《GIS空间分析》word版.docx

GIS空间分析 Spatial Analysis of GIS 张洪岩 中国东北资源与环境研究 吉林省高等学校重点实验室 2009年9月 第一章 GIS 空间分析概说 GIS技术的发展已经超过了30年。 多数人认为，GIS的功能用于制图； GIS 还可以用于分析： 事物分布的原因，以及事物之间的空间关系。 获得更为精确、时势（up-to-date）的信息，甚至建立新的信息。 本章将主要学习： 什么是GIS分析? GIS空间分析的主要方法 GIS分析的主要过程 1.1 什么是 GIS分析? GIS分析是人们发现地理数据的分布格局（geographic patterns）和要素（features）之间关系（relationships）的过程。 其结果将有助于了解当地的特点，采取合理的行动，作出最优的决策。 方法（Methods） 地图（Maps） 模型（models）多个数据图层的结合。 GIS 分析的目标 获得对某一地方更为深入的了解； 作出最佳的决策； 为未来的规划作好准备和创造条件。 为什么应用GIS进行分析的人不多? GIS的应用只是在近年来才得到较为广泛的应用，对许多人仍很陌生。 采用GIS进行分析还比较困难。 多数人还不知道，除了制图和创建报告之外，GIS 还能够作什么。 1.2 GIS空间分析的数据 表达地理现象的两种途径： 矢量Vector 每个要素是表格中的一行； 要素的形状由空间中x,y坐标定义； 位置、线、面或事件 栅格Raster 要素表现为在一个连续空间中的单元矩阵（matrix of cells）； 每个图层表示为属性； 单元大小将影响到分析的结果和地图的形式； 原始地图的比例尺决定了单元大小。 认识地理要素（Geographic Features） 要素的类型Types of features 认识地理属性（Geographic Attributes） 属性值的类型Types of attribute values 种类Categories 排序Ranks 个数Counts 数量Amounts 比率Ratios 比率表示每个要素两种数量之间的关系，由两者相除来获得。 比例和密度proportions & densities 1.3 GIS空间分析的主要方法 矢量数据分析 栅格数据分析 三维空间分析 空间统计分析与内插 矢量数据分析方法 矢量数据的包含分析 确定要素之间是否存在直接的联系，即点、线、面之间是否存在空间位置上的联系。 矢量数据的缓冲区分析 根据数据库的点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲多边形实体。 多边形叠置分析 指同一地区、同一比例尺的两组或多组多边形要素的数据文件进行叠置，产生具有多重属性的新多边形。 泰森多边形分析 将所有气象点连接成三角形，以各边垂直平分线围成泰森多边形。其内只含一个离散点数据；内部点到相应离散点的距离最近；边上的点到两侧离散点的距离相等。 矢量数据的网络分析 其基本思想是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。 首先要建立网络路径的拓扑关系和路径信息属性数据库。即要知道路径在网络中如何分布和经过每段路径需要的成本值。 方式有选择最佳路径、最佳布局中心以及网络流分析。 栅格数据分析的模式 栅格数据的聚类、聚合分析 将一个单一层面的栅格数据系统经某种变换而得到一个具有新含义的栅格数据系统的数据处理过程。亦称栅格数据的单层面派生处理法。 栅格数据聚类是根据设定的聚类条件对原有数据系统进行有选择的信息提取而建立新的栅格数据。 栅格数据的聚合是根据空间分辨率和分类表，进行数据类型的合并或转换，以实现空间地域的兼并。 栅格数据的统计与量算 通过统计分析了解栅格数据的整体特征和态势，包括最大/最小值、均值、中值、总和、方差、频数、众数、范围等参数。 栅格数据的复合分析 同地区多层面空间信息的自动复合叠置。其中各层面信息关系模式的建立对分析工作的完成及分析质量的优劣具决定性作用。 栅格数据的追踪分析 对特定栅格数据系统由某一个或多个起点，按照一定的线索追踪目标或追踪提取轨迹信息。 栅格数据的窗口分析 地学信息在空间上存在着一定的关联性。窗口分析是指对于栅格数据系统中的一个或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，并在该窗口中进行极值、均值等统计计算，或与其它层面的信息进行复合分析，以实现栅格数据的水平方向的扩展分析。分析窗口有：矩形、圆形、环形和扇形。 三维空间分析 矢量三维分析主要基于数学分析和图论的思想。 栅格三维分析主要以矩阵理论为基础。 三维空间分析对空间对象的位置坐标和垂直坐标进行分析。 二维和三维的本质区别在于数据的分布范围，三维增加了垂直坐标的信息。 目前的三维空间分析主要包括对空间实体的三维显示、查询，坡度、坡向、地标粗糙度、地表复杂度、地表曲率等地形属性的计算和提取。 