实习五 GIS空间分析原理与方法

1、实习五GIS空间分析原理与方法（选作一部份）备注：此实习地理科学专业不做，可课外时间练习。一、实验目的本实验目的是加深对GIS空间分析如邻域分析、缓冲区分析、叠合分析、网 络分析等基本原理与方法的认识；培养学生应用GIS软件进行实际应用问题的分 析处理能力。二、计划实验学时本次实验学时：4学时三、实验内容邻域分析（原理验证与应用试验） 缓冲区分析（原理验证与应用试验）叠合分析（基于矢量和基于栅格的叠合分析）网络分析（网络分析模块的装入、原理验证与应用试验）四、实验所需数据指导老师提供（在网络服务器下载）。五、实验过程介绍邻域分析：邻域分析也称栅格窗口分析。邻域分析主要应用于栅格数据模型，这是因

2、为地学信息除 了在不同层面的因素之间存在着一定的制约关系之外，还表现为空间上存在着一定的关联 性。对于栅格数据所描述的某项地学要素，其中的（I,J）栅格往往会影响其周围栅格的属 性特征。窗口分析是指对于栅格数据系统中的一个、多个栅格点或全部数据，开辟一个有固 定分析半径的分析窗口，并在窗口中进行一系列计算，从而实现栅格数据有效的水平方向扩 展分析。验证实验：（1）原理验证：A. 对rclssl层面采用3X3矩形分析窗口分别进行Maximum， Minimum， Mean， Sum， Majority， Minority 的窗口分析。Neighborhood statistics 的操作方法如下

3、：1）从视图目录表中激活点主题（rclss1）。从【Analysis】菜单中选择【Neighborhood statistics】命令.出现Neighborhood statistics对话框，在Statistics列表中确定统计类型，在Neighborhood列表中选择邻域形状，在Arcview中有四种类型：(a)圆形Circle (b) 矩形Rectangle (c)环型Dough Nut (d)扇型Wedge。设置邻域形状参数： Circle：半径，Rectangle：宽度、高度，Dough Nut：内半径、外半径，Wedge:半 径、起始角度、结束角度。在Units复选框中选择表示邻域

4、范围大小的单位，有 两种类型：(1)Map:在View Properties中定义的地图单位；(2)Cell：用栅格数 表示邻域分析范围的大小。B.对rclss1层面采用3X3及2X2矩形分析窗口分别进行Median， Variety和Range 的窗口分析，同样对rclss2、rclss3和rclss4层面也作同样的分析，注意观察比 较它们的原理。在Arcview中，2X2的分析窗口是以中心点为起算点，向右下方向开辟的窗口。 Median统计类型是指aa2， a”这n个数的中数，若n为奇数，则Med= a ；1 2 n顿 T) TOC o 1-5 h z ,若n为偶数，则Med=g(a +

5、a )。Variety统计类型是指，分析窗口范围内统计nn+222值的种类。Range统计类型是指，分析窗口范围内统计值的范围。(2)参数验证：分析窗口的形状与大小改变分析窗口的大小：对rclssl层面采用矩形分析窗口、平均值Mean的统计类 型进行窗口分析，由3X3、5X5、7X7、25X25分别改变其窗口大小，注意观察 窗口大小改变后分析结果有何变化，窗口范围重合时分析结果有何变化。改变分析窗口的形状：对rclssl层面采用3 X 3分析窗口、平均值Mean的统计类 型进行窗口分析，分别改变窗口形状：圆形Circle、矩形Rectangle、环型Dough Nut、楔型Wedge，观察其变

