空間查詢和空間分析課件

第八章空間查詢與空間分析

第一節(jié)空間查詢

一、圖形查詢屬性

1空間定位查詢

2空間關(guān)系查詢

二、屬性查詢圖形――條件查詢

三、圖形屬性混合查詢――擴(kuò)展的SQL查詢

第二節(jié)空間分析

一、疊置分析

1、基于柵格的疊置分析

2、基于矢量的疊置分析

二、空間緩沖區(qū)分析

1、點(diǎn)緩沖

2、線緩沖

3、面緩沖

三、網(wǎng)絡(luò)分析

1、路徑分析

2、資源分配

3、連通分析

4、流分析

四、空間相關(guān)分析

五、門檻分析第一節(jié)空間查詢（p225）

對(duì)數(shù)據(jù)庫中已有的內(nèi)容進(jìn)行查詢，不需要經(jīng)過運(yùn)算，是GIS功能上與其它數(shù)字制圖軟件相區(qū)別的主要特征。一、圖形查詢屬性

1、空間定位查詢

①按點(diǎn)查詢：給定一個(gè)鼠標(biāo)點(diǎn)位，檢索出離它最近的空間對(duì)象，并顯示它的屬性。

②按矩形查詢：給定一個(gè)矩形窗口，查處該窗口內(nèi)的某一類地物的所有對(duì)象，首先需要根據(jù)空間索引，檢索到哪些空間對(duì)象可能位于窗口內(nèi)，然后根據(jù)點(diǎn)在矩形內(nèi)，線在矩形內(nèi)，多邊形位于矩形內(nèi)的判別計(jì)算檢索出所有落入檢索窗口內(nèi)的目標(biāo)。

③按圓查詢：給定一個(gè)圓或橢圓檢索出該圓或橢圓范圍內(nèi)的某個(gè)類或某個(gè)層的空間對(duì)象，實(shí)現(xiàn)方法與按矩形查詢相似。

④按多邊形查詢：與按圓查詢相似，但涉及到點(diǎn)在多邊形內(nèi)的計(jì)算。2、空間關(guān)系查詢

①鄰接查詢

a、多邊形鄰接查詢：如查詢與面狀地位A相鄰的所有多邊形。

b、線與線的鄰接查詢：如查詢所有與主河流A關(guān)聯(lián)的支流。

其中：

a、多邊形鄰接查詢：用拓?fù)洳樵儓?zhí)行。

第一步：從多邊形與弧段關(guān)聯(lián)的表中，檢索出該多邊形關(guān)聯(lián)的所有弧段。

第二步：從弧段管理的左右多邊形的表中檢索出這些弧段所關(guān)聯(lián)的所有多邊形，即與A相鄰的多邊形。

b、線與線的鄰接查詢：用拓?fù)洳樵儓?zhí)行。

第一步：從線狀地物表中查找出組成線狀地物A的所有弧段及關(guān)聯(lián)的結(jié)點(diǎn)。

第二步：從結(jié)點(diǎn)表中查找出與這些結(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的弧段。即與A關(guān)聯(lián)的支流。②包含關(guān)系查詢：

查詢某一個(gè)面狀地物所包含的某一類的空間對(duì)象，與

按多邊形的定位查詢相似。

③穿越查詢（線查詢）：

采用空間運(yùn)算：根據(jù)一個(gè)線狀目標(biāo)的空間坐標(biāo)計(jì)算出

哪些面狀地物或線狀地物與它相交。即查詢某一條線穿越了哪些線或多邊形。

④落入查詢：

查詢一個(gè)空間對(duì)象落在哪一個(gè)空間對(duì)象之內(nèi)，采用空間運(yùn)算，即使用點(diǎn)在多邊形內(nèi)，線在多邊形內(nèi)，面在多邊形內(nèi)的方法。

⑤緩沖區(qū)查詢：

與緩沖區(qū)分析有一點(diǎn)差別，緩沖區(qū)查詢不是對(duì)原有圖形進(jìn)行切割，只是根據(jù)用戶的需要給定一個(gè)點(diǎn)緩沖，線緩沖，面緩沖的距離，從而形成一個(gè)緩沖區(qū)的多邊形。再根據(jù)多邊形檢索的原理，檢索出該緩沖區(qū)內(nèi)的空間地物。

