产品。 获得多种（不同类型）的基础图件获得多种（不同类型）的基础图件 三维方块图、剖面图及地层图：三

16、维方块图是最为人们熟三维方块图、剖面图及地层图：三维方块图是最为人们熟悉的数字地面模型的形式之一。现在已有许多可供三维悉的数字地面模型的形式之一。现在已有许多可供三维方块图计算用的标准程方块图计算用的标准程序，这些程序用线条描绘或阴影栅格显示法表示规则或序，这些程序用线条描绘或阴影栅格显示法表示规则或不规则不规则x x、Y Y、Z Z数据组的立体图形。三维方块图在显示数据组的立体图形。三维方块图在显示多种土地景观信息中非常有用，它是土地景观设计和森多种土地景观信息中非常有用，它是土地景观设计和森林覆盖模拟的基础。林覆盖模拟的基础。 视线图视线图: :确定土地景观中点与点之间相互通视的能力确定土

17、地景观中点与点之间相互通视的能力, ,公园公园景点的选择，通过数字高程模型能方便地算出一个观察景点的选择，通过数字高程模型能方便地算出一个观察点所能看到的各个部分。点所能看到的各个部分。 等高线图：从高程矩阵中很容易得到等高线图。方法是把等高线图：从高程矩阵中很容易得到等高线图。方法是把高程矩阵中各像元的高程分成适当的高程类别。高程矩阵中各像元的高程分成适当的高程类别。坡度图与坡向图：坡度定义为水平面与局部地表之坡度图与坡向图：坡度定义为水平面与局部地表之间的正切值。它包含两个成分：斜度间的正切值。它包含两个成分：斜度高度变化高度变化的最大比率的最大比率( (常称为坡度常称为坡度) )；坡向；

18、坡向变化比率最大变化比率最大值的方向。这两个因素基本上能满足环境科学分析值的方向。这两个因素基本上能满足环境科学分析的要求。的要求。 地貌晕渲图：制图工作者用一种地貌晕渲图：制图工作者用一种“阴影立体法阴影立体法”表表示地表形状即地貌晕渲法。有了示地表形状即地貌晕渲法。有了DEMDEM，地貌晕渲图能，地貌晕渲图能自动精确地实现。自动精确地实现。 从高程矩阵中自动生成的地貌晕渲图与航从高程矩阵中自动生成的地貌晕渲图与航片有许多不同之处，主要表现在：晕渲图片有许多不同之处，主要表现在：晕渲图不包括任何地面覆盖信息，仅仅是数字化不包括任何地面覆盖信息，仅仅是数字化的地表起伏显示；的地表起伏显示；光源

19、一般确定为西北光源一般确定为西北4545。方向，航片的阴影主要随太阳高度角。方向，航片的阴影主要随太阳高度角变化；变化；晕渲图通常都经过了平滑和综合晕渲图通常都经过了平滑和综合处理，因而没有航片上显示出的丰富的地处理，因而没有航片上显示出的丰富的地形细节。形细节。 自动地貌晕渲图的计算非常简单，首先是自动地貌晕渲图的计算非常简单，首先是根据根据DEMDEM数据计算坡度和坡向。然后将坡向数据计算坡度和坡向。然后将坡向数据与光源方向比较，面向光源的斜坡得数据与光源方向比较，面向光源的斜坡得到浅色调灰度值，反方向的得到深色调灰到浅色调灰度值，反方向的得到深色调灰度值，两者之间得到中间灰值。灰值的大度

20、值，两者之间得到中间灰值。灰值的大小则按坡度进一步确定。小则按坡度进一步确定。 从从DEMDEM数据自动形成地形轮廓线数据自动形成地形轮廓线 山脊线和谷底线山脊线和谷底线 集水范围的确定集水范围的确定 工程应用工程应用 如线路（交通）勘察设计、土石方的估计等，提高如线路（交通）勘察设计、土石方的估计等，提高工程的经济效。工程的经济效。四、基于四、基于DEMDEM的信息提取的信息提取1. 1. 坡度的计算坡度的计算坡度：就是地表单元法向坡度：就是地表单元法向n n与与Z Z轴的交角。轴的交角。计算公式：计算公式：2. 2. 坡向的计算：坡向的计算：坡向：就是地表单元法向量坡向：就是地表单元法向量

