第五章 空间的原理与方法2

1、第五章第五章 空间分析的原理与方法空间分析的原理与方法 学习目标学习目标掌握空间分析基本概念掌握空间分析基本概念理解数字地面模型的概念及数字地面模型的应用理解数字地面模型的概念及数字地面模型的应用理解叠置分析的概念和类型，掌握多边形叠置分析的步理解叠置分析的概念和类型，掌握多边形叠置分析的步骤和方法骤和方法理解缓冲区的概念和作用，并能说明其应用方法理解缓冲区的概念和作用，并能说明其应用方法了解网络分析在地学中的主要用途了解网络分析在地学中的主要用途了解空间信息分类和统计分析方法了解空间信息分类和统计分析方法 重点：矢量数据分析方法，栅格数据分析方法重点：矢量数据分析方法，栅格数据分析方法第五章

2、第五章 空间分析的原理与方法空间分析的原理与方法 第一节第一节 空间分析概述空间分析概述第二节第二节 数字地面模型分析数字地面模型分析第三节第三节 空间叠合分析空间叠合分析第四节第四节 空间缓冲区分析空间缓冲区分析第五节第五节 空间网络分析空间网络分析第六节第六节 空间统计分析空间统计分析第七节第七节 空间数据的集合分析和查询空间数据的集合分析和查询第一节 空间分析概述 空间分析是GIS系统的重要功能之一,是GIS系统与计算机辅助绘图系统的主要区别。空间分析的对象是一系列跟空间位置有关的数据，这些数据包括空间坐标和专业属性两部分。其中空间坐标用于实体的空间位置和几何形态，专业属性则是实体某一方

3、面的性质。 字面定义：空间数据的分析和数据的空间分析空间数据分析l描述空间对象的非空间特性l方法：概率、数理统计等数学方法l特点：w几何特征不是主要限制因子（例：聚类分析）w数据处理与一般的数据统计分析基本一致w分析结果依托于地理空间，描述的是空间过程，揭示空间规律和机制。空间分析定义数据空间分析l描述空间对象的空间位置、关系，对空间对象进行定量描述l方法：空间统计学、图论、拓扑学、计算几何等。l特点：w非严格意义的分析，是空间事物的描述和说明，特征提取和参数计算w回答是什么、在那里、有多少和怎么样，并不回答为什么。定义：定义：空间分析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

4、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、空间形成和空间演变等信息。1 1、咨询式空间分析、咨询式空间分析实现空间数据的查询检索及集合分析。实现空间数据的查询检索及集合分析。2 2、产生式空间分析、产生式空间分析基于基于GISGIS中拓朴关系和空间操作运算、空间统中拓朴关系和空间操作运算、空间统计分析，及将计分析，及将GISGIS作为通用工具同其它专业模作为通用工具同其它专业模型结合，实现空间数据的模拟和分析。型结合，实现空间数据的模拟和分析。空间分析的一般分类空间分析的主要内容空间位置： 借助于空间坐标系传递空间对象的定位信息，是空间对象表述的研究基础，即投影与转

5、换理论。空间分布：同类空间对象的群体定位信息，包括分布、趋势、对比等内容。空间形态：空间对象的几何形态空间距离：空间物体的接近程度空间关系：空间对象的相关关系，包括拓扑、方位、相似、相关等。q空间分析和空间模型是不同层次上的概念q空间分析是基本的，解决一般问题的理论和方法，空间模型是复杂的，解决专门问题的理论和方法。例：工厂选址与水库选址，水土流失q应用模型无可枚举，而空间分析技术是有限的。 空间图形数据的拓扑运算； 非空间属性数据运算； 空间和非空间数据的联合运算。 q应用模型建立过程比较复杂，有些还不能用数学方法描述，空间分析技术为解决复杂的应用模型提供基本的分析工具。q空间分析和空间模型

6、是零件和机器的关系空间分析和空间模型DTMDTM的概念的概念 数字地面模型数字地面模型 (Digital Terrain Models, (Digital Terrain Models, 缩写缩写DTM)DTM)是描述地面诸特性空间分布的有序数值陈列，在是描述地面诸特性空间分布的有序数值陈列，在最通常的情况下，所论的地面特性是高程最通常的情况下，所论的地面特性是高程Z Z，它的空间，它的空间分布由分布由X X、Y Y水平坐标系统来描述，也可由经纬度（水平坐标系统来描述，也可由经纬度（ ， ）来描述海拔高程的分布。）来描述海拔高程的分布。 第二节 数字地面模型分析 特别值得特别值得注意注意的是：

7、数字地面模型可以包括除高程以的是：数字地面模型可以包括除高程以外诸如地价、土地权属、土壤类型、岩层深度以及土地利外诸如地价、土地权属、土壤类型、岩层深度以及土地利用等其它地面特性信息的数字数据。用等其它地面特性信息的数字数据。 当数字地面模型所记的地面特征为高程当数字地面模型所记的地面特征为高程Z Z时，称之为时，称之为数字数字高程模型高程模型（Digital Elevation Model, Digital Elevation Model, 缩写缩写DEMDEM）。）。 DEMDEM（ Digital Elevation ModelDigital Elevation Model）是地表单元上

8、高程的是地表单元上高程的集合，是地貌形态的离散表示。集合，是地貌形态的离散表示。DEM是DTM的一个子集。DEM是构成DTM的基础，DTM的其他元素均有DEM导出。显然，DEM的质量好坏直接决定着DTM的精确性。本章重点介绍这种以高程为地面特征的数字地面模型及其地形分析。 数字高程模型的用途数字高程模型的用途 （1 1）在国家地形数据库中存储数字地形图的高程数据；）在国家地形数据库中存储数字地形图的高程数据； （2 2）在道路等工程设计中计算挖填土石方量；）在道路等工程设计中计算挖填土石方量； （3 3）显示三维地面景观；）显示三维地面景观； （4 4）线路、坝址的自动选定，以及库容、淹没损失

