第6章 栅格数据空间分析.ppt

第六章GIS空间分析 1空间分析概述 2空间查询 3空间量算与内插 4栅格数据分析 5矢量数据分析 6数字地面模型及其应用 7空间统计分析 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 4栅格数据的空间分析 栅格数据的聚类分析栅格数据的聚合分析栅格数据的信息复合分析栅格数据的追踪分析栅格数据的窗口分析栅格数据的再分类 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 地理信息系统 GIS 的一个主要优势在于能够对GIS数据进行空间运算以派生新的信息 这些工具构成了所有空间建模和地理处理的基础 ESRI GIS的数据模型分两大类 即矢量数据模型和栅格数据模型 以栅格数据模型为存储结构 地图代数 MapAlgebra 为数学基础的空间分析方法自1980年代后期以来成为GIS技术发展的重要方向 并日趋成熟 它的最大特点就是能够对空间问题进行建模 因此已成为衡量一个GIS功能强弱的关键指标之一 4栅格数据的空间分析 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 栅格大小 指分析过程中系统默认的栅格数据的单元大小 CellSize 也有人把它称为分析解析度 栅格数据的空间分析就是在每一个栅格单元的基础上进行的 如果单元过大则分析结果精确度降低 如果单元过小则会产生大量的数据 而且计算速度降低 所以需要选择合适的单元大小 栅格数据结构为空间分析提供了最强的建模环境及空间运算 ESRI ArcGIS SpatialAnalyst扩展模块为ArcGIS增加了全面广泛的基于栅格单元的GIS运算 4栅格数据的空间分析 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 栅格数据模型空间分辨率 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy ArcGIS中集成了各种空间分析技术 如距离制图 DistanceMapping 密度制图 DensityMapping 栅格插值生成表面 Surface 表面分析 坡度 坡向 阴影 等值线 视场 基于格网单元的统计 CellStatistics 邻域统计 NeighborhoodStatistics 分类区统计 ZonalStatistics 栅格重分类 Reclassification 栅格计算器 RasterCalculator 以及矢量 栅格数据转换等 4栅格数据的空间分析 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 1 栅格数据的聚类分析 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系统的方法 在四种类型要素中提取其中要素2的聚类 2 1 1 3 4 0 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 示例 空间聚类 1 某镇土地利用现状 2 空间聚类分析输出图形 左下图是一幅土地利用栅格图 1 耕地 2 园地 3 林地 4 居民点 5 独立工矿 6 水域 7未利用地 设定条件可以是 E 属性 水域 面积 1公顷 水域邻接居民点 右下图是输出结果 这类聚类条件的设定常用于位址规划 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 2 栅格数据的聚合分析 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 数据的综合 空间聚合的结果往往将较复杂的类别转换为较简单的类别 并且常以较小比例尺的图形输出 当从地点 地区到大区域的制图综合变换时常需要使用这种分析处理方法 1 2类合并为b 3 4类合并为a 2 3类合并为c 1 4类合并为d 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 示例 空间聚合 农用地 建设用地 未利用土地 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 聚类 聚合分析应用栅格数据的聚类聚合分析处理法在数字地形模型及遥感图象处理中的应用是十分普遍的 例如 由数字高程模型 DEM 转换为数字高程分级模型便是空间数据的聚合 而从遥感数字图象信息中提取某一地物的方法则是栅格数据的聚类 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 3 栅格数据的信息复合分析 信息复合模型 overlay 包括两类 即简单的视觉信息复合和较为复杂的叠加分类模型 正因为如此 栅格数据常被用来进行区域适应性评价 资源开发利用 规划等多因素分析研究工作 在数字遥感图象处理工作中 利用该方法可以实现不同波段遥感信息的自动合成处理 视觉信息复合是将不同专题的内容叠加显示在结果图件上 参加复合的平面之间没发生任何逻辑关系 仍保留原来的数据结构 叠加分类模型则根据参加复合的数据平面各类别的空间关系重新划分空间区域 使每个空间区域内各空间点的属性组合一致 叠加结果生成新的数据层 该数据层图形数据记录了重新划分的区域 而属性数据库结构中则包含了原来的几个参加复合的数据层的属性数据库中所有的数据项 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 视觉信息复合是将同一地区同一比例尺的不同含义的图形图像进行叠合显示在屏幕上或结果图件上 以便判断不同地理实体的空间关系 从而获取更多的空间信息 视觉信息复合中 不改变各图层数据结构 也不形成新的数据 只给用户带来视觉效果 用于目视分析 3 1视觉信息复合 3 栅格数据的信息复合分析 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy GIS中视觉信息复合包括以下几类 点 线和面状图之间的复合 面状图区域边界之间或一个面状图与其他专题区域边界之间的复合 