21、n n在在OXYOXY平面上的投影与平面上的投影与X X轴之间交角。轴之间交角。计算公式：计算公式：GGYXAZOZ0Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7坡度坡度计算格网算格网坡度与坡向坡度与坡向五、基于五、基于DEMDEM的可视化分析的可视化分析1 1、剖面分析、剖面分析12345AB31234560100200300400A高程（高程（m）距离（距离（km）剖面剖面图制作制作2、通视分析：以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析。12345AB3BAP3 3OCOBACP高程高程距离距离视线平面投影平面投影通通视剖面剖面图第二节第二节 空间叠合分析空间叠合分析 一、什么是空间叠合分析？是指

22、在统一空间参照系统条件一、什么是空间叠合分析？是指在统一空间参照系统条件下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。关系。ABC空间叠合分析概念空间合成叠合：一般用于搜索同时具有几种地理属性的分布空间合成叠合：一般用于搜索同时具有几种地理属性的分布区域，或对叠合后产生的多重属性进行新的分类；区域，或对叠合后产生的多重属性进行新的分类；空间统计叠合：一般用于提取某个区域范围内某些专题内容空间统计叠合：一般用于提取某个区域范围内某

23、些专题内容的数量特征。的数量特征。321acedgfb区域类型数面积ab142312BA2A1B2B1A地貌图土壤图合成图行政图土壤图统计表合成叠合合成叠合统计叠合叠合二、空间分析类型二、空间分析类型1 1、根据叠合对象图形特征可分为：、根据叠合对象图形特征可分为：CDBACDBA12313 42并叠交点与多边形叠合线与多边形叠合多边形与多边形叠合2 2、根据所采用的数据结构的不同可分为：、根据所采用的数据结构的不同可分为：基于矢量数据叠合分析：运算量大，过程复杂；基于矢量数据叠合分析：运算量大，过程复杂；基于栅格数据叠合分析：运算量小，过程简单。基于栅格数据叠合分析：运算量小，过程简单。作用

24、：类型叠合，数量统计，动态分析，益本分析，几作用：类型叠合，数量统计，动态分析，益本分析，几何提取等。何提取等。方法：地图代数，二值逻辑叠加。方法：地图代数，二值逻辑叠加。第三节第三节 空间缓冲区分析空间缓冲区分析一、缓冲区：地理空间目标的一种影响范围或服务范围。一、缓冲区：地理空间目标的一种影响范围或服务范围。二、缓冲区分析：二、缓冲区分析：三、分析要素：主体，临近对象，作用条件三、分析要素：主体，临近对象，作用条件四、分析模型：线性模型、二次模型、指数模型四、分析模型：线性模型、二次模型、指数模型10.55010001影响度Fi距离Ri10.55010001影响度Fi距离Ri10.5501

25、0001影响度Fi距离Ri线性模型二次模型指数模型Fi=f0(1-ri)Fi=f0(1-ri)2Fi=f0(1-ri)第四节第四节 空间网络分析空间网络分析一、什么是网络分析？一、什么是网络分析？1. 1. 网络：是一个由点、线二元关系构成的系统，通常用来描述某种资网络：是一个由点、线二元关系构成的系统，通常用来描述某种资源或物质在空间上的运动。源或物质在空间上的运动。2. 2. 网络分析：是运筹学模型中的一个基本模型，根本目的是研究、筹网络分析：是运筹学模型中的一个基本模型，根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好。基本思想在于人类划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最

26、好。基本思想在于人类活动总是趋于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置。活动总是趋于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置。二、网络图论（分析和解决网络模型的有力工具）基础二、网络图论（分析和解决网络模型的有力工具）基础1. 1. 图：是一个以抽象的形式来表达确定的事物，以及事物之间是否具图：是一个以抽象的形式来表达确定的事物，以及事物之间是否具备某种特定关系的数学系统。备某种特定关系的数学系统。有向有向图树V3V1V2V4V5V6V1V9V10V11V12V8V2V3V5V6V4V7e1e2e3e4e5e6e7e9e8e10e1e2e3e4e5e6e7e8e9e10e112. 2. 图的表示：图

27、形图的表示：图形 矩阵（邻接矩阵和关联矩阵）矩阵（邻接矩阵和关联矩阵）V4V3V2V1V5e1e2e4e3e5e7e6邻接矩接矩阵关关联矩矩阵V1V2V3V5e1e2e3e4e5e6e7三、空间网络三、空间网络1. 1. 空间网络拓扑分类空间网络拓扑分类空间网络的拓扑分类平面网络（二维）非平面网络（非二维）道路型树 型环网型细胞型交错型平面网络（二维）线型“流”系统线型栅格系统线型立体系统空间网络的拓扑分类空间网络的拓扑分类2. 2. 空间网络的构成元素：结点，链，障碍，拐角，空间网络的构成元素：结点，链，障碍，拐角，中心，站点中心，站点四、空间网络的分析方法四、空间网络的分析方法1. 1.