9、的计算；）线路、坝址的自动选定，以及库容、淹没损失的计算； （5 5）与遥感图像复合，以提高分类精度和进行图像几何畸变的校）与遥感图像复合，以提高分类精度和进行图像几何畸变的校正；正； （6 6）地形因子（坡度、坡向、粗糙度等）的自动提取，进行地貌）地形因子（坡度、坡向、粗糙度等）的自动提取，进行地貌分析；分析； （7 7）地表形态的自动分类；）地表形态的自动分类； （8 8）不同地面的比较和统计分析；）不同地面的比较和统计分析； （9 9）越野通视情况分析（为军事和土地景观规划等目的服务）；）越野通视情况分析（为军事和土地景观规划等目的服务）； （1010）在气候分析中计算山区日照量，应用于

10、起伏地区的风场模）在气候分析中计算山区日照量，应用于起伏地区的风场模型等；型等； （1111）土壤地理研究中应用于土壤侵蚀量，产沙量计算等。）土壤地理研究中应用于土壤侵蚀量，产沙量计算等。DEMDEM的建立与表示的建立与表示 DEMDEM的数据源及数据采集的数据源及数据采集 1 1、航空或航天遥感图像、航空或航天遥感图像 这种方法以航空或航天遥感立体像对为数据源，这种方法以航空或航天遥感立体像对为数据源，用摄影测量的方法建立空间地形立体模型，量取密集用摄影测量的方法建立空间地形立体模型，量取密集数字高程数据，建立数字高程数据，建立DEMDEM。采集数据的摄影测量仪器包。采集数据的摄影测量仪器包

11、括各种解析的和数字的摄影测量与遥感仪器。括各种解析的和数字的摄影测量与遥感仪器。 2 2、地形图、地形图 主要以国家近期地形图为数据源，从中量取中等密主要以国家近期地形图为数据源，从中量取中等密度地面点集的数字高程，建立度地面点集的数字高程，建立DEMDEM。其方法有下列几种：。其方法有下列几种： 1 1）手工方法手工方法 采用方格膜片、网点板或带刻划的平移采用方格膜片、网点板或带刻划的平移角尺叠置在地形上，并使地形图的格网与网点板或膜片角尺叠置在地形上，并使地形图的格网与网点板或膜片的格网线逐格匹配定位，自上而下，逐行从左到右量取的格网线逐格匹配定位，自上而下，逐行从左到右量取高程。当格网交

12、点落在相邻等高线之间时，用目视线性高程。当格网交点落在相邻等高线之间时，用目视线性内插方法估计高程值。这种方法获取的是规则的格网内插方法估计高程值。这种方法获取的是规则的格网DEMDEM，它的优点是几乎不需要购置仪器设备，而且操作简便。它的优点是几乎不需要购置仪器设备，而且操作简便。 2 2）手扶跟踪数字化仪采集手扶跟踪数字化仪采集 采集方式有：沿主要等高线采采集方式有：沿主要等高线采集平面曲率极值点，并选采高程注记点和线性加密点作补集平面曲率极值点，并选采高程注记点和线性加密点作补充；逐条等高线的线方式连续采集样点，并采集所有高程充；逐条等高线的线方式连续采集样点，并采集所有高程注记点作补充

13、，这种方式适用于等高线较稀疏的平坦地区；注记点作补充，这种方式适用于等高线较稀疏的平坦地区；沿计曲线和坡折线采集曲率极值点，并补采峰鞍线和水沿计曲线和坡折线采集曲率极值点，并补采峰鞍线和水边线的支撑点，分别以等高线，峰鞍链和边界链格式存边线的支撑点，分别以等高线，峰鞍链和边界链格式存储。储。 3 3）扫描数字化仪采集扫描数字化仪采集 这种方式采集速度最快，但数据编这种方式采集速度最快，但数据编辑修改较为复杂。辑修改较为复杂。 3 3、地面实测记录、地面实测记录 用电子速测仪（全站仪）和电子手簿或测距用电子速测仪（全站仪）和电子手簿或测距经纬仪配合笔记本电脑，在已知点位的测站上，观测到经纬仪配合

14、笔记本电脑，在已知点位的测站上，观测到目标点的方向、距离和高差三个要素。计算出目标点的目标点的方向、距离和高差三个要素。计算出目标点的x,y,zx,y,z三维坐标，存储于电子手簿或袖珍计算机中，成三维坐标，存储于电子手簿或袖珍计算机中，成为建立为建立DEMDEM的原始数据。的原始数据。 这种方法一般用于建立小范围大比例尺（比这种方法一般用于建立小范围大比例尺（比例尺大于例尺大于1 1：50005000）区域的）区域的DEMDEM，对高程的精度要求较高。，对高程的精度要求较高。另外气压测高法获取地面稀疏点集的高程数据，也可用另外气压测高法获取地面稀疏点集的高程数据，也可用来建立对高程精度要求不高

15、的来建立对高程精度要求不高的DEMDEM。 DEMDEM的表示的表示1 1、规则格网表示法、规则格网表示法 我们通常见到的是规则格网的我们通常见到的是规则格网的DEMDEM，它可以表示为高程，它可以表示为高程矩阵。矩阵。 DEM=Hij, i=1,2,3DEM=Hij, i=1,2,3,m-1,m ,m-1,m （4-194-19） j=1,2,3j=1,2,3,n-1,n,n-1,n 规则格网的规则格网的DEMDEM来源于直接规则矩形格网采样点或来源于直接规则矩形格网采样点或由规则或不规则离散数据点内插产生。由于计算机对矩阵由规则或不规则离散数据点内插产生。由于计算机对矩阵的处理比较方便，特