二、屬性查詢圖形――條件查詢

根據(jù)屬性條件查詢所需的圖形。

1查找：

最簡(jiǎn)單的由屬性查找圖形的操作，不需構(gòu)造SQL命令，僅需選擇一個(gè)屬性表，給定一個(gè)屬性值，找出對(duì)應(yīng)的屬性記錄和空間圖形。

當(dāng)屏幕上顯示一個(gè)屬性表時(shí)，用戶根據(jù)屬性表內(nèi)的記錄內(nèi)容，用鼠標(biāo)在屬性表中任意點(diǎn)取一個(gè)或幾個(gè)記錄，圖形界面即閃亮被選中的空間對(duì)象。

具體實(shí)現(xiàn)原理：先查詢數(shù)據(jù)庫查詢語言，找到滿足條件的數(shù)據(jù)庫記錄，得到它的目標(biāo)標(biāo)識(shí)，通過目標(biāo)標(biāo)識(shí)在圖形數(shù)據(jù)文件中找到對(duì)應(yīng)的空間對(duì)象。

二、屬性查詢圖形――條件查詢

根據(jù)屬性條件查詢所需的圖形。

1查找：

2SQL查詢：

用標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL查詢語言，查找到滿足條件的空間對(duì)象的標(biāo)識(shí)，在圖形數(shù)據(jù)文件中，找到并閃亮被查詢的空間地物。

Select需要顯示的屬性項(xiàng)

From屬性表

Where條件

Or條件and條件

三、圖形屬性混合查詢――擴(kuò)展的SQL查詢

將SQL的屬性條件和空間關(guān)系的圖形條件組合在一起形成擴(kuò)展的SQL查詢，可以進(jìn)行復(fù)雜的空間查詢，給GIS用戶帶來很多的方便。

例如：查詢?nèi)龒{地區(qū)長(zhǎng)江流域人口大于50萬的縣市。

解：如果要將屬性條件和空間關(guān)系整體統(tǒng)一起來，從底層進(jìn)行查詢優(yōu)化，有一定的難度，如果將兩層分開進(jìn)行查詢，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)并不難。

①先采用空間關(guān)系查詢，找到穿越查詢通過的縣市，得到一個(gè)查詢子集

②再在這個(gè)子集中，利用屬性查詢?nèi)丝诖笥?0萬的縣市，并根據(jù)目標(biāo)標(biāo)識(shí)顯示它們的圖形。

第二節(jié)空間分析

一、疊置分析

1、基于柵格的疊置分析

2、基于矢量的疊置分析

二、緩沖區(qū)分析

1、點(diǎn)緩沖

2、線緩沖

3、面緩沖

三、網(wǎng)絡(luò)分析

1、路徑分析

2、資源分配

3、連通分析

4、流分析

四、空間相關(guān)分析

五、門檻分析空間分析

是分析結(jié)果依賴于所分析對(duì)象的空間位置信息的技術(shù)，GIS與一般的計(jì)算機(jī)輔助制圖（cad）主要區(qū)別在于GIS具有空間數(shù)據(jù)的分析、變換能力，與空間查詢不同的是需要經(jīng)過計(jì)算才能獲得結(jié)果。

空間分析：是一組其分析結(jié)果依賴于所分析對(duì)象的位置信息的技術(shù)。

①首先，空間分析是面向用戶的，通過空間分析解決用戶的特定的問題。

②其次，空間分析又是建立在大量的基本空間運(yùn)算和表達(dá)基礎(chǔ)之上的，這些空間運(yùn)算和表達(dá)構(gòu)成了空間分析的基本核心。一、疊置分析

空間信息（多邊形網(wǎng)絡(luò)疊置層）的合成疊置，就是把同一地區(qū)，同一比例尺的兩幅或兩幅以上的圖層，重疊在一起，目的是產(chǎn)生的空間圖形和空間位置上的新的屬性。

1、基于柵格的疊置分析

①點(diǎn)變換：對(duì)于不經(jīng)壓縮的兩個(gè)柵格圖層進(jìn)行疊置分析，只要對(duì)每個(gè)柵格元素進(jìn)行邏輯交，邏輯并和邏輯差運(yùn)算，集合起來可形成疊置后的結(jié)果矩陣。

