GIS空间分析第二章矢量数据分析

第二章矢量数据分析

(VectorDataAnalysis)2.1邻近分析2.2空间提取2.3叠加分析2.4网络分析2.1 邻近分析(Proximityanalysis)当现实的实体被抽象为几何对象时，就可以对它们之间的距离进行查询和分析。一般来说，邻近分析或研究两个对象之间的距离，包括通过空间连接和建立缓冲区来发现最近的邻居。1.距离量测——寻找最近的邻居距离量测是指要素之间直线（欧式）距离的量测。量测可在一个图层中的点到另一图层的点之间，或一个图层的各点到另一图层中最邻近点或线之间进行。量测的结果保存在一个字段中。通过空间连接（spatialjoin）作为邻近分析工具来实现操作。通过空间连接可以确认距离每个井位最近的河流。

通过空间连接建立的新图层的属性表包含了两个图层的数据项，以及记录从每个井位到最近河流距离的数据项。距离数据项可用于其它分析和显示。

课堂练习：点与线之间的距离量测练习内容：要求对deer.shp中的每个鹿场点和edge.shp中原始森林与皆伐区边缘的最近距离进行量测。练习方法：通过定位方法使用合并数据；使用AnalysisTools/Proximity工具箱中的Near工具。2.缓冲分析(Buffering)缓冲分析或建立缓冲是指围绕某一个或多个地理要素建立一个或多个邻近区，并将其用于显示和其它的空间查询。一个缓冲区就是围绕一定的地理要素或要素集（点、线、面）的一个多边形要素或简单图形。缓冲区的基础从数学的角度，缓冲区是给定空间对象或集合后获得的它们的领域，邻域大小由邻域的半径或缓冲区建立条件来决定，因此对于一个给定对象A，它的缓冲区可以定义为：

其中，d一般指欧式距离，也可以是其它的距离，r为邻域半径或缓冲区建立的条件。根据缓冲区建立的条件其形态多种多样。对于点状要素有圆形，也有三角形、矩形和环形等；对于线状要素有双侧对称、双侧不对称或单侧缓冲区；对于面状要素有内侧和外侧缓冲区，这些形体虽然各异，建立的原理都一样。线状要素的缓冲区面状要素的缓冲区点状要素的缓冲建立缓冲区从原理上，对点状要素直接以其为圆心，以要求的缓冲区距离大小为半径绘圆，所包容的区域即为所要求区域；线状要素和面状要素缓冲区的建立是以线状要素或面状要素的边线为参考线，来做其平行线，并考虑其端点处建立的原则，即可建立缓冲区，但是在实际中处理起来则比较复杂要复杂的多。1.角平分线法该算法的原理是首先对边线做其平行线，然后在线状要素的首尾点处，作其垂线并按缓冲区半径r截出左右边线的起止点，在其它的折点处，用与该点相关联的两个相邻线段的平行线的交点来确定。该方法的缺点是在折点处，无法保证双线的等宽性，而且当折点处的夹角越大，d的距离就越大，故而误差就越大，所以要有相应的补充判别方案来校正处理。2.凸角圆弧法该算法是首先对边线做其平行线，然后在线状要素的首尾点处，作其垂线并按缓冲区半径r截出左右边线的起止点，然后以r为半径分别以首尾点为圆心，以垂线截出的起止点为圆的起点和终点作半圆弧，在其它折点处，首先判断该点的凹凸性，在凸侧用圆弧弥合，在凹侧用与该点相关联的两个相邻线段的平行线的交点来确定。该方法在理论上保证了等宽性，减少了异常情况发生的概率，该算法在计算机实现自动化时非常重要的一点是对凹凸点的判断，需要利用矢量的空间直角坐标系的方法来进行判断处理。建立缓冲具有很广的应用领域。最常见的应用有：分区和法律问题（Zoningandlegalissues）：某些城市制订了法规，禁止在小学周围1公里内出售烈性酒。对此，首先对各小学建立1公里的缓冲区，然后查询其中的商业地块，以确认其中没有违规的商店。应急准备（Emergencypreparedness）:围绕某一地震断层建立1公里的缓冲区，以查询其中有多少大型商场。然后，确认哪些商场处在最危险的地震带之中。2.2空间提取(Spatialextraction)空间提取是进行空间分析时，在一开始和结束前经常采用的步骤，以减少输出结果中要素的数量。

