第六章 GIS空间分析原理与方法

.,第六章GIS空间分析原理与方法,本章主要内容,6.1空间量算6.2数字地形模型分析6.3空间叠合分析6.4空间缓冲区分析6.5空间网络分析,GIS基本功能,GIS能作什么？,空间分析,空间分析的概念空间分析是基于空间数据的分析技术，它以地学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间形成和空间演变等信息。按照Goodchild提出的空间分析框架，空间分析分为产生式分析(productmode)DEM分析、叠合分析、缓冲区分析、网络分析咨询式分析(querymode)集合分析、查询分析,空间分析概述,根据空间数据的形式将空间分析分为：矢量数据空间分析栅格数据空间分析,第3节空间叠合分析,空间叠合分析概念基于矢量数据的叠合分析实例：市区择房分析,空间叠合分析,空间叠合分析（SpatialOverlayanalysis）：又称叠加分析、叠置分析，在统一空间参照系统条件下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。空间合成叠合空间统计叠合,空间合成叠合,用于搜索同时具有几种地理属性的分布区域，或对叠合后产生的多重属性进行新的分类。,空间统计叠合,用于提取某个区域范围内某些专题内容的数量特征。,基于矢量数据的叠合分析,点与多边形的叠合线与多边形的叠合多边形与多边形的叠合,点与多边形的叠合（point-in-polygonoverlay）,包含点的图层与包含多边形的图层判断点包含在哪一个多边形里面，从而为点设置新的多边性属性,点与多边形叠合示例,1,2,4,3,点与多边形叠合结果,线与多边形的叠合,包含线的图层与包含多边形的图层判断线包含在哪一个多边形里面，从而为线设置新的多边性属性,线与多边形叠合示例,线与多边形叠合结果,多边形与多边形叠合,两个多边形图层的比较分析（图形和属性），将两个不同的多边形空间特征数据相重叠，产生新的多边形特征数据，用以解决地理变量的多准则分析、区域多重属性的分析，地理特征的动态变化分析，以及图幅要素更新、区域信息提取等多边形叠合分析通常有以下五种叠合方式：合并(Union)相交(Intersect)一致(Identity)相减(Erase)更新(Update),Union,输出层保留输入图层的所有多边形要素。,Intersect,输出层保留输入图层共同的多边形要素。,Identity,保留以一多边形为控制边界内的所有多边形要素,Erase,保留以一多边形为控制边界外的所有多边形要素,Update,输出数据为一个经删除处理后的多边形与一个新特征多边形，即删除重叠的部分。,空间分析的步骤,步骤：（1）明确目的和标准（2）空间数据准备（3）空间操作（4）对结果进行分析和评价,实例：市区择房分析,如何找到环境好、购物方便、小孩上学方便的居住区地段是购房者对关心的问题，因此购房者就需要从总体上对商品房的信息进行研究分析，选择最适宜的购房地段。条件为：a在商业中心的服务范围之内，服务范围以商业中心规模的大小来确定b距名牌高中在750米之内，以便小孩上学便捷c距名胜古迹500米之内，环境优雅d离主要交通要道200米之外，以减少噪音污染,解决的实际问题（1）找出满足以上4个条件的最适宜的购房地段。（2）对整个城市区域从以上4个条件的住房条件进行评价，划定不同等级，以供购房者进行参考,第一个问题找出满足以上4个条件的最适宜的购房地段。步骤：（1）明确目的和标准：在商业中心的服务范围之内；距名牌高中在750米之内，以便小孩上学便捷；距名胜古迹500米之内，环境优雅；离主要交通要道200米之外，以减少噪音污染（2）空间数据准备：商业中心服务数据、名牌高中750米之内数据、名胜古迹500米之内、主要教导要道200米之外（3）空间操作：进行叠合分析（4）对结果进行分析和评价,在商业中心的服务范围图层martket,距名牌高中在750米之内图层school,距名胜古迹500米之内，环境优雅图层famous,离主要交通要道200米之内图层street,空间操作,叠合方式的选择？market图层、school图层进行intersect操作得到insctms图层，再将insctms图层与Famous图层进行inersect叠合操作，得到insctmsf图层最后将insectmsf图层与street图层进行erase叠合操作，得到所需结果,第二个问题对整个城市区域从以上4个条件的住房条件进行评价，划定不同等级，以供购房者进行参考找出满足以上4个条件的最适宜的购房地段。