第六章空間(一)

地理信息系統(tǒng)基礎與實踐GeographicalInformationSystem

TheoryandPractice

第六章空間分析（一）旅游與地理學院陳世發(fā)2023/1/151韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)學習目標：1、理解圖文互訪；2、掌握點、線、面相互關系的查詢；3、了解空間量算的各種方法及應用4、理解疊置分析的概念和類型5、掌握多邊形疊置分析的步驟和方法6、理解緩沖區(qū)的概念和作用，并能說明其應用方法7、了解泰森多邊形、網絡分析在地學中的主要用途8、掌握數字高程模型與數字地形模型的概念、作用與表示方法。重點難點：執(zhí)行空間分析的方法和步驟；DTM和DEM2023/1/152韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)空間分析的定義●空間數據分析1、描述空間對象的非空間特性2、方法：概率、數理統(tǒng)計等數學方法●數據空間分析1、描述空間對象的空間位置、關系，對空間對象進行定量描述2、方法：空間統(tǒng)計學、圖論、拓撲學、計算幾何等?！龆x：空間分析是基于地理對象的位置和形態(tài)特征的空間數據分析技術，提取與產生新的空間信息的技術和過程?？臻g分析目的是通過對空間數據的分析處理，獲取地理對象的空間位置、空間分布、空間形態(tài)、空間演變等新信息。2023/1/153韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)空間分析分類1、按分析方法分類(1)GIS系統(tǒng)提供的空間分析查詢檢索分析、形態(tài)分析、地形分析、疊置分析、空間統(tǒng)計分析等。(2)專用空間模型分析2、按用戶交互方式分類（1）咨詢式空間分析：實現空間數據的查詢檢索及集合分析。（2）產生式空間分析。3、按空間數據特征分類（1）空間數據的空間特性分析空間位置分析：指通過空間坐標系中坐標值來確定空間物體的地理位置。空間分布分析：定位信息?？臻g形態(tài)分析：幾何特征?？臻g關系分析：空間關系反映了空間物體之間的各種關系。（2）空間數據的非空間特性分析主要是基于數據庫的統(tǒng)計分析。2023/1/154韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)基本的空間分析包括以下方面：空間查詢6.1

空間量算6.1

緩沖區(qū)分析6.3

疊加分析6.4

網絡分析6.5

空間統(tǒng)計分析6.2

空間插值5.7

數字高程模型6.6

空間建模與空間決策支持系統(tǒng)

6.7面向應用的分析簡單的空間分析復雜的空間分析2023/1/155韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)第一節(jié)、空間查詢 ■空間查詢是空間分析基礎，任何空間分析都開始于空間查詢。 ●回答用戶的簡單問題 ●不改變空間數據庫數據 ●不產生新的空間實體和數據 ●空間查詢技術由簡單到復雜空間數據庫查詢條件屬性限制空間拓撲限制二者結合GIS軟件查詢結果統(tǒng)計結果：圖、表、文字新圖層新的屬性域添加到屬性數據庫查詢方式圖形--屬性空間查詢語言閃爍、顏色等明顯表示1、空間查詢方式？2、查詢結果顯示？2023/1/156韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)SQL實現，后按照屬性數據和空間數據的對應關系顯示圖形。1、基于屬性（非空間）特征的查詢標號植被面積101工業(yè)地169102林地122103農地230104林地100基于屬性（非空間）特征的查詢102104103101（一）、空間數據查詢的類型空間特征的查詢通常指以圖形、圖像或符號為語言元素的可視化查詢。屬于“圖到屬性的查詢”。首先找出空間地理對象，然后，再根據GIS中屬性數據和空間數據的對應關系找出顯示地理對象的屬性，并可進一步進行相關的統(tǒng)計分析。2、基于空間特性的查詢2023/1/157韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)3、結合空間特性和非空間（屬性）特征的查詢指查詢條件中同時涉及空間特征和屬性特征。例：從中國地圖上查同北京的距離(查空間中距離)小于2000km、長江以南(查空間中位置)、人口數大于100萬的城市。本例中查人口數大于100萬的城市，屬于屬性查詢；查同北京的距離(查空間中距離)小于2000km的城市，屬于空間距離查詢；查長江以南的城市，屬于方位查詢。4、地址匹配將以文字、數字表達的位置信息轉換表達為幾何上的空間位置從街道的自然地址來查詢事物的空間位置是GIS一種特有的查詢方法，這種查詢往往需要建立DIME的地理編碼。2023/1/158韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)圖查文(幾何查詢)文查圖(屬性查詢)邏輯查詢(SQL查詢)空間關系的查詢居民點地理位置煙臺市轄區(qū)的周長、面積等信息。水系長度及地理位置2023/1/159韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)（二）、空間數據查詢的數學基礎主要使用布爾代數方法，即按照兩個邏輯子集在給定的條件下進行邏輯運算。AND(交)；OR（并）NOT（差）及其組合邏輯運算的結果為“真”或“假”。設屬性分別為A和B的兩個多邊形相交，形成的空間單元分別為1、2、3，則它們經布爾操作后的結果如表所示。運算條件運算結果123A.AND.B010A.OR.B111NOT.A001邏輯運算的真(1)或假(0)AB132多邊形相交及其形成的空間單元2023/1/1510韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)（三）、空間查詢的方法如Select所需數據項