②區(qū)域變換：在計(jì)算屬性時(shí)，不僅與原疊置柵格屬性值相關(guān)，而且與柵格所在區(qū)域的長(zhǎng)度范圍有關(guān)。

③鄰域變換：在計(jì)算屬性值時(shí)，不僅與原疊置層對(duì)應(yīng)的柵格屬性值相同的區(qū)域有關(guān)，而且與屬性值不同的鄰域柵格的屬性值相關(guān)。2、基于矢量的疊置分析

①點(diǎn)與多邊形的疊置：

原理：將一個(gè)含有點(diǎn)的圖形與一個(gè)含有多邊形的圖形進(jìn)行疊加，以確定每個(gè)點(diǎn)落在哪個(gè)多邊形內(nèi)。

方法：點(diǎn)與多邊形的疊置是通過點(diǎn)在多邊形內(nèi)的判斷完成的，得到一張新的屬性表，除含有原有屬性值外，還含有落在那個(gè)多邊形的目標(biāo)標(biāo)識(shí)。（P240）2、基于矢量的疊置分析

①點(diǎn)與多邊形的疊置：

②線與多邊形的疊置

原理：將線的圖層疊置在多邊形的圖層上，以確定每一條線落在哪個(gè)多邊形內(nèi)。

方法：因?yàn)橐粋€(gè)線目標(biāo)跨越多個(gè)多邊形，所以需要將線目標(biāo)進(jìn)行切割，線與多邊形求交，形成一個(gè)新的空間目標(biāo)的結(jié)果集，得到線狀目標(biāo)的屬性表（可能與原來的屬性表不一一對(duì)應(yīng)），包含原來的線狀目標(biāo)的屬性和被疊置的面狀目標(biāo)的屬性。（P241）2、基于矢量的疊置分析

①點(diǎn)與多邊形的疊置

②線與多邊形的疊置

③多邊形與多邊形的疊置

原理：需要將兩層多邊形的邊界全部進(jìn)行邊界求交運(yùn)算和切割，然后根據(jù)切割的弧段，重新建立拓?fù)潢P(guān)系，最后判斷新疊置的多邊形分別落在原始多邊形的哪個(gè)多邊形內(nèi)，建立疊置多邊形與原多邊形的關(guān)系。

兩個(gè)原始多邊形：包括本底多邊形和上覆多邊形

對(duì)疊置多邊形內(nèi)的多邊形重新編號(hào)，并建立每一個(gè)疊置多邊形與本底多邊形和上覆多邊形的聯(lián)系表。見表P243。邏輯交和邏輯差可以通過邏輯并的聯(lián)系表中直接獲得。開始數(shù)據(jù)輸入取一個(gè)本底多邊形取一個(gè)上覆多邊形本底多邊形與上覆多邊形比較完全在外面部分包含完全在內(nèi)部逐條邊求交與切割屬性抽取通過RDBMS的慣性力連接進(jìn)行多邊形與多邊形的判別建立疊置多邊形與本底多邊形和上覆多邊形的聯(lián)系重建拓?fù)潢P(guān)系或重新編號(hào)得到疊置多邊形下面說明疊置運(yùn)算過程：假定已給同一地區(qū)，同一比例尺而反映不同屬性的兩副地圖（如坡度圖和土地厚度圖），表示為兩個(gè)圖層。假定每幅圖層包含一個(gè)多邊形，現(xiàn)將它們進(jìn)行疊置。A1B2第一步：首先將兩副圖疊加在一起，找出弧之間的所有相交的點(diǎn)，兩個(gè)圖層各有一個(gè)多邊形，一條弧，一個(gè)結(jié)點(diǎn)，疊置后產(chǎn)生兩個(gè)交點(diǎn)。

在交點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)新的結(jié)點(diǎn)，將原來的弧打斷，其結(jié)果是疊置圖中包含4個(gè)結(jié)點(diǎn)，6條弧段，3個(gè)多邊形，如下圖：1234ABB0A0

第二步：重構(gòu)?。噙呅瓮?fù)潢P(guān)系

疊置前兩個(gè)輸入圖層對(duì)應(yīng)的?。噙呅侮P(guān)系：弧ID起點(diǎn)終點(diǎn)左多邊形右多邊形1110A2220B

兩個(gè)圖層疊置后，每條弧段各有兩個(gè)左多邊形標(biāo)識(shí)和兩個(gè)右多邊形表示碼。如多邊形A0在第一輸入層中的標(biāo)識(shí)碼為A，在第二輸入圖層中的標(biāo)識(shí)碼為0，多邊形AB在第一輸入層中的標(biāo)識(shí)碼為A，在第二輸入圖層中的標(biāo)識(shí)碼為B。疊置后兩個(gè)輸入圖層對(duì)應(yīng)的?。噙呅侮P(guān)系：弧ID起點(diǎn)終點(diǎn)左多邊形右多邊形14100A022400B0334B0AB434ABA053200B061300A0

