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第六章 空間分析的原理及方法,空間分析是地理信息系統(tǒng)科學(xué)內(nèi)容的重要組成部分，也是評(píng)價(jià)一個(gè)地理信息系統(tǒng)功能的主要指標(biāo)之一。 空間分析的根本目的在于通過(guò)對(duì)空間數(shù)據(jù)的深加工或分析，獲取新的信息。,空間分析的概念： 是基于空間數(shù)據(jù)的分析技術(shù)，它以地學(xué)原理為依托，通過(guò)分析算法，從空間數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)地理對(duì)象的空間位置、空間分布、空間形態(tài)、空間形成、空間演變等信息。,空間分析方法分類： 產(chǎn)生式分析：數(shù)字地面模型分析，空間疊合分析，緩沖區(qū)分析，空間網(wǎng)絡(luò)分析，空間統(tǒng)計(jì)分析 咨詢式分析：空間集合分析，空間數(shù)據(jù)查詢,6-1 DEM分析,數(shù)字地形模型與數(shù)字高程模型,DTM（Digital Terrain Model）與DEM（Digital Elevation Model） 數(shù)字地形模型(DTM)是定義在二維區(qū)域上的一個(gè)有限項(xiàng)的向量序列，它以離散分布的平面點(diǎn)來(lái)模擬連續(xù)分布的地形。按平面等間距規(guī)則采樣，或內(nèi)插所建立的數(shù)字地面模型，稱為基于柵格的數(shù)字地面模型。寫成 DTM=Zi,j DTM中的地形屬性為高程時(shí)成為數(shù)字高程模型DEM,1.1 DEM數(shù)據(jù)采集,航空或航天遙感圖像為其數(shù)據(jù)源 地形圖為數(shù)據(jù)源 地面實(shí)測(cè)記錄 其他數(shù)據(jù)源,1.2 DEM的表示方法,格網(wǎng)DEM 不規(guī)則的三角網(wǎng)DEM（TIN） 等值線,數(shù)據(jù)采樣 數(shù)據(jù)內(nèi)插 數(shù)據(jù)記錄,1.3 DEM的建立,1.4 DEM的分析,1.地形因子的自動(dòng)提取 2.地表形態(tài)的自動(dòng)分類 3.基于DEM的可視化分析,1、土木工程：各種線路選線（鐵路、公路、輸電線）的設(shè)計(jì)以及各種工程的面積、體積、坡度計(jì)算，任意兩點(diǎn)間的通視判斷及任意斷面圖繪制； 2、測(cè)繪：用于繪制等高線、坡度坡向圖、立體透視圖，制作正射影像圖以及地圖的修測(cè)；,1.5 DEM的應(yīng)用領(lǐng)域,1.5 DEM的應(yīng)用領(lǐng)域,3、遙感：作為分類的輔助數(shù)據(jù)。它還是地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可用于土地利用現(xiàn)狀的分析、合理規(guī)劃等； 4、軍事：可用于導(dǎo)航及導(dǎo)彈制導(dǎo)、作戰(zhàn)電子沙盤等； 5、數(shù)字水文分析：水系自動(dòng)提取、流域劃分、洪水險(xiǎn)情預(yù)報(bào)等。,水淹示例 三維規(guī)劃設(shè)計(jì),5-2 疊置分析,一、概念 空間疊合分析（spatial overlay analysis） 是指在統(tǒng)一空間參照系統(tǒng)條件下，每次將同一地區(qū)兩個(gè)地理對(duì)象的圖層進(jìn)行疊合，以產(chǎn)生空間區(qū)域的多重屬性特征，或建立地理對(duì)象之間的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。,二、基于矢量數(shù)據(jù)的疊置分析,1、內(nèi)容 1）點(diǎn)與多邊形的疊置點(diǎn)與多邊形的疊合是確定一圖層上的點(diǎn)落在另一個(gè)圖層的哪個(gè)多邊形內(nèi)，以便為圖層的每個(gè)點(diǎn)建立新的屬性。,疊置分析,疊置分析,2）線與多邊形的疊置 線與多邊形的疊合是確定一圖層上的弧段落在另一圖層的哪個(gè)多邊形內(nèi)，以便為圖層的每條弧段建立新的屬性。,二、基于矢量數(shù)據(jù)的疊置分析,疊置分析,二、基于矢量數(shù)據(jù)的疊置分析,3) 多邊形與多邊形的疊置,是指不同圖幅或不同圖層多邊形要素之間的疊置。 根據(jù)兩組多邊形邊界的交點(diǎn)來(lái)建立具有多重屬性的多邊形（合成疊置）或進(jìn)行多邊形范圍內(nèi)的屬性特性的統(tǒng)計(jì)分析（統(tǒng)計(jì)疊置）。,合成疊置是將同一地區(qū)、同一比例尺的兩組或更多的多邊形要素的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行疊置，根據(jù)兩組多邊形邊界的交點(diǎn)來(lái)建立具有多重屬性的多邊形，如圖。 