第五章 空间分析原理与方法

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 1 数字地形模型分析 2 空间叠合分析 3 空间缓冲区分析 4 空间网络分析GIS基本功能基本功能数据采集与输入数据编辑与更新数据存储与管理空间查询与分析数据显示与输出缓冲区分析叠合分析空间查询网络分析地形分析GIS能作什么？空间分析概述空间分析概述 空间分析的概念 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。 按照Goodchild提出的空间分析框架，空间分析分为 产生产生式分析式分析(product mode) DEM分析、叠

2、合分析、缓冲区分析、网络分析分析、叠合分析、缓冲区分析、网络分析 咨询咨询式分析式分析(query mode) 集合分析、查询分析集合分析、查询分析空间分析概述空间分析概述v根据空间数据的形式将空间分析分为：根据空间数据的形式将空间分析分为： 矢量矢量数据空间分析数据空间分析 栅格栅格数据空间分析数据空间分析第一节第一节 数字地形模型分析数字地形模型分析 数字地形模型：数字地形模型：地形的数字化表达，Miller于1956年为了自动设计高速公路提出。 定义：对二维地理空间上具有连续变化特征地理现象的模型化表达和过程模拟。简单地说，空间起伏连续变化现象的数字化表达和分析工具的集合。第一节第一节

3、数字地形模型分析数字地形模型分析 从维度来说，DEM是2.5维的数据 2D：X,Y相互独立 2.5D：Z=f(X,Y) 3D：X,Y,Z相互独立第一节第一节 数字地形模型分析数字地形模型分析 DEM的研究内容：第一节第一节 数字地形模型分析数字地形模型分析 DEM研究的主要内容： 数据采集方法 空间数据内插技术 空间数据组织和管理 空间分析理论与方法第一节第一节 数字地形模型分析数字地形模型分析 一、地形因子计算一、地形因子计算 （一）坡度和坡向的计算（一）坡度和坡向的计算 坡度：坡度：局部地表面与水平面之间的夹角。 坡向：坡向：最大高程变化率所在的方向。 计算坡度、坡向方法包括：计算坡度、坡

4、向方法包括：空间矢量分析法、拟合曲面法第一节第一节 数字地形模型分析数字地形模型分析 （二）曲面面积的计算（二）曲面面积的计算 两种方法：矢量法和三角形求和法两种方法：矢量法和三角形求和法 （三）地表粗糙度的计算（三）地表粗糙度的计算 粗糙度：地表单元曲面面积与投影面积之比。粗糙度：地表单元曲面面积与投影面积之比。 （四）高程及变异分析（四）高程及变异分析 平均高程：地表单元网格四个顶点的高程平均值。平均高程：地表单元网格四个顶点的高程平均值。 高程变异：以网格单元顶点的标准差与平均高程的比值表高程变异：以网格单元顶点的标准差与平均高程的比值表示，来反映地表单元网格各顶点高程变化的指标。示，来

5、反映地表单元网格各顶点高程变化的指标。 （五）谷脊特征分析（五）谷脊特征分析 沟谷密度：沟谷总长度与地表单元面积之比。沟谷密度：沟谷总长度与地表单元面积之比。 沟谷深度值：地表单元内几个谷点切割深度的均值沟谷深度值：地表单元内几个谷点切割深度的均值 二、地形剖面线的计算二、地形剖面线的计算 地形剖面线：从一个点出发到另一个点的从一个点出发到另一个点的地形变化情况。地形变化情况。 方法：通过通过DEM得到，运用插值算法在剖得到，运用插值算法在剖面的两点间插值出相应的高程数据。面的两点间插值出相应的高程数据。第一节第一节 数字地形模型分析数字地形模型分析第一节第一节 数字地形模型分析数字地形模型分

