土地信息系统第5章-土地信息处理与分析技术

1、1,第五章 土地信息处理与分析技术,内容提要： 1、土地信息录入后的处理 2、土地信息的空间查询 3、土地信息的空间分析,2,5.1 土地信息录入后的处理,空间数据不论采用什么方法输入，都会有一些问题，如输入过程中出现意外的错误，输入数据与使用格式不一致，各种来源数据的比例尺、投影不统一，图幅间不匹配等 因此必须对空间数据进行处理，才能得到纯净、统一的数据文件，使存储的空间数据符合规范、标准的要求，满足使用和分析的需要,3,5.1.1 对空间数据的处理,坐标变换 图幅拼接与分割 生成拓扑关系,4,（一）坐标变换,在LIS中，各种空间处理是在特定坐标系中进行的，同时，空间信息从输入到输出产品，在

2、不同的阶段处于不同的坐标系中，因此需要经过多次坐标变换。坐标变换的实质是建立两个平面点之间的一一对应的关系，它是空间数据处理的基本内容之一。 坐标系一般有三种： 用户坐标系 规格化数据库坐标系 设备坐标系,5,各种坐标系的定义,用户坐标系：地图采用的坐标系，如高斯平面直角坐标系，与设备无关 规格化数据库坐标系：在数据库系统中定义的坐标系 设备坐标系：每一种图形设备都有独特的坐标系，它们使用的坐标都是设备的相对坐标,1B(Byte)=8b(bit)，28=256= -128 到 +1271KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB,6,图5-1 设备坐标系,7,设备相对坐标到用

3、户坐标的变换 一般在图形数字化时进行，它是利用已知点的高斯坐标和图幅角点的采集坐标建立采集坐标到高斯坐标的变换关系，并利用这些变换参数将图幅中全部采集坐标变换为高斯坐标 用户坐标到数据库坐标的变换 这个变换用于图形数据的入库 数据库坐标到用户坐标的变换 这个变换用于空间数据检索，它是上述第二点的逆变换,坐标变换的类型,8,用户坐标到设备坐标的变换 这个变换用于图形显示或绘图仪绘图。用于图形显示时，只要将高斯坐标原点平移至图幅左上角，将坐标顺时针旋转90，并考虑两种坐标的变换比例，即可实现由高斯坐标到屏幕坐标的变换 数据库坐标到屏幕坐标的变换和屏幕坐标到数据库坐标的变换 这两个变换是用来进行人机

4、交互编辑并将编辑好的图形数据送回数据库,不同用户坐标系间的转换,10,土地信息系统中，如同计算机辅助设计（CAD）一样存在着对图形缩放、平移、旋转、投影等一系列图形的几何变换问题。这些变换的实质是对组成图形各点进行坐标变换 图形的平移变换只改变图形位置，不改变形状和大小。图形的旋转变换用来改变图形的视角，变换后图形各部分间线性关系和角度关系不变，变换后直线长度不变。图形的比例变换用来改变图形大小和形状。投影变换比较复杂，是从一种投影方式转成另一种投影方式，其过程是一系列复杂的数学运算,图形的几何变换 P156,11,图5-2 图形的几何变换,12,（二）图幅拼接与分割,一个实例：土地管理工作中

5、经常遇到的情况一块土地的使用权和用途发生改变，需要从数据库中将这块土地的图形数据调出来，进行分宗或合宗 拼接与分割实质上是基本空间关系处理方法的一个应用。在对空间数据管理时，按图幅存储的数据不能进行大区域的信息分析，则需要把相邻图幅拼接成大型图形数据库拼接；数据覆盖区域太大，不利于输出，需要将大型数据库分割成用于分析或输入的小区域分割,13,（a）拼接前； （b）拼接中的边缘不匹配； （c）调整后的拼接结果,图5-3 图幅拼接过程,图幅拼接时应考虑常见的误差不因接边而明显扩大，拼接处理的过程如下图：,图幅的拼接,14,1、识别和检索相邻图幅,将待拼接的图幅数据按图幅进行编号，编号通常取位数，其

6、中个位数表示拼幅时横向顺序，十位数表示拼幅时的纵向顺序。在横向拼幅时将十位数相同图，按个位数顺序拼接；纵向拼幅时将个位数相同图，按十位数顺序拼接。,图5-4 图幅编号及图幅边缘数据的提取范围,图幅拼接的步骤,15,2、相邻图幅边界点坐标数据的匹配,常用方法有： 平均法。它是指将图形两边待接点的坐标均值作为接边后点的坐标。该方法简单易行，适用于拼接误差在精度允许范围内的各种直线，多义线类的接边处理 强制法。它是把一条待拼接的待接点强制附和到另一条待拼接的待接点上，使得两条线段或弧可以匹配衔接。该方法主要用于用户能明显判断出那一条待接边比另一条待接边更准确、可靠、适合交互式的拼接处理 考虑到拼接工

7、作的复杂性，一般主要采用强制法进行拼接,16,图5-6 图幅接边前后对照,17,3、逻辑一致性的处理,由于人工操作的失误，两个相邻图幅的空间数据库在接合处可能出现逻辑不一致，如一个多边形在一幅图层中具有属性A，而在另一幅图层中属性为B；同一线状地物（铁路，公路，单线河等）在相邻图幅中各部分的属性不一致。此时，必须使用交互编辑的方法，使两相邻图幅各部分的属性相同，取得逻辑一致性,18,图幅接边前,图幅接边后,图5-5 逻辑一致性的处理,或,19,4、相同属性多边形公共边界的删除,图5-7 相同属性多边形公共边界的删除与属性合并,将相同属性的两个或多个相邻图斑组织成一个图斑，即消除公共边界，并对共

