空間分析原理

空間分析原理1第1頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容提要第一節(jié)概述第二節(jié)空間數(shù)據(jù)的復(fù)合分析第三節(jié)鄰域分析第四節(jié)數(shù)字地面模型2第2頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述評(píng)價(jià)GIS指標(biāo),與其它系統(tǒng)區(qū)別。1、空間分析的定義空間分析是基于空間數(shù)據(jù)的分析技術(shù)，它以地學(xué)原理為依托，通過分析算法，從空間數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)地理對(duì)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。3第3頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、空間分析的功能(1)查詢檢索：屬性、圖形、交叉查詢等。(2)形態(tài)分析：對(duì)幾何特征進(jìn)行分析，如計(jì)算距離、面積、周長等。4第4頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)地形分析：通過數(shù)字高程模型進(jìn)行如坡度坡向分析、視域分析、淹沒分析等。5第5頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)疊加分析：以疊加運(yùn)算為基礎(chǔ)對(duì)多種地學(xué)信息進(jìn)行綜合分析，以判斷信息間相互關(guān)系，并獲取更豐富的信息。6第6頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月(5)鄰域分析：根據(jù)指定的目標(biāo)信息檢查鄰近區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)信息，或從鄰近區(qū)域的目標(biāo)信息中進(jìn)一步分析特定的目標(biāo)信息。如緩沖區(qū)分析。7第7頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

(6)網(wǎng)絡(luò)分析：最短或最佳路徑分析，尋找兩點(diǎn)之間的最優(yōu)通道。(7)模型分析：加強(qiáng)系統(tǒng)的分析功能。返回8第8頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)空間數(shù)據(jù)的復(fù)合分析概念:將同一空間上兩個(gè)或兩個(gè)以上不同含義的地理要素的重合點(diǎn)之間進(jìn)行分析處理。一、復(fù)合分析的數(shù)學(xué)方法1．邏輯關(guān)系分析。用邏輯表達(dá)式來分析處理重合點(diǎn)的非幾何特性之間邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)復(fù)合、提取、刪除等操作。包括：9第9頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1)邏輯交運(yùn)算。如A為針葉林區(qū)，B為坡度<15度，子集C表示既是針葉林又是坡度<15度的區(qū)域。(2)邏輯并運(yùn)算。邏輯并運(yùn)算得子集C，它表示該區(qū)域是針葉林或坡度<15度。(3)邏輯非運(yùn)算。邏輯非運(yùn)算得子集C，它表示坡度不小于15度的針葉林區(qū)。10第10頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．算術(shù)關(guān)系分析。通過對(duì)重合點(diǎn)的非幾何特性間算術(shù)運(yùn)算，求得新的復(fù)合層。算術(shù)差運(yùn)算：將同一地區(qū)不同時(shí)間拍攝的影象信息進(jìn)行算術(shù)差運(yùn)算，求得不同時(shí)間差異的復(fù)合圖，了解其動(dòng)態(tài)變化。比值處理：在遙感圖象處理中使用圖象相除運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)圖象增值，如對(duì)多光譜圖象進(jìn)行比值處理后，擴(kuò)大圖象差異，有利于識(shí)別地物。11第11頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．統(tǒng)計(jì)關(guān)系分析。用統(tǒng)計(jì)分析方法來獲取各重合點(diǎn)之間非幾何特性值，從而得到新的復(fù)合層，以表示不同屬性之間關(guān)系或按統(tǒng)計(jì)值劃分區(qū)域。分視覺信息復(fù)合分析和疊加分析兩類。12第12頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月二、視覺信息復(fù)合將同一地區(qū)的同一比例尺的不同含意圖象進(jìn)行疊合，從而獲取更多的空間信息，以便用戶判斷不同地理實(shí)體的空間關(guān)系。1．點(diǎn)、線和面狀圖之間復(fù)合通過點(diǎn)、線和面狀圖之間相互復(fù)合。尋求特征信息在空間上的關(guān)聯(lián)性。13第13頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