6、析 三、三、DEM的通视分析的通视分析 实现方法：实现方法：在任意两点间生成剖面线，在需要分析的两点间画直线，若直线与剖面线有交点则不能通视，无交点则判断这两点是否高于剖面线的高程。第二节第二节 空间叠合分析空间叠合分析 问题的提出： 地学多因子分析的需要 在实际问题中，往往需要将地学现象分解为许多单个的因子分别研究。例如，将自然地理要素分解为地质、地貌、水文、气象、生物，土壤等，但在研究实际问题又需要选取其中的几项进行研究。第二节第二节 空间叠合分析空间叠合分析 叠置分析的基本条件： 1：参加叠置分析的不同数据层的地理范围必须是一致的 2：参与叠置分析的多层面数据必须有效匹配（投影、坐标系、

7、元数据参数） 3：参与叠置分析分析模型和数据必须有效匹配第二节第二节 空间叠合分析空间叠合分析 空间叠合分析（Spatial Overlay analysis）：又称叠加分析、叠置分析，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，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。 空间合成叠合 空间统计叠合空间合成叠合空间合成叠合 用于搜索同时具有几种地理属性的分布区域，或对叠合后产生的多重属性进行新的分类。空间统计叠合空间统计叠合 用于提取某个区域范围内某些专题内容的数量特征。第二节第二节 空间叠合分析空间叠合分析 基于矢量数据结构的叠合分析 参与分析的

8、两个图层均为矢量数据参与分析的两个图层均为矢量数据 优点：数据量优点：数据量小小 缺点：运算过程比较缺点：运算过程比较复杂复杂 基于栅格数据结构的叠合分析 参与分析的两个图层均为栅格数据参与分析的两个图层均为栅格数据 优点：运算过程比较优点：运算过程比较简单简单 缺点：数据量缺点：数据量大大第二节第二节 空间叠合分析空间叠合分析 栅格叠合分析： 两个或多个相同地区栅格图层 相同的栅格单元大小 不同图层间对应栅格进行运算 运算结果生成新的栅格图层 目的是产生新的空间信息 又称为“地图代数” 点变换方法 区域变换方法 邻域变换方法Input AInput B基于矢量数据的叠合分析基于矢量数据的叠合

9、分析 点与多边形的叠合 线与多边形的叠合 多边形与多边形的叠合点与多边形的叠合点与多边形的叠合（ point-in-polygon overlay ） 包含点的图层与包含多边形的图层 判断点包含在哪一个多边形里面，从而为点设置新的多边性属性点与多边形叠合点与多边形叠合 示例示例IDIDprovince_nameprovince_name1 1江苏江苏2 2上海上海3 3浙江浙江IDIDcity_namecity_name1 1南京南京2 2苏州苏州3 3上海上海4 4杭州杭州1243123点与多边形叠合点与多边形叠合 结果结果IDIDcity_namecity_nameprovince_nam

10、eprovince_name1 1南京南京江苏江苏2 2苏州苏州江苏江苏3 3上海上海上海上海4 4杭州杭州浙江浙江12431231243线与多边形的叠合（线与多边形的叠合（ line-in-polygon overlay ） 包含线的图层与包含多边形的图层 判断线包含在哪一个多边形里面，从而为线设置新的多边性属性线与多边形叠合线与多边形叠合 示例示例IDIDroad_nameroad_namelengthlength1 1沪宁高速沪宁高速4004002 2沪杭高速沪杭高速3803803 3宁杭高速宁杭高速330330123IDIDprovince_nameprovince_name1 1江苏

11、江苏2 2上海上海3 3浙江浙江123线与多边形叠合线与多边形叠合 结果结果IDIDroad_nameroad_nameprovince_nameprovince_namelengthlength1 1沪宁高速沪宁高速江苏江苏3503502 2沪宁高速沪宁高速上海上海50503 3沪杭高速沪杭高速上海上海3203204 4沪杭高速沪杭高速浙江浙江60605 5宁杭高速宁杭高速浙江浙江1001006 6宁杭高速宁杭高速江苏江苏230230123123456123456多边形与多边形叠合（多边形与多边形叠合（ polygon-on-polygon overlay ） 两个多边形图层的比较分析（图形