8、同属性进行合并。对于合并后的属性表，除多边形的面积和周长重新计算外，其余属性保留其中之一图斑的属性即可。,住宅区,住宅区,商业区,商业区,图5-8 相同属性多边形公共边界的删除与属性合并,图幅的分割类似对图形进行开窗处理（P164）。图幅分割实际上就是对整幅图层的多个相邻窗口进行处理 开窗处理是指用户以给定的空间范围（窗口）进行空间数据的提取，包括提取窗口内的空间实体及其属性 当需要只分析整个空间数据库的一部分或对某一局部区域进行数据显示与转存时，往往要进行开窗处理 开窗方式有正开窗和负开窗两种。正开窗是选取整个空间数据在窗口内的子集，负开窗是选取窗口外空间数据的子集。通常正开窗用得较多,图幅

9、的分割,正开窗,负开窗,矢量数据的开窗（裁切）处理 在ArcGIS中，矢量数据的正开窗（裁切）处理过程为： ArcToolbox Analyst Tools Extract Clip,在ArcGIS中，矢量数据的负开窗（裁切）处理过程为： ArcToolbox Analyst Tools Overlay Erase,26,栅格数据的开窗（裁切）处理 在ArcGIS中，栅格数据的开窗（裁切）过程为： Spatial Analyst Tools Extraction Extract by Mask,Extract by Mask,27,图形常见错误,建立正确的拓扑关系,拓扑生成,（三）建立拓扑关系

10、,28,拓扑生成,在进行图形数字化错误修改之前，首先要建立拓扑关系，以正确判别地物之间的空间关系。构造拓扑关系可以生成弧的交点、定义构成多边形的弧，将标示号关联到相应的多边形，生成多边形，这样可以帮助我们确定数字化数据中存在的某些错误。,29,图形常见错误,伪节点使一条完整的线变成两段（如图），造成伪节点的原因常常是没有一次录入完毕一条线。一般来说一条线不应该被分割为两条线，但在现实世界中存在两条不同属性的线相连，因此伪结点并非全是错误的。,1. 伪节点（Pseudo Node）,30,仅与一条弧相连的结点称为悬挂点。与悬挂点相连的弧称为悬挂弧。通常有两种情况： 未及（undershoot）：

11、导致弧段之间存在缝隙而未接合 过伸（overshoot）：导致弧段过长,2. 悬挂点（Dangle Node）,31,碎屑多边形一般由于重复录入引起，由于前后两次录入同一条线的位置不可能完全一致，造成了“碎屑”多边形。另外，由于用不同比例尺的地图进行数据更新，也可能产生“碎屑”多边形。,3. “碎屑” 或“条带”多边形（Sliver Polygon）,32,不正规的多边形是由于输入线时，点的次序倒置或者位置不准确引起的。在进行拓扑生成时，同样会产生“碎屑”多边形。,4. 不规则的多边形（Weird Polygon）,34,在图形修改完毕之后，就意味着可以建立正确的拓扑关系，拓扑关系可以由计算机

12、自动生成，目前大多数GIS软件也都提供了完善的拓扑功能。,建立正确的拓扑关系,35,点线拓扑关系的建立,弧段结点表,结点弧段表,N1,N2,N3,N1,N2,N3,N1,N2,N3,N4,N4,a1,a2,a2,a1,a3,a1,a2,a3,a4,36,多边形拓扑关系的建立,（1）链的组织：找出在链的中间（而不是在端点）相关的情况，自动切成新链；把链按一定顺序存储并编号,图5-9 链的断开要求,37,（2）结点匹配：把一定限差（tolerance）内的链的端点作为一个结点，去掉在数据输入过程中形成的结点过交、悬挂线等现象，其坐标值取多个端点的平均值。,图5-10 结点匹配示意图,38,（3）检

13、查多边形是否闭合：检查多边形是否闭合可以通过判断一条链的端点是否有与之匹配的端点来进行。,多边形不闭合的原因： 1）由于结点匹配限差的问题，造成应匹配的端点未匹配； 2）由于数字化误差较大，或数字化错误； 3）链本身就是悬挂链，不需参加多边形拓扑。,图5-11 多边形闭合的端点匹配,39,顺时针方向构多边形：指多边形是在链的右侧。,最靠右边的链：指从链的一个端点出发，在这条链的方向上最右边的一条链。,（4）建立多边形,基本概念：,40,（5）岛的判断,岛的判断即指找出多边形互相包含的情况。,图5-12 岛的判断与数据组织,41,（四）空间数据的编辑与管理,LIS中空间数据的编辑主要用于对输入的

14、图形数据和属性数据进行检查、改错、更新和加工，以便得到净化的输入数据，并在此基础上生成拓扑关系，作为实现系统功能的基础 空间数据的编辑是一个交互式的处理过程。图形数据的编辑分为图形参数编辑和图形几何数据编辑。图形参数包括线型、线宽、线色等，几何数据的编辑内容较多，包括了点线面的各种编辑,图形编辑是纠正数据采集错误的重要手段，其基本的功能要求是：具有友好的人机界面；具有对几何数据和属性数据的修改功能；具有分层显示和窗口功能，便于用户的使用 图形编辑的关键是点、线、面的捕捉，即如何根据光标的位置找到需要编辑的要素，以及图形编辑的数据组织。下面分别作简要介绍,几何图形的捕捉,点的捕捉,设光标点为S(