28、路径分析路径分析2. 2. 定位配置分析定位配置分析第五节第五节 空间统计分析空间统计分析一、空间统计分析：是指对一、空间统计分析：是指对GISGIS地理数据库中的专题地理数据库中的专题数据进行统计分析。数据进行统计分析。 主要用于数据分类和综合评价。主要用于数据分类和综合评价。二、几种常用算法：二、几种常用算法：1. 1. 主成分分析：主成分分析：2. 2. 层次分析法：层次分析法：3. 3. 系统聚类分析：系统聚类分析：4. 4. 判别分析：判别分析：地学模型地学模型地理信息系统不仅要完成管理大量复杂的地理数据的任务，地理信息系统不仅要完成管理大量复杂的地理数据的任务，更为重要的是完成地理

29、分析、评价、预测和辅助决策的任更为重要的是完成地理分析、评价、预测和辅助决策的任务，因此必须发展适用于地理信息系统的地理分析模型，务，因此必须发展适用于地理信息系统的地理分析模型，这是地理信息系统走向实用的关键。这是地理信息系统走向实用的关键。模型模型 ：就是将系统的各个要素，通过适当的筛选，用一定：就是将系统的各个要素，通过适当的筛选，用一定的表现规则描写出来的简明的映象。通常表达了某个系统的表现规则描写出来的简明的映象。通常表达了某个系统的发展过程或发展结果。的发展过程或发展结果。 是用来描述地理系统各个要素之问相互关系和客观规律的，是用来描述地理系统各个要素之问相互关系和客观规律的，它用

30、信息的、语言的、数学的或其它表达形式，通常反映它用信息的、语言的、数学的或其它表达形式，通常反映地学过程及其发展趋势或结果。是在对系统所描述的具体地学过程及其发展趋势或结果。是在对系统所描述的具体对象与过程，进行大量专业研究的基础上，总结出来的客对象与过程，进行大量专业研究的基础上，总结出来的客观规律的抽象或模拟。观规律的抽象或模拟。 数学模型数学模型 是应用数学的语言和工具，对部分现实世界的信息(现象、数据)加以翻译、归纳的产物。数学模型经过演绎、推导，给出数学上的分析、预报、决策或控制，再经过解释回到现实世界，完成实践一理论一实践这一循环，： 地学模型地学模型 模型的作用和特点模型的作用和

31、特点 应用模型是联系应用模型是联系GISGIS应用系统与常规专业研究的纽带。应用系统与常规专业研究的纽带。模型的建立虽然是数学或技术性的问题，桓它必须以模型的建立虽然是数学或技术性的问题，桓它必须以广泛、深入的专业研究为基础。广泛、深入的专业研究为基础。 应用模型是综合利用应用模型是综合利用GISGIS应用系统中大量数据的工具。应用系统中大量数据的工具。系统中存储有数量巨大、来源不同、形式不同的数据。系统中存储有数量巨大、来源不同、形式不同的数据。它们的综合分析处理和应用，主要是通过系统中模型它们的综合分析处理和应用，主要是通过系统中模型的使用而实现的。的使用而实现的。 应用模型是应用模型是G

32、ISGIS应用系统解决各种实际问题的武器。应用系统解决各种实际问题的武器。由于应用模型是客观世界中解决各种实际问题所依赖由于应用模型是客观世界中解决各种实际问题所依赖的规律或过程的抽象或模拟。因此能有效地帮助人们的规律或过程的抽象或模拟。因此能有效地帮助人们从各种因素之间找出其因果关系或者联系，促进问题从各种因素之间找出其因果关系或者联系，促进问题的解决。的解决。 应用模型是应用模型是GISGIS应用系统向更高技术水平发展的基础。应用系统向更高技术水平发展的基础。模型实际上集中和验证了该应用领域中许多专家的经模型实际上集中和验证了该应用领域中许多专家的经验和知识，无疑是一般验和知识，无疑是一般

