矢量数据的空间分析实验报告

实验四、矢量数据的空间分析实验目的：通过理解空间分析是综合分析空间数据技术的统称,是地理信息系统的核心部分,在地理数据的应用中发挥着举足轻重的作用。从数据模型上看,空间分析分为矢量数据的空间分析和栅格数据的空间分析两种。GIS不仅能满足使用者对地图的浏览与查看,并且能够解决诸如哪里近来、周边有什么等有关地理要素位置和属性的问题,这些都需要用到矢量数据的分析功效。相对于栅格数据的空间分析来说,矢量数据的空间分析普通不存在模式化的解决办法,而体现为分析办法的多样性和复杂性,它重要基于点线、面三种基本形式。在ArcG1S中,矢量数据的空间分析办法重要有数据提取、统计分析、缓冲分辨析和叠加分析等。实验内容：首先学习统计分析和缓冲分辨析以及叠加分析的办法，然后通过实例进行操作练习。实验过程：1.统计分析：⑴频数：频数(requency)是指在表格或者图层的属性表中,某个属性值或者属性值组合出现的次数,频数工具的重要作用是读取表格中的一组字段,计算字段的每个唯一值出现的频数,并创立一种包含唯一字段及其频数的新表。以某都市的土地运用类型表格数据(图10.14)为例阐明频数工具的使用方法,表格共有三个字段:“土地类型”字段存储的是都市土地的运用类型,“面积”字段存储的是每种土地运用类型的面积,“所在区域”字段存储的是该土地运用类型所在的都市区域。如果要计算每种土地运用类型的地块数量,可使用频数工具。图十四频数图示⑵汇总统计数据：汇总统计(summarystatistics)数据就是对输入表格中的字段进行汇总计算,输出成果为表格,表格由包含统计运算成果的字段构成。在输出表格中,使用“统计类型字段名称”命名商定来为每种统计类型创立字段。当输出表为dBASE表时,字段名称会被截断为10个字符。图十五汇总统计数据图示2.缓冲分辨析：缓冲区(bufferanalysis)是为了识别某一地理实体对周边地物的影响而在其周边建立的一定宽度多边形区域。缓冲分辨析是用来拟定不同地理要素的空间邻近性或靠近程度的一种分析办法。作为GIs的空间分析功效之一,缓冲分辨析的应用非常广泛,惯用于分析矢量实体的某种属性对周边的影响。例如,都市中工厂排放的废水废气所影响的空间范畴,交通噪音污染影响的空间范畴,湖泊对周边耕地的影响等,能够分别描述为点、线和面的缓冲区。⑴缓冲区的基本概念①缓冲区：缓冲区(buffer)是围绕地理要素一定宽度的区域,这个宽度称为缓冲距离。地理要素普通抽象为点、线和面。因此,缓冲分辨析重要基于点、线和面进行。从空间变换的观点出发,缓冲分辨析就是将点、线、面状地物分布图变换为这些地物的扩展距离图,图上每一点的值代表离该点近来的某种地物的距离。从数学意义上看,缓冲分辨析就是基于空间目的(点、线、面)拓扑关系的距离分析,其基本思想是给定空间目的拟定它们的某个邻域,邻域的大小由邻域半径R决定。因此,对于给定的目的O,其缓冲区定义为B={x|d(x,O)≤R式中,d为x与O之间的距离,普通是指欧氏距离;R为邻域半径,或称缓冲距空间目的重要是点目的、线目的和面目的,以及点目的、线目的和面目的构成的复杂目的。因此,空间目的的缓冲分辨析涉及点目的缓冲区、线目的缓冲区、面目的缓冲区和复杂目的缓冲区。②轴线：轴线是由线目的坐标点的有序串构成的迹线,或面目的的有向边界限左侧和右侧分别称为轴线的左侧和右侧。③多边形的方向：若多边形的边界为顺时针方向,则称为正向多边形,否则称为负向多边形。④缓冲区的外侧和内侧：位于轴线左侧的缓冲区称为缓冲区的外侧,反之为内侧。⑤轴线的凹凸性：对于轴线上的次序三点P、P2、P·用右手螺旋法则,若拇指朝里,则中间点是凸的;若拇指朝外,中间点是凹的。