《GIS第二章》PPT课件

第二章矢量数据分析(VectorDataAnalysis),2.1邻近分析2.2空间提取2.3叠加分析2.4网络分析,2.1邻近分析(Proximityanalysis),当现实的实体被抽象为几何对象时，就可以对它们之间的距离进行查询和分析。一般来说，邻近分析或研究两个对象之间的距离，包括通过空间连接和建立缓冲区来发现最近的邻居。,1.距离量测寻找最近的邻居,距离量测是指要素之间直线（欧式）距离的量测。量测可在一个图层中的点到另一图层的点之间，或一个图层的各点到另一图层中最邻近点或线之间进行。量测的结果保存在一个字段中。通过空间连接（spatialjoin）作为邻近分析工具来实现操作。,课堂练习：点与线之间的距离量测,练习内容：要求对deer.shp中的每个鹿场点和edge.shp中原始森林与皆伐区边缘的最近距离进行量测。练习方法：通过定位方法使用合并数据；使用AnalysisTools/Proximity工具箱中的Near工具。,2.缓冲分析(Buffering),缓冲区：为了识别某一地理实体或空间物体对其周围地物的影响度,而在其周围建立的具有一定宽度的带状区域。缓冲区分析：是对一组或一类地物按缓冲的距离条件，建立缓冲区多边形，然后将这一图层与需要进行缓冲区分析的图层进行叠加分析，得到所需结果的一种空间分析方法。,x,基本思想：给定一个空间对象或集合；确定其邻域，邻域的大小由邻域半径r决定，对象A的缓冲区定义为P为距A的距离小于r的全部点的集合d一般指最小欧氏距离，但也可以为其它定义的距离，如网络距离，即空间物体间的路径距离。,缓冲分析的基本原理,A,d,r,（一）点要素的缓冲区建立点要素的缓冲区是以点要素为圆心，以缓冲距离R为半径的圆，包括单点要素形成的缓冲区、多点要素形成的缓冲区和分级点要素形成的缓冲区,缓冲区建立方法,R,（二）线要素的缓冲区建立线要素的缓冲区是以线要素为轴线，以缓冲距离R为平移量向两侧作平行曲(折)线，在轴线两端构造两个半圆弧最后形成圆头缓冲区，包括单线、多线和分级线形成的缓冲区。,R,（三）面要素的缓冲区建立：面要素的缓冲区是以面要素的边界线为轴线，以缓冲距离R为平移量向边界线的外侧或内侧作平行曲(折)线所形成的多边形，包括单一、多面状和分级面要素形成的缓冲区。,R,（一）角分线法（也称“简单平行线法”）,缓冲区实现的基本算法,原理：先对边线做其平行线，然后在线状要素的首尾点处，作其垂线并按缓冲区半径r截出左右边线的起止点，在其它的折点处，用与该点相关联的两个相邻线段的平行线的交点来确定。,（二）凸角圆弧法,d=r/sin(B/2),保证了平行曲线的等宽性,r,原理：先对边线做其平行线，然后在线状要素的首尾点处，作其垂线并按缓冲区半径r截出左右边线的起止点，然后以r为半径分别以首尾点为圆心，以垂线截出的起止点为圆的起点和终点作半圆弧，在其它折点处，首先判断该点的凹凸性，在凸侧用圆弧弥合，在凹侧用与该点相关联的两个相邻线段的平行线的交点来确定。,分区和法律问题（Zoningandlegalissues）：某些城市制订了法规，禁止在小学周围1公里内出售烈性酒。对此，首先对各小学建立1公里的缓冲区，然后查询其中的商业地块，以确认其中没有违规的商店。应急准备（Emergencypreparedness）:围绕某一地震断层建立1公里的缓冲区，以查询其中有多少大型商场。然后，确认哪些商场处在最危险的地震带之中。,缓冲区分析应用,已知一湖泊，要求在它周围5000m内必需禁止任何污染性工业企业存在，在它周围500m内必需禁止建设任何永久性建筑物。分析步骤（1）先建立缓冲区；（2）同现有污染性工业企业图叠置，显示在范围内应禁止的污染性工业企业；（3）同现有永久性建筑物图叠置，显示在范围内应禁止的永久性建筑物。,案例分析,2.2空间提取(Spatialextraction),空间提取是进行空间分析时，在一开始和结束前经常采用的步骤，以减少输出结果中要素的数量。在街道两侧建立10米的缓冲区，首先要从城市街路图层中选择需要加宽的街道。在进行了一系列地学处理之后合并许多小的多边形。,建立子集(Creatingsubsets),通常情况下，一个数据图层包含了许多要素，而所开展的研究只集中在其中的一部分。通过对要素建立子集的方法，可以减少要素的数量。