第三步：設(shè)置多邊形標(biāo)識(shí)點(diǎn)，傳遞屬性。疊置多邊形中包含著各個(gè)輸入層的多重屬性信息。二、緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)查詢：不破壞原有空間目標(biāo)的關(guān)系，只是檢索到該緩沖區(qū)內(nèi)涉及的空間目標(biāo)。

緩沖區(qū)分析：對(duì)一組或一類地物按照緩沖的距離條件，建立緩沖區(qū)多邊形，然后將這一圖層與需要進(jìn)行緩沖區(qū)分析的圖層進(jìn)行疊置分析，得到所需結(jié)果。緩沖區(qū)分析涉及兩個(gè)步驟：

1）建立緩沖區(qū)圖層

2）進(jìn)行疊置分析

1、點(diǎn)緩沖區(qū):

選擇一組點(diǎn)狀地物或一類點(diǎn)狀地物或一層點(diǎn)狀地物，根據(jù)給定的緩沖區(qū)距離，形成緩沖區(qū)多邊形。2、線緩沖區(qū)選擇一類或一層線狀地物，根據(jù)給定的緩沖區(qū)距離，形成緩沖區(qū)多邊形。

3、面緩沖區(qū)選擇一類或一層面狀地物，根據(jù)給定的緩沖區(qū)距離，形成緩沖區(qū)多邊形。

外緩沖區(qū)：在面狀地物的外圍形成緩沖區(qū)內(nèi)緩沖區(qū)：在面狀地物的內(nèi)側(cè)形成緩沖區(qū)也可在面狀地物的兩側(cè)形成緩沖區(qū)。

緩沖區(qū)的建立：1）建立點(diǎn)緩沖區(qū)：以點(diǎn)狀地物為圓心，以緩沖距離為半徑畫圓。2）建立線、面緩沖區(qū)：以線狀地物或面狀地物的邊線為參考線，作它們的平行線，再考慮端點(diǎn)圓弧，即可建立緩沖區(qū)。緩沖區(qū)之間重疊現(xiàn)象的處理：1）可以在做參考線的平行線的同時(shí)，考慮各種情況自動(dòng)切斷彼此相交的弧段。2）通過疊置的緩沖區(qū)多邊形進(jìn)行合并，并清除緩沖區(qū)內(nèi)的相交弧段。

三、網(wǎng)絡(luò)分析

網(wǎng)絡(luò)分析：是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系（線實(shí)體之間，線實(shí)體和結(jié)點(diǎn)之間，結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)之間的連接連通關(guān)系），并通過考察網(wǎng)絡(luò)元素的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)理論模型為基礎(chǔ)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能特征進(jìn)行多方面的分析計(jì)算。

通常涉及：路徑分析，資源分配，連通分析，流分析等。1、路徑分析

路徑分析包括最佳游歷方案求解和最佳路徑分析最佳游歷方案求解包括

郵遞員問題和旅行推銷員問題郵遞員問題通常是給定一個(gè)邊的集合和一個(gè)結(jié)點(diǎn)，由指定結(jié)點(diǎn)出發(fā)至少經(jīng)過每一條邊一次在回到起始結(jié)點(diǎn)。（弧段最佳游歷）旅行推銷員問題通常是給定一個(gè)起始點(diǎn)，一個(gè)終止結(jié)點(diǎn)和若干中間結(jié)點(diǎn)，求解最佳游歷路徑，使之由起點(diǎn)出發(fā)遍歷全部中間結(jié)點(diǎn)而達(dá)到終點(diǎn)。（結(jié)點(diǎn)最佳游歷）1、路徑分析

路徑分析包括最佳游歷方案求解和最佳路徑分析

路徑分析的核心是求解最佳路徑。最佳路徑的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)，組成網(wǎng)絡(luò)的每一條弧段都有一個(gè)相應(yīng)的權(quán)值，用來表示此弧段連接的兩結(jié)點(diǎn)間的阻抗值。所謂最佳路徑，是在指定網(wǎng)絡(luò)的兩結(jié)點(diǎn)間找一條阻抗值最小的路徑。最佳路徑求解包括：?jiǎn)卧袋c(diǎn)間最佳路徑和所有點(diǎn)對(duì)間的最佳路徑。其中單源點(diǎn)間最佳路徑使用的是Dijkstra（戴克斯徒拉算法）