15、x, y)，某一点状要素的坐标为A(X, Y) 设一捕捉半径D（通常为35个象素，这主要由屏幕的分辩率和屏幕的尺寸决定）。 若S和A的距离d小于D则认为捕捉成功，即认为找到的点是A，否则失败，继续搜索其它点。,捕捉范围由圆形改为矩形，这可大大加快搜索速度。,线的捕捉,设光标点坐标为S(x, y)，D为捕捉半径，通过计算S到该线的每个直线段的距离d 若min(d1, d2dn-1)D，则认为光标S捕捉到了该条线，否则为未捕捉到 加快线捕捉的速度的方法： 在实际的捕捉中，可每计算一个距离di就进行一次比较，若diD，则捕捉成功，不需再进行下面直线段到点S的距离计算了,面的捕捉,实际上就是判断光标点

16、S(x, y)是否在多边形内，若在多边形内则说明捕捉到 判断点是否在多边形内的算法主要有垂线法或转角法，常用的是垂线法 垂线法的基本思想是从光标点引垂线（实际上可以是任意方向射线），计算与多边形的交点个数 判断方法：偶外奇内,主要编辑环境“编辑器”工具条,空间数据的编辑（e. g. ArcGIS软件）,ArcGIS软件“编辑器”工具条,旋转要素,移动 拆分 划分 缓冲区 复制平行线 合并 联合 相交 裁剪,（1）点要素的编辑,在图层中新建、删除、移动一个点要素,打断工具，打断线要素,（2）线要素的编辑,封闭线段,多边形顶点编辑（改变形状） 分割多边形 公共边的编辑 要素合并（Union）：求并

17、集，比如：由多个岛屿组成的行政区，飞地等 要素相减（Subtract）：去除重叠部分 要素相交（Intersection): 获取多个多边形的公共部分,（3）面要素的编辑,多边形顶点编辑,分割多边形,Splitting features,Attribute splitting (for geodatabase feature classes) is handled by policies,image from ESRI,同层要素空间合并 （Merge）,select multiple polygons from the same layer,original polygons are merg

18、ed into a single new polygon,同层要素空间合并 (Merge),Attributes are handled by rules in the same way as splitting,image from ESRI,提取公共要素 （Intersect）,spatial area as the set for intersection common areas are preserved,like mathematical intersection,裁切 （Clip）,when overlapping polygons are combined, an erase

19、occurs,60,5.1.2 对属性数据的编辑处理 属性数据的编辑是同数据库管理结合在一起的，大部分属性数据较为规范，适应于采用二维表格形式表示，所以许多LIS 都采用关系数据库管理系统管理属性数据,61,是按一定的要求对土地信息系统所描述的空间实体及其空间信息进行访问，从众多的空间实体中挑选出满足用户要求的空间实体及其相应的属性。,空间信息查询（P198）,5.2 土地信息的空间查询,62,空间信息查询,空间数据库,查询条件,属性限制,空间拓扑限制,二者结合,GIS软件,查询结果,统计结果： 图、表、文字,新图层,新的属性字段添加到属性数据库,查询方式,图形-属性,空间查询语言,闪烁、颜色

20、等明显 表示,空间查询定义: 在LIS中根据一定的图形条件或属性条件或两者的结合条件，检索出对应的空间对象的属性或图形的一种工具,63,图形和属性的互查是最常用的查询，主要有两类 根据对象的空间位置查询有关的属性信息，称为“图形查属性”。如一般的GIS软件都提供一个“INFO”工具，让用户利用鼠标，用点选、画线、矩形、圆、不规则多边形等工具选中地物，并显示所查询对象的属性列表，可进行有关统计分析,（一）图形查询属性,64,MapInfo软件中点目标的几何参数查询,（一）图形查询属性,65,MapInfo软件中线目标的几何参数查询,66,MapInfo软件中面状目标的几何参数查询,67,ArcV

21、iew软件中图形查属性的表达方式,68,（二）属性查询图形,图形和属性的互查是最常用的查询，主要有两类 按属性信息的要求来查询定位空间位置，称为“属性查图形”。如在中国行政区划图上查询人口大于4000万且省会城市人口大于1000万的省有哪些？我们称之为SQL查询,69,ArcView软件中属性查图形的表达方式,Select 需显示的属性项 From 属性表 Where 条件 Or 条件 And 条件,标准SQL查询语言,SQL（Structured Query Language，结构化查询语言）,MapInfo软件中SQL查询输入对话框,Select,From,Where,MapInfo通过S

22、QL语言查询结果,按属性信息查询空间位置,74,空间实体间存在多种空间关系，包括拓扑、距离、方位等，如查找满足下列条件的城市： 在京沪线的东部；距离京沪线不超过50公里，城市人口大于100万，城市区域面积5000平方公里,（三）空间关系查询,75,（三）空间关系查询,面-面查询 如与某个多边形相邻的多边形有哪些 面-线查询 如某个多边形的边界有哪些线 面-点查询 如某个多边形内有哪些点状地物 线-面查询 如某条线经过（穿过）的多边形有哪 些，某条链的左、右多边形是哪些,76,线-线查询 如与某条河流相连的支流有哪 些，某条道路跨过哪些河流 线-点查询 如某条道路上有哪些桥梁，某条 输电线上有哪

23、些变电站 点-面查询 如某个点落在哪个多边形内 点-线查询 如某个结点由哪些线相交而成,77,ArcGIS中的空间关系查询界面,ArcGIS中的空间关系查询界面 相交 在某个距离内 完全包含 完全在内 中心在内 同共边 相切 相同 被的轮廓穿过 包含 被包含 ,位置选择,78,基于空间关系查询,查找与318国道相交的省份！,79,（四）地址匹配查询,地址匹配查询（Geocoding Query） 以文字、数字表达的位置信息转换表达为几何上的空间位置和属性信息，是GIS特有的一种查询功能 这种查询利用地理编码，输入街道门牌号码，就可知道大致的位置和所在的街区。如“380 New York St.

