第五章 空間分析(DEM).ppt

1、地理信息系統(tǒng)與空間分析,1,第五章 GIS空間分析原理與方法1,Geographic Information System and Spatial Analysis,數(shù)字地面模型分析,地理信息系統(tǒng)與空間分析,2,空間分析是GIS學(xué)科的重要組成部分，也是評(píng)價(jià)一個(gè)GIS功能的重要指標(biāo)。 運(yùn)用空間分析模型，對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和操作，從而得到新的空間和屬性數(shù)據(jù)，以幫助解決現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)際問題。,空間分析,地理信息系統(tǒng)與空間分析,3,1）相關(guān)分析模型： 用來分析研究各種地理要素?cái)?shù)據(jù)之間相互關(guān)系的一種有效手段。 2) 趨勢(shì)面分析模型： 用來將現(xiàn)象的空間分布特征及其區(qū)域變化趨勢(shì)模擬出來。 3) 預(yù)

2、測(cè)模型： 反映地理要素的動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律，并用于預(yù)測(cè)分析。-常用回歸模型。 4）聚類模型： 描述各種地理要素?cái)?shù)據(jù)之間的近似程度，相似的可合并。,GIS中常用空間分析模型,地理信息系統(tǒng)與空間分析,4,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(duì)象的空間位置、空間分布、空間形態(tài)和空間關(guān)系等信息,定 義,地理信息系統(tǒng)與空間分析,5,GIS空間分析的主要目的,定義： 是應(yīng)用空間分析的各種手段對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理變換，以提取隱含于空間數(shù)據(jù)中的某些事實(shí)和關(guān)系，并以圖形和文字的形式直觀地加以表示，為現(xiàn)實(shí)世界中的各種應(yīng)用提供科學(xué)、合理的支持。,-空間決策支持,如：道

3、路拓寬改建過程中的拆遷指標(biāo)計(jì)算 輔助建筑項(xiàng)目選址 土地適宜性評(píng)價(jià)等。,地理信息系統(tǒng)與空間分析,6,空間分析步驟,1、確定分析目的和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 2. 收集、輸入空間和屬性數(shù)據(jù) 3. 作空間數(shù)據(jù)的處理和分析,例：建一公園進(jìn)行選址（目的）標(biāo)準(zhǔn)： 交通便利、環(huán)境優(yōu)雅 設(shè)計(jì)成環(huán)繞一個(gè)天然小河 可利用面積大、少沼澤地 包括地理底圖數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)、土壤和河流水系數(shù)據(jù)等。 空間數(shù)據(jù)的處理和分析（包括檢索、提取，緩沖區(qū)分析、 疊置分析等）；屬性數(shù)據(jù)的處理和分析（加所需的屬性項(xiàng)）,地理信息系統(tǒng)與空間分析,7,4. 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 6. 以專題地圖，文字報(bào)表形式作為正式結(jié) 果

4、，供決策用,解釋和評(píng)價(jià)結(jié)果，若不滿意，返回1、2、3任一處重做,地理信息系統(tǒng)與空間分析,8,空間分析分類,按分析方法看可將空間分析分為兩類： GIS系統(tǒng)提供的空間分析 專用空間模型分析,地理信息系統(tǒng)與空間分析,9,空間分析分類,根據(jù)Goodchild提出的空間分析框架，按用戶交互方式看可將空間分析分為兩類： 產(chǎn)生式分析(product mode) 數(shù)字地面模型分析、疊加分析、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)分析、空間統(tǒng)計(jì)分析 咨詢式分析(query mode) 空間集合分析、空間數(shù)據(jù)查詢,地理信息系統(tǒng)與空間分析,10,空間分析分類,按空間數(shù)據(jù)特征看可將空間分析分為兩類： 空間數(shù)據(jù)的空間特性分析 空間數(shù)據(jù)的非空

5、間特性分析,地理信息系統(tǒng)與空間分析,11,GIS空間分析之一數(shù)字地面模型分析,第一節(jié) 基本概念 第二節(jié) 表示方法 第三節(jié) 表達(dá)模型 第四節(jié) 數(shù)據(jù)來源 第五節(jié) 具體應(yīng)用,地理信息系統(tǒng)與空間分析,12,第一節(jié) 基本概念,概念 數(shù)字地面模型（Digital Terrain Model，DTM）：描述地面特性的空間分布的有序數(shù)值陣列。是地表形態(tài)屬性信息（如高程、坡度、坡向）的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。 數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）：地面特性為高程的DTM。即數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時(shí)稱為數(shù)字高程模型?？梢耘缮龀善渌愋偷腄TM

