地理信息系统概论_第五章

第五章GIS空间分析原理与方法学习目标·理解GIS中模型的概念、特点和作用·了解空间量算的各种方法及其应用·了解视觉信息复合分析的类型和用途·理解叠置分析的概念和类型，掌握多边形叠置分析的步骤和方法·理解缓冲区的概念和作用·了解空间信息分类和统计分析方法重点：矢量数据分析方法，栅格数据分析方法。第五章GIS空间分析原理与方法第一节空间分析模型第二节栅格数据分析的基本模式第三节矢量数据分析的基本方法第四节空间数据的其它分析方法第五节数字地面模型及应用空间分析是GIS系统的重要功能之一,是GIS系统与计算机辅助绘图系统的主要区别。空间分析的对象是一系列跟空间位置有关的数据，这些数据包括空间坐标和专业属性两部分。空间分析空间分析定义空间数据分析描述空间对象的非空间特性方法：概率、数理统计等数学方法特点：几何特征不是主要限制因子（例：聚类分析）数据处理与一般的数据统计分析基本一致分析结果依托于地理空间，描述的是空间过程，揭示空间规律和机制。数据空间分析描述空间对象的空间位置、关系，对空间对象进行定量描述方法：空间统计学、图论、拓扑学、计算几何等。特点：非严格意义的分析，是空间事物的描述和说明，特征提取和参数计算回答是什么、在那里、有多少和怎么样，并不回答为什么。定义：空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术。空间分析的主要内容空间位置：借助于空间坐标系传递空间对象的定位信息，是空间对象表述的研究基础。空间分布：同类空间对象的群体定位信息，包括分布、趋势、对比等内容。空间形态：空间对象的几何形态空间距离：空间物体的接近程度空间关系：空间对象的相关关系，包括拓扑、方位、相似、相关等。空间分析、GIS和空间模型空间分析和空间模型是不同层次上的概念空间分析是基本的，解决一般问题的理论和方法，空间模型是复杂的，解决专门问题的理论和方法。应用模型无可枚举，而空间分析技术是有限的。应用模型建立过程比较复杂，有些还不能用数学方法描述，空间分析技术为解决复杂的应用模型提供基本的分析工具。GIS是空间数据处理理论和方法的集成化实现。包含了大部分的空间分析技术，是GIS的技术特色。空间分析和空间模型是零件和机器的关系GIS空间分析模型地理信息系统不仅要完成管理大量复杂的地理数据的任务，更为重要的是要完成地理分析、评价、预测和辅助决策的任务，必须发展广泛的适用于地理信息系统的地理分析模型，这是地理信息系统走向实用的关键。模型：所谓模型，就是将系统的各个要素，通过适当的筛选，用一定的表现规则描写出来的简明的映象。通常表达了某个系统的发展过程或发展结果。地学模型：是用来描述地理系统各个要素之问相互关系和客观规律的，它用信息的、语言的、数学的或其它表达形式，通常反映地学过程及其发展趋势或结果。是在对系统所描述的具体对象与过程，进行大量专业研究的基础上，总结出来的客观规律的抽象或模拟。地学模型也称为专题分析模型。第一节空间分析模型空间分析模型的作用空间分析模型是联系GIS应用系统与常规专业研究的纽带空间分析模型是综合利用GIS应用系统中大量数据的工具空间分析模型是GIS应用系统解决各种实际问题的武器空间分析模型是GIS应用系统向更高技术水平发展的基础空间分析模型的分类（1）概念模型又称为逻辑模型，主要指通过观察、总结、提炼而得到的文字描述或逻辑表达式，常由此构成知识库。概念模型比较灵活，可以引入许多模糊概念，适用范围很广，易于为多数人接受，但难以进行精确定量分析；空间分析模型的分类（2）数学模型是应用数学的语言和工具，对部分现实世界的信息(现象、数据)加以翻译、归纳的产物。数学模型因果关系清楚，可以精确地反映系统内各要素之间的定量关系，易于用来对自然过程施加控制，但通常难以包括太多的要素，而常常是大大简化的理想情形，削弱了其实用性；空间分析模型的分类（3）统计模型包括经验模型，是通过数理统计方法和大量观察实验得到的定量模型，具有简单实用的优点。