第四章 GIS的基本功能

4.3空间数据管理4.2空间数据处理4.1空间数据采集

第四章GIS的基本功能4.4空间分析1.GIS数据来源2.GIS数据输入§4.1空间数据采集1.GIS数据来源地图影像数据测量数据统计数据文字报告§4.1空间数据采集地图(纸质地图)地图是GIS最主要的数据源，是地理数据的传统描述形式，是具有共同坐标系统的点、线、面的二维平面形式的表示，实体间的空间关系直观，实体的类别或属性用各种不同的符号加以识别和表示。普通地图：地形图、地理位置图、……

专题地图：地质图、土地分布图、旅游图、……

纸质地图使用时应注意的问题：

.地图存储介质的缺陷

.地图现势性较差

.地图投影的转换遥感影像数据

通过遥感影像可以快速、准确地获得大面积的、综合的各种专题信息。航天遥感：人造卫星为主体，包括载人飞船、航天飞机和空间站

，具有周期性美国：LandsatTM/ETM（全色30m/15m）

IKONOS

（多光谱4m，全色1m）

QuickBird(多光谱2.44m，全色0.61m)法国：SPOT5（多光谱10m，全色2.5m）中国：CBERS（20m）

航空遥感：飞机、气球、飞艇

地面遥感:

高塔、车、船

测量数据地形测量：GPS定位点、地面沉降监测数据、…水文量测：水位、泥沙含量、…GPS采集……通过各种量测手段、工具得到的数据，具有较高的准确性和现势性。统计数据社会、经济的各种统计数据：自然：矿产资源分布、污染源分布、…人文：人口数量、构成、…经济：GDP、产业分布、………文字报告各种文字报告和立法、管理文件，主要在管理类的GIS系统中发挥作用。描述文档：旅游景点的详细介绍、…文字报告：项目文档、数据说明文档、…标准与编码：国家或行业标准、编码表、…立法文件：相关法律、政策与制度、…管理文档：管理条例、操作流程、………2.GIS数据输入野外数据采集地图数字化数字摄影测量遥感影像处理现有数据转换§4.1空间数据采集野外数据采集全站仪测量：它能与磁卡或微机等设备进行交互通信、传输数据。平板仪测量:平板仪测图的成果一般是一张图纸，因此还需要通过各种输入设备（如扫描仪、数字化仪）完成图数转化过程。GPS测量：根据来自GPS卫星的信号计算地面点的位置。大多数GPS接收器将采集的坐标数据和相关的专题属性数据存储在内存中，可下载到计算机或直接导入到GIS数据库中。地图数字化法描扫数字化法数字化仪数字化法手扶跟踪数字化仪：采集方式：机械式、超声波式和全电子式数字化过程：

.固定图件

.输入图幅范围和控制点

.跟踪输入图形要素地图数字化法——数字化仪数字化法数字化方式：

.点方式：人工输入

.流方式：自动输入（距离流方式、时间流方式）优势：

.数据量小

.处理软件比较完善

缺点：

.自动化程度低

.速度慢、工作量大

.精度难得到保证地图数字化法——数字化仪数字化法扫描仪：颜色：单色、彩色版面：A0、A1、A3、A4

固体器件：电荷耦合器件、MOS电路、紧贴型宽度和操作：大型、台式、手动式扫描数字化过程：

.扫描参数设置：扫描模式、分辨率、范围等

.扫描得到栅格数据

.栅格数据的编辑、处理、校正、矢量化优势：

.扫描输入速度快

.扫描精度不受人为因素影响

.操作简单地图数字化法——扫描仪数字化法扫描矢量化的地图信息处理流程纸地图扫描转换拼接子图块裁剪地图图像处理矢量化矢量图合成矢量图编辑地图数字化法——扫描仪数字化法数字摄影测量产品形式：数字地图、数字地面模型、数字正射影像和数字景观图等。数字化摄影测量是通过对所获取的数字或数字化影像进行处理，自动提取或以人工干预的方式提取被摄对象，并用数字方式表达几何和物理信息，从而获得各种形式的数字产品和目视化产品。现有数据转换将其它格式的数据转换到GIS数据库中：如将CAD格式的数据转换为Mapgis格式的数据。栅格数据

矢量数据遥感影像处理栅格数据直接输入到GIS数据库中4.3空间数据管理4.2空间数据处理4.1空间数据采集

第四章GIS的基本功能4.4空间分析§4.2空间数据处理误差或错误的检查与编辑图像纠正数据格式的转换投影转换图像解译图幅拼接拓扑生成§4.2空间数据处理误差或错误的检查与编辑误差的表现：空间数据的不完整或重复空间数据位置的不准确空间数据的比例尺不准确空间数据的变形空间属性与数据连接有误属性数据不完整误差检查的方法：叠合比较法：比例尺不准确图形变形位置不完整位置不准确目视检查法：