6、化，考虑它们在实际中的应用。对于楔形Wedge分析 窗口，采用13X13的分析窗口，注意观察、判别起始角度与终止角度的位置。应用实验：由calc和info文件夹给出的栅格层面是一个有疵点的DEM，运用窗口分析的方法 找出疵点，想办法恢复DEM的正确状态。由calc1层面进行3X3矩形窗口取Mean值的窗口分析，得到的结果与calc1 层面相减，可判断出疵点所在的大概位置以及疵点的性质(突出或凹X陷)；对 结果进行Map Query的运算，将远远大于或小于周围值的点提取出来，既是疵 点所在位置(Map Query1)。由calc1层面进行3X3矩形窗口取Maximum值的窗口分析，得到的结果与M

7、ap Query1相乘，得到疵点所在位置的高程值(Map Calculation3)。将原始有疵点的层面calc1与Map Calculation3相减，得到疵点处高程值为0 的结果 Map Calculation4。将这一结果进行3X3矩形窗口取Mean值的窗口分析，得到的结果与Map Query1 层面相乘，并加以系数8/9，得出疵点处的理论高程值Map Calculations。将这一结果与疵点处高程为0的Map Calculation4层面相加，就得到了恢复后 的正确的DEM (Map Calculations)，与我们已知的正确DEM (DEM)相减，可看 到最大误差为0.03332

8、5，均值为0.000002，误差标准差为0.000251。二.缓冲区分析：缓冲区分析是用来确定不同地理要素的空间邻近性和邻近程度的一类重要的空间操作，通过本次实习，我们应达到以下目的：加深对缓冲区分析基本原理、方法的认识；2.熟练掌握ARCVIEW缓冲区分析的技术方法。掌握利用缓冲区分析方法解决地学空间分析问题的能力。原理验证实验：点数据的缓冲区分析：1.在视图中添加point层面并激活；2.【Analysis】菜单中选择Find Distance 命令； 3.激活由point.shp产生的新栅格主题，Distance to point.shp 在进行分析时，若选中了 point层面中的某一个

9、或几个要素，则缓冲区分析只对该要 素进行；否则，对整个层面的所有要素进行。线数据的缓冲区分析：1.在视图中添加line层面并激活；分别选中line层面中的两条线，进行缓冲区分析，注意比较线的缓冲区分析与点 的缓冲区分析有何不同。2.取消选定，对整个line层面进行缓冲区分析，观察与前两个分析结果的区别。面数据的缓冲区分析：添加polygon层面，进行缓冲区分析，观察面的缓冲区分析与点、线的缓冲区分 析有何区别。应用实验：水源污染防治：point层面表示了水源(如：水井)的位置分布，要求利用缓冲区分析提出水 源污染防治的方案：1.添加水源(例如：水井)分布的点主题point.shp。2.在【An

10、alysis】菜单中 选择【Find distance】命令。3.显示并激活由point.shp产生的新栅格主题， Distance to point.shp双击左边的图例，在Legend Editor对话框中可重新调整 分级。新的栅格主题显示了区域内每个栅格距最近的水井的距离，其中蓝色的栅格 距各个井的距离最近，对水源的影响最大；红色的栅格距各个井的距离最远，影响 最小。在本例中认为距各个水井0.1以内的区域对水质的影响和污染最大，因此， 在【Analysis】菜单中选择【Map Query工具，可将Distance to point W0.1 以内的区域提出作为缓冲区进行专项的污染防治。受

11、污染地区的分等定级：point层面表示的是几个点状污染源，距污染源的远近不同，受污染的状况也不 同，距污染源越近，受污染越严重，据此对污染源附近地区进行分等定级。1.对point层面执行【Find distance】命令；2.对得到的新层面Distance to point进行Map Query运算，分别提取Distance to pointW0.1 和 Distance to pointC0.15 and Distance to point=0.1 的区域， 分别得到Map Query1层面和Map Query2层面；3.对Map Query2层面进行重分类运算(Analysis】菜单中的R

