第三章4-空間分析及專題圖制作

第四節(jié)GIS空間分析、專題圖制作3.4.1GIS空間分析3.4.2專題圖制作空間分析是GIS系統(tǒng)的重要功能之一,是基于地理對(duì)象的位置和形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)，其目的在于提取和傳輸空間信息。空間分析是GIS系統(tǒng)區(qū)別于計(jì)算機(jī)輔助繪圖系統(tǒng)的重要方面，空間分析的對(duì)象是一系列跟空間位置有關(guān)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括空間坐標(biāo)和專業(yè)屬性兩部分。GIS提供一系列空間分析工具，用戶可以將它們組合成一個(gè)操作系列，從已有模型來(lái)求得一個(gè)新模型，這個(gè)新模型就有可能展現(xiàn)出數(shù)據(jù)集內(nèi)部或數(shù)據(jù)集之間新的或未曾明確的關(guān)系，從而深化我們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的理解。3.4.1GIS空間分析一、空間分析的主要內(nèi)容①空間位置—借助于空間坐標(biāo)系傳遞空間對(duì)象的定位信息，是空間對(duì)象表述的研究基礎(chǔ)，即投影與轉(zhuǎn)換理論。②空間分布—同類空間對(duì)象的群體定位信息，包括分布、趨勢(shì)、對(duì)比等內(nèi)容。③空間形態(tài)—空間對(duì)象的幾何形態(tài)。④空間距離—空間物體的接近程度。⑤空間關(guān)系—空間對(duì)象的相關(guān)關(guān)系，包括拓?fù)?、方位、相似、相關(guān)等。二、空間分析的步驟1.確定分析目的和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

分析目的是定義打算利用地理數(shù)據(jù)庫(kù)解決什么問(wèn)題。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)定將如何利用GIS回答用戶所提出的問(wèn)題。2.收集、輸入空間和屬性數(shù)據(jù)

包括地理底圖數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等。3.作空間位置的處理和分析

作空間位置的處理和分析（包括檢索、提取，緩沖區(qū)分析、疊加分析等）；

作屬性數(shù)據(jù)的處理和分析（加所需的屬性項(xiàng)）。4.獲得簡(jiǎn)要分析結(jié)果（包括地圖和表格）5.解釋和評(píng)價(jià)結(jié)果

解釋和評(píng)價(jià)結(jié)果，若不滿意，返回1、2、3任一處重做。6.以專題地圖，文字報(bào)表形式作為正式結(jié)果，供決策用。三、數(shù)據(jù)的檢索

數(shù)據(jù)的檢索可能只是單純地針對(duì)屬性數(shù)據(jù)；也可能是單純依據(jù)空間拓樸關(guān)系；但更多、更有意義的情況是將空間數(shù)據(jù)與屬性聯(lián)合起來(lái)實(shí)施檢索。

1、屬性數(shù)據(jù)的條件檢索

用邏輯運(yùn)算組合條件。2、空間定位檢索用光標(biāo)選擇一個(gè)圖元或多個(gè)圖元，則系統(tǒng)檢索出這些圖元的屬性數(shù)據(jù)。3、圖元間關(guān)系檢索①面一面檢索

例如，與某個(gè)多邊形相鄰的多邊形是哪些？②面一線檢索

例如，某個(gè)多邊形的邊界是哪些線（弧段）？③線一面檢索

例如，某弧段的左右區(qū)域分別是什么？④線一線檢索

例如，與某條河流相連的支流有哪些？⑤線一點(diǎn)檢索

例如，某條道路上有哪些橋梁？⑥點(diǎn)一線檢索

例如，某個(gè)結(jié)點(diǎn)由哪些線（弧段）相交而成？三、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析1.單個(gè)圖元：線長(zhǎng)度、兩點(diǎn)間距離、區(qū)域面積、區(qū)域重心等。2.圖元的某屬性項(xiàng)：總和、最大值、最小值、平均值、字段在某范圍內(nèi)的記錄數(shù)、四則運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算等。

