第五章-GIS空间查询与空间分析.ppt

第五章GIS空间查询与空间分析,学习目标理解空间数据查询和空间分析的概念；掌握缓冲区分析、叠加分析和网络分析的概念、原理、方法和应用。了解空间数据的统计分析方法和应用重点：空间分析的概念、常用空间分析的方法和应用。难点：缓冲区分析、叠加分析和网络分析。,如国家森林（郊游）公园选址需要建立相应选址模型。数据源已知，包括公路铁路分布图（线状地物），森林类型分布图（面状），城镇区划图（面状），需要得到国家森林公园候选地址信息提取的模型。,1.1空间分析的含义,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、空间演变等信息。其根本目的是：通过对空间数据的深加工或分析，获取新的信息，为空间行为提供决策依据。空间数据挖掘,第一节空间分析概述,2、产生式分析：数字地面模型、空间叠加分析、缓冲区分析、空间网络分析、空间统计分析。,MICHAELFRANKGOODCHILDDateofBirth:February24,1944DepartmentofGeographyUniversityofCalifornia,SantaBarbaraChair,ExecutiveCommittee,NationalCenterforGeographicInformationandAnalysis,1997,Goodchild（美）空间分析框架：1、咨询式分析：空间集合分析、空间数据查询；,陈述彭院士,1.2空间分析的目的,在于通过对空间数据的深加工或分析，获取新的信息。（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）空间分析内容（按方法）包括：空间统计分析、缓冲区分析、叠置分析、集合分析、地学分析、地形分析等。,第二节空间数据查询,2.1空间数据查询的定义,一般定义：从GIS数据库中找出所满足属性约束条件和空间约束条件的地理对象或数据内容。大致可分为四类：针对空间特征的查询（单纯的空间查询）针对非空间属性的查询（单纯的属性查询）结合空间关系和非空间属性的查询（与空间位置和属性条件同时相关的联合查询）地址匹配查询（可归为3）,空间查询,空间数据库,查询条件,属性限制,空间拓扑限制,二者结合,GIS软件,查询结果,统计结果：图、表、文字,新图层,新的属性域添加到属性数据库,查询方式,图形-属性,空间查询语言,闪烁、颜色等明显表示,2.2空间数据的基本查询方式,1给出图形信息：如鼠标点取，拉框等方式。1）检索其相应属性；2）检索其空间拓扑关系,2给出属性特征条件,1）检索对应的空间实体2）查询属性单纯查询：单纯地查询属性，或只查询空间拓扑关系联合查询：将空间数据与属性数据联合查询。,通过属性查图形,通过图形查属性,三、空间数据查询的种类,1、几何参数查询：包括点的位置坐标，两点间的距离，一个或一段线目标的长度，一个面目标的周长或面积等。实现：查询属性库或空间计算,2、空间定位查询：给定一个点或一个几何图形，检索该图形范围内的空间对象及其属性。1）按点查询：给定一个鼠标点，查询离它最近的对象及属性-点的捕捉。,2）开窗查询-按矩形、圆、多边形查询分为该窗口包含和穿过的区别。实现：根据空间索引，检索哪些对象可能位于该窗口，然后根据点、线、面在查询开窗内的判别计算，检索到目标。-空间运算方法,3空间关系查询,1）相邻分析检索-通过检索拓扑关系面面：如查询与面状地物相邻的多边形的实现方法：A从多边形与弧段关联表中，检索该多边形关联的所有弧段；B从弧段关联的左右多边形表中，检索出这些弧段关联的多边形。,线线（与某干流A相连的所有支流）A从线状地物表中，查找组成A的所有弧段及关联的结点；B从结点表中，查询与这些结点关联的弧段；点点（A与B是否相通）等。,2）相关分析检索（不同要素类型之间的关系）-通过检索拓扑关系线面（我国边境线总长度）、点线（自来水GIS中，与某阀门相关的水管）、点面,3）包含关系查询,查询某个面状地物所包含的空间对象。同层包含，如，某省的下属地区，若建立有空间拓扑关系，可直接查询拓扑关系表来实现。不同层包含，如某省的湖泊分布，没有建立拓扑，实质是叠置分析检索，通过多边形叠置分析技术，只检索出在窗口界限范围内的地理实体，窗口外的实体作裁剪处理。,4）穿越查询某公路穿越了某些县，采用空间运算的方法执行，根据一个线目标的空间坐标，计算哪些面或线与之相交。5）落入查询一个空间对象落入哪个空间对象之内。