GIS矢量數(shù)據(jù)的空間分析

1、GIS矢量數(shù)據(jù)的空間分析 緩沖區(qū)分析 疊置分析 網(wǎng)絡(luò)分析1. 緩沖區(qū)的基礎(chǔ) 緩沖區(qū)是地理空間，目標的一種影響范圍或服務(wù)范圍在尺度上的表現(xiàn)，是給定空間對象或集合后獲得的它們的領(lǐng)域，而鄰域的大小由鄰域的半徑或緩沖區(qū)建立條件來決定，因此對于一個給定的對象A，它的緩沖區(qū)可以定義為：（d一般是指歐式距離，也可以是其它的距離，其中r為鄰域半徑或緩沖區(qū)建立的條件）( ,)Px d x Ar點狀要素緩沖區(qū)線狀要素緩沖區(qū)面狀要素緩沖區(qū)圖7.1 緩沖區(qū)示意圖2. 緩沖區(qū)的建立點狀要素：直接以其為圓心，以要求的緩沖區(qū)距離大 小為半徑繪圓，所包容的區(qū)域即為所要求區(qū)域 。線狀要素：做邊的平行線，并考慮其端點處建立的原則

2、，即可建立緩沖區(qū)，常用的方法有角平分線法和凸角圓弧法 。面狀要素：做其邊線的平行線，建立方法與線狀要素相同，但要考慮內(nèi)在緩沖區(qū)和外圍緩沖區(qū)的區(qū)別在ArcGIS中緩沖區(qū)建立有如下三種不同的方式：1）以一個給定的距離建立緩沖區(qū)（At a specified distance ）2）以分析對象的屬性值作為權(quán)值建立緩沖（Based on a distance from an attribute ）3）建立一個給定環(huán)個數(shù)和間距的分級緩沖區(qū) （An multiple buffer rings ）圖7.2 緩沖區(qū)建立的三種方式1）2）3）在ArcGIS中完成緩沖區(qū)的建立時需要注意的：1）緩沖區(qū)相交的地區(qū)選擇

3、融合或相互獨立（Dissolve barriers between or not）2）對多邊形進行的內(nèi)緩沖和外緩沖的選擇（inside or outside） 圖7.3 完成緩沖區(qū)之前應(yīng)注意的區(qū)域1）2）圖7.4 點狀要素的緩沖區(qū)圖7.5 線狀要素的緩沖區(qū) 面狀要素的緩沖區(qū)幾種形式：1）inside and outside（內(nèi)外緩沖區(qū)之和）2）only outside（僅僅只有外緩沖區(qū)）3）only inside（僅僅只有內(nèi)緩沖區(qū)）4）outside and include inside（外緩沖區(qū)和原有圖形之和）如右圖7.6為建立緩沖區(qū)之前的原始面狀要素：圖7.6 原始面狀要素Inside a

4、nd outsideonly outsideonly insideOutside and include inside圖7.7 四種不同的面狀要素的緩沖區(qū)除此之外，緩沖區(qū)還可以利用距離制圖的方法來獲得，但是距離制圖方法是基于柵格數(shù)據(jù)形式來進行緩沖區(qū)的建立，它的過程和結(jié)果都是柵格數(shù)據(jù)，與矢量的緩沖區(qū)建立的方法有著本質(zhì)的區(qū)別疊置分析的基礎(chǔ) 疊置分析是將有關(guān)主題層組成的各個數(shù)據(jù)層面進行疊置產(chǎn)生一個新的數(shù)據(jù)層面，其結(jié)果綜合了原來兩個或多個層面要素所具有的屬性，同時疊置分析不僅生成了新的空間關(guān)系，而且還將輸入的多個數(shù)據(jù)層的屬性聯(lián)系起來產(chǎn)生了新的屬性關(guān)系。 疊置分析是對新要素的屬性按一定的數(shù)學模型進行計算