6、。 地面特性 高程、地表溫度、降雨、地價(jià)、土地權(quán)屬、土壤類型、土地利用類型、巖層深度、地貌特征等,地理信息系統(tǒng)與空間分析,13,數(shù)字高程模型,地理信息系統(tǒng)與空間分析,14,第二節(jié) DEM的表示方法,一個(gè)地區(qū)的地表高程的變化可以采用多種方法表達(dá)，用數(shù)學(xué)定義的表面或點(diǎn)、線、影像都可用來表示DEM，如圖所示。,地理信息系統(tǒng)與空間分析,15,第三節(jié) DEM的主要表示模型,函數(shù)生成模式 線模式 規(guī)則格網(wǎng)模式 三角網(wǎng)模式,不同模型表達(dá)的DEM,地理信息系統(tǒng)與空間分析,16,函數(shù)生成,地理信息系統(tǒng)與空間分析,17,線模式,所謂線模式，就是用等高線來描述地面高程的變化，其存儲(chǔ)格式通常為DGL(Digital

7、Line Graphis)，也就是人們常用的數(shù)字線劃圖方式。每條線由一組高程值相同的點(diǎn)組成。,地理信息系統(tǒng)與空間分析,18,等高線模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一條等高線對(duì)應(yīng)一個(gè)已知的高程值，這樣一系列等高線集合和它們的高程值一起就構(gòu)成了一種地面高程模型。,線模式,地理信息系統(tǒng)與空間分析,19,規(guī)則格網(wǎng)可以是規(guī)則分布的三角網(wǎng)、正方形網(wǎng)或是矩形網(wǎng)。每個(gè)網(wǎng)格由三或四個(gè)相鄰的格網(wǎng)點(diǎn)所限定。網(wǎng)格的大小取決與復(fù)雜地段的地形起伏情況。 每個(gè)網(wǎng)格可視為一個(gè)獨(dú)立單元，或是柵格數(shù)據(jù)中的一個(gè)像素。此時(shí)，DEM就可以用一個(gè)二維數(shù)組表示。,規(guī)則格網(wǎng)模式,地理信息系統(tǒng)與空間分析,20,規(guī)則網(wǎng)格中的數(shù)值意義？ 規(guī)

8、則網(wǎng)格模型的特點(diǎn)及缺點(diǎn)？,地理信息系統(tǒng)與空間分析,21,規(guī)則網(wǎng)格中的數(shù)值意義,第一種是格網(wǎng)柵格觀點(diǎn)，認(rèn)為該格網(wǎng)單元的數(shù)值是其中所有點(diǎn)的高程值，即格網(wǎng)單元對(duì)應(yīng)的地面面積內(nèi)高程是均 一的高度，這種數(shù)字高程模型是一個(gè)不連續(xù)的函數(shù)。 第二種是點(diǎn)柵格觀點(diǎn)，認(rèn)為該網(wǎng)格單元的數(shù)值是網(wǎng)格中心點(diǎn)的高程或網(wǎng)格單元的平均高程值。,地理信息系統(tǒng)與空間分析,22,格網(wǎng) DEM的優(yōu)點(diǎn): 規(guī)則格網(wǎng)的高程矩陣，可以很容易地用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。它還可以很容易地計(jì)算等高線、 坡度坡向、山坡陰影和自動(dòng)提取流域地形，使得它成為DEM最廣泛使用的格式，目前許多國(guó)家提供的DEM數(shù)據(jù)都是以規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)矩陣形式提供的。 格網(wǎng) DEM的缺點(diǎn):

9、1、不能準(zhǔn)確表示地形的結(jié)構(gòu)和細(xì)部 為避免這些問題，可采用附加地形特征數(shù)據(jù)，如地形特征點(diǎn)、山脊線、谷底線、斷裂線，以描述地形結(jié)構(gòu)。2、數(shù)據(jù)量過大，給數(shù)據(jù)管理帶來了不方便 通常要進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)。,規(guī)則網(wǎng)格模型的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn),地理信息系統(tǒng)與空間分析,23,Golden Surfer軟件系統(tǒng)生成的GRD文件就是此類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的典型代表。,規(guī)則格網(wǎng)模式的生成,地理信息系統(tǒng)與空間分析,24,三角網(wǎng)模式將地球表面劃分成若干大小不一的三角形微平面。該三角形的頂點(diǎn)即為參照點(diǎn)。DEM的生成就是借助這些參照點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過插值來實(shí)現(xiàn)的。,三角網(wǎng)模式,對(duì)地表形貌的采樣（也就是上述微三角形的參照點(diǎn)數(shù)據(jù)的來源）應(yīng)包括反映地表形貌變