33、GISGIS应用系统向专家系统发展应用系统向专家系统发展的基础。的基础。 模型的分类模型的分类应用模型可根据模型的空间特性分为两大类：应用模型可根据模型的空间特性分为两大类：即空间模型和非空间模型。然后再根据具即空间模型和非空间模型。然后再根据具体模型建立与求解方法，作进一步的分类，体模型建立与求解方法，作进一步的分类，如图如图4242所示。所示。非空间模型非空间模型 主要是对系统中的各种属性数据进行运算，常用的主要是对系统中的各种属性数据进行运算，常用的方法包括投入产出模型、计量经济学、经济控制方法包括投入产出模型、计量经济学、经济控制论及系统动力学等。与这些方法相应的模型形式、论及系统动力

34、学等。与这些方法相应的模型形式、特点、局限性以及主要应用范围见特点、局限性以及主要应用范围见表表4141。这类。这类模型多用于解决社会经济领域中的一些问题，如模型多用于解决社会经济领域中的一些问题，如评价、预测与规划等，但也可用于生态环境及自评价、预测与规划等，但也可用于生态环境及自然资源等领域。然资源等领域。 空间模型空间模型 需要是同时对系统中的图形和属性两种数据进行运需要是同时对系统中的图形和属性两种数据进行运算。见算。见表表4-24-2。2.2.数据统计模型数据统计模型多变量统计分析主要用于数据分类和综合评价。多变量统计分析主要用于数据分类和综合评价。综合评价是区划和规划的基础。从人类

35、认识的角综合评价是区划和规划的基础。从人类认识的角度来看有精确的和模糊的两种类型，因为绝大多度来看有精确的和模糊的两种类型，因为绝大多数地理现象难以用精确的定量关系划分和表示，数地理现象难以用精确的定量关系划分和表示，因此模糊的模型更为实用，结果也往往更接近实因此模糊的模型更为实用，结果也往往更接近实际，模糊评价一般经过四个过程：际，模糊评价一般经过四个过程： (1)(1)评价因子的选择与简化；评价因子的选择与简化； (2)(2)多因子重要性指标多因子重要性指标( (权重权重) )的确定；的确定； (3)(3)因子内各类别对评价目标的隶属度确因子内各类别对评价目标的隶属度确定；定； (4)(4

36、)选用某种方法进行多因子综合。选用某种方法进行多因子综合。地理问题往往涉及大量相互关联的自然和社会要素，众多的要素常地理问题往往涉及大量相互关联的自然和社会要素，众多的要素常常给模型的构造带来很大困难，为使用户易于理解和解决现有存储常给模型的构造带来很大困难，为使用户易于理解和解决现有存储容量不足的问题，有必要减少某些数据而保留最必要的信息。容量不足的问题，有必要减少某些数据而保留最必要的信息。 主成分分析主成分分析 是通过数理统计分析，求得各要素间线性关系的实质上有意义的表是通过数理统计分析，求得各要素间线性关系的实质上有意义的表达式，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，达式

37、，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，这就克服了变量选择时的冗余和相关，然后选择信息最丰富的少数这就克服了变量选择时的冗余和相关，然后选择信息最丰富的少数因子进行各种聚类分析，构造应用模型。因子进行各种聚类分析，构造应用模型。 设有设有n n个样本，个样本，p p个变量。将原始数据转换成一组新的特征值个变量。将原始数据转换成一组新的特征值主主成分，主成分是原变量的线性组合且具有正交特征。即将成分，主成分是原变量的线性组合且具有正交特征。即将x1x1，x2x2，xpxp综合成综合成m(mm(mp)p)个指标个指标zlzl，z2z2，zmzm，即，即 z1=l11*x1+l12*x

38、2+.+l1p*z1=l11*x1+l12*x2+.+l1p*xpxp z2=l21*x1+l22*x2+.+l2p*z2=l21*x1+l22*x2+.+l2p*xpxp . . zmzm=lm1*x1+lm2*x2+.+=lm1*x1+lm2*x2+.+lmplmp* *xpxp主成分分析这样决定的综合指标这样决定的综合指标z1z1，z2z2，zmzm分别称做原指分别称做原指标的第一，第二，标的第一，第二，第，第m m主成分，且主成分，且z1z1，z2z2，zmzm 在总方差中占的比例依次递减。而实际工作中常在总方差中占的比例依次递减。而实际工作中常挑选前几个方差比例最大的主成分，从而简化

39、指标挑选前几个方差比例最大的主成分，从而简化指标间的关系，抓住了主要矛盾。间的关系，抓住了主要矛盾。从几何上看，找主成分的问题，就是找多维空间中从几何上看，找主成分的问题，就是找多维空间中椭球体的主轴问题，从数学上容易得到它们是椭球体的主轴问题，从数学上容易得到它们是x1x1，x2x2，xpxp的相关矩阵中的相关矩阵中m m个较大特征值所对应的特个较大特征值所对应的特征向量，通常用雅可比征向量，通常用雅可比( (JaobiJaobi) )法计算特征值和特征法计算特征值和特征向量。向量。主成分分析这一数据分析技术是把数据减少到易于主成分分析这一数据分析技术是把数据减少到易于管理的程度，也是将复杂