統(tǒng)計(jì)疊置是將多邊形數(shù)據(jù)層疊加，進(jìn)行多邊形范圍的屬性特征的統(tǒng)計(jì)分析，如圖。,合成疊置與統(tǒng)計(jì)疊置,疊置分析,合成疊置 統(tǒng)計(jì)疊置,合成疊置與統(tǒng)計(jì)疊置,柵格疊置分析與矢量多邊形疊置分析一樣，是求兩組或兩組以上空間圖形的交集，但是多邊形疊置分析得到的是合成多邊形，而柵格疊置分析得到的是合成數(shù)據(jù)串，這些合成的數(shù)據(jù)文件是進(jìn)一步進(jìn)行空間聚類或聚合的依據(jù)。 類型疊置 將兩組或兩組以上的地理編碼數(shù)據(jù)，求它們的交集，以建立新的數(shù)據(jù)文件，根據(jù)分析任務(wù)，設(shè)置命令，得到最后的類型疊置結(jié)果。 統(tǒng)計(jì)疊置 將區(qū)域界線(政區(qū)、自然區(qū)域或經(jīng)濟(jì)區(qū)域等)，與專題數(shù)字地圖疊置，建立的合成數(shù)據(jù)串，作出各區(qū)專門內(nèi)容的數(shù)量統(tǒng)計(jì)。 動(dòng)態(tài)分析 將同一種要素在不同時(shí)期的兩組屬性數(shù)據(jù)疊置，建立合成數(shù)據(jù)串，它們之差就是該要素在該時(shí)段內(nèi)的變化，在土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，常要使用這種分析方法。,疊置分析,三、基于柵格數(shù)據(jù)的疊置分析,Landsat ETM Path/Row - 129/046 2001年02月06日,3D圖像= ETM 4,3,2波段 + 30分辨率DEM,疊置分析,三、基于柵格數(shù)據(jù)的疊置分析,（一）單層?xùn)鸥駭?shù)據(jù)的分析 1、重分類 重分類是將屬性數(shù)據(jù)的類別合并或轉(zhuǎn)換成新類。,重分類,根據(jù)設(shè)定的聚類條件對(duì)原有數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行有選擇的信息提取而建立新的柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)的方法.柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)的方法。,在四種類型要素中提取其中要素2的聚類,疊置分析,2、濾波運(yùn)算 濾波運(yùn)算可將破碎的地物合并和光滑化，通過(guò)邊緣增強(qiáng)和提取，獲取區(qū)域的邊界。 3、特征參數(shù)計(jì)算 對(duì)柵格數(shù)據(jù)計(jì)算區(qū)域的周長(zhǎng)、面積、重心等，以及線的長(zhǎng)度、點(diǎn)的坐標(biāo)等。 4、相似運(yùn)算-匹配識(shí)別 相似運(yùn)算是指按某種相似性度量來(lái)搜索與給定物體相似的其它物體的運(yùn)算。,二、基于柵格數(shù)據(jù)的疊置分析,（一）單層?xùn)鸥駭?shù)據(jù)的分析,疊置分析,A，B，C等表示各層上的屬性值，f函數(shù)取決于疊置的要求。,Uf (A,B,C,),二、基于柵格數(shù)據(jù)的疊置分析,（二）多層?xùn)鸥駭?shù)據(jù)的疊置分析,柵格數(shù)據(jù)的信息疊置分析,柵格數(shù)據(jù)的信息疊置分析,函數(shù)運(yùn)算,柵格數(shù)據(jù)的信息疊置分析,1）類型疊置：獲取新的類型 2）數(shù)量統(tǒng)計(jì)：即計(jì)算某一區(qū)域內(nèi)的類型和面積 3）動(dòng)態(tài)分析 ：分析由時(shí)間引起的變化 4）益本分析 ：即通過(guò)屬性和空間的分析，計(jì)算 成本、價(jià)值等 5）幾何提取 ：即通過(guò)與所需提取的范圍的疊置 運(yùn)算，快速地進(jìn)行范圍內(nèi)信息的 提取,（三）疊置分析的作用,5-4 疊置分析,二、基于柵格數(shù)據(jù)的疊置分析,第三節(jié) 空間緩沖區(qū)分析,1、鄰近度（Proximity）描述了地理空間中兩個(gè)地物距離相近的程度，其確定是空間分析的一個(gè)重要手段。 交通沿線或河流沿線的地物有其獨(dú)特的重要性，公共設(shè)施的服務(wù)半徑，大型水庫(kù)建設(shè)引起的搬遷，鐵路、公路以及航運(yùn)河道對(duì)其所穿過(guò)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展的重要性等，均是一個(gè)鄰近度問(wèn)題。 