⑵缓冲区的生成算法①点缓冲区生成的算法：点目的的缓冲区就是围绕点目的,以缓冲距为半径的圆周所包围的区域。生成算法的核心是拟定以点目的为中心的圆周。惯用的点缓冲区生成算法是圆弧步进拟正当。圆弧步进拟正当将圆心角等分,在圆周上用等长的弦替代圆弧,以直代曲,用均匀步长的直线段逐步逼近圆弧段。②线缓冲区生成算法：线目的的缓冲区,是将线目的的轴线沿法线方向两侧各平移一种缓冲距,端点用半径圆弧连接所得到的多边形。两侧的缓冲距离能够相似,也能够不相似。线目的缓冲区生成算法的核心是拟定线目的两侧的缓冲线线目的的缓冲区生成算法惯用的有角平分线法和凸角圆弧法。角平分线法是一种较简朴的办法,而凸角圆弧法是较实用的办法。ⅰ.角平分线法：角平分线法的基本思想是在转折处根据角平分线拟定缓冲区的形状。角平分线法的基本思想是:首先,拟定线状目的的缓冲距离,然后沿线状要素轴线迈进方向,依次计算轴线转折点的角平分线。线段起始点和终点处的角平分线为起始线段或者终止线段的垂线。另首先,在各点的角平分线的延长线上以缓冲区距离拟定各点的缓冲点位置,将缓冲点次序相连,即构成该线状要素的缓冲区边界的基本部分。再在线状要素起始点和终点处以缓冲距为半径,以角平分线与线状要素交点所在位置为圆心,分别向外做外接圆,最后将外接圆和缓冲边界的基本部分相连,即为线状要素的缓冲区。角平分线的拟定难以确保双线的等宽性,并且当折点处的夹角变大时,误差会变大。凸角圆弧法就能较好地解决此问题ⅱ.凸角圆孤法：凸角圆弧法的基本思想是:在轴线的两端用半径为缓冲距的圆弧弥合;在轴线的各转折点,首先判断该点的凹凸性,在凸侧用半径为缓冲距的圆弧弥合,在凹侧用与该点关联的前后两相邻线段的偏移量为缓冲距的两平行线的交点作为对应定点,将这些圆弧弥合点和平行线交点依一定的次序连接起来,即形成闭合的缓冲区边界凸角圆弧法的优点是能够确保凸侧的缓冲线与轴线的宽度,而凹侧的对应缓冲点位于凹角的角平分线上,因而能最大程度地确保缓冲区边界与轴线的等宽关系③面缓冲区生成算法：由于面状要素事实上是由线状要素围绕而成的,因此其缓冲区边界生成算法就是线状要素缓冲区的生成算法。⑶缓冲区的建立：ArcGIS中缓冲区的建立有两种办法:一种是用缓冲区向导建立,另一种是用缓冲区建立。点、线、面要素的缓冲区建立过程基本一致。在此,以线状要素为例来介绍缓冲区的办法和环节。①用缓冲区向导建立缓冲区：缓冲区向导工具为建立缓冲区提供了一种简朴快捷的操作方式,只需要按照向导工具的提示一步步的设立参数,就能够建立要素的缓冲区。图十六缓冲向导图示②使用缓冲工具建立缓冲区③多环缓冲区的建立④点距离⑤邻近分析3.叠加分析：叠加分析是地理信息系统提取空间隐含信息惯用的手段之一,它是在统一的空间参考系统下,通过对不同的数据进行一系列的集合运算,产生新数据的过程。叠加分析的目的是在空间位置上分析含有一定关联的空间对象的空间特性和专属属性之间的互有关系。叠加分析不仅能够产生新的空间关系,还能够产生新的属性特性关系,发现多层数据间的差别联系和变化等特性。从运算角度看,叠加分析是指两个或两个以上的地理要素图层进行空间逻辑的交、并、差的运算。根据操作形式的不同,叠加分析能够分为擦除分析、相交分析、联合分析、标记分析、更新分析、交集取反和空间连接等七类。⑴擦除分析：擦除(erase)分析是在输入数据层中去除与擦除数据层相交的部分,形成新的矢量数据层的过程。擦除要素可觉得点、线和面,点擦除要素仅用于擦除输入要素中的点,线擦除要素可用于擦除输入要素中的线和点,面擦除要素可用于擦除输入要素中的点线和面。由于面状要素比较直观形象,在此以面擦除要素为例来介绍擦除分析的原理及操作。图十七擦除图示⑵相交分析：相交(intersect)分析是计算输入要素的几何交集的过程。