GIS空间分析基础..ppt

第二章GIS空间分析基础,目录,空间与地理空间,地理空间参考系统,地理空间数据特征,地理空间问题,地理信息系统区别于其他信息系统的独特功能？,GIS空间分析基础,空间分析，空间分析处理的对象是地理空间目标.熟识地理空间数据的特征是进行GIS空间分析的前提和基础,空间与地理空间,是一个复杂的概念，具有多义性，既有与时间对应的含义，也有“宇宙空间”的含义。,欧氏空间是对物理空间的一种数学理解与表达，是GIS中常用的一种重要空间。欧式空间擅长平面二维空间目标的空间方位、规模的表达。,拓扑空间是另一种理解和描述物理空间的数学方法，也是GIS中常用的重要数学空间。而拓扑空间则是描述空间目标宏观分布或目标之间相互关系的有效方法。,空间,欧式空间,拓扑空间,空间的概念,地理空间的概念,GIS中的概念常用“地理空间”(geo-spatial)来表述，一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象；GIS中的地理空间（Geo-spatial）是指经过投影变换后，在笛卡尔坐标系中的地球表层特征空间；GIS的任何空间数据都必须纳入一个统一的空间参照系中，以实现不同来源数据的融合、连接与统一；目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，现在规定的高程起算基准面为1985国家高程基准。,绝对空间,相对空间,定义,具有空间属性特征的实体集合，由不同实体之间的空间关系构成,相邻、包含、关联等,地理空间,GIS中地理空间被定义为绝对空间和相对空间两种形式,定义,具有属性描述的空间几何位置的集合，由一系列不同位置的空间坐标组成,坐标、角度、方位、距离等,包括,包括,空间多维性,可分性,尺度特征,地理空间的特性,地理空间的特性,点数据,线数据,面数据,地理空间的抽象,GIS采用高度抽象的方法将空间地物或现象抽象成几种基本类型点、线、面和复合对象。空间地物间的位置关系采用空间拓扑关系来描述。,点实体,抽象的点有位置，无宽度和长度,美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置,线实体,用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多度量实体距离有长度，但无宽度和高度,香港城市道路网分布,面实体,通常用来表示自然或人工的封闭多边形具有长和宽的目标一般分为连续面和不连续面,中国土地利用分布图（不连续面）,点：位置：（x，y）属性：符号,空间对象（实体）的地图表达,线：位置：(x1,y1),(x2,y2),(xn,yn)属性：符号形状、颜色、尺寸,空间对象（实体）的地图表达,面：位置：(x1,y1),(x2,y2),(xi,yi),(x1,y1)属性：符号变化等值线,空间对象（实体）的地图表达,遥感传感器平台,传感器,空间对象（实体）的遥感影像表达,地理空间参考系统,地理实体空间位置、分布、形态、空间关系（距离、方位、拓扑、相关场）等基本特征的精确描述依赖于空间参考系统，空间参考系统定义了地理空间三维表面的空间坐标系统及各坐标系统间的数学关系。,地球椭球体,坐标系统,地理空间坐标系统是空间位置的度量衡，是确定空间位置、空间距离、空间方位、空间关系等信息必需的工具，是空间数据分析的基础和前提,ImageInfowww.wizdata.co.kr-Notetocustomers:ThisimagehasbeenlicensedtobeusedwithinthisPowerPointtemplateonly.Youmaynotextracttheimageforanyotheruse.,地理空间坐标系统,地球椭球体,地球椭球体,以一个接近地球整体形状的旋转椭球代替真实的地球形体，这个旋转椭球为参考椭球,坐标系统,极移现象与协议地球坐标系,坐标系统,极移现象与协议地球坐标系,坐标系统,极移现象与协议地球坐标系,常用椭球面上的坐标系统,摊开在平面上的地球,什么是地图投影？