土地信息系统：第5章 土地信息处理与分析技术

1、1,第5章 土地信息处理与分析技术,内容提要： 1、土地信息录入后的处理 2、土地信息的空间分析 3、土地信息的空间查询,2,5.1土地信息录入后的处理,空间数据不论采用什么方法输入，都会存在一些问题，如输入过程中出现意外的错误，输入数据与使用格式不一致，各种来源数据的比例尺、投影不统一，图幅间不匹配等。 因此必须对空间数据进行处理，才能得到纯净、统一的数据文件，使存储的空间数据符合规范、标准的要求，满足使用和分析的需要。,3,5.1.1对空间数据的处理,坐标变换 图幅拼接 生成拓扑关系 数据核对,4,（一）坐标变换,在地图数据录入完毕后，经常需要进行坐标变换。坐标变换的实质是建立两个平面点之

2、间的一一对应关系，它是空间数据处理的基本内容之一。 坐标系一般有三种： 用户坐标系 规格化数据库坐标系 设备坐标系,5,各种坐标系的定义,1.用户坐标系：指地图采用的坐标系； 2.规格化数据库坐标系：在数据库系统中定义的坐标系； 3.设备坐标系：每一种图形设备都有独特的坐标系，它们使用的坐标都是设备的相对坐标。,6,图5-1 设备坐标系,7,1.设备相对坐标到用户坐标的变换 一般在图形数字化前后进行，它是利用点的高斯坐标和图幅角点采集坐标建立采集坐标到高斯坐标的变换关系，并利用这些变换参数将图幅中全部采集坐标变换为高斯坐标。 2.用户坐标到数据库坐标的变换 这个变换用于图形数据的入库。 3.数

3、据库坐标到用户坐标的变换 这个变换用于空间数据检索，它是2的逆变换。,坐标变换的类型,8,4.用户坐标到设备坐标的变换 这个变换用于图形显示或绘图仪绘图。用于图形显示时，只要将高斯坐标原点平移至图幅左上角，将坐标顺时针旋转90，并考虑两种坐标的变换比例，即可实现由高斯坐标到屏幕坐标的变换。 5.数据库坐标到屏幕坐标的变换和屏幕坐标到数据库坐标的变换 这两个变换是用来进行人机交互编辑并将编辑好的图形数据送回数据库。,9,土地信息系统中，如同计算机辅助设计一样存在着对图形缩放、平移、旋转、投影等一系列图形的几何变换问题。这些变换的实质是对组成图形各点进行坐标变换。 图形的平移变换只改变图形位置，不

4、改变形状和大小。图形的旋转变换用来改变图形的视角，变换后图形各部分间线性关系和角度关系不变，变换后直线长度不变。图形的比例变换用来改变图形大小和形状。投影变换比较复杂,是从一种投影方式转成另一种投影方式，其过程是一系列复杂的数学运算。,图形的几何变换,10,图5-2 图形的几何变换,11,（二）图幅接边,在对底图进行数字化时，由于图幅比较大或者使用小型数字化仪，难以将研究区域的底图以整幅的形式来完成，这时需要将整个图幅划分成几部分分别数字化。数字化完成后，又要把相邻图幅拼起来，这就是图幅的接边问题。 接边时应考虑常见的误差不因接边而明显扩大，接边处理的过程如下图：,12,(a)拼接前； (b)

5、拼接中的边缘不匹配； (c)调整后的拼接结果,图5-3 图幅接边过程,13,1、逻辑一致性的处理,由于人工操作的失误，两个相邻图幅的空间数据库在接合处可能出现逻辑不一致，如一个多边形在一幅图层中具有属性A，而在另一幅图层中属性为B；同一线状地物(铁路，公路，单线河等)在相邻图幅中各部分的属性不一致。此时，必须使用交互编辑的方法，使两相邻图幅各部分的属性相同，取得逻辑一致性。,图幅接边的步骤：,14,图幅接边前,图幅接边后,图5-5 逻辑一致性的处理,或,15,2、识别和检索相邻图幅,将待拼接的图幅数据按图幅进行编号，编号通常取位数，其中十位数表示拼幅时横向顺序，个位数表示拼幅时的纵向顺序。在横