上述功能可应用到其它领域。 地形的三维显示与分析 空间统计分析与插值 空间统计分析的目的是找出某种属性分布的整体特征和趋势，了解其中的规律，以便对其进行科学的分析和预测。 地学现象、过程和事件多具有一定的随机性。 空间统计方法以概率论与数理统计为基础，适合于对各种随机现象、随机过程和随机事件的处理。 空间统计方法主要用于空间数据的分类与综合评价，包括相关性分析、回归分析、时间序列分析、系统聚类分析、主成分分析、马尔科夫预测、克里格估值法等。空间统计的表现形式有列表、直方图、云图、回归曲线等。 空间统计分析除了能分析数据的整体态势外，还可以分析空间数据采样的合理性。通过分析样区内数据位置和取值的分布，统计该采样数据是否具有对样区某属性的代表性，以及基于此数据的分析是否具有较高的可信度。 插值是根据已知采样点的信息对附近未知点的属性进行预测或估算。 内插是在已存在观测点的区域范围之内估算未观测点的特征值的过程。 外插（推估）是在已存在观测点的区域范围之外估计未观测点的特征值的过程。 常用插值方法有：反距离加权法、样条法和克里格法。内插生成表面 ArcGIS所包含的分析模块 1.4 GIS分析的过程 确定问题 制定标准 收集需要的数据 制定分析方案 准备分析数据 执行分析操作 验证并提交分析结果 GIS分析可以是非常简单的过程 Getting specific 分析的前三步非常关键：必须要明确所分析的问题、制定指导分析的标准、找到所需要的数据。 明确问题 明确在特定项目中所要调查的问题并非易事。应该通过一两句话描述清楚所要分析的范畴。如果提出的问题很广，就需要将其分解为若干小部分，以便于GIS逐个分析 例如，针对“海滩的哪部分受到飓风的危害？”这个问题就可以分三部分进行分析：海滩的哪些部分侵蚀率较高？海滩的哪些部分在城市开发中未得到保护？海滩的哪些部分既有高侵蚀率，又未得到保护？ 重要的是要务必清楚，一个GIS的分析不是解决一个问题，而是利用数据推到信息，即分析的结果。 之后，才会有人或团队利用这些信息制定决策，以期解决问题。 制定标准 明确问题之后，就需要确定用于特定距离、量测或属性的标准 。例如，前述当中有关海滩侵蚀何为高侵蚀率？2英尺/年，还是5英尺/年?答案将依赖于分析的目标、所采取的科学方法或可用到的数据。 Identify the data 需要什么要素类和属性可以发现满足标准的要素和区位？为了调查海滩侵蚀问题，需要可获得海滩侵蚀率和其它观测值等属性的观测站和城市面积及规划分区等数据。当收集分析数据时，也需要考虑和列出研究方向或分析结果的表达，如：海岸线图层。 对于收集的每个数据集，需要调查确认其元数据，如：数据来源、目的、任务、坐标系统和属性描述等。 分析的谋划和准备 一旦明确了分析的问题，获得了所需要的数据，就应该花费一定的时间做分析的谋划和准备。 Plan the analysis 制订一项分析方案不论如何都是一个明智之举。 有了分析方案可以在实际分析过程中避免失误，节省时间。 判断是否需要额外的数据，这在谋划和收集数据阶段需要反复多次。 或许还要测试某一特定方法或工具，以确认它能够完成目标，或 掌握其使用方法。 图解法是有效的组织和制定分析方案的途径。图解的连贯性要比其格式或形式更重要，图解的流程应该具备： 分析数据的准备 因为数据不可能完全满足分析的要求，因此，需要判断准备数据所需要的步骤。例如，为表格添加字段、编辑或更新要素、改正数据错误、定义或改变坐标系统。这些最好在进行分析之前首先完成。 分析数据和表达结果 在完成数据准备之后，就要准备进行分析，并观察它所提供的信息是什么。 进行分析 如果谋划的过程很彻底，则执行分析应该很容易。按照流程图的中的步骤即可。利用备份的数据进行分析不失为一种好方法。这样，有了备份就可以随时按照需要复原。保存好备份很重要，因为分析可能包括了改变原始要素类、表或数据库的过程，如：组合要素类、计算新的属性值、添加或消除要素等。 检验和表达结果 GIS分析并非一下子就会产生所期望的结果。这是一个迭代过程随着通过每个步骤，都可能要改变所采用的标准、工具或处理的顺序。还需要花时间证实结果，并通过中间步骤和最终的分析直观分析所生成的数据。 验证结果时应考虑：结果是否为所期望的？所执行的过程是否工作正确？除了验证结果，还要结合原始分析目标评价结果。例如，结果是否回答了所提出的地理问题？这个新的信息是有效或有用的吗？ 最后，分析结果会推动特殊的决定或行动。或提出新的问题来推动更进一步的分析。 练习1：确定问题与选择分析数据 对GIS分析的需求来自于那些包括了地理成分的特殊场合或问题。本练习将创造一个开发GIS分析的情景。要求学生判断出所要解决的问题，提出采用的标准、收集所要的数据。下一个练习将谋划和执行分析过程，并检验结果。 提出问题与获得答案 当GIS分析只涉及到数据可视化，以辨别格局和关系，有时甚至是观察地图都不能满足要求时，就需要发现可以同给定标准相匹配的要素。