地理信息系统原理孔金玲第七章空间查询与空间分析

1、7.1 空间查询 7.2 空间分析 7.1 空间查询 根据空间特征本身的特性及与其他特征之间的空间关系，用一定方式查询满足条件的特征。 7.1.1 空间几何查询空间几何查询 应用GIS本身具有的几何量算的功能，查询空间特征的几何参数。点：坐标，两点间的距离。线：长度，点到线的距离。面：面积，周长。7.1 空间查询 7.1.2 空间定位查询（图形空间定位查询（图形属性）属性） 图形的定位（选择）有多种形式： （1）点查询：查询一个对象； （2）矩形查询； （3）圆查询； （4）多边形查询。 后三者都是查询一组对象。例如查询落入某行政区内的道路、景点等。7.1 空间查询 7.1.3 空间关系查询空

2、间关系查询 邻接查询邻接关系包含查询包含关系穿越查询线面相交关系落入查询包含关系缓冲区查询包含关系反向查询 例如：A包含B，若由A查询B则为包含查询；反之，若由B查询A则为落入查询。7.1 空间查询 7.1.4 SQLSQL（结构化查询语言）查询（结构化查询语言）查询 由属性条件查询相应的图形。用SQL语言构造条件语句，查询满足条件的图形。例如：查询人口50万的县或市。Select 人口（属性项）From 县或市（属性表）Where县或市人口 50万（条件） 一般的GIS软件都设计了比较好的用户界面，交互式选择和输入有关语句的内容，代替键入完整的查询条件语句。 另外， SQL属性条件和空间关系

3、的图形条件组合在一起，形成扩展的SQL查询语言。如P232例子。 7.2 空间分析空间分析 利用空间特征之间的利用空间特征之间的空间关系空间关系通过通过空间运算空间运算得到得到新的信新的信息或知识。息或知识。空间分析是基于空间数据的分析技术，它以地学空间分析是基于空间数据的分析技术，它以地学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态等信息。象的空间位置、空间分布、空间形态等信息。 GIS中，空间分析是比空间查询更为中，空间分析是比空间查询更为深刻的内容，深刻的内容，通过通过空间分析可以空间分析可以派生

4、出新的信息（知识）。派生出新的信息（知识）。 7.2.1 叠置分析叠置分析 同一地区，同一比例尺的两个或两个以上的图层进行叠置（其中至少同一地区，同一比例尺的两个或两个以上的图层进行叠置（其中至少有一个图层是多边形图层亦称基本图层，其它图层可以是点、线、面图有一个图层是多边形图层亦称基本图层，其它图层可以是点、线、面图层）。生成具有多重属性的新的图层和属性。层）。生成具有多重属性的新的图层和属性。（1）空间逻辑运算：空间逻辑运算：例：土层厚度例：土层厚度50，：种植小麦，：种植小麦、逻辑交运算：、逻辑交运算：（表示土层厚度（表示土层厚度 50并且种植小麦的并且种植小麦的土地）；土地）；、逻辑并

5、运算：、逻辑并运算：（表示土层厚度（表示土层厚度 50以及种植小麦的以及种植小麦的土地）；土地）；、逻辑差运算：（表示土层厚度、逻辑差运算：（表示土层厚度 50不种植小麦的土不种植小麦的土地）。地）。 7.2.1 叠置分析叠置分析 （2）基于栅格的叠置分析）基于栅格的叠置分析： ：土层厚度：土层厚度50 ：种植小麦：种植小麦a、逻辑交运算：、逻辑交运算：Cij=AijBij =1 当Aij =1 且 Bij =10 当Aij =0 或 Bij =0b、逻辑并运算：、逻辑并运算：Cij=AijBij =1 当Aij =1 或 Bij =10 当Aij =0 且 Bij =0c、逻辑差运算：、逻辑

