第6章空间数据查询与分析.

地理信息系统原理王增武Tel:13518208752Email:[e-mail]:[e-mail](1810989625)第一章地理信息系统概论第二章空间数据模型第三章空间数据结构第四章空间数据组织与管理第五章空间数据采集与处理第六章空间数据查询与分析第七章数字地形模型与地形分析第八章空间建模与空间决策支持第九章3S集成技术及应用章节目录对空间对象进行查询是地理信息系统最基本的功能之一。在地理信息系统中，为进行深层次分析，往往需要查询定位空间对象，并用一些简单的量测值对地理分布或现象进行描述，实际上，空间分析首先始于空间数据查询，它是空间分析的定量基础。第七章空间分析地理信息系统集成了多学科的最新技术，为空间分析提供了强大的工具，使得过去复杂困难的高级空间分析任务变得简单易行。目前绝大多数地理信息系统软件都有空间分析功能。空间分析早已成为地理信息系统的核心功能之一，它特有的对地理信息（特别是隐含信息）的提取、表现和传输功能，是地理信息系统区别于一般信息系统的主要功能特征。第七章空间分析空间分析是对分析空间数据有关技术的统称。根据作用的数据性质不同，可以分为：（1）基于空间图形数据的分析运算；（2）基于非空间属性的数据运算；（3）空间和非空间数据的联合运算。空间分析赖以进行的基础是地理空间数据库，其运用的手段包括各种几何的逻辑运算、数理统计分析，代数运算等数学手段，最终的目的是解决人们所涉及到地理空间的实际问题，提取和传输地理空间信息，特别是隐含信息，以辅助决策。第六章空间数据查询与分析第1节空间查询与量算第2节空间变换第3节再分类第4节缓冲区分析第5节叠加分析第6节网络分析第7节空间插值第8节空间统计分类分析1)空间数据查询类型和方式查询内容数据库连接与处理输出结果查询方式：图形属性、图形定位以及空间关系查询；查询内容：空间位置、空间分布、空间关系、属性特征、几何特征结果形式：高亮显示、列表输出、统计图表、数据集1、空间查询与量算2)空间度量的主要参数和基本原理，如使用长度、面积、体积、距离、方位、形状和质心等量测值对地理分布或现象进行描述。1、空间查询与量算查询的过程大致可分为三类：①直接复原数据库中的数据及所含信息，来回答人们提出的一些比较“简单”的问题；②通过一些逻辑运算完成一定约束条件下的查询；③根据数据库中现有的数据模型，进行有机的组合构造出复合模型，模拟现实世界的一些系统和现象的结构、功能，来回答一些“复杂”的问题，预测一些事务的发生、发展的动态趋势。1)空间数据查询空间数据查询的方式主要有两大类，即“属性查图形”和“图形查属性”。属性查图形，主要是用SQL语句来进行简单和复杂的条件查询。图形查属性，可以通过点、矩形、圆和多边形等图形来查询所选空间对象的属性，也可以查找空间对象的几何参数，如两点间的距离，线状地物的长度，面状地物的面积等1)空间数据查询摘自南京师大汤国安属性查询简单的属性查询：查找不需要构造复杂的SQL命令，只要选择一个属性值，就可以找到对应的空间图形SQL查询，包括标准的SQL查询语言、扩展的SQL查询1)空间数据查询图形查询利用光标，用点选、画线、矩形、圆或其他不规则工具选中感兴趣的地物，就可以得到查询对象的属性、空间位置、空间分布以及与其他空间对象的空间关系。点击查询矩形或圆查询多边形查询1)空间数据查询空间关系查询拓扑关系查询：邻接关系查询穿越查询落入查询缓冲区查询1)空间数据查询简单的面、线、点相互关系的查询包括：①面面查询，如与某个多边形相邻的多边形有哪些。②面线查询，如某个多边形的边界有哪些线。③面点查询，如某个多边形内有哪些点状地物。④线面查询，如某条线经过（穿过）的多边形有哪些，某条链的左、右多边形是哪些。⑤线线查询，如与某条河流相连的支流有哪些，某条道路跨过哪些河流。⑥线点查询，如某条道路上有哪些桥梁，某条输电线上有哪些变电站。