12、和属性），将两个不同的多边形空间特征数据相重叠，产生新的多边形特征数据，用以解决地理变量的多准则分析、区域多重属性的分析，地理特征的动态变化分析，以及图幅要素更新、区域信息提取等 多边形叠合分析通常有以下五种叠合方式： 合并合并(Union) 相交相交( Intersect) 一致一致( Identity) 相减相减( Erase) 更新更新( Update)Union 输出层保留输入图层的所有多边形要素。Intersect 输出层保留输入图层共同的多边形要素。Identity 保留以一多边形为控制边界内的所有多边形要素Erase 保留以一多边形为控制边界外的所有多边形要素Update 输出数

13、据为一个经删除处理后的多边形与一个新特征多边形，即删除重叠的部分。空间分析的步骤空间分析的步骤 步 骤：（1）明确目的和标准（2）空间数据准备（3）空间操作（4）输出结果并进行分析实例：市区择房分析实例：市区择房分析 如何找到环境好、购物方便、小孩上学方便的居住区地段是购房者对关心的问题，因此购房者就需要从总体上对商品房的信息进行研究分析，选择最适宜的购房地段。 条件为： a在商业中心的服务范围之内，服务范围以商业中心规模的大小来确定 b距名牌高中在750米之内，以便小孩上学便捷 c距名胜古迹500米之内，环境优雅 d离主要交通要道200米之外，以减少噪音污染 运用空间叠合分析解决以下两个问题

14、 （1）找出满足以上4个条件的最适宜的购房地段。 （2）对整个城市区域从以上4个条件的住房条件进行评价，划定不同等级，以供购房者进行参考 第一个问题找出满足以上4个条件的最适宜的购房地段。步 骤：（1）明确目的和标准：在商业中心的服务范围之内；距名牌高中在750米之内，以便小孩上学便捷；距名胜古迹500米之内，环境优雅；离主要交通要道200米之外，以减少噪音污染（2）空间数据准备：商业中心服务数据、名牌高中750米之内数据、名胜古迹500米之内、主要交通要道200米之外（3）空间操作：进行叠合分析（4）输出结果并进行分析在商业中心的服务范围图层在商业中心的服务范围图层martket距名牌高中在

15、距名牌高中在750米之内图层米之内图层school距名胜古迹距名胜古迹500米之内，环境优雅图层米之内，环境优雅图层famous离主要交通要道离主要交通要道200米之内图层米之内图层street空间操作空间操作 叠合方式的选择？ market图层、school图层进行intersect操作得到insectms图层，再将insectms图层与Famous图层进行intersect叠合操作，得到intersectmsf图层 最后将insectmsf图层与street图层进行erase叠合操作，得到所需结果 第二个问题对整个城市区域从以上4个条件的住房条件进行评价，划定不同等级，以供购房者进行参考找

16、出满足以上4个条件的最适宜的购房地段。分级标准为：A满足其中四个条件为第一等级B满足其中三个条件为第二等级C满足其中两个条件为第三等级D满足其中一个条件为第四等级E完全不满足条件得为第五等级步 骤：（1）明确目的和标准：（2）空间数据准备：商业中心服务数据、名牌高中750米之内数据、名胜古迹500米之内、主要交通要道200米之外（3）空间操作：进行叠合分析（4）对结果进行分析和评价在商业中心的服务范围图层在商业中心的服务范围图层martket距名牌高中在距名牌高中在750米之内图层米之内图层school距名胜古迹距名胜古迹500米之内，环境优雅图米之内，环境优雅图层层famous离主要交通要道

17、离主要交通要道200米之内图层米之内图层street空间操作空间操作 属性赋值 （1）分别打开market 、school、famous图层，分别添加market、school、famous字段，并全部赋值为1（2）打开street图层，添加st字段，赋值为-1空间操作空间操作 区域叠加对market、school、famous和street图层进行union叠加步骤为如下 分级打开生成的union文件图层的属性列表，编辑表格，添加一个短整型字段class，并将class赋值为famous+school+market+st第三节第三节 空间邻近度分空间邻近度分析析 问题一： 地震破坏程度从震源