在街道两侧建立10米的缓冲区，首先要从城市街路图层中选择需要加宽的街道。在进行了一系列地学处理之后合并许多小的多边形。建立子集(Creatingsubsets)

通常情况下，一个数据图层包含了许多要素，而所开展的研究只集中在其中的一部分。通过对要素建立子集的方法，可以减少要素的数量。左图中选中了编码为15或32土壤类型。要素一旦被选中，就可以对进行查询。上述选中的要素可以建立新的图层，其中只包含了编码为15或32的土壤类型。剪切要素(Clippingfeatures)

剪切是用一个多边形界定范围对输入多边形进行剪切。剪切操作不改变输入图层的属性。 左图中，宗地图层（Parcelslayer）为剪切图层。它构成了研究区的边界。剪切后，土壤图层与宗地图层具有相同的范围。 消减要素(Dissolvingfeatures)

消减可以把具有相同属性值的邻近要素聚集合并在一起。本例中，当邻近多边形具有相同编码时，其中的边界被消除（两个编码为B的多边形被合并为一个编码为B的多边形）。 左图表示了两种消减操作的结果。当相邻多边形的土壤类型编码相同时，通过消减边界建立了土壤图层。当相邻多边形的地质类型编码相同时，通过消减边界建立了地质图层。 提取与邻近分析应用示例：城市土地利用分析

(Performingextractionandproximityanalysis:Analyzingacity‘slanduse）一个城市土地的利用方式将影响其中居民的生活。如果某一城市中许多城区充满工厂、烟雾和噪声污染，这些必将会影响到当地居民的生活质量。城市的公园和绿地则会改善当地的生活，使人们远离噪声和空气污染。为了发挥城市绿地的作用，城市的长期保护规划将提出相应的保护措施。该土地利用图层包含了全市12,876个要素通过选择将工业区分离到一个新的图层中，其结果被表示在industry图层中。消减（Dissolve）被用来合并所有包含“工业”用地类的邻近多边形。结果表示在Inddiss图层中。

对各工业用地地类按300米建立缓冲区。结果表示在图层Indbuff中。

剪切（Clip）用来发现工业用地300米缓冲区内的城市用地。新图层Landclip可用来确定该缓冲区内每种地类准确的范围。利用Landclip图层中描述性的字段可以创建摘要性统计，以确定每种地类的面积。2.3叠置分析(OverlayAnalysis)叠置分析是GIS中常用提取空间隐含信息的方法之一。它是将有关主题的各个数据层面进行叠置产生一个新的数据层面，其结果综合了原来两个或多个层面要素所具有的属性，同时不仅生成了新的空间关系，也产生了新的属性关系。其中，被叠加的要素层面必须基于相同坐标系统，同一地带还必须基于相同的基准面。从原理上来说，叠置分析是对新要素的属性按一定的数学模型进行计算分析，其中涉及逻辑交、并、差等运算。根据操作要素的不同，叠置分析可分成点与多边形叠加、线与多边形叠加、多边形与多边形叠加；根据操作形式的不同，叠置分析可分为图层擦除、识别叠加、交集操作、均匀差值、图层合并和修正更新。叠加操作的类型（Typesofoverlayoperations）从分离图层合并数据的三种基本叠加分析操作创建出新的地理要素，并记录了这些要素之间的关系。点对面的叠加（Point-in-polygon）