最佳路徑求解算法（Dijkstra戴克斯徒拉算法）

其基本思想是由近及遠(yuǎn)求解連接源點(diǎn)到其它結(jié)點(diǎn)的最佳路徑。（按路徑長(zhǎng)度遞增的次序產(chǎn)生最佳路徑）第一步：用帶權(quán)鄰接矩陣cost來表示帶權(quán)的n個(gè)結(jié)點(diǎn)的有向圖，其中cost[i][j]表示結(jié)點(diǎn)vi到

vj的權(quán)值，當(dāng)兩點(diǎn)不連通時(shí)，cost[i][j]為無窮大。引進(jìn)一個(gè)輔助向量Dist，它的每個(gè)分量

Dist[i]表示從起點(diǎn)vi0到每個(gè)終點(diǎn)vi的最短路徑長(zhǎng)度。首先初始化Dist[i]=cost[i0][i]，將已經(jīng)找到的從vi0出發(fā)的最短路徑的終點(diǎn)的集合記為s，初始為空集。

第二步：確定一條最短路徑及其終點(diǎn)，選擇vj使得：Dist[j]=min{Dist[i]vi是在集合V－S中的點(diǎn)}vj就是當(dāng)前求得的一條從vi0出發(fā)的最短路徑的終點(diǎn)。將j加入最短路徑的終點(diǎn)，將其加入到終點(diǎn)集合

S中。第三步：修改輔助向量Dist，即修改從vi0出發(fā)到集合V－S上任一點(diǎn)vk可達(dá)的最短路徑長(zhǎng)度。如果Dist[j]＋cost[j][k]<Dist[k]

則修改Dist[k]＝Dist[j]＋cost[j][k]，第四步：重復(fù)第二和第三步，由此求得從vi0出發(fā)到圖上其余各定點(diǎn)的最短路徑是依據(jù)路徑長(zhǎng)度遞增的序列。例子見書P249

2.資源分配主要是定位和分配問題

1）定位問題：指已知需求源的分布，確定在哪里布設(shè)供應(yīng)點(diǎn)最合適的問題。

2）分配問題：確定這些需求源分別受哪個(gè)（唯一）供應(yīng)點(diǎn)服務(wù)的問題資源分配中的一個(gè)關(guān)鍵問題中心選址問題中心點(diǎn)選址的最佳位置判定標(biāo)準(zhǔn)，是使其所在的頂點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)圖中其它頂點(diǎn)之間的最大距離達(dá)到最小，這個(gè)選址問題的實(shí)際上就是求網(wǎng)絡(luò)圖的中心點(diǎn)。步驟：

首先，用Dijkstra算法計(jì)算出每一個(gè)頂點(diǎn)到其它各頂點(diǎn)的最短路徑長(zhǎng)度，以矩陣的形式列出。

其次，求距離矩陣中每行的最大值，即各個(gè)頂點(diǎn)的最大服務(wù)距離

最后，計(jì)算最大服務(wù)距離中最小的那個(gè)點(diǎn)。

3、連通分析

1）求解從某一點(diǎn)或邊出發(fā)能夠到達(dá)的全部結(jié)點(diǎn)和邊的問題。

2）在消耗最小的情況下，使得全部結(jié)點(diǎn)相連通。

4、流分析流是資源在結(jié)點(diǎn)間的傳輸。流分析就是按照某種優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)（時(shí)間最少，費(fèi)用最低，路徑最短或運(yùn)送量最大等。）設(shè)計(jì)資源的運(yùn)送方案。四、空間相關(guān)分析

許多空間現(xiàn)象，如城市污染負(fù)荷，江河污染程度等，其值在空間上的分布都具有明顯的空間相關(guān)性。一般來說，從空間分布位置間隔看，小的值總是靠近小的值，大的值周圍多數(shù)是大值，即相似的值在空間上的分布有集聚的傾向，這就是所謂的空間相似性。度量這種空間相似性的方法就是空間相關(guān)方法。同一個(gè)變量的空間相關(guān)也稱為空間自相關(guān)?？臻g自相關(guān)是空間域中的值聚集程度的一