12、eclassify命令)， 使得原来的 True (1)值为 0， False (0)值为 1，得到 Reclass of Map Query2 层面。4.将 Map Query 1 层面与 Reclass of Map Query 2层面相加(Analysis】菜单中 的Map Calculator命令)，得到分等定级的结果层面Map Calculation】。城市化的影响范围：urban层面表示的是城市化进程中的一些工业小城镇，还包括一个自然生态保 护区(在urban层面的属性表中，其类型type为lake)。这些小城镇的城市化会对 周边地区产生一些扩张影响，但自然生态保护区周围0.05k

13、m的范围内不能有污染性 的工业，因此其城市化的范围0.06km就受到限制。1.对urban层面中的自然保护区图斑执行【Find distance命令，得到Distance toLake of urban层面；对urban层面中的除了自然保护区的所有图斑执行【Find distance】 命令，得到 except Lake Distance to urban层面；2.对 Distance to Lake of urban 层面进行 Map Query 运算，提取 Distance to Lake of urbanW0.05的区域，得到Map Query1层面，并Map Query1层面对进行重分

14、 类为两类(Analysis菜单下的Reclassify)，使得原来的New Value:1， 2改为1， 0；得到 Reclass of Map Query1 层面；3.对 except Lake Distance to urban层面进彳亍 Map Query 运算，提取 except Lake Distance to Lake of urbanW0.06 的区域，得到 Map Query2 层面；4.将Map Query2层面与Reclass of Map Query1层面相乘，得到城市化范围Map Calculation1 层面。叠合分析：多层面叠合分析是空间数据分析的基本方法，包括栅

15、格数据的信息复合分析与矢量数据 的叠置分析，本实验的目的在于：加深对多层面叠合分析基本原理、方法的认识；2.熟练掌握ARCVIEW多层面叠合分析的技 术方法。3.结合实际、掌握利用多层面叠合分析方法解决地学空间分析问题的能力。1.基于栅格数据的叠置分析：原理验证：1.添加gridline1层面和gridline2层面，并利用【Analysis】菜单中的【Map Calculator命令进行栅格层面的叠加，观察其结果；2.应用【Analysis】菜单中的【Reclassify】命令，分别将gridline1和gridline2 层面进行重分类，使得原有的No data数据为0，再进行叠加运算，观

16、察其结果与 上一步的结果有何不同，考虑其原因。应用分析：query5层面和query6层面分别表示的是一些小工业镇区的城市化范围及其附近一个自 然保护区的保护范围，要求利用栅格数据的复合分析，计算出这些小工业镇区的城市化范围: 添加query5层面和query6层面，从【Analysis】菜单中选择【Map Query】命令，执行 not(query6)andquery5运算，得出所求的范围。基于矢量数据的叠置分析：Arcview中矢量数据的叠置分析是在Geoprocessing模块的支持下进行的，首先在 【File】菜单中选择【Extension命令，添加Geoprocessing模块.Di

17、ssolve融合分析：添加polygon层面并激活，从【view】菜单中选择【Geoprocessing Wizard】命令，选择 Dissolve features based on anattribute命令，执行下一步.在随后出现的对话框中选择要进行融合的层面，要进行融合的属性字段以及确定融合后的结果文件的名称与路径，完成后按Finish键.点击融合后的结果Disslv1-polygon层面，观察其属性，与polygon层面进行比较。 可以看到，Disslv1-polygon层面是将polygon层面中属性字段type值一样的要素 进行合并。Merge合并分析：添加polygon1、po

18、lygon2层面并激活，执行【Geoprocessing Wizard】命令，选择Merge themes together 命令，执行下一步。从列表中选择要进行合并的层面，确定输出的文件名称、路径，执行操作。由结果层面及其属性可以看出，进行合并后，它们的属性及图形都进行了合并。Clip裁剪分析：添加并激活overlay、polygon层面，执行【GeoprocessingWizard命令，选择Clip one theme based on another 命令，执行下一步。从列表中选择要进行裁剪的层面(input theme)以及用来裁剪的层面，确定输出的 文件名称、路径，执行操作。进行裁剪

