第五章 空間分析原理與方法

1、第五章第五章 空間分析的原理與方法空間分析的原理與方法 1 數(shù)字地形模型分析 2 空間疊合分析 3 空間緩沖區(qū)分析 4 空間網(wǎng)絡(luò)分析GIS基本功能基本功能數(shù)據(jù)采集與輸入數(shù)據(jù)編輯與更新數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理空間查詢與分析數(shù)據(jù)顯示與輸出緩沖區(qū)分析疊合分析空間查詢網(wǎng)絡(luò)分析地形分析GIS能作什么？空間分析概述空間分析概述 空間分析的概念 空間分析是基于空間數(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)、空間形成和空間演變等信息。 按照Goodchild提出的空間分析框架，空間分析分為 產(chǎn)生產(chǎn)生式分析式分析(product mode) DEM分析、疊

2、合分析、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)分析分析、疊合分析、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)分析 咨詢咨詢式分析式分析(query mode) 集合分析、查詢分析集合分析、查詢分析空間分析概述空間分析概述v根據(jù)空間數(shù)據(jù)的形式將空間分析分為：根據(jù)空間數(shù)據(jù)的形式將空間分析分為： 矢量矢量數(shù)據(jù)空間分析數(shù)據(jù)空間分析 柵格柵格數(shù)據(jù)空間分析數(shù)據(jù)空間分析第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)字地形模型分析數(shù)字地形模型分析 數(shù)字地形模型：數(shù)字地形模型：地形的數(shù)字化表達(dá)，Miller于1956年為了自動(dòng)設(shè)計(jì)高速公路提出。 定義：對(duì)二維地理空間上具有連續(xù)變化特征地理現(xiàn)象的模型化表達(dá)和過(guò)程模擬。簡(jiǎn)單地說(shuō)，空間起伏連續(xù)變化現(xiàn)象的數(shù)字化表達(dá)和分析工具的集合。第一節(jié)第一節(jié)

3、數(shù)字地形模型分析數(shù)字地形模型分析 從維度來(lái)說(shuō)，DEM是2.5維的數(shù)據(jù) 2D：X,Y相互獨(dú)立 2.5D：Z=f(X,Y) 3D：X,Y,Z相互獨(dú)立第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)字地形模型分析數(shù)字地形模型分析 DEM的研究?jī)?nèi)容：第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)字地形模型分析數(shù)字地形模型分析 DEM研究的主要內(nèi)容： 數(shù)據(jù)采集方法 空間數(shù)據(jù)內(nèi)插技術(shù) 空間數(shù)據(jù)組織和管理 空間分析理論與方法第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)字地形模型分析數(shù)字地形模型分析 一、地形因子計(jì)算一、地形因子計(jì)算 （一）坡度和坡向的計(jì)算（一）坡度和坡向的計(jì)算 坡度：坡度：局部地表面與水平面之間的夾角。 坡向：坡向：最大高程變化率所在的方向。 計(jì)算坡度、坡向方法包括：計(jì)算坡度、坡

4、向方法包括：空間矢量分析法、擬合曲面法第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)字地形模型分析數(shù)字地形模型分析 （二）曲面面積的計(jì)算（二）曲面面積的計(jì)算 兩種方法：矢量法和三角形求和法兩種方法：矢量法和三角形求和法 （三）地表粗糙度的計(jì)算（三）地表粗糙度的計(jì)算 粗糙度：地表單元曲面面積與投影面積之比。粗糙度：地表單元曲面面積與投影面積之比。 （四）高程及變異分析（四）高程及變異分析 平均高程：地表單元網(wǎng)格四個(gè)頂點(diǎn)的高程平均值。平均高程：地表單元網(wǎng)格四個(gè)頂點(diǎn)的高程平均值。 高程變異：以網(wǎng)格單元頂點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差與平均高程的比值表高程變異：以網(wǎng)格單元頂點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差與平均高程的比值表示，來(lái)反映地表單元網(wǎng)格各頂點(diǎn)高程變化的指標(biāo)。示，來(lái)