⑦点面查询，如某个点落在哪个多边形内。⑧点线查询，如某个结点由哪些线相交而成。空间信息的自动化量算是地理信息系统所具有的重要功能，也是进行空间分析的定量化基础。其中的主要量算有：几何量算形状量算质心量算距离量算2)空间量算几何量算几何量算对不同的点、线、面地物有不同的含义：①点状地物（0维）：坐标；②线状地物（1维）：长度，曲率，方向；③面状地物（2维）：面积，周长，形状，曲率等；④体状地物（3维）：体积，表面积等。一般的GIS软件都具有对点、线、面状地物的几何量算功能，或者是针对矢量数据结构，或者是针对栅格数据结构的空间数据。线的长度计算线状地物对象最基本的形态参数之一是长度。在矢量数据结构下，线表示为点对坐标（X，Y）或（X，Y，Z）的序列，在不考虑比例尺情况下，线长度的计算公式为：对于复合线状地物对象，则需要在对诸分支曲线求长度后，再求其长度总和。在栅格数据结构里，线状地物的长度就是累加地物骨架线通过的格网数目，骨架线通常采用8方向连接，当连接方向为对角线方向时，还要乘上。10121212121niniiiiiiiilZZYYXXL222面状地物的面积面积是面状地物最基本的参数。在矢量结构下，面状地物以其轮廓边界弧段构成的多边形表示的。对于没有空洞的简单多边形，假设有N个顶点，其面积计算公式为：对于栅格结构，多边形面积计算就是统计具有相同属性值的格网数目。但对计算破碎多边形的面积有些特殊，可能需要计算某一个特定多边形的面积，必须进行再分类，将每个多边形进行分割赋给单独的属性值，之后再进行统计。NNNiiiiiyxyxyxyxS11211121形状量算地物外形是影像处理中模式识别的一个重要部分。例如海岸线的外形是岛屿的重要特征，森林中不同类型的土地外形对野生生物显得非常重要。目标物的外观是多变的，很难找到一个准确的量对其进行描述。基本考虑：空间一致性问题，即有孔多边形和破碎多边形的处理；多边形边界特征描述问题。空间一致性问题:度量空间一致性最常用的指标是欧拉函数，用来计算多边形的破碎程度和孔的数目。欧拉函数的结果是一个数，称为欧拉数。欧拉函数的计算公式为：欧拉数=（孔数）-（碎片数-1）多边形边界特征描述问题：形状量算圆U=1APU2U1膨胀型U1紧缩型质心量算质心是描述地理对象空间分布的一个重要指标。例如要得到一个全国的人口分布等值线图，而人口数据只能到县级，所以必须在每个县域里定义一个点作为质心，代表该县的数值，然后进行插值计算全国人口等值线。质心通常定义为一个多边形或面的几何中心，当多边形比较简单，比如矩形，计算很容易。但当多边形形状复杂时，计算也更加复杂。其中，Wi为第i个离散目标物权重，Xi，Yi为第i个离散目标物的坐标。iiiiiGWXWXiiiiiGWYWY距离量算“距离”是人们日常生活中经常涉及到的概念，它描述了两个事物或实体之间的远近程度。最常用的距离概念是欧氏距离，无论是矢量结构，还是栅格结构都很容易实现。以旅行时间为例：如果从某一点出发，到另一点的所耗费的时间只与两点之间的欧氏距离成正比，则从一固定点出发，旅行特定时间后所能达到的点必然组成一个等时圆。而现实生活中，旅行所耗费的时间不只与欧氏距离成正比，还与路况、运输工具性能等有关。考虑到阻力影响，计算的距离称为耗费距离。阻力越大耗费也越大。相应的通过耗费距离得到的距离表面称为阻力表面或耗费表面，其属性值代表一耗费或阻力大小。(各向同性表面）简单距离耗费距离高阻力低阻力欧氏距离通常用于计算两点的直线距离：计算非标准欧氏距离的一般公式为：当k=2时，就是欧氏距离计算公式。当k=1时，得到的距离称为曼哈顿距离。