第06章+空間分析(第二版)

長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地理信息系統(tǒng)原理

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somethingGIS原理1緒論2空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入4地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理5空間數(shù)據(jù)管理6空間分析

7數(shù)字高程模型8GIS的輸出與地圖可視化9地理信息系統(tǒng)工程與標準10地理信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

6空間分析

空間分析是綜合分析空間數(shù)據(jù)的技術(shù)的通稱。空間分析有著十分豐富的內(nèi)涵，它是構(gòu)成地理信息系統(tǒng)的核心部分之一，在整個地理數(shù)據(jù)的應(yīng)用中發(fā)揮著舉足輕重的作用，也是GIS區(qū)別與其它信息系統(tǒng)的一個顯著標志。6空間分析

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，通過分析算法，從空間數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)地理對象的空間位置、空間分布、空間形態(tài)、空間形成、空間演變等信息。它具有很強的目的性。是一種面向應(yīng)用的空間處理方法?？臻g分析目的：是通過對空間數(shù)據(jù)的深加工和分析，獲取新的信息。是為了解決實際問題，是面對用戶的。空間分析結(jié)果：圖形、屬性數(shù)據(jù)。6空間分析6.1空間分析的內(nèi)容與步驟6.2空間度量算法6.3數(shù)據(jù)檢索與表格分析6.4疊置分析6.5緩沖分析6.6網(wǎng)絡(luò)分析6.7三維空間關(guān)系6.8GIS的數(shù)學(xué)模型6.1空間分析的內(nèi)容與步驟6.1.1空間分析的內(nèi)容

1、拓撲分析包括：空間圖形數(shù)據(jù)的拓撲運算，即旋轉(zhuǎn)變換、比例尺變換、三維及三維顯示、幾何元素計算。6.1空間分析的內(nèi)容與步驟2、屬性的分析包括：數(shù)據(jù)檢索、邏輯與數(shù)學(xué)運算、重分類、統(tǒng)計分析等。

3、拓撲與屬性的聯(lián)合分析包括與拓撲相關(guān)的數(shù)據(jù)檢索、疊置處理、區(qū)域分析、鄰域分析、網(wǎng)絡(luò)分析、形狀探測、瘦化處理、空間內(nèi)插等。6.1空間分析的內(nèi)容與步驟6.1.2空間分析的步驟

1、確定分析目的和標準分析的目的定義了你打算利用地理數(shù)據(jù)庫回答什么問題，而標準則具體規(guī)定了你將如何利用GIS回答你所提出的問題。例：建一新公園進行選址（目的）標準：

·交通便利、環(huán)境優(yōu)雅

·設(shè)計成環(huán)繞一個天然小河

·可利用面積大

·應(yīng)很少或沒有沿河流分布的沼澤地6.1空間分析的內(nèi)容與步驟2、準備空間操作的數(shù)據(jù)即收集、輸入空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。例如：地理底圖數(shù)據(jù)、地籍?dāng)?shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)等。

3、進行空間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、疊置分析等），以滿足第一步提出的標準；作屬性數(shù)據(jù)的處理和分析（加所需的屬性項）。6.1空間分析的內(nèi)容與步驟4、準備表格分析的數(shù)據(jù)大多數(shù)分析都要求利用空間操作得到一個（或一組）最終的數(shù)據(jù)層，然后就必須準備用于分析的數(shù)據(jù)，包括空間和屬性數(shù)據(jù)。所生成的層的屬性表包括了利用邏輯表達式和算術(shù)表達式進行表格分析的信息。通常必須將進行分析時所需要的數(shù)據(jù)項加到屬性表中。例如，你想根據(jù)地塊數(shù)據(jù)層中的地塊面積、現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和土壤類型來計算地塊財產(chǎn)值，那么就要在屬性表中加入一個數(shù)據(jù)項（取名可能是“VALUE”）來存放財產(chǎn)值。6.1空間分析的內(nèi)容與步驟5、進行表格分析利用邏輯表達式和算術(shù)表達式，可以對在步驟三中進行的空間操作所獲得的新的屬性關(guān)系進行分析。在本步驟中，將利用步驟一中所確定的標準，定義一系列邏輯運算和算術(shù)運算，來對所得到的地理數(shù)據(jù)庫進行操作。

6、結(jié)果評價和解釋當(dāng)你通過表格分析獲得了一個答案，你就必須對結(jié)果進行評價，以確定其有效性，該結(jié)果是否提供了可靠而又有意義的答案？6.1空間分析的內(nèi)容與步驟7、如有必要，改進分析解釋和評價結(jié)果，若不滿意（如果感到你的分析還有局限性和缺點，你可以進一步改善），返回適當(dāng)?shù)牟襟E重新分析。

8、產(chǎn)生最終的結(jié)果圖和表格報告6.2空間度量算法

空間度量是GIS的一項基本內(nèi)容和主要功能，也是GIS的常用工具。長度量算角度量算任意多邊形面積量算分布中心的計算6.2空間度量算法6.2.1長度量算兩點之間的距離（歐幾里德距離）點到直線的距離三維空間中線到線的空間距離線目標的長度計算P1P2P3P4P56.2.2角度量算兩直線的夾角（二維）