,地球的全部或部分表面在平面上的系统表达。将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影。地理坐标（球面角度）向直角坐标系（平面距离）的数学转换：,投影面,为什么要进行投影?,GIS以地图方式显示地理信息。地图是平面，而地理信息则是在地球椭球上，因此地图投影在GIS中不可缺少。,地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积等参数的量算,地球椭球体为不可展曲面,地图为平面，符合视觉心理，并易于进行距离、方位、面积等量算和各种空间分析,地理坐标系统基本构成,地理网格:经线经度（Longitude）纬线纬度（Latitude）原点:初始子午线0赤道0方向:经度东-西（East/West）纬度北-南（North/South）最大值:经度180(EorW)纬度90(NorS),角度表达的地理坐标概念,球体（椭球体）坐标的特性,经纬线旋转轴、南北极、坐标原点经纬度表达为角度值-度分秒（DMS）或十进制度（DD），为从地心到地表任一点的量测值。地表上任一点的位置都可以用一对经纬度值来表示。,平面直角坐标的特性,具有任意原点的笛卡尔网格系统使用x,y坐标对定义平面上的位置方便距离、面积、周长，方位等空间信息的度量和计算比例尺一致性问题和其他系统误差,投影方式之一：几何投影,圆柱投影面,正切横轴投影,正切投影,正割投影,地图投影的分类,方位投影,圆锥投影,地图投影,变形规律,几何投影,非几何投影,构成方式,圆柱投影,伪方位投影,伪圆锥投影,伪圆柱投影,等积投影,等角投影,任意投影,多圆锥投影,等面积投影vs.等角投影,墨卡托投影,彼得斯投影,同变形特征vs.不同投影面,兰伯特等面积方位（赤道）投影,正弦等面积投影,综合型投影,罗宾逊投影,翰墨-埃托夫投影,不同地图投影之间比较,我国地图系列所采用的投影,基本比例尺地形图(1:5千，1:1万，1:2.5万，1:5万，1:10万，1:25万，1:50万，1:100万)中，大于等于50万的均采用高斯-克吕格投影(Gauss-Kruger)，又叫横轴墨卡托投影(TransverseMercator)；小于50万的地形图采用正轴等角割园锥投影，又叫兰勃特投影(LambertConformalConic)；大部分省图、大多数同级比例尺地图也采用兰勃特投影；海洋小于50万的地形图多用正轴等角园柱投影，又叫墨卡托投影(Mercator)；我国的GIS系统中应该采用与我国基本比例尺地形图系列一致的地图投影系统。,GIS中的地图投影,GIS数据库中地理数据以地理坐标存储时，则以地图为数据源的空间数据必须通过投影变换转换成地理坐标；而输出或显示时，则要将地理坐标表示的空间数据通过投影变换变换成指定投影的平面坐标。GIS中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影方式，但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时，一般采用国家基本系列地图所用的投影。,地图投影选择须考虑的因素,制图区域的地理位置、形状、范围和走向高、中、低纬度长、方、圆形东西向、南北向制图比例尺精度和用途地图内容出版方式,地球表面及其三级近似模型,地球自然表面,椭球体面,卫星重力面,海平面定义海洋的垂直形状经典重力学定义陆地的垂直形状卫星重力模型用重力定义整个地球的垂直形状旋转椭球体标准数学曲面（如1952海福特椭球，1953克拉索夫斯基椭球，1975年国际椭球），用来对地球卫星重力模型（即大地水准面）的部分或全部进行逼近表达。,全球大地测量系统（WGS84）所采用的卫星重力模型,椭球体参数,a主半轴(WGS-84value=6378137.0000m),b次半轴(WGS-84value=6356752.3142m),f扁平率=(a-b)/a(WGS-84value=1/298.257223563),部分参考椭圆体,我国使用的椭球体和基准面,每个国家或地区均有各自的基准面。