第五章GIS空间查询与分析

1、v教学内容：教学内容： 查询与量算，空间分析方法，执行空间分析的步骤，查询与量算，空间分析方法，执行空间分析的步骤，空间分析举例，空间分析举例，DTM 和和DEM 。v重点难点重点难点： 点、线、面相互关系的查询；执行空间分析的方法点、线、面相互关系的查询；执行空间分析的方法和步骤；和步骤；DTM 和和DEM 。v学习要求：学习要求： v1、理解图文互访；、理解图文互访；v2、掌握点、线、面相互关系的查询；、掌握点、线、面相互关系的查询；v3、掌握空间分析的方法；、掌握空间分析的方法；v4、掌握执行空间分析的步骤并会举例说明；、掌握执行空间分析的步骤并会举例说明；v5、掌握数字高程模型的概念、

2、作用与表示方法。、掌握数字高程模型的概念、作用与表示方法。v6、理解数字地面模型的概念、表示方法及应用。、理解数字地面模型的概念、表示方法及应用。 第一节第一节 查询与量算查询与量算 第二节第二节 空间分析的方法空间分析的方法 第三节第三节 执行空间分析的步骤执行空间分析的步骤 第四节第四节 数字地形模型数字地形模型 v空间关系的类型空间关系的类型v图文互访图文互访v点、线、面相互关系的查询点、线、面相互关系的查询v地址匹配查询地址匹配查询v量算量算v点点点关系点关系 v点点线关系线关系v点点面关系面关系v线线线关系线关系v线线面关系面关系v面面面关系面关系一、空间关系的类型一、空间关系的类型

3、 空间关系主要是指地理实体之间的位置空间关系主要是指地理实体之间的位置关系，即点、线、面三类基本数据之间的关系，关系，即点、线、面三类基本数据之间的关系，它们两两相关，显然有六种关系，即：它们两两相关，显然有六种关系，即：二、图文互访二、图文互访 图文互访是最常用的查询，主要有两图文互访是最常用的查询，主要有两类：第一类是按属性信息的要求来查询空类：第一类是按属性信息的要求来查询空间位置，俗称间位置，俗称“文查图文查图”。第二类是按空。第二类是按空间位置来查询属性信息，俗称间位置来查询属性信息，俗称“图查文图查文”。三、点、线、面相互关系的查询三、点、线、面相互关系的查询面面查询：面面查询：与

4、某个多边形相邻的多边形是哪些；与某个多边形相邻的多边形是哪些；面线查询：面线查询：某个多边形的边界是哪些线（链）；某个多边形的边界是哪些线（链）；面点查询：面点查询：某个多边形内有哪些点状要素；某个多边形内有哪些点状要素；线面查询：线面查询：某条线经过（或穿过）哪些多边形，某条线经过（或穿过）哪些多边形， 某条链的左、右多边形是哪些；某条链的左、右多边形是哪些；线线查询：线线查询：与某条河流相连的支流是哪些，某与某条河流相连的支流是哪些，某 些道路跨过哪些河流；些道路跨过哪些河流；线点查询：线点查询：某条道路上有哪些桥梁，某条输电某条道路上有哪些桥梁，某条输电 线路上有哪些变电站；线路上有哪些

5、变电站；点面查询：点面查询：某个点落在哪个多边形内；某个点落在哪个多边形内；点线查询：点线查询：某个结点由哪些线（链）相交而成。某个结点由哪些线（链）相交而成。“开窗开窗”查询：查询： 在图形显示屏幕上用光标临时划定在图形显示屏幕上用光标临时划定一一 个不规则的多边形，好像在背景地图个不规则的多边形，好像在背景地图 上开了一个上开了一个“窗窗”，然后查出和该窗，然后查出和该窗口口 有关的点、线、面及其属性信息。有关的点、线、面及其属性信息。四、地址匹配查询四、地址匹配查询 从街道的自然地址来查询事物的空间位置是从街道的自然地址来查询事物的空间位置是GISGIS一种特有的查询方法，这种查询往往需

