栅格数据的空间分析方法（课堂PPT）

1/40,4.1、栅格数据4.1.1栅格数据集的组成一个栅格数据集，就象一幅地图，它描述了某区域的位置和特征与其在空间上的相对位置。由于单个栅格数据集典型代表了单一专题，如土地利用、土壤、道路、河流或高程，因此必须创建多个栅格数据集来完整描述一个区域。,第四章栅格数据的空间分析方法,2/40,4.1.2单元(Cell)栅格数据集由单元组成。每个单元，或像元，是代表某个区域特定部分的方块。栅格中的所有单元都必须是同样大小的。栅格数据集中的单元大小可以是你想要的任何值，但必须保证其足够小以便能完成最细致的分析。个单元可代表一平方公里、一平方米，甚至一平方厘米。,4.1、栅格数据,3/40,4.1.3行(Rows)与列(Columns)单元按行列摆放，组成了一个笛卡尔矩阵。矩阵的行平行于笛卡尔平面的x轴，列平行于y轴。每个单元有唯一的行列地址。,4.1、栅格数据,4/40,4.1.4值(Value)每个单元被分配一个指定的值以描述单元归属的类别、种类或组，或栅格所描述现象的大小或数量。值代表的要素包括土壤类型、土壤质地、土地利用类型、道路类别和居住类型等。值也可表示连续表面上单元的大小、距离或单元之间的关系。高程、坡度、坡向、飞机场噪声污染和沼泽的PH浓度都是连续表面的实例。如用栅格表示图像或照片，值能代表颜色或光谱反射值。,4.1、栅格数据,5/40,4.1.5分类区(zones)两个或多个同值单元属于同一分类区。分类区可以由连接、不连接或同时由以上两种单元组成。由连接单元组成的分类区通常表示某区域的单一要素，如一个建筑物、一个湖泊、一条路或一条电力线。实体的集合，如某州的森林林分、某国的土壤类型或城镇中的单家庭住宅是最有可能用许多不连接的组(组由连接的单元构成)构成的分类区来表示的数据。栅格上的每个单元都归属于某个分类区有些栅格数据集只包含很少的分类区，有些则包含很多。,4.1、栅格数据,6/40,7/40,4.1.6区域(Regions)分类区内的每组连接单元为一个区域。如果一个分类区仅由一纽连接单元构成，那么它就仅含一个区域。为表示一个要素，分类区可由所需要的足够多的区域组成。组成区域的单元数目是没有实际限制的。,4.1、栅格数据,8/40,在下面的栅格数据集中，分类区2由两个区域组成，分类区4由三个区域组成，分类区5仅由个区域组成。,4.1、栅格数据,9/40,4.1.7空值(Nodata)如果某单元被赋予空值，那么要么该单元所在位置没有特征信息或者是信息不足。空值，有时也被称为null值，在所有操作符和函数中对其处理方式是有别于任何其它值的。,4.1、栅格数据,10/40,4.1.8关联表整型(类别型)栅格数据集通常伴有一个属性表。表的第一项是值(Value)，存储栅格的每个分类区所分配的值。第二项个数(Count)，存储数据集中属于每个分类区的单元总数。,4.1、栅格数据,11/40,表中可插入本质上无限数量的可选项以表示分类区的其它属性。,4.1、栅格数据,12/40,4.1.9坐标空间和栅格数据集坐标空间定义了栅格数据集中位置间的空间关系。所有栅格数据集都位于某个坐标空间内。坐标空间可以是真实世界坐标系统或图像空间。由于几乎所有的栅格数据集都表示真实世界的某个场所，因此最好在栅格数据集中应用最能代表真实世界的真实坐标系统。将一个栅格数据集的非真实世界坐标系统(图像空间)转变为真实世界坐标系统的过程称为地理配准。对于栅格数据集，单元的方位由坐标系统的x和y轴决定。单元边界平行于x轴和y轴，所有单元在地图坐标上都是正方形。,4.1、栅格数据,13/40,在地图坐标中单元以(x,y)位置的方式来访问，而从不用行列位置。属于真实世界坐标空间的栅格数据集的x，y笛卡尔坐标系统依照地图投影来定义。地图投影变换使三维地表能够用二维地图来显示和存储。校正栅格数据集到地图坐标或转变栅格数据集从一个投影到另一个投影的过程被称为几何变换。,4.1、栅格数据,14/40,15/40,4.1.10在栅格数据集上表示要素在将点、多段线或多边形转化为栅格的时候，应该知道栅格数据是如何表示要素的。