6、向拼幅时将十位数相同图，按个位数顺序拼接；纵向拼幅时将个位数相同图，按十位数顺序拼接。,图5-4 图幅编号及图幅边缘数据的提取范围,16,3、相邻图幅边界点坐标数据的匹配,常用方法有： 平均法。它是指将图形两边待接点的坐标均值作为接边后点的坐标。该方法简单易行，适用于接边误差在精度允许范围内的各种直线、多义线类的接边处理； 强制法。它是把一条待接边的待接点强制附和到另一条待接边的待接点上。该方法主要用于用户能明显判断出那一条待接边比另一条待接边更准确、可靠、适合交互式的接边处理；,17,优化法：无论采用平均法还是强制法，在边界处都要产生一个拐点，如果测图无错误，此拐角应很小。但是如果待接边明显

7、是一条直线边（如建筑物、直线道路、围墙等），这个很小的拐角也会影响图形的美观，因此我们不但要在图边线上把两点接在一起，还要考虑到接边后的图边两端线段要在一条直线上，既要共点，也要共线。总之，优化法就是分别找出两待接点的前一点P1和P2，连接这两点P1和P2与边界线求出一个交点P0，用P0的坐标分别代替原来的待接点坐标。 考虑到接边工作的复杂性，一般主要采用强制法进行接边。,18,图5-6 图幅接边前后对照,19,4、相同属性多边形公共边界的删除,图5-7 相同属性多边形公共边界的删除与属性合并,将相同属性的两个或多个相邻图斑组织成一个图斑，即消除公共边界，并对共同属性进行合并。对于合并后的属性

8、表，除多边形的面积和周长重新计算外，其余属性保留其中之一图斑的属性即可。,20,图形常见错误检查,建立拓扑关系,多边形拓扑关系的建立,拓扑生成,点线拓扑关系的建立,（三）建立拓扑关系,21,拓扑生成,在进行图形数字化错误修改之前，首先要建立拓扑关系，以正确判别地物之间的空间关系。构造拓扑关系可以生成弧的交点、定义构成多边形的弧，将标示号关联到相应的多边形，生成多边形。这样可以帮助我们确定数字化数据中存在的某些错误。,22,图形常见错误,伪节点使一条完整的线变成两段（如图），造成伪节点的原因常常是没有一次录入完毕一条线。一般来说一条线不应该被分割为两条线，但在现实世界中存在两条不同属性的线相连，

9、因此伪结点并非全是错误的。,1.伪节点（Pseudo Node）,23,仅与一条弧相连的结点称为悬挂点。与悬挂点相连的弧称为悬挂弧。通常有两种情况： 未及（undershoot）：一种数字化错误类型，导致弧段之间存在缝隙而未接合。 过伸（overshoot）：一种数字化错误类型，它导致弧段过长。,2.悬挂点（Dangle Node）,24,碎屑多边形（如图）一般由于重复录入引起，由于前后两次录入同一条线的位置不可能完全一致，造成了“碎屑”多边形。,3.“碎屑” 或“条带”多边形（Sliver Polygon）,25,不规则的多边形是由于输入线时，点的次序倒置或者位置不准确引起的。在进行拓扑生成

10、时，同样会产生“碎屑”多边形。,4.不规则的多边形（Weird Polygon）,26,5.多边形标识点（label）错误,多边形标示点错误通常有两种情况：一是多边形无标示点；一是多边形有多个标示点，如右图中(两个十字点)。,27,图5-8 数据化常见错误,28,Arcgis Workstation: ArcInfo中编辑处理数据,29,Arcgis Desktop: ArcMap中编辑处理数据,30,31,在图形修改完毕之后，就意味着可以建立正确的拓扑关系，拓扑关系可以由计算机自动生成，目前大多数GIS软件也都提供了完善的拓扑功能。,建立拓扑关系,32,点线拓扑关系的建立,弧段结点表,结点弧