如居民點(diǎn)與污染區(qū)空間位置關(guān)系，旅游路線確定等。14第14頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月2．生成立體專題圖把專題圖和數(shù)字高程圖復(fù)合，生成立體專題圖可增加視覺效果，便于人類認(rèn)識(shí)、改造和利用自然資源。3．遙感信息和專題圖的視覺復(fù)合在遙感分類中的“異物同譜”現(xiàn)象,把遙感分類圖和專題圖進(jìn)行視覺復(fù)合，可提高遙感分類精度。15第15頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月三、疊加分析(spatialoverlayanalysis)疊加分析:疊加形成一新的目標(biāo)，對(duì)空間區(qū)域重新劃分，屬性數(shù)據(jù)中包含了參加疊加的多種數(shù)據(jù)項(xiàng)。分柵格疊加和矢量疊加。柵格疊加得到新的柵格屬性，而矢量疊加得到包括新的空間特性和屬性關(guān)系。16第16頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月拓?fù)浏B加產(chǎn)生偽多邊形，可指定容差值消除。柵格疊加組合數(shù)量很大，需進(jìn)行條件疊加。分條件疊加和無條件疊加。無條件疊加也稱全疊加，適用于疊加要素較少的場(chǎng)合。17第17頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5-33無條件疊加18第18頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

條件疊加:以特定條件對(duì)兩組以上圖件中相關(guān)要素進(jìn)行疊加?？臻g查詢，空間聚類，空間聚合等，其實(shí)質(zhì)是用條件疊加來實(shí)現(xiàn)的?？臻g聚類：根據(jù)聚類條件使符合條件的區(qū)域輸出到圖上，不符合條件的區(qū)域?yàn)榭瞻??？臻g聚合：根據(jù)聚合條件,將同一圖層上不同屬性進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)地域合并。19第19頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月1．疊加條件的確定可是幾何、也可是屬性條件。(1)根據(jù)求解問題的目標(biāo)確定條件。例如：已知某地區(qū)的降雨量分布圖及土壤圖，現(xiàn)在要了解降雨量>1000mm，土厚>50cm的地區(qū)。則：E=(降雨量>1000)∩(土厚>50cm)20第20頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)根據(jù)專家命題模型來確定條件。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定邏輯分類模型。例如根據(jù)農(nóng)業(yè)專家經(jīng)驗(yàn)適宜于種水稻的條件為：積溫>3200

C；降雨>800mm；坡度<3

；無霜期>200天。則：E=(積溫>3200)∩(降雨>800)∩(坡度<3)∩(無霜期>200)21第21頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月2．疊加方法柵格疊加算法簡(jiǎn)單，主要是減少存貯量。單個(gè)柵格為單元的疊加，數(shù)據(jù)大。用游程編碼實(shí)現(xiàn)疊加操作可減少存儲(chǔ)量，提高運(yùn)算效率具有明顯優(yōu)越性。例：如圖示的降雨量及土層厚度。22第22頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

23第23頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

若對(duì)第k行進(jìn)行全疊加后的游程編碼如表所示。24第24頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

若對(duì)第k行按如下關(guān)系表達(dá)式進(jìn)行條件疊加，其條件表達(dá)式為；E=(降雨量=1000mm)∩(土厚=50cm)則得到第K行的游程編碼如下表所示。0為空白。依次對(duì)各行進(jìn)行疊加可得全圖。返回25第25頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)鄰域分析概念:根據(jù)指定的目標(biāo)信息檢查鄰近區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)信息，或從鄰近區(qū)域的目標(biāo)信息中進(jìn)一步分析特定的目標(biāo)信息。26第26頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月一、泰森多邊形分析定義:設(shè)平面上有n個(gè)互不重疊的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，則其中的任意一個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)Pi都有一個(gè)鄰近范圍Bi，在Bi中的任一個(gè)點(diǎn)同Pi點(diǎn)之間的距離小于它同其它離散數(shù)據(jù)點(diǎn)之間距離。Bi是一個(gè)不規(guī)則多邊形，稱為泰森多邊形。27第27頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