点对面的叠加是将一个点图层和一个面图层在空间上相结合，建立一个新的点图层。这类叠加用于发现落入多边形中的点。

假设找出每个普查单元中杂货店的数量。新的（输出）杂货店的点要素类将拥有普查单元的属性。据此可以查询某个商店所属的普查单元，或查找每个普查单元内全部商店的数量。

线对面的叠加（Line-in-polygon）

线对面的叠加是将一个线图层和一个面图层在空间上相结合，建立一个新的线图层。这类叠加用于发现一个线要素类和一个多边形要素类之间共同的地理空间。

如果有河流要素类和宗地要素类，就可以发现哪条河落入到哪个地块中，准确的找出每个地块中包含了多少河流。输出的结果要比通过的相交查询更精确，因为输入要素通过叠加实现了物理上的切断，并重新计算了长度。

面对面的叠加（Polygon-on-polygon）面对面的叠加是将两个不同图层中的多边形要素结合成一个单一图层。这类叠加操作可以研究两个要素类之间的共同区域。如果第一个要素类代表行政区，第二个要素类代表洪泛区，据此可以发现洪水的风险和每个行政区内所包含的洪泛区的位置。

图层擦除（Erase）

图层擦出是指输入图层根据擦除图层的范围大小，将擦除参照图层所覆盖的输入图层内的要素去除，最后得到剩余的输入图层的结果。数学的空间逻辑运算表示为：多边形与多边形线与多边形点与多边形识别叠加（Identity）

输入图层和另外一个图层进行识别叠加，在图形交迭的区域，识别图层的属性将赋给输入图层在该区域内的地图要素，同时也有部分的图形的变化在其中，多边形与多边形点与多边形线与多边形交集操作（Intersect）交集操作是将两个图层的要素和属性的交集部分结合成第三个图层，原图层的所有属性将同时在新图层上显示出来。输出图层将包含与输入图层相同的要素类型和属性数据项。如果输入的都是多边形图层，则输出图层将会反映出要素和属性的结合。相交用叠加图层的要素切割输入图层，产生一个包含要素的输出图层，它包含了两个输入图层的属性数据。 在数学运算上表现为：x∈

A∩B（A,B分别是进行交集的两个图层）。由于点，线，面三种要素都有可能获得交集所以它们的交集的情形有七种：线与多边形多边形与多边形点与多边形点与线点、线与多边形三者相交线与线点与点上图：缓冲图层与地块图层相交。下图：输出图层只包含了处于两个输入图层共同空间范围内的要素。

左图显示了相交的三步过程：地块图层用缓冲区多边形剪切。缓冲图层用地块多边形剪切。两个剪切图层结合，形成最终的图层。图层合并（Union）图层合并是一次将两（多）个多边形图层结合成一个新多边形图层。新图层中包括了两（多）个图层中所有的多边形和属性，通常会有更多的多边形。相当于布尔运算的or，输出图层对应于输入图层或叠加图层的叠加范围。图层合并将原来的多边形要素分割成新要素，新要素综合了原来两（多）层属性。图层合并的数学表达式为：{x│x∈AUB}作为合并的结果，输出的多边形是植被和土壤多边形界线的结合。植被图层和土壤图层拥有相同的空间范围，所以，输出图层的范围相同。当两个图层具有相同的空间范围时，合并和相交操作的结果相同。

叠加分析与属性

OverlayanalysisandattributesWheneveryouperformaunionorintersect,inadditiontofeaturegeometrytheinputlayers'attributesarejoined.Boththeinputlayerfeatureidentifiersanduser-addedattributefieldsareaddedtotheoutputlayer'sattributetable.叠加的输出图层保留了两个输入图层属性表中的全部独立属性，包括原始图层中的FID。为了节省空间，上例中的FID项被省略了。 合并的结果（上表）显示了所有处在缓冲区内(BufferDist=500)，并Landuse=134的多边形。也可以知道缓冲区的面积。相交的结果（下表）。只要列出属性表就可以知道哪些地块、有多少地块落在了缓冲区内。上表为合并的结果，下表为相交的结果。注意，下表中，只有那些处在缓冲区内的地块被包含在表格和图层中。 均匀差值（Symmetricaldifference）均匀差值就是在两个图层叠置中去掉它们之间的公共部分后剩下的部分，同时对原有图层空间上的分布进行一定区域内的调整，新生成图层的属性是综合两者的属性而产生的。其数学逻辑运算式表示为：x∈AUB-A∩B（A,B为两个输入图层）。破碎多边形(Slivers)

