空间分析是GIS系统的重要功能之一-是GIS系统与计算机辅ppt课件

.,1,空间分析是GIS系统的重要功能之一，是GIS系统与计算机辅助绘图系统的主要区别。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。其中空间坐标用于实体的空间位置和几何形态，专业属性则是实体某一方面的性质。,空间分析,第四章GIS空间分析方法与产品输出,.,2,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。,.,3,第一节GIS空间分析过程及其模型,GIS不仅要完成管理大量复杂的地理数据的任务，更为重要的是要完成地理分析、评价、预测和辅助决策的任务，必须发展广泛的适用于地理信息系统的地理分析模型，这是地理信息系统走向实用的关键。模型：所谓模型，就是将系统的各个要素，通过适当的筛选，用一定的表现规则描写出来的简明的映象。通常表达了某个系统的发展过程或发展结果。,.,4,一、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。,空间分析模型,.,5,2、空间分析与应用模型的关系,空间分析,应用模型,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）,空间分析模型,一、空间分析建模专业应用模型,.,6,（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,空间分析模型,一、空间分析建模专业应用模型,.,7,一、空间分析建模专业应用模型,空间分析模型,4、地理信息建模系统（GIMS）,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。它能支持面向用户的空间分析模型的定义、生成和检验的环境，支持与用户交互式的基于GIS的分析、建模和决策。GIMS是目前GIS研究的热点问题之一。,.,8,二、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。2、GIS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；,空间分析模型,.,9,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。2）准备进行分析的数据涉及两类信息：A、现状道路图；B、分析区域内建筑物分布图及相关的信息；,空间分析模型,三、空间决策支持的实例,.,10,3）进行空间操作a)选择拟拓宽的道路，建立道路的缓冲区。b)将此缓冲区与建筑物层数据进行拓扑叠加，产生一幅新图，4）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,空间分析模型,三、空间决策支持的实例,例1：道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算,.,11,例2：辅助建筑项目选址,1）建立分析的目的和标准目的：确定一些具体的地块，作为一个轻度污染工厂的可能建设位置。2）从数据库中提取用于选址的数据A、全市所有地块信息的数据层；B、全市公共设施的分布图。,空间分析模型,三、空间决策支持的实例,.,12,3）进行特征提取和空间拓扑叠加从地块图中提取满足条件的地块，并与公共设施层数据进行叠加。4）进行邻域分析对叠加结果进行邻域分析和特征提取，去掉周围有幼儿园、学校等公共设施的地块，选择满足要求的地块。5）将选择的地块及相关信息以地图和表格的形式打印输出。,空间分析模型,三、空间决策支持的实例,例2：辅助建筑项目选址,.,13,第二节空间查询,.,14,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,第二节空间查询,.,15,一、DEM概述,第三节数字地面模型及其应用,1、概念数字高程模型（DigitalElevationModel），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。,DTM（DigitalTerrainModels）：z为其他二维表面上连续变化的地理特征。,.,16,2、表示法：,DEM分析,一、DEM概述,.,17,1）等高线法,DEM分析,等高线是一条带有高程值属性的简单多边形或多边形弧段。需要用插值方法来计算落在等高线以外的其他点的高程。