6、要建立一种特有的查询方法，这种查询往往需要建立DIMEDIME或或TIGERTIGER的地理编码。（见下图示意）。的地理编码。（见下图示意）。五、空间数据的查询检索五、空间数据的查询检索 v空间数据的查询检索是地理信息系统空间数据的查询检索是地理信息系统中最基本的分析功能，通过它，用户中最基本的分析功能，通过它，用户可以进一步获取很多派生空间数据。可以进一步获取很多派生空间数据。v空间数据的查询检索实质上是按一定空间数据的查询检索实质上是按一定条件对空间目标的位置和属性信息进条件对空间目标的位置和属性信息进行查询，以形成一个新的数据子集，行查询，以形成一个新的数据子集，可大致分下面几种：可大致

7、分下面几种：五、空间数据的查询检索五、空间数据的查询检索 v1、定位查询、定位查询 v用于实现图形数据和属性数据的双向查询。如将用于实现图形数据和属性数据的双向查询。如将光标指向屏幕上图形的某一部分时，可得到相应光标指向屏幕上图形的某一部分时，可得到相应的属性数据。相反，当光标指向属性数据中某一的属性数据。相反，当光标指向属性数据中某一数据项时，在屏幕上显示该数据项相关联的图形。数据项时，在屏幕上显示该数据项相关联的图形。定位查询是最基本的查询功能。定位查询是最基本的查询功能。v2、分层查询、分层查询 v用于查询分层存放的图形数据和属性数据。如当用于查询分层存放的图形数据和属性数据。如当地图的

8、地理要素分成行政界线、交通、水系及居地图的地理要素分成行政界线、交通、水系及居民地等层时，为了提取行政界线可只查询行政界民地等层时，为了提取行政界线可只查询行政界线层。线层。五、空间数据的查询检索五、空间数据的查询检索 v3、区域查询、区域查询 v用于在屏幕上开一窗口或指定一任意多边形区域，用于在屏幕上开一窗口或指定一任意多边形区域，并查询该区域内的所有图形数据及相关的属性数并查询该区域内的所有图形数据及相关的属性数据。此外，也可检索点、线、面的一定范围内的据。此外，也可检索点、线、面的一定范围内的图形数据及相关的属性数据。图形数据及相关的属性数据。v4、条件查询、条件查询 v根据数据项与运算

9、符组成的条件表达式来查询图根据数据项与运算符组成的条件表达式来查询图形数据和属性数据。这里所说的运算符包括：算形数据和属性数据。这里所说的运算符包括：算术运算符术运算符“，”；关系运算符；关系运算符“，”及逻辑运算符及逻辑运算符“，”等等。等等。五、空间数据的查询检索五、空间数据的查询检索 v5、空间关系查询、空间关系查询 它又称拓扑查询。空间目标之间拓扑关系分两类：一种是它又称拓扑查询。空间目标之间拓扑关系分两类：一种是几何元素之间的结构关系，如点、弧段和面之间的关联关几何元素之间的结构关系，如点、弧段和面之间的关联关系，用来描述和表达几何元素间的拓扑数据结构。另一种系，用来描述和表达几何元

10、素间的拓扑数据结构。另一种是空间目标之间的位置关系，用来描述所表达几何元素之是空间目标之间的位置关系，用来描述所表达几何元素之间的分布特征，如邻接关系、包含关系、重叠关系、方向间的分布特征，如邻接关系、包含关系、重叠关系、方向关系等。空间关系查询的目的是检索与指出相关的空间目关系等。空间关系查询的目的是检索与指出相关的空间目标。标。 (1)面面关系。查询并判断两个面状地物之间是否相邻、面面关系。查询并判断两个面状地物之间是否相邻、包含、相交以及方向距离关系。例如查询某一湖泊周围的包含、相交以及方向距离关系。例如查询某一湖泊周围的土地类型，就是查询同湖面相邻接区域的图形属性。土地类型，就是查询同