求矢量A（xa,ya,za）與矢量B（xb,yb,zb）的夾角（三維）6.2空間度量算法6.2空間度量算法6.2.3任意多邊形面積量算12345XYx1x2x3x4x5y1y2y3y4y5abcde矢量數(shù)據(jù)多邊形的面積計算基于求梯形面積公式。6.2空間度量算法6.2.4分布中心的計算空間分析中常用分布中心來概括地表示空間的總體分布位置，用來跟蹤某些地理分布的變化，如人口的變遷、土地利用的變化。假設(shè)有n個離散點（X1,X2）(X2,Y2)…(Xn,Yn),可用下列不同的方法來表示分布中心。算術(shù)平均中心、加權(quán)平均中心、中位中心、極值中心6.2.4分布中心的計算假設(shè)有n個離散點（X1,X2）(X2,Y2)…(Xn,Yn),可用下列不同的方法來表示分布中心。算術(shù)平均中心加權(quán)平均中心中位中心極值中心6.2空間度量算法（Cx,Cy）表示算術(shù)平均中心坐標點。算術(shù)平均中心中沒有考慮不同點在分析問題時重要性之間的差異，實際中各點的重要性是不同的，為此需要進行加權(quán)計算。6.2空間度量算法6.2.4分布中心的計算假設(shè)有n個離散點（X1,X2）(X2,Y2)…(Xn,Yn),可用下列不同的方法來表示分布中心。算術(shù)平均中心加權(quán)平均中心中位中心極值中心Wi為第i點的權(quán)重，通常以該離散點表示的統(tǒng)計量來表示，如在研究土地利用時用它表示的面積值作為權(quán)重，在研究變遷時用它表示的人口數(shù)作為權(quán)重。6.2空間度量算法6.2.4分布中心的計算假設(shè)有n個離散點（X1,X2）(X2,Y2)…(Xn,Yn),可用下列不同的方法來表示分布中心。算術(shù)平均中心加權(quán)平均中心中位中心極值中心中位中心是指到各個離散點的距離和為最小的一個點（Xm,Ym）,表示為下式的值為最?。捍罅坑迷谶x址設(shè)計中，如當(dāng)n個離散點表示居民點時，為確定商業(yè)布點就要用到中位中心。6.2空間度量算法6.2.4分布中心的計算假設(shè)有n個離散點（X1,X2）(X2,Y2)…(Xn,Yn),可用下列不同的方法來表示分布中心。算術(shù)平均中心加權(quán)平均中心中位中心極值中心極值中心是指到各個離散點中最大距離為最小的一個點（Xe,Ye）,表示為下式的值為最大：極值中心的地理意義在于該點離n個離散點中的所有點都不太遠。6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析

檢索對象：

1）屬性數(shù)據(jù)（如全部區(qū)域的總?cè)丝冢?/p>

2）依據(jù)空間拓樸關(guān)系（如與湖北相鄰的省份有哪些）

3）聯(lián)合空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)（如某區(qū)域周邊有哪些地為水澆地）檢索分析的結(jié)果：

1）統(tǒng)計結(jié)果

2）將結(jié)果作為一個新屬性域添加到屬性數(shù)據(jù)庫中

3）生成新的數(shù)據(jù)層6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析屬性查詢6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析地理位置查詢6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析相對位置查詢——離超市200米6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析相對位置查詢——穿越河流的城鐵6.3.1屬性統(tǒng)計分析單純對屬性數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計分析包括單屬性統(tǒng)計、單屬性函數(shù)變換、雙屬性分類統(tǒng)計、雙屬性數(shù)學(xué)運算等。

單屬性統(tǒng)計是對屬性數(shù)據(jù)庫中的某個字段，如統(tǒng)計總和、最大值、最小值及平均值，給出字段值落在各個區(qū)間內(nèi)或等于各個離散值的記錄數(shù)，并據(jù)此繪制各類統(tǒng)計圖（折線、直方圖、餅圖等）。如“管網(wǎng)總長是多少？”6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析

單屬性函數(shù)變換是對選定的初等函數(shù)，將屬性字段作為函數(shù)自變量，將字段值依次代入初等函數(shù)，得到變換結(jié)果。用來做計算的函數(shù)可以是冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)等。

雙屬性分類統(tǒng)計除了要選擇分類字段并劃分處各類范圍外，還需要指定統(tǒng)計字段和統(tǒng)計方式。統(tǒng)計方式分計數(shù)方式和累計方式，其中計數(shù)方式是累計各類圖元素，而累計方式則是將每一類的累計字段值相加。如要統(tǒng)計各村每類用地的面積（累計方式）和數(shù)目（計數(shù)方式）。6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析6.3.2布爾邏輯查詢用布爾邏輯的規(guī)則對屬性及空間特性進行運算操作來檢索數(shù)據(jù)，使GIS在檢索功能方面有了極大的靈活性，因為它允許用戶按屬性數(shù)據(jù)、空間特性形成任意的組合條件來查詢數(shù)據(jù)。布爾邏輯運算有：與（AND）、或（0R）、異或（XOR）、非（NOT）等。6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析ANOTAABAANDBAORBAORB

例：在地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)中，設(shè)A為埋深小于3米的煤氣管；B為長度小于300米的煤氣管。

AANDB：檢索出埋深小于3米且長度小于300米的所有煤氣管；條件A:為埋深小于3米的煤氣管條件B:為長度小于300米的煤氣管AND和（與）6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析

AORNOTB：檢索出埋深小于3米及長度大于或等于300米的所有煤氣管；A為埋深小于3米的煤氣管B為長度小于300米的煤氣管OR

NOT

或非6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析

AXORB：檢索出埋深小于3米而長度大于或等于300米的煤氣管道、長度小于300米而埋深大于或等于3米的煤氣管道；A為埋深小于3米的煤氣管B為長度小于300米的煤氣管XOR（異或）6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析6.3.3空間定位檢索用光標選擇一個圖元或多個圖元，則系統(tǒng)檢索出這些圖元的屬性數(shù)據(jù)。圖查屬性6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析6.3.4圖元間關(guān)系檢索

