第六章 空间分析

1、2022-5-71空间分析教师：杨勇华中农业大学 资源与环境学院22022-5-7引言引言n所谓空间分析空间分析，就是运用一组数字模型，对空间数据库中的数据进行运算和操作，从而得到新的空间和属性数据，以帮助解决现实世界中的实际问题。通常，GIS提供一系列空间分析工具，用户可以将它们组合成一个操作系列，从已有模型来求得一个新模型，这个新模型就有可能展现出数据集内部或数据集之间新的或未曾明确的关系，从而深化我们对现实世界的理解。 32022-5-71 空间分析的内容与步骤空间分析的内容与步骤n内容：n 属性数据的分析n 条件检索、统计分析、分类与合并。n 空间与属性数据的联合分析n 图形和属性的相

2、互检索，图元间关系检索,叠置分析,缓冲区分析,网络分析等42022-5-7n 1. 确定分析目的和评价标准n 例：建一公园进行选址（目的）标准：n 交通便利、环境优雅 n 设计成环绕一个天然小河 n 可利用面积大、少沼泽地n 2. 收集、输入空间和属性数据n 包括地理底图数据、地籍数据、土壤数据等。n 3. 作空间位置的处理和分析n 作空间位置的处理和分析（包括检索、提取，缓冲区分析、叠置分析等）；n 作属性数据的处理和分析（加所需的属性项、好地价）。n 4. 获得简要分析结果（包括地图和表格）n 5. 解释和评价结果n 解释和评价结果，若不满意，返回1、2、3任一处重做。n 6. 以专题地图

3、，文字报表形式作为正式结果，供决策用。步骤步骤52022-5-71 空间分析的内容与步骤空间分析的内容与步骤n理想状态下，空间分析功能应该独立于数据模型。即无论是何种数据模型，都能完成相应的空间分析功能，只不过技术路线和速度有差异。n与栅格方式相比，矢量方式下的一些操作比较精确和快捷，而另外一些操作则较为复杂或要慢得多。62022-5-72 数据检索数据检索n数据的检索可能只是单纯地针对属性数据；也可能是单纯依据空间拓朴关系；但更多、更有意义的情况是将空间数据与属性联合起来实施检索。 n 检索对象n 1. 属性数据n 2. 依据空间拓朴关系n 3. 联合空间数据与属性数据72022-5-72.

4、1 属性统计分析属性统计分析n属性数据的集中特征数3 3、数学期望：、数学期望：反映数据分布的集中趋势。反映数据分布的集中趋势。4 4、中数：、中数：有序数据集中出现频率占半数的数据值。有序数据集中出现频率占半数的数据值。5 5、众数、众数：众数是具有最大可能出现的数值。：众数是具有最大可能出现的数值。1 1、频数和频率、频数和频率将变量将变量x xi i（i i1,2,1,2,，n n）按大小顺序排列，并按一定的间距分组。）按大小顺序排列，并按一定的间距分组。频数：频数：变量在各组出现或发生的次数；变量在各组出现或发生的次数；频率：频率：各组频数与总频数之比；各组频数与总频数之比；用以表示用

5、以表示事件出现事件出现的的次数次数和和频率频率，事件的，事件的分布状况分布状况。2 2、平均数：、平均数：反映了数据反映了数据取值取值的的集中位置集中位置，通常有简单，通常有简单算术平均数算术平均数和和加权算术平均数加权算术平均数。82022-5-7属性数据的离散特征数属性数据的离散特征数n极差n离差、平均离差与离差平方和n方差与标准差n变差系数92022-5-72.2 布尔逻辑查询布尔逻辑查询n使用布尔规则对属性以及空间特征进行运算操作来检索数据，使GIS在检索功能方面具有极大的灵活性，因为它允许用户按属性数据和空间特性形成任意的组合条件来查询数据：n和（AND）：两个条件都为真，才为真，否