破碎多边形是来自地图叠加过程中的常见误差。GIS软件通过模糊容差（fuzzytolerance）去除破碎多边形合适的模糊容差值是去除破碎多边形的关键最小制图单元（minimummappingunit）表示由政府机构或公司部门指定的最小面积单元。最小制图单元是很好的去除破碎多边形的方法误差传递(ErrorPropagation)由于输入地图的不准确而导致误差的产生被称为误差传递。误差传递有两种类型：位置误差（positionalerror）：由于数字化和解译误差导致的边界的不准确，破碎多边形代表了地图叠加中产生的位置误差。标识误差（identificationerror）：由于属性数据不准确或标识错误。练习：分析城市中心的用地类型本练习的任务是发现在城市中心区每种土地利用类型的总面积。通过ArcMap中的相关工具可以获得所希望的信息。练习2：为高速公路出口停车场选址美国加州地方政府为了减少空气污染，鼓励居民在市区乘座公交工具，在高速公路出口建新的停车场。选址条件如下：位置便捷：距离高速公路出口500米以内；

STR_NAME=I10,CLASS=9节约成本和降低对周边社区的影响：当前的用地类型为空地，规划为商业用地；LU_CODE=VAC,ZONE；ZONE-CODE=COM

要求画出操作流程框图，提交结果图分析流程图2.4网络分析空间数据的网络分析是对地理网络、城市基础设施网络（如：各种网线、电缆线、电力线、电话线、供水线、排水管道等）进行地理分析和模型化的过程，通过研究网络的状态以及模拟和分析资源在网络上的流动和分配情况，实现对网络结构及其资源等的优化。网络分析的理论基础是图论和运筹学。它从运筹学的角度研究、统筹、策划具有网络拓扑性质的工程，安排各个要素的运行，使其能充分发挥作用或达到预想的目标。资源的最佳分配，最短路径的寻找，地址的查询匹配网络的组成和建立现实中的网络是由链和结点组成的、带有环路，并伴随一系列支配网络中流动之约束条件的线网图形。网络中的基本组成部分和属性如下：1．线状要素——链网络中流动的管线，包括有形物体，如：街道、河流、水管、电缆线等，无形物体，如：无线电通讯网络等，其状态属性包括阻力和需求。2．点状要素1）障碍：禁止网络中链上流动的点；2）拐角点：出现在网络链中所有分割结点上状态属性的阻力，如：拐弯的时间和限制（如不允许左拐）；3）中心：是接受或分配资源的位置，如：水库、商业中心、电站等。其状态属性包括：资源容量—如：总的资源量；阻力限额—如：中心与链之间的最大距离或时间限制；4）站点：在路径选择中资源增减的站点，如：库房、汽车站等，其状态属性有要被运输的资源需求，如：产品数。网络中的状态属性有阻力和需求两项，通过空间属性和状态属性的转换，根据实际情况赋到网络属性表中。一般情况下，网络是将内在的线、点等要素在相应的位置绘出后，根据它们的空间位置以及各种属性特征建立拓扑关系，使之成为进行一定网络空间分析和操作的基础。在ArcGIS网络分析中的网络是由一系列不同类别要素组成的几何网络。在同一网络中可同时表示如运输线、闸门、保险丝与变压器等不同性质的数据。一个几何网络包含了线段与交点的连结信息且定义出部分规则，如：哪一个类别的线段可以连至某一特定类别的交点，或某两个类别的线段必须连至哪一个类别的交点。一个完整的几何网络包括空间图形网络和网络要素属性。一旦网络数据建立起来，全部数据被存放在地理数据库中，由数据库的生命循环周期来维持其运作。