空间信息整理

1、空间分析的定义：是对数据的空间信息，属性信息或者二者共同信息的统计描述或说明。空间分析的本质特征：1，探测空间数据中的模式；2，研究空间数据间的关系并建立相应的空间数据模型；3，提高适合于所有观察模式处理过程的理解；4，改进发生地理空间事件的预测能力和控制能力。空间目标是空间分析的具体研究对象。具有空间位置，分布，形态，空间关系等基本特征。空间分析的根本目标：是建立有效的空间数据模型来表达地理实体的空间特性，发展面向应用的时空分析模拟方法，以数字方式动态地，全局地描述地理实体和地理现象的空间分布关系，从而反应地理实体的内在规律和变化趋势，GIS空间分析是对空间数据的一种增值操作。GIS（地理信

2、息系统）是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间和地理分布有关的数据的计算机空间信息系统空间分析是地理信息系统的核心和灵魂。空间分析是地理信息系统的主要特征，是评价一个地理信息系统的主要指标之一GIS的基本功能包括：空间数据采集与编辑、空间数据处理与变换、空间数据存储与管理、空间数据分析、空间数据输出与显示、GIS二次开发空间分析中的理论：1，空间关系理论 2，空间认知理论 3，空间推理理论 4，空间数据模型理论 5，地理信息机理理论 6，地理信息不确定性理论空间关系可以由空间现象的几何特性引起，如距离、方位、连通性、相

3、似性等，可以由空间现象的几何特性和非几何特性共同引起，如空间分布现象的统计相关、空间自相关、空间相互作用、空间依赖等，可以完全由空间现象的非几何属性所导出的空间关系。 空间关系的类型：分为顺序关系、度量关系和拓扑关系三大类型，相离关系，邻近关系拓扑空间关系是指拓扑变换下的拓扑不变量，如空间目标的相邻和连通关系。 地理空间认知(geospatial cognition)：日常生活中，人类如何逐步理解地理空间，进行地理分析和决策。包括：地理信息的知觉、编码、存储、以及和解码等一系列心理过程。地理信息科学的三大战略领域：（1）地理空间认知模型研究、（2）地理概念计算方法研究、（3）地理信息与社会研究

4、。地理空间认知的研究内容：Ø 主要研究内容：地理知觉、地理表象、地理概念化、地理知识的心理表征、地理空间推理，Ø 涉及地理知识的获取、存储与使用等。地理空间推理的概念Ø 空间推理是指利用空间理论和人工智能技术对空间对象进行建模、描述和表示，并据此对空间对象间的空间关系进行定性或定量分析和处理。Ø 空间推理被广泛应用于地理信息系统、机器人导航、高级视觉、自然语言理解、工程设计和物理位置的常识推理等方面，并且正在不断向其他领域渗透，其内涵非常广泛。Ø 空间推理的研究在人工智能中占有很重要的地位，是人工智能领域的一个研究热点，也是GIS领域的一个重要

5、研究热点。地理空间推理的特点1， 空间推理是以空间和存在于空间中的空间对象为研究对象。2， 在空间推理过程中运用人工智能技术和方法。3， 空间推理处理的是一个或几个推理的问题。4， 空间推理是基于空间和存在于空间中的空间对象已经被建模的前提下，不能在没有模型的情况下讨论空间推理。5， 空间推理必须能够给出关于空间和存在于空间中的空间对象的定性或定量的推理结果。6， 空间推理必须能够描述空间行为。7， 空间推理模型把问题分解为几个组成部分时，必须能够描述这些组成部分的相互作用8，在空间推理过程中，可能用到空间谓词，空间中确定的点使某些空间谓词为真， 而使另一些空间谓词为假。8， 空间推理应该能够

6、处理带有模糊性和不确定性的空间信息。9， 空间推理中应该能够添加和处理时间因素，即成为时空推理。10， 空间推理应该具有空间自然语言理解能力。地理空间推理的研究内容1） 根据空间目标的位置，基于给定的空间关系形式化表示模型，推断空间目标之间的空间关系。2） 根据空间目标之间的已知基本空间关系，推断空间目标之间未知的空间关系。3） 利用空间推理，从空间数据库挖掘空间知识，也可利用事件推理的方法进行空间目标的模糊查询。4） 基于常识的空间推理研究5） 时空推理6） 定性空间推理空间数据是指用来表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征等方面信息的数据，具有定位、定性、时间和空间关系等特征。

