第六章_GIS空间分析原理及方法(学生版)

1、数据采集与输入数据编辑与更新数据存储与管理空间查询与分析数据显示与输出缓冲区分析叠合分析空间查询网络分析地形分析GIS基本功能基本功能GIS能作什么？ 1、空间分析的概念、空间分析的概念 2、数字高程模型、数字高程模型 3、空间查询分析、空间查询分析 4、缓冲区分析、缓冲区分析 5、叠加分析、叠加分析 6、网络分析、网络分析 7、地理信息系统建模、地理信息系统建模 空间分析的概念空间分析的概念 空间分析的一般分类空间分析的一般分类1、空间分析的概念、空间分析的概念2、数字高程模型、数字高程模型 数字高程模型数字高程模型 (Digital Elevation Model, DEM)(Digita

2、l Elevation Model, DEM)：表示地表区域上地形的三维向量的有限序列，即地表示地表区域上地形的三维向量的有限序列，即地表单元上高程的集合，数学表达为：表单元上高程的集合，数学表达为：z = f z = f ( ( x, x, y y ) ) 。 数字地面模型数字地面模型 (Digital Terrain Model, DTM)(Digital Terrain Model, DTM)：当当z z为其他二维表面上连续变化的地理特征，如地为其他二维表面上连续变化的地理特征，如地面温度、降雨、地球磁力、重力、土地利用、土壤面温度、降雨、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等其他地面诸特

3、征，此时的类型等其他地面诸特征，此时的DEMDEM成为成为DTMDTM。 地形因子的自动提取地形因子的自动提取2、数字高程模型、数字高程模型 地表形态的自动分类地表形态的自动分类 地学剖面的绘制和分析地学剖面的绘制和分析3、空间查询、空间查询 空间查询是空间分析基础，任何空间分析都开始空间查询是空间分析基础，任何空间分析都开始于空间查询。于空间查询。 空间查询特性空间查询特性 回答用户的简单问题回答用户的简单问题 不改变空间数据库数据不改变空间数据库数据 不产生新的空间实体和数据不产生新的空间实体和数据 空间查询技术由简单到复杂空间查询技术由简单到复杂 双向查询：图形查属性，属性查图形。双向查

4、询：图形查属性，属性查图形。空间数据的查询空间数据的查询 空间数据的查询属于数据库的范畴，一般定义为从空间数据的查询属于数据库的范畴，一般定义为从数据库中找出所有满足数据库中找出所有满足属性约束条件属性约束条件和和空间约束条空间约束条件件的地理对象。的地理对象。 属性约束条件：带属性约束条件：带比较运算符比较运算符的逻辑表达式。的逻辑表达式。 空间约束条件：带空间约束条件：带空间谓词空间谓词的逻辑表达式。的逻辑表达式。空间谓词由地理对象间的空间关系演变而来，如包空间谓词由地理对象间的空间关系演变而来，如包含、相交、相离、重叠、距离、方向等。含、相交、相离、重叠、距离、方向等。空间数据查询种类空

5、间数据查询种类 几何参数查询几何参数查询 空间定位查询空间定位查询 空间关系查询空间关系查询 属性查询属性查询空间查询的方法空间查询的方法 基于关系查询语言扩充的空间查询方法基于关系查询语言扩充的空间查询方法 可视化空间查询方法可视化空间查询方法 基于自然语言的查询方法基于自然语言的查询方法 超文本查询方法超文本查询方法4、缓冲区分析、缓冲区分析 问题：问题： 地震破坏程度从震源扩散影响的范围；地震破坏程度从震源扩散影响的范围； 噪声污染影响的范围；噪声污染影响的范围； 湖泊生态保护区的范围；湖泊生态保护区的范围； 空间缓冲区分析空间缓冲区分析 空间缓冲区分析空间缓冲区分析(Spatial b

