第六講 空間查詢與空間分析

1、地理信息系統(tǒng)原理,鄔國鋒 武漢大學資源與環(huán)境科學學院 ,第六講 空間查詢與空間分析,空間查詢 疊置分析 緩沖區(qū)分析 網(wǎng)絡分析,空間查詢,空間查詢是GIS的最基本最常用的功能 能夠根據(jù)圖形查詢到屬性和根據(jù)屬性條件查詢到相應的圖形 根據(jù)空間關系的查詢,空間查詢,幾何參數(shù)查詢 一般的GIS軟件都提供了查詢空間對象幾何參數(shù)的功能。包括點的位置坐標，兩點間的距離，一個或一段線目標的長度，一個面狀目標的周長或面積等,空間查詢,空間定位查詢 空間定位查詢是指給定一個點或一個幾何圖形，檢索出該圖形范圍內(nèi)的空間對象以及相應的屬性,空間查詢,空間定位查詢 按點查詢：給定一個鼠標點位，檢索出離它最近的空間對象，并顯

2、示它的屬性，回答它是什么，它的屬性是什么,空間查詢,空間定位查詢 按矩形查詢：給定一個矩形窗口，查詢出該窗口內(nèi)某一類地物的所有對象。如果需要，顯示出每個對象的屬性表。在這種查詢中往往需要考慮檢索是包含在該窗口內(nèi)的地物，還是只要該窗口涉及到的地物無論是被包含的還是穿過的都被檢索出來。這種檢索過程異常復雜，它首先需要根據(jù)空間索引，檢索到哪些空間對象可能位于該窗口內(nèi)，然后根據(jù)點在矩形內(nèi)、線在矩形內(nèi)、多邊形位于矩形內(nèi)的判別計算，檢索出所有落入檢索窗口內(nèi)的目標,空間查詢,空間定位查詢 按圓查詢：給定一個圓或橢圓，檢索出該個圓或橢圓范圍內(nèi)的某個類或某一層的空間對象，其實現(xiàn)方法與按矩形查詢類似,空間查詢,空

3、間定位查詢 按多邊形查詢：用鼠標給定一個多邊形，或者在圖上選定一個多邊形對象，檢索出位于該多邊形內(nèi)的某一類或某一層的空間地物，這一操作其工作原理與按矩形查詢相似，但是它比前者要復雜得多，它涉及到點在多邊形內(nèi)、線在多邊形內(nèi)，多邊形在多邊形內(nèi)的判別計算，這一操作也非常有用，用戶需要經(jīng)常查詢某一面狀地物，特別是行政區(qū)所涉及的某類地物，例如查詢通過湖北省的主要公路,空間查詢,空間關系查詢 空間關系查詢包括空間拓撲關系查詢和緩沖區(qū)查詢。空間關系查詢有些是通過拓撲數(shù)據(jù)結構直接查詢得到，有些是通過空間運算，特別是空間位置的關系運算得到,空間查詢,空間關系查詢 鄰接查詢 多邊形鄰接查詢：如查詢與面狀地物A相鄰

4、的所有多邊形 第一步：從多邊形與弧段關聯(lián)的表中，檢索出該多邊形關聯(lián)的所有弧段； 第二步：從弧段關聯(lián)的左右多邊形的表中，檢索出這些弧段所關聯(lián)的多邊形，即為與A相鄰的多邊形,空間查詢,空間關系查詢 鄰接查詢 線與線的鄰接查詢例如查詢所有與主河流A關聯(lián)的支流 第一步：從線狀地物表中查找出組成線狀地物A的所有弧段及關聯(lián)的結點； 第二步：從結點表中查找出與這些結點相關聯(lián)的弧段（線狀目標）即為與A關聯(lián)的支流,空間查詢,空間關系查詢 包含關系查詢 查詢某一個面狀地物所包含的某一類的空間對象。被包含的空間對象可能是點狀地物、線狀地物或面狀地物 它實際上與前面所述的按多邊形的定位查詢相似,空間查詢,空間關系查詢