11、湖面相邻接区域的图形属性。 (2)线一线关系。查询并判断线与线之间是否有邻接、相线一线关系。查询并判断线与线之间是否有邻接、相交、平行、重叠以及方向距离关系。例如，查询河流的支交、平行、重叠以及方向距离关系。例如，查询河流的支流就是查询同主流相交的河流。流就是查询同主流相交的河流。五、空间数据的查询检索五、空间数据的查询检索 v5、空间关系查询、空间关系查询 (3)点点关系。查询并判断点与点之间的距离、方点点关系。查询并判断点与点之间的距离、方向及重叠关系。例如，查询某居民点周围距离小向及重叠关系。例如，查询某居民点周围距离小于于2的商店。的商店。(4)线面关系。查询并判断线与面之间的距离、方

12、线面关系。查询并判断线与面之间的距离、方向、相交及重叠等关系。例如，求通过某县的公向、相交及重叠等关系。例如，求通过某县的公路或某一高速公路所经过的县、市。路或某一高速公路所经过的县、市。(5)点一线关系。查询并判断点与线之间的距离、方点一线关系。查询并判断点与线之间的距离、方向及重叠的关系。例如，查找某一条河流上的桥向及重叠的关系。例如，查找某一条河流上的桥梁或通过某一居民点的公路。梁或通过某一居民点的公路。(6)点一面关系。查询并判断点与面之间的距离、方点一面关系。查询并判断点与面之间的距离、方向及包含关系。例如查找某林区内的消防站。向及包含关系。例如查找某林区内的消防站。六、量算六、量算

13、常用的简单量算有：常用的简单量算有： 累计某个多边形内某种点状要素的数量；累计某个多边形内某种点状要素的数量； 两点之间或点到线的距离；两点之间或点到线的距离； 线的长度和线的非直线系数（曲线长度线的长度和线的非直线系数（曲线长度/ /该线该线 起终点的直线距离）；起终点的直线距离）； 多边形的周长和面积；多边形的周长和面积； 多边形的形心位置；多边形的形心位置； 居住人口的重心位置；居住人口的重心位置； 某施工场地填、挖方的体积等等。某施工场地填、挖方的体积等等。v缓冲区缓冲区（BufferBuffer）分析分析v拓扑叠加分析拓扑叠加分析v逻辑关系分析逻辑关系分析v关系操作：相关和连接关系操

14、作：相关和连接一、缓冲区（一、缓冲区（BufferBuffer）分析）分析 缓冲区是根据数据库中事物的点、线、缓冲区是根据数据库中事物的点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度范围内面实体，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形的缓冲区多边形 。 缓冲区的建立如下图所示，可以在缓冲区的建立如下图所示，可以在任一特征（点、线或多边形）的周围建立任一特征（点、线或多边形）的周围建立缓冲区。缓冲区。 不同类型实体缓冲区的建立不同类型实体缓冲区的建立 二、拓扑叠加分析二、拓扑叠加分析 拓扑叠加分析是把分散在不同层上拓扑叠加分析是把分散在不同层上的空间属性信息按相同的空间位置加到的空间属性信息按相同的

15、空间位置加到一起，合为新的一层。一起，合为新的一层。 该层的属性由被叠加层各自的属性该层的属性由被叠加层各自的属性组合而成。这种组合可以是简单的逻辑组合而成。这种组合可以是简单的逻辑合并的结果，也可以是复杂的函数运算合并的结果，也可以是复杂的函数运算的结果。的结果。 1 1、点与点的叠合、点与点的叠合 点与点的叠合通常是在栅格模型中进行。点与点的叠合通常是在栅格模型中进行。由于栅格模型已把空间事物用网格来描述，栅由于栅格模型已把空间事物用网格来描述，栅格数据库中每个基本单元就是一个点，只要不格数据库中每个基本单元就是一个点，只要不同层之间基本单元的大小、位置可以相互匹配，同层之间基本单元的大小