,剪切要素(Clippingfeatures),消减要素(Dissolvingfeatures),提取与邻近分析应用示例：城市土地利用分析(Performingextractionandproximityanalysis:Analyzingacityslanduse）,一个城市土地的利用方式将影响其中居民的生活。如果某一城市中许多城区充满工厂、烟雾和噪声污染，这些必将会影响到当地居民的生活质量。城市的公园和绿地则会改善当地的生活，使人们远离噪声和空气污染。为了发挥城市绿地的作用，城市的长期保护规划将提出相应的保护措施。,该土地利用图层包含了全市12,876个要素,通过选择将工业区分离到一个新的图层中，其结果被表示在industry图层中。,消减（Dissolve）被用来合并所有包含“工业”用地类的邻近多边形。结果表示在Inddiss图层中。,对各工业用地地类按300米建立缓冲区。结果表示在图层Indbuff中。,剪切（Clip）用来发现工业用地300米缓冲区内的城市用地。新图层Landclip可用来确定该缓冲区内每种地类准确的范围。,2.3叠置分析(OverlayAnalysis),叠置分析是GIS中常用提取空间隐含信息的方法之一。它是将有关主题的各个数据层面进行叠置产生一个新的数据层面，其结果综合了原来两个或多个层面要素所具有的属性，同时不仅生成了新的空间关系，也产生了新的属性关系。其中，被叠加的要素层面必须基于相同坐标系统，同一地带还必须基于相同的基准面。从原理上来说，叠置分析是对新要素的属性按一定的数学模型进行计算分析，其中涉及逻辑交、并、差等运算。根据操作要素的不同，叠置分析可分成点与多边形叠加、线与多边形叠加、多边形与多边形叠加；根据操作形式的不同，叠置分析可分为图层擦除、识别叠加、交集操作、均匀差值、图层合并和修正更新。,叠加操作的类型（Typesofoverlayoperations）,从分离图层合并数据的三种基本叠加分析操作创建出新的地理要素，并记录了这些要素之间的关系。,点对面的叠加（Point-in-polygon）点对面的叠加是将一个点图层和一个面图层在空间上相结合，建立一个新的点图层。这类叠加用于发现落入多边形中的点。假设找出每个普查单元中杂货店的数量。新的（输出）杂货店的点要素类将拥有普查单元的属性。据此可以查询某个商店所属的普查单元，或查找每个普查单元内全部商店的数量。,线对面的叠加（Line-in-polygon）线对面的叠加是将一个线图层和一个面图层在空间上相结合，建立一个新的线图层。这类叠加用于发现一个线要素类和一个多边形要素类之间共同的地理空间。如果有河流要素类和宗地要素类，就可以发现哪条河落入到哪个地块中，准确的找出每个地块中包含了多少河流。输出的结果要比通过的相交查询更精确，因为输入要素通过叠加实现了物理上的切断，并重新计算了长度。,面对面的叠加（Polygon-on-polygon）面对面的叠加是将两个不同图层中的多边形要素结合成一个单一图层。这类叠加操作可以研究两个要素类之间的共同区域。如果第一个要素类代表行政区，第二个要素类代表洪泛区，据此可以发现洪水的风险和每个行政区内所包含的洪泛区的位置。,图层擦除（Erase）,图层擦出是指输入图层根据擦除图层的范围大小，将擦除参照图层所覆盖的输入图层内的要素去除，最后得到剩余的输入图层的结果。数学的空间逻辑运算表示为：,多边形与多边形,线与多边形,点与多边形,识别叠加（Identity）,输入图层和另外一个图层进行识别叠加，在图形交迭的区域，识别图层的属性将赋给输入图层在该区域内的地图要素，同时也有部分的图形的变化在其中，,多边形与多边形,点与多边形,线与多边形,交集操作（Intersect）,交集操作是将两个图层的要素和属性的交集部分结合成第三个图层，原图层的所有属性将同时在新图层上显示出来。输出图层将包含与输入图层相同的要素类型和属性数据项。如果输入的都是多边形图层，则输出图层将会反映出要素和属性的结合。,在数学运算上表现为：xAB（A,B分别是进行交集的两个图层）。由于点，线，面三种要素都有可能获得交集所以它们的交集的情形有七种：,线与多边形,多边形与多边形,点与多边形,点与线,点、线与多边形三者相交,线与线,点与点,左图显示了相交的三步过程：地块图层用缓冲区多边形剪切。缓冲图层用地块多边形剪切。两个剪切图层结合，形成最终的图层。,图层合并（Union）,图层合并是一次将两（多）个多边形图层结合成一个新多边形图层。新图层中包括了两（多）个图层中所有的多边形和属性，通常会有更多的多边形。