6、则为假n或（OR）：两个条件都为假才为假，否则为真n异或（XOR）：两个条件只有一个为真才为真，否则为假n非（NOT）：对一个条件的真假性取反102022-5-72.2 布尔逻辑查询布尔逻辑查询 A AND B：检索出埋深小于3米且长度小于300米的所有煤气管；A OR NOT B： 检索出埋深小于3米及长度大于或等于300米的所有煤气管；A XOR B：检索出埋深小于3米而长度大于或等于300米的煤气管道和长度小于300米而埋深大于或等于3米的煤气管道；112022-5-72.3 空间数据库查询语言空间数据库查询语言nSQL查询语句：nSELECTFROMWHEREn目前空间扩展的SQL语句

7、形式：nSELECTWITHINn查询结果显示：查询结果要突出显示出来。122022-5-7图元间关系检索图元间关系检索 n 面一面检索n 例如，与某个多边形相邻的多边形是哪些？n 面一线检索n 例如，某个多边形的边界是哪些线（弧段）？n 线一面检索n 例如，某弧段的左右区域分别是什么？n 线一线检索n 例如，与某条河流相连的支流有哪些？n 线一点检索n 例如，某条道路上有哪些桥梁？n 点一线检索n 例如，某个结点由哪些线（弧段）相交而成？132022-5-7数据的统计分析数据的统计分析 n 1. 单个图元：线长度、两点间距离、区域面积、区域重心等。n 2. 图元的某属性项：总和、最大值、最小

8、值、平均值、字段在某范围内的记录数、四则运算、函数运算等。n 3. 空间量算：填、挖土方体积等。142022-5-73 叠置分析叠置分析n叠置分析叠置分析是将是将同一地区同一地区的的两组两组或或两组以上两组以上的要素（地图）进行的要素（地图）进行叠置叠置，产生，产生新的特征新的特征（新的空间图形或空间位置上的新属性的（新的空间图形或空间位置上的新属性的过程）的过程）的分析方法分析方法。n地图的叠置就是将两幅或多幅地图重叠在地图的叠置就是将两幅或多幅地图重叠在一起，产生新数据层和新数据层上的属性一起，产生新数据层和新数据层上的属性（即提取感兴趣的数据）。（即提取感兴趣的数据）。 152022-5

9、-73 叠置分析叠置分析一般来说，空间数据库都是分层管理，但经常要将各数据层综合起来进行分析，这类问题就需要对多层数据实施叠置来产生具有新特征的数据层162022-5-73.1 栅格系统的置加分析栅格系统的置加分析 n在栅格系统中，层间叠加可通过像元之间的各种运算来实现。 n运算n（1）各层属性数据的平均值（算术平均或加权平均）n（2）各层属性数据的最大值或最小值n（3）算术运算 n（4）逻辑条件组合n 优点：容易实现n 缺点：图元间拓扑关系信息丢失 172022-5-73.2 矢量系统的叠加分析矢量系统的叠加分析 n拓扑叠加之前，假设每一层都是平面增强的（已建立了完整的拓扑关系），当两层数据

10、叠加时，结果也必然是平面增强的。n拓扑叠加能够把输入的特征属性合并到一起，实现特征属性在空间上的连接；拓扑叠加时，新的组合图关系将被更新。182022-5-7叠置分析的主要内容叠置分析的主要内容n1. 多边形与多边形分析：合并、相交、相减、判别 n2. 线对多边形分析：相交、判别 n3. 点对多边形分析：相交、判别 n4. 多边形对点分析：相减、相交 n5. 点对线分析：点与线的距离192022-5-7多边形与多边形叠加多边形与多边形叠加 是指不同图幅或不同图层多边形要素之间的是指不同图幅或不同图层多边形要素之间的叠置，根据两组多边形边界的交点来建立叠置，根据两组多边形边界的交点来建立具有多重

