《空间分析》PPT课件.ppt

空间分析是 GIS系统的重要功能之一 ,是基于地理对象的位置和形态特 征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。 空间分析是 GIS系统区别于计算机辅助绘图系统的重要方面，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和专业 属性两部分。 GIS提供一系列空间分析工具，用户可以将它们组合成一个操作系列， 从已有模型来求得一个新模型，这个新模型就有可能展现出数据集内部或 数据集之间新的或未曾明确的关系，从而深化我们对现实世界的理解。 第四节 GIS空间分析 一、 空间分析的主要内容 空间位置 借助于空间坐标系传递空间对象的定位信息，是空间对象表述 的研究基础，即投影与转换理论。 空间分布 同类空间对象的群体定位信息，包括分布、趋势、对比等内容。 空间形态 空间对象的几何形态。 空间距离 空间物体的接近程度。 空间关系 空间对象的相关关系，包括拓扑、方位、相似、相关等。 二、 空间分析的步骤 1. 确定分析目的和评价标准 分析目的是定义打算利用地理数据库解决什么问题。评价标准是规定将如何 利用 GIS回答用户所提出的问题。 2. 收集、输入空间和属性数据 包括地理底图数据、地形数据等。 3. 作空间位置的处理和分析 作空间位置的处理和分析（包括检索、提取，缓冲区分析、叠加分析等）； 作属性数据的处理和分析（加所需的属性项）。 4. 获得简要分析结果（包括地图和表格） 5. 解释和评价结果 解释和评价结果，若不满意，返回 1、 2、 3任一处重做。 6. 以专题地图，文字报表形式作为正式结果，供决策用。 三、 数据的检索 数据的检索可能只是单纯地针对属性数据；也可能是单纯依据空间拓朴关系； 但更多、更有意义的情况是将空间数据与属性联合起来实施检索。 1、属性数据的条件检索 用逻辑运算组合条件。 2、空间定位检索 用光标选择一个图元或多个图元，则系统检索出这些图元的属性数据。 3、图元间关系检索 面一面检索 例如，与某个多边形相邻的多边形是哪些？ 面一线检索 例如，某个多边形的边界是哪些线（弧段）？ 线一面检索 例如，某弧段的左右区域分别是什么？ 线一线检索 例如，与某条河流相连的支流有哪些？ 线一点检索 例如，某条道路上有哪些桥梁？ 点一线检索 例如，某个结点由哪些线（弧段）相交而成？ 三、 数据的统计分析 1. 单个图元：线长度、两点间距离、区域面积、区域重心等。 2. 图元的某属性项：总和、最大值、最小值、平均值、字段在某范围内的 记录数、四则运算、函数运算等。 3. 空间量算：填、挖土方体积等。 地图的叠置：就是将两幅或多幅地图重叠在一起，产生新数据层和新数 据层上的属性（即提取感兴趣的数据）。 1、 栅格系统的置加分析 在栅格系统中，层间叠加可通过像元之间的各种运算来实现。 （ 1）各层属性数据的平均值（算术平均或加权平均） （ 2）各层属性数据的最大值或最小值 （ 3）算术运算 （ 4）逻辑条件组合 优点：容易实现。 缺点：图元间拓扑关系信息丢失。 四、 叠加分析 2、矢量系统的叠加分析 矢量系统叠加分析的步骤 对原始数据（多边形）形成拓扑关系。 多层多边形数据的空间叠置，形成新的层。 对新层中的多边形重新进行拓扑组建。 剔除多余的多边形，提取出感兴趣的部分。 叠加分析的主要内容 叠加分析实体 叠加类型 特点 结果文件形式 多边形与多边形 合并、相交、相减、判别 叠加结果产生许多新多边形，每个多边形都具有两实体属性。 区文件 线对多边形 相交、相减、判别 结果是一些弧段，这些弧段也具有它们所在的多边形的属性。 线文件 点对多边形 相交、判别 计算包含关系，叠加结果是一串带有附 加属性的点要素，点所在的多边形的属 性被连接到点的属性中。 点文件 多边形对点 相减、相交 结果是只保留有点落在上面的多边形，且其属性不变（即不作属性连接） 区文件 点对线 点与线的距离 保留所有点，找到离点最近的线，并将 线号和点到离它最近的线的距离记录到 该点的属性中。 