这些可以通过对GIS数据库的查询或提问来完成。问题的答案就是所选中的要素集。 有两种GIS查询：属性查询和位置查询 在属性查询中，可以选择满足某一特定标准的一个或多个属性。例如，在拥有人口属性的城市图层中查找所有人口超过100万的城市。 在位置查询中，可以选择位置满足某些特定条件的要素，通常与其它要素相关联。例如，如果有一个城市图层和主要高速公路图层，就可以选择那些距离高速公路50公里之内的所有城市。 一旦选择了要素，就可以对它们进行操作。例如，对它们进行缩放等操作。所选中的数据集是临时的，但可以保存为分离的图层，或导出为一个要素类。 基于属性查找要素 利用查询表达式可以找到满足特定属性标准的要素。查询表达式是一个包括三部分的逻辑陈述：字段名称（属性）、运算符和属性值。它通过连接可以形成包含多重标准的组合表达。 查询结果是图层中的选中要素集。要素在地图上被选中，同时图层属性表中相应的记录也被选中。 在确定性查询这种特殊的属性查询中，查询表达式是该图层的特征，它定义了要素类中的哪些要素将包含在该图层中。确定性查询是一种从地图显示中剔除不感兴趣的要素的途径，同时也节省了图层查询或其它GIS操作中的处理时间。 通过位置查找要素 与通过属性查找要素一样，利用查询表达可以找到位置满足某一标准的要素。但是，位置查询是一种描述性的陈述。与属性查询一样，位置查询包括三部分：一个目标图层（“select from”）、一种空间关系和一个空间相关图层。 基于同一图层中或不同图层间要素之间的空间关系可以创建位置查询，并可以选择多种不同的空间关系。主要有四类空间关系：距离、包含、相交和相邻。 对选中的要素集进行操作 因为多数分析都涉及选择满足特定标准的要素，属性和位置查询是GIS分析中最常见的操作。下面是选择要素集常见的实例： 在地图中直观分析选中要素的地理分布； 概括或计算选中要素的属性值； 围绕选中要素建立缓冲区； 编辑选中的要素； 生成包含选中要素属性的报告； 将选中的要素保存为可以独立显示和符号化的新图层； 将选中要素导出为在其它地图文件中可使用的新要素类，与他人共享，或在其它GIS操作中作为输入来使用。 属性查询和位置查询经常混合使用。在某些情况下，尤其是在所查找的要素需要满足一系列标准时，要用到一系列的查询。这里既可以用加法，通过每次查询将要素添加到选中的数据集中，也可以用减法，通过每次查询将要素从选中的数据集中去掉。采用何种方法依标准而定。总体上以处理过程尽量省时为原则。 访问更多的属性 并非所有要素属性都保存在图层属性表中。在许多GIS数据库中，用户定义的属性（相对于软件生成的属性）被保存在分离的非空间表中。 当要基于属性查找要素时，在查询前有时需要将非空间表与图层属性表建立连接。只要两者共同享有相同字段即可，即该字段下要保存相同的数据。共享字段可以不同名，但类型必须相同（如：文本型、短整型等）。 练习2 进行一项GIS分析 在上个练习当中，一个房地产经纪人为找到Garcia夫妇可能的住宅制定了标准，并收集了相关数据。现在需要考虑一个分析的流程，这既是一个简单方案，也是一个完整的开发流程图解。学生将按这个图解来进行分析。 完成本练习后，学生在处理类似问题时将具备较好的方法。 考虑一种分析方法 通常筹划GIS分析最简单的途径是用简洁的词汇记下所考虑到的步骤。通过逻辑推理，评价将要采用的方法。 回顾前面的分析标准 所要解决的问题是：哪里有满足Garcia家标准的住房？ 下列列出了你所需要考虑的标准： 待售住房 独户住房 3个以上的卧室 1990年1月1日后建成 售价在$175,000-$225,000之间 在Melvin小学或Arnie小学学区内 距离Terry运动公园1英里范围内 本例中，我们可以利用通过属性查找要素的GIS功能。 可以按照下列任务开始： 找出具有期望属性（售况、类型、卧室、房龄、价格）的所有住房。 然后利用位置查找要素的功能进一步提取“在首选学校校区范围内的那些住房”。 这种分析方法可用下面的图解表示。 其中，可以保存为中间选中的住房要素集的各项任务包括要向Garcia家展示的那些满足部分但不是全部标准的住房。 总结全部的流程图包括 Prepare data Limit searchable homes Select homes with desired attributes Keep homes in desired school areas Keep homes near desired park Display results and prepare report 检查和表达结果 在ArcMap中，可以创建地图和图表直观表达数据，创建表格和报告以检验列表数据。图形和表格可以结合使用。例如，在地图中插入表格或将地图或图表插到报告中。 这些显示方式可以在分析过程中灵活使用，以创建专业的表达形式。具体使用主要考虑如下： 分析项目若产生很多新信息，则只考虑表达精华。此外，如果目标是验证不同选项或标准，则需要表达多种情景。 