由于点、线、面要素都能够进行相交操作,因此相交分析的情形能够分为七类:多边形与多边形,线与多边形,点与多边形线与线线与点,点与点,尚有点、线、面三者相交。在相交分析中,输入要素能够是几何类型(点线或多边形)的任意组合。输出要素的几类型只能是与含有最低维度(点是0维、线是1维、多边形是2维)的输入要素类相似的或维更低的几何类型。如线和多边形进行相交分析,输出类型只能是线要素在实际应用中,不同要素进行相交分析,可能会产生不同类型的几何交集(如点、线或多形)。指定的输出类型不同,生成的交集就不相似。四个多边形要素进行相交分析,同时产生了点、线和面三种类型的几何交集。图十八相交图示⑶联合分析：联合(union)分析是计算输入要素的并集,全部的输入要素都将写入到输出要素类中联合分析过程中,输入要素必须是多边形。如果输入要素类中有相交的部分,相交部分还会有相交的输入要素类的全部属性。在联合分析中,两个图层进行联合,在输出要素层中可能会出现被其它要素包围的空域,称之为间距,亦称为岛状区域。在操作过程中,可选择与否“允许间隙存在”,如果不允岛状区域将会被填充,反之,岛状区域将不被填充。⑷标记分析：标记(identity)分析是计算输入要素和标记要素的集合,输入要素与标记要素的重叠部分将获得标记要素的属性。输入要素能够是点、线或面,但是不能是注记要素、尺寸要素或网络要素。标记要素必须是面,或者与输入要素的几何类型相似。标记分析重要有三种类型:多边形和多边形,线和多边形与点和多边形的标记分析。图十九标记图标⑸更新分析：更新(update)分析用于计算输入要素和更新要素的几何相交,在输入要素中,与更新要素相交的部分,在输出成果中其几何外形和属性都被更新要素所更新。也就是说在执行过程中,先用更新要素对输入要素进行擦除解决,将擦除后的成果写入到输出成果中,再将更新要素也写入到输出成果中。图二十更新图示⑹交集取反分析：交集取反(symmetricaldifference)分析是将输入要素和更新要素不重叠的部分输出到新要素类中。它首先计算输入要素和更新要素的几何交集,再从输出要素类中去除公共部分,只保存非公共部分。执行交集取反分析的输入要素和更新要素必须含有相似的几何类型,由于面状要素能够将交集取反原理比较直观地呈现出来。图二十一交集反取图示⑺空间连接：空间连接(spatialjoin)是基于两个要素类中要素之间的空间关系将属性从一种要素类传递到另一种要素类的过程。也就是说,两个图层之间根据图层中要素的相对位置关系建立连接,其成果为将一种图层的属性表添加到另外一种图层中空间连接工具需要输入目的要素类和连接要素类。以目的要素类为基准,根据目的要素和连接要素之间指定的空间关系,将连接要素类中的属性信息追加到目的要素类中。例如,如果将某个点要素类指定为目的要素,将某个面要素类指定为连接要素,并选择“WITHIN”作为匹配选项,则每个输出点要素除包含其原始属性外,还将包含其所在面的属性。在这里用一种具体的实例来阐明的功效和用途。假设某市包含三个县级单位:县1、县2和县3,同时拥有该市湖泊的多边形要素,使用空间连接求出县内的湖泊面积。如果每个目的要素对应一种连接要素,即一对一,那么连接要素的属性值能够直接追加到目的要素的属性表中。如果一种目的对应多个连接要素,并且但愿输出要素类的要素个数与目的要素类相似时,就需要设立连接合并规则。所谓连接合并规则就是对多个连接要素的某个字段进行聚合。聚合后在目的要素属性表中会出现个新的字段“Join_Count”,用于统计每个目的要素有多少个匹配的连接要素在此例中,以该市多边形图层作为目的要素,湖泊图层作为连接要素,空间关系为湖泊在该市的对应位置。从图10.64中能够看出,在县1中,只有一种湖泊,那么将湖泊要素的属性值直接添加到县1上即可。