40、数据变成简单类别便于存管理的程度，也是将复杂数据变成简单类别便于存储和管理的有力工具。地理研究和生态研究的储和管理的有力工具。地理研究和生态研究的GISGIS用用户常使用上述技术，因而应把这些变换函数作为户常使用上述技术，因而应把这些变换函数作为GISGIS的组成部分。的组成部分。 层次分析法层次分析法(AHP)(AHP)HierarahyHierarahy Analysis Analysis 是是T.L.SaatyT.L.Saaty等在等在7070年代提出和广泛应用年代提出和广泛应用的的, ,是系统分析的数学工具之一，它把人的思维过程层次是系统分析的数学工具之一，它把人的思维过程层次化、数量

41、化，并用数学方法为分析、决策、预报或控制提化、数量化，并用数学方法为分析、决策、预报或控制提供定量的依据。供定量的依据。 AHPAHP方法把相互关联的要素按隶属关系分为若干层次，请有经方法把相互关联的要素按隶属关系分为若干层次，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，利用数学方法综合专家意见给出各层次各要素的相对重要性用数学方法综合专家意见给出各层次各要素的相对重要性权值，作为综合分析的基础。例如要比较权值，作为综合分析的基础。例如要比较n n个因素个因素y y ylyl，y2y2，ynyn 对目标对目标Z Z的影响，确定它们在的

42、影响，确定它们在z z中的比重，中的比重，每次取两个因素每次取两个因素yiyi和和yJyJ，用，用aijaij表示表示yiyi与与yJyJ对对Z Z的影响之比，的影响之比，全部比较结果可用矩阵全部比较结果可用矩阵A A( (aij)naij)n*n*n表示，表示，A A叫成对比矩阵，叫成对比矩阵，它应满足：它应满足： aijaij0,aij=1/aij (0,aij=1/aij (i,ji,j=1,2,.n) =1,2,.n) 使上式成立的矩阵称互反阵，必有使上式成立的矩阵称互反阵，必有aijaijl l。在旅游问题中，假设某人考虑在旅游问题中，假设某人考虑5 5个因素：费个因素：费用用yly

43、l、景色、景色y2y2，居住条件，居住条件y3,y3,饮食条件饮食条件y4y4、旅途条件旅途条件y5y5。他用成对比较法得到的正互反。他用成对比较法得到的正互反阵是：阵是：在上式中在上式中a12a122 2表示表示ylyl与景色与景色y2y2对选择旅游点对选择旅游点( (目标目标Z)Z)的重要性之比为的重要性之比为2:12:1；a13a137 7，表示费用，表示费用ylyl与居与居住条件住条件y3y3之比为之比为7:17:1；a23a234 4，则表示景色，则表示景色y2y2与居与居住条件住条件y3y3之比为之比为4 4：1 1。如果。如果A A不是一致阵不是一致阵( (即即A12A12、A2

44、3A23；不等于；不等于A13A13；) )，需求正互友阵最大特征值对，需求正互友阵最大特征值对应的特征向量，作为权向量。应的特征向量，作为权向量。 系统聚类分析系统聚类分析 6060年代末到年代末到7070年代初人们把大量精力集中于发展年代初人们把大量精力集中于发展和应用数字分类法，且将这类方法应用于自然和应用数字分类法，且将这类方法应用于自然资源、土壤剖面、气候分类、环境生态等数据，资源、土壤剖面、气候分类、环境生态等数据，形成形成“数字分类学数字分类学”学科。目前聚类分析已成学科。目前聚类分析已成为标准的分类技术，在许多大型计算机中都存为标准的分类技术，在许多大型计算机中都存储了这种分析

45、程序，从储了这种分析程序，从GISGIS数据库中将点数据传数据库中将点数据传送到聚类分析程序也不困难。送到聚类分析程序也不困难。 聚类分析的主要依据是把相似的样本归为一类，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。在由而把差异大的样本区分开来。在由m m个变量组成个变量组成为为m m维的空间中可以用多种方法定义样本之间的维的空间中可以用多种方法定义样本之间的相似性和差异性统计量。相似性和差异性统计量。例：用例：用xikxik表示第表示第i i个样本第个样本第k k个指标的数据个指标的数据xikxik表示第表示第j j个样本第个样本第k k个指标数据；个指标数据；dij