要表达的是空间信息、属性信息，还是二者兼有？要素位置和关系等空间信息最适合于地图。一系列的要素及其属性较适合用表格或报告。图表则适用于比较属性或显示趋势。 以地图方式表达数据 分析过程中所创建的地图可能不适用于表达最后的分析结果。 分析产生的地图通常要准备迅速、直观简单。符号和色彩易于区分选中的要素，包含尽可能少的陪衬，只添加必要的图层和要素标识。 与之相反，一幅显示地图应该包括有助于解释其背景和目标的信息。例如，根据目标添加道路、地标、行政界线等数据层。需要仔细选择地图符号，以符合一般习惯和行业标准，并能传递期望的信息。可能还要标注更多的要素，甚至插入文本或图形，以突出重要的要素、关系或分析结果。 以报告形式表达数据 报告可以帮助组织、设计和打印表格信息。它可以充满创意，但应考虑一下逐点： 选择所要包含的属性字段； 包括表格中的全部记录/选中的数据集； 基于一个/多个字段中的值对记录进行分类； 分组记录和计算摘要统计（如：总和、均值、个数）； 选择所包含的元素，如：题目、图像或页数等； 选择表格的形式（字段的纵横格式，是否跨页）。 如果所创建的报告要多次使用或包含在多幅地图中，可将其保存为文件。使用时加载即可。所保存的文件与实际的数据无关，不能修改。 导出的报告包括.pdf、.rtf、.txt等格式。 练习3-4 对分析结果制图和创建报告 在准备与Paul和Mira Garcia回家的旅程中，要打印出即将访问的5家的一些基本信息。例如，地址、所寻的各家价格，并在地图上标出他们的位置。 本练习将创建一个简单表达地图，以显示分析的结果，然后将地图导出成一个图像文件，再将这个图像添加到报告中。 n 第二章 矢量数据分析 (Vector Data Analysis)n 2.1 邻近分析n 2.2 空间提取n 2.3 叠加分析 n 2.4 网络分析n 2.1邻近分析(Proximity analysis)n 当现实的实体被抽象为几何对象时，就可 以对它们之间的距离进行查询和分析。 n 一般来说，邻近分析或研究两个对象之间 的距离，包括通过空间连接和建立缓冲区 来发现最近的邻居。 n 1. 距离量测寻找最近的邻居 n 距离量测是指要素之间直线（欧式）距离的量测。 n 量测可在一个图层中的点到另一图层的点之间，或一个图层的各点到另一图层中最邻近点或线之间进行。量测的结果保存在一个字段中。 n 通过空间连接（spatial join）作为邻近分析工具来实现操作。 n 课堂练习：点与线之间的距离量测n 练习内容： n 要求对deer.shp中的每个鹿场点和edge.shp中原始森林与皆伐区边缘的最近距离进行量测。 n 练习方法： n 通过定位方法使用合并数据； n 使用Analysis Tools/Proximity工具箱中的Near工具。n 2. 缓冲分析( Buffering)n 缓冲区：为了识别某一地理实体或空间物体对其周围地物的影响度, 而在其周围建立的具有一定宽度的带状区域。 n 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。 基本思想： n 给定一个空间对象或集合； n 确定其邻域，邻域的大小由邻域半径r决定，对象A的缓冲区定义为n P为距A的距离小于r的全部点的集合 n d 一般指最小欧氏距离，但也可以为其它定义的距离，如网络距离，即空间物体间的路径距离。（一）角分线法（也称“简单平行线法”） （二）凸角圆弧法 n 分区和法律问题（Zoning and legal issues ）：n 某些城市制订了法规，禁止在小学周围1公里内出售烈性酒。对此，首先对各小学建立 1公里的缓冲区，然后查询其中的商业地块，以确认其中没有违规的商店。n 应急准备（Emergency preparedness ）:n 围绕某一地震断层建立1公里的缓冲区，以查询其中有多少大型商场。然后，确认哪些商场处在最危险的地震带之中。 n 2.2 空间提取(Spatial extraction)n 空间提取是进行空间分析时，在一开始和 结束前经常采用的步骤，以减少输出结果 中要素的数量。 n 在街道两侧建立10米的缓冲区，首先要从城市街路图层中选择需要加宽的街道。 n 在进行了一系列地学处理之后合并许多小的多边形。 n 建立子集(Creating subsets) n 通常情况下，一个数据图层包含了许多要素，而所开展的研究只集中在其中的一部分。 n 通过对要素建立子集的方法，可以减少要素的数量。 n 剪切要素(Clipping features) n 消减要素(Dissolving features) n 提取与邻近分析应用示例：城市土地利用分析(Performing extraction and proximity analysis: Analyzing a citys land use）n 一个城市土地的利用方式将影响其中居民 的生活。如果某一城市中许多城区充满工 厂、烟雾和噪声污染，这些必将会影响到 当地居民的生活质量。