6、差运算：Cij=Aij Bij =1 当Aij =1 且 Bij =00 当Aij =0 以及 Aij =1 且 Bij =1参见P238- P240例子 7.2.1 叠置分析叠置分析 （3）基于矢量的叠置分析）基于矢量的叠置分析： 、点与多边形的叠置、点与多边形的叠置生成点层，带有多生成点层，带有多边边形属性；形属性； 、线与多边形的叠置、线与多边形的叠置生成线层，带有多生成线层，带有多边边形属性；形属性； 、多边形与多边形的叠置：逻辑交、逻辑并、逻辑差运算可得三、多边形与多边形的叠置：逻辑交、逻辑并、逻辑差运算可得三种叠置结果。种叠置结果。 ARC/INFOARC/INFO提供的多边形与多

7、边形的叠置分析，包括六种操作：提供的多边形与多边形的叠置分析，包括六种操作： UnionUnion；IntersectIntersect；IdentityIdentity；EraseErase；UpdateUpdate；ClipClip。 参见P240- P241例子讨论空间叠置分析的应用空间叠置分析的应用 7.2.2 缓冲区分析缓冲区分析 对一组或一类地物按缓冲的距离条件，建立缓冲区多边形图，然对一组或一类地物按缓冲的距离条件，建立缓冲区多边形图，然后将这个图层与需要进行缓冲区分析的图层进行叠置分析，得到所后将这个图层与需要进行缓冲区分析的图层进行叠置分析，得到所需的结果。需的结果。 （1）

8、点缓冲区；点缓冲区； （2）线缓冲区；线缓冲区； （3）面缓冲区。面缓冲区。 缓冲区的建立缓冲区的建立P245。 缓冲区：等距离和变距离缓冲区：等距离和变距离 讨论缓冲区分析的应用缓冲区分析的应用 7.2.3 泰森多边形分析泰森多边形分析 （1）由离散点建立泰森多边形；）由离散点建立泰森多边形； （2）由多边形内唯一一个离散点的值代表多边形的值。）由多边形内唯一一个离散点的值代表多边形的值。 泰森多边形的数学意义：泰森多边形的数学意义： （1）每个多边形内有且只有一个离散数据点；）每个多边形内有且只有一个离散数据点； （2）若点）若点M位于含离散点位于含离散点i与与j的两个多边形的公共边上，则

9、的两个多边形的公共边上，则Mi=Mj； （3）若点）若点M位于含离散点的多边形内，则对其它任意离散点位于含离散点的多边形内，则对其它任意离散点，恒有，恒有MiMj。 泰森多边形分析，在区域地学分析，地形分析中具有广泛的泰森多边形分析，在区域地学分析，地形分析中具有广泛的应用价值。应用价值。 7.2.4 DTM分析（分析（Digital Terrain Model） 是描述地面诸特性空间分布的有序数值阵列。通常，所记的地面是描述地面诸特性空间分布的有序数值阵列。通常，所记的地面特性是高程，由此，构成的数字地面模型为数字高程模型特性是高程，由此，构成的数字地面模型为数字高程模型DEM （Digit

10、al Elevation Model）。）。 其中，按平面上等间距规则采样或内插所建立的其中，按平面上等间距规则采样或内插所建立的DTM，称为栅格，称为栅格DTM。表示为：。表示为： DTM= Z ij ，（，（i=1、2 m, j=1、2n）Z为栅格结点（为栅格结点（,）上的）上的地面属性数据。地面属性数据。 7.2.4 DTM分析（分析（Digital Terrain Model） (1) 地形因子的自动提取地形因子的自动提取 a、坡度计算：格点面元趋势面在格点面元形心的向上法线、坡度计算：格点面元趋势面在格点面元形心的向上法线cn与通与通过该点的向上垂直方向线过该点的向上垂直方向线cz的