当使用者使用或编辑部分或全部图形、属性数据时，都将以原先地理数据库中已定义好的连接规则和相互关系为基础。在ArcGIS中建立的几何网络格式是Geodatabase，全部要素被封装在一个文件中。网络分析的预处理1．网络数据的加载：进行网络分析的前提是网络的调用。一般来说，根据分析工作的需要，选择调用的网络数据。基本的网络分析，必须加载至少一种包含网络属性的要素类型。而对于全部网络数据制图的输出，则必须加载包含网络属性的整个要素数据库。（1）在ArcGIS中加载单个几何网络数据要素；（2）在ArcGIS中加载要素的数据集2.网络数据的符号化：网络线状要素的属性具可运行性，分可运行（Enable）与不可运行（Disable）的情形。在ArcGIS的ArcMap中使用符号化功能可快速定义可运行性。可运行的要素允许资源流动通过，否则反之。该要素类别属性表中的Enable字段值为1代表可运行，0为不可运行。其它属性也可以用符号化显示出来。对于点状要素可以区分地图要素在网络中的起点（source）或终点（sink），或都不是。该项属性存储在点要素的AncillaryRole字段中。字段值为１代表起点，２代表终点，０代表都不是。3．网络数据的修改和完善：几何网络建立后，也要进行一定程度的修改和完善。1）增加几何网络要素：向几何网络添加要素和直接在数据库中添加数据要素类似。但添加新的网络要素时，地理数据库会自动建立网络要素之间的拓扑关系。在ArcGIS中的具体操作同添加新要素的操作一样。（2）网络连通性的变更：由于时间或空间的变化，网络中的空间连通性会发生一定变化，如城市中的道路因为修路而不能通行，建立立交桥使路面暂时不能用等。解除连通性只是移除了它与其他要素在空间上的关联，并非从数据库中删除；建立连通性是将该要素与其他要素联结在一起，建立它们之间的空间关联。4．网络可运行性的编辑几何网络中的网络边要素分为可运行的或不可运行的。在几何网络中预设的所有边要素都是可运行的，而不可运行的要素可以当作网络中的中断来处理，而不需要真的移除它与其他空间网络要素的空间关系，例如单行道。在ArcGIS中网络的运行性可以通过编辑需要操作要素中的Enabled属性来修改。网络分析的基本功能和操作1．基本功能基于几何网络的特征和属性，利用距离、权重和规划条件进行分析得到结果并且应用在实际中。（1）路径分析1）最佳路径分析：分为静态和动态两种，静态法是指给定每条弧段的属性后，求最佳路径；动态法是指实际网络分析中权值是随权值关系式变化的，而且可能会临时出现一些障碍点，所以往往需要动态计算最佳路径。2）N条最佳路径分析：确定起点、终点，求代价较小的N条路径，因为在实践中因为种种因素需要选择近似的最佳路径。3）最短路径：确定起点、终点和所要求经过的中间点、中间连线，求最短路径或最小成本路径。（2）地址匹配它涉及地址编码，实质是对地理位置的查询。与其他网络分析功能结合，可满足非常复杂的分析要求。所需输入数据包括地址表和含地址范围的街道网络及待查询地址的属性值。（3）资源分配资源分配网络模型由中心点（分配中心）及其状态属性和网络组成。分配有两种方式：一是由分配中心向四周输出，二是由四周向中心集中。这种分配功能可解决资源的有效流动和合理分配。其应用与区位论中的中心地理论类似。根据网络流的阻力等研究中心吸引区，为网络中的每一连接寻找最近的中心，以实现最佳服务。2．分析原理从原理上，任何一种网络分析功能或方法，都是在给定条件和要求下，利用网络流向来寻求路线或服务区域。