16、别是以栅格为基础的的处理比较方便，特别是以栅格为基础的GISGIS系统中高程系统中高程矩阵已成为矩阵已成为DEMDEM最通用的形式。最通用的形式。 高程矩阵特别有利于各种应用，但规则的格网系统也高程矩阵特别有利于各种应用，但规则的格网系统也有有缺点缺点, ,主要有：主要有： （1 1）地形简单的地区存在大量冗余数据；）地形简单的地区存在大量冗余数据； （2 2）如不改变格网大小，则无法适用于起伏程度不同）如不改变格网大小，则无法适用于起伏程度不同的地区；的地区； （3 3）由于栅格过于粗略，不能精确表示地形的关键特）由于栅格过于粗略，不能精确表示地形的关键特征，如山峰、洼坑、山脊、山谷等。征，

17、如山峰、洼坑、山脊、山谷等。 为了压缩栅格为了压缩栅格DEMDEM数据，可采用一些压缩编码记录方数据，可采用一些压缩编码记录方式，如游程编码、四叉树编码等。式，如游程编码、四叉树编码等。2 2、不规则三角网（、不规则三角网（TINTIN）表示法）表示法 不规则三角网不规则三角网（Triangulated Irregular Network, Triangulated Irregular Network, 缩写缩写TINTIN）：专为产生）：专为产生DEMDEM数据而设计的一种采样表示系统，数据而设计的一种采样表示系统，属于三角形剖分。它克服了高程矩阵中冗余数据的问题，属于三角形剖分。它克服了高

18、程矩阵中冗余数据的问题，而且能更加有效地用于各类以而且能更加有效地用于各类以DEMDEM为基础的计算。因为为基础的计算。因为TINTIN可根据地形的复杂程度来确定采样点的密度和位置，能充可根据地形的复杂程度来确定采样点的密度和位置，能充分表示地形特征点和线，从而减少了地形较平坦地区的数分表示地形特征点和线，从而减少了地形较平坦地区的数据冗余。据冗余。 3 3、数学分块曲面表示法、数学分块曲面表示法 这种方法把地面分成若干个块，每块用一种数学函这种方法把地面分成若干个块，每块用一种数学函数，如傅立数，如傅立 叶级数多次多项式、随机布朗运动函数等，叶级数多次多项式、随机布朗运动函数等，以连续的三维

19、函数高平滑度地表示复杂曲面，并使函数曲以连续的三维函数高平滑度地表示复杂曲面，并使函数曲面通过离散采样点。面通过离散采样点。 这种近似数学函数表示的这种近似数学函数表示的DEMDEM不太适合于制图，但广不太适合于制图，但广泛用于复杂表面模拟的机助设计系统。泛用于复杂表面模拟的机助设计系统。 DEMDEM的地形分析的地形分析 （一）地形因子的提取及分析一）地形因子的提取及分析1 1、坡度和坡向分析、坡度和坡向分析坡度：水平面与过该点的切面之间夹角的正切值；坡度：水平面与过该点的切面之间夹角的正切值；坡向：坡面法线在水平面上的投影与正北方向的夹角。坡向：坡面法线在水平面上的投影与正北方向的夹角。

20、2 2、地表粗糙度的计算、地表粗糙度的计算 地表粗糙度地表粗糙度是反映地表的起伏变化和侵蚀程度的指标。一般定义一般定义为地表单元的曲面面积与其在水平面上的投影面积为地表单元的曲面面积与其在水平面上的投影面积之比。之比。但这种定义不适合光滑而倾角不同的斜面的粗糙度的计算。实际应用中实际应用中，以格网顶点空间对角线，以格网顶点空间对角线L1L1和和L2L2的中点距的中点距离离D D来表示地表粗糙度来表示地表粗糙度，D值愈大，说明4个顶点的起伏变化愈大。 jijijijijijijijijizzzzzzzzDR),1() 1( ,) 1( ),1(),1() 1( ,) 1( ),1(,2122 3

21、 3、高程变异分析、高程变异分析 高程分析包括高程分析包括平均高程平均高程和和相对高程相对高程的计算。通常以格网的计算。通常以格网的的4 4个顶点个顶点P Pk k(k=1,2,3,4)(k=1,2,3,4)的高程平均值定义为该格网单元的高程平均值定义为该格网单元的平均高程，即的平均高程，即 以格网的平均高程与研究区域某一最低点高程以格网的平均高程与研究区域某一最低点高程z zminmin之差之差定义为该单元的相对高程，即定义为该单元的相对高程，即 高程变异高程变异是反映地表单元格网各顶点高程变化的指标，是反映地表单元格网各顶点高程变化的指标，以格网单元顶点的标准差与平均高程的比值来表示，即以

22、格网单元顶点的标准差与平均高程的比值来表示，即 其中，标准差其中，标准差zz Pkk1414()DzzzminVSz/Szzpkk142141 2()/ 4 4、谷脊特征分析、谷脊特征分析 谷和脊是地表形态结构中的重要部分。谷是地势相对最谷和脊是地表形态结构中的重要部分。谷是地势相对最低点的集合，脊是地势相对最高点的集合。在栅格低点的集合，脊是地势相对最高点的集合。在栅格DEMDEM中，中，可按照下列判别式直接判定谷点和脊点：可按照下列判别式直接判定谷点和脊点： （1 1）当）当(z(zi,(j-1)i,(j-1)-z-zi,ji,j) )(z(zi,(j+1)-i,(j+1)-z zi,ji

23、,j)0)0时时 若若z zi,(j+1)i,(j+1)zzi,ji,j，则，则VRVR(i,j)(i,j)=-1=-1 若若z zi,(j+1)i,(j+1)z0)0时时 若若z z(i+1),j(i+1),jzzi,ji,j，则，则VRVR(i,j)(i,j)=-1=-1 若若z z(i+1),j(i+1),jzzi,ji,j，则，则VRVR(i,j)(i,j)=1=1 (3) (3) 在其它情况下，在其它情况下，VRVR(i,j)(i,j)=0=0 （二）地表地貌形态的自动分类（二）地表地貌形态的自动分类 在在DEMDEM数据库的基础上进行地形的自动分类，首先是数据库的基础上进行地形的自