分级标准为：A满足其中四个条件为第一等级B满足其中三个条件为第二等级C满足其中两个条件为第三等级D满足其中一个条件为第四等级E完全不满足条件得为第五等级,步骤：（1）明确目的和标准：（2）空间数据准备：商业中心服务数据、名牌高中750米之内数据、名胜古迹500米之内、主要教导要道200米之外（3）空间操作：进行叠合分析（4）对结果进行分析和评价,在商业中心的服务范围图层martket,距名牌高中在750米之内图层school,距名胜古迹500米之内，环境优雅图层famous,离主要交通要道200米之内图层street,空间操作,属性赋值（1）分别打开market、school、famous图层，分别添加market、school、famous字段，并全部赋值为1（2）打开street图层，添加st字段，赋值为-1,空间操作,区域叠加对market、school、famous和street图层进行union叠加步骤为如下,分级打开生成的union文件图层的属性列表，编辑表格，添加一个短整型字段class，并将class赋值为famous+school+market+st,数据结构与叠合分析,基于矢量数据结构的叠合分析参与分析的两个图层均为矢量数据优点：数据量小缺点：运算过程比较复杂基于栅格数据结构的叠合分析参与分析的两个图层均为栅格数据优点：运算过程比较简单缺点：数据量大,栅格叠合分析,两个或多个相同地区栅格图层相同的栅格单元大小不同图层间对应栅格进行运算运算结果生成新的栅格图层目的是产生新的空间信息又称为“地图代数”点变换方法区域变换方法邻域变换方法,InputA,InputB,Output,LocalOperations,点变换方式只对各图上相应的点的属性值进行运算。实际上，点变换方式假定独立图元的变换不受其邻近点上的属性值的影响，也不受区域内一般特征的影响。ThecoreofrasterdataanalysisCell-by-celloperationsCancreatenewrasterfromeitherasingleinputrasterormultipleinputrasters,ZonalOperations,区域变换是指计算新图层相应栅格的属性值时，不仅与原图层对应栅格的属性值有关，而且要顾及原图层栅格所在区域的几何特征（区域长度、面积、周长、形状等）或原图层同名栅格的个数。,NeighborhoodOperations,邻域变换是在计算新层图元值时，不仅考虑原始图层上相应图元本身的值，而且还要考虑与该图元有领域关联的其他图元值影响。,地图代数实例,栅格叠合分析方法的常用种类数学运算算术运算主要包括加减乘除布尔运算（and、or、xor、not）:and比较两个或两个以上栅格数据层，如果对应的栅格值均为非0值，则输出结果为真，否则为假；or比较两个或两个以上栅格数据层，对应的栅格值中只要有一个或一个以上为非0值，输出结果为真，否则为假;Xor比较两个或两个以上栅格数据层，如果对应的栅格值在逻辑真假互不相同，则输出结果为真，否则输出结果为假,not对一个栅格数据层进行逻辑非运算，如果栅格值为0，则输出结果为1，如果栅格值非0，则输出结果为0关系运算：以一定的关系条件为基础，符合条件的为真，赋予1值，不符合条件的为假,函数运算算术运算（arithmetic）、三角函数（trigonometric）、对数函数（logarithms）、幂函数（powers）统计运算,栅格叠合分析实例,新学校选址条件A1新学校应位于地势较平坦处2新学校的建立应结合现有土地利用类型综合考虑，选择成本不高的区域3新学校应该与现有娱乐设施相配套，学校距离这些设施愈近愈好4新学校应避开现有学校，合理分布,B各数据层权重比为：距离娱乐设施占0.5，距现有学校距离为0.25，土地利用类型和地势位置因素各占0.25C实现过程运用扩展模块中的空间分析部分功能，具体包括，坡度计算，直线距离制图功能，重分类及栅格计算器等完成D给出适合新建学校的适宜地区图,所需数据为：土地利用数据（landuse）、地面高程数据（dem）、娱乐场所分布数据（rec-sites）、现有学校分布数据（school）,空间邻近(Proximity)问题,问题一：地震破坏程度从震源扩散影响的范围；噪声污染影响的范围；湖泊生态保护区的范围；“缓冲区分析”,空间缓冲区分析,空间缓冲区分析(Spatialbufferanalysis)：指根据分析对象的点、线、面实体，自动建立它们周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或主体邻近对象的辐射范围或影响程度，以便为某项分析或决策提供依据。