1）面-面檢索例如：與某個多邊形相鄰的多邊形是哪些？

2）面-線檢索例如：某個多邊形的邊界是哪些線（弧段）？

3）線-面檢索例如，某弧段的左右區(qū)域分別是什么？6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析6.3.4圖元間關(guān)系檢索

4）線-線檢索例如，與某條河流相連的支流有哪些？

5）線-點檢索例如，某條道路上有哪些橋梁？

6）點-線檢索例如，某個結(jié)點由哪些線（弧段）相交而成？6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析6.3.4圖元間關(guān)系檢索面-面檢索例：與某個多邊形相鄰的多邊形是哪些？請點擊“河南省”6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析6.3.5空間數(shù)據(jù)庫查詢語言

GIS中的查詢首先是數(shù)據(jù)庫查詢，SQL作為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的標準查詢語言，因其非過程化描述和簡潔性而倍受青睞，為許多GIS所采用。

SQL語句的基本結(jié)構(gòu)如下：

SELECT<屬性名>FROM<屬性表>WHERE<條件>

空間數(shù)據(jù)庫因其包含空間概念是一種特殊的數(shù)據(jù)庫，而標準SQL語言不支持空間概念，目前多數(shù)GIS系統(tǒng)是在SQL的基礎(chǔ)上擴展空間概念描述、空間函數(shù)或空間操作等方式來解決。如增加WITHIN算子（SELECT<目標>WITHIN<區(qū)域>）6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析6.3.5空間數(shù)據(jù)庫查詢語言

例如：查詢?nèi)龒{地區(qū)長江流域人口大于50萬的市或縣

Select*From縣或市

Where縣或市人口>50萬

andCross（河流名稱=“長江”）6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析6.3.6重分類、邊界消除與合并重分類或再分類（Reclassification）：根據(jù)不同的需要對原始數(shù)據(jù)再次進行分類和提取的過程。

1）屬性按區(qū)間分類統(tǒng)計例：城市人口密度分為高、中、低三類。

2）間接分類例：按房屋建造年代分類，作為是否保留這些建筑的參考依據(jù)。

3）地理區(qū)域分類例：北京分為三個區(qū)域，二環(huán)內(nèi)、二環(huán)至三環(huán)、三環(huán)以外。6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析

例：希望從一個數(shù)據(jù)層中得到土壤類型分布圖，原始數(shù)據(jù)層中的多邊形是根據(jù)更細的類別劃分的.6.3數(shù)據(jù)檢索及表格分析

步驟：

(1)按照土壤類型這個屬性項對原始數(shù)據(jù)層重分類(Reclassify)。

(2)如果兩相鄰多邊形具有相同土壤類型，則刪除它們間的分界弧段，這就是邊界消除(dissolve)。

(3)重建拓撲，將沒有分界弧段的相鄰多邊形合并(merge)成一個。6.4疊置分析

地圖疊置原理：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)），新數(shù)據(jù)層或新空間位置上的屬性就是各疊置地圖上相應(yīng)位置處各屬性的函數(shù)。

目的：尋找和確定同時具有幾種地理屬性的地理要素的分布，或是按照確定的地理指標，對疊加后產(chǎn)生的具有不同屬性級的多邊形進行分類或分級。如了解某區(qū)域的森林覆蓋面積(行政區(qū)與植被圖層的疊加)、一個縣的公路里程、一個地區(qū)的河流密度、降雨與溫度的關(guān)系等。6.4疊置分析6.4疊置分析6.4.1柵格系統(tǒng)的疊加分析柵格數(shù)據(jù)來源復(fù)雜，包括各種遙感數(shù)據(jù)、航測數(shù)據(jù)等，疊加分析操作的前提是要將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的柵格數(shù)據(jù)格式，且各個疊加層必須具有統(tǒng)一的地理空間，即具有統(tǒng)一的空間空間參考（包括地圖投影、橢球體、基準面等）、統(tǒng)一的比例尺及統(tǒng)一的分辨率。6.4疊置分析

柵格疊加的作用：數(shù)理統(tǒng)計，如行政區(qū)劃和土地利用類型疊加，可計算出某一行政區(qū)劃內(nèi)的土地利用類型個數(shù)及各種土地利用類型的面積；成本分析，如城市土地利用圖與大氣污染指數(shù)分布圖、道路分布圖疊加，可進行土地價格的評估與預(yù)測；類型疊加，如土壤圖和植被圖疊加，可得出土壤與植被分布之間的關(guān)系圖；6.4疊置分析

柵格疊加的作用：動態(tài)變化分析，通過對同一地區(qū)、相同屬性、不同時間的柵格數(shù)據(jù)的疊置，分析由時間引起的變化；幾何提取,通過與所需提取的范圍的疊置運算，快速地進行范圍內(nèi)信息的提取

。6.4疊置分析

在柵格系統(tǒng)中，層間疊加可通過像元之間的各種運算來實現(xiàn)。新屬性值的計算可由下式表示：

U＝f(A,B,C,……)

其中，A，B，C等表示第一、二、三等各層上同一坐標處的屬性值，f函數(shù)表示各層上屬性與用戶需要之間的關(guān)系，U為疊置后屬性輸出層的屬性值。6.4疊置分析