线的过长、过短、断裂多边形的重叠、裂口逻辑检查法：

拓扑一致性属性值是否超界属性之间或属性与图形的逻辑关系误差或错误的检查与编辑空间数据的不完整或位置的误差：利用GIS的图形编辑功能

删除：目标、属性、坐标修改：平移、拷贝、连接、分裂、合并、整饰插入：空间数据比例尺的不准确和变形：

比例变换纠正误差的处理：误差或错误的检查与编辑地图介质实际尺寸的变形地图扫描过程中的操作误差遥感影像存在几何变形投影不同分幅扫描2.图像纠正纠正的原因：

建立要纠正的图像与标准地形图（或地形图理论数值、或纠正过的正射影像）之间的变换关系。主要的变换函数有：仿射变换、双线性变换、平方变换、双平方变换、立方变换、四阶多项式变换等。地形图的纠正遥感影像的纠正2.图像纠正纠正的方法：地形图的纠正

四点纠正法：采集四个图廓控制点（内图轮廓线的四个顶点、靠近四顶点的方里网点）

逐网纠正法：对每一个方里网格，都要采点采点时，一般先采源点（需纠正的地形图上的点），后采目标点（参考图上的点）；先采图廓点和控制点，后采方里网点。2.图像纠正遥感影像的纠正

选用和遥感影像比例尺相近的参考图（地形图、正射影像图、已纠正的影像图等）作为变换标准，并选用合适的变换函数，然后分别在两个图上采集同一地物的源点和目标点。选点应均匀分布，点不能太多；选点应由人工建筑构成的并且不会移动的地物点为主；选点时应考虑影像图与参考图的年代不同，地物的空间位置与形态有可能发生变化。2.图像纠正3.数据格式的转换数据结构之间的转换

同一数据结构不同组织形式间的转换不同栅格记录形式之间的转换：四叉树与游程编码

BMP、TIF、JPG、……

不同矢量结构之间的转换：索引式与DIME

Mapinfo、MapGIS、TitanGIS、ArcInfo、……

不同数据结构间的转换矢量到栅格的转换栅格到矢量的转换4.投影转换正解变换：通过严密或近似的解析关系式直接转换反解变换：先转换成地理坐标，再由地理坐标转换成目标投影坐标数值变换：利用投影变换区控制点，采用数学方法转换5.图像解译图像解译基础：研究区的地理特征、地图、植被、气候以及区域内有关人类活动的各种信息图像的成像原理、图像的成像时间、图像的解译标志

遥感图像的解译标志包括图像的色调或色彩、大小、形状、纹理、阴影、位置及地物之间的相互关系等。遥感图像的解译有目视判读和计算机自动解译两种方法，自动解译分为监督分类和非监督分类两种。6.图幅拼接逻辑一致性的处理识别和检索相邻图幅相邻图幅边界点坐标数据的匹配相同属性多边形公共边界的删除7.拓扑生成拓扑错误修改伪节点悬挂节点“碎屑”多边形或“条带”多边形不正规多边形拓扑关系生成多边形拓扑关系的建立：多边形组成弧段；弧段左右两侧的多边形，弧段两端的节点；节点相连的弧段（拓扑模型）网络拓扑关系的建立:确定节点与连接线之间的关系。4.3空间数据管理4.2空间数据处理4.1空间数据采集

第四章GIS的基本功能4.4空间分析§4.3空间数据管理——空间数据库数据库的定义

数据库：就是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。数据库管理的特点

1.数据独立于应用程序而集中管理，实现了数据共享，减少了数据冗余，提高了数据的效益。

2.在数据间建立了联系，从而使数据库能反映出现实世界中信息的联系。空间数据库的特点数据量特别大：地理系统是一个复杂的综合体，需要描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置，其数据量很大。包括属性数据和空间数据，两者具有不可分割的联系。数据应用的面积相当广。空间数据库：是某区域内关于一定地理要素特征的数据集合。空间数据库的定义§4.3空间数据管理——空间数据库属性数据空间数据4.3空间数据管理4.2空间数据处理4.1空间数据采集

第四章GIS的基本功能4.4空间分析居民点居民点居民点居民点……问题1：商业中心选址淹没前淹没后问题2：受灾面积估算缅甸受热带风暴袭击前后对比图4.4.1空间分析的概念4.4.2空间查询4.4.3