24、动分类，首先是根据区域的地形地貌特点，拟定分类决策表，然后按照自根据区域的地形地貌特点，拟定分类决策表，然后按照自动提取地形类型信息的流程，进行区域的地形分类动提取地形类型信息的流程，进行区域的地形分类 DTMDTM计算地表形态要素计算地表形态要素高程、相对高程、高程、相对高程、坡度、坡向等坡度、坡向等地形自动分类地形自动分类拟定地形分类决策表拟定地形分类决策表（三）地形剖面图的绘制（三）地形剖面图的绘制 DEMDEM表示了一个区域地形的整体状况。在应用中经表示了一个区域地形的整体状况。在应用中经常需要了解从地面上一点至另一点沿途的地形变化情况，常需要了解从地面上一点至另一点沿途的地形变化情况

25、，如地貌轮廓形状、斜坡特征、地表切割强度等，这就需要如地貌轮廓形状、斜坡特征、地表切割强度等，这就需要绘制地形剖面图。绘制地形剖面图。 第三节 空间叠合分析 空间叠合分析空间叠合分析是指在统一空间参照系统条件下，每次将同是指在统一空间参照系统条件下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。 因此，叠置后产生的新的图形属性就是原叠置相应位置处的图形对应属性的函数，可用下述关系式表达： u=f(A,B,C,) 式中u 表示叠置后图形的属

26、性，A,B,C,表示原叠置层的图形的属性，f函数取决于各层上的属性与用户需要之间的关系。 空间合成叠合：空间合成叠合：通过区域多重属性的模拟，寻找和确定通过区域多重属性的模拟，寻找和确定同时具有几种地理属性的分布区域，或者按照确定的地同时具有几种地理属性的分布区域，或者按照确定的地理指标，对叠置后产生的具有不同属性级的多边形进行理指标，对叠置后产生的具有不同属性级的多边形进行重新分类或分级。因此，合成叠置的结果为新的多边形重新分类或分级。因此，合成叠置的结果为新的多边形数据文件。数据文件。空间统计叠合：空间统计叠合：精确的计算一种要素在另一种要素的某精确的计算一种要素在另一种要素的某个区域多边

27、形范围内的分布状况和数量特征，或提取某个区域多边形范围内的分布状况和数量特征，或提取某个区域范围内某种专题内容的数据，因此，叠置的结果个区域范围内某种专题内容的数据，因此，叠置的结果为统计报表或列表输出为统计报表或列表输出目的目的空间合成叠合空间合成叠合的目的是通过区域多重属性的模拟，寻找和确的目的是通过区域多重属性的模拟，寻找和确定同时具有几种地理属性的分布区域，或是按照确定的地定同时具有几种地理属性的分布区域，或是按照确定的地理指标，对叠置后产生的具有不同属性的多边形进行重新理指标，对叠置后产生的具有不同属性的多边形进行重新分类或分级。分类或分级。空间统计叠合空间统计叠合的目的，是为了精确

28、地计算一种要素（例如土的目的，是为了精确地计算一种要素（例如土地利用）在另一种要素（例如行政区域）的某个区域多边地利用）在另一种要素（例如行政区域）的某个区域多边形范围内的分布状况和数量特征（如某一乡拥有的土地利形范围内的分布状况和数量特征（如某一乡拥有的土地利用类型数、各类型的面积及其所占面积的百分比等），或用类型数、各类型的面积及其所占面积的百分比等），或是提取某个区域范围内某种专题内容的数据。是提取某个区域范围内某种专题内容的数据。 ABCD1232A2B3B1C2C3D2D1A1Dafdceb123区域类型数面积a,b,c,.12.44.a,b,d,f,.a,d,c,e,. . . .

29、 图图4-5 合成叠合示意图合成叠合示意图 图图4-6 统计叠合示意图统计叠合示意图 两种叠置方法的结果是不一样的两种叠置方法的结果是不一样的，如图如图4-54-5和和图图4-64-6所示，合成叠置得到的是新的多边形图层，所示，合成叠置得到的是新的多边形图层，而统计叠置得到的是统计报表。而统计叠置得到的是统计报表。 叠 置 分 析 统 计 示 意 图叠置图某县土地报表基于矢量数据的叠合分析基于矢量数据的叠合分析 一、点与多边形的叠合一、点与多边形的叠合 点与多边形的叠合是确定一图层上的点落在另一图层点与多边形的叠合是确定一图层上的点落在另一图层的哪个多边形内，以便为图层的每个点建立新的属性。的

30、哪个多边形内，以便为图层的每个点建立新的属性。几何关系计算。实际上就是通过点在多边形内的判别计几何关系计算。实际上就是通过点在多边形内的判别计算多边形对点的包含关系。算多边形对点的包含关系。属性信息处理。属性信息处理。例如，水井点位与规划区多边形相叠和，可确定每口井所例如，水井点位与规划区多边形相叠和，可确定每口井所属的规划区范围。属的规划区范围。二、线与多边形的叠合二、线与多边形的叠合 线与多边形的叠合是确定一图层上的弧段落在另线与多边形的叠合是确定一图层上的弧段落在另一图层的哪个多边形内，以便为图层的每条弧段建立一图层的哪个多边形内，以便为图层的每条弧段建立新的属性。新的属性。几何求交过程

31、。线与多边形边界的求交，并将线目几何求交过程。线与多边形边界的求交，并将线目标进行切割，形成一个新的空间目标的结果集。标进行切割，形成一个新的空间目标的结果集。属性分配过程。属性分配过程。例如，当确定某一行政区内各种等级道路的里程数时，例如，当确定某一行政区内各种等级道路的里程数时，就需要将道路图与境界图相叠和，计算弧段与多边形边就需要将道路图与境界图相叠和，计算弧段与多边形边界的交点，在交点处截断弧段，并对弧段重新编号，建界的交点，在交点处截断弧段，并对弧段重新编号，建立弧段与多边形的归属关系。立弧段与多边形的归属关系。三、多边形与多边形的叠合三、多边形与多边形的叠合 多边形与多边形的叠合是