城市的公园和绿地 则会改善当地的生活，使人们远离噪声和 空气污染。 n 为了发挥城市绿地的作用，城市的长期保 护规划将提出相应的保护措施。 n 2.3 叠置分析(Overlay Analysis)n 叠置分析是GIS中常用提取空间隐含信息的方法之一。它是将有关主题的各个数据层面进行叠置产生一个新的数据层面，其结果综合了原来两个或多个层面要素所具有的属性，同时不仅生成了新的空间关系，也产生了新的属性关系。其中，被叠加的要素层面必须基于相同坐标系统，同一地带还必须基于相同的基准面。 n 从原理上来说，叠置分析是对新要素的属性按一定的数学模型进行计算分析，其中涉及逻辑交、并、差等运算。 n 根据操作要素的不同，叠置分析可分成点与多边形叠加、线与多边形叠加、多边形与多边形叠加； n 根据操作形式的不同，叠置分析可分为图层擦除、识别叠加、交集操作、均匀差值、图层合并和修正更新。 n 叠加操作的类型（Types of overlay operations）n 点对面的叠加（Point-in-polygon） 点对面的叠加是将一个点图层和一个面图层在空间上相结合，建立一个新的点图层。这类叠加用于发现落入多边形中的 点。 n 假设找出每个普查单元中杂货店的数量。新的（输出）杂货店的点要素类将拥有普查单元的属性。据此可以查询某个商店所属的普查单元，或查找每个普查单元内全部商店的数量。 n 线对面的叠加（Line-in-polygon） 线对面的叠加是将一个线图层和一个面图层在空间上相结合，建立一个新的线图层。这类叠加用于发现一个线要素类和一个多边形要素类之间共同的地理空间。 n 如果有河流要素类和宗地要素类，就可以发现 哪条河落入到哪个地块中，准确的找出每个地 块中包含了多少河流。输出的结果要比通过的相交查询更精确，因为输 入要素通过叠加实现了 物理上 的切断，并重新 计算了长度。 n 面对面的叠加（Polygon-on-polygon） 面对面的叠加是将两个不同图层中的多边形要素结合成一个单一图层。这类叠加操作可以研究两个要素类之间的共同区域。 n 如果第一个要素类代表行政区，第二个要素类代表洪泛区，据此可以发现洪水的风险和每个行政区内所包含的洪泛区的位置。 n 图层擦除（Erase） n 图层擦出是指输入图层根据擦除图层的范围大小，将擦除参照图层所覆盖的输入图层内的要素去除，最后得到剩余的输入图层的结果。数学的空间逻辑运算表示为： n 识别叠加（Identity） n 输入图层和另外一个图层进行识别叠加，在图形交迭的区域，识别图层的属性将赋给输入图层在该区域内的地图要素，同时也有部分的图形的变化在其中，n 交集操作（Intersect） n 交集操作是将两个图层的要素和属性的交集部分结合成第 三个图层，原图层的所有属性将同时在新图层上显示出来。输出图层将包含与输 入图层相同的要素类型和属性数据项。如 果输入的都是多边形图层，则输出图层将 会反映出要素和属性的结合。 n 在数学运算上表现为： x AB（A,B分别是进行交集的两个图层）。由于点，线，面三种要素都有可能获得交集所以它们的交集的情形有七种： n 图层合并（Union） n 图层合并是一次将两（多）个多边形图层结合成一个新多边形图层。新图层中包括了两（多）个图层中所有的多边形和属性，通常会有更多的多边形。相当于布尔运算的or，输出图层对应于输入图层或叠加图层的叠加范围。图层合并将原来的多边形要素分割成新要素，新要素综合了原来两（多）层属性。图层合并的数学表达式为：xxAUB n 叠加分析与属性Overlay analysis and attributesn Whenever you perform a union or intersect, in addition to feature geometry the input layers attributes are joined. Both the input layer feature identifiers and user-added attribute fields are added to the output layers attribute table.n 合并的结果（上表）显示了所有处在缓冲区内 (BufferDist = 500) ，并 Landuse = 134 的多边形。也 可以知道缓冲区的面积。 n 相交的结果（下表）。只要列出属性表就可以知道 哪些地块、有多少地块落在了缓冲区内。 n 交集取反（Symmetrical difference）n 均匀差值就是在两个图层叠置中去掉它们之间的公共部分后剩下的部分，同时对原有图层空间上的分布进行一定区域内的调整，新生成图层的属性是综合两者的属性而产生的。其数学逻辑运算式表示为：xAUB - AB（A,B为两个输入图层）。 n 破碎多边形(Slivers) n 破碎多边形是来自地图叠加过程中的常见误差。