点文件 点与多边形叠加： 实际上是计算多边形对点的包含关系。 线与多边形的叠加： 比较线上坐标与多边形坐标的关系， 判断线是否落在多边形内。 多边形叠加： 将两个或多个多边形图层进 行叠加产生一个新多边形图 层的操作。 缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具之一。缓冲区是指地理空间目标的一种 影响范围或服务范围。 缓冲分析是在点、线、面实体（或称缓冲目标）周围建立一定宽度范围的多边形。缓 冲区的产生有三种情况 :一是基于点要素的缓冲区，通常以点为圆心、以一定距离为半径的 圆；二是基于线要素的缓冲区，通常是以线为中心轴线，距中心轴线一定距离的平行条带 多边形 ;三是基于面要素多边形边界的缓冲区，向外或向内扩展一定距离以生成新的多边形。 任何目标所产生的缓冲区总是一些多边形，这些多边形将构成新的数据层。 五、缓冲区分析 网络是地理信息系统中一类独特的数据实体，它由若干个线性实体通过结点连结而成。 网络分析是空间分析的一个重要方面，是依据网络拓朴关系（线性实体之间，线性实 体与结点之间、结点与结点之间的连结、连通关系），并通过考察网络元素的空间，属性 数据，对网络的性能特征进行多方面的分析计算。 目的是研究、筹划一项工程的安排，使 其运行效果最好。 1、 网络数据模型及基本概念 网络数据模型：真实世界中网络系统（如交通网、通迅网、自来水管网、煤气管网等） 的抽象表示。 网线：构成网络的线性实体，是资源传输或通讯联络的通道，可以代表公路、铁路、 航线、水管、煤气管、河流等。 结点：网线的端点，又是网线汇合点，可以表示交叉路口、中转站、河流汇合点等。 网线的阻碍强度：为了实施路径分析和资源分配，网线数据应包含正反两个方向上的 阻碍强度（如流动时间、耗费等）。 结点转角数据：可以更加细致地模拟资源流动时的转向特性，即每个结点可以拥有一 个转向表，其中的每一项说明了资源从某一网线经该结点到另一网线时所受的阻碍强度。 六 网络分析 2、常规的网络分析功能 路径分析 求解最佳路径和最短路径。 最佳路径：在指定网络中两结点间找一条阻碍强度最小的路径。 最短路径：当网线在顺逆两个方向上的阻碍强度都是该网线的长度，而结点无转角 数据（阻碍强度）或转角数据为零，最佳路径就成为最短路径。 资源分配 就是为网络中的网线和结点寻找最近（远近按阻碍强度的大小来确定）的中心（资 源发散或汇集地）。 例如：资源分配能为城市中的每一条街道上的学生确定最近的学校。 连通分析 从某一结点或网线出发能够到达的全部结点或网线，称为连通分量求解。 例如：当地震发生时，救灾指挥部需要知道，把所有被破坏的公路和桥梁考虑在内， 救灾物质能否从集散地出发送到每个居民点，如果有若干居民点与物质集散地不在一个连 通分量之内，指挥部就不得不采用特殊的救援方式（如派遗直升机）。 流分析 所谓流，就是将资源由一个地点运送到另一个地点。流分析的问题主要是按照某种最 优化标准（如时间最少、费用最低、路程最短或运送量最大等）设计运送方案。 选址 该功能涉及在某一指定区域内选择服务性设施的位置。 例如：市郊商业区、消防站、工厂、飞机场、仓库等的最佳位置的确定。 七、数字高程模型 数据高程模型（ Digital Elevation Model），简称 DEM，是以数字的形式按一定结 构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的数字模型，也是地形形状大小和起伏的数 字描述。 DEM的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地表提供连续描述的算法， 最基本的 DEM是由一系列地面点 x， y位置及其相联系的高程 Z所组成，用数学函数式的表 达是： Z=f(x， y)， (x， y)DEM 所在的区域。 