24、, Redlands, CA, 92373”， 它对空间分布的社会、经济调查和统计很有帮助，只要在调查表中添了地址，地理信息系统可以自动地从空间位置的角度来统计分析各种经济社会调查资料,80,(五) 缓冲区查询,缓冲区查询与后面介绍的缓冲区分析有一点差别，缓冲区查询不对原有图形进行切割，只是根据用户需要给定一个点缓冲、线缓冲或面缓冲的距离，从而形成一个缓冲区的多边形，再根据多边形检索的原理，检索出该缓冲区多边形内的空间地物,81,距黄河150公里范围内的主要城市,82,扩展的SQL查询,标准的SQL不支持空间概念，不能进行空间数据的查询。在标准查询语言SQL的基础上，加入空间关系的查询，就称为

25、扩展SQL。 例如查询三峡地区长江流域人口大于50万的县或市，扩展的SQL空间查询语句为： Select * From 县或市 Where 县或市人口50万 And Cross （河流名称=“长江”）,83,扩展SQL空间查询结果,84,5.3 土地信息的空间分析,缓冲区分析 叠加分析 网络分析 DEM与地形分析,85,空间分析是基于地理对象的空间布局的地理数据分析技术 Dr. Robert Haining 空间分析是LIS的核心和灵魂，是LIS区别于一般的信息系统、CAD或者电子地图系统的主要标志之一,86,Dr. John Snow与1854年伦敦威斯敏斯特市霍乱爆发,Pump at Br

26、oad Street,空间分析源于20世纪60年代地理科学的计量革命 开始阶段，主要是应用定量（统计为主）分析手段用于分析点、线、面的空间分布模式；后来更多的是强调地理空间本身的特征、空间决策过程和复杂空间系统的时空演化过程分析 空间分析最终的目的是解决人们所涉及到地理空间的实际问题，提取和传输地理空间信息,空间分析绪言,空间分析绪言,通过开发和应用适当的数据模型，用户可以使用LIS的空间分析功能来研究现实世界 用户可以将各种空间分析组合成一个操作序列，从已有模型求得一个新模型，而这个新模型就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,邻近度：描述了地理

27、空间中两个地物距离远近的程度，其确定是空间分析的一个重要手段 公共设施的服务半径，大型水库等建设项目引起的搬迁，铁路、公路以及航运河道对其所穿过区域经济发展的重要性等，均是一个邻近度问题 缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具之一,5.2.1 缓冲区分析,90,5.2.1 缓冲区分析,概念 缓冲区是指对点、线或面实体，按指定的条件，在其周围建立一定宽度范围的空间区域作为分析对象，这个区域（多边形）称为缓冲区。,91,缓冲区的建立,线的缓冲区,面的缓冲区,原理：分别对每个顶点和每条线生成缓冲区，然后对这些缓冲区多边形进行叠置操作；,原理：首先生成多边形周长的缓冲区，然后与原始多边形进行叠置操作

28、，多边形缓冲区有内外侧之分。外缓冲区在面状地物的外围形成缓冲区,内缓冲区则在面状地物的内侧形成缓冲区。,92,缓冲区边线自相交,自相交多边形分为两种情况：岛屿多边形和重叠多边形,94,缓冲区分析实例,已知一湖泊，要求在它周围5000 m内必需禁止任何污染性工业企业存在，在它周围500 m内必需禁止建筑任何永久性建筑物 先建立缓冲区 同现有污染性工业企业图叠加，显示在范围内应禁止的污染性工业企业 同现有永久性建筑物图叠加，显示在范围内应禁止的永久性建筑物,95,概念 叠加分析，就是将具有相同坐标系统的多个空间要素对象的数据层进行叠加，产生一个新数据层面，该数据层面综合了原来两层或多层要素所具有的

29、属性特征。,5.2.2 叠加分析,大部分GIS软件以分层的方式组织地理景观，将地理景观按主题分层提取，同一地区的整个数据层集表达了该地区地理景观的内容 叠加分析是LIS最常用的提取空间隐含信息的手段之一。该方法来源于传统的透明材料叠加，即将来自不同数据源的图纸绘于透明纸上，在透光桌上将其叠放在一起，然后用笔勾出感兴趣的部分,矢量数据叠加分析（Overlay）,叠加分析是将有关主题层组成的数据层面，进行叠加产生一个新数据层面的操作，其结果综合了原来两层或多层要素所具有的属性 叠加分析不仅生成了新的空间关系，还将输入数据层的属性联系起来产生了新的属性关系 叠加分析是对新要素的属性按一定的数学模型进

30、行计算分析，进而产生用户需要的结果或回答用户提出的问题,97,确定一幅图（或数据层）上的点落在哪一幅图（或数据层）的哪个多边形中 核心算法为判断点是否在多边形内,点与多边形的叠加,98,99,铅 垂 线 法,如果交点数为偶数，那么点在多边形外 如果交点数为奇数，那么点在多边形内,点与多边形的叠加分析，实质是计算包含关系，判断各个点的归属（落在哪个多边形内） 叠加的结果是为每点产生一个新的属性。例如，井位与规划区叠加，可找到包含每个井的区域 在完成点与多边形几何关系的计算后，还要进行属性信息处理。最简单的方式是将多边形属性信息叠加到其中的点上（或反之）,点与多边形的叠加通常不产生新的数据层，只是