5、分析，其中往往涉及到邏輯交、邏輯并、邏輯差等的運算。 2.疊置分析操作方法分類1）圖層擦除（Erase）2）識別疊加（Identity） 3）交集操作（Intersect） 4）均勻差值（Symmetrical difference） 5）圖層合并（Union） 6）修正更新（Update） 3.疊置分析的操作對象 在ArcGIS中疊置分析可以對多個格式的圖層進行操作具體如下：1）shape file文件2）coverage文件3）GeoDatabase里面的要素注：對coverage文件操作需要安裝ArcGIS Workstaion才行。3.疊置分析方法1）圖層擦除（Erase）圖層擦除是指

6、輸入圖層根據(jù)擦除圖層的范圍大小，將擦除參照圖層所覆蓋的輸入圖層內(nèi)的要素去除，最后得到剩余的輸入圖層的結(jié)果。從數(shù)學的空間邏輯運算的角度來說，即（即 且 ，A為輸入圖層，B為擦除層） AABAABAABAABxAxB多邊形與多邊形點與多邊形線與多邊形圖7.8 圖層擦除的三種形式2）識別疊加（Identity） 識別疊加是指輸入圖層和另外一個圖層進行識別疊加，在圖形交迭的區(qū)域，識別圖層的屬性將賦給輸入圖層在該區(qū)域內(nèi)的地圖要素，同時也有部分的圖形的變化在其中。 多邊形與多邊形點與多邊形線與多邊形圖7.9 識別疊加的三種形式3）交集操作（Intersect） 交集操作是得到兩個圖層的交集部分，并且原圖層

7、的所有屬性將同時在得到的新的圖層上顯示出來。在數(shù)學運算上表現(xiàn)如:（A,B分別是進行交集的兩個圖層）。 xAB點與多邊形點與點點與線線與線點，線和面混合多邊形與多邊形線與多邊形圖7.10 交集操作的七種形式4）均勻差值（Symmetrical difference） 在矢量的疊置分析中也有為了獲得兩個圖層去掉它們之間的公共部分，而只需要剩下的部分，同時對原有圖層的空間上的分布也進行一定區(qū)域內(nèi)的調(diào)整，新生成的圖層的屬性也是綜合兩者的屬性而產(chǎn)生的。利用數(shù)學的空間邏輯運算的方式表示就是：（A,B分別是進行交集的兩個圖層）。 ()xABAB 在ArcGIS中，在均勻差值操作時，無論是輸入圖層或差值圖層都

8、必須是多邊形圖層，雖然在理論上，點和線與其依然可以進行此類疊置分析，但從層面的角度來考慮，不同維數(shù)的幾何形態(tài)如線和多邊形進行均勻差值的疊置分析，最后會得到同一層面內(nèi)會存在不同的幾何形態(tài)如一部分是多邊形而另一部分是線的情況，即一種層面出現(xiàn)兩種形態(tài)，故而在ArcGIS規(guī)定了只能對多邊形進行此類操作 圖7.11 均勻插值操作5）圖層合并（Union） 圖層合并是通過把兩個圖層的區(qū)域范圍聯(lián)合起來而保持來自輸入地圖和疊加地圖的所有地圖要素。在布爾運算上用的是or關(guān)鍵字，即輸入圖層or疊加圖層，因此輸出的圖層應(yīng)該對應(yīng)于輸入圖層或疊加圖層或兩者的疊加的范圍。從數(shù)學角度來表示就是：（A,B分別是進行交集的兩個

9、圖層）。 x xAB 在圖層合并的同時要求兩個圖層的幾何特性必須全部是多邊形。圖層合并將原來的多邊形要素分割成新要素，新要素綜合了原來兩層或多層的屬性。多邊形圖層合并的結(jié)果通常就是把一個多邊形按另一個多邊形的空間格局分布幾何求交而劃分成多個多邊形，同時進行屬性分配過程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(guān)聯(lián)到輸入圖層的屬性表中。 圖7.12 圖層合并操作6）修正更新（Update） 修正更新是指首先對輸入的圖層和修正圖層進行幾何相交的計算，然后輸入的圖層被修正圖層（一般為多邊形）覆蓋的那一部分的屬性將被修正圖層而代替。而且如果兩個圖層均是多邊形要素的