遥感影像与专题地图的复合 专题地图与DEM复合显示立体专题图 遥感影像与DEM复合生成真三维地物景观 目前 基本上所有的GIS软件都可以实现视觉信息叠加的主要功能 3 1视觉信息复合 3 栅格数据的信息复合分析 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 点 线和面状图之间的复合通过点 线和面状图的相互复合 寻求特征信息在空间上的关联性 在这里强调的是复合图之间的关系 而不是强调生成新的目标 例如 要了解居民点与污染区空间关系 就可以把居民点图和污染分区图进行点与面的视觉复合 直觉上可以看到各个居民点的污染轻重 3 1视觉信息复合 3 栅格数据的信息复合分析 a居民区b污染分级区c叠加区 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 遥感信息和专题图的视觉复合遥感信息和非遥感信息结合是GIS和遥感 RS 相结合的基础 RS和GIS所处理问题具有互补性 遥感图上信息丰富 但缺乏行政区划界线等非遥感信息 这样不利于区域分析 另外 在遥感分类中常常出现比较麻烦的 异物同谱 现象 如荒草和牧草 果园和灌木等 从遥感角度看 因为具有相同的光谱特性而无法区分 这时如把遥感分类图和专题图或地形图进行视觉复合 就可以直觉地解决某些 异物同谱 分类问题 从而大大提高遥感分类精度 3 1视觉信息复合 3 栅格数据的信息复合分析 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 专题图和数字高程图视觉复合专题图通常用平面图来表示 而数字高程模型 DEM 的立体彩色显示是具有高度真实感的 如果把各种专题图和数字高程图复合生成立体专题图 可以大大增强视觉效果 便于人们认识和研究自然资源 例如 把旅游图和数字高程图结合生成立体旅游景观图 有利于人们观察景点分布和旅游路线选择 再如将野生动物分布图与数字高程图结合 生成立体野生动物分布图 可以帮助动物学家对野生动物群体生存环境的研究 3 1视觉信息复合 3 栅格数据的信息复合分析 点 线与栅格DEM叠加 栅格数据的空间分析 线与面叠加 线与线叠加 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 水系专题数据与DEM的叠加 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 遥感影象与DEM叠加 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 专题要素遥感影象与DEM叠加 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 专题要素遥感影象与DEM叠加 航空像片与DEM叠加的三峡景观 立体模型 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 3 2叠加分类模型与视觉信息复合不同的是参加复合的栅格数据重新进行组合分类 生成新的栅格数据 这个新产生的栅格数据的属性包含原有参加复合的栅格数据的所有数据项 如最小的自然区域 水文地貌单元 最小的景观单元 叠加分类模型用于多要素综合分类 以划分最小地理景观单元 进一步可进行综合评价以确定各景观单元的等级序列 3 2 1逻辑判断复合法3 2 2数学运算复合法 算术运算 函数运算 3 栅格数据的信息复合分析 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 3 2 1逻辑判断复合法 3 2叠加分类模型 3 栅格数据的信息复合分析 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 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 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 XOR 结果将土层厚度小于50厘米 或者土壤不是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 例 逻辑关系运算 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 3 2 2数学运算复合法 算术运算 指两层以上的对应网格值经加 减运算而得到新的栅格数据的方法 3 2叠加分类模型 3 栅格数据的信息复合分析 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 栅格叠加分析 OverlayinRaster 基于栅格单元 像元 进行SamelayoutSamemapprojectionforeachlayerSameareacoverageSameresolution orcellsize NoneedforintersectionMapalgebraButmustbemeaningful输出结果为单一栅格图层 复合了参与运算的各栅格图层的信息 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy RasterOverlay CorrectlyDesigned Wherearetheretreesintheurbanarea Wherearetheretreesinthenon urbanarea 0 notatree1 tree Point Polygon 0 noturban2 urban 0 noturban notree1 noturban tree2 urban notree3 urban tree Result 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy RasterOverlay IncorrectlyDesigned 0 notatree1 tree Point Polygon 0 noturban1 urban 0 noturban notree1 noturban