统计模型可以通过大量的实践建立，具有简单实用、适用性广、可以处理大量相关因素的特点，缺点是过程不清，一般是采用“黑箱”或“灰箱”方法建立的。空间分析模型建模的一般过程运用综合方法建立分析模型的具体步骤：（1）系统描述与数据分析（2）理论推导（3）简化表达（4）参数确定概念模型统计模型数学模型模型空间分析模型3×3窗口5×5窗口7×7窗口圆形窗口环形窗口扇形窗口按窗口统计分析分类：MeanMaximumMinimumMedianSumRangeMajorityMinorityVariety按窗口形状分类：矩形窗口圆型窗口环型窗口扇型窗口栅格数据的窗口分析第二节栅格数据分析的基本模式栅格数据的窗口分析栅格数据的聚类分析根据设定的聚类条件对原有数据系统进行有选择的信息提取而建立新的栅格数据系统的方法。在四种类型要素中提取其中要素2的聚类栅格数据的聚合分析根据空间分辨率和分类表，进行数据类型的合并或转换以实现空间地域的兼并。空间聚合的结果往往将较复杂的类别转换为较简单的类别，并且常以较小比例尺的图形输出。当从地点、地区到大区域的制图综合变换时常需要使用这种分析处理方法。1、2类合并为b，3、4类合并为a2、3类合并为c，1、4类合并为d栅格数据的信息复合分析信息复合模型(overlay)包括两类：即简单的视觉信息复合和较为复杂的叠加分类模型。常被用来进行区域适应性评价、资源开发利用、规划等多因素分析研究工作。在数字遥感图象处理工作中，利用该方法可以实现不同波段遥感信息的自动合成处理。视觉信息复合是将不同专题的内容叠加显示在结果图件上，参加复合的平面之间没发生任何逻辑关系，仍保留原来的数据结构；叠加分类模型则根据参加复合的数据平面各类别的空间关系重新划分空间区域，使每个空间区域内各空间点的属性组合一致。栅格数据的信息复合分析逻辑判断复合法ABCABCABCABCABCABCA.AND.B.AND.CA.NOT.(B.AND.C)A.AND.B.OR.CA.OR.B.OR.CA.XOR.B.XOR.CA.AND.(B.OR.C)栅格数据的信息复合分析数学运算复合法：算术运算、函数运算算术运算指两层以上的对应网格值经加、减运算，而得到新的栅格数据系统的方法。111111111111111111111111111111111222231111111111111111111113ABCD=A+B+CE=|A-B|F=D-E栅格数据的信息复合分析函数运算指两个以上层面的栅格数据系统以某种函数关系作为复合分析的依据进行逐网格运算，从而得到新的栅格数据系统的过程。应用面：地学综合分析、环境质量评价、遥感数字图像处理等领域土壤侵蚀多因子函数运算复合分析栅格数据的信息复合分析函数运算栅格数据的信息复合分析栅格数据的信息复合分析栅格数据的信息复合分析栅格数据的追踪分析对于特定的栅格数据系统，由某一个或多个起点，按照一定的追踪线索进行追踪目标或者追踪轨迹信息提取的空间分析方法。647102520191681215212534221511172432302721121425313932251472029323323211232026282520161342023231812994171817128323矢量数据的包含分析确定要素之间是否存在着直接的联系，即矢量点、线、面之间是否存在在空间位置上的联系，这是地理信息分析处理中常要提出的问题，也是在地理信息系统中实现图形—属性对位检索的前提条件与基本的分析方法。在包含分析的具体算法中，点与点、点与线的包含分析一般均可以分别通过先计算点到点，点到线之间的距离，然后，利用最小距离阈值判断包含的结果。点与面之间的包含分析，或称为Point-Polygon分析。