-空间运算6）缓冲区查询根据用户给定的一个点、线、面缓冲的距离，从而形成一个缓冲区的多边形，再根据多边形检索原理，检索该缓冲区内的空间实体。,7）边沿匹配检索空间查询在多幅地图的数据文件之间进行，这时需应用边沿匹配处理技术。,4属性查询,1）查找仅选择一个属性表，给定一个属性值，找出对应的属性记录或图形。在屏幕上已有一个属性表，用户任意点取记录，对应的图形以高亮显示。实现：执行数据库查询语言，找到满足要求的记录，得到它的目标标识，再通过目标标识在图形数据文件中找到对应的空间对象，并显示出来。,SuperMap属性数据表,实现：交互式选择各项，输入后，系统再转换为标准的SQL，由数据库系统执行或ODBCC语言执行，得到结果，提取目标标识，在图形文件中找到空间对象，并显示。,Select属性项From属性表Where条件or条件and条件,2）SQL查询,2.4空间数据查询的方法,四种主要查询方法：基于关系查询语言扩充的空间查询（SpatialSQL）；可视化空间查询；基于自然语言的查询；超文本查询方法。,1扩展SQL,例如，“查询长江流域人口大于50万的县或市”，可表示为：SELECT*FROM县或市WHERE县或市.人口50万ANDCROSS（河流.名称=“长江”）主要优点是：保留了SQL的风格，便于熟悉SQL的用户的掌握，通用性较好，易于与关系数据库连接。,空间数据查询语言是通过对标准SQL的扩展来形成的，即在数据库查询语言上加入空间关系查询。,可视化查询是指将查询语言的元素，特别是空间关系，用直观的图形或符号表示。查询主要使用图形、图像、图标、符号来表达概念。,2可视化空间查询,具有简单、直观、易于使用的特点。,3超文本查询,图形、图像、字符等皆当作文本，并设置一些“热点”（HotSpot），“热点”可以是文本、键等。用鼠标点击“热点”后，可以弹出说明信息、播放声音、完成某项工作等。但超文本查询只能预先设置好，用户不能实时构建自己要求的各种查询。,在SQL查询中引入一些自然语言，如温度高的城市SELECTnameFROMCitiesWHEREtemperatureishighSELECTnameFROMCitiesWHEREtemperature=33.75这种查询方式只能适用于某个专业领域的地理信息系统，而不能作为地理信息系统中的通用数据库查询语言。,作定量转换,4自然语言空间查询,第三节空间数据的量算,空间信息的自动化量算是地理信息系统所具有的重要功能，也是进行空间分析的定量化基础。其中的主要量算有：几何量算距离量算形状量算质心量算,3.1几何量算,几何量算对点、线、面、体4类目标物而言，其含义不同的：点状目标：坐标；线状目标：长度、曲率、方向；面状目标：面积、周长等；体状目标：表面积、体积等。,1线长度,线状物体的长度是最基本的形态参数之一，在矢量数据格式下，线由点组成，线状物体表示为一个坐标串(Xi,Yi)，而线长度可由两点间直线距离相加得到。则线状物体长度的计算公式为：,多边形边界也可以分解为上下两半，其面积就是上半边界下的积分值与下半边界下的积分值之差。设面状物体的轮廓边界由一个点的序列P1(x1,y1),P2(x2,y2),，Pn(xn,yn)表示，其面积为:,2面积,3.2距离量算,n维匀质空间广义距离公式,j(xj,yj),i(xi,yi),i,j,i,j,距离计算公式,n维非匀质空间距离计算,q=2，二维欧氏距离,q=1，曼哈顿距离,q=0.6,非欧氏距离,曼哈顿距离的正式意义为L1-距离或城市区块距离，也就是在欧几里德空间的固定直角坐标系上两点所形成的线段对轴产生的投影的距离总和。,在西洋棋里，车（城堡）是以曼哈顿距离来计算棋盘格上的距离,3.3形状量算,地物外形是影像处理中模式识别的一个重要部分。例如海岸线的外形是岛屿的重要特征，森林中不同类型的土地外形对野生生物显得非常重要。目标物的外观是多变的，很难找到一个准确的量对其进行描述。基本考虑：空间完整性、多边形形状特征,量算方法一首先统计线段的总长度得到多边形的周长，然后与同该多边形面积相同的圆的周长进行比较。将多边形周长与圆周长相除得到一个参数，可以很快比较出多边形的不同来。,从多边形中心画出一组规则半径，设其半径长为，圆的半径长为，然后计算参量从而比较出多边形的差别来。,2量算方法二,如果认为一个标准的圆目标既非紧凑型也非膨胀型，则可定义其形状系数为：,3量算方法三,其中，P为目标物周长，A为目标物面积。