5.空间叠置与缓冲分析

1、空间分析邓敏中南大学地理信息系概述矢量数据叠置分析栅格数据叠置分析矢量数据缓冲区分析栅格数据缓冲区分析本章小结1空间叠置和缓冲区分析空间叠置分析多数GIS软件以分层的方式组织地理信息，叠置分析是最常用的提取空间隐含信息的手段之一例1：1854年，伦敦发生霍乱，J Snow博士对霍乱病例和区域内生活用水水井分布进行叠置分析21.概述布洛多斯托水井空间叠置分析多数GIS软件以分层的方式组织地理信息，叠置分析是最常用的提取空间隐含信息的手段之一例1：1854年，伦敦发生霍乱，J Snow博士对霍乱病例和区域内生活用水水井分布进行叠置分析地图+霍乱病例地图+生活用水水井例2：计算各行政区内的最大或平均

2、降雨量图行政区划图最大或平均降雨量图31.概述空间叠置分析叠置分析是将同一区域、同一比例尺、同一数学基础的两个或多个图层进行叠置，生成一个具有多重属性的新图层的操作。对那些在结构和属性上既相互重叠， 又相互联系的多种现象要素进行综合 分析和评价。对反映不同时期同一地理现象的多边 形图形进行多时相系列分析，从而深 入揭示各种现象要素的内在联系及其 发展规律。另一个涉及叠置操作的基本空间分析是缓冲区分析，它是为了识别某个空间目标对其周围环境的影响范围或服务范围，而在其周围建立的具有一定宽度的带状区。41.概述空间叠置分析根据不同的空间数据结构，可分为矢量叠置和栅格叠置两类叠置分析由输入图层、叠置图

3、层、输出图层组成输入图层：被叠置的要素图层叠置图层：对输入图层进行叠置操作的图层输出图层：生成的带有输入要素属性和叠置要素属性新图层叠置分析需要对地理信息的图形和属性进行叠置处理矢量数据模型以点、线、面等简单几何对象来表示空间要素，叠置分析时空间要素图形处理比较复杂。栅格数据模型则以格网的形式记录属性信息，空间信息隐含，不涉及图形要素的叠置处理。属性叠置处理分为代数运算与逻辑运算两大类（取决于属性类型）。51.概述概述矢量数据叠置分析栅格数据叠置分析矢量数据缓冲区分析栅格数据缓冲区分析本章小结6空间叠置和缓冲区分析矢量数据叠置分析的内容矢量叠置分析是空间叠置分析的主要内容，回答GIS的基本问题

4、“什么在什么上”，如：不同土地利用分布在什么土壤类型上？什么宗地在百年一遇的洪泛区中？什么井在废弃的军事基地中？研究对象主要是点、线、多边形之间的相互叠置，主要类型有：点与多边形叠置线与多边形叠置多边形与多边形叠置72.矢量数据叠置分析点与多边形叠置 将点层作为输入图层叠加到一个多边形图层上，生成的新图层仍然是点层。 叠置过程中进行了点与多边形位置关系的判断，即通过计算点与多边形线段的相对位置，来判断这个点是否在多边形内，从而确定是否进行属性信息的叠加。82.矢量数据叠置分析+=公园分布图行政区划图行政区公园分布图线与多边形叠置 线与多边形的叠加分析结果产生了一个新的线状数据层，该层内的线状目

5、标属性表发生变化，可能不与原来的属性表一一对应92.矢量数据叠置分析+线与多边形叠置分析后生成的新属性=线与多边形叠置 线与多边形的叠加分析结果产生了一个新的线状数据层，该层内的线状目标属性表发生变化，可能不与原来的属性表一一对应 叠加分析操作后既可确定每条线段落在哪个多边形内，也可查询指定多边形内指定线段穿过的长度102.矢量数据叠置分析+=多边形与多边形叠置 首先对两层多边形的边界进行几何求交运算，将原始多边形图层中的边界要素切割成新的弧段，再根据切割后的弧段要素重建拓扑关系，进而对新生成的多边形图层中的每个目标赋予惟一标识码，生成一个与新多边形图层一一对应的属性表112.矢量数据叠置分析

6、多边形叠置分析后生成的新属性+=多边形与多边形叠置 根据所要保留的空间特征的不同，常用的多边形叠置分析操作可分为交（Intersect）、并(Union)、叠和(Identity) 交：保留输入图层和叠置图层公共部分的空间图形，并综合两个叠加图层的属性 并：输出图层的范围是输入图层和叠置图层的范围之和，并保留两个图层的空间要素和属性信息122.矢量数据叠置分析+=+=多边形与多边形叠置 根据所要保留的空间特征的不同，常用的多边形叠置分析操作可分为交（Intersect）、并(Union)、叠和(Identity) 叠和：以输入图层定义的区域范围为界，保留边界内输入图层和叠置图层的所有多边形，输