19、的层面与用来裁剪的层面的不同，若只想对进行裁剪的层面或用来裁剪的 层面中的某一个或几个要素进行操作，可将其选中后再执行Geoprocessing Wizard 操作。在这一步时，就可选择Use Selected features only选项。由结果层面及其属性可以看出，裁剪分析是以用来裁剪的整个层面与被裁剪的层面进 行运算的，输出结果将继承进行裁剪的层面的所有属性。Intersect相交分析：添加并激活overlay、polygon层面，执行【Geoprocessing Wizard命令，选择 Intersect two themes 命令，执行下一步。从列表中选择要进行相交分析的层面(in

20、put theme)以及用来相交的层面，确定输 出的文件名称、路径，执行操作。由结果层面及其属性可以看出，相交分析是以用来相交的层面的中的要素(全部或 一部分)与被相交的层面进行相交运算，输出结果将继承两层面的所有属性。由相同的两层面进行不同的分析(Clip和Intersect)，比较它们的结果有什么不同， 体会它们的原理及应用。Union合并分析：添加并激活overlay、polygon层面，执行【Geoprocessing Wizard命令，选择 Union two themes命令，执行下一步。从列表中选择要进行合并分析的层面(input theme)以及用来合并的上覆层面，确 定输出的

21、文件名称、路径，执行操作。由结果层面及其属性可以看出，合并分析是以用来合并的层面的中的要素(全部或一 部分)与被合并的层面中的要素(全部或一部分)进行合并运算，输出结果将合并两 层面的所有要素，并继承两层面的所有属性。将Union分析的结果与前两种分析的结 果进行比较，注意观察Union分析的特点。Assign data by location按空间位置的属性联接分析：联接分析是将两个层面按相同的位置进行属性联接，根据数据类型的空间关系不同， 可分为三种：最近距离、是否在内部和是否是其一部分。其中，进行联接的层面的属性 表称为目标表，用来联接的属性表称为源表：Nearest最近距离当一个点层面

22、(源层面)与一个点层面或线层面(目标层面)进行联接分析时，进行 最近距离的联接分析，同时增加一个距离字段到目标表中，用来记录目标层面中的要素 与最近点的距离。.添加并激活 point、river 层面，执行Geoprocessing Wizard命令，选择 Assign data by location命令，执行下一步。.从列表中选择目标层面(the theme to assign data t)以及源层面(the theme to assign data from)，确定输出的文件名称、路径，执行操作。.Inside是否在内部：当一个面层面(源层面)与一个点(或线、面)层面(目标层面)进行联

23、接分析时， 进行是否在内部的联接分析。.添加并激活 point、river 层面，执行【Geoprocessing Wizard命令，选择 Assign data by location命令，执行下一步。.从列表中选择目标层面(the theme to assign data to)以及源层面(the theme to assign data from)，确定输出的文件名称、路径，执行操作。Part of是否是其一部分：当两个线层面进行联接分析时，属于是否是其一部分的联接分析。以下两个线层面roads，roads1分别表示的是某一公路网及这一公路网中需要维修的路 段，现需要将需维修路段的属性添

24、加到公路网中，方法如下：1.添加并激活 roads、roads1 层面，执行Geoprocessing Wizard】命令，选择Assign data by location命令，执行下一步。2.从列表中选择目标层面(the theme to assign data to)以及源层面(the theme to assign data from)，确定输出的文件名称、路径，执行操作。网络分析：网络分析是GIS空间分析的重要组成部分，它的主要内容包括：寻找最佳行进路线，如：找出两地通达的最佳路径。确定最近的公共设施，如：引导最近的救护车到事故地点。创建服务区域，如：确定某零售店的服务区域，从而查明