32、将两个不同图层的多边形要多边形与多边形的叠合是将两个不同图层的多边形要素相叠和，产生一个新多边形图层的操作，其结果将原来素相叠和，产生一个新多边形图层的操作，其结果将原来多边形要素分割成新要素，新要素综合了原来两层的属性。多边形要素分割成新要素，新要素综合了原来两层的属性。几何求交过程：求出所有多边形边界线交点，根据切割几何求交过程：求出所有多边形边界线交点，根据切割的弧段重建拓扑关系，对新生成的拓扑多边形图层的每个的弧段重建拓扑关系，对新生成的拓扑多边形图层的每个对象赋一多边形唯一标识码；对象赋一多边形唯一标识码；属性分配过程：生成一个与新多边形对象一一对应的属属性分配过程：生成一个与新多边

33、形对象一一对应的属性表，最典型的方法是将二叠加图层对象的属性拷贝到新性表，最典型的方法是将二叠加图层对象的属性拷贝到新对象的属性表中。对象的属性表中。根据叠加结果最后欲保留空间特征的不同要求，一般的根据叠加结果最后欲保留空间特征的不同要求，一般的GISGIS软件都提供了三种类型的多边形叠加操作：软件都提供了三种类型的多边形叠加操作：交交只保留两个输入图层 的公共区域叠和叠和以输入图层为界，保留边界内两个多边形的所有多边形输入图层叠加图层并并保留两个输入图层 的所有多边形结果图层差差以输入图层为界，保留边界外两个多边形的所有多边形多边形的不同叠加方式四、基于矢量数据叠合分析步骤四、基于矢量数据叠

34、合分析步骤 对原始多边形数据形成拓扑关系对原始多边形数据形成拓扑关系 多层多边形数据的空间叠置，形成新的层多层多边形数据的空间叠置，形成新的层 对新层中的多边形重新进行拓扑组建对新层中的多边形重新进行拓扑组建 剔除多余的多边形，提取出感兴趣的部分剔除多余的多边形，提取出感兴趣的部分AB123A1A2A3B1B2标号 地貌A 阳坡B 阴坡标号 植被1 林地2 农地3 牧地标号 综合属性A1 阳坡 林地A2 阳坡 农地A3 阳坡 牧地B1 阴坡 林地B2 阴坡 农地一、单层栅格数据的分析一、单层栅格数据的分析-空间变换之一空间变换之一空间变换：对原始图层及其属性进行一系列的逻辑或空间变换：对原始图

35、层及其属性进行一系列的逻辑或代数运算，以产生新的具有特殊意义的地理图层及其代数运算，以产生新的具有特殊意义的地理图层及其属性的过程。属性的过程。1、布尔逻辑运算栅格数据可以按其属性数据的布尔逻辑运算来检索，即这是一个逻辑选择的过程。布尔逻辑为AND、OR、XOR、NOT。布尔逻辑运算可以组合更多的属性作为检索条件。基于栅格数据的叠合分析基于栅格数据的叠合分析 布 尔 运 算 示 意 图例如可以用条件：(A AND B) OR C进行检索。其中A为土壤是粘性的，B为PH值7.0的，C为排水不良的。这样就可把栅格数据中土壤结构为粘性的、土壤PH值大于7.0的、或者排水不良的区域检索出来。2、重分类

36、重分类是将属性数据的类别合并或转换成新类。即对原来数据中的多种属性类型，按照一定的原则进行重新分类，以利于分析。在多数情况下，重分类都是将复杂的类型合并成简单的类型。 例如，可以将各种土地类型重分类为水面和陆地两种类型。3、滤波运算对栅格数据的滤波运算是指通过一移动的窗口(如33的象元)，对整个栅格数据进行过滤处理，使窗口最中央的象元的新值定义为窗口中象元值的加权平均值。滤波运算可将破碎的地物合并和光滑化，以显示总的状态和趋势，也可以通过边缘增强和提取，获取区域的边界。4、特征参数计算即对栅格数据计算区域的周长、面积等，以及线的长度、点的坐标等。在栅数数据上量算面积有其独特的方便之处，只要对栅

37、格进行计数，再乘以栅格的单位面积即可。在栅格数据中计算距离时，距离有不同意义：四方向距离是通过水平或垂直的相邻像元来定义路径的；八方向距离是根据每个像元的八个相邻像元来定义的；例：四方向距离计算的距离为6， 八方向计算的距离为ABC二、多层栅格数据的叠合分析二、多层栅格数据的叠合分析-空间变换之二空间变换之二栅格数据的叠合分析是指将不同图幅或不同数据层的栅格数据叠置在一起，在叠置地图的相应位置上产生新的属性的分析方法。新属性值的计算可由下式表示：Uf(A,B,C, )，其中，A，B，C等表示第一、二、三等各层上的确定的属性值，f函数取决于叠置的要求。栅 格 叠 置 示 意 图1、点变换：只将对

38、应栅格单元的属性作某种运算（加、减、乘、除、三角函数、逻辑运算等）得到新图层属性，而不受其邻近点的属性值的影响。2、区域变换新属性的值不仅与对应的原属性值相关，而且与原属性值所在的区域的长度、面积、形状等特性相关。如输出面积大于x 的图班3、邻域变换计算新图层属性时，不仅考虑原始图上对应栅格本身的值，还需考虑该图元邻域关联的其他图元值的影响。如面元分布图，生成面元边界图时，判断是否为边界点，需判断本身为面属性，且其邻域包含背景属性。1、类型叠置 将两组或两组以上的地理编码数据，求它们的交集，以建立新的数据文件，根据分析任务，设置命令，得到最后的类型叠置结果。通过叠置获取新的类型。如土壤图与植被