11、段表,N1,N2,N3,N1,N2,N3,N1,N2,N3,N4,N4,a1,a2,a2,a1,a3,a1,a2,a3,a4,33,多边形拓扑关系的建立,（1）链的组织：找出在链的中间相关(图5-9(1)而不是在端点相关(图5-9(2)的情况，自动切成新链；把链按一定顺序存储并编号。,图5-9 链的断开要求,34,（2）结点匹配：把一定限差内的链的端点作为一个结点，去掉在数据输入过程中形成的结点过交、悬挂线等现象，其坐标值取多个端点的平均值。,图5-10 结点匹配示意图,35,（3）检查多边形是否闭合：检查多边形是否闭合可以通过判断一条链的端点是否有与之匹配的端点来进行。,多边形不闭合的原因：

12、 1）由于结点匹配限差的问题，造成应匹配的端点未匹配； 2）由于数字化误差较大，或数字化错误； 3）链本身就是悬挂链，不需参加多边形拓扑。,图5-11 多边形闭合的端点匹配,36,顺时针方向构多边形：指多边形是在链的右侧。,最靠右边的链：指从链的一个端点出发，在这条链的方向上最右边的一条链，实质上它也是左边最近链。,（4）建立多边形,基本概念：,37,建多边形的算法与实例:,（1）从Pl结点开始，起始链定为P1P2；从P2点算起，P1P2最右边的链为P2P5；从P5算起，P2P5最右边的链为P5P1。所以，形成的多边形为P1P2P5P1; （2）从P1结点开始,以P1P5为起始链，形成的多边形

13、为P1P5P4Pl; （3）从Pl开始，以PlP4为起始链形成的多边形为PlP4P3P2P1; （4）这时Pl为结点的所有链均被使用了两次，因而转向下一个结点P2，继续进行多边形追踪，直至所有的结点取完。共可追踪出五个多边形，即Al、A2、A3、A4、A5。,38,（5）岛的判断,岛的判断即指找出多边形互相包含的情况。,图5-12 岛的判断与数据组织,39,如果数据是分层多次输入到数据库中，当不同图层数据叠合在一起时，往往会出现该重合的地方不重合的问题。如将道路跟同样位置的地类边界叠合在一起，往往会出现该重合的地方不重合的问题，也可能出现一些很细小的多边形。,（四）数据核对,防止这一现象的一种

14、方法是在地图数字化跟踪之前，规定不同要素数字化的基本顺序，并且将数字化顺序靠后的其他图层上表示的不同要素，而在空间位置上是和数字化顺序靠前的图层的某些要素是重合的点、线不用重复数字化跟踪。,40,5.1.2对属性数据的处理 属性数据较为规范，适应于采用表格形式表示，所以许多LIS 都采用关系数据库管理系统管理属性数据。,41,5.2土地信息的空间分析,缓冲区分析 叠加分析 网络分析,42,5.2.1缓冲区分析,概念 缓冲区是指对点、线或面实体，按指定的条件，在其周围建立一定宽度范围的空间区域作为分析对象，这个区域称为缓冲区。,43,缓冲区的建立,线的缓冲区,面的缓冲区,原理：分别对每个顶点和每

15、条线生成缓冲区，然后对这些缓冲区多边形进行叠置操作；,原理：首先生成多边形周长的缓冲区，然后与原始多边形进行叠置操作，多边形缓冲区有内外侧之分。外缓冲区在面状地物的外围形成缓冲区,内缓冲区则在面状地物的内侧形成缓冲区。,44,图5-14 多边形的内外缓冲区,45,下面以线状地物为例简介线缓冲区的建立思路:,1、线的重采样：对线进行化简，以加快缓冲区建立的速度。 2、建立线缓冲区：在线的两边按一定的距离（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。,建立线缓冲区

16、就是生成缓冲区多边形，只需在线的两边按一定的距离（缓冲距）绘平行线，并在线的端点处绘半圆，就可连成缓冲区多边形。,46,对一条线（同一特征）所建的缓冲区有可能重叠，如下图。这时需把重叠的部分去除。,在对多条线（多个特征）建立缓冲区时，可能会出现缓冲区之间的重叠。这时需把缓冲区内部的线段删除，以合并成连通的缓冲区。,(1)输入数据 (2)缓冲区操作 (3)重叠处理后的缓冲区,(1)输入数据 (2)缓冲区操作 (3)重叠处理后的缓冲区,47,缓冲区的应用,点缓冲区分析的应用： 1)某地区有危险品仓库，要分析一旦仓库爆炸所涉及的范围； 2)公共设施（商场，邮局，银行，医院，车站，学校等）的服务半径;