31、把属性信息叠加到原图层中，然后通过属性查询间接获得点与多边形叠加的需要信息,点与多边形的叠加,101,把一幅图(或一个数据层)中的多边形特征加到另一幅图(或另一个数据层)的线上。 线与多边形叠加的算法就是线的多边形裁剪。,线与多边形的叠加,102,如果线状图层为道路网，叠加的结果可以得到每个多边形内的道路网密度，内部的交通流量，进入、离开各个多边形的交通量，相邻多边形之间的相互交通量,矢量数据线与多边形叠加,103,为图层的每条弧度 建立新的属性,104,是将同一地区，同一比例尺的两组或更多的多边形要素的数据层进行叠置，会出现两种成果形式：一种是根据两组多边形边界的交点来建立具有多重属性的多边

32、形，称为合成叠置；另一种是进行多边形范围的属性特征的统计分析，称为统计叠置。,多边形与多边形的叠加,105,合成叠置：是根据两组多边形边界的交点来建立具有多重属性的多边形。 合成叠置得到一张新的叠置图，产生了许多新的多边形，每个多边形内都具有两种以上的属性，通过区域多重属性的模拟，寻找和确定同时具有几种地理属性的分布区域。,合成叠置,106,输出新的多边形要素,107,多边形叠加分析,多边形叠加分析,109,统计叠置,统计叠置：是进行多边形范围的属性特征的统计分析。 统计叠置的目的是精确地计算一种要素（例如，土地利用）在另一种要素（例如，行政区域）的某个区域多边形内的分布状况和数量特征（包括拥

33、有的类型数、各类型的面积及其所占总面积的百分比等等），或提取某个区域范围内某种专题内容的数据。统计叠置的结果为统计报表或列表输出。,110,叠加工具栏中包括将多个矢量（Shape/Coverage）数据层进行Combine（合并）、Erase（去除）、Modify（调整）或者Update（更新）形成一个新的矢量图层 当一个图层与另一个图层进行叠加分析后，就会产生新的信息 叠加的选项有7个，但所有的叠加分析都是根据输入特征要素将两个进行叠加分析的图层要素合并为一个,ArcGIS中的叠加分析,111,（一）擦除分析,通过叠加“输入要素”和“擦除要素”多边形来建立一个要素类。输入要素中那些位于擦除多

34、边形外边界以外的部分将被复制到输出要素类中 将输入图层与“去除”图层相交的要素去掉形成新的图层,112,一致性分析（Identify）又称判别分析，计算两个图层的几何一致性，输出图层保留了输入和一致图层的所有信息 通过判别Coverage的多边形与输入Coverage的点、线或多边形要素叠加生成一个新的Coverage 输入Coverage的所有要素和判别Coverage中重叠的要素将被复制出Coverage中。两个Coverage中的属性也将被复制到输出图层,（二）一致性分析,113,计算两个图层的几何相交性（Intersect），输出图层仅保留了输入图层和相交图层的公共部分,（三）交集分析

35、,114,合并两个多边形图层，输出图层中保留了输入图层和联合图层的属性，并且两个图层相交的地方都被切开了,（四）合并分析,115,将更新图层中的要素添加到输入图层中，并将输入图层中二者相交区域的原要素去掉 通过叠加分析两组要素来创建一个新的图层，使用更新图层中的多边形剪切并代替输入图层中的要素和属性，输出图层的属性被更新（Update），且重新建立拓扑,（五）数据更新分析,116,对称差操作（Symmetrical Difference）是指通过计算输入要素和更新要素的几何交叉，公共部分将不会被输入到结果中,（六）对称差分析,117,栅格数据叠加分析,栅格数据叠加有时也称为栅格数据的信息复合，

36、它是指不同层面的栅格数据逐网格按一定的数学法则或逻辑判断进行运算，从而得到新的栅格数据系统的方法 栅格图层叠加方法： 数学运算法：是指不同层面的栅格数据逐网格按一定的数学法则进行运算，从而得到新的栅格数据系统的方法,118,栅格数据的叠加分析都是通过网格单元（像元）之间的各种数学运算来实现的，可以表达为地图代数运算的过程 作用于不同数据层面上的基于数学运算的叠加运算，在地理信息系统中称为地图代数,逻辑运算 代数运算 函数运算,119,（1）逻辑判断运算,对多层栅格数据的同一空间位置的网格单元 进行逻辑或、逻辑与、逻辑非和逻辑异或等操作,和（&）：比较两个或两个以上栅格数据层，如果对应的栅格值均

37、为非0值，则输出结果为真（赋值为1），否则输出结果为假（赋值为0） 或（|）：比较两个或两个以上栅格数据层，对应的栅格值中只要有一个或一个以上为非0值，则输出结果为真（赋值为1），否则输出结果为假（赋值为0） 异或（!）：比较两个或两个以上栅格数据层，如果对应的栅格值在逻辑真假互不相同（一个为0，一个必为非0值），则输出结果为真（赋值为1），否则输出结果为假（赋值为0） 非（）：对一个栅格数据层进行逻辑“非”运算。如果栅格值为0，则输出结果为1；如果栅格值非0，则输出结果为0,121,例：有土壤厚度（大于50厘米）和土壤类型（红壤和其他类型）两个二值化图层，不同的逻辑运算结果如下： AND关系