39、图叠置，以分析生态系统退化情况。2、统计叠置 将区域界线(政区、自然区域或经济区域等)，与专题数字地图叠置，建立的合成数据串，作出各区专门内容的数量统计。计算某一区域内的类型和面积。如行政区划图和土壤类型图叠图，可计算出某一行政区划中的土壤类型数，以及各种类型土壤的面积。三、三、栅格叠置的作用3、动态分析 将同一种要素在不同时期的两组属性数据叠置，建立合成数据串，它们之差就是该要素在该时段内的变化，在土地利用动态监测中，常要使用这种分析方法。通过对同一地区、相同属性、不同时间的栅格数据的叠置，分析由时间引起的变化。在进行栅格叠置的具体运算时，可以直接在未压缩的栅格矩阵上进行，也可在压缩编码(如

40、游程编码、四叉树编码)后的栅格数据上进行。它们之间的差别主要在于算法的复杂性、算法的速度、所占用的计算机内存等。第四节 空间缓冲区分析概念概念 缓冲区（缓冲区（bufferbuffer）分析）分析是指根据分析对象的点、线、是指根据分析对象的点、线、面地理实体，自动建立起周围一定距离的带状区，用面地理实体，自动建立起周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围或影响以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围或影响度，以便为某项分析或决策提供依据。度，以便为某项分析或决策提供依据。缓冲区的作用是用来限定所需处理的专题数据的空缓冲区的作用是用来限定所需处理的专题数据的空间范围，一般

41、认为缓冲区以内的信息均是与构成缓冲间范围，一般认为缓冲区以内的信息均是与构成缓冲区的核心实体相关的，及邻接或关联关系，而缓冲区区的核心实体相关的，及邻接或关联关系，而缓冲区以外的数据与分析无关。以外的数据与分析无关。缓冲区分析的模型缓冲区分析的模型 线性模型线性模型：用于当主体对邻近对象的影响度随距离：用于当主体对邻近对象的影响度随距离的增大而呈线性形式衰减时；的增大而呈线性形式衰减时；二次模型二次模型：用于当主体对邻近对象的影响度随距离：用于当主体对邻近对象的影响度随距离的增大而呈二次形式衰减时；的增大而呈二次形式衰减时； 指数模型指数模型：用于当主体对邻近对象的影响度随距：用于当主体对邻近

42、对象的影响度随距离的增大而呈指数形式衰减时。离的增大而呈指数形式衰减时。缓 冲 区 生成步骤明确目的和标准明确目的和标准数据准备数据准备空间操作空间操作统计分析统计分析结果输出结果输出缓 冲 区 分 类点的缓冲区线的缓冲区面的缓冲区缓 冲 区 分 类点的缓冲区线的缓冲区面的缓冲区缓 冲 区 分 类点的缓冲区线的缓冲区面的缓冲区建立建立缓冲区的算法缓冲区的算法 算法算法：将多边形或线段中所有角点及端点求出来，：将多边形或线段中所有角点及端点求出来，然后向左或向右按法线方向平移同一距离，线段之间然后向左或向右按法线方向平移同一距离，线段之间可能会出现交叉或未连上的情况，去掉多余的部分并可能会出现交

43、叉或未连上的情况，去掉多余的部分并对没有连上的弧段进行曲线光滑连接，生成一条新的对没有连上的弧段进行曲线光滑连接，生成一条新的多边形线或线段组，最终形成新的多边形。多边形线或线段组，最终形成新的多边形。1）角平分线法）角平分线法角平分线法的实质是通过求平行线建立线缓冲区和面缓冲区角平分线法的实质是通过求平行线建立线缓冲区和面缓冲区在求算过程中对出现的凸角作特殊处理。在求算过程中对出现的凸角作特殊处理。如下如下凸角出现过长的尖角凸角出现过长的尖角2）凸角圆弧法）凸角圆弧法 ABC 需要指出需要指出：缓冲区生成的是一些新的多边形，不包缓冲区生成的是一些新的多边形，不包含原点、线、面要素。含原点、线

44、、面要素。 点的缓冲区是半径为缓冲区宽度的圆点的缓冲区是半径为缓冲区宽度的圆; ; 线的缓冲区是一条带线的缓冲区是一条带; ; 面的缓冲区是一封闭的条带，有岛（内边界）的面面的缓冲区是一封闭的条带，有岛（内边界）的面的缓冲区是两封闭条带。的缓冲区是两封闭条带。 缓冲区的大小由缓冲宽度确定。缓冲区的大小由缓冲宽度确定。应注意的问题应注意的问题 （1 1）缓冲区发生重叠时的处理缓冲区发生重叠时的处理 缓冲区的重叠包括多个缓冲区的重叠包括多个特征缓冲区之间的重叠以及同一特征缓冲区图形的重叠。特征缓冲区之间的重叠以及同一特征缓冲区图形的重叠。对于前者，首先通过拓扑分析的方法，自动地识别出落在对于前者，

45、首先通过拓扑分析的方法，自动地识别出落在某个缓冲区内部的那些线段或弧段，然后删除这些线段或某个缓冲区内部的那些线段或弧段，然后删除这些线段或弧段，得到经处理后的连通缓冲区；对于后者，可通过缓弧段，得到经处理后的连通缓冲区；对于后者，可通过缓冲区边界曲线逐条线段求交。冲区边界曲线逐条线段求交。 （2 2）缓冲区宽度不同时的处理缓冲区宽度不同时的处理 在进行缓冲区分析时，在进行缓冲区分析时，经常发生不同级别的同一类要求具有不同的缓冲区大小。经常发生不同级别的同一类要求具有不同的缓冲区大小。例如，在城市土地地价评估时，沿主要街道两侧的通达度、例如，在城市土地地价评估时，沿主要街道两侧的通达度、繁华度