尽管 DEM是为了模拟地面起伏而发展起来的，但也可以用来模拟其他二维表面上连 续变化的特征，比如说还可以表示地面景观的属性，地面温度、降水、地球磁力、重力、 土地利用、土壤类型等其它地面特性信息，此时的 DEM也称为数字地形模型 (Digital Terrain Models)，简称 DTM。关于 DTM和 DEM的含义，无论在国外或国内文献中都存在着 不同的理解， DTM包含着地面起伏和属性两个含义，所以 DEM和 DTM是有区别的。 1、 DEM的数据源采集方法： （ 1）航空或航天遥感图像为数据源。 （ 2）以地形图为数据源。 （ 3）以地面实测记录为数据源。 （ 4）其它数据源。 2、 数字地面模型的表示方法 主要有规则格网（ GRID）表示法和不规则三角网 (TIN)表示法，此外还有离散点表示 法和数学分块曲面表示法。 规则格网（ GRID）表示法结构简单、计算方便，但： a.地形简单的地区存在大量冗余数据； b.如不改变格网大小，则无法适用于起伏程度不同的地区； c.对于某些特殊计算如视线计算时，格网的轴线方向被夸大； d.由于栅格过于粗略，不能精确表示地形的关键特征。 不规则三角网 (TIN)表示法，能根据区域的有限个点集将区域划分为三角面网络， 数字高程由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点的密度和 位置，能够避免地形平坦时的数据冗余，同时还能按地形特征点如山脊、山谷及其它重 要地形特征获得 DEM数据。但其结构复杂。 DEM数据网格化 插值计算 3、 TIN模型建立 人工方法： 地形测量员注意选取地面上的转折点并且在测量中携带一幅野外草图，用以表示由哪 些测点构成地性线。在这些资料的基础上，人工构成三角形时，以可能的最短的边来构成 三角形，并保证每条边位于地面上而不是悬空通过或贯穿地球表面。 TIN自动建立： 首先在所有可能的线段中寻找最短的一条，用它作为第一个三角形的基线。选出到这 条基线两端的距离之和为最小的那一点作为三角形的顶点。接着，搜索次最短线段作为下 一个三角形的基线。这样可使作为先前生成的三角形的一部分而被存贮起来的诸边不再被 选取为基线。再寻找一个顶点，把新发现的各边存贮起来，这个过程反复进行，直到所有 的数据点被三角形的各边都连接起来为止。在决定新三角形任何一条边（包括基线）以前， 要检查它是否不与已存贮的任何一条边或任何一条地性线相交，如果发生这种情况，正在 予以考虑的那条边就被放弃而去搜索另一条。 TIN 自动 建立 1 2 9 7 5 8 10 3 6 4 1 7 6 3 2 4 5 9 8 11 10 TIN存储方式： No P1 P2 P3 1 1 2 3 2 1 3 4 3 4 5 1 : ： ： ： 11 6 7 8 坐标与高程值表 三角形表 No X Y Z P 1 90.0 10.0 43.5 1 2 50.7 10.0 67.3 5 3 67.2 23.9 62.6 8 : : : : : 10 10.0 90.0 81.0 36 4、 DEM主要用途 在国家数据库中存储数字地形图的高程数据； 计算道路设计、其他民用和军事工程中挖填土石方量； 为军事目的（武器导向系统、驾驶训练）的地表景观设计与规划（土地景观构筑）等显 示地形的三维图形； 越野通视情况分析（也是为了军事和土地景观规划等目的）； 规划道路线路、坝址选择等； 不同地面的比较和统计分析； 计算坡度、坡向图，用于地貌晕渲的坡度剖面图。帮助地貌分析，估计浸蚀和径流等； 显示专题信息或将地形起伏数据与专题数据如土壤、土地利用、植被等进行组合分析的 基础； 提供土地景观和景观处理模型的影象模拟需要的数据； 用其他连续变化的特征代替高程后， DEM还可以表示如下一些表面：通行时间和费用、 人口、直观风景标志、污染状况、地下水水位等。 等高线绘制 透视图绘制 渲染图制作 Y ZZZZ X ZZZZ Y X 22t a n 22t a n 10001101 01001110 1s int a nt a n RO 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