第六章-GIS空间分析原理与方法

地理信息系统概论第六章GIS空间分析原理与方法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基本功能GIS能作什么？空间查询与分析空间分析的概念

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。空间分析的一般分类产生式分析(productmode)

DEM分析、叠合分析、缓冲区分析、网络分析咨询式分析(querymode)

查询分析一、空间叠合分析空间叠合分析（SpatialOverlayanalysis）：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。空间统计叠合用于提取某个区域范围内某些专题内容的数量特征。（一）基于矢量数据的叠合分析Point-in-polygonoverlayLine-in-polygonoverlayPolygon-in-polygonoverlay1、Point-in-polygonoverlay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Point-in-polygonoverlay示例IDcity_name1南京2苏州3上海4杭州1243123IDprovince_name1江苏2上海3浙江Point-in-polygonoverlay结果12431231243IDcity_nameprovince_name1南京江苏2苏州江苏3上海上海4杭州浙江2、Line-in-polygonoverlay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Line-in-polygonoverlay示例IDroad_namelength1沪宁高速4002沪杭高速3803宁杭高速330123IDprovince_name1江苏2上海3浙江123Line-in-polygonoverlay结果123123456123456IDroad_nameprovince_namelength1沪宁高速江苏3502沪宁高速上海503沪杭高速上海3204沪杭高速浙江605宁杭高速浙江1006宁杭高速江苏2303、Polygon-in-polygonoverlay两个多边形图层的比较分析（图形和属性）ArcGIS中将其分为：合并(Union)相交(Intersect)一致(Identity)相减(Erase)更新(Update)差异(SymmetricalDifference)UnionComputesageometricintersectionoftheInputFeatures.

AllfeatureswillbewrittentotheOutputFeatureClasswiththeattributesfromtheInputFeatures,whichitoverlaps.IntersectComputesageometricintersectionoftheinputfeatures.Featuresorportionoffeatures

common

toalllayersand/orfeatureclasseswillbewrittentotheoutput.IdentityComputesageometricintersectionoftheInputFeaturesandIdentityFeatures.TheInputFeaturesorportionsthereofthatoverlapIdentityFeatureswillgettheattributesofthoseIdentityFeatures.EraseCreatesafeatureclassbyoverlayingtheInputFeatureswiththepolygonsoftheEraseFeatures.OnlythoseportionsoftheInputFeaturesfalling

outside

theEraseFeaturesoutsideboundariesarecopiedtotheOutputFeatureClass.UpdateComputesageometricintersectionoftheInputFeaturesandUpdateFeatures.TheattributesandgeometryoftheInputFeaturesare

updated

bytheUpdateFeatures.Theresultsarewrittentoanewfeatureclass.SymmetricalDifferenceComputesageometricintersectionoftheinputanddifferencefeatures.Featuresorportionsoffeaturescommontoonlyoneoftheinputswillbewrittentotheoutput.叠合分析实例某地区行政界线图某地区土地利用类型图

有某地区的行政界线图层和通过遥感技术提取的该区土地利用类型分布图层，求该地区各村土地利用类型统计数据。图层1图层2叠合分析实例行政区界图属性表图层1：图形，属性表地区行政区界线图叠合分析实例图层2：图形，属性表地区土地利用类型分布图地区土地利用类型分布图属性表叠合分析实例空间叠合图叠合图属性表使用叠合分析，进行两图层空间叠加，得到叠合图。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”1、点变换方法2、区域变换方法3、邻域变换方法InputAInputBOutput（二）基于栅格数据的叠合分析1、点变换方法点变换方式只对各图上相应的点的属性值进行运算。实际上，点变换方式假定独立图元的变换不受其邻近点上的属性值的影响，也不受区域内一般特征的影响。ThecoreofrasterdataanalysisCell-by-celloperationsCancreatenewrasterfromeitherasingleinputrasterormultipleinputrastersLocalOperationswithaSingleRasterInputandoutputrasterComputesvaluesinoutputrasterasamathematicalfunctionofthecellvalueintheinputrasterChangetheformat,convertunitsofmeasurement,etc.栅格重分类CreatenewrasterbyclassificationAlsocalledrecodingortransformingOne-to-onechangeCellvalueininputrasterassignednewvalueinoutputrasterAssignsnewvaluetorangeofcellvaluesCellswithpopulationdensitiesbetween0and25personspersquaremilegivenvalueof1LocalOperationswithMultipleRastersCompositing,overlayingorsuperimposingmapsAlsocalledmapalgebraEquivalentofvector-basedoverlay

operationsThecellvaluein(d)isthemeancalculatedfromthreeinputrasters(a,b,andc)inalocaloperation.Theshadedcellshavenodata.

