GIS地理信息系统空间分析.

1、空间分析的概述 概念概念：它以地学原理为依托，通过分析算 法，从空间数据中获取有关地理对象的空 间位置、空间分布、空间形态、空间形成、 空间演变等信息。 功能功能：分析空间数据，提供空间决策信息 特点特点：是GIS区别于其他类型系统如(CAC, CAD）的一个最主要的功能特征，也是各 类综合性地学分析模型的基础或构件。 空间分析 叠加分析 缓冲分析 包含分析 网络分析 1 空间叠加地学原理 地理学原理 在进行地学综合分析时，有时需 要提取同一地区不同专题的属性。 例如，某地在进行农作物估产时， 需要提取该地区的土地利用、气 温、降水、日照时间等基本信息 (这些信息常常是分布于不同的 专题地图中

2、)，然后再应用估产 模型进行分析。 实现方法 传统的透明材料叠加方法 GIS中实现方法 传统叠加方法 将来自不同的数据源的图纸绘于透明纸 上，在透光桌上将其叠放在一起，然后铅笔 勾出感兴趣的部分一提取出感兴趣的信息。 GIS中叠加方法 将有关主题层 组成的数据层面， 进行叠加产生一个 新数据层面的操作， 其结果综合了原来 两层或多层要素所 具有的属性。 叠加分析概念 空间叠加分析（Spatial overlay analysis），是指在统一的空间坐标系下，每次将 同一地区的两个地理对象的图层进行叠合，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。 叠加分析不仅要处理图形数

3、据，还会对属性数据进行相应的处理。 视觉信息叠加 传统的地图表现方式 视觉信息叠加是将不同层面的信息内容叠加显示在 屏幕或结果图件上 点状图、线状图和面状图之间的叠加显示 遥感影像与专题地图的叠加 专题地图与数字高程模型（DEM）叠加显示立体专题图 v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 传统的地图表现方式 点状图、线状图和面状图之间的叠加显示 遥感影像叠加 数字高程模型（DEM）叠加显示立体专题图 晕渲地形图 三峡库区三维模拟地图 点与多边形叠加 处理过程 通过计算每个点相对 于多边形线段的位置， 进行点是否在一个多 边形中的空间关系判 断。 进行属性信息处理。

4、 将多边形属性信息叠 加到其中的点上。 将点的属性叠加到多 边形上，用于标识该 多边形。 应用举例 线与多边形叠加 计算原理：线与多边形的叠加是比较线上坐标与多边形坐标的关系， 判断线是否落在多边形内。 计算过程：通常是计算线与多边形的交点、只要相交，就产生一个结点， 将原线打断成一条条弧段，并将原线和多边形的属性信息一起赋给新弧 段。 计算结果：叠加的结果产生了一个新的数据层面，每条线被它穿过的多 边形打断成新弧段图层，同时产生一个相应的属性数据表记录原线和多 边形的属性信息。（示意图） 应用举例：根据叠加的结果可以确定每条弧段落在哪个多边形内，可以 查询指定多边形内指定线穿过的长度。 如果

5、线状图层为河流，叠加的结果是多边形将穿过它的所有河流打断成弧段、 可以查询任意多边形内的河流长度，进而计算它的河流密度等； 如果线状图层为道路网，叠加的结果可以得到每个多边形内的道路网密度， 内部的交通流量，进入、离开各个多边形的交通量，相邻多边形之间的相互 交通量。 线与多边形叠加示意图 多边形与多边形的叠加 概念 处理过程 ARC/INFO中空间叠加分析 空间叠加(Identify;Intersect;Union) 要素提取(Clip;Erasecov;Split) 要素合并(Disslove,Reselect) 图层数据的合并与分解(Mapjoin;Split) 图层更新(Update)