16、、位置可以相互匹配，叠合就很方便。叠合就很方便。 把许多层上有关点的属性进行组合后放入把许多层上有关点的属性进行组合后放入新的一层，是栅格模型在空间分析上的一大优新的一层，是栅格模型在空间分析上的一大优势。势。2 2、面与面的叠合、面与面的叠合 面与面的面与面的叠合是将两个叠合是将两个多边形层叠加多边形层叠加到一起，合成到一起，合成一个新的多边一个新的多边形层，该层还形层，该层还可以进一步和可以进一步和其他层叠合。其他层叠合。如图：如图：3 3、线与面的叠合、线与面的叠合 线与面的叠合是将一个线与面的叠合是将一个线状要素层或网络状要素层线状要素层或网络状要素层和多边形层叠合。如果网络和多边形层

17、叠合。如果网络层为道路网，可以得到每个层为道路网，可以得到每个多边形内的道路网密度，内多边形内的道路网密度，内部的交通流量，进入、离开部的交通流量，进入、离开各个多边形的交通量，相邻各个多边形的交通量，相邻多边形之间的相互交通量。多边形之间的相互交通量。如果网络为河流，可得到每如果网络为河流，可得到每个多边形内的地表径流量。个多边形内的地表径流量。线与面的叠合一般以拓扑结线与面的叠合一般以拓扑结构的矢量模型比较方便。构的矢量模型比较方便。4 4、点与面的叠合、点与面的叠合 点与面的叠合可以分析每个多边形内某类点与面的叠合可以分析每个多边形内某类点状要素一共有多少，或哪些点落在哪些多边点状要素一

18、共有多少，或哪些点落在哪些多边形内。形内。 这一功能常用于城市中各种服务设施分布这一功能常用于城市中各种服务设施分布情况的分析。情况的分析。 四分树结构的栅格模型，拓扑结构或非拓四分树结构的栅格模型，拓扑结构或非拓扑结构的矢量模型均可方便地实现这一功能。扑结构的矢量模型均可方便地实现这一功能。 常用逻辑运算包括：常用逻辑运算包括：v逻辑交运算逻辑交运算 v逻辑并运算逻辑并运算 v逻辑非运算逻辑非运算三、逻辑关系分析三、逻辑关系分析 用逻辑表达式来分析处理重合点的非几何用逻辑表达式来分析处理重合点的非几何特性之间的逻辑关系，实现对空间数据复合、提特性之间的逻辑关系，实现对空间数据复合、提取、删除

19、等操作。取、删除等操作。四、关系操作四、关系操作: :相关和连接相关和连接 相关相关是利用一个公共项，在两个表的是利用一个公共项，在两个表的相对应记录中建立起联系。相对应记录中建立起联系。 关系连接关系连接是利用一个公共项，将两个是利用一个公共项，将两个表在物理上组合在一起的相关操作。表在物理上组合在一起的相关操作。空间分析示例面域分析空间分析示例面域分析空间分析示例点状要素分析空间分析示例点状要素分析空间分析示例属性查询与分析空间分析示例属性查询与分析 一、执行空间分析的步骤一、执行空间分析的步骤一）建立分析目的和标准一）建立分析目的和标准 以公园选址为例，可能用到的标准有：以公园选址为例，

20、可能用到的标准有： 1 1、公园的位置必须是从主要公路上容易到达的、公园的位置必须是从主要公路上容易到达的, ,但但 又不能太靠近公路，以减少噪声或其它干扰又不能太靠近公路，以减少噪声或其它干扰 2 2、公园应设计成环绕着一条天然的小河流、公园应设计成环绕着一条天然的小河流 3 3、使公园的可利用面积最大，公园中应很少或没、使公园的可利用面积最大，公园中应很少或没 有沿河流分布的沼泽地有沿河流分布的沼泽地 二）准备空间操作的数据二）准备空间操作的数据 这一步骤用于确定和准备分析中所要用到的这一步骤用于确定和准备分析中所要用到的数据。例如：可能需要对存储特殊属性的单位进数据。例如：可能需要对存储