,一、DEM概述,2、表示法：,矢量等高线,栅格等高线,.,18,2）TIN法,TIN（TriangulatedIrregularNetwork)利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点连接成相互连续的三角面。,DEM分析,一、DEM概述,2、表示法：,连接原则：尽可能地确保每个三角形都是锐角三角形或是三边的长度近似相等-Delaunay。,.,19,3）规则格网法(Grid),规则格网法是把DEM表示成高程矩阵，DEM来源于直接规则矩形格网采样点或由不规则离散数据点内插产生。结构简单，计算机对矩阵的处理比较方便，成为DEM最通用的形式。,DEM分析,一、DEM概述,2、表示法：,.,20,DEM分析,一、DEM概述,2、表示法：,3）规则格网法(Grid),缺点：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,如山峰、洼坑、山脊等；,.,21,3、DEM特点,1）容易以多种形式显示地形信息。2）精度不会损失。3）容易实现自动化、实时化。,DEM分析,一、DEM概述,.,22,四、DEM的应用,（一）基于DEM的信息提取1、坡度定义为地表单元的法向与Z轴的夹角，即切平面与水平面的夹角。2、坡向坡向是地表单元的法向量在水平面上的投影与X轴之间的夹角，3、地表粗造度（破碎度）定义为地表单元的曲面面积与其水平面上的投影面积之比。,DEM分析,.,23,4、高程变异分析,DEM分析,包括平均高程、相对高程、高程标准差，高程变异。高程变异：为格网顶点的高程标准差与平均高程的比值。,四、DEM的应用,（一）基于DEM的信息提取,.,24,DEM分析,DEM,计算地表形态要素H,H,坡度、坡向等,地形分类标准表,地形自动分类,5、地貌形态的自动分类,四、DEM的应用,（一）基于DEM的信息提取,.,25,DEM分析,四、DEM的应用,1）土木工程：各种线路选线（铁路、公路、输电线）的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算，任意两点间的通视判断及任意断面图绘制；2）测绘：用于绘制等高线、坡度坡向图、立体透视图，制作正射影像图以及地图的修测；3）遥感：作为分类的辅助数据。它还是地理信息系统的基础数据，可用于土地利用现状的分析、合理规划等；4）军事：可用于导航及导弹制导、作战电子沙盘等。5）数字水文分析：水系自动提取、流域划分、洪水险情预报等。,.,26,空间叠加分析是指在统一空间参照系统条件下，每次将同一地区的两个地理对象的图层进行叠加，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。,第四节空间数据的叠加分析,.,27,参加叠加分析的两个图层应都是矢量数据结构。若需进行多层叠加，也是两两叠加后再与第三层叠加，依次类推。其中被叠加的多边形为本底多边形，用来叠加的多边形为上覆多边形，叠加后产生具有多重属性的新多边形。,一、基于矢量数据的叠加分析,.,28,一、基于矢量数据的叠加分析,叠加分析,1、内容1）点与多边形的叠加点层与面层的叠加核心算法为判断点是否在多边形内。2）线与多边形的叠加,线与多边形的叠加是把一幅图(或一个数据层)中的多边形的特征加到另一幅图(或另一个数据层)的线上。线与多边形叠加的算法就是线的多边形裁剪。,.,29,2、多边形与多边形的叠加,1）定义：多边形叠加分析也称为Polygon-on-polygon叠加，是指不同图幅或不同图层多边形要素之间的叠加，根据两组多边形边界的交点来建立具有多重属性的多边形（合成叠加）或进行多边形范围内的属性特性的统计分析（统计叠加）。2）应用：寻求和确定同时具有几种属性的分布区域。,叠加分析,一、基于矢量数据的叠加分析,.,30,3）实施步骤,a）对原始数据（多边形）形成拓扑关系。b)多层多边形数据的空间叠加，形成新层。c）对新层中的多边形重建拓扑。d）删除多余多边形（或处理意义多边形）提取感兴趣的部分。,叠加分析,一、基于矢量数据的叠加分析,2、多边形与多边形的叠加,.,31,4)难点a）会产生大量对用户无关的多边形，需建拓扑，工作量大。b）会产生多边形叠加的位置误差，需要进行处理。c）建新多边形拓扑和多边形与新属性的连接，工作量大。,叠加分析,一、基于矢量数据的叠加分析,2、多边形与多边形的叠加,.,32,矢量数据的多边形叠加分析,合成叠加统计叠加,.,33,二、基于栅格数据的叠加分析,（一）单层栅格数据的分析1、布尔逻辑运算用布尔逻辑运算组合更多的属性作为检索条件，以进行更复杂的逻辑选择运算。2、重分类重分类是将属性数据的类别合并或转换成新类。