46、的辐射范围大，而小街道较小，这与要素的类型和繁华度的辐射范围大，而小街道较小，这与要素的类型和特点有关。在建立这种缓冲区时，首先应建立要素属性表，特点有关。在建立这种缓冲区时，首先应建立要素属性表，根据不同属性确定不同的缓冲区宽度，然后产生缓冲区根据不同属性确定不同的缓冲区宽度，然后产生缓冲区 。 （3 3）复杂图形缓冲区的内外标识处理复杂图形缓冲区的内外标识处理 复杂图形经缓复杂图形经缓冲区分析后会产生许多多边形。为了标识哪些区域是缓冲区分析后会产生许多多边形。为了标识哪些区域是缓冲区，哪些是缓冲区外，应在这些多边形中加入特征属冲区，哪些是缓冲区外，应在这些多边形中加入特征属性。如性。如AR

47、C/INFOARC/INFO在缓冲区分析后的多边形属性表中加入在缓冲区分析后的多边形属性表中加入了一项了一项INSIDEINSIDE，INSIDEINSIDE值为值为1 1表示该多边形在缓冲区内，表示该多边形在缓冲区内，值为值为0 0则在缓冲区外。则在缓冲区外。 缓冲区分析例缓冲区分析例如已知一湖泊，要求在它周围如已知一湖泊，要求在它周围5000m 5000m 内必需禁止任何污染性内必需禁止任何污染性工业企业存在，在它周围工业企业存在，在它周围500m 500m 内必需禁止建筑任何永久性建内必需禁止建筑任何永久性建筑物。筑物。（1 1）先建立缓冲区；）先建立缓冲区；（2 2）同现有污染性工业企

48、业图叠置，显示在范围内应禁止的）同现有污染性工业企业图叠置，显示在范围内应禁止的污染性工业企业；污染性工业企业；（3 3）同现有永久性建筑物图叠置，显示在范围内应禁止的永）同现有永久性建筑物图叠置，显示在范围内应禁止的永久性建筑物。久性建筑物。第五节 空间网络分析空间网络分析基础空间网络分析基础网络图论概念网络图论概念v4v1v3v2v5e1e2e3e4e5e6e7空间网络的类型和构成空间网络的类型和构成类型类型 平面网络：道路型，树型，环网型，细胞型平面网络：道路型，树型，环网型，细胞型 非平面网络：交错型非平面网络：交错型构成构成 网络是一系列相互联结的弧段网络是一系列相互联结的弧段，形成

49、物质、信息流通形成物质、信息流通的通道。例如，水从水库流向各种水渠，发电厂经电网的通道。例如，水从水库流向各种水渠，发电厂经电网向用户供电；城市的道路网均构成网络。网络是现代生向用户供电；城市的道路网均构成网络。网络是现代生活、生产必不可少的条件。活、生产必不可少的条件。 一个网络由一个网络由结点、链或弧段、拐角、站点、中心、障结点、链或弧段、拐角、站点、中心、障碍碍六大基本要素组成。六大基本要素组成。 1 1）结点结点 网络中任意两条线段的交点。网络中任意两条线段的交点。 2 2）链或弧段链或弧段 连结两个结点的弧段或路径，是网络中连结两个结点的弧段或路径，是网络中资源运移的通道，与结点一起

50、，构成了网络中的最基本要资源运移的通道，与结点一起，构成了网络中的最基本要素。链间的相互联系在素。链间的相互联系在GISGIS中应具有拓扑结构。中应具有拓扑结构。 3 3）拐角拐角 在连通线相连的结点处，资源运移方向可能在连通线相连的结点处，资源运移方向可能转变，运移方向从一个链经结点转向另一个链。特定方向转变，运移方向从一个链经结点转向另一个链。特定方向的转弯通常限制了资源在网络中的运移。例如在道路网中的转弯通常限制了资源在网络中的运移。例如在道路网中的高架桥使得车辆不能向左或向右拐弯。的高架桥使得车辆不能向左或向右拐弯。 4 4）站点站点 网络路线中资源装、卸的结点点位，如邮件网络路线中资

51、源装、卸的结点点位，如邮件投放点、公共汽车站等。投放点、公共汽车站等。 5 5）中心中心 网络线路中具有接收或发放资源能力，且位网络线路中具有接收或发放资源能力，且位于结点处的设施。如水库具有调节各支流的水量并能向渠于结点处的设施。如水库具有调节各支流的水量并能向渠道开闸放水的能力。道开闸放水的能力。 6 6）障碍障碍 资源不能通过的结点。如被破坏的桥梁和禁资源不能通过的结点。如被破坏的桥梁和禁止通行的关口等。止通行的关口等。 上述要素除障碍和结点之外，都用图层要素形式表示，并上述要素除障碍和结点之外，都用图层要素形式表示，并用一系列相关属性来描述，一般以表格的方式存储在用一系列相关属性来描述

52、，一般以表格的方式存储在GISGIS系统数据库中，以便构造网络模型和网络分析。这些属性系统数据库中，以便构造网络模型和网络分析。这些属性是网络中的重要部分。例如，在城市交通网络中，每一段是网络中的重要部分。例如，在城市交通网络中，每一段道路（链）都有名字、速度上限、宽度等；停靠点处有大道路（链）都有名字、速度上限、宽度等；停靠点处有大量的物资等待装载或下卸等属性。量的物资等待装载或下卸等属性。 在这些属性中，有三个重要的概念：在这些属性中，有三个重要的概念：阻强、资源需求量阻强、资源需求量 、资源容量资源容量 1 1、阻强、阻强 阻强阻强是指资源在网络中运移阻力的大小。它是描是指资源在网络中运

53、移阻力的大小。它是描述链与拐弯所具有的属性。述链与拐弯所具有的属性。 链弧的阻强链弧的阻强是指从链的一个端点至另一个端点所是指从链的一个端点至另一个端点所需克服的阻力，如链弧段的长度可作为阻强的描述参数，需克服的阻力，如链弧段的长度可作为阻强的描述参数，因为物资在长链弧上运移花费时间比短链弧上要多。因为物资在长链弧上运移花费时间比短链弧上要多。 阻强的大小阻强的大小应根据多种因素来确定，如弧段的特应根据多种因素来确定，如弧段的特性，网络中运移资源的种类、运移的方向，弧段中的特殊性，网络中运移资源的种类、运移的方向，弧段中的特殊情况等。情况等。 转弯的阻强转弯的阻强描述了从一条链弧经结点到另一条