5、反映地表單元網(wǎng)格各頂點(diǎn)高程變化的指標(biāo)。 （五）谷脊特征分析（五）谷脊特征分析 溝谷密度：溝谷總長(zhǎng)度與地表單元面積之比。溝谷密度：溝谷總長(zhǎng)度與地表單元面積之比。 溝谷深度值：地表單元內(nèi)幾個(gè)谷點(diǎn)切割深度的均值溝谷深度值：地表單元內(nèi)幾個(gè)谷點(diǎn)切割深度的均值 二、地形剖面線的計(jì)算二、地形剖面線的計(jì)算 地形剖面線：從一個(gè)點(diǎn)出發(fā)到另一個(gè)點(diǎn)的從一個(gè)點(diǎn)出發(fā)到另一個(gè)點(diǎn)的地形變化情況。地形變化情況。 方法：通過(guò)通過(guò)DEM得到，運(yùn)用插值算法在剖得到，運(yùn)用插值算法在剖面的兩點(diǎn)間插值出相應(yīng)的高程數(shù)據(jù)。面的兩點(diǎn)間插值出相應(yīng)的高程數(shù)據(jù)。第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)字地形模型分析數(shù)字地形模型分析第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)字地形模型分析數(shù)字地形模型分

6、析 三、三、DEM的通視分析的通視分析 實(shí)現(xiàn)方法：實(shí)現(xiàn)方法：在任意兩點(diǎn)間生成剖面線，在需要分析的兩點(diǎn)間畫直線，若直線與剖面線有交點(diǎn)則不能通視，無(wú)交點(diǎn)則判斷這兩點(diǎn)是否高于剖面線的高程。第二節(jié)第二節(jié) 空間疊合分析空間疊合分析 問題的提出： 地學(xué)多因子分析的需要 在實(shí)際問題中，往往需要將地學(xué)現(xiàn)象分解為許多單個(gè)的因子分別研究。例如，將自然地理要素分解為地質(zhì)、地貌、水文、氣象、生物，土壤等，但在研究實(shí)際問題又需要選取其中的幾項(xiàng)進(jìn)行研究。第二節(jié)第二節(jié) 空間疊合分析空間疊合分析 疊置分析的基本條件： 1：參加疊置分析的不同數(shù)據(jù)層的地理范圍必須是一致的 2：參與疊置分析的多層面數(shù)據(jù)必須有效匹配（投影、坐標(biāo)系、

7、元數(shù)據(jù)參數(shù)） 3：參與疊置分析分析模型和數(shù)據(jù)必須有效匹配第二節(jié)第二節(jié) 空間疊合分析空間疊合分析 空間疊合分析（Spatial Overlay analysis）：又稱疊加分析、疊置分析，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。 空間合成疊合 空間統(tǒng)計(jì)疊合空間合成疊合空間合成疊合 用于搜索同時(shí)具有幾種地理屬性的分布區(qū)域，或?qū)ΟB合后產(chǎn)生的多重屬性進(jìn)行新的分類?？臻g統(tǒng)計(jì)疊合空間統(tǒng)計(jì)疊合 用于提取某個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)某些專題內(nèi)容的數(shù)量特征。第二節(jié)第二節(jié) 空間疊合分析空間疊合分析 基于矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的疊合分析 參與分析的

8、兩個(gè)圖層均為矢量數(shù)據(jù)參與分析的兩個(gè)圖層均為矢量數(shù)據(jù) 優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)量?jī)?yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)量小小 缺點(diǎn)：運(yùn)算過(guò)程比較缺點(diǎn)：運(yùn)算過(guò)程比較復(fù)雜復(fù)雜 基于柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的疊合分析 參與分析的兩個(gè)圖層均為柵格數(shù)據(jù)參與分析的兩個(gè)圖層均為柵格數(shù)據(jù) 優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)算過(guò)程比較優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)算過(guò)程比較簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)量缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)量大大第二節(jié)第二節(jié) 空間疊合分析空間疊合分析 柵格疊合分析： 兩個(gè)或多個(gè)相同地區(qū)柵格圖層 相同的柵格單元大小 不同圖層間對(duì)應(yīng)柵格進(jìn)行運(yùn)算 運(yùn)算結(jié)果生成新的柵格圖層 目的是產(chǎn)生新的空間信息 又稱為“地圖代數(shù)” 點(diǎn)變換方法 區(qū)域變換方法 鄰域變換方法Input AInput B基于矢量數(shù)據(jù)的疊合分析基于矢量數(shù)據(jù)的疊合

9、分析 點(diǎn)與多邊形的疊合 線與多邊形的疊合 多邊形與多邊形的疊合點(diǎn)與多邊形的疊合點(diǎn)與多邊形的疊合（ point-in-polygon overlay ） 包含點(diǎn)的圖層與包含多邊形的圖層 判斷點(diǎn)包含在哪一個(gè)多邊形里面，從而為點(diǎn)設(shè)置新的多邊性屬性點(diǎn)與多邊形疊合點(diǎn)與多邊形疊合 示例示例IDIDprovince_nameprovince_name1 1江蘇江蘇2 2上海上海3 3浙江浙江IDIDcity_namecity_name1 1南京南京2 2蘇州蘇州3 3上海上海4 4杭州杭州1243123點(diǎn)與多邊形疊合點(diǎn)與多邊形疊合 結(jié)果結(jié)果IDIDcity_namecity_nameprovince_nam