緩沖區(qū)分析是解決鄰近度問(wèn)題的空間分析工具之一。,緩沖區(qū)分析,一、緩沖區(qū)分析概念,5-5 緩沖區(qū)分析,一、緩沖區(qū)分析概述,2、緩沖區(qū)是地理空間目標(biāo)的一種影響范圍或服務(wù)范圍，具體指在點(diǎn)、線、面實(shí)體的周圍，自動(dòng)建立的一定寬度的多邊形。 3、緩沖區(qū)分析：根據(jù)地理對(duì)象點(diǎn)、線、面的空間特性，自動(dòng)建立對(duì)象周圍一定距離的區(qū)域范圍（緩沖區(qū)域），以分析該對(duì)象對(duì)緩沖區(qū)內(nèi)鄰近對(duì)象的影響程度的過(guò)程。 作用：緩沖區(qū)分析是GIS的基本空間操作功能之一，一般應(yīng)用于求地理實(shí)體的影響范圍，即鄰近度問(wèn)題。,二、涉及緩沖區(qū)分析的三類因素 主體：表示分析的主要目標(biāo)，一般分為點(diǎn)源、線源和面源三種類型。 鄰近對(duì)象：表示周圍受主體影響的客體。 作用條件：表示主體對(duì)鄰近對(duì)象施加作用的影響條件或強(qiáng)度。,緩 沖 區(qū) 分 類,點(diǎn)的緩沖區(qū),線的緩沖區(qū),面的緩沖區(qū),三類主體,緩 沖 區(qū) 分 類,點(diǎn)的緩沖區(qū),線的緩沖區(qū),面的緩沖區(qū),三類主體,緩 沖 區(qū) 分 類,點(diǎn)的緩沖區(qū),線的緩沖區(qū),面的緩沖區(qū),三類主體,三、空間緩沖區(qū)分析的三類模型 A.線性模型：用于當(dāng)主體對(duì)鄰近對(duì)象的影響度隨距離的增大而呈線性減小的情況。 Fi=f0(1-ri) ri=di/d0 B.二次模型：用于當(dāng)主體對(duì)鄰近對(duì)象的影響度隨距離的增大而呈二次形式減小的情況。 Fi=f0(1-ri),C.指數(shù)模型：用于當(dāng)主體對(duì)鄰近對(duì)象的影響度隨距離的增大而呈指數(shù)形式減小的情況 Fi=f0 Fi：為主體對(duì)鄰近對(duì)象的實(shí)際影響度 f0：為主體自身的綜合規(guī)模指數(shù) di：為鄰近對(duì)象離開主體的實(shí)際距離 d0：為主體對(duì)鄰近對(duì)象的最大影響距離,(1-ri),空間緩沖區(qū)分析方法： 例：某研究區(qū)10km區(qū)域內(nèi)有三條道路，它們相關(guān)的幾何屬性和屬性數(shù)據(jù)如表?，F(xiàn)以這些道路為主體，道路附近居民出行為鄰近對(duì)象，進(jìn)行這些道路通達(dá)度的緩沖區(qū)分析。,A路總長(zhǎng)度：10000米 B路總長(zhǎng)度： 4268米 C路總長(zhǎng)度：35714米,1.計(jì)算道路的綜合規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)f0 對(duì)上表所列的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采用最大值標(biāo)準(zhǔn)化方法，得到下表的標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)。,2.計(jì)算道路的最大影響距離 道路的最大影響距離d0與該道路的級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)和總長(zhǎng)度有關(guān)，級(jí)別越高，則影響距離越大。 d0S/2l S:為研究區(qū)面積 l:為各級(jí)道路的長(zhǎng)度 A:d0S/2l=500M,B:d0S/2(la+lb)=350m C:d0S/2(la+lb+lc)=100m,3.實(shí)施緩沖區(qū)操作 道路通達(dá)度的緩沖區(qū)操作適宜選擇指數(shù)形式的分析模型。 （1）由設(shè)定di 求取Fi值 輸出緩沖區(qū)圖形技術(shù)。 首先，根據(jù)應(yīng)用需求和道路的最大影響距離，分別設(shè)定他們的di值。例如，A分別為100，200 其次，根據(jù)計(jì)算式分別計(jì)算所有道路在不同di時(shí)的ri和Fi 最后，依據(jù)di值在道路的兩邊繪制平行線，于線的端點(diǎn)處繪半圓，生成緩沖區(qū)多邊形，并賦予相應(yīng)的屬性。,（2）由設(shè)定Fi值 求取di 輸出緩沖區(qū)圖形技術(shù) di d0（1In Fi / In f0 ） 根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)定Fi值，例如：20、40、80等，并利用上式計(jì)算對(duì)應(yīng)的di值。最后，依據(jù)di值生成道路兩邊的緩沖區(qū)多邊形，該緩沖區(qū)多邊形內(nèi)部的屬性值便與事先設(shè)定的需求值一致。