6、uffer analysis)(Spatial buffer analysis)：指：指根据分析对象的根据分析对象的点、线、面点、线、面实体，自动建立它们周实体，自动建立它们周围围一定距离的带状区一定距离的带状区，用以识别这些实体或主体邻，用以识别这些实体或主体邻近对象的近对象的辐射范围辐射范围或或影响程度影响程度，以便为某项分析或，以便为某项分析或决策提供依据。决策提供依据。缓冲区生成缓冲区生成 角平分线法角平分线法 凸角圆弧法凸角圆弧法 5、叠加分析、叠加分析 叠加分析（叠加分析（Spatial Overlay analysisSpatial Overlay analysis）：）：又又称

7、叠合分析、叠置分析，在统一空间参照系统称叠合分析、叠置分析，在统一空间参照系统条件下，每次将同一地区两个地理对象的图层条件下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征多重属性特征，或建立地理对象之间的或建立地理对象之间的空间对应关系。空间对应关系。 叠加分析可分为矢量叠加分析可分为矢量GISGIS叠加和栅格叠加和栅格GISGIS叠加两种主要叠加两种主要类别，而矢量类别，而矢量GISGIS叠加又包括点与多边形叠加、线与叠加又包括点与多边形叠加、线与多边形叠加和多边形叠加三种主要的形式。多边形叠加和多边形叠加三种主要的形式。 点与多边形叠加点

8、与多边形叠加 包含点的图层与包含多边形的图层包含点的图层与包含多边形的图层 判断点包含在哪一个多边形里面，从而为点设置判断点包含在哪一个多边形里面，从而为点设置新的多边性属性新的多边性属性线与多边形叠加线与多边形叠加 包含线的图层与包含多边形的图层包含线的图层与包含多边形的图层 判断线包含在哪一个多边形里面，从而为线设置判断线包含在哪一个多边形里面，从而为线设置新的多边性属性新的多边性属性多边形叠加多边形叠加 两个多边形图层的比较分析（图形和属性）两个多边形图层的比较分析（图形和属性） ArcGISArcGIS中将其分为：中将其分为： 合并合并(Union)(Union) 相交相交( Inte

9、rsect)( Intersect) 一致一致( Identity)( Identity) 相减相减( Erase)( Erase) 更新更新( Update)( Update) 差异差异(Symmetrical Difference)(Symmetrical Difference)栅格叠加分析栅格叠加分析 两个或多个两个或多个相同地区相同地区栅格图层栅格图层 相同相同的栅格单元的栅格单元大小大小 不同图层间对应栅格进行不同图层间对应栅格进行运算运算 运算结果生成新的栅格图层运算结果生成新的栅格图层 目的是产生新的空间信息目的是产生新的空间信息 又称为又称为“地图代数地图代数” 点变换方法点变

10、换方法 区域变换方法区域变换方法 邻域变换方法邻域变换方法Input AInput B6、为什么要使用网络分析、为什么要使用网络分析 从甲地到乙地的最短路径是什么？从甲地到乙地的最短路径是什么？ 如何设定一个服务中心？如何设定一个服务中心？ 特定位置的服务中心的服务范围？特定位置的服务中心的服务范围？ 从一个位置到另一个位置的通行程度如何？从一个位置到另一个位置的通行程度如何？ 从出发地到目的地，有多少条可行路线？从出发地到目的地，有多少条可行路线？ 如何在街道图上定位一个发生的事件？如何在街道图上定位一个发生的事件？网络分析定义网络分析定义 数学定义数学定义 以以图论和运筹学图论和运筹学为基

11、础，通过研究网络的状态为基础，通过研究网络的状态以及模拟和分析资源在网络上的流动和分配情况，以及模拟和分析资源在网络上的流动和分配情况，对网络结构及资源等的对网络结构及资源等的优化问题优化问题进行研究。进行研究。 GISGIS定义定义 依据依据网络拓扑关系网络拓扑关系，通过考察网络元素的空间，通过考察网络元素的空间与属性数据，以数学理论模型为基础，对网络的与属性数据，以数学理论模型为基础，对网络的性能特征性能特征进行多方面的进行多方面的分析计算技术分析计算技术。网络分析的基本概念网络分析的基本概念 图：图：图图G G是由一个非空集合是由一个非空集合V V（G G）=Vi=Vi和和V V（G G