17、 3)城市的噪音污染源所影响的一定空间范围；,线缓冲区分析的应用： 1)修造一条铁路，要知道铁路两边30m所涉及的房屋及桥梁； 2)铁路，公路以及航运河道对其所穿过区域经济发展的重要性等； 3)交通线两侧所划定的绿化带；,面缓冲区分析的应用： 1)修建一个飞机场需要定出周围一定范围内居民搬迁数等； 2)大型水库建设引起的搬迁； 3)制定自然保护区时，要求在距保护区一定范围内规定出禁止砍伐树木。,48,概念 叠加分析，就是将具有相同坐标系统的多个空间要素对象的数据层进行叠加，产生一个新数据层面，该数据层面综合了原来两层或多层要素所具有的属性特征。,5.2.2叠加分析,叠加分析不仅包含空间关系的比

18、较，还包含属性关系的比较，它可以分为视觉信息叠加、点与多边形的叠加、线与多边形的叠加、多边形与多边形的叠加以及栅格图层叠加五类。,49,视觉信息叠加 视觉信息叠加是将不同层面的信息内容叠加显示在结果图件或屏幕上，以便研究者判断其相互空间关系，获得更为丰富的空间信息。土地信息系统中视觉信息叠加包括以下几类： 点状图、线状图和面状图之间的叠加显示 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叠加 遥感影象与专题地图的叠加 专题地图与数字高程模型（DEM）叠加显示立体专题图 说明：视觉信息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,50,确定一幅图（或数据层）上的点落在哪一幅

19、图（或数据层）的哪个多边形中，这样就可以给相应的点增加新的属性内容。 核心算法为判断点是否在多边形内。,点与多边形的叠加,51,52,把一幅图(或一个数据层)中的多边形特征加到另一幅图(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。,线与多边形的叠加,53,例如：,54,是将同一地区，同一比例尺的两组或更多的多边形要素的数据层进行叠置，会出现两种成果形式： 一种是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，称为合成叠置； 另一种是进行多边形范围的属性特征的统计分析，称为统计叠置。,多边形与多边形的叠加,55,合成叠置：是根据两组多边形边界的交点来建立具有多重属性的多

20、边形。 合成叠置得到一张新的叠置图，产生了许多新的多边形，每个多边形内都具有两种以上的属性，通过区域多重属性的模拟，寻找和确定同时具有几种地理属性的分布区域。,合成叠置,56,图5-15 合成叠加产生的碎屑多边形,57,根据叠加结果最后欲保留空间特征的不同要求，一般的GIS软件都提供了三种类型的合成叠置操作：,多边形的不同叠置方式,58,Union (并) Identity (并集被第一个输入层边界裁切后剩余部分叠和) Intersect（交）,ArcGIS中空间多边形叠置,59,图5-16 多边形合成叠加分析,60,统计叠置,统计叠置：是进行多边形范围的属性特征的统计分析。 统计叠置的目的是

21、精确地计算一种要素（例如，土壤类型）在另一种要素（例如，行政区域）的某个区域多边形内的分布状况和数量特征（包括拥有的类型数、各类型的面积及其所占总面积的百分比等等），或提取某个区域范围内某种专题内容的数据。统计叠置的结果为统计报表或列表输出。,61,栅格图层叠加,栅格图层叠加有时也称为栅格数据的信息复合,它是指不同层面的栅格数据逐网格按一定的数学法则或逻辑判断进行运算,从而得到新的栅格数据系统的方法。 栅格图层叠加方法： 数学运算法：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;,62,图5-17 以函数关系进行叠加,63,逻辑关系分析法：,用逻辑表达式

