GIS地理信息系統(tǒng)空間分析

1、空間分析原理與方法n空間分析概述n空間分析的類型n空間疊加分析n緩沖區(qū)分析n網(wǎng)絡分析n數(shù)字地面模型空間分析的概述n概念概念：它以地學原理為依托，通過分析算法，從空間數(shù)據(jù)中獲取有關地理對象的空間位置、空間分布、空間形態(tài)、空間形成、空間演變等信息。 n功能功能：分析空間數(shù)據(jù)，提供空間決策信息n特點特點：是GIS區(qū)別于其他類型系統(tǒng)如(CAC, CAD）的一個最主要的功能特征，也是各類綜合性地學分析模型的基礎或構件。空間分析功能的類型n按照 Goodchild 提出的空間分析框架，可以將空間分析方法分為以下兩種類型：n產(chǎn)生式分析：空間疊加分析，緩沖區(qū)分析，數(shù)字地面模型分析，空間網(wǎng)絡分析，空間統(tǒng)計分析等

2、；n咨詢式分析：空間集合分析，空間數(shù)據(jù)查詢等。 空間疊加分析n地學原理n基本概念n基本類型n視覺信息疊加n矢量圖層疊加n點與多邊形疊加n線與多邊形疊加n多邊形疊加n柵格圖層疊加空間疊加地學原理地理學原理在進行地學綜合分析時，有時需要提取同一地區(qū)不同專題的屬性。例如，某地在進行農(nóng)作物估產(chǎn)時，需要提取該地區(qū)的土地利用、氣溫、降水、日照時間等基本信息(這些信息常常是分布于不同的專題地圖中)，然后再應用估產(chǎn)模型進行分析。實現(xiàn)方法傳統(tǒng)的透明材料疊加方法 GIS中實現(xiàn)方法傳統(tǒng)疊加方法 將來自不同的數(shù)據(jù)源的圖紙繪于透明紙上，在透光桌上將其疊放在一起，然后鉛筆勾出感興趣的部分一提取出感興趣的信息。GIS中疊加

3、方法 將有關主題層組成的數(shù)據(jù)層面，進行疊加產(chǎn)生一個新數(shù)據(jù)層面的操作，其結果綜合了原來兩層或多層要素所具有的屬性。疊加分析概念n空間疊加分析（Spatial overlay analysis），是指在統(tǒng)一的空間坐標系下，每次將同一地區(qū)的兩個地理對象的圖層進行疊合，以產(chǎn)生空間區(qū)域的多重屬性特征，或建立地理對象之間的空間對應關系。n疊加分析不僅要處理圖形數(shù)據(jù)，還會對屬性數(shù)據(jù)進行相應的處理。 視覺信息疊加n傳統(tǒng)的地圖表現(xiàn)方式n視覺信息疊加是將不同層面的信息內容疊加顯示在屏幕或結果圖件上點狀圖、線狀圖和面狀圖之間的疊加顯示 遙感影像與專題地圖的疊加 專題地圖與數(shù)字高程模型（DEM）疊加顯示立體專題圖 v

4、視覺信息疊加不產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)層面，只是將多層信息復合顯示，便于分析傳統(tǒng)的地圖表現(xiàn)方式點狀圖、線狀圖和面狀圖之間的疊加顯示遙感影像疊加數(shù)字高程模型（DEM）疊加顯示立體專題圖暈渲地形圖 三峽庫區(qū)三維模擬地圖 點與多邊形疊加n處理過程n通過計算每個點相對于多邊形線段的位置，進行點是否在一個多邊形中的空間關系判斷。 n進行屬性信息處理。n將多邊形屬性信息疊加到其中的點上。n將點的屬性疊加到多邊形上，用于標識該多邊形。n應用舉例線與多邊形疊加n計算原理：線與多邊形的疊加是比較線上坐標與多邊形坐標的關系，判斷線是否落在多邊形內。n計算過程：通常是計算線與多邊形的交點、只要相交，就產(chǎn)生一個結點，將原線打斷成