25、区域内的顾客数等等。通过对本实习的学习，应达到以下几个目的：1.加深对网络分析基本原理、方法的认识；2.熟练掌握ARCVIEW网络分析的技术方法。结合实际、掌握利用网络分析方法解决地学空间分析问题的能力。Arcview网络分析模块的装入:从【Files】菜单选择Extensions】命令，在Extensions对话框中选中Network Analyst (见图1)，单击OK，即装入Network Analyst空间分析扩展模块。寻找最佳路径：例：为邮递员设计最佳投递路线，该路线应是投递时的最短路线，并选择最有效率 的投递顺序。具体的操作如下：添加城市街道的网络线层面S_fran和投递点层面De

26、l_loc。从【Network】菜单选择【Find Best Route】命令。出现路径Route 1对话框，单击Property按钮，在下来出现的Properties对话框 中，从Cost Field下拉列表中选择街道层面属性表中的一个字段作为费用字段用来 计算最佳路线，费用可以是穿过一个特征所须的平均时间或平均距离。从 Working Unit下拉列表中选择工作单位，工作单位确定了该路线的总的费用，在本例中选择 Meters (街区长度)作为费用字段，Meters为工作单位。同时，视图中添加缺省名为“Route 1”的新主题来包含最佳路线。在街道主题上指定投递起点(邮递员从邮局出发)及各个

27、投递站点，可以采用两种方 法可以选择访问站点：从工具栏中选择添加位置工具田，在线主题上用鼠标直接点击，确定起点与各投 递点。在Route1对话框中选择Load Stop按钮，在Load Stops对话框中添加一个点主题 作为站点位置。当指定站点后，他们被加入到Route 1对话框中的站点列表的Label栏中。列表中第一 个站点是投递路线的起点，其他投递点将以其在列表中出现的次序被访问；要改变访问 次序，选中站点，用箭头工具回和可在列表中移动它；按下区I按钮可删除站点。1.邮递员投递完毕之后须返回邮局，选中Routel对话框中的Return to origin复选 框，保证路线的终点是邮局；选中

28、Find best order复选框，得出最有效的投递顺序。2.单击solve按钮，计算投递的最短路线，其路线显示在Route 1主题中；穿过 该路线所需的距离显示在Route1对话框中站点列表中的miles栏中。3.在Route 1对话框中，单击Direction按钮，在Direction对话框中对生成的最佳路 线进行了详细说明。确定最近设施：从【Network】菜单选择【Find Closest Facility】命令，打开设施Fac1对话框， 同时，在视图目录表中添加缺省名为“Fac1 ”的新主题来包含事件到最近设施的 最佳路线。在Fac1对话框中单击Property按钮，出现Prope

29、rties对话框，从线主题的特征 表中选择费用字段，本例中为Meters(距离)，Network Analyst将根据此字段 来查询最近设施；同时指定工作单位，本例中为meters (米)，Network Analyst 将根据此单位来计算通向最近设施所需的总开销，单击OK。*在Fac1对话框中有以下几个选项：Facilities在Facilities下拉列表中选择一个点主题作为设施主题，本例中为Hospitalso如果用选择工具固事先已选中了部分设施，则在解决问题时只考虑被选 中的设施；如果无任何设施被选中，则所有的设施都被考虑。Number of facilities to find：在此

30、框中确定要找出的最近设施的数目。Cutoff cost：在此输入框中输入一个最远阀值，对最近设施的最远距离进行限制。 如果不做限制，则此项为空白。其单位应与指定的工作单位一致。Event：指定发生的事件。可采用Add Location工具匚国在线主题上点直接点击，事件的位置将以绿色符号显示在视图上；也可用Load event按钮装入一个包含事件 的点主题。如果采用口工具指定事件，事件的缺省名为“Graphic pick ”，n是 唯一的编号。Travel to event / Travel from event 指定路线的行进方向，Travel to event 表示路线方 向从设施到事件；Travel from event表示路线方向从事件到设施。单击solve按钮E，找出最近的医院，并显示最佳路线。最近设施的名称显示在Fac1的Label栏中，其距事件的距离显示在meters栏中。.创建服务区域：创建服务区时，必须指定行进方向，从某地点到周围地区或从周