,3.4质心量算,定义：目标的半径位置或保持均匀的平衡点，一般为多边形的几何中心或重心。计算公式：,或者：i为离散目标，w为权重，x，y为目标坐标应用跟踪某些地理分布的变化，如人口变迁、土地类型变化等。简化复杂目标的模型建立等,城市环境评价,第四节缓冲区分析,数学表达为：其中,R为缓冲宽度，或缓冲半径。,4.1缓冲区及其作用,缓冲区是地理空间目标的一种影响范围或服务范围。空间缓冲区分析是指根据分析对象的点、线、面实体，自动在其周围建立一定距离的带状区（多边形），用以识别这些实体或主体对临近对象的辐射范围或影像程度，以便为某项分析或决策提供依据。,作用：缓冲区分析是GIS的基本空间操作功能之一，一般应用于求地理实体的影响范围，即邻近度问题。如道路噪声影响范围就是沿道路建一定宽度的缓冲区，车流量决定缓冲区半径。如某地区有危险品仓库，要分析一旦仓库爆炸所涉及的范围，这就需要进行点缓冲区分析等等。如果要分析因道路拓宽而需拆除的建筑物和需搬迁的居民，则需进行线缓冲区分析；,点缓冲区分析：化工厂污染范围如下图。,现有公路需要扩宽,公路扩宽20米,4.2缓冲区分析流程,首先根据条件，建立缓冲区，然后将这个缓冲区图层与其他图层进行诸如叠置分析、网络分析、服务设施查找等其他分析操作，得到所需结果，以便为某项分析或决策提供依据。,4.3三种缓冲区分析模型,（1）线性模型：Ff（1r）（2）二次模型：Ff（1r）2（3）指数模型：Ff（1r）,影响度F,距离r,影响度F,影响度F,4.4基于矢量数据的缓冲区的建立,点的缓冲区,面的缓冲区,线的缓冲区,多个实体的缓冲区，各实体缓冲区的并，半径可以不同,1、线的重采样，对线进行化简，以加快缓冲区建立的速度。-线的矢量数据压缩算法。2、建立线缓冲区，在线的两端按一定的距离（缓冲距）绘平行线，并在线的端点处绘半圆，连成缓冲区多边形。3、重叠处理：对缓冲区边界求交，并判断每个交点是出点还是入点，以决定交点之间的线段保留或删除。这样就可得到岛状的缓冲区。,以线状地物为例：,ArcGIS用生成缓冲区的形式,原始数据,结果形式1,结果形式2,结果形式3,4.4缓冲区分析实例某城市医院的服务影响范围,第五节叠置分析,5.1基于矢量数据的叠置分析,为某工厂选址，首先找出地价=2）3离下水管道线（Sewers.shp）不超过300M解题思路：1以缓冲半径300m对Sewers.shp做缓冲区；2分别提取（select）Landuse.shp中的Lucode30的区域以及soil.shp中的suit=2的区域；3将1和2所得的3个图层叠置求交，得到水产养殖实验室的适宜地点。,演示视屏,5.4应用实例2退耕还林,要求：提取某地区坡度在25度以上的菜地，以退耕还林。数据：1DEM数据;2土地利用类型数据（矢量形式）。解题思路：1从土地利用类型数据提取菜地（select），并转换成栅格数据;2由DEM生成坡度（slope）；3将由1等到的土地类型数据与坡度数据，利用栅格计算器（逻辑与、关系大于）得到坡度大于25度的菜地区域。4为需退耕还林的菜地设置显示效果。,演示视屏,5.4应用实例3制作明暗等高线,要求：利用已知的DEM数据生成明暗等高线。数据：DEM数据;解题思路：1生成等高距为50米的等高线；2由DEM生成坡向图DAM（Aspect）；并通过栅格计算由DAM生成该区域的背光面（大于45度小于225度）；3将背光面区域转换成矢量多边形，并让等高线与其进行identity叠合，生成新的等高线（含gridecode字段，0为向光面，1为背光面）。4为新的等高线设置显示效果，并设置背景或掩膜（数据有效范围，灰度40%）。,演示视屏,第六节空间网络分析,6.1概念,网络就是指现实世界中，由链和结点组成的、带有环路，并伴随着一系列支配网络中流动之约束条件的线网图形，它的基础数据是点与线组成的网络数据。,(a)(b)KonigsbergPark中的图形理论模型,网络分析的基础是图论和运筹学。,网络分析是通过模拟、分析网络的状态以及资源在网络上的流动和分配等，研究网络结构、流动效率及网络资源等的优化问题的领域。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，是GIS中网络分析功能的主要目的。,网络分析的根本目的是研究、筹划一项基于网络数据的工程如何安排，并使其运行效果最好。其基本思想则在于人类活动总是趋向于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置。