生成方法：將Pi點(diǎn)分別同周圍多個(gè)離散點(diǎn)相連，分別作直線的垂直平分線，垂直平分線相交組成的多邊形，即泰森多邊形。如圖a`b`c`d`e`f`。28第28頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月1．泰森多邊形的特點(diǎn)(1)每個(gè)多邊形內(nèi)僅包含一個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)。(2)多邊形內(nèi)的任一點(diǎn)(x,y)同Pi(xi,yi)之間距離總小于它同其它離散點(diǎn)之間距離。(3)泰森多邊形的任意一個(gè)頂點(diǎn)必有三條邊與它連接，這些邊是相鄰3個(gè)泰森多邊形的公共邊。(4)泰森多邊形的任意一個(gè)頂點(diǎn)周圍存在三個(gè)離散點(diǎn)，將其連成三角形后其外接圓的圓心即為該頂點(diǎn)，該三角形稱泰森三角形。返回29第29頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月2．泰森多邊形的應(yīng)用在地學(xué)分析中有廣泛的用途。例如降水量計(jì)算。根據(jù)區(qū)域圖及7個(gè)離散點(diǎn)，求出7個(gè)泰森多邊形，其面積分別為A1，A2...A7。則該地區(qū)的平均的降水量為各泰森多邊形面積與其降水量乘積的和與各泰森多邊形總面積之比。30第30頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

其他應(yīng)用，如在生成高程模型時(shí)，通過建立泰森多邊形(即三角網(wǎng))得到等值線，從而得到地形圖等。31第31頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月二、緩沖區(qū)分析基于對(duì)點(diǎn)、線或面等因素，按指定的條件，在其周圍建立一定空間區(qū)域作為分析對(duì)象，這個(gè)區(qū)域稱緩沖區(qū)。32第32頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月33第33頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

緩沖區(qū)分析在GIS中用途較多。如高速公路噪聲污染范圍的緩沖區(qū)，建立廢棄污染范圍的緩沖區(qū)。點(diǎn)的緩沖區(qū)生成是半徑不同的3個(gè)圓的邏輯“并”。34第34頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

線和面的緩沖區(qū)生成是求折線的平行線。35第35頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

1．當(dāng)折線的曲率很大時(shí)，應(yīng)作處理。當(dāng)bb`>1.5D時(shí)，用b1`、b2`線代替b1`b`b2`線。36第36頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．圖形重疊的處理。除去相交區(qū)域。37第37頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

緩沖區(qū)分析包括緩沖區(qū)的建立及區(qū)域內(nèi)分析（查詢、疊加等）。返回38第38頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)

數(shù)字地面模型一、概述數(shù)字地面模型(DigitalTerrainModel，DTM）是20世紀(jì)50年代由美國攝影測(cè)量學(xué)家C.L.Milier提出。DTM是描述地表單元空間位置和地形屬性分布的有序集合。39第39頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

DTM一般用規(guī)則格點(diǎn)組成的柵格數(shù)據(jù)形式表示：

Z11Z12.......Z1nZ21Z22........Z2nDTM=Zm1Zm2......Zmn其中Zij為網(wǎng)格點(diǎn)(i,j)上的地形屬性數(shù)據(jù)。當(dāng)Zij為海拔高度時(shí)，該模型稱數(shù)字高程模型，簡(jiǎn)稱DEM(DigitalElevationModel)。凡是涉及空間的各種屬性，均可用DTM來描述。返回40第40頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月二、DEM的數(shù)據(jù)來源1影像航空影像是高精度大范圍DEM生產(chǎn)最有價(jià)值的數(shù)據(jù)源。航天遙感也是獲取DEM數(shù)據(jù)的一種方式。但精度低。干涉雷達(dá)和激光掃描儀等是DEM最有希望的數(shù)據(jù)源。41第41頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