6、 应用举例 多边形与多边形的叠加概念 多边形叠加将两个或多 个多边形图层进行叠加 产生一个新多边形图层 的操作 ，用以解决地 理变量的多准则分析、 区域多重性的模拟分析、 地理特征的动态变化分 析，以及图幅要素的更 新、图幅的拼接和区域 信息的提取等。 多边形与多边形的处理过程 几何求交过程：首先求出所有多边形边界线的交点，再根据这些交 点重新进行多边形拓扑运算，对新生成的拓扑多边形图层的每个对 象赋一多边形唯一标识码，同时生成一个与新多边形对象一一对应 的属性表。 属性分配过程：最典型的方法是将输入图层对象的属性拷贝到新对 象的属性表中，或把输入图层对象的标识作为外键直接关联到输入 图层的属

7、性表 Union合并 Intersect相交 Clip裁剪 Mapjoin Reselect Dissolve Split 2 缓冲区分析 邻近度邻近度（Proximity）描述了地理空间中两 个地物距离相近的程度，其确定是空间分析的 一个重要手段。 交通沿线或河流沿线的地物有其独特的重 要性，公共设施（商场，邮局，银行，医院， 车站，学校等）的服务半径，大型水库建设引 起的搬迁，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，均是一个邻近度 问题。缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分 析工具之一 。 缓冲区分析基本概念 什么是缓冲区？什么是缓冲区？ 是指为了识别某一地理实体地理实体或

8、空间物体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一定宽度的带状区域带状区域 什么是缓冲区分析？什么是缓冲区分析？ 是指根据数据库的点、线、面实体基础，自动建立 其周围一定范围内的缓冲区多边形实体，从而实现空间 数据在其领域得以扩展其领域得以扩展的信息分析方法 缓冲区分析是GIS中最重要最重要和最基本最基本的空间数据操 作功能之一 缓冲区分析的适应条件？缓冲区分析的适应条件？ 只要地理实体地理实体能对周围一定区域形成影响形成影响即可使用缓 冲区分析 如公共设施公共设施（如商场、银行、医院等）能够服务哪些 小区 如城市的噪音污染噪音污染影响了附近哪些行政区划 如城市某街道进行改造

9、某街道进行改造，由此需要哪些单位和居民进 行搬迁 缓冲区分析的基本思想？缓冲区分析的基本思想？ 是给定一个空间对象空间对象或集合集合，确定其领域其领域，领域的大 小由领域半径R决定 对象对象 的领域为距 的距离小于或等于R的全部点全部点的 集合集合，即 ，其中d一般是最小欧氏距离 对于对象集合对象集合 ，其半径为R的缓冲区 是各个对象各个对象的缓冲区的并集并集，即 OiOi ),(|ROxdxB ii , 2 , 1|niOO i i n i BUB 1 缓冲区的种种类型缓冲区的种种类型 缓冲区的种种类型？缓冲区的种种类型？ 线状要素线状要素的缓冲区根据缓冲头缓冲头的类型可以分为：圆头圆头 缓

10、冲和平头缓冲 线状要素线状要素的缓冲带缓冲带可以两侧对称两侧对称，也可以两侧不对称两侧不对称 线状要素线状要素的缓冲带可以只是单侧单侧缓冲区 多边形的缓冲区可以生成内侧内侧或外侧外侧缓冲区，一般为 外侧外侧 对于点状物体而言，可以生成三角形、矩形、圆形等 多边形，一般为圆形圆形 均质和非均质缓冲区均质和非均质缓冲区 静态和动态缓冲区静态和动态缓冲区 缓冲区实现的基本算法 1）角分线法）角分线法 双线问题最简单的方法是 角分线法（简单平行线 法）。算法是在轴线首尾 点处，作轴线的垂线并按 缓冲区半径R截出左右边 线的起止点；在轴线的其 它转折点上，用与该线所 关联的前后两邻边距轴线 的距离为R的