,6.2网络的组成,2网络基本要素：1）结点：网络中任意两条线段的交点。2）链，连通路线，连结两点的段要素，是资源运移的通道。3）转弯：在连通路线相连的结点处，资源运移方向可能转变，从一条链上经结点转向另一条链。4）停靠点（站点）：网络中资源的上、下结点。,1网络：是一系列联结的弧段，形式物质，信息流通的通道。,5）中心：收发资源的结点处的设施，如河流网络中的水库，公共汽车停车场。,3属性1）阻碍：资源在网络中运行的阻力。2）资源需求量：网络中与弧段和停靠点相联系资源的数量，如某条街所住的学生数。3）资源容量：网络中心为弧段的需求能容纳或提供的资源总数量，如接收的学生总数。,6.3网络分析,（一）路径分析1最短路径分析含义：在网络中从起点经一系列特定的结点至终点的资源运移的最佳路线，即阻力最小的路径。,2路径分析包括：1）静态求最佳路径：在给定每条链上的属性后，求最佳路径。一般分析从p1到p2共有n条路径，计算各路径上的权数之和，取最小者为最佳路径。,2）N条最佳路径给定起点、终点，求代价最小的N条路径，事实上，理论上只有一条，实际上需选择N条近似最佳路径。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、链，求最短或耗费最小路径。4）动态最佳路径分析实际中权数可能是变化的，可能会临时产生一些障碍点，要动态计算最佳路径。,3核心算法求两点间的权数最小路径，常用的算法是Dijkstra。,ArcGIS网络分析-设施网络分析(UtilityNetworkAnalyst),节点最少18个点,时间最短,9.27分钟,距离最短,5198.9m,（二）连通分析-最小生成树,1含义连通图：如果一个图中，任意两个节点之间都存在一条路。树：若一个连通图中不存在任何回路，则称为树。最小生成树：生成树是图的极小连通子图。生成树T的权数：设T为图G的一个生成树，若把T中各边的权数相加，则这个和数称为生成树T的权数。在G的所有生成树中，权数最小的生成树称为G的最小生成树。,图的顶点表示城市，边表示两城市间的线路，边上所赋的权值表示代价。对n个顶点的图可以建立许多生成树，每一棵树可以是一个通信网。若要使通信网的造价最低，就需要构造图的最小生成树。,2应用：类似在n个城市间建立通信线路这样的连通分析问题。,3构造最小生成树的依据有两条,1）在网中选择n1条边连接网的n个顶点；2）尽可能选取权值为最小的边。,赋权图,最小生成树之一,最小生成树之二,设图G是由m个节点构成的连通赋权图，则构造最小生成树的步骤如下：1）先把图G中的各边按权数从小到大重新排列，并取权数最小的一条边为T中的边。2）在剩下的边中，按顺序取下一条边。若该边与T中已有的边构成回路，则舍去该边，否则选进T中。3）重复2），直到有m-1条边被选进T中，这m-1条边就是G的。,赋权图,最小生成树之一,最小生成树之二,4算法（Kruskal，克罗斯克尔算法，也叫“避圈”法）,7.1统计图表分析,能被用户直观地观察和理解数据。统计表格是详尽地表示非空间数据的方法，不直观，但可提供详细数据，便于对数据进行再处理。,第七节空间统计分析,散点图,折线图,扇形图,柱状图,直方图,7.2常用基本统计量,1属性数据的集中特征数-找出数据分布的集中位置,1）频数和频率,将变量xi（i1,2,，n）按大小顺序排列，并按一定的间距分组。频数：变量在各组出现或发生的次数；频率：各组频数与总频数之比；用以表示事件出现的次数和频率，事件的分布状况。,4）众数：众数是具有最大可能出现的数值。,2）平均数：反映了数据取值的集中位置，通常有简单算术平均数和加权算术平均数。,3）中数：有序数据集中出现频率占半数的数据值。,2属性数据的离散特征数,描述数据集的离散程度，相对于中心位置的程度,1）极差：是一组数据中最大值与最小值之差；,2）离差，平均离差与离差平方：,（1）离差：一组数据中的各数据值与平均数之差；,（2）平均离差：将离差取绝对值，然后求和，再取平均数；,（3）离差平方：离差求平方和；,（1）方差：是均方差的简称，是以离差平方和除以变量个数求得的，记为2；,用来衡量数据在时间和空间上的相对变化的程度，它是无量纲的量。为标准差除以平均数取百分。,（2）标准差：标准差是方差的平方根；,3）方差与标准差,4）变差系数：,7.3统计数据的分类分级,1系统聚类法：根据距离，将相似的样本归为一类，把差异大的样本区分开来。,距离：表示相似程度，可以欧氏距离，绝对值距离、相似系数距离等。