7、入图层切割后的多边形也被赋予叠加图层的属性132.矢量数据叠置分析+=概述矢量数据叠置分析栅格数据叠置分析矢量数据缓冲区分析栅格数据缓冲区分析本章小结14空间叠置和缓冲区分析栅格数据叠置分析的内容栅格叠置分析是将不同图幅或不同数据层的栅格数据叠加在一起，在叠置图层的相应位置上生成新属性的分析方法基于不同的运算方式，栅格属性值的运算包括以下几种类型：局部变换邻域变换分带变换全局变换布尔逻辑叠置 153.栅格数据叠置分析局部变换局部变换是基于像元自身的运算，变换后的输出值仅与该像元有关，不考虑与之相邻的其他像元单层格网的局部变换将原栅格的像元值乘以常数后即为输出栅格图层中相应格网位置的像元值多层局

8、部变换，可用同一地理区域的乘数栅格代替单层局部变换中的常数 163.栅格数据叠置分析邻域变换邻域变换是以某一像元为中心，通过对一定辐射范围内与其相邻的像元值进行简单求和、求最大值、最小值、平均值等运算，计算输出栅格的像元值辐射范围可是规则正方形格网，也可是圆形、环形和楔形173.栅格数据叠置分析3x3 方形邻域求和输入栅格输出栅格分带变换分带变换是将同一区域内具有相同属性值的像元作为整体进行分析运算，可选取多种统计量，如最值、均值等由于属性值相同的像元可能并不相邻，可通过分带栅格图层定义具有相同属性值的栅格183.栅格数据叠置分析分带求最大值输入值栅格分带控制栅格+输出栅格全局变换基于研究区域

9、内所有像元的运算，通常是指在同一格网内进行像元与像元之间距离的量测较常见量测是确定区域内每个像元与其最近源像元的距离193.栅格数据叠置分析全局距离量测输入栅格（源像元）输出栅格全局变换给定成本格网，横向或纵向垂直相邻的像元成本距离为所相邻像元的成本的平均数，斜向相邻像元的成本距离是平均成本乘以1.4。203.栅格数据叠置分析111a2bc2244443321412533输入栅格成本栅格5.03.00.00.03.52.52.80.01.50.02.52.02.13.02.84.0输出栅格穿过像元时，源像元和最近像元成本各计一半。如：b到2的路径有：1) 2-a-b, 2) 2-c-b, 3)

10、 2-b(对角线)1)的费用=0.5+2+1=3.5；2)的费用=0.5+5+1=6.53)的费用=1.4*(1+2)/2=2.1布尔逻辑叠置栅格叠置的一种表现方法，进行叠置分析时需要建立多个二值图，然后对各个图层进行布尔逻辑运算，最后生成结果图布尔逻辑算子有与（AND）、或（OR）、非（NOT）、异或（XOR）等213.栅格数据叠置分析布尔逻辑运算示例布尔逻辑叠置栅格叠置的一种表现方法，进行叠置分析时需要建立多个二值图，然后对各个图层进行布尔逻辑运算，最后生成结果图布尔逻辑算子有与（AND）、或（OR）、非（NOT）、异或（XOR）等223.栅格数据叠置分析概述矢量数据叠置分析栅格数据叠置分

11、析矢量数据缓冲区分析栅格数据缓冲区分析本章小结23空间叠置和缓冲区分析缓冲区是指为了识别某一地理实体对其周围地物的影响程度，而在其周围建立的具有一定宽度的带状区域。建造一条铁路，要考虑到铁路的宽度以及铁路两侧所保留的安全带，以计算铁路实际占用的空间可以视为空间目标的一种影响范围或服务范围公共设施如商场、医院、学校等的位置选择都要考虑其服务范围缓冲区分析是对一组或一类地物按缓冲的距离条件，建立缓冲区多边形，然后将这一图层与需要进行缓冲区分析的图层进行叠加分析，得到所需结果的一种空间分析方法。244.矢量数据缓冲区分析缓冲区分析某地区有危险品仓库，要分析一旦仓库爆炸所涉及的范围，这就需要进行点缓冲

12、区分析；如果要分析因道路拓宽而需拆除的建筑物和需搬迁的居民，则需进行线缓冲区分析；在对野生动物栖息地的评价中，动物的活动区域往往是在距它们生存所需的水源或栖息地一定距离的范围内，为此可用面缓冲区进行分析254.矢量数据缓冲区分析缓冲区生成的基本原理给定空间对象或集合，确定其邻域，邻域的大小由邻域半径R决定，因此对象Oi的缓冲区定义为： Bi=x | d(x, Oi)=RBi为距Oi 的距离小于R的全部点的集合；d一般指最小欧氏距离，但也可以为其他定义的距离，如网络距离。对于对象集合O=Oi | i =1, 2, n，其半径为R的缓冲区是各个对象缓冲区的并集 264.矢量数据缓冲区分析B=UBi