10、話，那么兩者將進行合并，并且重疊部分將被修正圖層所代替，而輸入圖層的那一部分將被擦去。 多邊形與多邊形點與多邊形線與多邊形圖7.13 修正更新的三種形式 另外，在疊置分析中最常見的誤差是破碎多邊形，也就是在兩個輸入地圖的相關(guān)或共同邊界，相交的地方會出現(xiàn)非常細小的多邊形區(qū)域。這時就需要設(shè)置一定的容錯量來消除這種細小多邊形。網(wǎng)絡(luò)分析概念 空間數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)分析是對地理網(wǎng)絡(luò)，城市基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)（如各種網(wǎng)線，電纜線，電力線， 線，供水線，排水管道等）進行地理化和模型化，基于它們本身在空間上的拓撲關(guān)系、內(nèi)在聯(lián)系、跨度等屬性和性質(zhì)來進行空間分析，通過滿足必要的條件得到合理的結(jié)果。 網(wǎng)絡(luò)分析的理論基礎(chǔ)是圖論和運籌

11、學，它是從運籌學的角度來研究，統(tǒng)籌，策劃一類具有網(wǎng)絡(luò)拓撲性質(zhì)的工程如何安排各個要素的運行使其能充分發(fā)揮其作用或達到所預(yù)想的目標，即利用統(tǒng)籌學建立模型，采用數(shù)學圖論的方法來實現(xiàn)這個模型，最終得到結(jié)果，從而指導(dǎo)現(xiàn)實和應(yīng)用，故而對網(wǎng)絡(luò)分析的研究在空間分析中占有著極其重要的意義。 2. 網(wǎng)絡(luò)的組成和建立 1）網(wǎng)絡(luò)的基本組成一般網(wǎng)絡(luò)的組成ArcGIS中網(wǎng)絡(luò)的組成 一般網(wǎng)絡(luò)的組成包括以下幾個部分u 線狀要素網(wǎng)絡(luò)中流動的管線，包括有形物體和無形物體兩種，其狀態(tài)屬性包括阻力和需求u 點狀要素包括有障礙，拐角點，中心，站點，ArcGIS中網(wǎng)絡(luò)的組成 而在ArcGIS網(wǎng)絡(luò)分析中涉及的網(wǎng)絡(luò)是由一系列要素類別組成的，

12、可以度量并能圖形表達的網(wǎng)絡(luò)，又稱之為幾何網(wǎng)絡(luò)。圖形的特征可以在網(wǎng)絡(luò)上表現(xiàn)出來，同時也可以在同一個網(wǎng)絡(luò)中表示出如運輸線、閘門、保險絲與變壓器等不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)。一個幾何網(wǎng)絡(luò)包含了線段與交點的連結(jié)信息且定義出部分規(guī)則，如：哪一個類別的線段可以連至某一特定類別的交點，或某兩個類別的線段必須連至哪一個類別的交點。2）網(wǎng)絡(luò)的建立 一般情況下網(wǎng)絡(luò)的建立 ArcGIS中的幾何網(wǎng)絡(luò)的建立一般情況下網(wǎng)絡(luò)的建立 網(wǎng)絡(luò)是通過將內(nèi)在的線，點等要素在相應(yīng)的位置繪出后，然后根據(jù)他們的空間位置以及各種屬性特征從而建立它們的拓撲關(guān)系，使得它們能成為網(wǎng)絡(luò)分析中的基礎(chǔ)部分，基于其能進行一定的網(wǎng)絡(luò)空間分析和操作 ArcGIS中網(wǎng)絡(luò)的