21、特殊属性的单位进行转换（如将以平方英尺为单位存储的面积测量行转换（如将以平方英尺为单位存储的面积测量数据值转换为以英亩为单位存储）数据值转换为以英亩为单位存储）三）进行空间操作三）进行空间操作 空间操作包括建立特征缓冲区，进行拓扑叠加、空间操作包括建立特征缓冲区，进行拓扑叠加、特征提取、特征合并等。特征提取、特征合并等。 对于公园选址的例子来说，对每项标准的说明对于公园选址的例子来说，对每项标准的说明都可以用来确定需要进行的一系列空间操作，如：都可以用来确定需要进行的一系列空间操作，如：“公园的位置必须是从主要公路上容易到达的，公园的位置必须是从主要公路上容易到达的，但又不能太靠近公路，以减少

22、燥声或其它干扰但又不能太靠近公路，以减少燥声或其它干扰”这这段说明可以转换为下面一系列空间操作。这这段说明可以转换为下面一系列空间操作。 如图：如图： 与与说说明明对对应应的的空空间间操操作作1 1、在研究区中确定出主要公路、在研究区中确定出主要公路2 2、沿主要公路产生、沿主要公路产生0.5Km0.5Km宽的缓冲区宽的缓冲区3 3、沿主要公路产生、沿主要公路产生2Km2Km宽的缓冲区宽的缓冲区4 4、去掉宽窄两个缓冲区重叠的部分、去掉宽窄两个缓冲区重叠的部分 “ “公园应设计成环绕着一条天然的小河流公园应设计成环绕着一条天然的小河流”可以转换为：可以转换为：将河流的线段叠加到上面产生的缓冲区

23、的结果上，使二者将河流的线段叠加到上面产生的缓冲区的结果上，使二者相交，从而可以确定位于距公路适当范围内的那些河段。相交，从而可以确定位于距公路适当范围内的那些河段。如图：如图：线状河流与多边形的叠加线状河流与多边形的叠加 “使公园的可利用面积最大，公园中应很少使公园的可利用面积最大，公园中应很少或没有沿河流分布的沼泽地或没有沿河流分布的沼泽地.”.”这段说明可以转换这段说明可以转换为：在一个沼泽地的多边形上，对上面选出的河为：在一个沼泽地的多边形上，对上面选出的河段进行线与多边形的叠加，叠加的结果可以确定段进行线与多边形的叠加，叠加的结果可以确定一些河段，使整个河岸长度都可用于野餐、散步一些

24、河段，使整个河岸长度都可用于野餐、散步等。如图：等。如图：缓冲区与沼泽地数据的叠加缓冲区与沼泽地数据的叠加四）准备表格分析的数据四）准备表格分析的数据五）进行表格分析五）进行表格分析 利用逻辑表达式和算术表达式可以对在第三利用逻辑表达式和算术表达式可以对在第三步中进行的空间操作所获得的新的属性关系进行步中进行的空间操作所获得的新的属性关系进行分析。例如，在第一步中用于公园选址的标准，分析。例如，在第一步中用于公园选址的标准，可以改变成下面的表达式：可以改变成下面的表达式： “公园的位置必须是从主要公路上容易到达的，公园的位置必须是从主要公路上容易到达的，但又不能太靠近公路，以减少燥声或其它干扰