7、6; 定位：在已知坐标系里目标具有唯一的空间位置；Ø 定性：指空间目标的自然属性，伴随目标的空间位置；Ø 时间：空间目标是随时间的变换而变化的；Ø 空间关系：空间目标间的相互关系，一般指拓扑关系。空间数据是用点、线、面、体表示人们赖以生存的自然世界的数据。空间数据的特征：1，空间性 2，抽样性 3，概括性 4，多态性 5，多是空性空间数据的两种表示模型：栅格模型和矢量模型空间数据模型：是关于GIS中空间数据组织的概念，反映显示世界中的空间实体，及其相互之间的联系，为空间数据组织和空间数据库模式设计提供基本的概念和方法。GIS数据模型的三个层次：Ø 概念数

8、据模型Ø 逻辑数据模型Ø 物理数据模型n GIS中的信息模型：Ø 基于对象的模型：Ø 网络模型：表示对象之间的交互，如水或者交通流Ø 场模型：表示在二维或者三维空间中被看作是连续变化的数据。场模型具有以下特点：1，空间结构特征和属性域 2，连续的，可微的，离散的 3，各向同性和各向异性 4，空间自相关l 基于要素的空间信息模型把信息空间分解为对象(object)或实体(entity)。l 一个实体必须符合三个条件：l 可被识别l 重要(与问题相关)l 可被描述(有特征)实体的特征可以通过静态属性(如城市名)、动态行为特征和结构特征来描述。网络是

9、用于实现资源的运输和信息的交流的相互联接的线性特征。网络模型是对现实世界网络的抽象。网络由链(Link)、结点(Node)、站点(Stop)、中心(Center)和转向点(Turn)组成。网络模型的典型例子就是研究交通：陆上、海上及航空线路，管线与隧道分析，水、油及电力的流动等。网络模型把地物抽象为链和节点，同时要关注其间的连通关系。网络模型要考虑多个要素之间的影响和交互。现象的精确形状并不重要，重要的是具体现象之间的距离或者阻力的度量。n 网络模型存在的问题：1， 网状结构复杂，增加了用户查询和定位的困难。要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自身所处的位置；2， 网状数据操作命令具有过程式性质；

10、3， 不直接支持对于层次结构的表达；4， 基本不具备演绎功能；5， 基本不具备操作代数基础。n 网络组成要素：1， 链(Link)：链构成了网络模型的框架。2， 结点(Node)：链的终止点。3，站点(Stops)：4，中心(Center)：5，拐点(Turn)：常用的网络模型：n 网络跟踪(Trace)n 路径选择(Path Finding)n 资源分配(Allocate)n 地址编码与匹配n 选址和分区(Location-Allocation)分析n 空间相互作用和引力模型栅格数据的聚类、聚合分析均是指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

11、。也有人将这种分析方法称之为栅格数据的单层面派生处理法。栅格数据的聚类分析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 格数据系统的方法。可以分为：（1）单一层面的栅格数据聚类分析（2）多个层面的栅格数据聚类分析单一层面的栅格数据聚类分析是指根据设定的某种聚类条件对单一层面的栅格数据进行有选择的信息提取，从而建立新的栅格数据系统的方法 。多层面的栅格数据聚类分析下面以K均值聚类算法为例说明多层面栅格数据的聚类分析方法。假设要将栅格数据聚成 k：类， 聚类方法 如下第一步：选取聚类中心第二步：计算栅格单元到聚类中心的距离第三步：由第二步结果计算新的聚类中心第四步：结果检验按

12、照以上方法可以实现多层面的栅格数据的聚类分析。栅格数据的聚合分析是指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。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。当从小区域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像处理中的应用是十分普遍的。例如，由数字高程模型转换为数字高程分级模型便是空间数据的聚合；而从遥感数字图像信息中提取其中某一地物的方法则是栅格数据的聚类。如图为将数字高程模型转换为数字高程分级模型的示意图，左图为某地区的数字高程模型数据，右图为利用聚合分析得到的数字高

13、程分级模型。栅格数据的追踪分析是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 踪线索进行目标追踪或者轨迹追踪，以便进行信息提取的空间分析方法。追踪分析方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、污染水源的追踪分析等方面都发挥着十分重要的作用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，或与其他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。按照分析窗口的形状，可以将分析窗口划分为以下类型（1） 矩形窗 口（2） 圆形窗口（3） 环形窗口（4） 扇形窗