2地形圖地形圖是DEM的豐富、廉價(jià)的數(shù)據(jù)源。從地形圖上采集DEM涉及兩個(gè)問題，一是地圖符號(hào)的數(shù)字化，二是這些數(shù)字化數(shù)據(jù)常不能滿足現(xiàn)勢(shì)性要求。42第42頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月3地面測(cè)量數(shù)據(jù)用GPS、全站儀等觀測(cè)獲取地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)變換建成DEM，一般用于小范圍大比例尺(>1:2000)。精度高，但工作量很大，效率不高，費(fèi)用高昂。返回43第43頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月三、數(shù)據(jù)采集方法攝影測(cè)量和地形圖數(shù)字化的方法是大規(guī)模DEM采集最有效、最普遍的方式。1攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集方法攝影測(cè)量是空間數(shù)據(jù)采集最有效的手段之一,它具有效率高,勞動(dòng)強(qiáng)度低、精度高等優(yōu)點(diǎn)。該方法包括好多種，可以是人機(jī)交互式的或自動(dòng)化的。44第44頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)沿等高線采樣在地形復(fù)雜及陡峭地區(qū)，可采用沿等高線跟蹤的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而在平坦地區(qū)，則不宜采用沿等高線采樣的方法。沿等高線采樣可按等距離間隔或等時(shí)間間隔記錄數(shù)據(jù)。45第45頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)規(guī)則格網(wǎng)采樣通過固定某一方向(如x軸方向)，而在另一方向(如y軸方向)以等間距移動(dòng)測(cè)標(biāo)，同時(shí)對(duì)每一點(diǎn)測(cè)量其高程值，便可獲得規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)。46第46頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)剖面法剖面法只在一個(gè)方向即剖面方向上均勻采樣。效率較高，但精度比規(guī)則格網(wǎng)低。另一固有缺點(diǎn)是如果要保持較小而且重要的地形特征，那就必須保證采樣數(shù)據(jù)有較高的冗余度。47第47頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)漸進(jìn)采樣平坦地區(qū)樣點(diǎn)較少，地形復(fù)雜地區(qū)的樣點(diǎn)較多。小區(qū)域的格網(wǎng)間距逐漸改變，而采樣也由粗到精地逐漸進(jìn)行。該方法解決了規(guī)則格網(wǎng)采樣方法的數(shù)據(jù)冗余問題，但仍存在缺點(diǎn)：[1]在地表突變鄰近區(qū)域內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)有較高的冗余度；[2]跟蹤路徑長，效率低。48第48頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月(5)選擇性采樣根據(jù)地形特征進(jìn)行選擇性的采樣，例如沿山脊(谷)線、特征點(diǎn)(如山頂點(diǎn))等進(jìn)行采集。優(yōu)點(diǎn):只需以少量的點(diǎn)便能使其所代表的地面具有足夠的可信度。缺點(diǎn)：它需要進(jìn)行大量?jī)?nèi)插，采樣效率不高，不便于自動(dòng)采樣和快速采樣。49第49頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月(6)混合采樣混合采樣是一種將選擇采樣與規(guī)則格網(wǎng)采樣相結(jié)合或者是選擇采樣與漸進(jìn)采樣相結(jié)合的采樣方法。這種方法在地形突變處以選擇采樣的方式進(jìn)行。使用混合采樣能解決很多在規(guī)則格網(wǎng)采樣和漸進(jìn)采樣中遇到的問題。但數(shù)據(jù)的存貯管理與應(yīng)用較復(fù)雜。50第50頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月51第51頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月(7)交互式采集上述(1)、(3)、(5)、(6)混合采樣等方法適合于利用機(jī)助測(cè)圖儀進(jìn)行半自動(dòng)化的交互式數(shù)據(jù)采集。特別是在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中，混合采樣的方法既可以達(dá)到較高的作業(yè)效率，又可取得較好的數(shù)據(jù)質(zhì)量。52第52頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月(8)自動(dòng)采集自動(dòng)采集方法按照像片上的規(guī)則格網(wǎng)利用數(shù)字影像匹配進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。