From屬性表

Where條件表達式

or、and條件表達式進一步復雜的查詢還可以進行嵌套，如：Where的條件中，可以進一步嵌套Select語句1、基于SQL語言的空間查詢目前的GIS軟件常提供實現SQL查詢的對話框，使查詢更為簡單方便。優(yōu)點：適合關系表的查詢與操作。缺點：無法表達空間關系及空間運算操作。2023/1/1511韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)可視化查詢是指將查詢語言的元素，特別是空間關系，用直觀的圖形或符號表示。查詢主要使用圖形、圖像、圖標、符號來表達概念。具有簡單、直觀、易于使用的特點。缺點：當空間約束條件復雜時，很難用圖符描述；用二維圖符表示圖形之間的關系時，可能會出現歧義；難以表示“非”關系；不易進行范圍（圓、矩形、多邊形等）約束；無法進行屏幕定位查詢等。2、可視化空間查詢方法2023/1/1512韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)3、基于自然語言的查詢：在查詢語言中引入自然語言的概念優(yōu)點：查詢變得更加簡單和方便。缺點：在自然語言的量化時，與語言環(huán)境及專業(yè)領域相關。因此，很難作為通用的數據庫查詢語言。如：查詢高氣溫的城市：

SelectNameFromCities這里使用了一個自然語言的概念，即“溫度高”將“自然語言”轉換為“查詢語言”WhereTemperature>=33.75WhereTemperatureishigh實現過程4、超文本查詢方法超文本是由文本信息結點和結點間相關聯的鏈所組成的具有一定邏輯關系和語言查詢信息集成化的網絡。2023/1/1513韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)第二節(jié)、緩沖區(qū)分析鄰近度：描述了地理空間中兩個地物距離相近的程度，其確定是空間分析的一個重要手段。緩沖區(qū)：地理空間目標的一種影響范圍或服務范圍。緩沖區(qū)分析：根據分析對象的點、線、面實體，自動建立其周圍一定距離的帶狀區(qū)，用以識別這些實體或者主體對鄰近對象的輻射范圍或者影響程度，是解決臨近度問題的空間分析工具之一。（或：根據數據庫的點、線、面實體，自動建立其周圍一定寬度范圍內的緩沖區(qū)多邊形實體，從而實現空間數據在水平方向得以擴展的信息分析方法）一般認為緩沖區(qū)以內的信息均是與構成緩沖區(qū)的核心實體相關的，及鄰接或關聯關系，而緩沖區(qū)以外的數據與分析無關。1概念2023/1/1514韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)例1，在城市規(guī)劃管理中對某條道路進行擴建，道路兩邊均勻擴建30米寬，需要計算道路兩旁房屋拆遷費用。這時可以通過對道路建立30米的緩沖區(qū)，再查詢落入這個區(qū)域的房屋即可；例2：在工廠選址應用中，工廠需要建設在距離道路200米，距離河流500米，距離礦產50米的地方，就可分別對道路、河流和礦產分布區(qū)制作緩沖區(qū)，這些緩沖區(qū)的交集部分就是工廠選址的候選地點。2023/1/1515韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)（二）緩沖區(qū)的三種情況點要素的緩沖區(qū)原理：通常是以點為圓心、一定距離為半徑畫圓圖例線要素的緩沖區(qū)：原理：分別對每個頂點和每條邊生成緩沖區(qū)，然后對這些緩沖區(qū)進行疊置操作。通常形成以線為中心軸線、距其一定距離的平行條帶多邊形，圖例面要素的緩沖區(qū)：原理：面要素的緩沖區(qū)，通常是以面的閉合線為基礎、向內或向外生成的距其一定距離的多邊形。圖例2023/1/1516韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)3、空間緩沖區(qū)分析模型(1)緩沖區(qū)分析的三要素在進行空間緩沖區(qū)分析時，通常要將研究的問題抽象為以下三類要素:①主體