運算：（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)運算（4）邏輯條件組合6.4疊置分析20112302323112基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關(guān)系運算基于像元與像元之間的對應(yīng)的運算，每個像元都基于它自身的運算，不考慮其他與之相鄰的像元。60336906969336×3＝輸入柵格輸出柵格單層局部變換2011230232311220222604669238×＝

輸入柵格乘數(shù)柵格輸出柵格多層局部變換11221222223323346.4疊置分析以某一像元為中心，將周圍像元的值作為算子，進行簡單求和、平均值、最大值、最小值等。201123023231127874101312910121395787（鄰域求和）＝輸入柵格輸出柵格鄰域變換基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關(guān)系運算6.4疊置分析將具有相同屬性值的像元作為整體進行分析運算。例：通過識別輸入柵格層中具有相同像元值的格網(wǎng)在分帶柵格中的最大值，將這個最大值賦給輸入層中這些網(wǎng)格并存儲到輸出柵格層中。2011230202110287558678785578

＝

輸入柵格分帶柵格輸出柵格分帶變換1234567812345555基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關(guān)系運算6.4疊置分析

基于研究區(qū)內(nèi)所有像元的運算，輸出柵格的每一個像元值是基于全區(qū)的柵格運算，這里像元是具有或沒有屬性值的柵格。一般指在同一網(wǎng)格內(nèi)進行像元與像元之間距離的量測。

自然距離量測運算或歐幾里得幾何距離運算屬于全局變換。歐幾里得幾何距離運算分為2種情況：一種是以連續(xù)距離對源像元建立緩沖，在整個格網(wǎng)上建立一系列波狀距離帶；另一種是對格網(wǎng)中的每個像元確定與其最近的源像元的自然距離，該方式在距離量測中比較常見。基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關(guān)系運算6.4疊置分析

首先定義源像元，然后計算區(qū)域內(nèi)各個像元到最近的源像元的距離。水平或垂直方向的相鄰像元之間的距離為像元尺寸大小，若對角線相鄰，為像元尺寸大小的1.4倍。

輸入柵格輸出柵格11122.01.00.00.01.41.01.00.01.00.01.01.01.41.01.42.0（歐幾里得距離）＝基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關(guān)系運算6.4疊置分析設(shè)有A、B、C三個層面的柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)，一般可以用布爾邏輯算子以及運算結(jié)果的文氏圖表示其一般的運算思路和關(guān)系。（布爾邏輯的運算有和（AND）、或（OR）、異或（XOR）、非（NOT）等）A.AND.B.AND.CA.XOR.B.XOR.CA.NOT.B.OR.CA.OR.B.OR.CA.AND.B.OR.CA.AND.(B.OR.C)基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關(guān)系運算6.4疊置分析例：布爾邏輯與運算（AND）：10111100001011020010110000101100&＝

輸入柵格1輸入柵格2輸出柵格布爾邏輯“與”運算0230514012305550基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關(guān)系運算6.4疊置分析例：有土壤厚度（大于和小于50厘米）和土壤類型（紅壤和其他類型）兩個二值化圖層，不同的邏輯運算結(jié)果如下：

AND關(guān)系：結(jié)果是將土層厚度大于50厘米，且土壤為紅壤的土壤單元顯示出來；

OR關(guān)系：結(jié)果將土層厚度大于50厘米，或者土壤為紅壤的土壤單元顯示出來；

XOR：結(jié)果將土層厚度小于50厘米，或者土壤不是紅壤的土壤單元顯示出來；

NOT:如結(jié)果是將土層厚度大于50厘米，但土壤不是紅壤的土壤單元顯示出來。基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關(guān)系運算6.4疊置分析運算關(guān)系以一定的關(guān)系為基礎(chǔ)，符合條件的為真，賦予1值；不符合條件的為假，賦予0值。關(guān)系運算符包括6種：＝、<、>、<>、>=、<=。下圖為關(guān)系“>”運算:15111300041012021101010001000001>＝

輸入柵格1輸入柵格2輸出柵格關(guān)系“>”運算0230514012305550基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關(guān)系運算6.4疊置分析6.4.1柵格系統(tǒng)的疊加分析優(yōu)點：容易實現(xiàn)缺點：圖元間拓撲關(guān)系信息丟失6.4疊置分析6.4.2矢量系統(tǒng)的疊加分析（拓撲疊加）拓撲疊加之前，假設(shè)每一層都是平面增強的（已建立了完整的拓撲關(guān)系），當(dāng)兩層數(shù)據(jù)疊加時，結(jié)果也必然是平面增強的。拓撲疊加能夠把輸入特征的屬性合并到一起，實現(xiàn)特征屬性在空間上的連接；拓樸疊加時，新的組合圖關(guān)系將被更新。6.4疊置分析6.4疊置分析1、矢量系統(tǒng)疊置分析的步驟（1）對原始數(shù)據(jù)（多邊形）形成拓撲關(guān)系（2）多層多邊形數(shù)據(jù)的空間疊置，形成新的層（3）對新層中的多邊形重新進行拓撲組建（4）剔除多余的多邊形，提取出感興趣的部分6.4疊置分析2、疊加分析的主要內(nèi)容（1）多邊形與多邊形疊加：生成多邊形數(shù)據(jù)層（2）線對多邊形疊加：生成線數(shù)據(jù)層（3）點對多邊形疊加:生成點數(shù)據(jù)層（4）多邊形對點疊加：生成多邊形數(shù)據(jù)層（5）點對線疊加：生成點數(shù)據(jù)層6.4疊置分析（1）多邊形對多邊形疊加