5、一條條弧段，并將原線和多邊形的屬性信息一起賦給新弧段。n計算結果：疊加的結果產(chǎn)生了一個新的數(shù)據(jù)層面，每條線被它穿過的多邊形打斷成新弧段圖層，同時產(chǎn)生一個相應的屬性數(shù)據(jù)表記錄原線和多邊形的屬性信息。（示意圖）n應用舉例：根據(jù)疊加的結果可以確定每條弧段落在哪個多邊形內，可以查詢指定多邊形內指定線穿過的長度。n如果線狀圖層為河流，疊加的結果是多邊形將穿過它的所有河流打斷成弧段、可以查詢任意多邊形內的河流長度，進而計算它的河流密度等；n如果線狀圖層為道路網(wǎng)，疊加的結果可以得到每個多邊形內的道路網(wǎng)密度，內部的交通流量，進入、離開各個多邊形的交通量，相鄰多邊形之間的相互交通量。 線與多邊形疊加示意圖多邊形

6、與多邊形的疊加n概念n處理過程nARC/INFO中空間疊加分析n空間疊加(Identify;Intersect;Union)n要素提取(Clip;Erasecov;Split)n要素合并(Disslove,Reselect)n圖層數(shù)據(jù)的合并與分解(Mapjoin;Split)n圖層更新(Update)n應用舉例多邊形與多邊形的疊加概念n多邊形疊加將兩個或多個多邊形圖層進行疊加產(chǎn)生一個新多邊形圖層的操作 ，用以解決地理變量的多準則分析、區(qū)域多重性的模擬分析、地理特征的動態(tài)變化分析，以及圖幅要素的更新、圖幅的拼接和區(qū)域信息的提取等。多邊形與多邊形的處理過程n幾何求交過程：首先求出所有多邊形邊界線的

7、交點，再根據(jù)這些交點重新進行多邊形拓撲運算，對新生成的拓撲多邊形圖層的每個對象賦一多邊形唯一標識碼，同時生成一個與新多邊形對象一一對應的屬性表。n屬性分配過程：最典型的方法是將輸入圖層對象的屬性拷貝到新對象的屬性表中，或把輸入圖層對象的標識作為外鍵直接關聯(lián)到輸入圖層的屬性表 UnionIntersectIdentifyClipMapjoinReselectDissolveSplit柵格圖層疊加n柵格數(shù)據(jù)一個最為突出的優(yōu)點是能夠極為便利地進行同地區(qū)多層面空間信息的自動復合疊置分析。n在各類空間現(xiàn)象或空間過程空間的模擬中有著極為廣泛的應用。常被用來進行區(qū)域適應性評價、資源開發(fā)利用、規(guī)劃等多因素分析

8、研究工作 F(X)可以是邏輯運算，算術運算和函數(shù)運算的形式。柵格圖層算術疊加緩沖區(qū)分析n基本概念n算法原理n應用舉例n分析討論緩沖區(qū)分析概念n地學原理：在地理學分析當中，有時需要確定某些地理實體對鄰近對象的輻射范圍或影響程度。例如，在城市研究當中，當改變某個轄區(qū)的行政邊界時，需要通知一定距離內的居民；在林業(yè)規(guī)劃中，需要按照距河流一定的縱深范圍來規(guī)劃森林的砍伐區(qū)，以防止水土流失；在地震帶，要按照斷裂線的危險等級，繪出圍繞每一斷裂線的不同寬度的緩沖帶，作為警戒線；在土地評價當中，要根據(jù)離開交通線的遠近，進行成本估算等等。n定義：根據(jù)分析對象的點、線、面實體，自動建立他們周圍一定距離的帶狀區(qū)，用以識

9、別這些地理實體鄰近對象的輻射范圍或影響程度，以便為分析和決策提供依據(jù)。它是GIS所提供的重要和基本的空間操作功能之一。緩沖區(qū)分析算法原理n點的緩沖區(qū)生成：以點為圓心，以一定的距離為半徑畫圓n線的緩沖區(qū)生成：分別以每一個頂點和每條邊生成緩沖區(qū)，然后對這些緩沖區(qū)進行多邊形疊加操作n面的緩沖區(qū)生成：首先生成多邊形周長緩沖區(qū)（線緩沖區(qū)），然后與原始多邊形疊加操作，多邊形的緩沖區(qū)有內側和外側之分。n多重緩沖區(qū)的操作：以不同半徑首先生成一定寬度的緩沖區(qū)，然后對不同半徑的緩沖區(qū)進行疊加操作。緩沖區(qū)分析應用舉例n在進行緩沖區(qū)分析時，通常將研究問題抽象為以下三類因素進行分析確定主體，表示分析的主要目標確定客體，