全數(shù)字化攝影測(cè)量系統(tǒng)在市場(chǎng)上已有比較成熟的產(chǎn)品。優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化，不需太多的干預(yù)。但是在生成DEM時(shí)需要采集地貌特征點(diǎn)線，才能保證DEM的高保真度。返回53第53頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月2地形圖數(shù)據(jù)采集方法對(duì)地形圖要素進(jìn)行數(shù)字化處理，再內(nèi)插DEM。半自動(dòng)掃描數(shù)字化技術(shù)已成為地圖數(shù)字化的主流。54第54頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）手扶跟蹤數(shù)字化由人工控制坐標(biāo)的記錄，高程從鍵盤輸入。優(yōu)點(diǎn)是所獲取的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中比較容易處理；缺點(diǎn)是速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大。（2）掃描數(shù)字化將地圖掃描得到柵格數(shù)據(jù)，將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)。效率高。55第55頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字化后的等高線數(shù)據(jù)通過高程點(diǎn)的內(nèi)插、高程特征的生成等便可產(chǎn)生DEM數(shù)據(jù)。從等高線數(shù)據(jù)可以直接生成TIN，也可直接生成格網(wǎng)DEM。DEM也可由等高線先生成TIN再內(nèi)插而獲得（精度和效率最好）。返回56第56頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月3關(guān)于DEM采集的幾點(diǎn)結(jié)論(1)采集方法可從成本、精度等方面評(píng)價(jià)。各種采集方法都有各自的優(yōu)、缺點(diǎn)，DEM采集的方法要從目的需求、精度要求、設(shè)備條件、經(jīng)費(fèi)條件等方面考慮（見下表）。57第57頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月58第58頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)攝影測(cè)量是DEM重要的數(shù)據(jù)源。交互式數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量自動(dòng)化程度較高，并可顧及地形特征，同時(shí)生成的DEM精度也比較高，是進(jìn)行數(shù)據(jù)庫更新的最有效的方式之一。(3)地形圖是DEM的另一重要數(shù)據(jù)源。從等高線地形圖生產(chǎn)DEM的方法已經(jīng)成熟，可應(yīng)用于生產(chǎn)。59第59頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)使用GPS、激光掃描、干涉雷達(dá)等新型技術(shù)進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)采集是很有發(fā)展前景的DEM采集方式。(5)采集重要的地形特征點(diǎn)線是保證DEM質(zhì)量和效率的重要措施。(6)利用TIN進(jìn)行數(shù)據(jù)建模和隨機(jī)柵格轉(zhuǎn)換，是生產(chǎn)高精度格網(wǎng)DEM的方案。60第60頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月四、DTM的應(yīng)用1．繪制等高線圖步驟：（1）等高線跟蹤利用DEM的高程值內(nèi)插出等高線點(diǎn)，并將這些等高線點(diǎn)按順序排列；（2）等高線的光滑利用這些順序排列的等高線點(diǎn)的平面坐標(biāo)X、Y進(jìn)行插補(bǔ)，即進(jìn)一步加密等高線點(diǎn)并繪制成光滑的曲線。61第61頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月2．利用DEM繪制地面暈渲圖傳統(tǒng)方法費(fèi)工、帶主觀因素。利用DEM數(shù)據(jù)作為信息源，以地面光照通量為依據(jù)，計(jì)算該柵格所輸出的灰度值，由此產(chǎn)生的暈渲圖具有相當(dāng)逼真的立體效果。62第62頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月3．透視立體圖的繪制過去以寫景圖表示立體效果，這需要較高藝術(shù)技技巧，費(fèi)時(shí)費(fèi)力?；贕IS的三維透視立體圖的繪制，為解決這方面的問題提供了新的途徑。且精度和效果好。DEM是其繪制的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。63第63頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月4．DEM的地形分析地形分析是基本應(yīng)用，其他應(yīng)用可由此擴(kuò)展。地形分析的內(nèi)容有地形因子提取、地表類型分類以及剖面圖的繪制等。（1）坡度和坡向分析[1]坡度分析坡度定義為水平面和地形表面之間的夾角。表達(dá)方法是高度除以長度（高度/長