11、属性的多边形，每个多边形内都具有多重属性的多边形，每个多边形内都具有两个以上属性。具有两个以上属性。叠加时要注意叠加时要注意伪多边形伪多边形202022-5-7多边形与多边形叠加多边形与多边形叠加n多边形与多边形的叠加可以有合并、相交、相减和判别等方式。它们的区别在于输出数据层中的要素不同：n合并：保留两个输入数据层中的所有多边形(a)；n相交：保留公共区域(b) ；n相减：从一个数据层中剔除另一个数据层的全部区域(c) n判别：将一个层作为模板，而将另一个输入层叠加在它上面，落在模板层边界范围内的要素被保留，而落在模板层边界范围外的要素则被剪切掉(d)abcd212022-5-7线对多边形的

12、叠加线对多边形的叠加n线对多边形叠加的结果是一些弧段，这些弧段也具有它们所在的多边形的属性。n相交：穿过多边形的线要素部分(a)；n判别：所有线要素（被多边形切断） (b) ；n相减：多边形以外的线要素(c)abc222022-5-7点对多边形叠加点对多边形叠加n点对多边形叠加实质上上计算包含关系，叠加结果是一串带有附加属性的点要素，点所在的多边形的属性被连接到了点的属性中。n相交：落在多边形内的点要素n判别：所有点要素（落在不同多边形的结果）n相减：多边形以外的点要素232022-5-7多边形对点叠加多边形对点叠加n多变形对点的叠加结果只保留那些有点落在上面的多边形242022-5-7点对线

13、叠加点对线叠加n结果为点要素，它保留所有点，找到距离某点最近的线，并计算出点线之间的距离，然后将线号和点线距离记录到该点的属性中pl1l2l3l4DP：（ l4，D ）252022-5-74 缓冲分析缓冲分析n缓冲区缓冲区是地理空间目标的一种是地理空间目标的一种影响范围影响范围或或服务范服务范围围，具体指在点、线、面实体的周围，自动建立，具体指在点、线、面实体的周围，自动建立的的一定宽度一定宽度的的多边形多边形。n数学表达数学表达为：为：n n其中其中,R为为 缓冲宽度缓冲宽度，或，或缓冲半径缓冲半径。n作用作用： 缓冲区分析是缓冲区分析是GIS的基本空间操作功能之的基本空间操作功能之一，一般

14、应用于求地理实体的影响范围，即一，一般应用于求地理实体的影响范围，即邻近邻近度问题度问题。n 如如道路噪声道路噪声影响范围就是沿道路建一定宽度的影响范围就是沿道路建一定宽度的缓冲区，车流量决定缓冲区半径。如某地区有缓冲区，车流量决定缓冲区半径。如某地区有危危险品仓库险品仓库，要分析一旦仓库爆炸所涉及的范围，要分析一旦仓库爆炸所涉及的范围，这就需要进行点缓冲区分析等等。这就需要进行点缓冲区分析等等。262022-5-74 缓冲分析缓冲分析n缓冲分析就是在点、线、面实体（或称缓冲目标）周围建立一定宽度范围的多边形一定宽度范围的多边形。换言之，任何目标所产生的缓冲区总是一些多边形，这些多边形将构成新

15、的数据层。 272022-5-74 缓冲分析缓冲分析n建立缓冲区的两个依据：n建立对象几何类型与缓冲区宽度对于点对象来说，缓冲区是围绕点对象的具有一定半径的圆，这个半径就是缓冲区的宽度282022-5-74 缓冲分析缓冲分析对于线对象来说，缓冲区是以该线为中心的多边形矩形，多边形的边界到该线的距离相等，这个距离就是缓冲区宽度292022-5-74 缓冲分析缓冲分析对于多边形对象来说，缓冲区是该多边形膨胀一定宽度的新多边形，膨胀的宽度就是缓冲区宽度302022-5-74 缓冲分析缓冲分析n建缓冲区可分单元素缓冲分析和多元素缓冲分析两种。如果缓冲目标是多个点（或多个线、多个面），则缓冲分析的结果是