表示分析的主要目標，一般分為點源、線源和面源三種類。②鄰近對象表示受主體影響的客體。③對象的作用條件表示主體對鄰近對象施加作用的影響條件或強度。2023/1/1517韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)

Fi=f0(1-ri)

ri=di/d0

0<=ri<=1線性模型當主體對鄰近對象的影響度(Fi)隨距離(ri)的增大而呈線性形式衰減時，其表達式為:式中Fi為主體對鄰近對象的實際影響度；f0為主體自身的綜合規(guī)模指數；di為鄰近對象離開主體的實際距離；d0為主體對鄰近對象的最大影響距離。10.55010001影響度Fi距離ri線性模型(2)緩沖區(qū)分析模型根據主體對鄰近對象作用性質的不同，一般可采用以下三種不同的分析模型:2023/1/1518韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)Fi=f0(1-ri)2ri=di/d0

0<=ri

<=1

二次模型用于當主體對鄰近對象的影響度(Fi)隨距離(ri)的增大而呈二次形式衰減時，其表達式為:10.55010001影響度Fi距離Ri二次模型指數模型用于當主體對鄰近對象的影響度(Fi)隨距離(ri)的增大而呈指數形式衰減時其表達式為:Fi=f0(1-ri)ri=di/d0

0<=ri<=110.55010001影響度Fi距離Ri指數模型2023/1/1519韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)該算法的原理是首先對邊線作其平行線，然后在線狀要素的首尾點處，作其垂線并按緩沖區(qū)半徑r截出左右邊線的起止點，在其它的折點處，用與該點相關聯的兩個相鄰線段的平行線的交點來確定，如圖：該方法的缺點是在折點處，無法保證雙線的等寬性，而且當折點處的夾角越大，d的距離就越大，故而誤差就越大，所以要有相應得補充判別方案來進行校正處理。緩沖區(qū)計算的基本問題是雙線問題2023/1/1520韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)2.凸角圓弧法：該算法的原理是首先對邊線做其平行線，然后在線狀要素的首尾點處，作其垂線并按緩沖區(qū)半徑r截出左右邊線的起止點，然后以r為半徑分別以首尾點為圓心，以垂線截出的起止點為圓的起點和終點作半圓弧，在其它的折點處，首先判斷該點的凹凸性，在凸側用圓弧彌合，在凹側用與該點相關聯的兩個相鄰線段的平行線的交點來確定。如圖該方法在理論上保證了等寬性，減少了異常情況發(fā)生了概率，該算法在計算機實現自動化時非常重要的一點是對凹凸點的判斷，需要利用矢量的空間直角坐標系的方法來進行判斷處理。2023/1/1521韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)2023/1/1522韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)5空間緩沖區(qū)分析實例分析實例1