18、扩散影响的范围；地震破坏程度从震源扩散影响的范围； 噪声污染影响的范围；噪声污染影响的范围； 湖泊生态保护区的范围；湖泊生态保护区的范围； “缓冲区分析缓冲区分析” 问题二： 气象站控制的范围；气象站控制的范围； 超市服务的范围；超市服务的范围； “泰森多边形分析泰森多边形分析”空间缓冲区分析空间缓冲区分析 空间缓冲区分析(Spatial buffer analysis)：指根据分析对象的点、线、面实体，自动建立它们周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或主体邻近对象的辐射范围或影响程度，以便为某项分析或决策提供依据。建立空间缓冲区的分析模型建立空间缓冲区的分析模型用于缓冲半径的确定 根据空间

19、实体对邻近对象作用性质的不同，可采用不同的分析模型，主要有：线性模型：线性模型：用于当实体对邻近对象的影响度随距离的增大呈用于当实体对邻近对象的影响度随距离的增大呈线性衰减的情况。线性衰减的情况。 二次模型：二次模型：用于当实体对邻近对象的影响度随距离的增大呈用于当实体对邻近对象的影响度随距离的增大呈二次形式衰减时。二次形式衰减时。指数模型：指数模型：用于当实体对邻近对象的影响度随距离的增大呈用于当实体对邻近对象的影响度随距离的增大呈指数形式衰减时。指数形式衰减时。分级缓冲区域动态缓冲区分级缓冲区域动态缓冲区 Buffering with different buffer distances.

20、 Buffering with rings.缓冲区的重叠处理缓冲区的重叠处理 Buffer zones not dissolved or dissolved.泰森多边形分析泰森多边形分析(Voronoi多边形多边形)Dirichlet，(1805-1859)，首先公开发表这种几何镶嵌模型，称它们为Dirichlet区域。1908年，俄国数学家G. Voronoi首先详细地研究了这些多边形。1911年，Von Thiessen，将其运用到气象学中。称Thiessen多边形。Voronoi多边形多边形 Voronoi多边形的数学定义：V ( pi ) = p | d ( p, pi ) d ( p

21、, pj ), ji, j = 1, , n p1, , pn：2维平面空间维平面空间R2中的有限个点中的有限个点 p ：R2中任意位置点中任意位置点 V(pi)：第：第i个特征点的个特征点的Voronoi多边形多边形 d ( p, pi )：p点到点到pi点的点的Euclidean距离距离Voronoi多边形的对偶图多边形的对偶图 Voronoi的对偶图Delaunay三角网Voronoi多边形生成多边形生成第四节第四节 空间网络分析空间网络分析 GIS最早的应用领域是土地管理和城市规划，之后，在城最早的应用领域是土地管理和城市规划，之后，在城市交通规划管理市交通规划管理,城市地下管线管理城

22、市地下管线管理,城市电力供应，城市城市电力供应，城市通信等部门，开始大量使用通信等部门，开始大量使用GIS。 这些地方使用的数据是以点和线组成的网状数据，为全面这些地方使用的数据是以点和线组成的网状数据，为全面的描述网状事物及其相互之间的关系，形成一类空间分析的描述网状事物及其相互之间的关系，形成一类空间分析称网络分析。称网络分析。 从数学的角度看，网络分析的基础是图论和运筹学；从数学的角度看，网络分析的基础是图论和运筹学； 从数据结构的角度，网络分析的基础是非线性图数据结构从数据结构的角度，网络分析的基础是非线性图数据结构。 网络分析的实质是通过研究网络的状态，模拟和分析资源网络分析的实质是通过研究网络的状态，模拟和分析资源在网络上的流动和分配，对网络结构及资源等的优化问题在网络上的流动和分配，对网络结构及资源等的优化问题进行研究。进行研究。第四节第四节 空间网络分析空间网络分析 网