由于兩個多邊形疊加時其邊界在相交處分開，因此輸出多邊形的數(shù)目可能大于輸入多邊形的總和。在多邊形疊加操作中往往會產(chǎn)生許多較小的多邊形，其中有些并不代表實際的空間變化，這些小而無用的多邊形稱為碎多邊形或偽多邊形，他們是多邊形疊加的主要問題。6.4疊置分析多邊形疊加的整個過程為：

1）計算交叉點；

2）形成節(jié)點和鏈；

3）建立拓撲和新對象/新標識符；

4）如果需要的話，去除大量的碎多邊形，融合相似多邊形；

5）連接新屬性，并添加到屬性表中。（1）多邊形對多邊形疊加6.4疊置分析（1）多邊形對多邊形疊加：合并、相交、相減、判別等。

指兩個不同圖層的多邊形要素相疊加，產(chǎn)生輸出層的新多邊形要素，用以解決地理變量的多準則分析、區(qū)域多重屬性的模擬分析、地理特征的動態(tài)變化分析，以及圖幅要素更新、相鄰圖幅拼接、區(qū)域信息提取等（結(jié)果仍為多邊形）。合并union相交intersect相減

Substraction

判別Identity6.4疊置分析6.4疊置分析6.4疊置分析6.4疊置分析6.4疊置分析（1）多邊形對多邊形疊加6.4疊置分析（2）線對多邊形疊加:相交、判別、相減等。

確定一圖層上的弧段落在另一圖層的哪個多邊形內(nèi)，以便為圖層的每個弧段建立新的屬性。線與多邊形疊置的算法就是線的多邊形裁剪。應(yīng)用：如河流圖與政區(qū)圖疊置，可得到每個政區(qū)中河流的長度。6.4疊置分析（2）線對多邊形疊加:相交、判別、相減等。6.4疊置分析線對區(qū)疊加(判別)分析（2）線對多邊形疊加6.4疊置分析（3）點對多邊形疊加（Point-in-polygonoverlay）

確定一圖層上的點落在另一圖層的哪個多邊形內(nèi)，以便為圖層的每個點建立新的屬性。它實質(zhì)是點與面之間的包含關(guān)系。疊加結(jié)果是一串帶有附加屬性的點要素。

相交：落在多邊形內(nèi)的點個數(shù)

判別：區(qū)域內(nèi)所有的點個數(shù)

相減：區(qū)域外所有的點個數(shù)應(yīng)用：如一幅圖表示郵政信箱的位置，另一幅圖表示城市街區(qū)。兩幅圖疊置后可得出每個街區(qū)有多少郵政信箱，也可知道每個郵政信箱是位于城市的哪個街區(qū)。

6.4疊置分析（3）點對多邊形疊加（Point-in-polygonoverlay）6.4疊置分析（4）多邊形對點疊加

多邊形對點疊加的結(jié)果是多邊形，但只保留那些有點落在上面的多邊形，這種疊加不做屬性連接，結(jié)果多邊形的屬性和原始多邊形的屬性相同。6.4疊置分析（5）點對線疊加點對線疊加的結(jié)果為點要素，它保留所有點，找到距離某點最近的線并計算出點線之間的距離，然后將線號和點線距離記錄到該點的屬性中。6.5緩沖分析

緩沖分析是GIS的基本空間操作功能之一。用以識別實體或主體對鄰近對象的輻射范圍或影響度，以便為某項分析或決策提供依據(jù)。它是GIS中重要的和基本的空間操作功能之一。公共設(shè)施（商場，郵局，銀行，醫(yī)院，車站，學(xué)校等）的服務(wù)半徑大型水庫建設(shè)引起的搬遷鐵路、公路以及航運河道對其所穿過區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要性6.5緩沖分析

緩沖分析就是在點、線、面實體（緩沖目標）周圍建立一定寬度范圍的多邊形。換言之，任何目標所產(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。如：城市噪音污染源所影響的一定空間范圍；交通線兩側(cè)劃定的綠化帶等。6.5.1緩沖分析概念6.5緩沖分析(1)點的緩沖區(qū)(2)線的緩沖區(qū)(3)面的緩沖區(qū)6.5緩沖分析

如：在城市研究中，當(dāng)改變某個轄區(qū)的行政界限時，需要通知周圍一定距離范圍內(nèi)（如150米）的住戶。禽流感疫情發(fā)生所影響的范圍？某地區(qū)有危險品倉庫，要分析一旦倉庫爆炸所涉及的范圍。這就需要進行點緩沖區(qū)分析。如果要分析因道路拓寬而需拆除的建筑物和需搬遷的居民，則需進行線緩沖區(qū)分析；而在對野生動物棲息地的評價中，動物的活動區(qū)域往往是在距它們生存所需的水源或棲息地一定距離的范圍內(nèi)，為此可用面緩沖區(qū)進行分析等等。6.5緩沖分析6.5.2建立緩沖區(qū)的算法建立緩沖區(qū)的實質(zhì)是作點、線、面狀地物的擴展距離圖。1、點緩沖區(qū)算法等距離的點緩沖區(qū)是一個圓。6.5緩沖分析2、線緩沖區(qū)和面緩沖區(qū)的基本算法（1）角平分線法在線的兩邊按一定距離（稱為緩沖距）作平行線，在線的端點畫半圓相連。（2）凸角圓弧法對線的拐點求出凹凸性，凸側(cè)用圓弧彌合法，以防角平分線法中出現(xiàn)尖角；凹側(cè)用角平分法建立。線的窄緩沖區(qū)線的寬緩沖區(qū)6.5緩沖分析3、復(fù)雜緩沖區(qū)的生成對復(fù)雜曲線、曲面建立緩沖區(qū)時，常會出現(xiàn)緩沖區(qū)重疊問題，這時需要通過對緩沖區(qū)邊界求交，除去重疊部分，或通過對緩沖區(qū)邊界求交，對建立緩沖區(qū)所生成的圖形進行判斷，除去緩沖區(qū)內(nèi)部線，將緩沖區(qū)組成連通區(qū)。6.5緩沖分析緩沖區(qū)分析應(yīng)用商場的市場區(qū)位（服務(wù)服務(wù)→中心地理論）林業(yè)規(guī)劃：距河流一定縱深的范圍來確定森林的砍伐區(qū)地震帶：按斷裂線的危險等級繪出每一斷裂線的不同寬度的緩沖帶作為警戒線土地評價：根據(jù)距離交通線的遠近進行成本估算→地價評估6.5緩沖分析