12、）中元素的无序对的一个集合中元素的无序对的一个集合 无向图：无向图：弧没有方向性的图；弧没有方向性的图； 环：环：两个端点重合的边；两个端点重合的边； 并行边（重边）：并行边（重边）：两条边以端点相并连接；两条边以端点相并连接； 简单图：简单图：不含并行边和环的图。不含并行边和环的图。网络分析的基本概念网络分析的基本概念 路：路：在无向图中，首尾相接的一串边的集合；在无向图中，首尾相接的一串边的集合； 回路：回路：能构成自行闭合的路；能构成自行闭合的路； 连通图：连通图：任意两个结点之间都存在一条路的图；任意两个结点之间都存在一条路的图； 树：树：不存在回路的连通图；不存在回路的连通图； 赋权

13、有向图：赋权有向图：在有向图中，给任一边赋一个权数在有向图中，给任一边赋一个权数 邻接矩阵：在无向图中，描述顶点间邻接关系的邻接矩阵：在无向图中，描述顶点间邻接关系的矩阵。矩阵。 关联矩阵：描述顶点与边之间关联关系的矩阵。关联矩阵：描述顶点与边之间关联关系的矩阵。网络分析的基本概念网络分析的基本概念 0100110101010110010111110)(54321VVVVVGDe1 e2 e3 e4 e5 e6 e7邻接矩阵邻接矩阵 11000000111000000111000000111010101)(5432175VVVVVaGAij相关矩阵相关矩阵e7e6e5e1e2e3e4v2v1v

14、5v4v3V1 V2 V3 V4 V5网络分析主要内容网络分析主要内容 路径分析路径分析 最短路径分析最短路径分析 定位与配置分析定位与配置分析v 定位定位 配置配置定位与配置定位与配置 Dijkstra算法是一种对结点不断进行标号的算算法是一种对结点不断进行标号的算法。每次标号一个结点，标号的值即为从给定起法。每次标号一个结点，标号的值即为从给定起点到该点的最短路径长度。在标定一个结点的同点到该点的最短路径长度。在标定一个结点的同时，还对所有未标号结点给出了时，还对所有未标号结点给出了暂时标号暂时标号即当即当时能够确定的相对最小值。设定时能够确定的相对最小值。设定K表示待确定最表示待确定最短

15、路径的起点，短路径的起点，L表示终点，则最短路径搜索的表示终点，则最短路径搜索的步骤如下步骤如下: Dijkstra算法算法(1)令起点令起点K标号为零，其他结点标号为标号为零，其他结点标号为。 (2)对未被定标的结点全部给出暂时标号，其值为对未被定标的结点全部给出暂时标号，其值为minj的旧标号，的旧标号，(i的旧标号的旧标号+wij)，这里，这里i是前一步刚被标定的是前一步刚被标定的结点，结点，wij是边是边eij的权，如果结点的权，如果结点i和和j不相邻接，不相邻接，wij=。 (3)找出所有暂时标号的最小值，用它作为相应结点的固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

16、存在几个有同一最小标号值的结点，则可任定标号。如果存在几个有同一最小标号值的结点，则可任取一个加以定标。取一个加以定标。(4)重复进行重复进行(2)与与(3)，直至指定的终点，直至指定的终点L被定标时为止。被定标时为止。用此法可直接得到由起点用此法可直接得到由起点K到其他结点的最短路径的长度，到其他结点的最短路径的长度，那就是该结点的定标数值。那就是该结点的定标数值。7、地理信息系统建模、地理信息系统建模 常见地理信息系统模型常见地理信息系统模型 适宜性分析模型适宜性分析模型 发展预测模型发展预测模型 位置选址模型位置选址模型 交通规划模型交通规划模型 地学模拟模型地学模拟模型空间分析应用空间