11、夹角，称为格点面元坡度，记为的夹角，称为格点面元坡度，记为。 b、坡向分析：格点面元趋势面在格点面元形心处的向上法线、坡向分析：格点面元趋势面在格点面元形心处的向上法线cn在在水平面上的投影水平面上的投影c0n0与二维平面纵坐标轴的正方向与二维平面纵坐标轴的正方向c0 x的夹角称为格点的夹角称为格点面元坡向，记为面元坡向，记为。（顺时针为正）。（顺时针为正） (2) 地表形态的自动分类地表形态的自动分类 a、拟定地形分类决策表；、拟定地形分类决策表； b、按提取的地形类型信息分类（高程、坡度、坡向）。、按提取的地形类型信息分类（高程、坡度、坡向）。 7.2.5 网络分析网络分析 网络分析是为了

12、全面地描述网状事物以及它们的相网络分析是为了全面地描述网状事物以及它们的相互关系和内在联系，而基于点和线组成的网状数据所进互关系和内在联系，而基于点和线组成的网状数据所进行的空间分析。行的空间分析。 网络分析被广泛地应用于城市交通规划与管理、地网络分析被广泛地应用于城市交通规划与管理、地下管网的管理和维护、电力、通讯、有线电视等系统的下管网的管理和维护、电力、通讯、有线电视等系统的管理和维护。管理和维护。 7.2.5 网络分析（1）网络图论的基本概念 图论：以抽象的形式来表达确定的事物，以及事物之间特定关系的数学系统。 表示形式：G=(V,E)其中：V(G)= vi i =1, ,n (结点)

13、 E(G)=(vi, v j )/v I V, v j V (边界) 包括有向图，无向图，赋权有向图，记为G=（V,E,W）等。 7.2.5 网络分析网络分析 （1）网络图论的基本概念）网络图论的基本概念 描述图的最直观方法描述图的最直观方法图形。图形。 在计算机中，是用矩阵记录图在计算机中，是用矩阵记录图形，如：邻接矩阵（形，如：邻接矩阵（VV），），关联矩阵（关联矩阵（VE）。）。 例：例： v1v2v3v4v5e6e7e5e4e3e1e2D(G)=邻接矩阵（邻接矩阵（VV） 关联矩阵（关联矩阵（VE） 1 Vi 和和 Vj 邻接0 Vi 和和 Vj 不不邻接 或 i=jdij =A(G)

14、=1 Vi 和和 e j 关联0 Vi 和和 ej不不关联aij = 7.2.5 网络分析网络分析 （2）路经分析）路经分析（一个优化问题）一个优化问题）最佳最佳路径选择路径选择 为了求得为了求得最短路径最短路径，需解算任意两点之间的距离，需解算任意两点之间的距离W I j，然后求得，然后求得最佳路径。最佳路径。 若若 W =Wijn n Wij 0， i，j 邻接（对于无向图，邻接（对于无向图，W I j = W ji ） Wij = ，i，j 不邻接不邻接 Wij = 0， i = j。V1V4V6V5V2V3V8V71323333112324例例: W =V1 V2 V3 V4 V5 V

15、6 V7 V8V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 7.2.5 网络分析网络分析 （2）路经分析）路经分析用用Dijkstra（戴克斯徒拉）算法，求得最短路径（戴克斯徒拉）算法，求得最短路径Sk l：a、令起点、令起点k标号为标号为0,其它结点标号为其它结点标号为；b、 j结点暂时标号：其值为结点暂时标号：其值为min j的旧标号的旧标号,（i的旧标号的旧标号+Wij）；c、找出暂时标号的最小值作为相应结点的固定标号；、找出暂时标号的最小值作为相应结点的固定标号；d、重复、重复b、c直到终点直到终点 l 被定标为止，且被定标为止，且Skl 的最短距离即为的最短距离即为l的定标的定标值

16、。值。 7.2.5 网络分析网络分析 （2）路经分析）路经分析W =V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8V1V4V6V5V2V3V8V71323333112324例例: 用用Dijkstra算法，求算法，求V1到到V7的最短路径的最短路径:V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8确定起点 0 () () () () () () ()标定V1 0 (1 1) (2 2) () () () () ()标定V2 0 1 1 (2 2) (4 4) (4 4) () () ()标定V3 0 1 1 2 2 (4 4) (4 4) () ()