,1：东北区2：内蒙古及长城沿线区3：黄淮海区4：黄土高原区5：长江中下游区6：西南区7：华南区8：甘新区9：青藏区,2最优分割分级法针对有序样本或可变为有序(排序)的样本,n个数据按大小顺序排列后，有(n-1)个“空隙”，如分成k个等级，则需(k-1)个分级界线。因此，n个数据分成k级的可能分法有种。对于每种分级，可按定义为各级内数据的离差平方和之和的误差函数公式来计算分级误差的大小，选择级内离差平方和为最小而级间离差平方和为极大的一种分级方法为最优。离差：一组数据中的各数据值与平均数之差称为离差。,当数据具有均匀变化的分布特征时，等间距分级法就简明实用；若数据分布差异过大，会造成图面配置不均衡,影响制图与对统计结果的分析。,（1）等间距分级,按某个恒定间隔来对数据进行分级。原理简单、易操作,把数列划分为相等个数的分段，根据实际需要选择四分位、五分位、六分位十分位。先将数列按大小排列，从一端开始计算其分位数，处于分位数上的那个值作为分级值。分位数分级可以使每一级别的数据个数接近一致，往往能产生较好的制图效果。,（2）分位数分级,标准差可以反映各数据间的离散程度，（前提要保证数据分布具有正态分布的规律，才可计算平均值和标准差Std.Dev）。以算术平均值作为中间级别的一个分界点，以一倍标准差参与分级时其余分界点为：Std.Dev，2Std.Dev，3Std.Dev，iStd.Dev。,（3）标准差分级,8.1空间分析建模专业应用模型,1定义：空间分析模型是指用于GIS空间分析的数学模型，是在GIS空间数据基础上建立起来的模型，是通过作用于原始数据和派生数据的一组顺序的、交互的空间分析操作命令，对一个空间决策过程进行的模拟。,第八节GIS地学建模,2空间分析与应用模型的关系,空间分析是基本的，解决一般问题的理论和方法，而一般应用模型是不可枚举的，是复合、复杂的，解决专门问题的理论和方法，它的解决应以空间分析的基本方法和算法模型为基础。（局部与整体的关系）,（1）空间分析模型是联系GIS应用系统与专业领域的纽带，必须以广泛、深入的专业研究为基础；（2）空间分析模型是综合利用GIS中大量数据的工具，数据的综合分析和应用主要通过模型来实现；（3）空间分析模型是分析型和辅助决策型GIS区别于管理型GIS的一个重要特征，是解决空间分析和辅助决策问题的核心。,3空间分析模型的意义,4地理信息建模系统（geographicinformationmodellingsystem）,是研究如何根据给定条件（如已知数据和约束条件）自动生成解决问题（如确定候选地址）的整个操作过程。,5GIS中常用空间分析模型,1)相关分析模型-用来分析研究各种地理要素数据之间相互关系的一种有效手段。2)趋势面分析模型-用来将现象的空间分布特征模拟出来。3)预测模型-反映地理要素的动态发展规律，并用于预测分析。-常用回归模型。4）聚类模型描述各种地理要素数据之间的近似程度，相似的可合并。,8.2空间决策支持-GIS空间分析的主要目的,1空间决策支持定义是应用空间分析的各种手段对空间数据进行处理变换，以提取隐含于空间数据中的某些事实和关系，并以图形和文字的形式直观地加以表示，为现实世界中的各种应用提供科学、合理的支持。2GIS解决空间问题的一般步骤1）明确目的、要求；2）收集（准备）数据并建库;3）确定GIS空间分析步骤；4）输出结果。,例1：道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算,1）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面积和房产价值；道路拓宽改建的标准是：a)道路从原有的20m拓宽至60m；b)拓宽道路应尽量保持直线；c)部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除。2）准备进行分析的数据涉及两类信息：一类是现状道路图；另一类是分析区域内建筑物分布图及相关的信息；,4）进行统计分析a)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，将其从选择组中去除，并对道路的拓宽边界进行局部调整。b)对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。5）将分析结果以地图或表格的形式打印输出。,3）进行空间操作,a)选择拟拓宽的道路，根据拓宽半径，