（1）点数据点要素是在指定精度下能够标识的没有面积的对象。虽然在某些精度下一口井、一根电话杆、或一株濒危植物的位置都可被认为是点要素，但在其它精度下它们确实是有面积的。例如，一根电话杆从两公里高的飞机上看仅仅足一个点，但从25米高的飞机上看将是一个圆。点要素用栅格的最小基元单元来表示。,4.1、栅格数据,16/40,单元是有面积大小的，单元越小则面积越小，则越接近所代表的点要素。带面积的点的精度为加减半个单元大小。这是用基于单元的系统来工作必须付出的代价。所有数据类型点、多段线和多边形，都处于同一格式下，能用同种语言交替使用，这对大多数用户来说比精度上的损失更为重要。,4.1、栅格数据,17/40,（2）线数据线数据是在某种精度下所有那些仅以多段线形式出现的要素，如路、河流、或电力线。定义上讲线是没有面积的。在空间分析模块中，多段线可仅用一串连接的单元表示。类似点数据，其表示精度将随着数据的尺度和栅格数据集的精度的改变而改变。,4.1、栅格数据,18/40,（3）多边形数据表示多边形或面数据的最好方式是能够最佳描绘多边形形状的一系列连接单元。多边形要素包括建筑物、池塘、土壤、森林、沼泽和田野。试图用一系列的方块单元表示多边形的平滑边界确实会有一些问题，其中最声名狼藉的一个就是“锯齿”，类似楼梯一样的效果。但由于空间分析模块能够处理单元数量以百万计的栅格数据集，锯齿”问题就显得不那么重要了。表示精度依赖于数据的尺度和单元的大小单元精度越高，表示小区域的单元的数量越多，表示就越精确。,4.1、栅格数据,19/40,20/40,栅格数据由于其自身数据结构的特点，在数据处理与分析中通常使用线性代数的二维数字矩阵分析法作为数据分析的数学基础。因此，具有自动分析处理较为简单，而且分析处理模式化很强的特征。一般来说栅格数据的分析处理方法可以概括为聚类聚合分析、多层面复合叠置分析、窗口分析及追踪分析等几种基本的分析模型类型。,第四章栅格数据的空间分析方法,4.2栅格数据的聚类、聚合分析,栅格数据的聚类、聚合分析均是指将一个单一层面的栅格数据系统经某种变换而得到一个具有新含义的栅格数据系统的数据处理过程。也有人将这种分析方法称之为栅格数据的单层面派生处理法。,第四章栅格数据的空间分析方法,21/40,1、聚类分析栅格数据的聚类分析是根据设定的聚类条件对原有数据系统进行有选择的信息提取而建立新的栅格数据系统的方法。图a为一个栅格数据系统，1，2，3，4为其中的四种类型要素，图b为提取其中要素“2”的聚类结果。,4.2栅格数据的聚类、聚合分析,22/40,2、聚合分析栅格数据的聚合分析是指根据空间分辨率和分类表，进行数据类型的合并或转换以实现空间地域的兼并。空间聚合的结果往往将较复杂的类别转换为较简单的类别，并且常以较小比例尺的图形输出。当从小区域到大区域的制图综合变换时常需要使用这种分析处理方法。,4.2栅格数据的聚类、聚合分析,23/40,总结：栅格数据的聚类、聚合分析处理法在数字地形模型及遥感图像处理中的应用是十分普遍的。例如，由数字高程模型转换为数字高程分级模型便是空间数据的聚合；而从遥感数字图像信息中提取其中某一地物的方法则是栅格数据的聚类。,4.2栅格数据的聚类、聚合分析,24/40,4.3栅格数据的信息复合分析能够非常便利地进行同地区多层面空间信息的自动复合叠置分析，是栅格数据一个最为突出的优点。正因为如此，栅格数据常被用来进行区域适宜性评价、资源开发利用、城市规划等多因素分析研究工作。在数字遥感图像处理工作中，利用该方法可以实现不同波段遥感信息的自动合成处理；还可以利用不同时期的数据信息进行某类空间对象动态变化的分析和预测。该方法在计算机地学制图与分析中具有重要的意义。,第四章栅格数据的空间分析方法,25/40,信息复合模型包括两类：简单的视觉信息复合和较为复杂的叠加分类模型。1、视觉信息复合将不同专题的内容叠加显示在结果图件上，以便系统使用者判断不同专题地理实体的相互空间关系，获得更为丰富的信息。地理信息系统中视觉信息复合包括以下几类：（1）面状图、线状图和点状图之间的复合；（2）面状图区域边界之间或一个面状图与其他专题区域边界之间的复合；（3）遥感影像与专题地图的复合；（4）专题地图与数字高程模型复合显示立体专题图；（5）遥感影像与DEM复合生成真实三维地物景观。