16、各单个点（线、面）的缓冲区的合并，碰撞到一起的多边形将被合并为一个 312022-5-74 缓冲分析缓冲分析 n缓冲区建立方法：n依据数据结构的不同，有不同的缓冲区建立方法n基于矢量数据的缓冲区建立（以线为例）n1、线的重采样、线的重采样，对线进行化简，以加快缓冲区，对线进行化简，以加快缓冲区建立的速度。建立的速度。-线的矢量数据压缩算法。线的矢量数据压缩算法。n2、建立线缓冲区、建立线缓冲区，在线的两边按一定的距离，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，（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。连成缓冲区多边形。n3、重叠处理、重叠处理：对缓冲区边

17、界求交，并判断每个：对缓冲区边界求交，并判断每个交点是交点是出点出点还是还是入点入点，以决定交点之间的线段，以决定交点之间的线段保保留留或或删除删除。这样就可得到岛状的缓冲区。这样就可得到岛状的缓冲区。 322022-5-74 缓冲分析缓冲分析基于矢量数据的缓冲区建立基于矢量数据的缓冲区建立（以线为例）（以线为例）332022-5-74 缓冲分析缓冲分析n基于栅格数据的缓冲区建立 栅格数据栅格数据距离变换距离变换提取一定宽度的多边形提取一定宽度的多边形缓冲区缓冲区342022-5-75 网络分析网络分析352022-5-75.1 网络数据模型及其基本概念网络数据模型及其基本概念n对于网络分析系

18、统的设计研制者而言，重要的问题在于建立一个抽象的、具有相当适应面的，并且也是便于实现分析任务的网络模型；而对于这一系统的使用者而言，关键之处在于：深入理解现实网络系统中各个组成部分的特点及其相互关系，明确自身的管理分析任务，在此基础上，用网络模型中的不同元素合理地表示这些组成成分。 362022-5-75.1 网络数据模型及其基本概念网络数据模型及其基本概念n网络n网络数据模型n网线n节点n附属元素n特殊的附属元素n与中心相联系的数据n与站点相关的数据372022-5-7网络网络n网络网络是由若干线性实体互连而成的一个系统，资源经由网络来传输，实体间的联络也经由网络来达成。构成网络的最基本元素

19、是上述线性实体以及这些实体的连接交汇点。前者常被称为网线或链（网线或链（link），后者一般称为结点（结点（node）。 382022-5-7网络数据模型网络数据模型n网络数据模型网络数据模型是真实世界中网络系统（如交通网、通迅网、自来水管网、煤气管网等）的抽象表示。 392022-5-7网线和节点网线和节点n网线网线是构成网络的线性实体，是资源传输或通讯联络的通道，可以代表公路、铁路、航线、水管、煤气管、河流等等。 n结点结点是网线的端点，又是网线汇合点，可以表示交叉路口、中转站、河流汇合点等。 402022-5-7附属元素附属元素n （1）站点（）站点（stop）n 站点（站点（stop）

20、是在路径分析中用来表示途经地点的可以进行资源装卸的结点；n （2）中心（）中心（center）n 中心（中心（center）是在资源分配中用来表示资源发散地点或资源汇聚地点的结点；n （3）障碍（）障碍（barrier）n 障碍（障碍（barrier）对资源传输或通讯联络起阻断作用。412022-5-7特殊的附属元素特殊的附属元素n （1）网线的阻碍强度）网线的阻碍强度n 为了实施路径分析和资源分配，网线数据应包含正反两个方向上的阻碍强度阻碍强度（如流动时间、耗费等）；n （2）网线的资源需求量）网线的资源需求量n 如学生人数、水流量、顾客量等；n （3）结点资源需求量）结点资源需求量n （4