空间量算4.4.4叠加分析4.4.5缓冲区分析4.4.5网络分析§4.4空间分析1.何为空间分析行为？2.空间分析的对象、手段和目的？3.空间分析定义？4.空间分析的主要功能4.4.1

空间分析的概念1.空间分析行为对象：一系列跟空间位置有关的数据(空间数据)，这些数据包括空间坐标和专题属性两部分。目的：提取和传输地理空间信息(特别是隐含信息)，以辅助决策。手段：几何的逻辑运算、数理统计分析、代数运算等数据手段。2.空间分析的对象、手段与目的3.空间分析定义空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术，是利用特定的原理和算法，对空间数据进行操作、处理、分析、模拟，从而获取和传输空间信息，特别是隐含信息，以辅助决策。4.空间分析的主要功能空间查询空间量算叠加分析缓冲区分析网络分析4.4.1空间分析的概念4.4.2空间查询4.4.3

空间量算4.4.4叠加分析4.4.5缓冲区分析4.4.5网络分析§4.4空间分析空间数据的查询是GIS最基本的功能，其实质是找出满足属性约束条件或空间约束条件的地理对象或属性信息。1.空间查询的概念1）基于属性特征的查询：属性查图形2）基于空间特征的查询：图形查属性3）基于空间和属性特征的联合查询2.空间查询方式的分类1）

基于属性特征的查询基于属性特征的空间查询又称“属性查图形”，即通过给出属性约束条件，找出满足约束条件的地理对象，然后通过GIS系统进行空间定位。2.空间查询方式的分类例如:查询重庆工程职业技术学院在什么位置?例如:查询重庆工程职业技术学院的位置?2）基于空间特征的查询基于空间特征的查询又称“图形查属性”，即根据对象的空间位置查询有关属性信息。该查询通常分为两步：首先借助空间索引，在地理信息系统数据库中快速检索出被选空间实体；然后根据空间实体与属性的连接关系即可得到所查询空间实体的属性列表。2.空间查询方式的分类例如:查询西南大学的地址与联系方式?3）基于空间特征和属性特征的联合查询空间特征和属性特征联合查询的实质是指查询条件中同时涉及空间特征和属性特征。例如：从中国地图上查询同北京的距离（查空间中距离）小于2000km、长江以南（查空间中位置）、人口数大于100万的城市。

2.空间查询方式的分类4.4.1空间分析的概念4.4.2空间查询4.4.3空间量算4.4.4叠加分析4.4.5缓冲区分析4.4.5网络分析§4.4空间分析4.4.3空间量算1.几何量算2.形状量算3.质心量算1.几何量算点状地物（0维）：坐标线状地物（1维）：长度、曲率、方向面状地物（2维）：面积、周长、形状、曲率等体状地物（3维）：体积、表面积等1）线的长度计算矢量数据结构：线表示为点对坐标（X，Y）或（X，Y，Z）的序列，在不考虑比例尺情况下，线长度的计算公式为：栅格数据结构：线状地物的长度就是累加地物骨架线通过的格网数目，骨架线通常采用8方向连接，当连接方向为对角线方向时，还要乘上。1.几何量算582）面状地物的面积在矢量结构下，面状地物以其轮廓边界弧段构成的多边形表示的。对于没有空洞的简单多边形，假设有N个顶点，其面积计算公式为：对于栅格结构：多边形面积计算就是统计具有相同属性值的格网数目。1.几何量算1）线状地物的形状量算——弯曲度2.形状量算方法：在起点和终点之间，先简单测量线性对象的全长L2，再与起点终点的直线距离L1加以比较：r=L1/L2

比值r越接近1，线的弯曲度就越小。A、空间一致性问题度量空间一致性最常用的指标是欧拉函数，它的结果是一个数，称为欧拉数。欧拉函数的计算公式为：欧拉数=（空洞数）-（碎片数-1）a：欧拉数=4-(1-1)=4；b：欧拉数=4-(2-1)=3；c：欧拉数=5-(3-1)=32）面状地物的形状量算2.形状量算B、多边形边界特征描述问题最常用的多边形边界特征描述指标包括多边形长、短轴之比，周长面积比，面积长度比等。其中绝大多数指标是基于面积和周长的。通常认为圆形地物既非紧凑型也非膨胀型，则可定义其形状系数r为：其中P为地物周长，A为面积。如果r<1，目标物为紧凑型；r=1，目标物为标准圆；r>1，目标物为膨胀型。2）面状地物的形状量算2.形状量算圆r=1r>1膨胀型r<1紧缩型面状地物形状特征描述2）面状地物的形状量算2.形状量算3.质心量算P207质心：用来概括地表示目标对象在地理空间的总体分布位置。其中,（Xi，Yi）为第i个离散目标物的坐标假设有N个离散点(x1，y1),(x2，y2),……（xn，yn）1）算术平均中心其中:Wi为第i个离散目标物权重;（Xi，Yi）为第i个离散目标物的坐标。