,分级缓冲区域动态缓冲区,Bufferingwithdifferentbufferdistances.Bufferingwithrings.,缓冲区的重叠处理,Bufferzonesnotdissolvedordissolved.,空间缓冲区分析的方法方案一方案二,计算模型参数f0和d0,设定di,计算ri和Fi,缓冲区图形表达,计算模型参数f0和d0,设定Fi,计算di,缓冲区图形表达,通过实例演示空间缓冲区分析的方法和操作过程，设定研究区10KM2区域内有三条道路，他们相关的几何数据和属性数据见下表，现以这些道路为主体，道路附近的居民出行为邻近对象，试进行这些道路通达度的缓冲区分析，先计算道路的综合规模标准化指数f0，再计算道路的最大影响距离d0,1计算道路的综合规模指数f0对上表所列的各项统计数据采用最大值标准化方法，得到标准化指数f0,2计算各级道路的最大影响距离道路的最大影响距离d0与该类道路的级别标准和总长度有关，级别标准愈高，则影响距离也愈大，一般按下式推算d0=S/2L各级道路长度为la=10000m，lb=4286m，lc=35714m，计算得出道路abc的d0分别为500m，350m，100m,空间网络分析,网络分析功能的主要目的：对地理网络（如交通网络）、城市基础设施网络（如各种网线、电力线、电话线、供排水管线等）进行地理分析和模型化。网络分析是运筹学模型中的一个基本模型，它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好，如一定资源的最佳分配，从一地到另一地的运输费用最低等。其基本思想则在于人类活动总是趋于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置。,.,几个基本概念1）链（Link）网络中流动的管线，如街道、河流、水管等，其状态属性包括阻力和需求。2）结点（Node网络中链的结点，如港口、车站、电站等，其状态属性包括阻力和需求等。结点中又有下面几种特殊的类型。障碍（Barrier），禁止网络中链上流动的点。拐点（Turn），出现在网络链中的分割结点上，状态属性有阻力，如拐弯的时间和限制（如在8：00到18：00不允许左拐）。中心（Center），是接受或分配资源的位置，如水库、商业中心、电站等，其状态属性包括资源容量（如总量），阻力限额（中心到链的最大距离或时间限制）。站点（Stop），在路径选择中资源增减的结点，如库房、车站等，其状态属性有资源需求，如产品数量。,.,(一)路径分析1）静态求最佳路径：在给定每条链上的属性后，求最佳路径。2）N条最佳路径分析：确定起点或终点，求代价最小的N条路径，因为在实践中最佳路径的选择只是理想情况，由于种种因素而要选择近似最优路径。3）最短路径或最低耗费路径：确定起点、终点和要经过的中间点、中间连线，求最短路径或最小耗费路径。4）动态最佳路径分析：实际网络中权值是随权值关系式变化的，可能还会临时出现一些障碍点，需要动态的计算最佳路径。,最短路径(几何网络),最短路径(几何网络+障碍),最短路径(NetworkAnalyst),最短路径(TSP问题),最短路径(TSP问题优化),服务区域,空间分析应用,空间分析的目的是解决某类与地理空间有关的问题，通常涉及多种空间分析操作的组合。一般步骤是：明确分析的目的和评价准则准备分析数据进行空间分析操作进行结果分析解释、评价结果（如有必要，返回步骤1）结果输出（地图、表格和文档）,道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算,利用建立缓冲区、拓扑叠加和特征提取，计算道路拓宽改建中的拆迁指标。明确分析的目的和标准目的：计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑物的建筑面积和房产价值。道路拓宽改建的标准是：道路从原有的20m拓宽至60m；拓宽道路应尽量保持直线；部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除。准备进行分析的数据本例需要涉及两类信息，一类是现状道路图；另一类为分析区域内建筑物分布图及相关信息。进行空间操作选择拟拓宽的道路（中心线），根据拓宽半径，建立缓冲区。将此缓冲区与建筑物数据进行叠合，产生一幅新图，此图包括所有部分或全部位于拓宽区内的建筑物信息。进行统计分析对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择，凡部分落入拆迁区且楼层高于10层以上的建筑物，将其从选择组中去掉，并对道路的拓宽边界进行局部调整。对所有需拆迁的建筑物进行拆