38、：结果是将土层厚度大于50厘米，且土壤为红壤的土壤单元显示出来 OR关系：结果将土层厚度大于50厘米，或者土壤为红壤的土壤单元显示出来 NOT:如结果是将土层厚度大于50厘米，但土壤不是红壤的土壤单元显示出来,逻辑判断运算,122,逻辑判断运算,&和运算,123,算术（代数）运算指两层以上的对应网格值经加、减、乘、除、乘方等数学运算，而得到新的栅格数据系统的方法,（2）算术（代数）运算,124,栅格数据的算术运算,125,函数运算指两个以上层面的栅格数据系统以某种函数关系作为复合分析的依据进行逐网格运算，从而得到新的栅格数据系统的过程,（3）栅格数据的函数运算,新属性值的计算可由下式表示： 其

39、中，A，B，C等表示第一、二、三等各层上的确定的属性值，f 函数取决于叠置的要求,多幅图叠置后的新属性可由原属性值的简单的加、减、乘、除、乘方等计算出，也可以取原属性值的平均值、最大值、最小值、或原属性值之间逻辑运算的结果等，甚至可以由更复杂的方法计算出，如新属性的值不仅与对应的原属性值相关，而且与原属性值所在的区域的长度、面积、形状等特性相关,126,栅格数据的函数运算,127,栅格数据的函数运算,128,有一个森林地区融雪经验模型： M=0.19T+0.17D 式中，M是融雪速度（厘米/天），T是空气温度，D是露点温度 根据此公式，使用该地区的气温和露点温度分布图层，就能计算该地区融雪速率

40、分布图 计算过程是先分别把温度分布图乘以0.19和露点温度分布图乘以0.17，再把得到的结果相加,（3）栅格数据的函数运算,129,（3）栅格数据的函数运算,利用通用土壤流失方程（Universal Soil Loss Equation，USLE ）计算土壤侵蚀量时，就可利用多层面栅格数据的函数运算复合分析法进行自动处理 一个地区土壤侵蚀量（A）的大小是降雨侵蚀力（R）、土壤可蚀性（K）、坡长（L）、坡度（S）、植被覆盖（C）等因素的函数,130,土壤侵蚀多因子函数运算复合分析示意图,（3）栅格数据的函数运算,131,应用 地学综合分析 环境质量评价 遥感数字图像处理 等,栅格数据的函数运算,

41、132,空间分析模块用户界面,工具栏,生成等高线,直方图,局域函数,邻域函数,全局函数,表面分析函数,栅格插值,距离分析,栅格计算器,设置分析环境,数据转换,重分类,密度分析,ArcGIS中的栅格分析,133,栅格计算器,栅格计算是栅格数据处理和分析中最为常用的方法，应用非常广泛，能够解决各种类型的问题，尤其重要的是，它是建立复杂的应用数学模型的基本模块 ArcGIS 9 提供了非常友好的图形化栅格计算器，利用栅格计算器，不仅可以方便的完成基于数学运算符的栅格运算以及基于数学函数的栅格运算，而且它还支持直接调用ArcGIS自带的栅格数据空间分析函数，并且可以方便的实现多条语句的同时输入和运行,

42、134,栅格计算器,135,数学运算主要是针对具有相同输入单元的两个或多个栅格数据逐网格进行计算的。主要包括三组数学运算符：算术运算符，布尔运算符和关系运算符 算术运算主要包括加、减、乘、除四种。可以完成两个或多个栅格数据相对应单元之间直接的加、减、乘、除运算,（1）数学运算,136,布尔运算主要包括：和（And）、或（Or）、异或（Xor）、非（Not） 它是基于布尔运算来对栅格数据进行判断的。经判断后，如果为“真”，则输出结果为1，如果为“假”，则输出结果为0 关系运算以一定的关系条件为基础，符合条件的为真，赋予1值，不符条件的为假，赋予0值。关系运算符包括六种：，,（1）数学运算,例如，

43、需要提取出温度介于20度到30度之间的地区（包括20度和30度）， 公式为：20 温度 30,137,（1）数学运算,138,栅格计算器还提供给大家一些相对复杂的函数运算，包括数学函数运算和栅格数据空间分析函数运算。数学函数主要包括：算术函数、三角函数、对数函数和幂函数 算术函数（Arithmetic）主要包括六种：Abs（绝对值函数）、Int（整数函数）、Float（浮点函数）、 Ceil（向上舍入函数）、Floor（向下舍入函数）、IsNul（输入数据为空数据者以1输出，有数据者以0输出）,（2）函数运算,139,三角函数（Trigonometric）包括：Sin（正弦函数）、Cos（余弦

44、函数）、Tan（正切函数）、Asin（反正弦函数）、Acos（反余弦函数）、Atan（反正切函数） 对数函数（Logarithms）可对格网值做对数或指数的运算。指数部份包括：Exp （底数e）、Exp10（底数10）、Exp2 （底数2）三种；对数部份包括：Log （自然对数）、Log10 （底数10）、log2（底数2）等三种,（2）数学函数运算,140,幂函数可对输入的格网数字进行幂函数运算。幂函数包括三种：Sqrt（平方根）、Sqr（平方）、Pow（幂）,（2）数学函数运算,141,（3）空间分析函数运算,栅格计算器也直接支持ArcGIS自带的大部分栅格数据分析与处理函数，如栅格表面分