例如，最短路径是根据网络流向和距离的权重，经过路径追踪而得到的，因此，可以将网络分析划分成两个基础模块：流向分析和追踪分析。网络分析的其它功能都是通过这两个基础模块来组建或衍生出来的。（1）流向分析设施网络应用上，了解网络线段上的资源和要素流动方向很必要。网络中的流向决定于：A.网络的连通性B.网络中起点或终点要素的位置C.网络要素的可运行性起点及终点位置控制了设施网络的流向方向。起点是指交点要素流动将由自己开始至网络中的其它位置，如：在水流分布网络中，河流的出水口就是终点，所以重力将引导水流流向出水口。流动是由起点要素至终点要素，因为流向可以由起点或终点特性来建立，所以通常在网络中只要指令起点或指定终点即可。1）流向的分类。网络中边要素的流向可分为三类：A.确定的流向。网络中的流向可以唯一地用网络的连通性、起点和终点的位置以及网络要素的可运行性来确定，这个网络边要素就被当作有确定的流向，一般来说，边要素的流向可与数字化的方向相同或相反，没有明确的规定。B.不确定的流向。通常发生在循环或封闭回路的情况下，也可能发生在有数个起点及数个终点方向的线段上。C.未初始化的流向。如果网络的边要素未与起点或终点连接，或即使连接上了，但该要素不可运行，则该边要素就具有未初始化的流向。在流向确定中应注意：城市交通网络中，一般存在着回路（连通图），所以在网络中很多边的流向就变成了不确定的流向。2）流向的显示：ArcGIS将网络流向信息储存在网络的线段图征中，使用设施网络分析（UtilityNetworkAnalyst）工具可以显示网络边要素的流向，包括确定的流向、不确定的流向、未初始化的流向。3）流向的设定：当发生以下几种情形时，必须对网络流向进行重新设定：A.建立了一个新的几何网络；B.对几何网络中的要素进行了增加或删除；C.对网络要素进行修改后，使得几何网络中的拓扑关系发生变化；D.增加或删除起点或终点；E.网络要素的连通性发生改变；F.网络要素的可运行性发生变化设定流向功能是为新的网络拓扑关系建立资源流向。在设定流向前，网络必须包含至少一个结点网络要素，且被设定为起点或终点。（2）追踪分析追踪分析是通过追踪网络要素的连接性，选择周围相互连接的网络要素，形成一个追踪结果，即追踪操作后所找到的网络要素配置结果。在追踪结果中，一个网络元素均需与其它元素有连接性。网络追踪包含连结性。1）追踪分析涉及的基本概念和简单操作：A.旗标与障碍旗标定义追踪的起点，可以放置在任何交点或线段上。在执行追踪操作时，使用这些线段或交点作为追踪操作的起点，而连结至这些线段或交点的网络元素就会被包含于追踪的结果中。障碍用于终止网络追踪分析，可放置在任何交点或线段上。在执行追踪操作时，遇到障碍就停止追踪，形成一个追踪结果。B.不可运行要素和图层在特定位置改变要素的不可运行性是一种更永久的方法，它将迫使网络追踪分析停止，形成追踪分析结果，如：在建的路不能通行，就应将这段路当成不可运行状态。有时不需要对几何网络数据中的一个层面进行追踪，此时可将该层面设置成不可运行，追踪分析将不会考虑这个层面上的网络数据。C.权重几何网络中的边和结点要素都可有不同的权重，如：道路的长度、道路畅通效果，电力网络中的电阻值。它可用于网络分析中计算费用和路径等。建立网络时，可以设定线段与交点要素的属性值为权重，进而确定追踪分析结果所包含要素的成本。在ArcGIS追踪工具中，只有寻找最佳路径才使用权重来计算追踪成本。在使用权重进行最佳路径分析时必须