3.空間量算：填、挖土方體積等。地圖的疊置：就是將兩幅或多幅地圖重疊在一起，產(chǎn)生新數(shù)據(jù)層和新數(shù)據(jù)層上的屬性（即提取感興趣的數(shù)據(jù)）。1、柵格系統(tǒng)的置加分析

在柵格系統(tǒng)中，層間疊加可通過(guò)像元之間的各種運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。（1）各層屬性數(shù)據(jù)的平均值（算術(shù)平均或加權(quán)平均）（2）各層屬性數(shù)據(jù)的最大值或最小值（3）算術(shù)運(yùn)算（4）邏輯條件組合

優(yōu)點(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)。

缺點(diǎn)：圖元間拓?fù)潢P(guān)系信息丟失。四、疊加分析2、矢量系統(tǒng)的疊加分析⑴矢量系統(tǒng)疊加分析的步驟①對(duì)原始數(shù)據(jù)（多邊形）形成拓?fù)潢P(guān)系。②多層多邊形數(shù)據(jù)的空間疊置，形成新的層。③對(duì)新層中的多邊形重新進(jìn)行拓?fù)浣M建。④剔除多余的多邊形，提取出感興趣的部分。⑵疊加分析的主要內(nèi)容疊加分析實(shí)體疊加類型特點(diǎn)結(jié)果文件形式多邊形與多邊形合并、相交、相減、判別疊加結(jié)果產(chǎn)生許多新多邊形，每個(gè)多邊形都具有兩實(shí)體屬性。區(qū)文件線對(duì)多邊形相交、相減、判別結(jié)果是一些弧段，這些弧段也具有它們所在的多邊形的屬性。線文件點(diǎn)對(duì)多邊形相交、判別計(jì)算包含關(guān)系，疊加結(jié)果是一串帶有附加屬性的點(diǎn)要素，點(diǎn)所在的多邊形的屬性被連接到點(diǎn)的屬性中。點(diǎn)文件多邊形對(duì)點(diǎn)相減、相交結(jié)果是只保留有點(diǎn)落在上面的多邊形，且其屬性不變（即不作屬性連接）區(qū)文件點(diǎn)對(duì)線點(diǎn)與線的距離保留所有點(diǎn)，找到離點(diǎn)最近的線，并將線號(hào)和點(diǎn)到離它最近的線的距離記錄到該點(diǎn)的屬性中。點(diǎn)文件點(diǎn)與多邊形疊加：實(shí)際上是計(jì)算多邊形對(duì)點(diǎn)的包含關(guān)系。線與多邊形的疊加：比較線上坐標(biāo)與多邊形坐標(biāo)的關(guān)系，判斷線是否落在多邊形內(nèi)。多邊形疊加：將兩個(gè)或多個(gè)多邊形圖層進(jìn)行疊加產(chǎn)生一個(gè)新多邊形圖層的操作。

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)是指地理空間目標(biāo)的一種影響范圍或服務(wù)范圍。

緩沖分析是在點(diǎn)、線、面實(shí)體（或稱緩沖目標(biāo)）周圍建立一定寬度范圍的多邊形。緩沖區(qū)的產(chǎn)生有三種情況:一是基于點(diǎn)要素的緩沖區(qū)，通常以點(diǎn)為圓心、以一定距離為半徑的圓；二是基于線要素的緩沖區(qū)，通常是以線為中心軸線，距中心軸線一定距離的平行條帶多邊形;三是基于面要素多邊形邊界的緩沖區(qū)，向外或向內(nèi)擴(kuò)展一定距離以生成新的多邊形。任何目標(biāo)所產(chǎn)生的緩沖區(qū)總是一些多邊形，這些多邊形將構(gòu)成新的數(shù)據(jù)層。五、緩沖區(qū)分析