11、两平行线的 交点来生成缓冲区对应顶 点。 角分线法的缺点缺点是难以最大限度保证双线的等宽 性，尤其是在凸侧角点在进一步变锐时，将远离 轴线顶点。根据上图，远离情况可由下式表示： 当缓冲区半径不变时，d随张角B的减小而增大， 结果在尖角处双线之间的宽度遭到破坏。 因此，为克服角分线法的缺点，要有相应的补充 判别方案，用于校正所出现的异常情况。但由于 异常情况不胜枚举，导致校正措施繁杂。 2sin BRd 2）凸角圆弧法）凸角圆弧法 在轴线首尾点处，作轴线的垂线并按双线 和缓冲区半径截出左右边线起止点；在轴 线其它转折点处，首先判断该点的凸凹性， 在凸侧用圆弧弥合，在凹侧则用前后两邻 边平行线的交

12、点生成对应顶点。这样外角 以圆弧连接，内角直接连接，线段端点以 半圆封闭。 在凹侧平行边线相交在角分线上。交点距对应顶 点的距离与角分线法类似公式： 该方法最大限度的保证了平行曲线的等宽性，避 免了角分线法的众多异常情况。 该算法非常重要的一环是重要的一环是折点凸凹性的自动判断。 此问题可转化为两个矢量的叉积：把相邻两个线 段看成两个矢量，其方向取坐标点序方向。若前 一个矢量以最小角度扫向第二个矢量时呈逆时针 方向，则为凸顶点，反之为凹顶点。 2sin BRd 对于简单情形，缓冲区是一个简单多边形， 但当计算形状比较复杂的对象或多个对象 集合的缓冲区时，就复杂得多。为使缓冲 区算法适应更为普遍

13、的情况，就不得不处 理边线自相交的情况。当轴线的弯曲空间 不容许双线的边线无压盖地通过时，就会 产生若干个自相交多边形。 自相交多边形分为两种情况：岛屿多边形 和重叠多边形。岛屿多边形是缓冲区边线 的有效组成部分；重叠多边形不是缓冲区 边线的有效组成，不参与缓冲区边线的最 终重构。对于岛屿多边形和重叠多边形的 自动判别方法，首先定义轴线坐标点序为 其方向，缓冲区双线分成左右边线，左右 边线自相交多边形的判别情形恰好对称。 对于左边线，岛屿自相交多边形呈逆时针对于左边线，岛屿自相交多边形呈逆时针 方向，重叠自相交多边形呈顺时针方向方向，重叠自相交多边形呈顺时针方向； 对于右边线，岛屿多边形呈顺时

14、针方向， 重叠多边形呈逆时针方向。 当存在岛屿和重叠自相交多边形时，最 终计算的边线被分为外部边线和若干岛 屿。对于缓冲区边线绘制，只要把外围 边线和岛屿轮廓绘出即可。对于缓冲区 检索，在外边线所形成的多边形检索后， 要再扣除所有岛屿多边形的检索结果。 ArcGIS 缓冲区分析功能 缓冲区分析设置界面缓冲区分析设置界面 ArcGIS 缓冲区分析功能 缓冲区分析设置界面缓冲区分析设置界面 圆头、两侧对称、融合圆头、两侧对称、融合 ArcGIS 缓冲区分析功能 缓冲区分析设置界面缓冲区分析设置界面 平头、单侧、融合平头、单侧、融合 ArcGIS 缓冲区分析功能 圆头、两侧对称、不融合圆头、两侧对称

15、、不融合 实例介绍 围绕河流建立1000米的缓冲区，以勾画 允许建厂的区域 围绕公园建立150米的缓冲区，以勾画不 允许建厂的区域 围绕居民区建立150米的缓冲区，以勾画 不允许建厂的区域 围绕公园建立150米的缓冲区 围绕居民区建立150米的缓冲区 3 包含分析 包含分析的概念和作用 包含分析的一些算法 包含分析的概念和作用 这里只讨论点与点点与点、点与线点与线、点与面点与面之间的包 含关系。线与线、线与面、面与面之间的包含关系可 以理解为我们上面所讨论的关系的扩展 包含分析就是确定点与点是否共位、点是否在 线上、点是否在面内的一种分析方法 包含分析是“图查属性图查属性”、“根据拓扑关系进根