10、表示受到主體影響的地理實體確定作用條件，表示主體對客體施加影響的方式。（線性模型，指數(shù)模型，對數(shù)模型等）線緩沖分析多重緩沖分析線緩沖分析多重緩沖分析分析討論n生成緩沖區(qū)的主要目的是為了進一步進行空間疊加分析或圖形運算。網(wǎng)絡分析n地學原理n數(shù)據(jù)結構n基本功能網(wǎng)絡分析地學原理n網(wǎng)絡分析是運籌學模型中的一個基本模型，它的根本目的是研究、籌劃一項網(wǎng)絡工程如何安排，并使其運行效果最好，如一定資源的最佳分配，從一地到另一地的運輸費用最低等。其基本思想則在于人類活動總是趨于按一定目標選擇達到最佳效果的空間位置。這類問題在社會經(jīng)濟活動中不勝枚舉。n對地理網(wǎng)絡(如交通網(wǎng)絡)、城市基礎設施網(wǎng)絡(如各種網(wǎng)線、電力線

11、、電話線、供排水管線等)進行地理分析和模型化，是地理信息系統(tǒng)中網(wǎng)絡分析功能的主要目的。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)結構n鏈(Link)，網(wǎng)絡中流動的管線，如街道、河流、水管等。其狀態(tài)屬性包括阻力和需求。n結點(Node)，網(wǎng)絡中鏈的結點，如港口、車站、電站等，其狀態(tài)同性包括阻力和需求等。下面幾種特殊的類型。n障礙(Barrier)，禁止網(wǎng)絡中鏈上流動的點；n拐點(Turn)，出現(xiàn)在網(wǎng)絡鏈中的分割結點上，狀態(tài)屬性有阻力，如拐彎的時間和限制(如在8：00到18：00不允許左拐)；n中心(Centre)，是接受或分配資源的位置，如水庫、商業(yè)中心、電站等，其狀態(tài)屬性包括資源容量(如總量)、阻力限額(中心到鏈的最大距離或時

12、間限制)。n站點(Stop)，在路徑選擇中資源增減的結點，如庫房、車站等其狀態(tài)屬性有資源需求，如產(chǎn)品數(shù)量 中心網(wǎng)絡分析的基本功能n路徑分析 n地址匹配 n地址匹配實質是對地理位置的查詢，它涉及到地址的編碼。地址匹配與其它網(wǎng)絡分析功能結合起來，可以滿足實際工作中非常復雜的分析要求。n資源分配 路徑分析n靜態(tài)求最佳路徑：在給定每條鏈上的屬性后，求最佳路徑 nN條最佳路徑分析：確定起點或終點，求代價最小的N條路徑，因為在實踐中最佳路徑的選擇只是理想情況。由于種種因素而要選擇近似最優(yōu)路徑。 n最短路徑或最低耗費路徑：確定起點、終點和要經(jīng)過的中間點、中間連線，求最短路徑或最小耗費路徑。 n動態(tài)最佳路徑分

13、析：實際網(wǎng)絡中權值是隨權值關系式變化的，可能還會臨時出現(xiàn)一些障礙點，需要動態(tài)的計算最佳路徑 。n動態(tài)分段：給定一條路徑由多段聯(lián)系組成，要求標注出這條路上的公里點或要求定位某一公路上的某一點，標注出某條路上從某一公里數(shù)到另一公里數(shù)的路段。 最短路徑地址匹配尋找最近的設施（醫(yī)院）數(shù)字地面模型nDTM概述nDTM數(shù)據(jù)采集nDTM表示nDTM的空間內插方法nDTM在地圖制圖與地學分析中的應用 數(shù)字地面模型概述DTM數(shù)據(jù)采集n以航空或航天遙感圖像為數(shù)據(jù)源n以地形圖為數(shù)據(jù)源 n以地面實測記錄為數(shù)據(jù)源 n其它數(shù)據(jù)源 全數(shù)字攝影測量左航片右航片DEMDTM表示n數(shù)學分塊曲面表示法 n這種方法把地面分成若干個塊

