第五讲基本空间分析

第五讲基本空间分析5/11/20242概述空间分析是从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、分布、形态、形成和演变等信息的分析技术，是GIS的核心功能之一，它特有的对地理信息的提取、表现和传输的功能，是GIS区别于一般MIS的主要功能特征。主要方法：缓冲区分析叠置分析窗口分析网络分析5/11/20243一、缓冲区分析“缓冲”把地图分为两个区域，一个区域在所选地图要素指定距离之内，另一个在指定距离之外。在指定距离之内的区域称为缓冲区。常见缓冲区类型

点：圆形缓冲区线：长条缓冲区面：向内、外的缓冲带5/11/20244缓冲区是给定空间对象或集合后获得的它们的邻域，而邻域的大小由邻域的半径或缓冲区建立条件来决定。因此对于一个给定的对象A，它的缓冲区可以定义为：P={x|d(x,a)≦r}d一般是指欧氏距离，也可以是其它的距离，r为邻域半径或缓冲区建立的条件5/11/20245基本缓冲区类型5/11/20246图8.11点缓冲区a.单个点缓冲区b.相同缓冲距离缓冲区c.属性值作距离参数缓冲区5/11/20247线缓冲5/11/20248面缓冲缓冲区5/11/20249缓冲区变形缓冲距离不一定为常数主流用200米，支流用100米可形成缓冲环核电站：5km,10km,20km,50km单侧缓冲区单个缓冲区与完整缓冲区5/11/202410缓冲区变异5/11/202411缓冲区用途查询空间分析据学校一定距离内不能有游戏厅都市规划中，河流一定范围内不能建筑道路拆迁估算商业选址中立区：抗议人群距离政府的距离5/11/202412缓冲条件点状要素线状要素面状要素指定缓冲距离以要素属性距离分级缓冲区可变缓冲距离…….缓冲区分析方法空间查询不同图层的叠置分析网络分析空间统计分析可变缓冲距离…….分析结果缓冲区分析流程5/11/202413二、叠置分析（地图叠加）把两幅或多幅地图进行叠加以生成新的地图的操作相同的空间尺度只能同时叠加两幅地图，但可连续操作叠加的结果：几何形状改变属性改变5/11/202414地图叠加：要素类型点与多边型叠加输出地图包含输入地图相同的点要素，但点的属性已为其落入的多边形的属性AB121A2B+=5/11/202415AB11A1B+=地图叠加：要素类型线与多边型叠加5/11/202416地图叠加：要素类型

多边形与多边型叠加AB+=121A1B2A2B5/11/202417地图叠加操作：ArcView为例输入地图与叠加地图具有相同的范围，则输出地图也具有相同的范围。输入地图与叠加地图范围不同，则依赖于地图叠加操作方法。方法联合相交层叠加5/11/202418地图叠加操作：联合OR=5/11/202419地图叠加操作：相交AND=5/11/202420地图叠加操作：层叠加+=[(输入地图)AND(叠加地图)]OR(输入地图)5/11/202421多边形叠加分析(举例)进行多个多边形的叠加运算，在参与运算多边形所构成的属性空间（eg.宗地ID，宗地号，土壤ID，稳定性）内，每个结果多边形内部的属性值是一致的，可以称为最小公共地理单元（LeastCommonGeographicUnit,LCGU）5/11/202422地图叠加：破碎多边形处理在地图叠加过程中，由于矢量结构的有限精度原因，几何对象不可能完全匹配，叠加结果可能会出现一些碎屑多边形（SilverPolygon)原因数字化原地图误差遥感解译野外调查消除方法设置模糊容差最小制图单元5/11/2024235/11/2024245/11/202425地图操作边界融合(Dissolve)裁剪(Clip)合并(Merge)5/11/202426地图操作：边界融合