,3.3 在建立或分析緩沖區(qū)時(shí)，應(yīng)注意的問(wèn)題,1.當(dāng)緩沖區(qū)發(fā)生重疊時(shí)的處理。 對(duì)于多個(gè)特征的緩沖區(qū)之間的重疊，通過(guò)拓?fù)浞治龇椒?，自?dòng)識(shí)別出落在某個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)部的線段或弧段，然后刪除，得到處理后的連通緩沖區(qū)。 2.當(dāng)對(duì)特征規(guī)定不同緩沖區(qū)寬度時(shí)的處理。 建立屬性表，通過(guò)不同的屬性確定不同的緩沖區(qū)寬度，產(chǎn)生所需要的緩沖區(qū)。 3.復(fù)雜情況下的緩沖區(qū)與非緩沖區(qū)的標(biāo)示處理。,第四節(jié) 空間網(wǎng)絡(luò)分析,空間網(wǎng)絡(luò)分析（spatial network analysis） 是GIS空間分析的重要組成部分。網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由點(diǎn)、線的二元關(guān)系構(gòu)成的系統(tǒng)，通常用來(lái)描述某種資源或物質(zhì)在空間上的運(yùn)動(dòng)。 網(wǎng)絡(luò)分析用途廣泛，主要用于選擇最佳路徑和最佳布局中心的位置。,4.1 網(wǎng)絡(luò)圖論的基本概念 4.2 空間網(wǎng)絡(luò)的類型與構(gòu)成 4.3 空間網(wǎng)絡(luò)分析方法 1.路徑分析 2.定位配置分析,6-5 統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)分析,一、統(tǒng)計(jì)圖表分析,1.統(tǒng)計(jì)圖,柱狀圖（Column chart） 進(jìn)行數(shù)值對(duì)比和顯示數(shù)據(jù)變化趨勢(shì),條形圖（Bar chart） 進(jìn)行數(shù)值對(duì)比和顯示數(shù)據(jù)變化趨勢(shì),餅圖（Pie chart） 常用于顯示部分和整體的關(guān)系，適合于表達(dá)比例和百分率數(shù)據(jù),折線圖（Line chart） 顯示變化或變化率,面狀圖（Area chart） 表達(dá)兩組或兩組以上數(shù)據(jù)的差別,散點(diǎn)圖（Scatter chart） 常用于揭示數(shù)據(jù)的趨勢(shì)或模式,統(tǒng)計(jì)表格是詳盡地表示非空間數(shù)據(jù)的方法，不直觀，但可提供詳細(xì)數(shù)據(jù)，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理。,統(tǒng)計(jì)分析,一、統(tǒng)計(jì)圖表分析,2.統(tǒng)計(jì)表格,統(tǒng)計(jì)分析,二、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分類分級(jí),1、系統(tǒng)聚類法：根據(jù)距離，將相似的樣本歸為一類，把差異大的樣本區(qū)分開來(lái)。,距離：表示相似程度 歐氏距離 絕對(duì)值距離 明科夫斯基距離,4 9 2 8 1 5 7 6,1）聚類要素的數(shù)據(jù)處理,在聚類分析中，聚類要素的選擇是十分重要的，它直接影響分類結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。 在地理分類和分區(qū)研究中，被聚類的對(duì)象常常是多個(gè)要素構(gòu)成的。不同要素的數(shù)據(jù)往往具有不同的單位和量綱，其數(shù)值的變異可能是很大的，這就會(huì)對(duì)分類結(jié)果產(chǎn)生影響。因此當(dāng)分類要素的對(duì)象確定之后，在進(jìn)行聚類分析之前，首先要對(duì)聚類要素進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。,統(tǒng)計(jì)分析,假設(shè)有m 個(gè)聚類的對(duì)象，每一個(gè)聚類對(duì)象都有n個(gè)要素構(gòu)成。它們所對(duì)應(yīng)的要素?cái)?shù)據(jù)可用下表1給出。,表1 聚類對(duì)象與要素?cái)?shù)據(jù),在聚類分析中，常用的聚類要素的數(shù)據(jù)處理方法有如下幾種:, 總和標(biāo)準(zhǔn)化。