網(wǎng)絡(luò)是地理信息系統(tǒng)中一類獨(dú)特的數(shù)據(jù)實(shí)體，它由若干個(gè)線性實(shí)體通過(guò)結(jié)點(diǎn)連結(jié)而成。網(wǎng)絡(luò)分析是空間分析的一個(gè)重要方面，是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓樸關(guān)系（線性實(shí)體之間，線性實(shí)體與結(jié)點(diǎn)之間、結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)之間的連結(jié)、連通關(guān)系），并通過(guò)考察網(wǎng)絡(luò)元素的空間，屬性數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能特征進(jìn)行多方面的分析計(jì)算。目的是研究、籌劃一項(xiàng)工程的安排，使其運(yùn)行效果最好。1、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型及基本概念

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型：真實(shí)世界中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如交通網(wǎng)、通迅網(wǎng)、自來(lái)水管網(wǎng)、煤氣管網(wǎng)等）的抽象表示。網(wǎng)線：構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的線性實(shí)體，是資源傳輸或通訊聯(lián)絡(luò)的通道，可以代表公路、鐵路、航線、水管、煤氣管、河流等。

結(jié)點(diǎn)：網(wǎng)線的端點(diǎn)，又是網(wǎng)線匯合點(diǎn)，可以表示交叉路口、中轉(zhuǎn)站、河流匯合點(diǎn)等。網(wǎng)線的阻礙強(qiáng)度：為了實(shí)施路徑分析和資源分配，網(wǎng)線數(shù)據(jù)應(yīng)包含正反兩個(gè)方向上的阻礙強(qiáng)度（如流動(dòng)時(shí)間、耗費(fèi)等）。結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)：可以更加細(xì)致地模擬資源流動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)向特性，即每個(gè)結(jié)點(diǎn)可以擁有一個(gè)轉(zhuǎn)向表，其中的每一項(xiàng)說(shuō)明了資源從某一網(wǎng)線經(jīng)該結(jié)點(diǎn)到另一網(wǎng)線時(shí)所受的阻礙強(qiáng)度。六網(wǎng)絡(luò)分析2、常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)分析功能

⑴路徑分析

求解最佳路徑和最短路徑。

最佳路徑：在指定網(wǎng)絡(luò)中兩結(jié)點(diǎn)間找一條阻礙強(qiáng)度最小的路徑。

最短路徑：當(dāng)網(wǎng)線在順逆兩個(gè)方向上的阻礙強(qiáng)度都是該網(wǎng)線的長(zhǎng)度，而結(jié)點(diǎn)無(wú)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)（阻礙強(qiáng)度）或轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)為零，最佳路徑就成為最短路徑。⑵資源分配

就是為網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)線和結(jié)點(diǎn)尋找最近（遠(yuǎn)近按阻礙強(qiáng)度的大小來(lái)確定）的中心（資源發(fā)散或匯集地）。

例如：資源分配能為城市中的每一條街道上的學(xué)生確定最近的學(xué)校。

⑶連通分析

從某一結(jié)點(diǎn)或網(wǎng)線出發(fā)能夠到達(dá)的全部結(jié)點(diǎn)或網(wǎng)線，稱為連通分量求解。

例如：當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，救災(zāi)指揮部需要知道，把所有被破壞的公路和橋梁考慮在內(nèi)，救災(zāi)物質(zhì)能否從集散地出發(fā)送到每個(gè)居民點(diǎn)，如果有若干居民點(diǎn)與物質(zhì)集散地不在一個(gè)連通分量之內(nèi)，指揮部就不得不采用特殊的救援方式（如派遺直升機(jī)）。⑷流分析

所謂流，就是將資源由一個(gè)地點(diǎn)運(yùn)送到另一個(gè)地點(diǎn)。流分析的問(wèn)題主要是按照某種最優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)（如時(shí)間最少、費(fèi)用最低、路程最短或運(yùn)送量最大等）設(shè)計(jì)運(yùn)送方案。⑸選址

該功能涉及在某一指定區(qū)域內(nèi)選擇服務(wù)性設(shè)施的位置。

例如：市郊商業(yè)區(qū)、消防站、工廠、飛機(jī)場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)等的最佳位置的確定。