46、dij表示第表示第i i个样本和第个样本和第j j个样本之间的距离个样本之间的距离, ,根根据不同的需要，距离可以定义为许多类型，最常见、最直观据不同的需要，距离可以定义为许多类型，最常见、最直观的距离是欧几里德距离，其定义如下：的距离是欧几里德距离，其定义如下： 依次求出任何两个点的距离系数依次求出任何两个点的距离系数dij(idij(i，j jl l，2 2，n)n)以后，以后，则可形成一个距离矩阵：则可形成一个距离矩阵： 它反映了地理单元的差异情况，在此基础上就可以根据最短距离它反映了地理单元的差异情况，在此基础上就可以根据最短距离法或最长距离法或中位线法等。进行逐步归类，最后形成一法或

47、最长距离法或中位线法等。进行逐步归类，最后形成一张聚类分析谱系图，如图张聚类分析谱系图，如图: :判别分析判别分析与聚类分析同属分类问题，所不同的是，判别分判别分析与聚类分析同属分类问题，所不同的是，判别分析是预先根据理论与实践确定等级序列的因子标准，析是预先根据理论与实践确定等级序列的因子标准，再将待分析的地理实体安排到序列的合理位置上的方再将待分析的地理实体安排到序列的合理位置上的方法，对于诸如水土流失评价、土地适宜性评价等有一法，对于诸如水土流失评价、土地适宜性评价等有一定理论根据的分类系统定级问题比较适用。定理论根据的分类系统定级问题比较适用。判别分析依其判别类型的多少与方法的不同，可

48、分为两类判别分析依其判别类型的多少与方法的不同，可分为两类判别：多类判别和逐步判别。判别：多类判别和逐步判别。判别分析要求根据已知的地理特征值进行线性组合，构成判别分析要求根据已知的地理特征值进行线性组合，构成一个线性判别函数一个线性判别函数Y Y，即，即 式中，式中，C Ck k(k(kl l，2 2，m)m)为判别系数，它可反映各要素或特征值作用方向、分为判别系数，它可反映各要素或特征值作用方向、分辨能力和贡献率的大小。只要确定了辨能力和贡献率的大小。只要确定了CkCk，判别函数，判别函数y y也就确定了。也就确定了。XkXk为已知各要素为已知各要素( (变量变量) )的特征值。的特征值。

49、为了使判别函数为了使判别函数Y Y能充分地反映出能充分地反映出A A、B B两种地理类型的差别，就两种地理类型的差别，就要使两类之间均值差要使两类之间均值差Y(A)Y(B)2Y(A)Y(B)2尽可能大，而各类内部的尽可能大，而各类内部的离差平方和尽可能小。只有这样，其比值离差平方和尽可能小。只有这样，其比值I I才能达到最大，从才能达到最大，从而能将两类清楚地分开。其表达式为：而能将两类清楚地分开。其表达式为： 判别函数求出以后，还需要计算出判别临界值，然后进行归类。判别函数求出以后，还需要计算出判别临界值，然后进行归类。不难看出，经过二级判别所作的分类是符合区内差异小而区不难看出，经过二级判

50、别所作的分类是符合区内差异小而区际差异大的划区分类原则的。际差异大的划区分类原则的。目前在地理信息系统中发展了一种多因素模糊评价模型，相当目前在地理信息系统中发展了一种多因素模糊评价模型，相当于模糊评判分析于模糊评判分析. .该方法首先根据标准类别参数的指标空间确该方法首先根据标准类别参数的指标空间确定各因素各类别对目标的隶属度，作为判别距离的度量，再定各因素各类别对目标的隶属度，作为判别距离的度量，再结合要素的权重指数，采用适当的模糊算法，计算各地理实结合要素的权重指数，采用适当的模糊算法，计算各地理实体的归属等级类别，作为评价的基础。该方法通过隶属度表体的归属等级类别，作为评价的基础。该方

51、法通过隶属度表达人们对目标与因素之间关系的模糊性认识，用适当的算法达人们对目标与因素之间关系的模糊性认识，用适当的算法将这种认识量化并反映到结果的分类中，对于地理学中的评将这种认识量化并反映到结果的分类中，对于地理学中的评价与规划问题非常有效。价与规划问题非常有效。空间数据的内插模型空间数据的内插模型空间数据的内插空间数据的内插 通过已知点或分区的数据，推求任意点或分区数据的通过已知点或分区的数据，推求任意点或分区数据的方法称为空间数据的内插。其方法是从存在的观测方法称为空间数据的内插。其方法是从存在的观测数据中找到一个函数关系式，使该关系式最好地逼数据中找到一个函数关系式，使该关系式最好地逼