45、析中的slope、hillshade函数等等，在此也不一一列举，具体用法请参阅相关文档。它与数学函数不同的是，这些函数并没有出现在栅格计算器图形界面中，而是由计算者自己手动输入,142,5.2.3 网络分析,网络：是一个由点和线的二元关系构成的系统，通常用来描述某种资源或物质在空间上的运动 网络分析：是指依据网络拓扑关系（结点与弧段拓扑、弧段的连通性），通过考察网络元素的空间及属性数据，以数学理论模型为基础，对网络的性能特征进行多方面研究的一种分析计算 网络分析的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好，如一定资源的最佳分配，从一地到另一地的运输费用最低等,143,一个邮递

46、员，负责某一地区的信件投递。他每天要从邮局出发，走遍该地区所有街道再返回邮局，问应如何安排送信的路线可以使所走的总路程最短？,邮路问题：管梅谷（1962年）提出,Post office,144,网络模型是对现实世界网络的抽象。在模型中，网络由链（Link）、结点（Node）、站点（Stop）、中心（Center）和转向点（Turn）组成,网络数据模型,145,结点（Nodes）：网络中任意两条线段的交点，如港口、车站等 连通路线或链（Links）：连结两个结点的弧段要素，是网络中资源运移的通道，如街道、河流、水管等 转弯（Turns）：资源运移方向从一个链上经结点转向另一个链 停靠点（Stop

47、s）：网络路线中资源装和卸的结点点位，如邮件投放点、车站 中心（Centers）：网络中具有接收或发放资源能力，且位于节点处的设施，如水库、商业中心、电站等 障碍（Barriers）：禁止网络中链上流动的节点，即资源不能通过的节点,网络的基本要素,146,图5-18 网络的基本要素,上述要素都用图层要素的形式表示，除障碍和结点之外，都使用一系列相关属性来描述。这些属性是网络中的重要部分。例如，在城市交通网络中，每一段道路（链）都有名字、速度上限、宽度等；停靠点处有大量的物资等待装载或下卸等属性 在这些属性中，有三个重要的概念：阻强、资源需求量、资源容量,网络组成要素与属性,1、阻强 阻强是指资

48、源在网络中运移阻力的大小。它是描述链与拐弯所具有的属性 链的阻强是指从链的一个端点至另一个端点所需克服的阻力，如链的长度可作为阻强的描述参数 阻强的大小应根据多种因素来确定，如弧段的特性，网络中运移资源的种类、运移的方向，弧段中的特殊情况等,网络组成要素与属性,转弯的阻强描述了从一条链弧经结点到另一条链弧的阻力大小，它随着两相连链弧的条件状况而变化 运用阻强概念的目的在于模拟真实网络中各路线及转弯的变化条件。对不构成通道的弧段或转弯往往赋以负的阻强。这样，在分析应用中如选取最佳路线时可自动跳过这些弧段或转弯,网络组成要素与属性,2、资源需求量 指网络中与弧段和停靠点相联系资源的数量。如在供水网

49、络中每条沟渠所载的水量；在城市网络中沿每条街道所住的学生数；在停靠点装卸物的件数等 3、资源容量 指网络中心为满足各弧段的需求，能够容纳或提供的资源总数量。如学校能注册的学生总数、停车场能停放机动车辆的空间、水库的总容量等,网络组成要素与属性,网络分析的特点,网络是用于实现资源运输和信息交流的一系列相互连接的线性特征组合 网络数据模型是真实世界中网络系统（如交通网、通讯网、自来水管网、煤气管网等）的抽象表示 网络分析的基础：线点拓扑关系 依据网络拓扑关系，根据网络的空间数据、属性数据，对网络的特征、性能进行分析 矢量数据特有的空间分析方法,ArcGIS：查找距离事故最近的医院,ArcGIS：确

50、定最短投递线路,网络分析例子,153,网络分析的主要功能,（1）最短路径分析 最短路径是在网络中从起点经一系列特定的结点至终点的资源运移的最佳路线，即阻力最小的路径 在最短路径选择中，两点之间的距离可以定义为实际的距离，也可定义为两点间的时间、运费、流量等，还可定义为使用这条边所需付出的代价,核心算法,用于解决最短路径问题的算法被称做“最短路径算法”， 有时被简称作“路径算法”。最佳路径求解有多种不同的方法，最常用的路径算法有：Dijkstra算法、A*算法、Bellman-Ford算法、Floyd-Warshall算法、Johnson算法,156,Dijkstra（迪杰斯特拉）算法,基本思想

51、以起始点为中心向外层层扩展，按最短路径长度递增的顺序，逐个产生各个最短路径，直到扩展到终点为止,E. W. Dijkstra,6,3,5,6,7,10,6,8,7,9,12,9,158,地址匹配 利用人们习惯的地址（街道门牌号）信息确定它在地图上的确切位置的技术，实质是对地理位置的查询，它涉及到地址的编码 地址匹配与其它网络分析功能结合起来，可以满足实际工作中非常复杂的分析要求。如物流配送，需要将货物送到多家单位。此时需将路径分析和地理编码结合起来使用，可先通过地理编码进行地址查询，获得各单位的地理位置，再利用最短路径方法确定最短送货线路,159,（2）资源分配与服务范围 资源分配模型中的网络