n GIS软件通过模糊容差（fuzzy tolerance）去除破碎多边形n 合适的模糊容差值是去除破碎多边形的关键n 最小制图单元（minimum mapping unit）表示由政府机构或公司部门指定的最小面积单元。n 最小制图单元是很好的去除破碎多边形的方法n 误差传递(Error Propagation)n 由于输入地图的不准确而导致误差的产生被称为误差传递。n 误差传递有两种类型：n 位置误差（positional error）：由于数字化和解译误差导致的边界的不准确，破碎多边形代表了地图叠加中产生的位置误差。n 标识误差（identification error）：由于属性数据不准确或标识错误。n 练习：分析城市中心的用地类型 n 本练习的任务是发现在城市中心区每种土 地利用类型的总面积。 n 通过 ArcMap 中的相关工具可以获得所希望 的信息。 n 练习 2：为高速公路出口停车场选址 n 美国加州地方政府为了减少空气污染，鼓励居民 在市区乘座公交工具，在高速公路出口建新的停 车场。选址条件如下： n 位置便捷：距离高速公路出口 500 米以内； n STR_NAME = I 10, CLASS = 9 n 节约成本和降低对周边社区的影响：当前的用地类型 为空地，规划为商业用地； n LU_CODE = VAC, ZONE ； n ZONE-CODE = COM n 要求画出操作流程框图，提交结果图 n 分析流程图n 2.4 网络分析 n 网络分析是对地理网络（如：交通网络）、城市基础设施网络（如：各种网线、电缆线、电力线、电话线、供水线、排水管道等）进行地理分析和模型化的过程，通过研究网络的状态以及模拟和分析资源在网络上的流动和分配情况，解决网络结构及其资源等的优化。 n 网络分析的理论基础是图论和运筹学。它从运筹学的角度研究、统筹、策划一类具有网络拓扑性质的工程，安排各个要素的运行，使其能充分发挥作用或达到预想的目标。 n 资源的最佳分配，最短路径的寻找，地址的查询匹配 n 网络的组成和建立 n 现实中的网络是由链和结点组成的、带有环路，并伴随一系列支配网络中流动的约束条件的线网图形。网络中的基本组成部分和属性如下： n 1线状要素链 n 网络中流动的管线，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。 n 2点状要素 n 1） 障碍：禁止网络中链上流动的点； n 2） 拐角点：出现在网络链中所有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）； n 3）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： n 资源容量如：总的资源量； n 阻力限额如：中心与链之间的最大距离或时间限制； n 4）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。 n 网络中的状态属性有阻力和需求两项，通过空间属性和状态属性的转换，根据实际情况赋到网络属性表中。 n 网络通常是将内在的线、点等要素在相应的位置绘出后，根据它们的空间位置以及各种属性特征建立拓扑关系，正确的拓扑关系网络分析的基础。 n 传输网络分析（Network Analyst）：用于道路、铁路等交通网络分析，进行路径、服务范围与资源分配等。允许在网络边上双向行驶，网络中的代理（如公路上的驾驶员）具有主观选择方向的能力。n 使用的数据：网络数据集（Network Dataset）；n 可解决的问题：n 计算点与点之间的最佳路径，时间最短或距离最短；n 进行多点的物流派送，能够按照规定的时间规划送货路径、自由调整各点的顺序；车辆路径派发；n 寻找最近的一个或多个设施点；n 确定一个或多个设施点的服务区；n 绘制起点终点距离成本矩阵。n 效用网络分析（Utility Network Analyst）：用于河流网络分析与公共设施网络分析，如：谁、电、气等管网，研究网络状态及模拟和分析资源在网络上的流动与分配情况。只允许在网络边上单向同时行进，网络中的代理（如管道中流动的石油）不能选择行进的方向，而由外部因素来决定：重力、电磁、水压等。n 使用的数据：几何网络（Geometric Network ）；n 可解决的问题：n 寻找连通的/不连通的管线；n 上/下游追踪；n 寻找环路；n 寻找通路；n 爆管分析。n 传输网络分析n 1网络数据集的建立：n （1） 在ArcCatalog中建立新的要素数据集并导入多个要素类； n （2） 创建网络数据集n 2基本功能 基于几何网络的特征和属性，利用距离、权重和规划条件进行分析，得到结果并且应用在实际中。 n （1） 路径分析n 最快路径：确定起点、终点，求时间最短路径；n 最短路径：确定起点、终点，求距离最短路径；n 最多场景的最短路径：确定起点、终点和所要求经过的中间点、中间连线，求最短路径或最小成本路径。路径分析的内容可以通过设定阻抗(Impedance) 实现。