5、 穿越查詢 往往需要查詢某一條公路或一條河流穿越了哪些縣、哪些鄉(xiāng)，完成這一操作，即可使用穿越查詢 穿越查詢一般采用空間運算方法執(zhí)行。根據(jù)一個線狀目標的空間坐標，計算出哪些面狀地物或線狀地物與它相交,空間查詢,空間關系查詢 落入查詢 有時我們需要了解一個空間對象它落在哪個空間對象之內(nèi)。例如，查詢一個一等測量鋼標落在哪個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地域內(nèi)，以便找到相應行政機關給予保護 執(zhí)行這一操作采用空間運算即可，即使用點在多邊形內(nèi)，線在多邊形內(nèi)，或面在多邊形內(nèi)的判別方法,空間查詢,空間關系查詢 緩沖區(qū)查詢 緩沖區(qū)查詢與后面所述的緩沖區(qū)分析有一點差別，緩沖區(qū)查詢不對原有圖形進行切割，只是根據(jù)用戶需要給定一個點緩沖，線緩

6、沖或面緩沖的距離，從而形成一個緩沖區(qū)的多邊形，再根據(jù)前面所述的多邊形檢索的原理，檢索出該緩沖區(qū)多邊形內(nèi)的空間地物,空間查詢,屬性查詢 查找： 是最簡單的由屬性查詢圖形的操作，它不需要構造復雜的SQL命令，僅要選擇一個屬性表，給定一個屬性值。找出對應的屬性記錄和空間圖形。這一步操作是先執(zhí)行數(shù)據(jù)庫查詢語言，找到滿足條件的數(shù)據(jù)庫記錄，得到它的目標標識，再通過目標標識在圖形數(shù)據(jù)文件中找到對應的空間對象,空間查詢,屬性查詢 SQL查詢 GIS軟件通常支持標準的SQL查詢語言。標準SQL查詢語言是 Select 需顯示的屬性項 From 屬性表 Where 條件 or 條件 and 條件,空間查詢,屬性查

7、詢 SQL查詢,空間查詢,屬性查詢 擴展的SQL查詢 將SQL查詢和空間關系查詢結合起來是GIS研究學者研究的一個重要課題 Adjacent”，包含“Contain”，穿過“Cross”和在之內(nèi)“Inside”，緩沖區(qū)“Buffer”等 Select * From 縣或市 Where 縣或市人口50萬 And Cross（河流名稱=“長江”）,空間查詢,屬性查詢 擴展的SQL查詢 將SQL查詢和空間關系查詢結合起來是GIS研究學者研究的一個重要課題 Adjacent”，包含“Contain”，穿過“Cross”和在之內(nèi)“Inside”，緩沖區(qū)“Buffer”等 Select * From 縣或

8、市 Where 縣或市人口50萬 And Cross（河流名稱=“長江”）,疊置分析,疊置分析是GIS中的一項非常重要的空間分析功能 了解一個鄉(xiāng)的森林覆蓋面積，一個縣的公路里程，一個地區(qū)的河流密度。得到這些結果，不能僅靠前面所述的空間查詢，而需要將空間目標進行切割，必要時要重建拓撲關系，以致確切地統(tǒng)計出鄉(xiāng)的森林覆蓋面積，縣的公路里程，地區(qū)的河流密度等屬性值。,疊置分析,空間疊置至少涉及到兩個圖層，其中至少有一個圖層是多邊形圖層稱基本圖層，另一圖層可能是點、線或多邊形 空間疊置分析往往涉及到邏輯交、邏輯并、邏輯差的運算,疊置分析,基于柵格的疊置分析,厚度50cm的土壤,小麥地,疊置分析,基于柵格

9、的疊置分析,厚度50cm的土壤,小麥地,疊置分析,基于矢量的疊置分析 過去由于計算機運算速度慢和算法的原因，一般認為矢量疊置分析效率低，因而過去許多系統(tǒng)采用柵格的疊置分析算法。但是現(xiàn)在隨著計算機的發(fā)展和算法的改進，矢量疊置分析的效率大為提高 矢量疊置分析涉及到點與多邊形的疊置、線與多邊形的疊置、多邊形與多邊形的疊置,疊置分析,基于矢量的疊置分析 點與多邊形的疊置 將一個含有點的圖層疊加上另一個含有多邊形的圖層上，以確定每個點落在哪個多邊形內(nèi),疊置分析,基于矢量的疊置分析 點與多邊形的疊置 將一個含有點的圖層疊加上另一個含有多邊形的圖層上，以確定每個點落在哪個多邊形內(nèi),疊置分析,基于矢量的疊置分