52、主要由中心点（分配中心）组成，有两种分配方式：一是由分配中心向四周输出资源；另一种是从四周向分配中心集中资源。这种分配功能可以解决资源的有效流动和合理分配 资源分配模型可用来计算中心地的等时区、等交通距离区、等费用距离区等。可用来进行城镇中心、商业中心或港口等地的吸引范围分析，以用来寻找区域中最近的商业中心，进行各种区划和港口的模拟等,资源分配的核心是：资源的定位和分配 资源定位：中心点（供应点）的选择 资源分配：需求源接受那个供应点服务的问题,（2） 资源分配（Allocation）,v6,v8,v1,v7,v2,8,9,3,6,3,2,5,3,7,5,7,161,基于网络的服务区 基于缓冲

53、区的服务区 两者比较 生成的原理不同：前者靠网络中的路径产生服务区边界，后者按直线距离产生服务区边界 一般情况下，后者比前者的范围要小,（2）服务范围（Service Area）,162,ArcGIS的网络分析,ArcGIS的网络分析分为传输网络（Network Analyst）和效用网络（Utility Network Analyst），前者是分析非定向网络的，比如道路网等，后者是用来分析定向网络的，比如水、电网络等。传输网络（Network Analyst）基于Network Dataset（网络数据集），效用网络（Utility Network Analyst）基于Geometric N

54、etwork（几何网络）,163,一、概述 含义 数字地面模型（Digital Terrain Model，简称DTM）是20世纪50年代由美国MIT摄影测量试验室主任米勒（C. L. MILLER）首次提出，是用数字形式表示某种要素在地理空间中起伏变化的连续表面 被描述的连续表面可以是地理空间上的地价、污染负荷量、绿化率、降雨量、人口密度、建筑物密度等,5.2.4 DEM与地形分析,一般情况下，当被描述的连续表面是地形面，即高程值在地理空间上的变化，称为数字高程模型（DEM, Digital Elevation Model）。 DEM是DTM的子集，是DTM的一个特例 DEM是国家基础空间数

55、据的重要组成部分，表示地表区域上地形的三维向量（X，Y，Z）的有限序列 在地理信息系统中，DEM是建立DTM的基础数据，其它的地形要素可由DEM直接或间接导出，称为“派生数据”，如坡度、坡向等,一、概述,DEM的特点,容易以多种形式显示地形信息 地形数据经过计算机软件处理过后，可以产生多种比例尺的地形图、纵横断面图和立体图。常规地形图一经制作完成后，比例尺不容易改变或需要人工处理 精度不会损失 常规地图随着时间的推移，图纸将会变形，失掉原有的精度。而DEM采用数字媒介，能保持精度不变。另外，由常规的地图用人工的方法制作其他种类的地图，精度会受到损失，而由DEM直接输出，精度可得到控制 容易实现

56、自动化、实时化 常规地图要增加和修改都必须重复相同的工序，劳动强度大且周期长，而DEM由于是数字形式的，所以增加和修改地形信息只需将修改信息直接输入计算机，经软件处理后即可得各种地形图,二、DEM的主要表示模型,（1） 等高线（CONTOUR）模型 （2） 规则格网（GRID）模型 （3） 不规则三角网（TIN）模型,（1）等高线（CONTOUR）模型,使用等高线表示高程，高程值的集合是已知的，每一条等高线对应一个已知的高程值，这样一系列等高线集合和它们的高程值一起就构成了一种地面高程模型,等高线（CONTOUR）模型,等高线是表示地形的常见形式 等高线通常被存储成一个有序的坐标点序列，可以认

57、为是一条带有高程值属性的简单多边形或多边形弧段 缺点：插值计算繁琐！因为等高线模型只表达了区域的部分高程值，需要一种插值方法来计算落在等高线外的其它点的高程，又因为这些点是落在两条等高线包围的区域内，所以，通常只使用外包的两条等高线的高程进行插值,DEM最普通的形式是高程矩阵或规则矩形格网，在二维平面上对研究区域进行格网划分（格网大小取决于DEM的应用目的） 规则网格通常是正方形、矩形、三角形等规则网格 规则网格将区域空间切分为规则的格网单元，每一个格网单元对应一个数值 数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组 每个格网单元或数组的一个元素对应一个高程值,（2）规则网格模型（G

58、RID）,优点： 结构简单，很容易用计算机进行处理 很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形,规则网格模型（GRID）,缺点： 地形简单区域存在大量数据冗余，数据量过大，管理不便，通常要进行压缩存储 不改变栅格大小，则无法适用于起伏程度不同的区域 格网不能准确的表示地形结构和细部（格网的值是网格单元的平均值或中心点处的值）。为弥补缺憾，附加地形特征点、山脊线、山谷线以描述地形结构,规则网格模型（GRID）,尽管规则格网DEM在计算和应用方面有许多优点，但也存在许多难以克服的缺陷 不规则三角网（Triangulated Irregular Network，TIN）是另外一种表示数

59、字高程模型的方法（Peuker等，1978），它既减少规则格网方法带来的数据冗余，同时在计算（如坡度）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法,（3）不规则三角网模型（TIN）,不规则三角网TIN法利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点（各三角形的顶点）连接成相互连续的三角面，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。常用狄洛尼Delaunay三角网表示,Delaunay三角网,不规则三角网模型（TIN）,不规则三角网模型（TIN）,优 点,不规则三角网数字高程由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点，或节点的位置和密度 TIN可根据地形的复杂程度来确定采样点的密度和位置，能充分表示地形特征点线，从而减少了地形较平坦地区的数据冗余,存储方式复杂，不仅要存储每个点的高程，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系，三角形及邻接三角形等关系,缺 点,对每个三角形记录其顶点和