13、建立 一個整的幾何網(wǎng)絡(luò)必須首先建立一個空的空間圖形網(wǎng)絡(luò)然后再加入其各個屬性特征值，一旦網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)被建立起來，全部數(shù)據(jù)被存放在地理數(shù)據(jù)庫中，由數(shù)據(jù)庫的生命循環(huán)周期來維持其運作。當使用者使用或編輯其部分或全部圖形屬性特征數(shù)據(jù)時，都將以原先的地理數(shù)據(jù)庫中調(diào)出其已經(jīng)定義好的連接規(guī)則和相互關(guān)系為基礎(chǔ)。在ArcGIS中建立的幾何網(wǎng)絡(luò)的格式是GeoDataBase，將其全部的數(shù)據(jù)和組成部分封裝在一個文件中3. ArcGIS網(wǎng)絡(luò)分析數(shù)據(jù)的預(yù)處理1）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的符號化2）幾何網(wǎng)絡(luò)要素的添加和刪除3）網(wǎng)絡(luò)連通性的變更4）網(wǎng)絡(luò)可運行性的編輯1）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的符號化 網(wǎng)絡(luò)的線狀要素的屬性存在著可運行和不可運行情形，稱之為可運

14、行性?？蛇\行的要素允許資源流動通過，不可運行的要素則不允許。這項信息被儲存在該要素類別屬性表格中的Enable字段，值為代表可運行的，值為代表不可運行的。使用屬性來符號化要素可以很快的定義出哪些圖征是可運行的，哪些是不可運行的。 圖7.14 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)符號化(注：其中紅色為不可運行）2）幾何網(wǎng)絡(luò)要素的編輯 添加新的幾何網(wǎng)絡(luò)要素和直接在數(shù)據(jù)庫中添加數(shù)據(jù)要素是類似的，稍稍不同的是當新的幾何網(wǎng)絡(luò)要素被添加到幾何網(wǎng)絡(luò)中的時候，它在空間上和其他網(wǎng)絡(luò)要素在空間上的拓撲連接關(guān)系將同時由地理數(shù)據(jù)庫自動產(chǎn)生并同時保存在其中，以便以后分析使用。 3）網(wǎng)絡(luò)連通性的變更 由于時間或空間的變化使得網(wǎng)絡(luò)中的空間連通性發(fā)生了

15、一定的變化，例如城市中有些道路因為修路的原因而使得不能通過。要注意的是解除連通性并非是將要素從數(shù)據(jù)庫中刪除，只是移除了它與其他要素在空間上的關(guān)聯(lián)；同樣建立連通性是將該要素與其他要素相聯(lián)結(jié)在一起，建立它們之間的空間關(guān)聯(lián)。4）網(wǎng)絡(luò)可運行性的編輯 幾何網(wǎng)絡(luò)中的任何幾何網(wǎng)絡(luò)要素都可以是可運行的或不可運行的。在幾何網(wǎng)絡(luò)中預(yù)設(shè)的所有的要素都是可以運行的，而不可運行的要素可以把那處的當作網(wǎng)絡(luò)中的中斷來處理,而不需要真的移除它與其他空間網(wǎng)絡(luò)要素的空間關(guān)系，例如單行道。在ArcGIS中網(wǎng)絡(luò)的運行性可以通過編輯需要操作的要素屬性中的Enabled屬性來修改 4. 網(wǎng)絡(luò)分析的基本功能1）應(yīng)用方面一般網(wǎng)絡(luò)分析的基本功

16、能2）原理方面ArcGIS中網(wǎng)絡(luò)分析的基本功能1）一般網(wǎng)絡(luò)分析的基本功能 從實際應(yīng)用的方面來說，網(wǎng)絡(luò)分析的基本功能是基于幾何網(wǎng)絡(luò)的特征和屬性，利用距離、權(quán)重和規(guī)劃條件來進行分析得到結(jié)果并且應(yīng)用在實際中，它主要包括： 路徑分析地址匹配資源分配2）ArcGIS中網(wǎng)絡(luò)分析的基本功能 從原理方面來說，網(wǎng)絡(luò)分析主要是從網(wǎng)絡(luò)流的流向方面和路徑的追蹤研究上著手的，故而在ArcGIS中將網(wǎng)絡(luò)分析劃分為流向分析追蹤分析流向分析A）流向的決定因素B）流向的分類C）流向的顯示D）流向的變更A）流向的決定因素在網(wǎng)絡(luò)中的流動方向是決定于：u 網(wǎng)絡(luò)的連通性 u 網(wǎng)絡(luò)中起點或終點要素的位置 u 網(wǎng)絡(luò)要素的可運行性 B）流向