10、eprovince_name1 1南京南京江蘇江蘇2 2蘇州蘇州江蘇江蘇3 3上海上海上海上海4 4杭州杭州浙江浙江12431231243線與多邊形的疊合（線與多邊形的疊合（ line-in-polygon overlay ） 包含線的圖層與包含多邊形的圖層 判斷線包含在哪一個(gè)多邊形里面，從而為線設(shè)置新的多邊性屬性線與多邊形疊合線與多邊形疊合 示例示例IDIDroad_nameroad_namelengthlength1 1滬寧高速滬寧高速4004002 2滬杭高速滬杭高速3803803 3寧杭高速寧杭高速330330123IDIDprovince_nameprovince_name1 1江蘇

11、江蘇2 2上海上海3 3浙江浙江123線與多邊形疊合線與多邊形疊合 結(jié)果結(jié)果IDIDroad_nameroad_nameprovince_nameprovince_namelengthlength1 1滬寧高速滬寧高速江蘇江蘇3503502 2滬寧高速滬寧高速上海上海50503 3滬杭高速滬杭高速上海上海3203204 4滬杭高速滬杭高速浙江浙江60605 5寧杭高速寧杭高速浙江浙江1001006 6寧杭高速寧杭高速江蘇江蘇230230123123456123456多邊形與多邊形疊合（多邊形與多邊形疊合（ polygon-on-polygon overlay ） 兩個(gè)多邊形圖層的比較分析（圖形

12、和屬性），將兩個(gè)不同的多邊形空間特征數(shù)據(jù)相重疊，產(chǎn)生新的多邊形特征數(shù)據(jù)，用以解決地理變量的多準(zhǔn)則分析、區(qū)域多重屬性的分析，地理特征的動(dòng)態(tài)變化分析，以及圖幅要素更新、區(qū)域信息提取等 多邊形疊合分析通常有以下五種疊合方式： 合并合并(Union) 相交相交( Intersect) 一致一致( Identity) 相減相減( Erase) 更新更新( Update)Union 輸出層保留輸入圖層的所有多邊形要素。Intersect 輸出層保留輸入圖層共同的多邊形要素。Identity 保留以一多邊形為控制邊界內(nèi)的所有多邊形要素Erase 保留以一多邊形為控制邊界外的所有多邊形要素Update 輸出數(shù)

13、據(jù)為一個(gè)經(jīng)刪除處理后的多邊形與一個(gè)新特征多邊形，即刪除重疊的部分。空間分析的步驟空間分析的步驟 步 驟：（1）明確目的和標(biāo)準(zhǔn)（2）空間數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（3）空間操作（4）輸出結(jié)果并進(jìn)行分析實(shí)例：市區(qū)擇房分析實(shí)例：市區(qū)擇房分析 如何找到環(huán)境好、購(gòu)物方便、小孩上學(xué)方便的居住區(qū)地段是購(gòu)房者對(duì)關(guān)心的問題，因此購(gòu)房者就需要從總體上對(duì)商品房的信息進(jìn)行研究分析，選擇最適宜的購(gòu)房地段。 條件為： a在商業(yè)中心的服務(wù)范圍之內(nèi)，服務(wù)范圍以商業(yè)中心規(guī)模的大小來(lái)確定 b距名牌高中在750米之內(nèi)，以便小孩上學(xué)便捷 c距名勝古跡500米之內(nèi)，環(huán)境優(yōu)雅 d離主要交通要道200米之外，以減少噪音污染 運(yùn)用空間疊合分析解決以下兩個(gè)問題

14、 （1）找出滿足以上4個(gè)條件的最適宜的購(gòu)房地段。 （2）對(duì)整個(gè)城市區(qū)域從以上4個(gè)條件的住房條件進(jìn)行評(píng)價(jià)，劃定不同等級(jí)，以供購(gòu)房者進(jìn)行參考 第一個(gè)問題找出滿足以上4個(gè)條件的最適宜的購(gòu)房地段。步 驟：（1）明確目的和標(biāo)準(zhǔn)：在商業(yè)中心的服務(wù)范圍之內(nèi)；距名牌高中在750米之內(nèi)，以便小孩上學(xué)便捷；距名勝古跡500米之內(nèi)，環(huán)境優(yōu)雅；離主要交通要道200米之外，以減少噪音污染（2）空間數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：商業(yè)中心服務(wù)數(shù)據(jù)、名牌高中750米之內(nèi)數(shù)據(jù)、名勝古跡500米之內(nèi)、主要交通要道200米之外（3）空間操作：進(jìn)行疊合分析（4）輸出結(jié)果并進(jìn)行分析在商業(yè)中心的服務(wù)范圍圖層在商業(yè)中心的服務(wù)范圍圖層martket距名牌高中在