相当于布尔运算的or，输出图层对应于输入图层或叠加图层的叠加范围。图层合并将原来的多边形要素分割成新要素，新要素综合了原来两（多）层属性。图层合并的数学表达式为：xxAUB,叠加分析与属性Overlayanalysisandattributes,Wheneveryouperformaunionorintersect,inadditiontofeaturegeometrytheinputlayersattributesarejoined.Boththeinputlayerfeatureidentifiersanduser-addedattributefieldsareaddedtotheoutputlayersattributetable.,合并的结果（上表）显示了所有处在缓冲区内(BufferDist=500)，并Landuse=134的多边形。也可以知道缓冲区的面积。相交的结果（下表）。只要列出属性表就可以知道哪些地块、有多少地块落在了缓冲区内。,交集取反（Symmetricaldifference）,均匀差值就是在两个图层叠置中去掉它们之间的公共部分后剩下的部分，同时对原有图层空间上的分布进行一定区域内的调整，新生成图层的属性是综合两者的属性而产生的。其数学逻辑运算式表示为：xAUB-AB（A,B为两个输入图层）。,破碎多边形(Slivers),破碎多边形是来自地图叠加过程中的常见误差。GIS软件通过模糊容差（fuzzytolerance）去除破碎多边形合适的模糊容差值是去除破碎多边形的关键最小制图单元（minimummappingunit）表示由政府机构或公司部门指定的最小面积单元。最小制图单元是很好的去除破碎多边形的方法,误差传递(ErrorPropagation),由于输入地图的不准确而导致误差的产生被称为误差传递。误差传递有两种类型：位置误差（positionalerror）：由于数字化和解译误差导致的边界的不准确，破碎多边形代表了地图叠加中产生的位置误差。标识误差（identificationerror）：由于属性数据不准确或标识错误。,练习：分析城市中心的用地类型,本练习的任务是发现在城市中心区每种土地利用类型的总面积。通过ArcMap中的相关工具可以获得所希望的信息。,练习2：为高速公路出口停车场选址,美国加州地方政府为了减少空气污染，鼓励居民在市区乘座公交工具，在高速公路出口建新的停车场。选址条件如下：位置便捷：距离高速公路出口500米以内；STR_NAME=I10,CLASS=9节约成本和降低对周边社区的影响：当前的用地类型为空地，规划为商业用地；LU_CODE=VAC,ZONE；ZONE-CODE=COM要求画出操作流程框图，提交结果图,分析流程图,2.4网络分析,网络分析是对地理网络（如：交通网络）、城市基础设施网络（如：各种网线、电缆线、电力线、电话线、供水线、排水管道等）进行地理分析和模型化的过程，通过研究网络的状态以及模拟和分析资源在网络上的流动和分配情况，解决网络结构及其资源等的优化。网络分析的理论基础是图论和运筹学。它从运筹学的角度研究、统筹、策划一类具有网络拓扑性质的工程，安排各个要素的运行，使其能充分发挥作用或达到预想的目标。资源的最佳分配，最短路径的寻找，地址的查询匹配,网络的组成和建立,现实中的网络是由链和结点组成的、带有环路，并伴随一系列支配网络中流动的约束条件的线网图形。网络中的基本组成部分和属性如下：1线状要素链网络中流动的管线，包括有形物体，如：街道、河流、水管、电缆线等，无形物体，如：无线电通讯网络等，其状态属性包括阻力和需求。2点状要素1）障碍：禁止网络中链上流动的点；2）拐角点：出现在网络链中所有分割结点上状态属性的阻力，如：拐弯的时间和限制（如不允许左拐）；,3）中心：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：总的资源量；阻力限额如：中心与链之间的最大距离或时间限制；4）站点：在路径选择中资源增减的站点，如：库房、汽车站等，其状态属性有要被运输的资源需求，如：产品数。网络中的状态属性有阻力和需求两项，通过空间属性和状态属性的转换，根据实际情况赋到网络属性表中。网络通常是将内在的线、点等要素在相应的位置绘出后，根据它们的空间位置以及各种属性特征建立拓扑关系，正确的拓扑关系网络分析的基础。,传输网络分析（NetworkAnalyst）：用于道路、铁路等交通网络分析，进行路径、服务范围与资源分配等。