消除具有相同属性的多边形边界（数据分类）1124133124135/11/202427地图操作：裁剪落入裁减区域范围内的输入地图要素5/11/202428地图操作：合并两幅获两幅以上的地图拼接成新图合并5/11/202429三、窗口分析地学信息在不同层面的因素之间存在着一定的制约关系,空间上也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，并在该窗口内进行诸如极值、均值等一系列统计计算，或与其它层面的信息进行必要的复合分析，从而实现栅格数据有效的水平方向扩展分析。窗口分析是对一个栅格及其周围栅格的数据分析技术

5/11/202430窗口分析中的三个要素中心点：可能就是一个栅格点，或者是分析窗口的最中间的栅格点，窗口分析运算后的数值赋予它。分析窗口大小与类型：依据单个窗口中的栅格分布状况，如平滑运算的3×3矩形窗口，扇形窗口等。运算方式：图层根据窗口分析类型运算，依据不同的运算方式获得新的图层，如DEM提取坡度、坡向运算。5/11/202431有一定分析半径和类型的窗口 单个栅格点 选择窗口大小和类型 原始栅格图层运算方式确定 新的栅格点 挨个栅格点的实现 新的栅格图层 大小：m*n类型 矩形窗口 圆形窗口 扇形窗口 …… 统计运算 测度运算 函数运算 追踪分析 图8.16窗口分析实现过程 5/11/202432分析窗口的类型矩形窗口：以目标栅格为中心，分别向周围八个方向扩展一层或多层栅格，从而形成的矩形分析区域。圆形窗口：是以目标栅格为中心，向周围作一等距离搜索区，构成一圆形分析窗口。环形窗口：是以目标栅格为中心，按指定的内外半径构成环形分析窗口。扇形窗口：是以目标栅格为起点，按指定的起始与终止角度构成扇形分析窗口。其他窗口，如正六边形等。示例……5/11/2024335/11/202434b.圆形窗口 a.3×3矩形窗口 DEM区域 局部移动窗口 目标点 DEM区域 局部移动窗口 目标点 8.17DEM局部移动窗口 b.圆形窗口 a.3×3矩形窗口 DEM区域 局部移动窗口 目标点 DEM区域 局部移动窗口 目标点 8.17DEM局部移动窗口 5/11/202435窗口分析的类型统计运算测度分析函数运算追踪分析5/11/2024361.统计运算平均值统计（Mean）：新栅格值为分析窗口内原栅格值的均值；最大值统计（Maximum）最小值统计（Minimum）中值统计（Median）：n个排好序的数列的中数，若为奇数，则中值为第(n+1)/2个数的值；若为偶数，则中值为第n/2个数和第(n＋2)/2个数的值的均值；求和统计（Sum）标准差统计（Standarddeviation）其他5/11/202437a.原始栅格图层b.均值窗口分析后栅格图层图8.18均值窗口分析图例：846.12－883.68883.68－921.23921.23－958.79958.79－996.34996.34－1033.91033.9－1071.461071.46－1109.011109.01－1146.571146.57－1184.12图例：846.12－883.68883.68－921.23921.23－958.79958.79－996.34996.34－1033.91033.9－1071.461071.46－1109.011109.01－1146.571146.57－1184.125/11/2024382.测度分析范围统计（Range）：是指分析窗口范围内统计值的范围；多数统计（Majority）：是指分析窗口范围内绝大多数的统计值，频率最高的单元值；少数统计（Minority）：是指分析窗口范围内较少数的统计值，频率最低的单元值；种类统计（Variety）：是指分析窗口范围内统计值的种类，不同单元值的数目。5/11/2024393.函数运算选择分析窗口后，以某种特殊的函数或关系式，如滤波算子，坡度计算等，来进行从原始栅格值到新栅格值的运算。i,j为行列号，cij为第i行，第j列原始栅格值，m*n是分析窗口大小，λij为栅格系数，f为运算函数，Cij为新栅格图层值。滤波运算、地形参数运算5/11/2024404.