15、距名牌高中在750米之內(nèi)圖層米之內(nèi)圖層school距名勝古跡距名勝古跡500米之內(nèi)，環(huán)境優(yōu)雅圖層米之內(nèi)，環(huán)境優(yōu)雅圖層famous離主要交通要道離主要交通要道200米之內(nèi)圖層米之內(nèi)圖層street空間操作空間操作 疊合方式的選擇？ market圖層、school圖層進(jìn)行intersect操作得到insectms圖層，再將insectms圖層與Famous圖層進(jìn)行intersect疊合操作，得到intersectmsf圖層 最后將insectmsf圖層與street圖層進(jìn)行erase疊合操作，得到所需結(jié)果 第二個(gè)問題對(duì)整個(gè)城市區(qū)域從以上4個(gè)條件的住房條件進(jìn)行評(píng)價(jià)，劃定不同等級(jí)，以供購(gòu)房者進(jìn)行參考找

16、出滿足以上4個(gè)條件的最適宜的購(gòu)房地段。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：A滿足其中四個(gè)條件為第一等級(jí)B滿足其中三個(gè)條件為第二等級(jí)C滿足其中兩個(gè)條件為第三等級(jí)D滿足其中一個(gè)條件為第四等級(jí)E完全不滿足條件得為第五等級(jí)步 驟：（1）明確目的和標(biāo)準(zhǔn)：（2）空間數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：商業(yè)中心服務(wù)數(shù)據(jù)、名牌高中750米之內(nèi)數(shù)據(jù)、名勝古跡500米之內(nèi)、主要交通要道200米之外（3）空間操作：進(jìn)行疊合分析（4）對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)在商業(yè)中心的服務(wù)范圍圖層在商業(yè)中心的服務(wù)范圍圖層martket距名牌高中在距名牌高中在750米之內(nèi)圖層米之內(nèi)圖層school距名勝古跡距名勝古跡500米之內(nèi)，環(huán)境優(yōu)雅圖米之內(nèi)，環(huán)境優(yōu)雅圖層層famous離主要交通要道

17、離主要交通要道200米之內(nèi)圖層米之內(nèi)圖層street空間操作空間操作 屬性賦值 （1）分別打開market 、school、famous圖層，分別添加market、school、famous字段，并全部賦值為1（2）打開street圖層，添加st字段，賦值為-1空間操作空間操作 區(qū)域疊加對(duì)market、school、famous和street圖層進(jìn)行union疊加步驟為如下 分級(jí)打開生成的union文件圖層的屬性列表，編輯表格，添加一個(gè)短整型字段class，并將class賦值為famous+school+market+st第三節(jié)第三節(jié) 空間鄰近度分空間鄰近度分析析 問題一： 地震破壞程度從震源

18、擴(kuò)散影響的范圍；地震破壞程度從震源擴(kuò)散影響的范圍； 噪聲污染影響的范圍；噪聲污染影響的范圍； 湖泊生態(tài)保護(hù)區(qū)的范圍；湖泊生態(tài)保護(hù)區(qū)的范圍； “緩沖區(qū)分析緩沖區(qū)分析” 問題二： 氣象站控制的范圍；氣象站控制的范圍； 超市服務(wù)的范圍；超市服務(wù)的范圍； “泰森多邊形分析泰森多邊形分析”空間緩沖區(qū)分析空間緩沖區(qū)分析 空間緩沖區(qū)分析(Spatial buffer analysis)：指根據(jù)分析對(duì)象的點(diǎn)、線、面實(shí)體，自動(dòng)建立它們周圍一定距離的帶狀區(qū)，用以識(shí)別這些實(shí)體或主體鄰近對(duì)象的輻射范圍或影響程度，以便為某項(xiàng)分析或決策提供依據(jù)。建立空間緩沖區(qū)的分析模型建立空間緩沖區(qū)的分析模型用于緩沖半徑的確定 根據(jù)空間