2、区域变换方法Workswithgroupsofcellsofsamevalues区域变换是指计算新图层相应栅格的属性值时，不仅与原图层对应栅格的属性值有关，而且要顾及原图层栅格所在区域的几何特征（区域长度、面积、周长、形状等）或原图层同名栅格的个数。3、邻域变换方法邻域变换是在计算新层图元值时，不仅考虑原始图层上相应图元本身的值，而且还要考虑与该图元有领域关联的其他图元值影响。点变换实例101010601010206030303060101060601010306030303060-=00500001000000—土地利用变化区域探测80年遥感影像90年遥感影像点变换后影像点变换后影像分析

通过80和90年两期影像的相减运算后得到变换影像，如果：变换影像值＝0；说明该区未发生变化变换影像值≠0；说明该区已发生变化10耕地20居民点30水域40草地50未利用地60林地Legend注意：此处的遥感影像可以是分类结果，也可以是原始的遥感影像。在一般应用中，多使用原始的遥感影像，可提高变化探测速度。地图代数实例空间邻近(Proximity)问题问题一：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；湖泊生态保护区的范围；“缓冲区分析”二、空间缓冲区分析空间缓冲区分析(Spatialbufferanalysis)：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用于缓冲半径的确定根据空间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：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。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二次形式衰减时。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指数形式衰减时。分级缓冲区域动态缓冲区Bufferingwith

different

buffer

distances.Bufferingwithrings.缓冲区的重叠处理Bufferzonesnotdissolvedordissolved.缓冲区分析的三要素

在进行空间缓冲区分析时，通常要将研究的问题抽象为以下三类要素:①主体：表示分析的主要目标，一般分为点源、线源和面源三种。②邻近对象：表示受主体影响的客体，例如行政界线变更时所涉及的居民区、森林遭砍伐时所影响的水土流失范围等。③对象的作用条件：表示主体对邻近对象施加作用的影响条件或影响强度。练习—空间分析实例1已知一伐木公司，获准在某林区采伐，为防止水土流失，规定不得在河流周围1km内采伐林木。另外，为便于运输，决定将采伐区定在道路周围5km之内。请找出符合上述条件的采伐区，输出森林采伐图。实例1解析解题流程解题过程

首先要以区域的道路分布图、河流分布图、森林分布图为数据源。解题流程见图示。道路分布图森林分布图河流分布图结束生成道路周围5km缓冲区叠合生成河流周围1km缓冲区叠合已知一伐木公司，获准在某林区采伐，为防止水土流失，规定不得在河流周围1km内采伐林木。另外，为便于运输，决定将采伐区定在道路周围5km之内。请找出符合上述条件的采伐区，输出森林采伐图。将该地区具有相同比例尺且进行配准的道路分布图、河流分布图、森林分布图，进行预处理和数字化；利用河流分布图生成1km的等距离缓冲区；利用道路分布图生成5km的等距离缓冲区；森林分布图中可采伐林地、道路缓冲区及河流缓冲区图进行叠加，加条件表达式为:

采伐区＝森林分布图中可伐林地∩道路周围5km缓冲区

∩非河流周围1km缓冲区将上述3张图进行两两叠合，所得结果即为森林采伐图。

实例1解析

如已知一湖泊，要求在它周围5000m内必需禁止任何污染性工业企业存在，在它周围500m内必需禁止建筑任何永久性建筑物。练习—空间分析实例2

如已知一湖泊，要求在它周围5000m内必需禁止任何污染性工业企业存在，在它周围500m内必需禁止建筑任何永久性建筑物。解题步骤：（1）先建立缓冲区；（2）同现有污染性工业企业图叠加，显示在范围内应禁止的污染性工业企业；（3）同现有永久性建筑物图叠加，显示在范围内应禁止的永久性建筑物。实例2解析空间邻近(Proximity)问题问题二：气象站控制的范围；超市服务的范围；“泰森多边形分析”泰森多边形分析(Voronoi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，VonThiessen，将其运用到气象学中。称Thiessen多边形。P1P2P3P4P5V4V1V2V3ΦΦΦΦVoronoi多边形Voronoi多边形的数学定义：V(pi

)={p|d(p,pi

)≤d(p,pj

),j≠i,j=1,…,n}p1,…,pn：2维平面空间R2中的有限个点p

：R2中任意位置点V(pi)：第i个特征点的Voronoi多边形d(p,pi

)：p点到pi点的Euclidean距离Voronoi多边形的对偶图Voronoi的对偶图——Delaunay三角网Voronoi多边形生成三、空间网络分析网络分析功能的主要目的：对地理网络（如交通网络）、城市基础设施网络（如各种网线、电力线、电话线、供排水管线等）进行地理分析和模型化。网络分析是运筹学模型中的一个基本模型，它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好，如一定资源的最佳分配，从一地到另一地的运输费用最低等。其基本思想则在于人类活动总是趋于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置。最短路径(几何网络)最短路径(几何网络+障碍)最短路径(NetworkAnalyst)服务区域四、空间数据的查询空间数据的查询属于数据库的范畴，一般定义为从数据库中找出所有满足属性约束条件和空间约束条件的地理对象。属性约束条件：带比较运算符的逻辑表达式。空间约束条件：带空间谓词的逻辑表达式。