17、的分類網(wǎng)絡(luò)邊要素的流向可以分為三個類別： 確定的流向 不確定的流向 未初始化的流向 在流向的確定的里面要著重要注意的是：一般城市中存在著回路（連通圖）所以在網(wǎng)絡(luò)中很多的流向就是變成了不確定的流向。C）流向的顯示 網(wǎng)絡(luò)流向功能是設(shè)定網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中資源的流動方向。ArcGIS將此信息儲存在網(wǎng)絡(luò)的線段圖征中，使用設(shè)施網(wǎng)絡(luò)分析工具條（Utility Network Analyst）就可以顯示網(wǎng)絡(luò)邊要素的流向 圖7.15設(shè)施網(wǎng)絡(luò)分析工具條（Utility Network Analyst） 圖7.16 流向顯示圖確定流向不確定流向D）流向的變更 當幾何網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變更時，則必須對流向進行重新的設(shè)定，具體有以下幾種

18、情形：建立了一個新的幾何網(wǎng)絡(luò)時；對幾何網(wǎng)絡(luò)中的要素進行了增加或者刪除；對網(wǎng)絡(luò)要素進行修改后，使得幾何網(wǎng)絡(luò)中的拓撲關(guān)系發(fā)生變化；增加或者刪除起點或終點；網(wǎng)絡(luò)要素的連通性發(fā)生改變；網(wǎng)絡(luò)要素的可運行性發(fā)生變化； 變更主要是在對已設(shè)定為起點或者終點的結(jié)點網(wǎng)絡(luò)要素的AncillaryRole屬性 進行修改，選擇Source（起點）或Sink（終點）。 追蹤分析A）追蹤分析里的基礎(chǔ)B）追蹤分析的基本功能A）追蹤分析里的基礎(chǔ) 旗標與障礙 可運行要素和圖層 權(quán)重 權(quán)重過濾器 已追蹤要素與終止追蹤要素 旗標與障礙 旗標定義為追蹤的起點。旗標可以放置在任何交點或線段上，在執(zhí)行追蹤操作時，使用這些線段或交點作為追蹤

19、操作的起點，而連結(jié)至這些線段或交點的網(wǎng)絡(luò)元素就會被包含進追蹤的結(jié)果。 障礙則是用來隔離某個部分的網(wǎng)絡(luò)，可以放置在任何交點或線段上，在執(zhí)行追蹤操作時，將這些網(wǎng)絡(luò)要素當成不可運行，以防追蹤工作延續(xù)至這些要素上。可運行要素和圖層 在某個特定的位置設(shè)置障礙是致使要素不可運行的最常用的一種方法，這在空間的交通幾何網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)當將這段道路要素當成是不可運行狀態(tài)，這說明在交通流動中將停止在這個要素上的追蹤。 另外在一些追蹤分析中，不需要對幾何網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中的一個層面進行研究分析，故而需要將整個這個層面設(shè)置成不可運行的，那么追蹤分析將不會對這個層面上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行分析研究的。權(quán)重 建立網(wǎng)絡(luò)時，根據(jù)需要設(shè)定哪些線段與交點要素的屬性為權(quán)重，可以使用這些權(quán)重來指定在追蹤操作結(jié)果內(nèi)的要素的成本。 對點狀要素而言，可以使用一個簡單的權(quán)重； 對線狀要素而言，有兩種權(quán)重可以使用：一是順著線狀要素的數(shù)化方向（From-to）的權(quán)重，另一是逆著線狀要素數(shù)字化的方向（To-from）的權(quán)重。順著線狀要素的數(shù)字化方向是指該要素的端點在地理數(shù)據(jù)庫中的儲存順序，不同方向的結(jié)果有不同的權(quán)重。權(quán)重過濾器 為了限制部分可能被追蹤到的網(wǎng)絡(luò)要素，而采用權(quán)重過濾器這種方法，可以為那些可能被追蹤到的網(wǎng)絡(luò)要素設(shè)定一定的權(quán)重值有效范圍，以便在追蹤分析中使用。對于點狀要素可以僅僅使用一個簡單的