17、 (6 6)标定V4 0 1 1 2 2 4 4 (4 4) (7 7) () (6 6)标定V5 0 1 1 2 2 4 4 4 4 (7 7) () (6 6)标定V8 0 1 1 2 2 4 4 4 4 (7 7) (7 7) 6 6标定V7 0 1 1 2 2 4 4 4 4 (7 7) 7 7 6 6最短路径：最短路径： V1 V3 V8 V7 7.2.6 空间分析的应用空间分析的应用 （1）公园选址）公园选址 步骤步骤1：建立分析的目的和标准：建立分析的目的和标准v 公园的位置既要交通便利又要环境安静（距公路的距离公园的位置既要交通便利又要环境安静（距公路的距离S: 0.25km

18、S 1.25km ）；）；v 公园应设计成环绕一个天然的小河流；公园应设计成环绕一个天然的小河流；v 使公园的可利用面积最大，公园中没有沿河流分布的沼泽地。使公园的可利用面积最大，公园中没有沿河流分布的沼泽地。 7.2.6 空间分析的应用空间分析的应用 （1）公园选址）公园选址 步骤步骤2：准备空间操作的数据：准备空间操作的数据v 道路图层（道路图层（ROADS）；）；v 河流图层（河流图层（STREAMS，河段分类级别用，河段分类级别用CLASS标识）；标识）；v 沼泽地图层（沼泽地图层（MARSH，用，用TYPE属性区分沼泽地和非沼泽地）。属性区分沼泽地和非沼泽地）。 7.2.6 空间分析

19、的应用空间分析的应用 （1）公园选址）公园选址 步骤：进行空间操作步骤：进行空间操作 v 建立缓冲区：按建立缓冲区：按 0.25km 和和 1.25km的缓冲距离分别建立缓冲区的缓冲距离分别建立缓冲区多边形，提取可建公园的区域（两个缓冲区多边形相减后的环多边形，提取可建公园的区域（两个缓冲区多边形相减后的环形区域），形成新图层形区域），形成新图层ZONES；v 空间叠置分析：首先，空间叠置分析：首先， ZONES图层与图层与MARSH图层叠加，生图层叠加，生成图层成图层ZMARSH ；然后，；然后， 将将STREAMS图层与图层与ZMARSH图层图层叠加，生成图层叠加，生成图层SITECOV（

20、线图层）。（线图层）。v 特征提取：从特征提取：从SITECOV图层，提取图层，提取 CLASS=2 AND INSIDE=100 AND TYPE=99的特征，提取的河段即是适合建公的特征，提取的河段即是适合建公园的地段，并以新的图层存放。园的地段，并以新的图层存放。 （2）洪水灾害损失估算）洪水灾害损失估算 步骤步骤1：建立分析的目的和标准：建立分析的目的和标准 分析的目的是确定由于一次大的洪水可能给居民造成的总的分析的目的是确定由于一次大的洪水可能给居民造成的总的经济损失经济损失。 分析标准：分析标准：v 计算损失的地区必须是位于洪泛区的居民居住区；计算损失的地区必须是位于洪泛区的居民居

21、住区；v 洪泛区中最高的洪水位高度限制在洪泛区中最高的洪水位高度限制在500米；米；v 预期的经济损失与洪泛区的土地价格和土地损失因子有关。预期的经济损失与洪泛区的土地价格和土地损失因子有关。 （2）洪水灾害损失估算）洪水灾害损失估算 步骤步骤2：准备空间操作的数据：准备空间操作的数据v 地块图层（地块图层（LOTS），属性：地价（），属性：地价（VALUE），土壤类型），土壤类型（SOILS）、使用类型（）、使用类型（ZONING, 是否是居民区）；是否是居民区）；v 等高线产生的多边形图层（等高线产生的多边形图层（CONTOURS），属性：高程），属性：高程（ELEV, 多边形范围内最高高程）；多边形范围内