视觉信息的叠加不产生新的数据层面，只是将多层信息复合显示，便于分析。,4.3栅格数据的信息复合分析,26/40,2、叠加分类模型简单视觉信息复合之后，参加复合的平面之间没有发生任何逻辑关系，仍保留原来的数据结构；叠加分类模型则根据参加复合的数据平面各类别的空间关系重新划分空间区域，使每个空间区域内各空间点的属性组合一致。叠加结果生成新的数据平面，该平面图形数据记录了重新划分的区域，而属性数据库结构中则包括了原来的几个参加复合的数据平面的属性数据库中所有的数据项。以下按复合运算方法的不同进行分类讨论。,4.3栅格数据的信息复合分析,27/40,（1）逻辑判断复合运算设有A，B，C三个层面的栅格数据系统，一般可以用布尔逻辑算子以及运算结果的文氏图表达其一般的运算思路和关系。文氏图：集合的表示方法之一，用一个简单的平面区域表示一个集合，用区域内的点表示集合内的元素。通过文氏图可以很好的理解解集合的并、交、差的运算。,4.3栅格数据的信息复合分析,28/40,（2）数学运算复合法是指不同层面的栅格数据逐网格按一定的数学法则进行运算，从而得到新的栅格数据系统的方法。其主要类型有以下几种：算术运算：指两层以上的对应网格值经加、减运算，而得到新的栅格数据系统的方法。这种复合分析法具有很大的应用范围。,4.3栅格数据的信息复合分析,29/40,图3.3给出了该方法在栅格数据编辑中的应用例证。,30/40,函数运算：指两个以上层面的栅格数据，以某种函数关系作为复合分析的依据进行逐网格运算，从而得到新的栅格数据系统的过程。这种复合叠置分析方法被广泛地应用到地学综合分析、环境质量评价、遥感数字图像处理等领域中。类似这种分析方法在地学综合分析中具有十分广泛的应用前景。只要得到对于某项事物关系及发展变化的函数关系式，便可以运用以上方法完成各种人工难以完成的极其复杂的分析运算。这也是目前信息自动复合叠加分析法受到广泛应用的原因。,4.3栅格数据的信息复合分析,31/40,式中，M是融雪速度(cmd)，T是空气温度，D是露点温度。根据此方程，使用该地区的气温和露点温度分布图层，就能计算该地区融雪速率分布图。计算过程是先分别把温度分布图乘以0.19和露点温度分布图乘以0.17，再把得到的结果相加。,下面给出一个数学运算的例子。有一个森林地区融雪经验模型：,4.3栅格数据的信息复合分析,32/40,4.4栅格数据的追踪分析所谓栅格数据的追踪分析是指对于特定的栅格数据系统，有某一个或多个起点，按照一定的追踪线索进行追踪目标或者追踪轨迹信息提取的空间分析方法。,第四章栅格数据的空间分析方法,33/40,如下图，栅格所记录的是地面点的海拔高程值，根据地面水流必然向最大坡度方向流动的原理分析追踪线路，可以得出两个点位地面水流的基本轨迹。,4.4栅格数据的追踪分析,34/40,此外，追踪分析方法在扫描图件的矢量化、利用数字高程模型自动提取等高线、污染水源的追踪分析等方面都发挥着十分重要的作用。下图为GIS显示的追踪得到的河流图。,4.4栅格数据的追踪分析,35/40,4.5栅格数据的窗口分析4.5.1分析窗口的类型按照分析窗口的形状，可以将分析窗口划分为以下类型：（1）矩形窗口：是以目标栅格为中心，分别向周围八个方向扩展一层或多层栅格，从而形成如图3.6a所示的矩形分析区域。（2）圆形窗口：以目标栅格为中心，向周围作一等距离搜索区，构成一圆形分析窗口，如图3.6b。,第四章栅格数据的空间分析方法,36/40,（3）环形窗口：以目标栅格为中心，按指定的内外半径构成环形分析窗口，如图3.6c。（4）扇形窗口：以目标栅格为起点，按指定的起始与终止角度构成扇形分析窗口，如图3.6d。,4.5栅格数据的窗口分析,37/40,4.5.2窗口内统计分析的类型栅格分析窗口内的空间数据统计分析类型一般有以下几种类型：（1）均值；（2）最大值；（3）最小值：（4）中值；（5）统计量的范围；（6）统计量的总和等。,4.5栅格数据的窗口分析,38/40,例如，对于地下管网综合地理信息管理系统，统计功能包括：1