n N条最佳路径分析：确定起点、终点，求代价较小的N条路径，因为在实践中因为种种因素需要选择近似的最佳路径。n （3）服务区域分析（Network Service Area）n 包括所有在设定阈值内可以到达的街道和区域，阈值可以是时间或距离等，如：某个点5分钟服务区即指可在5分钟内到达该点的所有区域（region）。n Accessibility表示从某个点到达其他地点的难易程度。可以通过Travel Time、Distance和其他任意阻抗（Impedance）进行设定。n （2）最近设施查询（Clostest Facilities）n 查询离某个位置最近的设施，如：餐馆、医院等；n 可以设置一个Cutoff Cost，一旦超过这个设置，则不再分析。一旦查找到最近设施，则可以实现的功能包括到达最近设施的路径、旅行花费、方向等。 n （4） 源点OD成本矩阵（Origin-Destination Cost Matrix） n 计算从源点到目标点的距离成本，OD成本矩阵可以用于后勤路线分析模型，以便进行优化选择，如：基于OD成本矩阵判断哪些商店由哪个仓库提供服务会更理想，从而改进商店配送及提供更好的物流服务。n （5） 车辆路径派发（Vehicle Routing Problem）n 主要针对多车辆、多订单的配送情况，为各车辆分配一组配送的订单，并确定送货的顺序，从而将总运输成本控制在最低。可以考虑订单的时间窗口，车辆对某个区域熟悉的程度等。 n （6） 位置分配（Location-Allocation） n 根据选址的要求为设施选择最佳位置，使得这些位置能够覆盖尽可能多的居民，并且建设成本能够控制在预算的范围里，如选择商城，建医院的位置。n 效用网络分析n 1效用网络数据集的建立：n （1） 在ArcCatalog中建立新的要素数据集并导入多个要素类； n （2） 创建几何网络n 2基本功能 n （1） 流向分析n 应用效用网络时，了解网络线段上的资源和要素流动方向很必要。网络中的流向决定于： n A. 网络的连通性 n B.网络中起点或终点要素的位置 n C.网络要素的可运行性n 起点及终点位置控制了网络的流向。起点是指要素流动将由自己开始至网络中的其它位置，终点指要素流动停止的位置。因此，只需指定要素起点和终点即可确定网络边要素的流向。n 流向的分类。网络中边要素的流向可分为三类： n A. 确定的流向。网络中的流向可以唯一地用网络的连通性、起点和终点的位置以及网络要素的可运行性来确定，而且这个网络边要素就被当作有确定的流向，一般来说，边要素的流向可与数字化的方向相同或相反。n B.不确定的流向。通常发生在循环或封闭回路的情况下，也可能发生在有限个起点及数个终点方向的线段上。n C.未初始化的流向。如果网络的边要素未与起点或终点连接，或即使连接上，该要素也不可运行，则该边要素就具有未初始化的流向。n 确定流向时应注意：城市交通网络中，一般存在着回路（连通图），所以网络中很多边的流向就变成了不确定的流向。n 流向的显示： n ArcGIS将网络流向信息储存在网络的线段图层中，使用设施网络分析（Utility Network Analyst）工具可以显示网络边要素的流向，包括确定的流向、不确定的流向、未初始化的流向。n 流向的设定： n 当发生以下几种情形时，必须对网络流向进行重新设定： n 建立了一个新的几何网络； n 对几何网络中的要素进行了增加或删除； n 对网络要素进行修改后，使得几何网络中的拓扑关系发生变化；n 增加或删除起点或终点； n 网络要素的连通性发生改变； n 网络要素的可运行性发生变化n （2） 追踪分析n 通过对网络要素连接性的追踪，选择周围相互连接的网络要素，形成一个追踪结果。在追踪结果中，一个网络元素均需与其它元素有连接性。追踪成果是追踪操作后所找到的网络要素配置结果。 n 1）追踪分析的基础和简单操作 n A. 旗标与障碍 n 旗标定义追踪的起点，可以放置在任何交点或线段上。在执行追踪操作时，使用这些线段或交点作为追踪操作的起点，而连结至这些线段或交点的网络元素就会被包含于追踪的结果中。n 障碍用于终止网络追踪分析，可放置在任何交点或线段上。在执行追踪操作时，遇到障碍就停止追踪，形成一个追踪结果。 n B. 不可运行要素和图层 n 在特定位置改变要素的不可运行性是一种更永久的方法，它将迫使网络追踪分析停止，形成追踪分析结果，如：在建的路不能通行，就应将这段路当成不可运行状态。n 有时不需要对几何网络数据中的一个层面进行追踪，此时可将该层面设置成不可运行，追踪分析将不考虑该层面上的网络数据。 n C. 权重 n 几何网络中的边和结点要素都可有不同的权重，如：道路的长度、电力网络中的电阻值。它可用于网络分析中计算费用和路径等。建立网络时，可以设定线段与交点要素的属性值为权重，进而确定追踪分析结果所包含要素的成本。在ArcGIS追踪工具中，只有寻找最佳路径才使用权重来计算追踪成本。n 在使用权重进行最佳路径分析时必须指定使用哪些确定的权重。