25、。但又不能太靠近公路，以减少燥声或其它干扰。”这段话可以根据沿主要公路建立两个缓冲区，所这段话可以根据沿主要公路建立两个缓冲区，所得到的结果可以改变为：只有那些位于缓冲区所得到的结果可以改变为：只有那些位于缓冲区所确定的范围内的地区，可以考虑做进一步分析。确定的范围内的地区，可以考虑做进一步分析。六）结果的评价和解释六）结果的评价和解释七）如有需要，改进分析七）如有需要，改进分析八）产生结果的最终地图和表格报告八）产生结果的最终地图和表格报告二、空间分析实例二、空间分析实例一）道路拓宽拆迁指标计算一）道路拓宽拆迁指标计算1 1、目的和标准：、目的和标准：目的：了解拆迁房屋的面积和价值目的：了解

26、拆迁房屋的面积和价值标准：拓宽标准：拓宽20206060米，尽量保持直线，部分位于拆迁区内米，尽量保持直线，部分位于拆迁区内 的的1010层以上建筑不拆层以上建筑不拆2 2、准备数据：、准备数据： 道路现状图道路现状图 建筑物分布图建筑物分布图3 3、空间操作：、空间操作：建立道路缓冲区建立道路缓冲区 与建筑物分布图进行叠加与建筑物分布图进行叠加4 4、统计分析：、统计分析： 统计分析部分和全部位于拆迁区内的建筑，将不拆迁统计分析部分和全部位于拆迁区内的建筑，将不拆迁的的1010层以上建筑从中删除，然后统计位于拆迁区内的建筑层以上建筑从中删除，然后统计位于拆迁区内的建筑面积和价值面积和价值5

27、5、打印输出表格、打印输出表格二）辅助建设项目选址二）辅助建设项目选址1 1、目的和标准：、目的和标准：目的：将建设项目选在最佳位置目的：将建设项目选在最佳位置标准：面积标准：面积1 1万万m m2 2 地价地价50005000元元/m/m2 2 地块周围不能地块周围不能 有小学、幼儿园等有小学、幼儿园等2 2、准备数据：、准备数据： 地块数据（含地价属性）地块数据（含地价属性） 小学、幼儿园等公共设施分布图小学、幼儿园等公共设施分布图3 3、空间操作：、空间操作：选择地块：选择地块：查询面积查询面积1 1万万m m2 2地块地块 地价地价50005000元元/m/m2 2 将满足上述两条件的

28、地块提取出来将满足上述两条件的地块提取出来邻域分析：将学校等公共设施的信息叠加到选中地块的层邻域分析：将学校等公共设施的信息叠加到选中地块的层 次上进行分析次上进行分析4 4、统计分析：、统计分析： 将满足条件的地块选出来将满足条件的地块选出来5 5、打印输出图形或表格、打印输出图形或表格第四节第四节 数字地形模型数字地形模型一、一、DTM和和DEM 数字地形模型数字地形模型(Digital Terrain Model，简，简称称DTM)，是在空间数据库中存储并管理的空间，是在空间数据库中存储并管理的空间地形数据集合的统称。是带有空间位置特征和地形数据集合的统称。是带有空间位置特征和地形属性特

29、征的数字描述。地形属性特征的数字描述。 数字高程模型数字高程模型（Digital Elevation Model，简称简称 DEM）是给二维的点、线、面赋予特殊的）是给二维的点、线、面赋予特殊的属性：高程，使其变为三维的表面模型。属性：高程，使其变为三维的表面模型。二、二、DTMDTM的表示方法：的表示方法： 主要有规则格网（主要有规则格网（GRID）表示法和）表示法和不规则三角网不规则三角网(TIN)表示法，此外还有离表示法，此外还有离散点表示法和数学分块曲面表示法。散点表示法和数学分块曲面表示法。 TIN三角网三角网vTIN存储方式：存储方式：129758103641763245981110vTIN存储方式：存储方式：No122334455963718:9378386NoP1P2P3112321343451:：11678坐标与高程值表三角形表NoXYZP190.010.043.51250.710.067.35367.223.962.68:1010.090.081.036DTMDTM的应用的应用等高线绘制等高线绘制DTMDTM的应用的应用透视图的绘制透视图的绘制DTMDTM的应用的应用渲染图的制作渲染图的制作DTMDTM的