10、析 點與多邊形的疊置 點與多邊形的疊置是通過點在多邊形內(nèi)的判別完成的，它通常是得到一張新的屬性表，該屬性表除了原有的屬性以外，還含有落在那個多邊形的目標標識。如果必要還可以在多邊形的屬性表中提取一些附加屬性，例如將油井與行政區(qū)劃疊置可以得到除油井本身的屬性如井位、井深、出油量等，還可以得到行政區(qū)劃的目標標識，行政區(qū)名稱,疊置分析,基于矢量的疊置分析 線與多邊形的疊置 線與多邊形的疊置分析與上面類似，亦是將線的圖層疊置在多邊形的圖層上，以確定一條線落在哪一個多邊形內(nèi) 往往一個線目標跨越多個多邊形，這時需要先進行線與多邊形邊界的求交，并將線目標進行切割，形成一個新的空間目標的結果集,疊置分析,基于

11、矢量的疊置分析 多邊形與多邊形的疊置 多邊形與多邊形的疊置比前面兩種疊置要復雜得多 它需要將兩層多邊形的邊界全部進行邊界求交的運算和切割。然后根據(jù)切割的弧段重建拓撲關系，最后判斷新疊置的多邊形分別落在原始多邊形層的哪個多邊形內(nèi)，建立起疊置多邊形與原多邊形的關系，如果必要再抽取屬性,疊置分析,基于矢量的疊置分析 多邊形與多邊形的疊置,疊置分析,基于矢量的疊置分析 多邊形與多邊形的疊置 多邊形與多邊形的疊置也與線與多邊形疊置類似，產(chǎn)生一個疊置多邊形的圖層，該圖層的多邊形重新編號，并建立每個疊置多邊形與本底多邊形和上復多邊形的聯(lián)系表,疊置分析,基于矢量的疊置分析 并,疊置分析,基于矢量的疊置分析 交

12、,疊置分析,基于矢量的疊置分析 差,緩沖區(qū)分析,它是對一組或一類地物按緩沖的距離條件，建立緩沖區(qū)多邊形圖，然后將這一個圖層與需要進行緩沖區(qū)分析的圖層進行疊置分析，得到所需要的結果 緩沖區(qū)查詢是不破壞原有空間目標的關系，只是檢索得到該緩沖區(qū)范圍內(nèi)涉及到的空間目標 實際上緩沖區(qū)分析涉及兩步操作，第一步是建立緩沖區(qū)圖層，第二步是進行疊置分析,緩沖區(qū)分析,點緩沖區(qū) 選擇一組點狀地物，或一類點狀地物或一層點狀地物，根據(jù)給定的緩沖區(qū)距離，形成緩沖區(qū)多邊形圖層,緩沖區(qū)分析,線緩沖區(qū) 選擇一類或一層的線狀空間地物，按給定的緩沖距離，形成線緩沖區(qū)多邊形,緩沖區(qū)分析,面緩沖區(qū) 選擇一類或一層面狀地物，按給定的緩沖

13、區(qū)距離，形成緩沖區(qū)多邊形 面緩沖區(qū)有外緩沖區(qū)和內(nèi)緩沖區(qū)之分，外緩沖區(qū)僅在面狀地物的外圍形成緩沖區(qū)，內(nèi)緩沖區(qū)則在面狀地物的內(nèi)側形成緩沖區(qū)。當然也可以在面狀地物的邊界兩側均形成緩沖區(qū),緩沖區(qū)分析,緩沖區(qū)的建立 從原理上說，緩沖區(qū)的建立相當簡單，建立點緩沖區(qū)僅是以點狀地物為圓心，以緩沖區(qū)距離為半徑繪圓即可，線狀地物和面狀地物的緩沖區(qū)的建立也是以線狀地物或面狀地物的邊線為參考線，作它們的平行線，再考慮端點圓弧，即可建立緩沖區(qū) 按照常規(guī)算法建立的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)之間往往出現(xiàn)重疊，緩沖區(qū)可能彼此相交。消除這種彼此相交的現(xiàn)象一是可以在作參考線的平行線時，考慮各種情況，自動切斷彼此相交的弧段（程朋根，龔健雅，1