对点状要素，仅需要一个权重参数；对线状要素，应用两个权重参数：一是顺着线状要素数字化方向（From-to）的权重，另一是逆着线状要素数字化方向（To-from）的权重。线状要素数字化方向是指该要素的端点在地理数据库中的储存顺序，一个线段的每一个方向可以依需要指定不同的权重，所以从某一个方向追踪的结果会与另一个方向的结果不同。n D. 权重过滤器 n 权重过滤器法是为了限制部分可能被追踪到的网络要素，而为它们设定一定的权重值有效范围，以便在追踪分析中使用。n E. 已追踪要素与终止追踪要素 n 追踪分析在计算机中的实现过程是逐步进行的，结果也是追踪积累得到的，故而在追踪分析过程中，需要对已追踪的要素和终止追踪要素进行记录存储。已追踪的要素是指需要追踪得到的要素；终止追踪要素是指追踪无法通过而不能继续的要素，这种要素包括不可运行的要素，已经被设置有障碍的要素和虽已被追踪到但只是连接到另一条死路，即只有一个要素与其连接。n F.应用选择集修改追踪目标 n ArcMap中有三种途径应用选择集修改追踪目标： n a.从设施网络分析工具条（Utility Network Analyst）中选择Analyst Options对话框，确定要进行追踪分析的要素是全体/部分要素。不参与追踪分析的要素，在几何网络中充当障碍的作用。n b.在执行追踪操作时，从ArcMap的Selection主菜单，可以指定哪些图层可以或不可以被纳入选择集。n c.使用互动选择法通过Selection主菜单设定交互式选择规则确定追踪分析的结果，产生一个新的选择集，或追加到已有的选择集中、或从现有选择集中选出追踪操作成果、或从现有选择集中移除追踪操作成果。 n 综上所述，通过网络追踪分析，可以实现将追踪结果传回作为判断选择的设定、将个别要素或整个图层设为无作用状态；在线状要素或点状要素上设置障碍；存储记忆已追踪要素或停止追踪的要素以及在一定的选择集上进行追踪分析和结果的获得。同时使用以上操作，对较为复杂的网络追踪工作进行处理。n 2.5 追踪分析n 追踪分析是基于时间序列的可视化和分析工具，可以实现带有时间属性的食物和现象变化的历史回放，以及实时数据的动态显示。n 车辆、卫星等的动态位移；n 离散发生的犯罪、雷击事件；n 气象台站的风向监测信息。n 1. 追踪分析的相关概念n 时态数据：包含地理位置的时间、日期信息，可借助此信息对实时观测结果和以前记录的观测结果进行追踪。n 追踪：是同一对象观测的集合。移动对象可以具有一个显示汽车在过去1h内移动位置的追踪。静态对象可以是随时间观测值的集合，如：气温。n 追踪线：连接追踪中各观测值的线，描述实体的大致路径。n 观测：一组在特定时间点为某个实体测量的值。对于要用于进行追踪的观测，其必须具有关联的时间（观测时间）。一个追踪图层包含一组观测。n 时间窗：追踪事件在地图上显示的时间段。n 操作：某个追踪事件满足操作触发器的条件时发生的自定义处理。为追踪图层定义图层操作，为实时追踪服务定义服务操作。n 触发器：为执行相应操作，某个追踪事件必须满足的一组条件。可根据属性或位置条件，或者两者的组合构建触发器。n ArcGIS的追踪分析模块为Tracking Analyst。它可以接受来自实时源和固定时间源的三种数据结构：简单事件、复杂静态事件和复杂动态事件。n 简单事件：对于简单事件，时间观测组件是数据的唯一组件。它必须至少包括观测的日期和时间。包含简单事件的固定时间数据可用于一个表格进行组织。该表将包括日期及任何其他存在的属性。n 复杂事件：包括观测组件和对象组件。时间观测组件不包括对象的所有必要信息，因此附加信息保存在对象组件中。对象组件的实际内容取决于被追踪的对象是移动还是静止。理想情况下，对象组件应包括所有静态属性。因此，对象组件至少应包含ID字段，并由其链接到观测组件，也可能包含静止事件的形状字段。n 复杂静态事件：如气象站，其传感器的地理位置将不会改变，因此其地理位置及其他静态信息存储在时间对象组件中，并通过传感器ID将观测链接起来。n 复杂动态事件：如飞机信息，其地理位置不断改变，因此必须连同日期和时间信息一起保存在观测对象中。此时，时间对象表可能包括飞机的品牌和型号、飞机驾驶员与机组成员的信息，以及机身年龄与容量等信息。n 2.追踪分析的基本功能n 通过将包含日期和时间（时态数据）的地理数据以追踪图层的形式添加到地图中，可使此类地理数据更加生动形象；n 实时追踪对象：可与GPS等追踪和监视设备进行网络连接，从而可以实时将数据绘制成图；n 使用时间窗及其专用于查看随时间变化的数据的选项对时间数据进行符号化；n 使用回放管理器回放时间数据，可使用不同的速度进行正向和反向数据回放；n 通过创建数据时钟来分析时间数据中存在的模式；n 针对时间数据创建和应用操作；n 使用动画工具以动画形式呈现数据；n 使用ArcGlobe在3D模式下查看追踪数据。n 练习：最短路径问题分析与应用 n 1背景： n 最短路径的求