tree1 urban notree2 urban tree Result Wherearetheretreesintheurbanarea Wherearetheretreesinthenon urbanarea Becarefulwithnominaldata 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 栅格叠置分析示例 土地适宜性评价 在地理分析中 栅格方式的叠置分析十分有用 是进行适宜性分析的基本手段 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 3 2 2数学运算复合法 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 2叠加分类模型 3 栅格数据的信息复合分析 只要得到对于某事物及发展变化的函数关系式 便可运用以上方法完成各种人工难以完成的极其复杂的分析运算 这也是目前信息自动复合叠置分析法受到广泛应用的原因 在ArcGIS中 使用栅格计算器 MapCalculator 可以很方便地实现栅格图层的复合 叠置运算 应用面 地学综合分析 环境质量评价 遥感数字图像处理等领域 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 示例 函数运算 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 利用土壤侵蚀通用方程式计算土壤侵蚀量时 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的大小是降雨 R 植被覆度 C 坡度 S 坡长 L 土壤抗蚀性 SR 等因素的函数 土壤侵蚀多因子函数运算复合分析 示例 函数运算 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 栅格计算器 RasterCalculator 可完成各种地图代数运算 栅格计算器 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy SpatialAnalysistoolsinArcToolBox Vectordataanalysis Shapefile Featureclass table Rasterdataanalysis 更多的功能集成在ArcToolbox中 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy Details Vector Raster 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 4 栅格数据的追踪分析 追踪分析一般都是基于栅格数据的 指对于特定的栅格数据系统 由某一个或多个起点 按照一定的追踪线索 四面 八面搜索 进行目标的追踪 或者求得追踪轨迹的空间分析方法 如图所示 栅格所记录的是地面点的海拔高程值 根据地面水流必然流向最大坡度方向 由追踪法可以提取出地面水流的基本轨迹 此外 追踪分析法在扫描图件的矢量化 利用数字高程模型自动提取等高线 污染源的追踪分析等方面都发挥着十分重要的作用 ArcView中的水文分析及生成等高线的功能就是利用了追踪分析的原理 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 栅格数据的追踪分析 6 4 7 10 25 20 19 16 8 12 15 21 25 34 22 15 11 17 24 32 30 27 21 12 14 25 31 39 32 25 14 7 20 29 32 33 23 21 12 3 20 26 28 25 20 16 13 4 20 23 23 18 12 9 9 4 17 18 17 12 8 3 2 3 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 示例 栅格数据的追踪分析 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 窗口分析也称邻域分析 主要应用于栅格数据模型 这是因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 还在空间上存在一定关联性 对于栅格数据所描述的某项地学要素 它往往会影响其周围栅格的属性特征 准确而有效地反映事物这种空间上联系的特点 是地学分析的重要任务 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 5 栅格数据的窗口分析 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 5 1分析窗口的类型 按窗口的形状可分为 1 矩形窗口 是以目标栅格为中心 分别向周围八个方向扩展一层或多层栅格 从而形成如图所示的矩形分析区域 矩形区域的大小分别是3 3 5 5 7 7的窗口 2 圆型窗口 以目标栅格为中心 向周围作一等距离搜索区 构成一圆型分析窗口 3 环型窗口 是以目标栅格为中心 按指定的内外半径构成环型分析窗口 4 扇型窗口 是以目标栅格为起点 按指定的起始与终止角度构成扇型分析窗口 5 栅格数据的窗口分析 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 3 3窗口5 5窗口7 7窗口 圆形窗口环形窗口扇形窗口 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy 5 栅格数据的窗口分析 5 2窗口内统计分析的类型栅格分析窗口内的空间数据的统计分析类型一般有以下几种类型 1 Mean 2 Maximum 3 Minimum 4 Median 5 Sum 6 Range 7 Majority 8 Minority 9 Variety 在实际工作中 为解决某一个具体的应用命题 以上4种栅格数据的分析模式往往综合使用 2020 2 16 河南大学环境与规划学院zhaoy ArcG