19、實(shí)體對(duì)鄰近對(duì)象作用性質(zhì)的不同，可采用不同的分析模型，主要有：線性模型：線性模型：用于當(dāng)實(shí)體對(duì)鄰近對(duì)象的影響度隨距離的增大呈用于當(dāng)實(shí)體對(duì)鄰近對(duì)象的影響度隨距離的增大呈線性衰減的情況。線性衰減的情況。 二次模型：二次模型：用于當(dāng)實(shí)體對(duì)鄰近對(duì)象的影響度隨距離的增大呈用于當(dāng)實(shí)體對(duì)鄰近對(duì)象的影響度隨距離的增大呈二次形式衰減時(shí)。二次形式衰減時(shí)。指數(shù)模型：指數(shù)模型：用于當(dāng)實(shí)體對(duì)鄰近對(duì)象的影響度隨距離的增大呈用于當(dāng)實(shí)體對(duì)鄰近對(duì)象的影響度隨距離的增大呈指數(shù)形式衰減時(shí)。指數(shù)形式衰減時(shí)。分級(jí)緩沖區(qū)域動(dòng)態(tài)緩沖區(qū)分級(jí)緩沖區(qū)域動(dòng)態(tài)緩沖區(qū) Buffering with different buffer distances.

20、 Buffering with rings.緩沖區(qū)的重疊處理緩沖區(qū)的重疊處理 Buffer zones not dissolved or dissolved.泰森多邊形分析泰森多邊形分析(Voronoi多邊形多邊形)Dirichlet，(1805-1859)，首先公開發(fā)表這種幾何鑲嵌模型，稱它們?yōu)镈irichlet區(qū)域。1908年，俄國(guó)數(shù)學(xué)家G. Voronoi首先詳細(xì)地研究了這些多邊形。1911年，Von Thiessen，將其運(yùn)用到氣象學(xué)中。稱Thiessen多邊形。Voronoi多邊形多邊形 Voronoi多邊形的數(shù)學(xué)定義：V ( pi ) = p | d ( p, pi ) d ( p

21、, pj ), ji, j = 1, , n p1, , pn：2維平面空間維平面空間R2中的有限個(gè)點(diǎn)中的有限個(gè)點(diǎn) p ：R2中任意位置點(diǎn)中任意位置點(diǎn) V(pi)：第：第i個(gè)特征點(diǎn)的個(gè)特征點(diǎn)的Voronoi多邊形多邊形 d ( p, pi )：p點(diǎn)到點(diǎn)到pi點(diǎn)的點(diǎn)的Euclidean距離距離Voronoi多邊形的對(duì)偶圖多邊形的對(duì)偶圖 Voronoi的對(duì)偶圖Delaunay三角網(wǎng)Voronoi多邊形生成多邊形生成第四節(jié)第四節(jié) 空間網(wǎng)絡(luò)分析空間網(wǎng)絡(luò)分析 GIS最早的應(yīng)用領(lǐng)域是土地管理和城市規(guī)劃，之后，在城最早的應(yīng)用領(lǐng)域是土地管理和城市規(guī)劃，之后，在城市交通規(guī)劃管理市交通規(guī)劃管理,城市地下管線管理城

22、市地下管線管理,城市電力供應(yīng)，城市城市電力供應(yīng)，城市通信等部門，開始大量使用通信等部門，開始大量使用GIS。 這些地方使用的數(shù)據(jù)是以點(diǎn)和線組成的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)，為全面這些地方使用的數(shù)據(jù)是以點(diǎn)和線組成的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)，為全面的描述網(wǎng)狀事物及其相互之間的關(guān)系，形成一類空間分析的描述網(wǎng)狀事物及其相互之間的關(guān)系，形成一類空間分析稱網(wǎng)絡(luò)分析。稱網(wǎng)絡(luò)分析。 從數(shù)學(xué)的角度看，網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)是圖論和運(yùn)籌學(xué)；從數(shù)學(xué)的角度看，網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)是圖論和運(yùn)籌學(xué)； 從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的角度，網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)是非線性圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的角度，網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)是非線性圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 網(wǎng)絡(luò)分析的實(shí)質(zhì)是通過(guò)研究網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，模擬和分析資源網(wǎng)絡(luò)分析的實(shí)質(zhì)是通過(guò)研究網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，模擬和分析資源在網(wǎng)絡(luò)上的流動(dòng)和分配，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及資源等的優(yōu)化問題在網(wǎng)絡(luò)上的流動(dòng)和分配，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及資源等的優(yōu)化問題進(jìn)行研究。進(jìn)行研究。第四節(jié)第四節(jié) 空間網(wǎng)絡(luò)分析空間網(wǎng)絡(luò)分析 網(wǎng)