10、化的各類點(diǎn)、線組成，包括溝谷、山峰、水系的分水嶺等等。從而構(gòu)成三角網(wǎng)的骨架。,地理信息系統(tǒng)與空間分析,25,三角網(wǎng)模式,c:esriesridataworldcities.shp,模擬不連續(xù)面,地理信息系統(tǒng)與空間分析,26,三角網(wǎng)模式,模擬連續(xù)面,地理信息系統(tǒng)與空間分析,27,三角網(wǎng)的大小、密度應(yīng)與所研究地表形貌的復(fù)雜程度相一致：平原區(qū)的地形起伏小，參照點(diǎn)的密度可適當(dāng)減少；而在山區(qū)、或河流流經(jīng)的地方則應(yīng)適當(dāng)增大加采樣點(diǎn)的密度。,三角網(wǎng)模式,地理信息系統(tǒng)與空間分析,28,不規(guī)則三角網(wǎng)是隨地形起伏變化的復(fù)雜性而改變采樣點(diǎn)的密度和決定采樣點(diǎn)的位置，因而它能夠避免地形平坦時(shí)的數(shù)據(jù)冗余，又能按地形特征點(diǎn)

11、如山脊、山谷線、地形變化線等表示數(shù)字高程特征。因此，TIN 既減少了規(guī)則格網(wǎng)方法帶來的數(shù)據(jù)冗余，其計(jì)算（如坡度）效率又優(yōu)于純粹基于等高線的方法。,三角網(wǎng)組成，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的觀測(cè)點(diǎn)或稱結(jié)點(diǎn)的密度和位置。,地理信息系統(tǒng)與空間分析,29,TIN的生成方法 首先取其中任意一點(diǎn)P1，在其余各點(diǎn)中搜尋與此點(diǎn)最近的點(diǎn)P2，連接P1與P2構(gòu)成第一條邊 然后在其余所有點(diǎn)中尋找與這條邊最近的點(diǎn)，找到后即可構(gòu)成第一個(gè)多邊形 以三角形新生成的兩邊為底邊分別尋找它們最近的點(diǎn)構(gòu)成第二個(gè)、第三個(gè)三角形 依此類推，直到把所有的點(diǎn)都連入三角網(wǎng)中,TIN是DEM數(shù)據(jù)的一種重要的表示方法。 TIN的概念及生成

12、方法 狄洛尼三角網(wǎng)在地形似合方面運(yùn)用較普遍，常被用于TIN的生成。,三角網(wǎng)的構(gòu)建要求： 1、保證由最近鄰的點(diǎn)構(gòu)成，即三角形的邊長(zhǎng)之和最?。?2、盡量為銳角三角形； 3、每個(gè)三角形要求盡量接近等邊形狀。,地理信息系統(tǒng)與空間分析,30,TIN的生成,地理信息系統(tǒng)與空間分析,31,第四節(jié) DEM的數(shù)據(jù)來源,無論采用哪一種模式，選取哪一種插值方法，用于生成DEM的原數(shù)據(jù)的質(zhì)量都將對(duì)DEM的好壞起著決定性的作用。 目前常用的原數(shù)據(jù)獲取方法有以下幾種：,地理信息系統(tǒng)與空間分析,32,地面測(cè)量,利用自動(dòng)記錄的測(cè)距經(jīng)緯儀（常用電子速測(cè)經(jīng)緯儀或全站經(jīng)緯儀）在野外實(shí)測(cè)。 此法一般適用于大比例尺的地形制圖，如污染源

13、的調(diào)查、水庫(kù)的規(guī)劃或是地下水的調(diào)查等。 研究對(duì)象的實(shí)際高程數(shù)據(jù)，如河床的淤積厚度、地下水位的變化等均須在實(shí)地進(jìn)行觀測(cè)，才能獲取可靠數(shù)據(jù)。,地理信息系統(tǒng)與空間分析,33,航空攝影,航空攝影用于采集地面參照點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，完全是基于航空攝影的基本原理、中心投影和正射投影間的幾何關(guān)系以及立體視差與地面物體高度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。,地理信息系統(tǒng)與空間分析,34,Hp = H - Bf/(Pl+ Pr),地理信息系統(tǒng)與空間分析,35,法國(guó)的SPOT衛(wèi)星成像系統(tǒng)就可以為用戶提高立體像對(duì)。其成像原理與攝影成像大同小異，所不同的是，衛(wèi)星的成像平臺(tái)更高，一次成像所覆蓋的地表面積更大，特別值得注意的是，它所覆蓋的是一個(gè)曲

