空间分析的原理与方法

*1第五章空间分析的原理与方法《地理信息系统》2*第五章空间分析的原理和方法数字地面模型分析空间叠合分析空间邻近度分析空间网络分析《地理信息系统》3*1854年8月到9月英国伦敦霍乱流行时，当局始终找不到发病的原因，后来医生约翰·斯诺(JohnSnow)说：“我们画一张图吧”。他在绘有霍乱流行地区所有道路、房屋、饮用水机井等内容的1：6500比例尺地图上，标出了每个霍乱病死者的住家位置，得到了霍乱病死者居住分布图。《地理信息系统》4*斯诺博士分析了这张分布图，马上明白了霍乱病源之所在－－死者住家都集中于饮用“布洛多斯托”井水的地方及周围。《地理信息系统》5*根据斯诺博士的分析和请示，当局于9月8日摘下了这个水井的泵，禁止使用该水泵吸水，从这天以后，新的霍乱病患者就再也没有出现了。在这个例子中，患者的居住地与饮用水井之间的空间位置关系提示了霍乱病的发病根源。因此空间分析是基于事物的空间特性的分析。《地理信息系统》6*空间分析源于60年代地理和区域科学的计量革命，在开始阶段，主要是应用定量（主要是统计）分析手段用于分析点、线、面的空间分布模式。后来更多的是强调地理空间本身的特征、空间决策过程和复杂空间系统的时空演化过程分析。实际上自有地图以来，人们就始终在自觉或不自觉地进行着各种类型的空间分析。如在地图上量测地理要素之间的距离、方位、面积，乃至利用地图进行战术研究和战略决策等，都是人们利用地图进行空间分析的实例，而后者实质上已属较高层次上的空间分析。《地理信息系统》7*GIS的特点在于－－空间分析GIS不但实现自动制图，更主要的目的是分析空间数据，提供空间决策信息。－－区别于其他系统的最主要特征。空间分析目的：通过对空间数据的深加工，获取新的信息。空间分析：根据地学原理，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间演变等信息。常用空间分析方法数字地面模型分析；空间叠置分析；缓冲区分析；空间网络分析；空间统计分析；空间几何分析；空间数据查询。《地理信息系统》8*空间分析的概念空间分析是基于空间数据的分析技术，它以地学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间形成和空间演变等信息。《地理信息系统》9*分类（按照空间数据的形式）矢量数据空间分析：矢量叠合分析、矢量临近性分析、网络分析等栅格数据空间分析：数字地形模型分析、栅格叠合分析、栅格临近性分析、栅格统计分析等《地理信息系统》10*分类（Goodchild）产生式分析(productmode)：数字地面模型分析、空间叠合分析、缓冲区分析、空间网络分析、空间统计分析查询式分析(querymode)：空间集合分析、空间数据查询《地理信息系统》11*第一节数字地形模型分析数字地形模型（DTM,DigitalTerrainModel）最初是为了高速公路的自动设计提出来的（Miller，1956）。此后，它被用于各种线路选线（铁路、公路、输电线）的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算，任意两点间的通视判断及任意断面图绘制在测绘中被用于绘制等高线、坡度坡向图、立体透视图，制作正射影像图以及地图的修测。《地理信息系统》12*定义：数字地形模型（DigitalTerrainModel，简称DTM）是定义于二维区域上的一个有限项的向量序列，它以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形。在形式上分：规则格网（Grid）：最常见不规则三角网（TIN）数字等高线、等深线、地形特征线（如山脊线、谷底线、坡度变换线等）《地理信息系统》13*按平面上等间距规则采样，或内插所建立的数字地形模型，称为基于栅格的数字地形模型。DTM=｛Zi,j｝,i=1,2,3,…,m-1,m;j=1,2,3,…,n-1,n。