而在县2中,有两个湖泊,而要确保输出要素必须与原区域要素个数相似的话,就出现了一种问题:如何将县2中的两个湖泊的面积属性添加到县图层的属性表上。类似这样“一对多”的连接,就需要对连接要素的某个字段设立连接合并规则。图二十二空间连接图示4.实例分析：缓冲区和叠加分析的综合应用：⑴背景：在都市中,如何为大型商场找到一种交通便利、停车方便、人员密集的商业地段是商场开发商最为关注的问题。因此,商场开发商需要从多方面对商场选址进行分析方便选出区位条件最佳的位置,从而获取最大的经济效益⑵目的：纯熟掌握ArcGIS缓冲分辨析和叠加分析操作,综合运用各项矢量数据的空间分析工具解决实际问题⑶数据：该实例数据位于随书光盘(“…\chp10Ex1\”),请将数据拷贝到“C:\chp10Ex1。①都市地区重要交通道路图(mainstreet)。②都市重要居民区图(residentia)。③都市停车场分布图(stops)。④都市重要商场分布图(other)。⑷规定：待寻找地区的区位条件为：①离都市重要交通线路50m以内,以确保商场交通的通达性。②确保在居民区100m范畴内,便于居民步行达成商场。③距停车场100m范畴内,便于顾客停车。④距已经存在的商场500m范畴之外,减少竞争压力。⑸操作环节：启动ArcMap,打开ity.mxd地图文档,位于“C:chilo、Ex1daa”文献目录下。①都市地区重要交通线路影响范畴的建立②居民居住地影响范畴的建立③停车场影响范畴的建立④已存在商场影响范畴的建立⑤进行叠加分析，求出同时满足四个规定的区域⑥对整个都市商场的区位条件进行评价心得体会：通过实践作图，分析环节，进行操作。以此做出擦除分析、相交分析、联合分析、标记分析、更新分析、交集取反分析、空间连接等图层。实验五、三维分析4.ArcScene三维可视化实验目的：实验内容：实验三、矢量数据的空间分析实验目的：系统理解矢量数据的空间分析，学会对多个空间分析的办法，综合应用到实际案例中。实验内容：掌握统计分析、缓冲分辨析、叠加分析的办法，并综合运用到实例当中。实验过程：统计分析统计分析用于对表格或者属性表进行统计计算，如频率、平均值、最小值、最大值和原则差等。统计分析工具集包含两个工具:频数工具和汇总统计数据工具。频数是指在表格或者图层的属性表中,某个属性值或者属性值组合出现的次数。在ArcTolblox中双击“分析工具”---“统计分析”---“频数”，打开“频数”对话框，在对话框中,输入“输入表”数据，指定输出表的保存途径和名称，在“频数字段”中选择要统计的字段，单击[拟定]按钮，完毕频数统计操作,运行成果。图一频数运行计算成果（2）汇总统计数据就是对输人表格中的字段进行汇总计算，输出成果为表格，表格由包含统计运算成果的字段构成。在ArToor中双击“分析工具”---“统计分析”---“汇总统计数据”，打开“汇总统计数据”对话框，在对话框中,输入“输入表”数据，指定输出表的保存途径和名称，单击“统计字段”下拉框，选择统计字中选择要统计的字段，段，同时选择“统计类型”。图二汇总统计数据运行计算成果缓冲分辨析缓冲区的基本概念：缓冲区是围绕地理要素一定宽度的区域,这

个宽度称为缓冲距离。地理要索普通抽象为点、线和面。因此，缓冲分辨析重要基于点、线和面进行。铀线是由线目的坐标点的有序串构成的迹线，或面目的的有向边界限。多边形的边界为顺时针方向.则称为正向多边形，否则称为负向多边形。缓冲区的外侧和内侧，位于轴线左侧的缓冲区称为缓冲区的外侧,反之为内侧。轴线的凹凸性，对于轴线上的次序三点P1、P2、P3，用右手螺旋法则，若拇指朝里，则中间点是凸的；若拇指朝外，中间点是凹的。缓冲区的生成算法=1\*GB3①点缓冲区生成算法：点目的的缓冲区就是围绕点目的，以缓冲距为半径的圆周所包围的区域。