允许在网络边上双向行驶，网络中的代理（如公路上的驾驶员）具有主观选择方向的能力。使用的数据：网络数据集（NetworkDataset）；可解决的问题：计算点与点之间的最佳路径，时间最短或距离最短；进行多点的物流派送，能够按照规定的时间规划送货路径、自由调整各点的顺序；车辆路径派发；寻找最近的一个或多个设施点；确定一个或多个设施点的服务区；绘制起点终点距离成本矩阵。,ArcGIS中的网络分析工具,效用网络分析（UtilityNetworkAnalyst）：用于河流网络分析与公共设施网络分析，如：谁、电、气等管网，研究网络状态及模拟和分析资源在网络上的流动与分配情况。只允许在网络边上单向同时行进，网络中的代理（如管道中流动的石油）不能选择行进的方向，而由外部因素来决定：重力、电磁、水压等。使用的数据：几何网络（GeometricNetwork）；可解决的问题：寻找连通的/不连通的管线；上/下游追踪；寻找环路；寻找通路；爆管分析。,传输网络分析,1网络数据集的建立：（1）在ArcCatalog中建立新的要素数据集并导入多个要素类；（2）创建网络数据集,2基本功能基于几何网络的特征和属性，利用距离、权重和规划条件进行分析，得到结果并且应用在实际中。（1）路径分析最快路径：确定起点、终点，求时间最短路径；最短路径：确定起点、终点，求距离最短路径；最多场景的最短路径：确定起点、终点和所要求经过的中间点、中间连线，求最短路径或最小成本路径。路径分析的内容可以通过设定阻抗(Impedance)实现。N条最佳路径分析：确定起点、终点，求代价较小的N条路径，因为在实践中因为种种因素需要选择近似的最佳路径。,（3）服务区域分析（NetworkServiceArea）包括所有在设定阈值内可以到达的街道和区域，阈值可以是时间或距离等，如：某个点5分钟服务区即指可在5分钟内到达该点的所有区域（region）。Accessibility表示从某个点到达其他地点的难易程度。可以通过TravelTime、Distance和其他任意阻抗（Impedance）进行设定。（2）最近设施查询（ClostestFacilities）查询离某个位置最近的设施，如：餐馆、医院等；可以设置一个CutoffCost，一旦超过这个设置，则不再分析。一旦查找到最近设施，则可以实现的功能包括到达最近设施的路径、旅行花费、方向等。,（4）源点OD成本矩阵（Origin-DestinationCostMatrix）计算从源点到目标点的距离成本，OD成本矩阵可以用于后勤路线分析模型，以便进行优化选择，如：基于OD成本矩阵判断哪些商店由哪个仓库提供服务会更理想，从而改进商店配送及提供更好的物流服务。（5）车辆路径派发（VehicleRoutingProblem）主要针对多车辆、多订单的配送情况，为各车辆分配一组配送的订单，并确定送货的顺序，从而将总运输成本控制在最低。可以考虑订单的时间窗口，车辆对某个区域熟悉的程度等。（6）位置分配（Location-Allocation）根据选址的要求为设施选择最佳位置，使得这些位置能够覆盖尽可能多的居民，并且建设成本能够控制在预算的范围里，如选择商城，建医院的位置。,效用网络分析,1效用网络数据集的建立：（1）在ArcCatalog中建立新的要素数据集并导入多个要素类；（2）创建几何网络,2基本功能（1）流向分析应用效用网络时，了解网络线段上的资源和要素流动方向很必要。网络中的流向决定于：A.网络的连通性B.网络中起点或终点要素的位置C.网络要素的可运行性起点及终点位置控制了网络的流向。起点是指要素流动将由自己开始至网络中的其它位置，终点指要素流动停止的位置。因此，只需指定要素起点和终点即可确定网络边要素的流向。,流向的分类。网络中边要素的流向可分为三类：A.确定的流向。网络中的流向可以唯一地用网络的连通性、起点和终点的位置以及网络要素的可运行性来确定，而且这个网络边要素就被当作有确定的流向，一般来说，边要素的流向可与数字化的方向相同或相反。B.不确定的流向。通常发生在循环或封闭回路的情况下，也可能发生在有限个起点及数个终点方向的线段上。C.未初始化的流向。如果网络的边要素未与起点或终点连接，或即使连接上，该要素也不可运行，则该边要素就具有未初始化的流向。确定流向时应注意：城市交通网络中，一般存在着回路（连通图），所以网络中很多边的流向就变成了不确定的流向。