13、缓冲区生成分类根据研究对象的影响力，缓冲区具有均质与非均质的特性，可分为静态缓冲区和动态缓冲区根据研究数据类型，可分为矢量数据缓冲区、栅格数据缓冲区根据研究目标维度，缓冲区可分为点目标缓冲区、线目标缓冲区、面目标缓冲区274.矢量数据缓冲区分析点的缓冲区分析线的缓冲区分析 面的缓冲区分析点目标缓冲区分析点目标缓冲区是以点目标为圆心，以缓冲距离为半径所绘制的区域，其中包括单点目标形成的缓冲区、多点目标形成的缓冲区和分级点目标形成的缓冲区 284.矢量数据缓冲区分析单点目标的缓冲区多点目标的缓冲区分级点目标的缓冲区线目标缓冲区分析线要素的缓冲区是以线要素为轴线，以缓冲距离R为平移量向两侧作平行曲(

14、折)线，在轴线两端构造两个半圆弧最后形成圆头缓冲区，包括单线、多线和分级线形成的缓冲区294.矢量数据缓冲区分析多线目标的缓冲区分级线目标的缓冲区线目标缓冲区分析角平分线法生成线目标缓冲区确定线目标左右侧的缓冲距离d1和d2在中心轴线的两端点处作其垂线，分别按左右侧的缓冲距离截出左、右边线的起止点按中心轴线的前进方向，依次计算轴线各转折点的角平分线，在其延长线上分别按左、右侧的缓冲距离来确定各点的左、右缓冲点位置将左（右）缓冲点顺序相连，即构成左（右）缓冲区边界的基本部分分别在线目标的起点和终点处向外作外接半圆起点和终点处的外接半圆与左、右缓冲边界所构成的区域即为该线目标的缓冲区角平分线法简单

15、易行，但其缺点 难以保证缓冲区左右边界的等宽性304.矢量数据缓冲区分析起点垂线讫点垂线R线目标缓冲区分析凸角圆弧法法生成线目标缓冲区基本原理是：在中心轴线的首尾点处作轴线的垂线，并按双线和缓冲区半径R截出左、右边线的起止点在中心轴线的其他各转折点处，首先判断该点的凸凹性，在凸侧用半径为缓冲区的圆弧弥合，在凹侧用与该点关联的前后相邻的轴线的偏移量为缓冲距的左右平行线的交点作为对应顶点314.矢量数据缓冲区分析R线目标缓冲区分析凸角圆弧法法生成线目标缓冲区判断顶点的凸凹性的问题可转化为判断两个矢量的叉积。沿轴线方向依次有三个点组成两个矢量，转折点的凸凹性由矢量的叉积在Z方向上的值的符号决定，具体

16、表达为根据空间解析几何可知：若S 0，Pi为凹点；若S = 0，则三点共线324.矢量数据缓冲区分析线目标缓冲区分析凸角圆弧法法生成线目标缓冲区当线目标的形状较为复杂时，若轴线的弯曲空间不容许左右平行曲线无压盖地通过，就会形成若干个自相交多边形，产生边线自相交问题自相交分为两种情况：岛屿多边形与重叠多边形，前者是缓冲区边线的有效组成部分，而后者不属于缓冲区边线的有效组成部分识别方法：定义中心轴线方向，其两侧的平行曲线称为左边线和右边线。对于左边线，岛屿多边形呈逆时针方向，重叠多边形呈顺时针方向。左、右边线自相交多边形的判别情形恰好对称。334.矢量数据缓冲区分析面目标缓冲区分析面目标缓冲区的基

17、本思路与线目标缓冲区基本相同。不同之处在于，面目标缓冲区的边界生成算法是单线问题，即仅在非孔洞多边形的外侧形成缓冲区，在孔洞多边形的内侧形成缓冲区，而在环状多边形的内外侧边界可形成缓冲区344.矢量数据缓冲区分析动态缓冲区分析现实世界中很多空间目标对周围的影响会随着距离的变化而发生变化，需要建立动态缓冲区动态缓冲区分析模型有线性模型、二次模型、指数模型当缓冲区内各处随着距离变化，其影响度变化速度相等时，采用线性模型 Fi=f0(1-ri)当距离空间物体近的地方比距离物体远的地方影响度变化快时，采用二次模型Fi=f0(1-ri) 2 或指数模型 Fi=f0 (1-ri)f0 ：参与缓冲区分析的一

18、组空间实体的综合规模指数，一般经最大值标准化后参与运算ri =di/d0, d0表示该实体的最大影响距离，di表示在该实体的最大距离内的某点与该实体的距离354.矢量数据缓冲区分析矢量数据缓冲区重叠处理 目前，主要有三种处理方法：数学运算法、矢量栅格转换法、矢量栅格混合法。数学运算法 将所有多边形的所有边界线段之间两两求交运算，生成所有可能的多边形，再根据多边形之间的拓扑关系和属性关系，去除某些多余的多边形。运算量大，效率低，且由于存在分级目标，生成的缓冲区可能具有不同的影响度等级；若分开合并，则不同的影响度之间还可能存在重叠；若统一合并，则不同影响 度等级的缓冲区可能被合并在一起。364.矢量数据缓冲区分析矢量数据缓冲区重叠处理 目前，主