,叠加分析,.,34,3、滤波运算,滤波运算可将破碎的地物合并和光滑化，通过边缘增强和提取，获取区域的边界。4、特征参数计算对栅格数据计算区域的周长、面积、重心等，以及线的长度、点的坐标等。,叠加分析,二、基于栅格数据的叠加分析,（一）单层栅格数据的分析,5、相似运算-匹配识别相似运算是指按某种相似性度量来搜索与给定物体相似的其它物体的运算。,.,35,（二）多层栅格数据的叠加分析,叠加分析,1、点变换方法：1）概念：只将对应栅格单元的属性作某种运算得到新图层属性，而不受其邻近点的属性值的影响。,2）算法原理：,二、基于栅格数据的叠加分析,赋常数提取加法覆盖减法分类逻辑组合,.,36,2、区域变换,新属性的值不仅与对应的原属性值相关，而且与原属性值所在的区域的长度、面积、形状等特性相关。3、邻域变换计算新图层属性时，不仅考虑原始图上对应栅格本身的值，还需考虑该图元邻域关联的其他图元值的影响。,叠加分析,二、基于栅格数据的叠加分析,（二）多层栅格数据的叠加分析,.,37,叠加分析,1）类型叠加：获取新的类型2）数量统计:即计算某一区域内的类型和面积3）动态分析：对同一地区、相同属性、不同时间的栅格数据的叠置，分析由时间引起的变化4）益本分析：通过对属性和空间的分析，计算成本、价值5）几何提取：通过与所需提取的范围的叠置运算，快速地进行范围内信息的提取,二、基于栅格数据的叠加分析,（二）叠加分析的作用,.,38,一、缓冲区及其作用,空间缓冲区分析：是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对邻近对象的辐射范围或影响度，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。,第五节空间数据的缓冲区分析,.,39,在进行空间缓冲区分析时，通常将研究的问题抽象为三类因素进行分析,主体：分析的主要目标，分为点源、线源和面源邻近对象：受主体影响的客体作用条件：主体对邻近对象施加作用的影响条件或强度,.,40,缓冲区分析,二、基于矢量数据的缓冲区的建立,点的缓冲区,线的缓冲区,面的缓冲,多个实体的缓冲区，各实体缓冲区的并，半径可以不同,.,41,三、基于栅格的缓冲区建立,算法比较简单，核心问题是距离变换。,栅格数据,距离变换,提取一定宽度的多边形,缓冲区,缓冲区分析,.,42,一、概念,GIS的网络分析是依据网络的拓扑关系，通过考察网络元素的空间及属性数据，以数学理论模型为基础，对网络的性能特征进行多方面的一种分析计算。,第六节空间网络分析,.,43,二、网络的组成,网络分析,结点,站点,1、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。3）障碍：资源不能通过的结点。4）拐角：从一条链上经结点转向另一条链。5）中心：收发资源的结点处的设施。6）停靠点（站点）：网络中资源的上、下结点。,.,44,二、网络的组成,网络分析,2、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。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。,.,45,三、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、核心算法求两点间的权数最小路径，常用的算法是Dijkstra。,网络分析,.,46,三、网络分析,Dijkstra算法是由荷兰计算机科学家艾兹格迪科斯彻发现的。算法解决的是有向图或无向图中最短路径问题。,网络分析,算法步骤：设定K表示待确定最短路径的起点，L表示终点，则最短路径搜索的步骤如下：1.令起点K标号为零，其他结点标号为无穷大；2.对未被标定的结点全部给出暂时标号，其值为minj的旧标号,(i的旧标号+wij)，这里i是前一步刚被标定的结点，wij是边eij的权，如果结点i和j不相邻，wij=无穷大；3.找出所有暂时标号的最小值，用它作为相应结点的固定标号。如果存在几个同一最小标号值的结点，则可任取一个加以标定；4.重复进行2，3，直至指定的终点L被定标时为止。用此法可直接得到由起点K到其他结点的最短路径长度，那就是该结点的定标数值。而回溯各结点的上一结点直到起始结点。就是最短路径。,.,47,三、网络分析,（一）路径分析3、路径分析包括：1）静态求最佳路径2）N条最佳路径3）最短路径或最低耗费路径4）动态最佳路径分析,网络分析,.,48,一、统计图表分析,第七节空间统计类分析,.,49,统计分析,一、统计图表分析,统计表格是详尽地表示非空间数据的方法，不直观，但