我国的两个大地基准面-北京54坐标系（Krassovsky椭球体）西安80坐标系（1975年地球椭球体）。大地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照，北京54与西安80坐标之间的转换可查阅国家测绘局公布的对照表。WGS1984基准面采用WGS84椭球体，它是一地心坐标系，即以地心作为椭球体中心，目前GPS测量数据多以WGS1984为基准。虽然现有GIS平台中都预定义有上百个基准面供用户选用，但均没有我们国家的基准面定义。假如精度要求不高，可利用前苏联的Pulkovo1942基准面（Mapinfo中代号为1001）代替北京54坐标系；假如精度要求较高，如土地利用、海域使用、城市基建等GIS系统，则需要在GIS中自定义基准面。,地理网格,地理网格系统是一种以平面子集的规则分级剖分为基础的空间数据结构，具有较高的标准化程度。它能由粗到细、逐级地分割地球表面，将地球曲面用一定大小的多边形网格进行近似模拟，再现地球表面，其目的是将地理空间的定位和地理特征的描述一体化，并将误差控制在网格单元的大小范围内。,经纬网格,四叉树结构是rd树的特例,该网格由等度数间隔的经线和纬线交叉组成，空间数据的属性与经纬网格内的点相关联，方便网格内空间数据的获取与处理。网格系统可以在原有较小分辨率网格的基础上创建更细的子网格，增大其分辨率。,rd树已经应用于经纬网线构成的网格,nd树结构的特性,在空间数据库理论中，二维空间域便许存储在存储器的一个线性地址空间里，因此空间位置信息必须经过一定的转换才能存储在计算机中，使用nd树可以拓展线性空间的排序方法，便于计算机存储。,创建分级的一维地址。如果较大范围的空间区域内某种属性值一致，则以较低分辨率的网格来表示，如果属性值经常变化，则用较高分辨率的网格来表示，这样可以节省存储空间。,1,2,定义nd树结构的网格系统，其主要特性有：,举例,例如定义rd树中的d=2，r=10，在十进制度表达的经纬网线上建立连续网格（如图2.9所示），每一个间隔为10的网格单元被细分成100个1的网格（在经纬线两个方向上进行10等分），这种分割可以达到任意精细程度（如图）,全球地理网格模型的建立,地球表面往往以球体、椭球体、大地水准面等近似的拓扑形状来表达,1.全球地理网格模型由形成地球表面剖分的一系列区域所组成，每个区域都包含一个与之相关联的点。,从一个柏拉图立体开始建立规则的全球地理网格模型,正六面体,正四面体,正八面体,正十二面体,正二十面体,建立全球地理网格模型的过程,确定在规则多面体的单一表面上分层次的空间剖分方法,确定规则多面体相对于地球表面的固定方位,选择规则多面体,平面剖分到球面或椭球面的转换方法,第一步,第二步,第三步,大多数情况下要从以下四方面入手,最后一步,选择规则多面体,已有研究中比较常见的规则多面体都是理想立体中的一种，平面和球面上的理想立体共有五种类型（图2.12）：四面体、六面体、八面体、十二面体和二十面体。,平面和球面上的柏拉图立体,注意：一般来讲，理想立体上的表面个数越多，由多面体的面投影到球体表面时的变形就越小。,多面体相对方位的确定,多面体与地球表面的方位关系必须建立起来，最简单的方法是给出一个多面体顶点的大地坐标以及该顶点与其邻近顶点的方位角。对于规则的理想立体来说这种方法完全可以确定所有其他顶点的位置。下图是20面体的例子,表面层次剖分方法,全球地理网格模型具有层次性的特点，能够满足多分辨率级别或实际应用中的比例尺缩放要求，这就需要在已经选择的柏拉图立体表面进行分割，创建更精细的网格系统。,三种分辨率水平下的三角形表面剖分,由7个六边形叠成的伪六边形,表面层次剖分方法,将三角形表面剖分成不规则、不近似的多个子面域，如图所示。,转换方法,选择转换方法是在对应的球体表面建立相似的拓扑结构关系。所谓转换的方法并不是指投影方式的选择，而是如何将平面上设计好的层次网格与实际的地球表面套合或者联系到一起，使网格系统能以更加通用的数据结构表达和存储地球空间数据。,注意：最简单的方法是将球面上的大圆弧线与平面上的线对应，在球面上直接进行剖分。