52、近这些已知的空间数据，并能根据函数关系式推求近这些已知的空间数据，并能根据函数关系式推求出区域范围内其它任意点或任意分区的值。出区域范围内其它任意点或任意分区的值。它是地理信息系统数据处理常用的方法之一，广泛它是地理信息系统数据处理常用的方法之一，广泛应用于等值线自动制图、数字高程模型的建立、不应用于等值线自动制图、数字高程模型的建立、不同区域界线现象的相关分析和比较研究等。同区域界线现象的相关分析和比较研究等。内插技术包括样条函数、最小二乘趋势面、傅里叶内插技术包括样条函数、最小二乘趋势面、傅里叶级数、克里金级数、克里金( (KrigingKriging) )的移动平均法等。也可以分的移动平

53、均法等。也可以分为整体拟合和局部拟合技术两大类。为整体拟合和局部拟合技术两大类。 整体内插法整体内插法: : 趋势面分析：多项式回归分析是描述长距离趋势面分析：多项式回归分析是描述长距离渐变特征的最简单方法。多项式回归的基本渐变特征的最简单方法。多项式回归的基本思想是用多项式表示的线或面按最小二乘法思想是用多项式表示的线或面按最小二乘法原理对数据点进行拟合，线或面多项式的选原理对数据点进行拟合，线或面多项式的选择取决于数据是一维还是二维。择取决于数据是一维还是二维。 地理特征地理特征Z Z是是X X的线性函数：表达式的线性函数：表达式 Z=B0+B1X Z=B0+B1X 其中：其中：B0B0、

54、B1B1为多项式系数为多项式系数许多情况下z不是x的线性函数，而是以更为复杂的方式变化，在这种情况下需用二次或更高次的多项式：z=b0+b1x1+b2x22 +.来拟合更复杂的曲线。二次趋势面的数学模型：（二维）二次趋势面的数学模型：（二维）z=b0+b1x+b2y+b3x2+b4xy+b5y2 z=b0+b1x+b2y+b3x2+b4xy+b5y2 三次趋势面的数学模型三次趋势面的数学模型z=b0+b1x1+b2y+b3x2+b4xy+b5y2+b6x3z=b0+b1x1+b2y+b3x2+b4xy+b5y2+b6x3+b7x2y+b8xy2+b9y3+b7x2y+b8xy2+b9y3趋势面

55、分析的优点是：它是一种极易理解趋势面分析的优点是：它是一种极易理解的技术，至少在计算方法上是易于理解的。的技术，至少在计算方法上是易于理解的。另外，大多数数据特征可以用低次多项式另外，大多数数据特征可以用低次多项式来模拟。来模拟。趋势面拟合程度的检验，同多元回归分析趋势面拟合程度的检验，同多元回归分析一样可用万分布进行检验，其检验统计量一样可用万分布进行检验，其检验统计量为：为：式中式中U U为回归平方和，为回归平方和，Q Q为残差平方和为残差平方和( (剩余平方和剩余平方和) )，P P为多项式的项数为多项式的项数( (但不包括常数项但不包括常数项b0)b0)，n n为使用为使用资料的数目。

56、当资料的数目。当F FFaFa时，则趋势面拟合显著，否时，则趋势面拟合显著，否则不显著。则不显著。 傅里叶级数：用正弦和余弦的线性组合来模拟傅里叶级数：用正弦和余弦的线性组合来模拟观测值的变化，亦即描述一维或二维变化情况。观测值的变化，亦即描述一维或二维变化情况。一般情况下，除溪流、沙丘等明显的周期性特征外，一般情况下，除溪流、沙丘等明显的周期性特征外，地球表面的其它特征都很复杂，且难以用周期函数地球表面的其它特征都很复杂，且难以用周期函数来严格地表示它们的变化。来严格地表示它们的变化。一维傅里叶级数已广泛用于时间级数分析和气象变一维傅里叶级数已广泛用于时间级数分析和气象变化的应用研究。化的应