Z为栅格点（i，j）上的地面属性数据《地理信息系统》14*数字高程模型（DigitalElevationModel，简称DEM）它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是DTM的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。DEM是构成DTM的基础，DTM的其他元素均由DEM导出。显然，DEM的质量好坏直接决定着DTM的精确性。《地理信息系统》15*DEM的生成高程数据数据获取生成DEM野外测量地形图摄影测量激光雷达GIS软件算法实现《地理信息系统》16*1.地形因子的自动提取坡度计算坡向分析曲面面积计算地表粗糙度计算高程及变异分析谷脊特征分析日照强度的分析淹没边界的计算数字高程模型应用《地理信息系统》17*2.地表形态的自动分类拟定地形分类决策表建立地形类型分类系统输出地形类型图数字高程模型应用地形自动分类拟定地形分类决策表DEM计算地表形态要素H，△H，坡度，坡向《地理信息系统》18*平地岗丘丘陵低山中山绝对高度H/m＜400400～800＞800相对高度△H/m＜100100～200＞200＞200坡度s＜3°地形分类决策表《地理信息系统》19*3.地学剖面的绘制和分析建立数字高程模型确定地形剖面线的位置剖面线交点的内插计算地形剖面线及相关地理信息（地质、土壤、土地利用等）的叠加表示和输出数字高程模型应用《地理信息系统》20*4、DEM的通视分析用于架设通信基战等的工程设计、旅游景点规划等。典型的例子是观察哨所的设定，显然观察哨的位置应该设在能监视某一感兴趣的区域，视线不能被地形挡住。这就是通视分析中典型的点对区域的通视问题。数字高程模型应用视线通视分析：两点之间的通视性(Intervisibility)视域通视分析：可视域(ViewShed)《地理信息系统》21*视线通视《地理信息系统》22*可视域判断观察点《地理信息系统》23*第二节空间叠合分析2.1空间叠合分析的概念空间叠合分析（spatialoverlayanalysis）是指在相同的空间坐标系统条件下，将同一地区两个不同地理特征的空间和属性数据重叠相加，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。《地理信息系统》24*12AB2A1A2B1B地貌图土壤图合成图空间合成叠合《地理信息系统》25*abcdef区域类型数面积ab…104…113………………111210行政图土壤图统计表空间统计叠合《地理信息系统》26*根据采用的数据结构的不同分基于矢量数据的叠合分析根据叠合对象图形特征的不同，分为点与多边形的叠合线与多边形的叠合多边形与多边形的叠合基于栅格数据的叠合分析算法简单，但数据量大。算法复杂，但数据量小、精度较高。《地理信息系统》27*2.2基于矢量数据的叠合分析矢量数据叠加分析的步骤：①几何求交②拓扑重构③属性传递矢量叠置算法的主要时间消耗在前两个步骤上。《地理信息系统》28*点与多边形的叠合分析将一个含有点的图层（目标图层输入特征）叠加在另一个含有多边形的图层（操作图层）上，以确定每个点落在哪个区域内。《地理信息系统》29*计算多边形对点的包含关系，即判断点落在哪个多边形内。进行属性数据处理。最简单的方式是将多边形属性信息叠加到其中的点上（或将点的属性叠加到多边形上，用于标识该多边形）。通过叠加可以计算出每个多边形类型里有多少个点，以及这些点的属性信息。《地理信息系统》30*点与多边形叠加分析BACID名称产量1铁2铜3铝4镁ID名称人口面积A鞍山B本溪C辽阳D大连矿产ID名称产量政区ID名称人口面积1铁A鞍山2铜C辽阳3铝B本溪4镁D大连叠加结果：改变点属性内容《地理信息系统》31*•当inputfeatures是不同的要素类型时（如point和polygon、line和polygon），输出的结果默认是维数较低的类型，如line和polygon的默认结果是line，point与line的默认结果是point。