14、面。,航天遙感成像,地理信息系統(tǒng)與空間分析,36,立體像對(duì)法 通過遙感立體像對(duì)，根據(jù)視差模型，自動(dòng)選配左右影像的同名點(diǎn)，建立數(shù)字高程模型。,地理信息系統(tǒng)與空間分析,37,基于地形圖的DEM,最常用的DEM原數(shù)據(jù)為地形圖。利用數(shù)字化儀對(duì)已有地圖上的信息（如等高線）進(jìn)行數(shù)字化的方法，目前常用的數(shù)字化儀有手扶跟蹤數(shù)字化儀和掃描數(shù)字化儀。,地理信息系統(tǒng)與空間分析,38,DEM的實(shí)際應(yīng)用，主要是指在解決具體的實(shí)際問題中的應(yīng)用，比如在水文、地質(zhì)研究和土木工程中等的應(yīng)用。,第五節(jié) DEM的實(shí)際應(yīng)用,地理信息系統(tǒng)與空間分析,39,地理信息系統(tǒng)與空間分析,40, 基于DEM的信息提取 1）坡度，定義為地表單元

15、的法向與Z軸的夾角， 即切平面與水平面的夾角 2）坡向，坡向是地表單元的 法向量在水平面上的 投影與X軸之間的夾角 3）地表粗造度(破碎度), 定義為地表單元的曲面 面積與其水平面上的投 影面積之比。,S = (L1+L2+L3)/2,地理信息系統(tǒng)與空間分析,41, 基于DEM的信息提取 Grid DEM上制作 坡度、坡向圖,地理信息系統(tǒng)與空間分析,42, 基于DEM的信息提取 4）高程變異分析 包括平均高程、相對(duì)高程、高程標(biāo)準(zhǔn)差，高程變異。 高程變異為格網(wǎng)頂點(diǎn)的高程標(biāo)準(zhǔn)差與平均高程的比值。 5）地貌形態(tài)的自動(dòng)分類,地理信息系統(tǒng)與空間分析,43,等高線的繪制 在格網(wǎng)DEM上自動(dòng)繪制等高線 主要

16、包括兩個(gè)步驟： A 等高線追蹤： 利用DEM矩形格網(wǎng)點(diǎn)的高程內(nèi) 插出格網(wǎng)邊上的等高線點(diǎn)，并 將這些等高線點(diǎn)排序 B 等高線光滑： 進(jìn)一步加密等高線點(diǎn)并 繪制光滑曲線。,地理信息系統(tǒng)與空間分析,44,基于DEM的可視化分析 1）剖面分析 A 意義：以線代面，研究區(qū)域的地貌形態(tài)、輪廓形狀、地勢(shì)變化、 地質(zhì)構(gòu)造、斜坡特征、地表切割強(qiáng)度等。 如果在地形剖面上疊加其它地理變量，可以提供 土地利用規(guī)劃、工程選線和選址等的決策依據(jù)。 B 繪制 可在格網(wǎng)DEM或三角網(wǎng)DEM上繪制,地理信息系統(tǒng)與空間分析,45,基于DEM的可視化分析 2）通視分析是指以某一點(diǎn)為觀察點(diǎn)，研究某一區(qū)域通視情況的地形分析。 A 方法

17、： 以A為觀察點(diǎn)，對(duì)格網(wǎng)DEM或三角網(wǎng)DEM上的另一點(diǎn)A，判斷通視與否 以觀察點(diǎn)O為軸，以一定的方位角間隔算出0360的所有方位線 上的通視情況。,地理信息系統(tǒng)與空間分析,46,基于DEM的可視化分析 2）通視分析是指以某一點(diǎn)為觀察點(diǎn)，研究某一區(qū)域通視情況的地形分析。 用于設(shè)置雷達(dá)站、電視臺(tái)的發(fā)射站、道路選擇、航海導(dǎo)航等，軍事上如布設(shè)陣地、設(shè)置觀察哨、鋪架通信線路等。 B 關(guān)鍵算法： 判斷格網(wǎng)或三角網(wǎng)上的某一點(diǎn)是否通視,傾角法 觀察點(diǎn)與各交點(diǎn)的傾角為i (iA,B,C) 若tgmax(tgi , iA、B、C)，則OP通視否則，不通視。,地理信息系統(tǒng)與空間分析,47,基于DEM的可視化分析 2）通視分析是指以某一點(diǎn)為觀察點(diǎn)，研究某一區(qū)域通視情況的地形分析。 C 通視分析示例,地理信息系統(tǒng)與空間分析,48,、 基于DEM的可視化分析 3）地形三維圖繪制,地理信息系統(tǒng)與空間分析,49,地理信息系統(tǒng)與空間分析,50,地理信息系統(tǒng)與空間分析,51,基于DEM的可視化分析 4）地貌暈渲圖繪制 即陰影立體法，可增加丘陵和山區(qū)地區(qū)描述高差起伏的視覺效果。,地理信息系統(tǒng)