22jijiYYXXdkkjikjiYYXXd1欧氏距离、曼哈顿距离和非欧氏距离的计算(Xi,Yi)(Xj,Yj)22jijiYYXXdjijiYYXXd6.016.06.0jijiYYXXd欧式距离曼哈顿距离非欧式距离第六章空间数据查询与分析第1节空间查询与量算第2节空间变换第3节再分类第4节缓冲区分析第5节叠加分析第6节网络分析第7节空间插值第8节空间统计分类分析地理信息系统通常是按有一定意义的图层和相应的属性建立空间数据库的。为了满足特定空间分析的需要，需对原始图层及其属性进行一系列的逻辑或代数运算，以产生新的具有特殊意义的地理图层及其属性，这个过程称为空间变换。空间变换可以基于单个图层进行，也可以对多个图层。地理信息系统中空间数据可分为矢量和栅格两种数据结构。由于矢量结构中包含了大量的拓扑信息，数据组织复杂，使得空间变换十分繁琐。而栅格结构简单规则，空间变换比较容易。另外基于矢量结构的空间变换，对于单个图层意义不大。2、空间变换基于栅格结构的空间变换可分为三种方式：单点变换:只考虑单个点的属性值进行运算，假定独立单元的变换不依赖于其邻点上属性的影响，也不受区域内一般特征的影响。邻域变换:是指在计算新图层图元值时，不仅考虑原始图层上相应图元本身的值，而且还要考虑与该图元有邻域关联的其它图元值的影响。这种关联可以是直接的几何关联，也可能是间接的几何关联。区域变换:是指在计算新图层属性值时，要考虑整个区域的属性值，即通过一个函数对某一区域内的所有值进行综合，然后计算新属性值。2、空间变换1）局部工具集局部工具可以将输出栅格中各个像元位置上的值作为所有输入项在同一位置上的值的函数进行计算。通过局部工具，您可以合并输入栅格，计算输入栅格上的统计数据，还可以根据多个输入栅格上各个像元的值，为输出栅格上的每个像元设定一个评估标准。ArcGis地理处理工具像元统计根据多个栅格数据计算每个像元的统计数据。可用的统计数据有：众数、最大值、均值、中位数、最小值、少数、范围、标准差、总和及变异度。合并合并多个栅格，从而为输入值的各种唯一组合生成唯一输出值。等于频数基于单个像元计算一组栅格数据值等于另一个栅格数据值的次数。大于频数基于单个单元计算一组栅格数据值大于另一个栅格数据值的次数。最高位置逐个像元来确定一组栅格中具有最大值的栅格的位置。小于频数逐个像元来计算一组栅格小于另一个栅格的次数。最低位置基于单个像元确定一组栅格数据中具有最小值的栅格的位置。频数取值逐个像元地确定参数列表中具有特定频数级别的值。特定的频数级别（每个值的出现次数）由第一个参数指定。等级输入栅格集中的值将被逐个像元地进行等级排定，返回哪个等级将由等级输入栅格的值来确定。要计算多个栅格间的统计数据时，可计算像元统计数据。例如，使用工具对某段时间内的特定现象进行分析：例如，确定25年内的年均降雨量或最小年降雨量以分配农业援助资金，或计算各年间的温度变化以了解全球变暖的情况。下图显示了连续几十年内的城市土地利用类型（橙色阴影）。通过计算不同年份中像元土地利用类型的变异度，标识了变异度大于一的区域（洋红色阴影区域）。这可指示在该段时间内土地利用类型曾发生变化的区域，为高亮显示的城市扩张区域。年均作物产量下图根据10个输入栅格（每个栅格表示10年中1年的作物产量）计算出了1980年到1990年的年均作物产量。1）邻域分析工具邻域工具基于自身位置值以及指定邻域内标识的值为每个像元位置创建输出值。邻域可分为两类：移动或搜索半径。此工具在将栅格分辨率更改为较粗糙的像元大小时十分有用。ArcGis地理处理工具块统计将输入分割放入非重叠块中，然后计算每个块中值的统计数据。在输出中，将值分配给每个块中的所有像元。过滤器对栅格执行平滑（低通）滤波器或边缘增强（高通）滤波器。焦点流确定输入栅格中每个像元的直接邻域内值的流量。焦点统计为每个输入像元位置计算其周围指定邻域内的值的统计数据。线统计计算每个输出栅格周围圆形邻域中线属性的统计信息。点统计对每个输出像元周围的邻域中的点计算统计数据。计算邻域统计信息对于根据指定邻域获取每个像元的值十分有用。例如，检测生态系统稳定性时