七、數(shù)字高程模型

數(shù)據(jù)高程模型（DigitalElevationModel），簡(jiǎn)稱DEM，是以數(shù)字的形式按一定結(jié)構(gòu)組織在一起，表示實(shí)際地形特征空間分布的數(shù)字模型，也是地形形狀大小和起伏的數(shù)字描述。DEM的核心是地形表面特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)和一套對(duì)地表提供連續(xù)描述的算法，最基本的DEM是由一系列地面點(diǎn)x，y位置及其相聯(lián)系的高程Z所組成，用數(shù)學(xué)函數(shù)式的表達(dá)是：Z=f(x，y)，(x，y)∈DEM所在的區(qū)域。盡管DEM是為了模擬地面起伏而發(fā)展起來(lái)的，但也可以用來(lái)模擬其他二維表面上連續(xù)變化的特征，比如說(shuō)還可以表示地面景觀的屬性，地面溫度、降水、地球磁力、重力、土地利用、土壤類型等其它地面特性信息，此時(shí)的DEM也稱為數(shù)字地形模型(DigitalTerrainModels)，簡(jiǎn)稱DTM。關(guān)于DTM和DEM的含義，無(wú)論在國(guó)外或國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中都存在著不同的理解，DTM包含著地面起伏和屬性兩個(gè)含義，所以DEM和DTM是有區(qū)別的。1、DEM的數(shù)據(jù)源采集方法：（1）航空或航天遙感圖像為數(shù)據(jù)源。（2）以地形圖為數(shù)據(jù)源。（3）以地面實(shí)測(cè)記錄為數(shù)據(jù)源。（4）其它數(shù)據(jù)源。2、數(shù)字地面模型的表示方法主要有規(guī)則格網(wǎng)（GRID）表示法和不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)表示法，此外還有離散點(diǎn)表示法和數(shù)學(xué)分塊曲面表示法。⑴規(guī)則格網(wǎng)（GRID）表示法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，但：a.地形簡(jiǎn)單的地區(qū)存在大量冗余數(shù)據(jù)；b.如不改變格網(wǎng)大小，則無(wú)法適用于起伏程度不同的地區(qū)；c.對(duì)于某些特殊計(jì)算如視線計(jì)算時(shí)，格網(wǎng)的軸線方向被夸大；d.由于柵格過(guò)于粗略，不能精確表示地形的關(guān)鍵特征。⑵不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)表示法，能根據(jù)區(qū)域的有限個(gè)點(diǎn)集將區(qū)域劃分為三角面網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字高程由連續(xù)的三角面組成，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的測(cè)點(diǎn)的密度和位置，能夠避免地形平坦時(shí)的數(shù)據(jù)冗余，同時(shí)還能按地形特征點(diǎn)如山脊、山谷及其它重要地形特征獲得DEM數(shù)據(jù)。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。DEM數(shù)據(jù)網(wǎng)格化插值計(jì)算

3、TIN模型建立

⑴人工方法：地形測(cè)量員注意選取地面上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)并且在測(cè)量中攜帶一幅野外草圖，用以表示由哪些測(cè)點(diǎn)構(gòu)成地性線。在這些資料的基礎(chǔ)上，人工構(gòu)成三角形時(shí)，以可能的最短的邊來(lái)構(gòu)成三角形，并保證每條邊位于地面上而不是懸空通過(guò)或貫穿地球表面。

⑵TIN自動(dòng)建立：首先在所有可能的線段中尋找最短的一條，用它作為第一個(gè)三角形的基線。選出到這條基線兩端的距離之和為最小的那一點(diǎn)作為三角形的頂點(diǎn)。接著，搜索次最短線段作為下一個(gè)三角形的基線。這樣可使作為先前生成的三角形的一部分而被存貯起來(lái)的諸邊不再被選取為基線。再尋找一個(gè)頂點(diǎn)，把新發(fā)現(xiàn)的各邊存貯起來(lái)，這個(gè)過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，直到所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)被三角形的各邊都連接起來(lái)為止。在決定新三角形任何一條邊（包括基線）以前，要檢查它是否不與已存貯的任何一條邊或任何一條地性線相交，如果發(fā)生這種情況，正在予以考慮的那條邊就被放棄而去搜索另