實例分析：市區(qū)擇房分析滿足條件:離主要交通要道200米以外，減少噪音污染商業(yè)中心的服務(wù)范圍內(nèi)距名牌高中750米內(nèi)距名勝古跡500米內(nèi)，環(huán)境幽雅同時滿足上面4個條件的為最佳選擇。6.5緩沖分析

實現(xiàn)步驟:1）對每一個條件進行緩沖區(qū)范圍生成；

2）將4個要素生成公共最佳擇房區(qū)(intersect，erase)；

3）給每一個緩沖條件添加一個條件判斷字段(addfield)；

4）將4個要素union生成合成圖；

5）對union后圖添加class字段，作為住房分類依據(jù)；

6）對結(jié)果圖進行分類分級顯示。6.5緩沖分析6.5緩沖分析6.6網(wǎng)絡(luò)分析網(wǎng)絡(luò)示例：鐵路、公路電力網(wǎng)、電訊網(wǎng)煤氣管網(wǎng)各種服務(wù)網(wǎng)絡(luò)航空網(wǎng)絡(luò)街道網(wǎng)絡(luò)6.6網(wǎng)絡(luò)分析

網(wǎng)絡(luò)是地理信息系統(tǒng)中一類獨特的數(shù)據(jù)實體，它由若干個線性實體通過結(jié)點連結(jié)而成。

網(wǎng)絡(luò)分析是空間分析的一個重要方面，是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓樸關(guān)系（線性實體之間、線性實體與結(jié)點之間、結(jié)點與結(jié)點之間的連結(jié)和連通關(guān)系），通過考察網(wǎng)絡(luò)元素的空間和屬性數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡(luò)的性能特征進行多方面的分析計算。6.6網(wǎng)絡(luò)分析

為什么要使用網(wǎng)絡(luò)分析？從甲地到乙地的最短路徑是什么？如何設(shè)定一個服務(wù)中心？特定位置的服務(wù)中心的服務(wù)范圍？從一個位置到另一個位置的通行程度如何？從出發(fā)地到目的地，有多少條可行路線？如何在街道圖上定位一個發(fā)生的事件？6.6網(wǎng)絡(luò)分析6.6.1網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型及基本概念

1）網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)是由若干線性實體互連而成的一個系統(tǒng)，資源經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)來傳輸，實體間的聯(lián)絡(luò)也經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)來達成。構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的最基本元素是上述線性實體以及這些實體的連接交匯點。前者常被稱為網(wǎng)線或鏈（link），后者一般稱為結(jié)點（node）。6.6網(wǎng)絡(luò)分析2）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型是真實世界中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如交通網(wǎng)、通迅網(wǎng)、自來水管網(wǎng)、煤氣管網(wǎng)等）的抽象表示。6.6網(wǎng)絡(luò)分析3）網(wǎng)絡(luò)組成要素基本要素

a.結(jié)點（Node）——結(jié)點是網(wǎng)線的端點，又是網(wǎng)線匯合點，可以表示交叉路口、中轉(zhuǎn)站、河流匯合點等。

b.鏈或弧段（網(wǎng)線）（link）——是構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的骨架，是資源傳輸或通訊聯(lián)絡(luò)的通道，可以代表街道、公路、鐵路、航線、水管、煤氣管、河流等等。6.6網(wǎng)絡(luò)分析附屬要素

a.站點（stop）或（?？奎c）——是在路徑分析中用來表示途經(jīng)地點的可以進行資源裝卸的結(jié)點；（如車站、碼頭等）

b.中心（center）——是在資源分配中用來表示資源發(fā)散地點或資源匯聚地點的結(jié)點；位于總站位置，如管道、煤氣總站6.6網(wǎng)絡(luò)分析附屬要素

c.障礙（barrier）——對資源傳輸或通訊聯(lián)絡(luò)起阻斷作用。如被破壞的橋梁和禁止通行的關(guān)口。即禁止網(wǎng)絡(luò)中鏈上流動的點。

d.拐角（turn）——在網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點處，資源運移方向可能轉(zhuǎn)變，從一個鏈經(jīng)結(jié)點轉(zhuǎn)向另一個鏈。如在十字路口禁止車輛左拐，便構(gòu)成拐角。6.6網(wǎng)絡(luò)分析4）特殊的屬性數(shù)據(jù)

a.網(wǎng)線的阻礙強度——阻強即資源受到阻力的大小。為了實施路徑分析和資源分配，網(wǎng)線數(shù)據(jù)應(yīng)包含正反兩個方向上的阻礙強度（如流動時間、耗費等）；如：交通系統(tǒng)中紅燈停情況，地面粗糙度、資源的種類（運的是什么），來回的方向等等，在網(wǎng)絡(luò)分析中非常重要但又很難確定。6.6網(wǎng)絡(luò)分析4）特殊的屬性數(shù)據(jù)