14、，每塊用一種數(shù)學函數(shù)，如傅立葉級數(shù)高次多項式、隨機布朗運動函數(shù)等，以連續(xù)的三維函數(shù)高平滑度地表示復雜曲面，并使函數(shù)曲面通過離散采樣點。這種近似數(shù)學函數(shù)表示的DTM不太適合于制圖，但廣泛用于復雜表面模擬的機助設計系統(tǒng)。n規(guī)則格網(wǎng)表示法 n不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)表示法 規(guī)則格網(wǎng)表示法n規(guī)則格網(wǎng)表示方法是把DTM表示成高程矩陣 DTMHij, i=1，2， m-l，m； j1，2， n-1,n 。nDTM來源于直接規(guī)則矩形格網(wǎng)采樣點或由規(guī)則或不規(guī)則離散數(shù)據(jù)點內插產(chǎn)生。由于計算機對矩陣的處理比較方便，特別是以柵格為基礎的GIS系統(tǒng)中高程矩陣已成為DTM最通用的形式。n規(guī)則的格網(wǎng)系統(tǒng)也有下列缺點：地形簡

15、單的地區(qū)存在大量冗余數(shù)據(jù)；如不改變格網(wǎng)大小，則無法適用于起伏程度不同的地區(qū)；由于柵格過于粗略，不能精確表示地形的關鍵特征，如山峰、洼坑、山脊、山谷等 按正方形交點布網(wǎng)按圓錐網(wǎng)交點布網(wǎng)按等邊三角形交點布網(wǎng)不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)表示法n不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network，TIN)是專為產(chǎn)生DTM數(shù)據(jù)而設計的一種采樣表示系統(tǒng)。nTIN表示法利用所有采樣點取得的離散數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合的原則，把這些離散點(各三角形的頂點)連接成相互連續(xù)的三角面(在連接時，盡可能地確保每個三角形都是銳角三角形或是三邊的長度近似相等)nTIN克服了高程矩陣中冗余數(shù)據(jù)的問題，而且能更加

16、有效地用于各類以DTM為基礎的計算。因為TIN可根據(jù)地形的復雜程度來確定采樣點的密度和位置，能充分表示地形特征點和線，從而減少了地形較平坦地區(qū)的數(shù)據(jù)冗余。DTM模型的應用n地形因子的自動提取 n空間矢量分析n坡度提取n坡向提取n其他因子的提取n等高線提取n立體透視圖nDEM可視化n在水文和土木工程中的應用坡度提取jijinznz,cos212221,1, 1, 1,2, 11, 1,1,4)()(/2arccosyxzzzzxzzzzyyxjijijijijijijijin激活DEM數(shù)據(jù)所在的主題層，選擇Surface菜單下的命令即可。坡向提取)(/)(tan)/(tan11,jByjAxxy

17、jijinn) 1, 2(), 1 () 1, 2(), 2(), 2(), 1 () 1, 2() 1, 1 ()(;)(jjjjjjjjzzzzjBzzzzjA【Arcview系統(tǒng)演示】激活DEM數(shù)據(jù)所在的主題層，選擇Surface菜單下的命令即可 等高線提取n利用DEM繪制等高線圖，是以格網(wǎng)點高程數(shù)據(jù)或者將離散的高程數(shù)據(jù)由柵格追蹤法原理轉換為矢量等值線所產(chǎn)生的。該方法可以適用于所有的利用格網(wǎng)數(shù)據(jù)方法繪制等值線圖。立體透視圖n透視圖能更好地反映地形的立體形態(tài)，計算機自動繪制透視立體圖的理論基礎是透視原理，而DEM是其繪制的數(shù)據(jù)基礎 建立透視變換基礎DEM高程陣列剖面布設消除隱藏線處理粘貼表面影象與紋理制作透視立體圖的基本流程立體透視圖2DEM可視化n可視化n地貌暈渲制圖n通視性分析n飛行模擬n虛擬城市可視化地貌暈渲制圖n暈渲圖是以通過模擬實際地面本影與落影的方法有效反映地形起伏的重要的地圖制圖學方法。在各種小比例尺地形圖、地理圖，以及各類有關專題地圖上得到非常廣泛的應用。但是，傳統(tǒng)的人工描繪暈渲圖的方法不但費工、費時，而且?guī)в泻艽蟮闹饔^因素。而利用DEM數(shù)據(jù)作為信息源，在地面光照通量數(shù)學函數(shù)為自變量，計算該柵格應選用輸出的灰度值。由此產(chǎn)生的暈渲圖具有相當逼真的立體效果。