54、链弧描述了从一条链弧经结点到另一条链弧的阻力大小，它随着两相连链弧的条件状况而变化。的阻力大小，它随着两相连链弧的条件状况而变化。 为了便于分析计算，不同类型的阻强都应使用为了便于分析计算，不同类型的阻强都应使用同一同一种量纲种量纲。 运用阻强概念的运用阻强概念的目的目的在于模拟真实网络中各路线及在于模拟真实网络中各路线及转弯的变化条件。对不构成通道的弧段或转弯往往赋以负转弯的变化条件。对不构成通道的弧段或转弯往往赋以负的阻强。这样，在分析应用中如选取最佳路线时可自动跳的阻强。这样，在分析应用中如选取最佳路线时可自动跳过这些弧段或转弯。过这些弧段或转弯。 最佳路线最佳路线就是阻力最小的路线。就

55、是阻力最小的路线。2 2、资源需求量、资源需求量 资源需求量指网络中与弧段和停靠点相联系资源的资源需求量指网络中与弧段和停靠点相联系资源的数量。如在供水网络中每条沟渠所载的水量；在城市网络数量。如在供水网络中每条沟渠所载的水量；在城市网络中沿每条街道所住的学生数；在停靠点装卸物的件数等。中沿每条街道所住的学生数；在停靠点装卸物的件数等。3 3、资源容量、资源容量 资源容量系指网络中心为了满足各弧段的需求，能资源容量系指网络中心为了满足各弧段的需求，能够容纳或提供的资源总数量。如学校的容量指学校能注册够容纳或提供的资源总数量。如学校的容量指学校能注册的学生总数；停车场能停放机动车辆的空间；水库的

56、总容的学生总数；停车场能停放机动车辆的空间；水库的总容量等等。量等等。 网络网络要素要素的属性表示的属性表示 1 1、链弧的属性表示、链弧的属性表示 链弧是有向线段，除用拓扑关系描述外，还有相应的链弧是有向线段，除用拓扑关系描述外，还有相应的属性如阻强、需求量等（下图）。其中需求量对于选择最佳属性如阻强、需求量等（下图）。其中需求量对于选择最佳布局中心及网流量计算是不可少的属性值。布局中心及网流量计算是不可少的属性值。 2 2、转弯及其属性表示、转弯及其属性表示 在网络结点处，可能产生的转弯个数为在网络结点处，可能产生的转弯个数为 N Nm m2 2 式中式中m m为在结点处相连的弧段条数。当

57、为在结点处相连的弧段条数。当3 3条弧段相连时，转条弧段相连时，转弯的个数为弯的个数为9 9 ，在转弯处往往有一些限制，对不同限制类别，在转弯处往往有一些限制，对不同限制类别及其属性的描述见表及其属性的描述见表 。 链弧的属性表示链弧的属性表示 转弯的类型转弯的类型从结点 至结点长度(km)正方向 阻强(km/h)反方向 阻强(km/h) 24175.50203555 资源需求量542553520 3 3、站点、中心的属性、站点、中心的属性 这两种网络要素的属性表示非常简单。站点的属性为资这两种网络要素的属性表示非常简单。站点的属性为资源需求量，正值表示装载，负值表示下卸（见表源需求量，正值表

58、示装载，负值表示下卸（见表4-24-2）。中）。中心的属性是资源最大容量，服务范围（从中心至可能路径的心的属性是资源最大容量，服务范围（从中心至可能路径的最大可能距离）和服务延迟数。最大可能距离）和服务延迟数。 表表4 43 3 站点与其属性站点与其属性表表4 42 2 拐角的类型及其属性描述拐角的类型及其属性描述 20 6 9 -90 -1 20 6 7 0 5 20 6 8 90 10不允许从不允许从6号弧转向号弧转向9号弧号弧,并赋并赋于负值阻强于负值阻强,允许其它方向的转允许其它方向的转弯弯,其阻强为正其阻强为正 20 6 7 0 0 20 6 8 90 -1 20 6 9 -90 -

59、1 20 9 8 0 0 20 9 7 -90 -1 20 9 6 90 -1高架道或地道允许直通而无延高架道或地道允许直通而无延迟迟,如从如从6号弧至号弧至7号弧号弧;但不允但不允许转弯许转弯,此时以负的阻强表示此时以负的阻强表示(如从如从6号弧至号弧至8、9号弧号弧) 20 6 7 0 15 20 6 8 90 20 20 6 9 -90 10停靠点使得从停靠点使得从6号弧至其它弧号弧至其它弧段段-直通直通7号弧号弧,向左转至向左转至8号号弧弧,向右转至向右转至9号弧的运移减慢号弧的运移减慢 20 6 6 180 20U型拐弯从型拐弯从6号弧至号弧至20号结点并号结点并从从20号结点转回号

60、结点转回6号弧号弧,这是一这是一个个180度转变度转变,花费花费20秒时间秒时间结点号结点号 从弧段从弧段 至弧段至弧段 角度角度 时间阻强时间阻强(s)属性表属性表 0=无阻强无阻强 -1=不允许拐弯不允许拐弯描述描述转弯类型转弯类型停靠点820967820967高架 道或地 道820967不准右转弯820967U 型拐弯空间网络分析方法空间网络分析方法 网络分析的主要网络分析的主要用途用途是：是：选择最佳路径；选择最佳布选择最佳路径；选择最佳布局中心的位置局中心的位置。 所谓所谓最佳路径最佳路径是指从始点到终点的最短距离或花费最是指从始点到终点的最短距离或花费最少的路线。少的路线。 最佳布