b.網(wǎng)線的資源需求量網(wǎng)線的資源需求量即網(wǎng)絡(luò)中弧度。?？奎c所能容納的資源量（如一個年級段學(xué)生人數(shù)），如學(xué)生人數(shù)、水流量、顧客量等；3人10人5人學(xué)校6.6網(wǎng)絡(luò)分析c.結(jié)點資源需求量

d.結(jié)點轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)結(jié)點轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)可以更加細致地模擬資源流動時的轉(zhuǎn)向特性，具體地說，每個結(jié)點可以擁有一個轉(zhuǎn)向表（turntable），其中的每一項說明了資源從某一網(wǎng)線經(jīng)該結(jié)點到另一網(wǎng)線時所受的阻礙強度。6.6網(wǎng)絡(luò)分析5)與中心相聯(lián)系的數(shù)據(jù)

a.中心的資源容量（如年級在教室中的座位，能夠容納多少學(xué)生。）

b.阻礙限度即資源流出或流向該中心所能克服的最大累積阻礙；

c.延遲量延遲量表達該中心相對于其它中心進行資源分配的優(yōu)先程度。6.6網(wǎng)絡(luò)分析6)與站點相關(guān)的數(shù)據(jù)與站點相關(guān)的數(shù)據(jù)一般有傳輸量，即資源裝卸量、阻礙強度。6.6網(wǎng)絡(luò)分析3人10人5人學(xué)校8路公共汽車起點站8路公共汽車終點站6人路徑站點中心拐點障礙點段6.6網(wǎng)絡(luò)分析6.6.2常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)分析功能1、路徑分析(pathanalysis)

其核心是最佳路徑和最短路徑的求解。常用于旅游、交通、消防、信息傳輸、救災(zāi)、搶險等。6.6網(wǎng)絡(luò)分析a.最短路徑在最短路徑分析需要計算網(wǎng)絡(luò)中從起點到終點所有可能的路徑，從中選擇一條到起點距離最短的一條。用于最短路徑分析的算法很多，其中最著名的是Dijkstra算法(Dijkstra，1959)。該算法可用于計算一個節(jié)點到其他所有節(jié)點的最短路徑。主要特點是以起始點為中心向外層層擴展，直到擴展到終點為止。Dijkstra算法能得出最短路徑的最優(yōu)解，但由于它遍歷計算的節(jié)點很多，所以效率低。6.6網(wǎng)絡(luò)分析最短路徑(NetworkAnalyst)6.6網(wǎng)絡(luò)分析b.最佳路徑在指定網(wǎng)絡(luò)中兩結(jié)點間找一條阻礙強度最小的路徑，最佳路徑的產(chǎn)生基于網(wǎng)線和結(jié)點轉(zhuǎn)角的阻礙強度。當(dāng)網(wǎng)線在順逆兩個方向上的阻礙強度都是該網(wǎng)線的長度，而結(jié)點無轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)（阻礙強度）或轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)為零，最佳路徑與最短路徑是一致的。6.6網(wǎng)絡(luò)分析c.最佳游歷方案求解

網(wǎng)線最佳游歷方案——給定一個網(wǎng)線集合和一個結(jié)點，求解最佳路徑，使之由指定結(jié)點出發(fā)至少經(jīng)過每條網(wǎng)線一次而回到起始結(jié)點。

結(jié)點最佳游歷方案——給定一個起始結(jié)點、一個終止結(jié)點和若干中間結(jié)點，求解最佳路徑使之由起始點出發(fā)遍歷全部中間結(jié)點而到達終點。6.6網(wǎng)絡(luò)分析

實例應(yīng)用：一輛送貨車從起點出發(fā)，到20個點送貨，貨車返回起點，按最優(yōu)次序最短時間送貨。（1）給出送貨路線圖（2）計算送貨總時間（3）給出送貨車的行駛導(dǎo)引（如左拐，進入XX路，右拐……）6.6網(wǎng)絡(luò)分析6.6網(wǎng)絡(luò)分析2、資源分配(Allocation)