57、用研究。二维傅里叶级数在研究沉积岩的地质构造中用得较二维傅里叶级数在研究沉积岩的地质构造中用得较多。多。 局部内插法局部内插法 样条函数：样条函数：计算机用于曲线与数据点拟合以前，制图员用曲线规逐段地拟计算机用于曲线与数据点拟合以前，制图员用曲线规逐段地拟合出平滑的曲线。这种灵活的曲线规绘成的分段曲线称为样条。合出平滑的曲线。这种灵活的曲线规绘成的分段曲线称为样条。与样条匹配的那些数据点称为桩点。与样条匹配的那些数据点称为桩点。样条函数是灵活曲线规的数学等式，也是分段函数，一次拟合样条函数是灵活曲线规的数学等式，也是分段函数，一次拟合只有少数数据点配准，同时保证曲线段的连接处为平滑连续曲只有少

58、数数据点配准，同时保证曲线段的连接处为平滑连续曲线。这就意味着样条函数可以修改曲线中的某一段而不必重新线。这就意味着样条函数可以修改曲线中的某一段而不必重新计算整条曲线。计算整条曲线。 移动平均法：移动平均法：在未知点在未知点X X处内插变量处内插变量Z Z值时，最常用的方法之一是在局部邻域值时，最常用的方法之一是在局部邻域( (或称窗口或称窗口) )中计算各数据点的平均值。在数据点沿某断面规则中计算各数据点的平均值。在数据点沿某断面规则分布的情况下，可移动平均法的最简单形式即对窗口中心点分布的情况下，可移动平均法的最简单形式即对窗口中心点X X的移动平均值，其计算式为：的移动平均值，其计算式

59、为：二维移动平均值可用上式计算，但位置二维移动平均值可用上式计算，但位置xixi应被坐标矢量应被坐标矢量xixi代替。代替。加权移动平均值可按下式计算：加权移动平均值可按下式计算：式中式中xjxj是曲面上内插的点，通常这些点都处于规则格网上。是曲面上内插的点，通常这些点都处于规则格网上。dij2dij2是距离的平方倒数权。是距离的平方倒数权。空间自协方差最佳内插法：空间自协方差最佳内插法：依据：由于任何地质、土壤、水文等区域特性变量依据：由于任何地质、土壤、水文等区域特性变量过于杂乱，不能用平滑数学函数进行模拟，但能用过于杂乱，不能用平滑数学函数进行模拟，但能用随机表面给予较适当的描述。随机表

60、面给予较适当的描述。内插过程内插过程: :首先是探查区域性变量的随机分布状况，首先是探查区域性变量的随机分布状况，然后模拟这些变量的随机状况，最后用前两步产生然后模拟这些变量的随机状况，最后用前两步产生的信息估计内插的权因子。的信息估计内插的权因子。克里金法（区域变化理论）假设任何变量的空间变克里金法（区域变化理论）假设任何变量的空间变化都可以用下述三个主要成分的和来表示：化都可以用下述三个主要成分的和来表示：与均与均值即趋势有关的结构成分；值即趋势有关的结构成分；与局部变化有关成分；与局部变化有关成分；随机噪声项即剩余误差项。随机噪声项即剩余误差项。令令x x是一维、二维或三维空间中的某一位

61、置，变量是一维、二维或三维空间中的某一位置，变量z z在在x x处的值由下式计算：处的值由下式计算： Z(xZ(x)=)=m(x)+(x)+m(x)+(x)+第六节第六节 空间数据的集合分空间数据的集合分析和查询析和查询空间数据的集合分析空间数据的集合分析 空间集合分析的概念；空间集合分析的概念；空间集合分析的概念；空间集合分析的概念； 空间集合分析的方法。空间集合分析的方法。空间集合分析的方法。空间集合分析的方法。空间数据的查询空间数据的查询 基于关系查询语言扩充的空间查询方法；基于关系查询语言扩充的空间查询方法；基于关系查询语言扩充的空间查询方法；基于关系查询语言扩充的空间查询方法； 可视

62、化空间查询方法；可视化空间查询方法；可视化空间查询方法；可视化空间查询方法； 基于自然语言的查询方法；基于自然语言的查询方法；基于自然语言的查询方法；基于自然语言的查询方法； 超文本查询方法。超文本查询方法。超文本查询方法。超文本查询方法。第七节第七节 空间查询空间查询一、空间集合分析（布尔运算）一、空间集合分析（布尔运算）二、空间数据查询二、空间数据查询1. 1. 概述概述2. 2. 主要方法：主要方法： 扩展关系数据库语言查询（扩展关系数据库语言查询（SQLSQL） 可视化空间查询（图形）可视化空间查询（图形） 超文本查询（超链接）超文本查询（超链接） 自然语言查询（语言）自然语言查询（语言）