第三节矢量数据分析的基本方法矢量数据的包含分析1234Pt矢量数据的包含分析矢量数据的缓冲区分析矢量数据的多边形叠置分析多边形叠置分析也称为Polygon-on-polygon叠置，它是指同一地区、同一比例尺的两组或两组以上的多边形要素的数据文件进行叠置。参加叠置分析的两个图层应都是矢量数据结构。若需进行多层叠置，也是两两叠置后再与第三层叠置，依次类推。其中被叠置的多边形为本底多边形，用来叠置的多边形为上覆多边形，叠置后产生具有多重属性的新多边形。矢量数据的多边形叠置分析矢量数据的多边形叠置分析合成叠置统计叠置矢量数据的网络分析网络分析的主要用途是：选择最佳路径；选择最佳布局中心的位置。网络分析的基本方法：•路径分析–静态求最佳路径–N条最佳路径分析–最短路径–动态最佳路径分析•资源分配矢量数据的网络分析网络中的基本组成部分和属性：链(Link)：网络中流动的管线，如街道，河流，水管等，其状态属性包括阻力和需求。障碍：禁止网络中链上流动的点。拐角点：出现在网络链中所有的分割结点上状态属性的阻力，如拐弯的时间和限制(如不允许左拐)。中心：是接受或分配资源的位置，如水库、商业中心、电站等。其状态属性包括资源容量，如总的资源量；阻力限额，如中心与链之间的最大距离或时间限制。站点：在路径选择中资源增减的站点，如库房、汽车站等，其状态属性有要被运输的资源需求，如产品数。空间数据的量算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：•质心量算•几何量算•形状量算第四节空间数据的其他分析方法质心量算定义：目标的平均位置或保持均匀的平衡点，一般为多边形的几何中心或重心。计算公式：iiy)/1(x)/1(NYNXGG质心量算或者：i为离散目标，w为权重，x，y为目标坐标应用跟踪某些地理分布的变化，如人口变迁、土地类型变化等。简化复杂目标的模型建立等iiiGiiiGwywYwxwX几何量算几何量算对点、线、面、体4类目标物而言，其含义不同的：•点状目标：坐标；•线状目标：长度、曲率、方向；•面状目标：面积、周长等；•体状目标：表面积、体积等。几何量算22)()(jijiijyyxxd6.0/16.06.0)()(jijiijyyxxdn维匀质空间广义距离公式qnlqijxljxliqd/11)()(j(xj,yj)i(xi,yi)ijij距离计算公式n维非匀质空间距离计算q=0.6,非欧氏距离jijiijyyxxd22)()(jijiijyyxxd几何量算线长度可由两点间直线距离相加得到。面积和周长的计算。在平面直角坐标系中，计算面积时，计算y值以下面积．按矢量方向，分别求出向右向左两个方向各自的面积，它们的绝对值之差，便是多边形面积值，周长则是线段之和。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。如果认为一个标准的圆目标既非紧凑型也非膨胀型，则可定义其形状系数为：其中，P为目标物周长，A为目标物面积。如果r＜1，目标物为紧凑型；r＝1，目标物为一标准圆；r＞1，目标物为膨胀型。APr2形状量算形状量算圆U=1APU2U1膨胀型U1紧缩型形状特征描述参数空间数据的内插通过已知点或分区的数据，推求任意点或分区数据的方法称为空间数据的内插。其方法是从存在的观测数据中找到一个函数关系式，使该关系式最好地逼近这些已知的空间数据，并能根据函数关系式推求出区域范围内其它任意点或任意分区的值。一般来讲，在已存在观测点的区域范围之内估计未观测点的特征值的过程称内插；在已存在观测点的区域范围之外估计未观测点的特征值的过程称推估。空间数据的内插有离散空间内插和连续空间内插空间数据的内插是地理信息系统数据处理常用的方法之一，广泛应用于等值线自动制图、数字高程模型的建立、不同区域界线现象的相关分析和比较研究等。连续空间内插技术包括样条函数、趋势面、克里金(Kriging)的移