16、据拓扑关系进 行查询行查询”、“叠加分析叠加分析”的基础 包含关系图解 包含分析算法 点与点点与点、点与线点与线的包含分析包含分析一般可以分别通过 计算点到点、点到线之间的距离，然后利用最小距离 阀值判断包含的结果 点与面状物体之间的关系主要在于识别点是位 于多边形之内还是之外，对于这个问题的成熟算法有 两个：一个是计算通过点的垂直线与多边形相交的交 点的分别情况；另一个是计算点与多边形顶点连线的 方向角之和 一个是计算通过点的垂直线与多边形相交的 交点的分别情况 优点优点：计算简单，并且能够识别点是否位于多边形边 界上 不足不足：当多边形有边与过点的垂线重合时，就需要一 些附加的判断 计算点

17、与多边形顶点连线的方向角之和 优点优点：能避免利用垂线方法来进行判断时出现的不足 不足不足：角度计算比交点计算稍微复杂，且运用角度求 和的方法不便于识别点是否位于多边形的边界上 4网络分析 地学原理 数据结构 基本功能 网络分析地学原理 网络分析是运筹学模型中的一个基本模型，它的根本 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。其基本思想则在于人类活动总 是趋于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置。这 类问题在社会经济活动中不胜枚举。 对地理网络(如交通网络)、城市基础设施网络(如各种 网线、电力线、电话线、供排水管线等)

18、进行地理分析 和模型化，是地理信息系统中网络分析功能的主要目 的。 网络数据结构 链(Link)，网络中流动的管线，如街 道、河流、水管等。其状态属性包括 阻力和需求。 结点(Node)，网络中链的结点，如港 口、车站、电站等，其状态同性包括 阻力和需求等。下面几种特殊的类型。 障碍(Barrier)，禁止网络中链上流动的 点； 拐点(Turn)，出现在网络链中的分割结 点上，状态属性有阻力，如拐弯的时 间和限制(如在8：00到18：00不允许 左拐)； 中心(Centre)，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(如总量)、阻 力限额(中心到链的最大距离

19、或时间限 制)。 站点(Stop)，在路径选择中资源增减的 结点，如库房、车站等其状态属性 有资源需求，如产品数量 中心 网络分析的基本功能 路径分析 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 中非常复杂的分析要求。 资源分配 路径分析 静态求最佳路径：在给定每条链上的属性后，求最佳路径 N条最佳路径分析：确定起点或终点，求代价最小的N条路径，因 为在实践中最佳路径的选择只是理想情况。由于种种因素而要选 择近似最优路径。 最短路径或最低耗费路径：确定起点、终点和要经过的中间点、 中间连线，求最短路径或最小耗费路径。 动

20、态最佳路径分析：实际网络中权值是随权值关系式变化的，可 能还会临时出现一些障碍点，需要动态的计算最佳路径 。 动态分段：给定一条路径由多段联系组成，要求标注出这条路上 的公里点或要求定位某一公路上的某一点，标注出某条路上从某 一公里数到另一公里数的路段。 最短路径算法分析 Dijkstra（戴克斯徒拉）算法：可以求出一一 个起源点个起源点到其余各点其余各点的路径，无向图和有向图 都适用 Floyd （弗洛伊德）算法：能够一次性求 得所有顶点间顶点间的最短路径，无向图和有向图都 适用 矩阵算法：能够一次性求得所有顶点间的 最短路径，并且还能求出次短路径次短路径，但一般只 适用于无向图 Dijkstra算法基本思想 Dijkstra（戴克斯徒拉）算法是Dijkstra E W于1959年提出的一种按路径长度递增路径长度递增的次序 产生最短路径的算法，被认为是解决单源点间单源点间 最短路径问题比较经典经典而且有效有效的算法 其基本思想基本思想是：假设网络中的每个点每个点都有 一对标号一对标号（dj,pj），其中dj是从起源点s到点j的 最短路径的长度； pj则是从s到j的最短路径中j 点的前一点 Dijkstra算法基本思想（续） 其求解的基本过程基本过程是： 1，初始化初始化：起源点设置为ds=0,ps为空， 并标记起源点s，记k=s，其它所有点设为未标