,流向的显示：ArcGIS将网络流向信息储存在网络的线段图层中，使用设施网络分析（UtilityNetworkAnalyst）工具可以显示网络边要素的流向，包括确定的流向、不确定的流向、未初始化的流向。流向的设定：当发生以下几种情形时，必须对网络流向进行重新设定：建立了一个新的几何网络；对几何网络中的要素进行了增加或删除；对网络要素进行修改后，使得几何网络中的拓扑关系发生变化；增加或删除起点或终点；网络要素的连通性发生改变；网络要素的可运行性发生变化,（2）追踪分析,通过对网络要素连接性的追踪，选择周围相互连接的网络要素，形成一个追踪结果。在追踪结果中，一个网络元素均需与其它元素有连接性。追踪成果是追踪操作后所找到的网络要素配置结果。1）追踪分析的基础和简单操作A.旗标与障碍旗标定义追踪的起点，可以放置在任何交点或线段上。在执行追踪操作时，使用这些线段或交点作为追踪操作的起点，而连结至这些线段或交点的网络元素就会被包含于追踪的结果中。障碍用于终止网络追踪分析，可放置在任何交点或线段上。在执行追踪操作时，遇到障碍就停止追踪，形成一个追踪结果。,B.不可运行要素和图层在特定位置改变要素的不可运行性是一种更永久的方法，它将迫使网络追踪分析停止，形成追踪分析结果，如：在建的路不能通行，就应将这段路当成不可运行状态。有时不需要对几何网络数据中的一个层面进行追踪，此时可将该层面设置成不可运行，追踪分析将不考虑该层面上的网络数据。C.权重几何网络中的边和结点要素都可有不同的权重，如：道路的长度、电力网络中的电阻值。它可用于网络分析中计算费用和路径等。建立网络时，可以设定线段与交点要素的属性值为权重，进而确定追踪分析结果所包含要素的成本。在ArcGIS追踪工具中，只有寻找最佳路径才使用权重来计算追踪成本。在使用权重进行最佳路径分析时必须指定使用哪些确定的权重。对点状要素，仅需要一个权重参数；对线状要素，应用两个权重参数：一是顺着线状要素数字化方向（From-to）的权重，另一是逆着线状要素数字化方向（To-from）的权重。线状要素数字化方向是指该要素的端点在地理数据库中的储存顺序，一个线段的每一个方向可以依需要指定不同的权重，所以从某一个方向追踪的结果会与另一个方向的结果不同。,D.权重过滤器权重过滤器法是为了限制部分可能被追踪到的网络要素，而为它们设定一定的权重值有效范围，以便在追踪分析中使用。E.已追踪要素与终止追踪要素追踪分析在计算机中的实现过程是逐步进行的，结果也是追踪积累得到的，故而在追踪分析过程中，需要对已追踪的要素和终止追踪要素进行记录存储。已追踪的要素是指需要追踪得到的要素；终止追踪要素是指追踪无法通过而不能继续的要素，这种要素包括不可运行的要素，已经被设置有障碍的要素和虽已被追踪到但只是连接到另一条死路，即只有一个要素与其连接。,F.应用选择集修改追踪目标ArcMap中有三种途径应用选择集修改追踪目标：a.从设施网络分析工具条（UtilityNetworkAnalyst）中选择AnalystOptions对话框，确定要进行追踪分析的要素是全体/部分要素。不参与追踪分析的要素，在几何网络中充当障碍的作用。b.在执行追踪操作时，从ArcMap的Selection主菜单，可以指定哪些图层可以或不可以被纳入选择集。c.使用互动选择法通过Selection主菜单设定交互式选择规则确定追踪分析的结果，产生一个新的选择集，或追加到已有的选择集中、或从现有选择集中选出追踪操作成果、或从现有选择集中移除追踪操作成果。综上所述，通过网络追踪分析，可以实现将追踪结果传回作为判断选择的设定、将个别要素或整个图层设为无作用状态；在线状要素或点状要素上设置障碍；存储记忆已追踪要素或停止追踪的要素以及在一定的选择集上进行追踪分析和结果的获得。同时使用以上操作，对较为复杂的网络追踪工作进行处理。,2.5追踪分析,追踪分析是基于时间序列的可视化和分析工具，可以实现带有时间属性的食物和现象变化的历史回放，以及实时数据的动态显示。车辆、卫星等的动态位移；离散发生的犯罪、雷击事件；气象台站的风向监测信息。,1.追踪分析的相关概念,时态数据：包含地理位置的时间、日期信息，可借助此信息对实时观测结果和以前记录的观测结果进行追踪。追踪：是同一对象观测的集合。移动对象可以具有一个显示汽车在过去1h内移动位置的追踪。静态对象可以是随时间观测值的集合，如：气温。追踪线：连接追踪中各观测值的线，描述实体的大致路径。观测：一组在特定时间点为某个实体测量的值。对于要用于进行追踪的观测，