17、分析应用 空间分析的目的是解决某类与地理空间有关的问题，空间分析的目的是解决某类与地理空间有关的问题，通常涉及通常涉及多种空间分析操作的组合多种空间分析操作的组合。一般步骤是：一般步骤是： 明确分析的目的和评价准则明确分析的目的和评价准则 准备分析数据准备分析数据 进行空间分析操作进行空间分析操作 进行结果分析进行结果分析 解释、评价结果（如有必要，返回步骤解释、评价结果（如有必要，返回步骤1 1） 结果输出（地图、表格和文档）结果输出（地图、表格和文档）道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算利用建立缓冲区、拓扑叠加和特征提取，计算道路拓宽改建中的拆迁指标。利用建立缓

18、冲区、拓扑叠加和特征提取，计算道路拓宽改建中的拆迁指标。 明确分析的目的和标准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建筑面积和房产价值。目的：计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑物的建筑面积和房产价值。道路拓宽改建的标准是：道路拓宽改建的标准是： 道路从原有的道路从原有的20m20m拓宽至拓宽至60m60m； 拓宽道路应尽量保持直线；拓宽道路应尽量保持直线； 部分位于拆迁区内的部分位于拆迁区内的1010层以上的建筑不拆除。层以上的建筑不拆除。 准备进行分析的数据准备进行分析的数据 本例需要涉及两类信息，一类是现状道路图；另一类为分析区域内建筑本例需要涉及两类信息，一类是现状道路

19、图；另一类为分析区域内建筑物分布图及相关信息。物分布图及相关信息。 进行空间操作进行空间操作 选择拟拓宽的道路（中心线），根据拓宽半径，建立缓冲区。选择拟拓宽的道路（中心线），根据拓宽半径，建立缓冲区。 将此缓冲区与建筑物数据进行叠合，产生一幅新图，此图包括所有部分将此缓冲区与建筑物数据进行叠合，产生一幅新图，此图包括所有部分或全部位于拓宽区内的建筑物信息。或全部位于拓宽区内的建筑物信息。 进行统计分析进行统计分析 对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择，凡部分落入拆迁区且楼对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择，凡部分落入拆迁区且楼层高于层高于1010层以上的建筑物，将其从选择组中去掉，

20、并对道路的拓宽边界层以上的建筑物，将其从选择组中去掉，并对道路的拓宽边界进行局部调整。进行局部调整。 对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。 将分析结果以地图和表格的形式打印输出将分析结果以地图和表格的形式打印输出辅助建设项目选址辅助建设项目选址利用空间操作和特征提取功能，为一建设项目选择最佳的建设位置。利用空间操作和特征提取功能，为一建设项目选择最佳的建设位置。建立分析的目的和标准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。工厂选址的标准包括：置。工厂选址的标

21、准包括： 地块建设用地面积不小于地块建设用地面积不小于10000m10000m2 2； 地块的地价不超过地块的地价不超过1 1万元万元/m/m2 2； 地块周围不能有幼儿园、学校等公共设施，以免受到工厂生产地块周围不能有幼儿园、学校等公共设施，以免受到工厂生产的影响。的影响。从数据库中提取用于选址的数据从数据库中提取用于选址的数据 为达到选址的目的，需准备两种数据，一种为包括全市所有地为达到选址的目的，需准备两种数据，一种为包括全市所有地块信息的数据层；另一类为全市公共设施（包括幼儿园、学校等）块信息的数据层；另一类为全市公共设施（包括幼儿园、学校等）的分布图。的分布图。进行特征提取和空间拓扑

22、叠加进行特征提取和空间拓扑叠加 从地块图中选择所有满足条件从地块图中选择所有满足条件1 1、2 2的地块，并与公共设施层数的地块，并与公共设施层数据进行叠合。据进行叠合。进行邻域分析进行邻域分析对叠加的结果进行邻域分析和特征提取，选择出满足要求的地块。对叠加的结果进行邻域分析和特征提取，选择出满足要求的地块。将选择的地块及相关信息以地图和表格形式打印输出将选择的地块及相关信息以地图和表格形式打印输出洪水淹没损失分析洪水淹没损失分析 分析目的和评价准则分析目的和评价准则 估计住宅用地被洪水淹设而造成的估计住宅用地被洪水淹设而造成的损失损失 洪水水位的相对高程为洪水水位的相对高程为500500米米 损失的大小和居民的财产、地基的损失的大小和居民的财产、地基