•结果类型可以降低维数，比如polygon和polygon的默认结果是polygon，但可指定为line或point。《地理信息系统》32*线与多边形的叠合分析将线的图层（目标图层）叠加在多边形的图层（操作图层）上，以确定一条线落在哪个或哪些多边形内。河流图政区图可查询任意区域内的河流长度及河网密度+《地理信息系统》33*比较线坐标与多边形坐标的关系，判断线是否落在多边形内。通常是计算线与多边形的交点，只要相交就产生一个结点，将原线打断成一条条弧段，并将原线和多边形的属性信息一起赋给新弧段。重建线的属性表。叠加的结果产生一个新的数据层面，每条线被它穿过的多边形打断成新弧段图层，同时，产生一个相应的属性数据表记录原线和多边形的属性信息。《地理信息系统》34*线与多边形叠加分析1123线号原线号原线属性多边形号多边形属性1…………2…………3…………4…………BCCC叠加结果：产生新弧段改变线属性内容《地理信息系统》35*多边形与多边形的叠合分析多边形与多边形的叠合分析是指将两个不同图层的多边形要素相叠合，产生一个新的多边形图层的操作，其结果将原来多边形要素分割成新要素，新要素综合了原来所有叠加图层的属性。《地理信息系统》36*几何求交过程：首先求出所有多边形边界线的交点，再根据这些交点重新进行多边形拓扑运算，每个多边形赋予唯一标识码，判断新生的多边形分别落在每个参与叠加的多边形层的哪个多边形内，建立新生多边形与原多边形的关系。属性分配过程：典型的方法是将输入图层对象的属性拷贝（或关联）到新对象的属性表中。《地理信息系统》37*ID土壤类型1112AB土地利用层土壤类型层坡度层ID土地利用类别123011021031叠加结果层ID坡度21226812345678AB68011021031ID地类ID类别土壤ID土壤类型坡度ID坡度12345678331113220310310110110110310210211212121111111111BBBAAAAA222221212222212288668868《地理信息系统》38*多边形叠加分析《地理信息系统》391空间叠加分析概述多边形叠合方式：①并操作（Union）②交操作（Intersect）③擦除操作（Erase）④裁剪操作（Clip）《地理信息系统》40*多边形和多边形的叠合布尔计算（Boolean），交集、并集、补集clip与intersect区别《地理信息系统》411空间叠加分析概述①并操作(A∪B)保留两个图层的所有图形要素和属性数据。A∪BAB《地理信息系统》421空间叠加分析概述②交操作(A∩B)保留两个图层共同的部分，其余部分将被消除。A∩BAB《地理信息系统》431空间叠加分析概述③擦除操作(A-A∩B)输出层保留以第二个图层为控制边界之外的所有多边形。A-A∩BAB《地理信息系统》441空间叠加分析概述④裁剪操作输出层保留以第二个图层为边界，对输入图层的内容要素进行截取的结果。和擦除操作相反。A-A∩BAB《地理信息系统》45*《地理信息系统》46*叠合案例——洪水淹没区分析按地块面积平均计算财产密度。叠合处理（Union），生成的叠合多边形（Union1）具有高程、土地使用、地基类型、地块财产密度等属性。计算叠合后的多边形面积。将地基—损失参数表（found.dbf）连接到Union1，以地基类型（Class）为关键字计算每个多边形的估计损失=财产密度×叠合后的多边形面积×损失系数在View中对Union1的要素进行过滤，只有高程小于等于500、土地使用为住宅的多边形才进入估计其损失的选择集，据此，显示按损失密度的高低分类的专题地图，汇总估计损失值。《地理信息系统》47*2.3基于栅格数据的叠合分析栅格数据的叠合算法可以有多个空间特征数据参与分析。叠合分析的条件：要具备两个或多个相同地区的相同行列数的栅格数据，栅格单元的大小也相同。栅格分析的结果：是一个新生成的栅格数据，其中的每一个栅格的数值都是由参与计算的原栅格数据计算得到的，栅格叠合通过计算产生新的空间信息。《地理信息系统》48*栅格数据之间