追踪运算对于特定的栅格数据系统，由某一个或多个起点，按照一定的追踪法则进行追踪目标或者追踪轨迹信息提取的空间分析方法。例子：下图，栅格所记录的是地面点的海拔高程值，根据地面水流必然向最大坡度方向流动的基本追踪线索，可以得出如图所示两个点位地面水流的基本轨迹。5/11/202441由追踪法提取地面水流路径3238121718174991218232320413162025282620312212333322920714253239312514122127303224171115223425211512816192025107465/11/202442四、网络分析在GIS中，网络作为一种复杂的地理目标，除具有一般网络的边、结点间的抽象的拓扑含义之外，还具有空间定位上的地理意义和目标复合上的层次意义。网络就是指现实世界中，由链和结点组成的、带有环路，并伴随着一系列支配网络中流动之约束条件的线网图形，它的基础数据是点与线组成的网络数据。5/11/202443网络分析网络分析是通过模拟、分析网络的状态以及资源在网络上的流动和分配等，研究网络结构、流动效率及网络资源等的优化问题的领域。进行网络分析研究的数学分支是图论和运筹学，它的根本目的是研究、筹划一项基于网络数据的工程如何安排，并使其运行效果最好。研究内容：包括选择最佳路径，选择最佳布局中心的位置，资源分配，结点弧段的遍历等。其基本思想则在于人类活动总是趋向于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置。5/11/202444网络基本组成线状要素——链：网络中流动的管线，是构成网络的骨架，也是资源或通信联络的通道，包括有形物体如街道，河流，水管，电缆线等，无形物体如无线电通讯网络等，其状态属性包括阻力和需求。点状要素：①障碍，禁止网络中链上流动的，或对资源或通信联络起阻断作用的点；②拐角点，出现在网络链中所有的分割结点上状态属性的阻力，如拐弯的时间和限制（如不允许左拐）；③结点，网络链与网络链之间的连接点，位于网络链的两端，如车站、港口、电站等，其状态属性包括阻力和需求；④中心，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，如总的资源量，阻力限额，如中心与链之间的最大距离或时间限制；⑤站点，在路径选择中资源增减的站点，如库房、汽车站等其状态属性有要被运输的资源需求，如产品数。5/11/202445图8.22空间网络的构成元素链站点障碍拐角点结点中心图例：5/11/202446网络中的属性要素间的拓扑关系：存储于GIS数据库非空间属性阻强：指资源在网络流动中的阻力大小，如所花的时间，费用等。它是描述链与拐角点所具有的属性。资源容量：指网络中心为了满足各链（或其他中心）的需求，能够容纳或提供的资源总数量。资源需求量：指网络系统中具体的线路、链、结点所能收集的或可以提供给某一中心的资源量。5/11/202447网络应用路径分析资源分配最佳选址地址匹配5/11/202448路径分析类型静态最佳路径：给定每条弧段的属性，当需求最佳路径时，读出路径的相关属性，求最佳路径。动态分段技术：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公里数到另一公里数的路段。N条最佳路径分析：确定起点、终点，求代价较小的几条路径，最短路径：确定起点、终点和所要经过的中间点、中间连线，求最短路径。动态最佳路径分析：实际网络分析中，权值是随着权值关系式变化的，而且可能会临时出现一些障碍点，所以往往需要动态地计算最佳路径。5/11/202449资源分配资源分配是根据中心容量以及网线和节点的需求，并依据阻强大小，将网线和节点分配给中心，分配是沿着最佳路径进行的。当网络元素被分配给某个中心点时，该中心拥有的资源量就依据网络元素的需求而缩减，中心资源耗尽，分配亦停止。5/11/202450图8.24将弧段分配给中心(2)链弧阻强13链弧号210结点号中心（2）（5）13（3）14213214（2）（2）（2）21021121211121521516图例：至210点：Cost=3+2=5至215点：Cost=2+2+2=65/11/202451最