21、）结点转角数据）结点转角数据n 结点转角数据结点转角数据可以更加细致地模拟资源流动时的转向特性，具体地说，每个结点可以拥有一个转向表（turntable），其中的每一项说明了资源从某一网线经该结点到另一网线时所受的阻碍强度。422022-5-7与中心相联系的数据与中心相联系的数据n （1）中心的资源容量n 能容纳或提供的资源总数量，如学生数能容纳或提供的资源总数量，如学生数n （2）阻碍限度n 即资源流出或流向该中心所能克服的最大累积阻碍；n （3）延迟量n 延迟量延迟量表达该中心相对于其它中心进行资源分配的优先程度。 432022-5-7与站点相关的数据与站点相关的数据n与站点相关的数据与站

22、点相关的数据一般有传输量，即资源装卸量、阻碍强度。 442022-5-7452022-5-75.2 常规的网络分析功能常规的网络分析功能n 常规网络分析功能有:n 1. 路径分析n 最佳路径n 最短路径n 网线最佳游历方案n 结点最佳游历方案n 2. 资源分配n 3. 连通分析n 4. 流分析n 5.选址462022-5-7路径分析路径分析n最佳路径：n在指定网络中两结点间找一条阻碍强度最小的路径，最佳路径的产生基于网线和结点转角的阻碍强度。n 例如：救护车需要了解从医院到病人家里走哪条路最快，此时阻碍强度为预先设定的通过网线或在结点处转弯所花费的时间；又比如，旅客往往要在众多航线中找到费用最

23、小的中转方案，此时阻碍强度就应该是费用。n最短路径n当网线在顺逆两个方向上的阻碍强度都是该网线的长度，而结点无转角数据（阻碍强度）或转角数据为零，最佳路径就成为最短路径。472022-5-7482022-5-7路径分析路径分析n网线最佳游历方案n给定一个网线集合和一个结点，求解最佳路径，使之由指定结点出发至少经过每条网线一次而回到起始结点。 n 例如：警察需要了解巡查完他担任巡逻的各个街道的最有效线路。492022-5-7路径分析路径分析n节点最佳游历方案n给定一个起始结点、一个终止结点和若干中间结点，求解最佳路径使之由起始点出发遍历全部中间结点而到达终点。n 例如：推销员可以利用求解结果，以

24、尽可能最少的旅程遍访其所分配的每一座城市。502022-5-7资源分配资源分配n就是为网络中的网线和结点寻找最近（远近按阻碍强度的大小来确定）的中心（资源发散或汇集地）。n 例如：资源分配能为城市中的每一条街道上的学生确定最近的学校；为水库提供其供水区等等。n 资源分配根据中心容量以及网线和结点的需求将网线和结点分配给中心，分配是沿最佳路径进行的。当网络元素被分配给某个中心，该中心拥有的资源量就依据网络元素的需求而缩减，当中心的资源耗尽，分配就停止。512022-5-7资源分配示意图资源分配示意图522022-5-7连通分析连通分析n 欲知道从某一结点或网线出发能够到达的全部结点或网线，这一类

25、问题称为连通分量求解。n 例如：当地震发生时，救灾指挥部需要知道，把所有被破坏的公路和桥梁考虑在内，救灾物质能否从集散地出发送到每个居民点，如果有若干居民点与物质集散地不在一个连通分量之内，指挥部就不得不采用特殊的救援方式（如派遗直升机）。532022-5-7连通分析示意图连通分析示意图542022-5-7流分析流分析n所谓流，就是将资源由一个地点运送到另一个地点。流分析的问题主要是按照某种最现化标准（如时间最少、费用最低、路程最短或运送量最大等）设计运送方案。n 为了实施流分析，就要根据最优化标准的不同扩允网络模型。要把中心分为发贷中心和收贷中心，分别代表资源运送的起始点和目标点。这时发货中