14、997，王橋，毋河海，1998）。另一種方法是通過疊置的緩沖區(qū)多邊形進行合并，并清除緩沖區(qū)內(nèi)的相交弧段,緩沖區(qū)分析,緩沖區(qū)的建立,緩沖區(qū)分析,緩沖區(qū)的建立 在建立緩沖區(qū)時，有時需要根據(jù)空間地物的特性不同，建立不同距離的緩沖區(qū)。例如，沿河流給出的環(huán)境敏感區(qū)的寬度應根據(jù)河流的類型而定。不同的工廠、飛機場和其它設施所產(chǎn)生的噪音污染，其影響的范圍和在噪音源處的噪音級別并不一致；或者你可能只是想對選出的某些地物建立緩沖區(qū)，而不是對所有空間地物都建立緩沖區(qū)。這時可以擴展屬性表，給定一項緩沖區(qū)距離的內(nèi)容,網(wǎng)絡分析,近年來，在繼較早引入GIS的土地管理、城市規(guī)劃等部門之后，城市交通規(guī)劃與管理、地下管網(wǎng)（如給排

15、水、煤氣）的管理和維護，以及電力、通訊、有線電視等部門也相繼應用GIS技術進行相應的系統(tǒng)管理與維護 共同點就是其基礎研究數(shù)據(jù)是由點和線組成的網(wǎng)狀數(shù)據(jù) 要全面地描述這些網(wǎng)狀事物以及其間的相互關系和內(nèi)在聯(lián)系就必須利用基于此類數(shù)據(jù)所進行的一類空間分析網(wǎng)絡分析,網(wǎng)絡分析,在數(shù)學領域內(nèi)，網(wǎng)絡分析的基礎是圖論和運籌學，它通過研究網(wǎng)絡的狀態(tài)以及模擬和分析資源在網(wǎng)絡上的流動和分配情況，對網(wǎng)絡結構及其資源等的優(yōu)化問題進行研究 一般來說，它包括最佳路徑、資源分配、結點或弧段的游歷（旅行推銷員問題、中國郵遞員問題）以及最小連通樹、最大（?。┝鞯葐栴}。 在GIS中，網(wǎng)絡分析則是依據(jù)網(wǎng)絡拓撲關系（線性實體之間、線性實體

16、與結點之間、結點與結點之間的連接、連通關系），通過考察網(wǎng)絡元素的空間及屬性數(shù)據(jù)，以數(shù)學理論模型為基礎，對網(wǎng)絡的性能特征進行多方面的一種分析計算,網(wǎng)絡分析,路徑分析 路徑分析是GIS中最基本的功能，其核心是對最佳路徑的求解 從網(wǎng)絡模型的角度看，最佳路徑的求解就是在指定網(wǎng)絡的兩結點間找一條阻抗強度最小的路徑。其求解方法有幾十種，而Dijkstra算法被GIS廣泛采用 另一種路徑分析功能是最佳游歷方案的求解 弧段最佳游歷方案求解是給定一個邊的集合和一個結點，使之由指定結點出發(fā)至少經(jīng)過每條邊一次而回到起始結點，圖論中稱為中國郵遞員問題 結點最佳游歷方案求解則是給定一個起始結點、一個終止結點和若干中間結點，求解最佳路徑，使之由起點出發(fā)遍歷（不重復）全部中間結點而到達終點，也稱旅行推銷員問題,網(wǎng)絡分析,資源分配 連通分析 流分析,網(wǎng)絡分析,資源分配 資源分配也稱定位與分配問題，其中的定位問題是指已知需求源的分布，確定在哪里布設供應點最合適的問題；而分配問題則是確定這