空间谓词由地理对象间的空间关系演变而来，如包含、相交、相离、重叠、距离、方向等。（一）空间数据查询过程（二）空间查询的方式给出图形信息：如鼠标点取，拉框等方式检索其相应属性检索其空间拓扑关系给出属性特征条件检索对应的空间实体查询属性单纯查询：单纯的查询属性，或只查询空间拓扑关系联合查询：将空间数据与属性数据联合查询。（三）空间数据查询种类几何参数查询空间定位查询空间关系查询属性查询1、几何参数查询包括点的位置坐标，两点间的距离，一个或一段线目标的长度，一个面目标的周长或面积等。

实现：查询属性库或空间计算2、空间定位查询给定一个点或一个几何图形，检索该图形范围内的空间对象及其属性。按点查询：给定一个鼠标点，查询离它最近的对象及属性——点的捕捉。开窗查询——按矩形、圆、多边形查询

分为该窗口包含和穿过的区别。

实现：根据空间索引，检索哪些对象可能位于该窗口，然后根据点、线、面在查询开窗内的判别计算，检索到目标。

——空间运算方法3、空间关系查询相邻分析检索

——通过检索拓扑关系面—面（如查询与面状地物相邻的多边形）线—线（与某干流A相连的所有支流）点—点（A与B是否相通）相关分析检索（不同要素类型之间的关系）

——通过检索拓扑关系线—面（我国边境线总长度）点—线（自来水GIS中，与某阀门相关的水管）点—面包含关系查询查询某个面状地物所包含的空间对象。通过叠置分析检索ABC3、空间关系查询(续)穿越查询某公路穿越了某些县，采用空间运算的方法执行，根据一个线目标的空间坐标，计算哪些面或线与之相交。落入查询一个空间对象落入哪个空间对象之内。——空间运算缓冲区查询根据用户给定的一个点、线、面缓冲的距离，从而形成一个缓冲区的多边形，再根据多边形检索原理，检索该缓冲区内的空间实体。4、属性查询查找仅选择一个属性表，给定一个属性值，找出对应的属性记录或图形。在屏幕上已有一个属性表，用户任意点取记录，对应的图形以高亮显示。实现：执行数据库查询语言，找到满足要求的记录，得到它的目标标识，再通过目标标识在图形数据文件中找到对应的空间对象，并显示出来。

SQL查询Select属性项From属性表Where条件or条件and条件实现：交互式选择各项，输入后，系统再转换为标准的SQL，由数据库系统执行，得到结果，提取目标标识，在图形文件中找到空间对象并显示。（四）空间查询的方法基于关系查询语言扩充的空间查询方法可视化空间查询方法基于自然语言的查询方法超文本查询方法1、扩展SQL空间数据查询语言是通过对标准SQL的扩展来形成的，即在数据库查询语言上加入空间关系查询。为此需要增加空间数据类型（如点、线、面等）和空间操作算子（如求长度、面积、叠加等）。在给定查询条件时也需含有空间概念，如距离、邻近、叠加等。

例如，“查询长江流域人口大于50万的县或市”，可表示为：

SELECT* FROM县或市

WHERE县或市.人口>50万ANDCROSS（河流.名称=“长江”）主要优点是：保留了SQL的风格，便于熟悉SQL的用户的掌握，通用性较好，易于与关系数据库连接。执行扩展SQL，如果要将属性和空间关系整体统一起来，从底层进行查询优化，有一定困难。目前一般将两层分开进行查询。2、可视化空间查询方法可视化查询是指将查询语言的元素，特别是空间关系，用直观的图形或符号表示。查询主要使用图形、图像、图标、符号来表达概念。具有简单、直观、易于使用的特点。缺点：当空间约束条件复杂时，很难用图符描述；用二维图符表示图形之间的关系时，可能会出现歧义；难以表示“非”关系；不易进行范围（圆、矩形、多边形等）约束；无法进行屏幕定位查询等。3、自然语言空间查询在SQL查询中引入一些自然语言，如温度高的城市

SELECTname FROMCities WHEREtemperatureishighSELECTname FROMCities WHEREtemperature>=33.75这种查询方式需要模糊概念的量化，适用于某个专业领域的地理信息系统，而不能作为地理信息系统中的通用数据库查询语言。4、超文本查询图形、图像、字符等皆当作文本，并设置一些“热点”（HotSpot），“热点”可以是文本、键等。用鼠标点击“热点”后，可以弹出说明信息、播放声音、完成某项工作等。但超文本查询只能预先设置好，用户不能实时构建自己要求的各种查询。五、数字地面模型数字高程模型