就是為網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)線和結(jié)點尋找最近（遠近按阻礙強度的大小來確定）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；為水庫提供其供水區(qū)等等。資源分配根據(jù)中心容量以及網(wǎng)線和結(jié)點的需求將網(wǎng)線和結(jié)點分配給中心，分配是沿最佳路徑進行的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)元素被分配給某個中心，該中心擁有的資源量就依據(jù)網(wǎng)絡(luò)元素的需求而縮減，當(dāng)中心的資源耗盡，分配就停止。6.6網(wǎng)絡(luò)分析圖書館設(shè)在哪兒合適呢？居民分布點公共設(shè)施6.6網(wǎng)絡(luò)分析1和2那個去合適呢？12居民分布點服務(wù)點6.6網(wǎng)絡(luò)分析例1：負荷設(shè)計、時間與距離損耗估算電能從電站產(chǎn)生，并通過電網(wǎng)傳送到客戶那里去。在這里，電站就是網(wǎng)絡(luò)模型中的“Center”,因為它可以提供電力供應(yīng)。電能的客戶沿電網(wǎng)的線路(網(wǎng)絡(luò)模型中的Link)分布，他們產(chǎn)生了“Demand”。在這種情況下，資源是通過網(wǎng)絡(luò)由供方傳輸?shù)叫璺絹韺崿F(xiàn)資源分配?？捎脕矸治鲚旊娤到y(tǒng)是否超載；停電的社會、經(jīng)濟影響估計等。6.6網(wǎng)絡(luò)分析例2：學(xué)校選址學(xué)校與學(xué)生的關(guān)系也構(gòu)成一種在網(wǎng)絡(luò)中供需分配關(guān)系。學(xué)校是資源提供方，它負責(zé)提供名額供適齡兒童入學(xué)。適齡兒童是資源的需求方，他們要求入學(xué)。作為需求方的適齡兒童沿街道網(wǎng)絡(luò)分布，他們產(chǎn)生了對作為供給方的學(xué)校的資源--學(xué)生名額的需求。這種情況下，“資源”的流向是由適齡兒童前往學(xué)校。6.6網(wǎng)絡(luò)分析例3：服務(wù)區(qū)域現(xiàn)有某區(qū)域道路交通圖，假設(shè)所有郵局的服務(wù)距離約為2500米，給出每個郵局的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，計算：（1）所有郵局的服務(wù)總距離；（2）給出每個郵局的的服務(wù)區(qū)域，計算所有郵局的服務(wù)總面積。6.6網(wǎng)絡(luò)分析6.6網(wǎng)絡(luò)分析6.6網(wǎng)絡(luò)分析3、連通分析欲知道從某一結(jié)點或網(wǎng)線出發(fā)能夠到達的全部結(jié)點或網(wǎng)線，這一類問題稱為連通分量求解。如從某一結(jié)點/網(wǎng)線出發(fā)能到達所有結(jié)點/網(wǎng)線，或費用最少。6.6網(wǎng)絡(luò)分析

例1：當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，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)送到每個居民點，如果有若干居民點與物質(zhì)集散地不在一個連通分量之內(nèi)，指揮部就不得不采用特殊的救援方式（如派遣直升機）。6.6網(wǎng)絡(luò)分析

例2：公路部門擬修建足夠數(shù)量的公路，使某個縣的五個鎮(zhèn)直接或間接地相互連接，如何使費用最??？如果把每一條可能修建的公路作為網(wǎng)線，把相應(yīng)的預(yù)算費用作為網(wǎng)線的耗費，上述問題就轉(zhuǎn)化為求一個網(wǎng)線集合，使全部節(jié)點連通且耗費最少。6.6網(wǎng)絡(luò)分析4、流分析所謂流，就是將資源由一個地點運送到另一個地點。流分析的問題主要是按照某種最優(yōu)化標準（如時間最少、費用最低、路程最短或運送量最大等）設(shè)計運送方案。6.6網(wǎng)絡(luò)分析

為了實施流分析，就要根據(jù)最優(yōu)化標準的不同擴充網(wǎng)絡(luò)模型。如把中心分為發(fā)貨中心和收貨中心，分別代表資源運送的起始點和目標點。這時發(fā)貨中心的容量就代表待運送資源量，收貨中心的容量代表它所需的資源量。網(wǎng)線的相關(guān)數(shù)據(jù)也要擴充，如果最優(yōu)化標準是運送量最大，就要設(shè)定網(wǎng)線的傳輸能力；如果目標是使用費用最低，則要為網(wǎng)線設(shè)定傳輸費用（在該網(wǎng)線上運送一個單位的資源所需的費用）。6.6網(wǎng)絡(luò)分析5、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、飛機場、倉庫等的最佳位置的確定。6.6網(wǎng)絡(luò)分析

在網(wǎng)絡(luò)分析中的選址問題一般限定設(shè)施必須位于某個結(jié)點或位于某條網(wǎng)線上，或者限定在若干候選地點中選擇位置。存在種類繁多的選址問題，實現(xiàn)方法和技巧也多種多樣，不同GIS系統(tǒng)在這方面各有特色。造成這種多樣性的原因主要在于：對“最佳位置”的解釋（即用什么標準來衡量一個位置的優(yōu)劣）以及要定位的是一個設(shè)施還是多個設(shè)施。6.6網(wǎng)絡(luò)分析

（1）中心點選址問題使最佳選址位置所在的頂點與圖中其他頂點之間的最大距離達到最小——適宜于學(xué)校、醫(yī)院、消防站點等一類服務(wù)設(shè)施的布局問題。（2）中位點選址問題使最佳選址位置所在的頂點到網(wǎng)絡(luò)圖中其他頂點的距離（或加權(quán)距離）總和達到最小——例如超市要確定一個配送中心。6.6網(wǎng)絡(luò)分析6.6.3網(wǎng)絡(luò)分析的實際應(yīng)用路徑分析6.6網(wǎng)絡(luò)分析6.6.3網(wǎng)絡(luò)分析的實際應(yīng)用電力設(shè)施管理6.6網(wǎng)絡(luò)分析服務(wù)區(qū)域6.6網(wǎng)絡(luò)分析6.6.3網(wǎng)絡(luò)分析的實際應(yīng)用交通網(wǎng)絡(luò)分析6.6網(wǎng)絡(luò)分析6.6.3網(wǎng)絡(luò)分析的實際應(yīng)用污染源分析與追蹤6.7.1三維空間拓撲關(guān)系（1）點－點空間關(guān)系（2種）（2）點－線空間關(guān)系（3種）

（3）點－面空間關(guān)系（3種）

6.7三維空間關(guān)系6.7三維空間關(guān)系（4）點－體空間關(guān)系（3種）

（5）線－線空間關(guān)系（7種）

6.7三維空間關(guān)系（6）線－面空間關(guān)系（5種）（7）線－體空間關(guān)系（5種）

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