設在某研究區(qū)10km2區(qū)域內有三條道路，它們相關的幾何數據和屬性數據如表所示?，F以這些道路為主體，道路附近的居民出行為鄰近對象，試進行這些道路通達度的緩沖區(qū)分析。其分析和操作過程如下:表道路數據2023/1/1523韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)(1)計算道路的綜合規(guī)模標準化指數對上表所列的各項統(tǒng)計數據采用最大值標準化方法，得到上表的標準化指數f0

。標準化處理2023/1/1524韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)道路的最大影響距離將與該類道路的級別標準和總長度有關，級別標準愈高，則影響距離也愈大，一般按下式推算:d0=S/(2l)

式中：S為研究區(qū)面積：本例為10km2l為各級道路的長度：

lA=l0000m，lB=4286m，lC=35714m；則：道路A的d0

=S/(2lA)=500m，道路B的d0

=S/2(lA+lB)=350m，道路C的d0

=S/2(lA+lB+lC)=100m。(2)計算道路的最大影晌距離d02023/1/1525韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)(3)實施緩沖區(qū)操作道路通達度具有隨著離開道路中心線程迅速遞減的特點,因此實施道路通達度的緩沖區(qū)操作適宜選擇指數形式的分析模型。具體實現的技術途徑有以下兩種選擇:1)由設定di值→求Fi值→輸出緩沖區(qū)圖形的技術途徑①應用需求和道路的最大影響距離，分別設定它們的di值。例如:道路A的di值：100、200、300、400、500(m)；道路B的di值：50、100、150、200、250、300、350(m)；道路C的di值：25、50、75、100(m)。②根據式ri=di/d0

和Fi=f0(1-ri)分別計算所有道路在不同di時的ri和Fi值。③依據也值在道路的兩邊繪制平行線，在線的端點處繪制半圓，生成緩沖區(qū)多邊形，并在該緩沖區(qū)多邊形內賦以相應的屬性值Fi

，直至輸出全部圖形及其屬性。2023/1/1526韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)①首先對式Fi=f0(1-ri)作如下變換：di=d0(1-(lnFi/lnf0))②其次根據應用需求設定Fi值，例如:20、40、80、100等，并利用公式計算對應的di值。③依據di值生成道路兩邊的緩沖區(qū)多邊形，該緩沖區(qū)多邊形內部的屬性值便與事先設定的需求值相一致,同樣直至輸出全部圖形及其屬性。根據該技術途徑輸出的點狀、線狀、面狀實體的緩沖區(qū)分析圖。2)由設定Fi值→求di值→輸出緩沖區(qū)圖形的技術途徑。2023/1/1527韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)例：伐木公司的決策采伐樹種不同收益不同；可以砍伐的范圍；不得砍伐的區(qū)域：墓地周圍10km以內，水域沿岸1km以內。不允許新修公路（采伐點位于沿公路5km范圍內）；采伐點必須在雪線（1000m）以下；采伐點所在地坡度應小于5°；建數據庫：林區(qū)分布；河、湖、海分布；道路分布；墓地分布；地形地貌分析可采面積：面積量算、查詢、統(tǒng)計河、湖、海分布：1km緩沖區(qū)道路分布：可通行性分析、5km緩沖區(qū)墓地分布：10km緩沖區(qū)地形地貌：制作DEM及DTM

劃分海拔1000m以下、小于5°區(qū)域決策2023/1/1528韶關學院旅游與地理學院陳世發(fā)解題流程解題過程首先要以區(qū)域的道路分布圖、河流分布圖、森林分布圖為數據源。解題流程見圖所示。道路分布圖森林分布圖河流分布圖結束生成道路周圍5km緩沖區(qū)疊置生成河流周圍1km緩沖區(qū)疊置緩沖區(qū)分析實