(DigitalElevationModel,DEM)：表示地表区域上地形的三维向量的有限序列，即地表单元上高程的集合，数学表达为：z=f(x,y)

。数字地面模型

(DigitalTerrainModel,DTM)：当z为其他二维表面上连续变化的地理特征，如地面温度、降雨、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等其他地面诸特征，此时的DEM成为DTM。

数字地面模型分类DTM在形式上包括：规则格网(Grid)不规则三角网(TriangulatedIrregularNetwork,TIN)等高线、等深线、地形特征线，如山脊线、谷底线、海岸线及坡度变换线等。生成GRID生成TIN地形因子的自动提取-1坡度：地表单元的法向与Z轴的夹角，即切平面与水平面的夹角。在计算出各地表单元的坡度后，可对不同的坡度设定不同的灰度级，可得到坡度图。

地形因子的自动提取-2坡向：地表单元的法向量在水平面上的投影与X轴之间的夹角。在计算出每个地表单元的坡向后，可制作坡向图，通常把坡向分为东、南、西、北、东北、西北、东南、西南8类，再加上平地，共9类，用不同的色彩显示，即可得到坡向图。地形因子的自动提取-3面积与体积计算用投影面积与曲面面积之比计算地表粗糙度，分析地表起伏状况计算两个不同时期面积和体积的差异，分析地表形态变化状况

（如背斜的隆起与向斜的凹陷、沟谷的堆积与山峰的销蚀）计算两个不同时期面积和体积的差异，分析地表形态变化状况

（如火山爆发前与爆发后的形态）地形因子的自动提取-4等值线自动生成等值线是是指属性值相等的点相连得到的曲线“值”可以是高程、温度、降水量、大气压，甚至商服繁华度、文化水平等等等值点的追踪规则：三角网法、格网法根据等高线的疏密程度、走势等可分析谷脊特征地形因子的自动提取-5淹没边界的计算计算高程小于既定阈值的区域，可分析该区域的淹没面积和淹灌填充体积如水利工程修建对周围区域的影响地表形态的自动分类平地岗丘丘陵低山高山绝对h……<400<600……相对h…<100100-200……坡度s<3…………DEM计算地表形态要素H,⊿H,坡度、坡向地形分类标准表地形自动分类地学剖面分析意义：可以以线代面，反映研究区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化、地质构造、斜坡特征、地表切割强度等。如果在地形剖面上叠加其它地理变量，如坡度、土壤、植被、土地利用现状等，可以提供土地利用规划、工程选线和选址等的决策依据。

地学剖面的绘制绘制：可在GRID或TIN上进行。已知两点的坐标A(x1，y1)，B(x2，y2)，则可求出两点连线与格网或三角网的交点，并内插交点上的高程，以及各交点之间的距离。然后按选定的垂直比例尺和水平比例尺，按距离和高程绘出剖面图。剖面图不一定必须沿直线绘制，也可沿一条曲线绘制。流域水文模拟长江三峡区间三维立体图宜昌万县生成河网与子流域DTM应用作为国家地理信息的基础数据土木工程、景观建筑与矿山工程规划与设计为军事目的而进行的三维显示景观设计与城市规划流水线分析、可视性分析交通路线的规划与大坝选址不同地表的统计分析与比较生成坡度图、坡向图、剖面图、辅助地貌分析、估计侵蚀和径流等作为背景叠加各种专题信息如土壤、土地利用及植被覆盖数据等，以进行显示与分析与GIS联合进行空间分析虚拟现实(VirtualReality)空间分析应用

空间分析的目的是解决某类与地理空间有关的问题，通常涉及多种空间分析操作的组合。一般步骤是：明确分析的目的和评价准则准备分析数据进行空间分析操作进行结果分析解释、评价结果（如有必要，返回步骤1）结果输出（地图、表格和文档）道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算利用建立缓冲区、拓扑叠加和特征提取，计算道路拓宽改建中的拆迁指标。明确分析的目的和标准

目的：计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑物的建筑面积和房产价值。

道路拓宽改建的标准是：道路从原有的20m拓宽至60m；拓宽道路应尽量保持直线；部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除。准备进行分析的数据本例需要涉及两类信息，一类是现状道路图；另一类为分析区域内建筑物分布图及相关信息。进行空间操作选择拟拓宽的道路（中心线），根据拓宽半径，建立缓冲区。将此缓冲区与建筑物数据进行叠合，产生一幅新图，此图包括所有部分或全部位于拓宽区内的建筑物信息。进行统计分析对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择，凡部分落入拆迁区且楼层高于10层以上的建筑物，将其从选择组中去掉，并对道路