生成算法的核心是拟定以点目的为中心的圆周。惯用的点缓冲区生成算法是圆弧步进拟正当。=2\*GB3②线缓冲区生成算法：将线目的的轴线沿法线方向向两侧各平移一种缓冲距。端点用半径圆弧连接所得到的多边形，两侧的级冲距能够相似，也能够不相似。线目的缓冲区生成算法的核心是拟定线目的两侧的缓冲线。惯用的生成算法有角平分线法和凸角圆弧法。角平分线法的基本思想是在转折处根据角平分线拟定缓冲区的形状，首先,拟定线状目的的缓冲距离，然后沿线状要素轴线迈进方向，依次计算轴线转折点的角平分线。凸角圆弧法的基本思想是在轴线的两端用半径为缓冲距的圆弧弥合;在轴线的各转折点,首先判断该点的四凸性，在凸侧用半径为缓冲距的圆弧弥合，在四侧用与该点关联的前后两相第线段的偏移量为缓冲距的两平行线的交点作为对应定点，将这些圆弧弥合点和平行线交点依一定的次序

连接起来，即形成闭合的缓冲区边界。=3\*GB3③面缓冲区生成算法，由于面状要素事实上是由线状要索围绕而成的，因此其缓冲区边界生成算法就是线状要索缓冲区的生成算法。缓冲区的建立=1\*GB3①用缓冲区向导建立缓冲区：在ArcMap窗口中，打开“自定义”对话框，切换到“命令”选项卡，选择“类别”列表框中的“工具”，然后在“命令”列表框中选择“缓冲向导”。使用选择工具选择要建立缓冲区的要素，单击缓冲区要素向导图标，打开“缓冲向导”对话框，选中“图层中的要素”按钮，在下拉框中选择建立缓冲区，选择指定距离作为缓冲区，距离为1000米，指定输出保存位置。=2\*GB3②使用缓冲区工具建立缓冲区：在ArcToolbox中双击“分析工具”---“邻城分析”---“缓冲区”，打开“缓冲区”对话框，输入“输入要素”数据“point”，距离为1000米，其它值选择默认，指定输出保存位置。图三缓冲区建立=3\*GB3③多环缓冲区建立的操作环节以下:在ArcToolbox中双击“分析工具”---“邻城分析”---“多环缓冲区”，打开“多环缓冲区”对话框，输入“输入要素”数据，指定“输出要素类”数据，在“距离”文本框中设立缓冲距离,输入距离后，单击按钮，单位选择米，“融合选项”选择“All”。=4\*GB3④点距离分析的操作环节：在ArcToolbox中双击“分析工具”---“邻城分析”---“点距离”，打开“点距离”对话框，输人“输人要素”、“邻近要素”数据,指定输出表的保存途径和名称，“搜索半径”为100，单击“拟定”。=5\*GB3⑤近邻分析的操作环节：在ArcToolbox中双击“分析工具”---“邻城分析”---“近邻分析”，打开“近邻分析”对话框，输人“输人要素”、“近邻要素”数据,指定输出表的保存途径和名称，“搜索半径”为200，单击“拟定”。图四点距离分析图五近邻分析3.叠加分析叠加分析的目的是在空间位置上分析含有一定

关联的空间对象的空间特性和专属属性之间的互有关系。叠加分析不仅能够产生新的空间关系，还能够产生新的属性特性关系，发现多层数据间的差别、联系和变化等特性。包含擦除分析、相交分析、联合分析、标记分析、更新分析、交集取反分析、空间连接，其工具使用办法一致，在ArcToolbox中双击“分析工具”---“叠加分析”---选择需要叠加的类型，输入数据，指定保存位置，拟定即可。4.实例：缓冲区和叠加分析的综合应用⑴背景：在都市中,如何为大型商场找到一种交通便利、停车方便、人员密集的商业地段是商场开发商最为关注的问题。因此,商场开发商需要从多方面对商场选址进行分析方便选出区位条件最佳的位置,从而获取最大的经济效益⑵目的：纯熟掌握ArcGIS缓冲分辨析和叠加分析操作,综合运用各项矢量数据的空间分析工具解决实际问题⑶数据：该实例数据位于随书光盘(“…\chp10Ex1\”),请将数