2）加权平均中心3.质心量算4.4.1空间分析的概念4.4.2空间查询4.4.3

空间量算4.4.4叠加分析4.4.5缓冲区分析4.4.5网络分析§4.4空间分析

叠加分析是地理信息系统最常用的提取空间隐含信息的手段之一。该方法源于传统的透明材料叠加，即将来自不同的数据源的图纸绘于透明纸上，在透光桌上将其叠放在一起，然后用笔勾出感兴趣的部分—提取出感兴趣的信息。地理信息系统的叠加分析是将有关主题层组成的数据层面，进行叠加产生一个新数据层面的操作，其结果综合了原来两层或多层要素所具有的属性。叠加分析不仅包含空间关系的比较，还包含属性关系的比较。4.4.4叠加分析图遥感铁化蚀变与Cu元素及Ni-Cr-Co-V元素组合异常假彩色合成图4.4.4叠加分析1.叠加的分类1）矢量数据的叠加:2）栅格数据的叠加692.矢量叠加——多边形对多边形叠加多边形叠加将两个或多个多边形图层进行叠加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或多层的属性。如图8-11所示：图8-11：多边形叠加分析

叠加过程可分为几何求交过程和属性分配过程两步:几何求交过程首先求出所有多边形边界线的交点，再根据这些交点重新进行多边形拓扑运算，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，同时生成一个与新多边形对象一一对应的属性表。2.矢量叠加——多边形对多边形叠加属性分配过程最典型的方法是将输入图层对象的属性拷贝到新对象的属性表中，或把输入图层对象的标识作为外键，直接关联到输入图层的属性表。这种属性分配方法的理论假设是多边形对象内属性是均质的，将它们分割后，属性不变。也可以结合多种统计方法为新多边形赋属性值。多边形叠加流程:取本底多边形取上叠多边形比较两个多边形相交否两个多边形是包含关系否多边形求交,重建拓朴关系建立包含关系属性抽取建立关联连接上叠多边形结束否

END本底多边形结束否NYNY属性抽取2.矢量叠加——多边形对多边形叠加72多边形叠加完成后，根据新图层的属性表可以查询原图层的属性信息，新生成的图层和其它图层一样可以进行各种空间分析和查询操作。根据叠加结果最后欲保留空间特征的不同要求，一般的GIS软件都提供了三种类型的多边形叠加操作，如图8-12所示。2.矢量叠加——多边形对多边形叠加图8-12：多边形的不同叠加方式2.矢量叠加——线与多边形叠加

线与多边形的叠加，是比较线上坐标与多边形坐标的关系，判断线是否落在多边形内。计算过程通常是计算线与多边形的交点，只要相交，就产生一个结点，将原线打断成一条条弧段，并将原线和多边形的属性信息一起赋给新弧段。叠加的结果产生了一个新的数据层面，每条线被它穿过的多边形打断成新弧段图层，同时产生一个相应的属性数据表记录原线和多边形的属性信息。ABCD123新线ID老线ID多边形线属性多边形属性

12‘22”2332.矢量叠加——线与多边形叠加ABCD76根据叠加的结果可以确定每条弧段落在哪个多边形内，可以查询指定多边形内指定线穿过的长度。如果线状图层为河流，叠加的结果是多边形将穿过它的所有河流打断成弧段，可以查询任意多边形内的河流长度，进而计算它的河流密度等；如果线状图层为道路网，叠加的结果可以得到每个多边形内的道路网密度，内部的交通流量，进入、离开各个多边形的交通量，相邻多边形之间的相互交通量。2.矢量叠加——线与多边形叠加2.矢量叠加——点与多边形叠加

点与多边形叠加，实际上是计算多边形对点的包含关系。矢量结构的GIS能够通过计算每个点相对于多边形线段的位置，进行点是否在一个多边形中的空间关系判断。在完成点与多边形的几何关系计算后，还要进行属性信息处理。最简单的方式是将多边形属性信息叠加到其中的点上。当然也可以将点的属性叠加到多边形上，用于标识该多边形，如果有多个点分布在一个多边形内的情形时，则要采用一些特殊规则，如将点的数目或各点属性的总和等信息叠加到多边形上。*1*3*4*2ADBC点属性1234多边形属性1属性2ABCD点多边形点属性面属性1面属性21A2D3