26、心的容量就代表待运送资源量，收货中心的容量代表它所需的资源量。网线的相关数据也要扩允，如果最优化标准是运送量最大，就要设定网线的传输能力；如果目标是使用费用最低，则要为网线设定传输费用（在该网线上运送一个单位的资源所需的费用。）552022-5-7选址选址n该功能涉及在某一指定区域内选择服务性设施的位置。n 例如：市郊商业区、消防站、工厂、飞机场、仓库等的最佳位置的确定。n 在网络分析中的选址问题一般限定设施必须位于某个结点或位于某条网线上，或者限定在若干候选地点中选择位置。存在种类繁多的选址问题，实现方法和技巧也多种多样，不同GIS系统在这方面各有特色。造成这种多样性的原因主要在于：对“最佳

27、位置”的解释（即用什么标准来衡量一个位置的优劣）以及要定位的是一个设施还是多个设施。562022-5-7总结总结n本章首先叙述了空间分析的内容和步骤。介绍了数据检索及表格分析，包括属性统计分析、布尔逻辑查询、空间数据库查询语言以及重分类和合并。介绍了栅格系统的叠置分析和矢量系统的叠置分析。最后叙述了网络分析的内容，主要包括网络数据模型及相关概念、常规的网络分析功能。 572022-5-7练习练习n本章第一节中所举例子中列出了以下公园选址的标准： n （1）公园的位置既要交通便利又要环境安静，也就是说距主要公路的距离要适当。 n （2）公园应设计成环绕一个天然的小河流。 n （3）使公园的可利用

28、面积最大，公园中应很少或没有沿河流分布的沼泽地。n 假设已经准备好了下面几层数据：穿过研究区的公路（线要素层）、位于研究区内的河段（线要素层，用分类级别CLASS标识，CLASS为2的河段，其特性适合于建立公园）、位于研究区内的沼泽地（区要素层）。 我们的目的是确定一些具体的河段，作为建立公共郊游公园的可能位置。为了达到上述三条选址标准，应进行哪些空间操作？ 582022-5-7练习答案练习答案n（1）需要对公路进行缓冲区分析，以求得与公路适当距离的区域；（2）将这些区域与CLASS=2的河流段的缓冲区进行相交叠加分析，与沼泽缓冲区进行相减叠加分析；（3）对所得区域进行面积计算，并找到最大的区

29、域为所得结果。 592022-5-7练习答案练习答案602022-5-7练习答案练习答案612022-5-7练习练习2n某市要建设一疗养院，要求如下：（1）疗养院依水而建；（2）疗养院应原理噪声，即离公路至少200米远；（3）疗养院用地面积至少5000平方米；（4）不得占用农业用地。n假设已经准备好了下面几层数据：市区水系图层，包括线状的河流和面状的湖泊；市区道路线状图层；市区土地利用面状图层（图层中土地类别用CLASS标识，CLASS为1的为农业用地，为2的为非农业用地）；市区学校面状图层；市区商场点状图层。为了达到上述四条选址要求，应进行哪些空间操作？622022-5-7练习练习2 答案答

30、案n（1）以200米为宽度建立道路图层的缓冲区，结果为buffer_road图层；n（2）用buffer_road图层与土地利用图层中CLASS为1的面域做相交叠加分析，结果为overlap_buffer_road_ soill。n（3）从overlap_buffer_road_ soill中选取面积大于或等于5000平方米的面域，存储成图层select5000。n（4）判断图层select5000哪些面域距离水域最近，选取最近的那个为候选地址。如果有多个，则选取在水域一侧面积较大且大于5000平方米的作为候选地址。632022-5-7练习练习3n在某地建立一个国家森林旅游点。n选址要求和条件： 在1：25000地图上确定出旅游点的范围，并绘制成图，最后提交决策者参考。要求为林地、非市区、距公路或铁路 0.5km 到 1.0km之内、面积大于5km2 。n提供的数据如下表所示：642022-5-7练习练习3图层名称图层内容几何属性图层说明比例尺RoadLayer公路及铁路分布图线包含公路线和铁路线1：25000ForestLayer森林分布图面包含该区域森林分布范围1：25000RegionLayer城镇行政区划图面包含该区域市区和非市区分布范围，属性列“SQ”