22、来分析处理重合点的非几何特性之间的逻辑关系，实现对空间数据复合、提取、删除等操作。 通常是按照两个逻辑子集给定的条件进行逻辑交运算、逻辑并运算、逻辑非运算等。,64,1)逻辑交运算提取的数据是各数据层中共有（重叠）部分，与数学里的交运算相同（同时满足所给条件）如子集A为针叶林区，子集B为坡度15，逻辑交运算后得子集C，它表示既是针叶林又是坡度15的区域。 2)逻辑并运算提取的数据是各数据层中任一满足条件的所有部分，而非仅仅是重叠部分，与数学里的并运算相同（满足任何所给条件都为满足条件）。上述A，B 两子集，经逻辑并运算后得子集 C，它表示该区域是针叶林或坡度15的区域。 3)逻辑非运算提取的数

23、据是从某一个数据层减去与另一个数据层共有（重叠）部分，与数学里的差运算相同。上述A，B两子集，经逻辑非运算后得子集C，它表示坡度不小于15（即大于等于15）的针叶林区。,65,例：有土壤厚度（大于和小于50厘米）和土壤类型（红壤和其他类型）两个二值化图层，不同的逻辑运算结果如下： 逻辑交运算：结果是将土层厚度大于50厘米，且土壤为红壤的土壤单元显示出来； 逻辑并运算：结果将土层厚度大于50厘米，或者土壤为红壤的土壤单元显示出来； 逻辑非运算：结果是将土层厚度大于50厘米，但土壤不是红壤的土壤单元显示出来。,66,5.2.3网络分析,网络：是一个由点和线的二元关系构成的系统，通常用来描述某种资源

24、或物质在空间上的运动。 网络分析：是指依据网络拓扑关系（结点与弧段拓扑、弧段的连通性），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研究的一种分析计算。 网络分析的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好，如一定资源的最佳分配，从一地到另一地的运输费用最低等。,67,结点（Nodes）：网络中任意两条线段的交点 连通路线或链（Links）：连结两个结点的弧段要素，是网络中资源运移的通道,如街道、河流、水管等 转弯（Turns）：资源运移方向从一个链上经结点转向另一个链 停靠点（Stops）：网络路线中资源装、卸的结点点位 中心（Cent

25、ers）：网络中具有接收或发放资源能力，且位于节点处的设施,如水库、商业中心、电站等 障碍（Barriers）：禁止网络中链上流动的结点，即资源不能通过的结点,网络的基本要素,68,图5-18 网络的基本要素,69,主要网络分析功能,（1）最短路径分析 最短路径是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。 在最短路径选择中，两点之间的距离可以定义为实际的距离，也可定义为两点间的时间、运费、流量等，还可定义为使用这条边所需付出的代价。,70,（2）地址匹配 地址匹配实质是对地理位置的查询，它涉及到地址的编码。地址匹配与其它网络分析功能结合起来，可以满足实际工作

26、中非常复杂的分析要求。如物流配送，需要将货物送到多家单位。此时需将路径分析和地理编码结合起来使用，可先通过地理编码进行地址查询，获得各单位的地理位置，再利用最短路径方法确定最短送货线路。,71,（3）资源分配 资源分配模型中的网络主要由中心点（分配中心）组成，有两种分配方式：一是由分配中心向四周输出资源；另一种是从四周向分配中心集中资源。这种分配功能可以解决资源的有效流动和合理分配。 资源分配模型可用来计算中心地的等时区、等交通距离区、等费用距离区等。可用来进行城镇中心、商业中心或港口等地的吸引范围分析，以用来寻找区域中最近的商业中心，进行各种区划和港口腹地的模拟等。,72,是按一定的要求对土地信息系统所描述的空间实体及其空间信息进行访问，从众多的空间实体中挑选出满足用户要求的空间实体及其相应的属性。,空间信息查询,5.3土地信息的空间查询,73,MapInfo软件中点目标的几何参数查询,（一）图形查询属性,74,MapInfo软件中线目标的几何参数查询,75,Mapinfo软件中面状目标的几何参数查询,76,ArcView软件中图形查属性的表达方式,77,ArcView软件中属性查图形的表达方式,（二）属性查询图形,78,（三）空间关系查询,面面查询 如与某个多边形相邻的多边形有哪些 面线查询 如某个多边形的