14、口栅格数据常规的统计分析类型主要包括以下几个方面：（1）最大值；（2）最小值：（3）均值；（4） 中值；（5）范围；（6）总和；（7）方差；（8）频数；（9）众数等。矢量数据模型把GIS数据组织成点、线、面几何对象的形式，是基于对象实体模型的计算机实现，对有确定位置与形状的离散要素是理想的表示方法n 矢量数据模型用坐标点构建空间要素，把空间看作是由不连续的几何对象组成的。构建矢量数据模型：首先用简单的几何对象(点、线、面)表示空间要素；然后明确地表达空间要素之间的相互关系；第三，数据文件的逻辑结构必须恰当，使计算机能够处理空间要素及其相互关系；第四，陆地表面数据、重叠的空间要素和路网适于用简单

15、几何对象的组合来表示 。空间要素可以表示为点、线或面几何对象。Ø 点对象：表示零维的、只有位置性质的空间要素 节点或折点Ø 线对象：一维的，有长度特性的空间要素。 轮廓(edge)、链路(link)或链(chain)Ø 面对象：二维的且有面积和边界性质的空间要素。 多边形(polygon)、区域(region)或地带(zone)矢量数据模型的基本单元是点及点的坐标。矢量数据的缓冲区分析l 缓冲：基于近邻的概念把空间分为两个区域:Ø 位于所选空间要素的指定距离之内(缓冲区)Ø 位于所选空间要素的指定距离之外 空间要素可以是点、线、面或复杂要素。l

16、 应用：u 公共设施的选址，确定服务半径等点缓冲问题u 河流两侧灌溉区域的确定线缓冲问题u 公园向周围扩展面缓冲问题缓冲区分析是基于空间目标拓扑关系的距离分析。u 基本思想：给定一个空间目标，确定它们的某邻域，邻域的大小由邻域半径决定。l 缓冲区分析包括两个部分：u 缓冲区域的生成；u 在缓冲区域内进行的各种统计分析或查询分析。缓冲区分析算法的关键：u 缓冲区的生成；u 多个缓冲区的合并。l 静态缓冲区：u 空间目标对邻近对象的影响呈现单一的距离关系。l 动态缓冲区：u 空间目标对邻近对象的影响呈现不同强度的扩散或衰减关系。如污染对周围环境的影响呈现梯度变化l 动态缓冲区生成： 不能简单地设定

17、距离参数，需要根据空间目标的特点和要求选择合适的方法。 动态缓冲区的生成针对两类特殊情况： 流域问题 污染问题 l 流域问题中的动态缓冲区生成问题：基于线目标的缓冲区生成算法： 用分段处理的办法分别生成各流域分段的缓冲区，然后按某种规则将各分段缓冲区光滑连接基于点目标的缓冲区生成算法： 用逐点处理的办法分别生成沿线各点的缓冲圆，然后求出缓冲圆序列的两两外切线，所有外切线相连。l 污染问题中的动态缓冲区生成 污染源对邻近对象的影响程度随距离的增大而逐渐缩小。 可根据物体对周围空间影响度变化的性质，引入一个影响度参数来确定缓冲区半径的动态变化。 生成动态缓冲区的类似问题：城市辐射影响分析、矿山开采

18、影响分析等。DTM与DEM的区别：DEM是DTM的一个特例或者子集，DEM是DTM中最基本的部分，是对地球表面地形地貌的一种离散的数学表达。DEM的应用领域： 测绘：绘制等高线、坡度图、坡向图、立体透视图、立体景观图，制作正射影像图、立体匹配图、立体地形模型及地图的修测等。 工程应用：体积和面积的计算、各种剖面图的绘制及线路的设计等。 军事：导航、通讯、作战任务的计划等。 遥感：分类的辅助数据。 环境与规划：土地现状分析、规划及洪水险情预报等 DEM的具体应用： 国家地理信息的基础数据：DEM是国家空间数据基础设施NSDI的框架数据组成部分，是“4D产品”（数字线划地图(DLG)、数字正射影像

19、图(DOM)、数字高程模型(DEM)和数字地形模型(DTM)）之一。 土木工程、景观建筑与矿山工程的规划与设计； 军事目的(军事模拟等)的地表三维显示； 景观设计与城市规划； 水流路径分析、可视性分析； 交通路线的规划与大坝的选址； 不同地表的统计分析与比较； 生成坡度图、坡向图、剖面图，辅助地貌分析，估计侵蚀和径流等； 作为背景数据叠加各种专题信息，如土壤、土地利用及植被覆盖数据等，便于显示与分析。 三维可视化是三维GIS的基本功能。在进行三维分析时，数据的输入和对象的选择都涉及到三维对象的可视化。 三维可视化是运用计算机图形学和图像处理技术，将三维空间分布的复杂对象(如地形、模型等)或过程转换为图