分別求出各聚類要素所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)的總和，以各要素的數(shù)據(jù)除以該要素的數(shù)據(jù)的總和，即 這種標(biāo)準(zhǔn)化方法所得到的新數(shù)據(jù)滿足,5-2 統(tǒng)計(jì)分析, 標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化，即 由這種標(biāo)準(zhǔn)化方法所得到的新數(shù)據(jù)，各要素的平均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1，即有,5-2 統(tǒng)計(jì)分析, 極大值標(biāo)準(zhǔn)化，即 經(jīng)過(guò)這種標(biāo)準(zhǔn)化所得的新數(shù)據(jù)，各要素的極大值為1，其余各數(shù)值小于1。 極差的標(biāo)準(zhǔn)化，即 經(jīng)過(guò)這種標(biāo)準(zhǔn)化所得的新數(shù)據(jù)，各要素的極大值為1，極小值為0，其余的數(shù)值均在0與1之間。,例題:下表2給出了某地區(qū)九個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)的七項(xiàng)指標(biāo)，它們經(jīng)過(guò)極差標(biāo)準(zhǔn)化處理后，如表3所示。,表2 某地區(qū)九個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)的七項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù),表3 極差標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù),5-2 統(tǒng)計(jì)分析,2）距離的計(jì)算,常見的距離有 絕對(duì)值距離 歐氏距離 明科夫斯基距離, 切比雪夫距離。當(dāng)明科夫斯基距 時(shí)，有 據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，用公式式計(jì)算可得九個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)之間的絕對(duì)值距離矩陣如下：,5-2 統(tǒng)計(jì)分析,3）聚類的幾種方法,原理：先把各個(gè)分類對(duì)象單獨(dú)視為一類，然后根據(jù)距離最小的原則，依次選出一對(duì)分類對(duì)象，并成新類。如果其中一個(gè)分類對(duì)象已歸于一類，則把另一個(gè)也歸入該類；如果一對(duì)分類對(duì)象正好屬于已歸的兩類，則把這兩類并為一類。每一次歸并，都劃去該對(duì)象所在的列與列序相同的行。經(jīng)過(guò)m-1次就可以把全部分類對(duì)象歸為一類，這樣就可以根據(jù)歸并的先后順序作出聚類譜系圖。,5-2 統(tǒng)計(jì)分析, 直接聚類法,圖1 直接聚類譜系圖,5-2 統(tǒng)計(jì)分析, 最短距離聚類法,原理：最短距離聚類法，是在原來(lái)的mm距離矩陣的非對(duì)角元素中找出 ，把分類對(duì)象Gp和Gq歸并為一新類Gr，然后按計(jì)算公式 計(jì)算原來(lái)各類與新類之間的距離，這樣就得到一個(gè)新的（m1）階的距離矩陣； 再?gòu)男碌木嚯x矩陣中選出最小者dij，把Gi和Gj歸并成新類；再計(jì)算各類與新類的距離，這樣一直下去，直至各分類對(duì)象被歸為一類為止。,5-2 統(tǒng)計(jì)分析,圖2 最短距離聚類譜系圖,5-2 統(tǒng)計(jì)分析, 最遠(yuǎn)距離聚類法,最遠(yuǎn)距離聚類法與最短距離聚類法的區(qū)別在于計(jì)算原來(lái)的類與新類距離時(shí)采用的公式不同。 最遠(yuǎn)距離聚類法的計(jì)算公式是：,5-2 統(tǒng)計(jì)分析,4）計(jì)算類之間距離的統(tǒng)一公式,最短距離和最遠(yuǎn)距離：可以用一個(gè)公式表示 用下圖表示二者關(guān)系：,5-2 統(tǒng)計(jì)分析,5）實(shí)例分析,表4給出了某農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各個(gè)區(qū)域單元的有關(guān)數(shù)據(jù)，下面我們運(yùn)用系統(tǒng)聚類法，對(duì)該農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)進(jìn)行聚類分析，步驟如下： 用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化方法，對(duì)9項(xiàng)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理； 采用歐氏距離測(cè)