,地理空间数据特征,地理空间数据特征,时空特征,海量性,多维结构,不确定性,多尺度性,地理空间数据特征,地理空间数据是对地球系统中自然、经济、人文等诸多要素的空间位置、空间形态、空间分布、空间关系、空间趋势、运动方式等状态和过程的描述。空间和时间是地理空间数据的基本要素，时空特征是地理空间数据区别于其他数据的根本性标志。,地理空间数据的空间特性是指地理空间实体的几何特征及其与其他地理空间实体的空间关系。,时间是现实世界的第四维。地球系统发展具有阶段性与周期性、顺序性与不可逆性，因此地理空间数据必然具有时间特征。空间数据的时间性是指地理空间实体随时间变化的特性。地理空间实体的空间位置和属性可以同时随时间变化，也可以分别独立随时间变化,时空特征,地理空间数据特征,地理空间数据不仅能描述空间三维和时间维，也可以表现空间目标的属性以及数据不同的测量方法，不同来源、不同载体等多维信息，实现多专题的信息记录.,多维结构,例如在一个坐标位置上，既包括地理位置、海拔高度、气候、地貌和土壤等自然地理特征，也具有相应的社会经济信息如行政界线、人口、产量、交通等。,地理空间数据特征,空间多尺度是指空间范围大小或地球系统中各部分规模的大小，时间多尺度指的是地学过程或地理特征有一定的自然节律性，其时间周期长短不一。,不确定性是数据“真实值”不能被肯定的程度。,GIS地理空间数据的数据量极大。它既有空间特征（地学过程或现象的位置与相互关系），又有属性特征（地学过程或现象的特征）,多尺度性,在空间数据中多尺度特征包括空间多尺度和时间多尺度两个方面。,不确定性,海量性特征,地理空间问题,GIS对地学数据分析过程首先是面向基础数据库，以数据库为核心进行基础数据的展布与分析；然后与专业领域结合进行具体的分析，对底层的基础数据进行抽取，生成面向问题的数据库，再结合具体的领域模型实现特定的分析；最后通过GIS空间推理的地学数据分析，为地学决策服务。,地理空间问题,空间分布和格局,GIS对地学数据的分析过程,资源配置与规划,空间关系与影响,空间动态过程,在不同功能层次的GIS空间分析方法支持下，可以分析地理数据中隐藏的模式、关系和趋势，解释地理特征间的关系及空间模式，从而解决关于地理实体和地理现象的各类空间问题,空间分布与格局,空间分布类型地理对象通常可以抽象为点目标、线目标、面目标三类（体目标可以看作是这三类目标的组合类型）,空间分布与格局,在GIS中，通常采用分布密度、均值、分布中心（几何中心、分布重心）、离散度、空间集聚度以及粗糙度等指标进行空间分布格局的描述；通过空间分布检验来确定地理对象的聚集、分散、均匀、随机等分布类型；用空间聚类分析方法反映分布的多中心特征并确定这些中心；通过趋势面分析反映现象的空间分布趋势等。,空间分布分析典型的空间分布问题包括生物物种的空间分布、自然灾害的空间分布、犯罪的空间分布、疾病的空间分布等,资源配置与规划,设有一定数量的居民集中点，这些点被称为需求点(或消费点、居民点)，求一定数量的供给点(某种公共设施)以及(或)供给点的需求分配，以完成某个规划目的。,位置分配问题一般可表述如下,资源配置是在资源总量不足的背景条件下，将有限的资源重新进行时空分配，使稀缺的资源的功效最大化，从而保证社会经济和生态效益最优化,如果已设需求点，求供给点,如果同时求供给点和分配,则涉及位置或定位问题,则涉及位置-分配或定位-配置问题,如果已设供给点，求分配,则涉及分配或配置问题,空间关系,空间关系包括：距离、方向、连通、拓扑,空间相互影响,利用状态变量和影响因素之间的关系类比建立数学模型，并用实测数据回归获得参数，然后进行分析预测。它一般应用于社会经济领域的问题,空间关系与影响,空间关系和影响指分布于不同空间位置的多个对象间的相互作用。对地理要素之间的空间关系进行分析，可以反映各要素之间相互作用的性质、强度和方式，有助于从无序而复杂的空间要素格局中发现潜在的有序或规律；可以解释空间格局与空间过程相互作用的机理，进而阐明空间要素动态演替的方向、过程或扩展潜力；可以探索空间格局形成和发展的控制因素和基本驱动力，并揭