第九章-空间分析的应用

1第九章空间分析的应用武汉大学遥感信息工程学院遥感科学与技术本科生教案(2012)秦昆[e-mail]2空间分析的应用是指空间分析的理论、方法和过程在与空间数据处理有关的领域的具体应用。空间分析可以应用到自然科学和社会科学的多个领域，包括以下应用领域：1）城市规划与管理；2）厂址选择；3）水污染监测；4）洪水灾害分析；5）道路交通管理；6）地震灾害和损失估计；7）输电网管理；8）配电网管理；9）地形地貌分析；10）医疗卫生；11）军事领域等。3空间分析在城市规划中的应用4空间分析可提高城市规划的科学性和有效性城市规划中的空间分析是指利用空间分析的理论和方法对城市规划中含有空间信息（位置、形状、分布）的数据进行统计、分类、比例计算、形成报表，同时绘制出相应的分析结果图件的分析过程。作为地理信息系统核心功能的空间分析技术方法，在城市规划领域具有及其广阔的应用前景。5城市规划空间分析的实践意义：分析和研究城市空间实体的现状以及预测其发展，并以此作为编制城市规划、指导城市建设的依据。城市空间作为一个特殊的空间系统，是政治、经济、社会、环境等人文、自然过程共同作用的结果，有其独特的空间演变机制。在充分分析城市空间基础数据，包括空间数据与非空间数据的基础上，发现空间演变的规律，为城市规划奠定分析基础，使城市规划成果有据可依。空间分析技术方法的应用，为城市规划空间研究提供了新的技术手段，能解决这方面存在的不足。6《Nature》社论：科学家应为城市发展作出贡献2010年10月21日出版的《Nature》杂志发表社论——《救救我们的城市》（Saveourcities），称相关研究领域的科学家们应该更多地将关注重点放在城市。同期《自然》还刊登了关于科研与城市的系列文章。7城市，让生活更美好（BetterCity,BetterLife）8空间分析在城市规划领域的应用：（1）在数据分析处理方面:基于地理信息系统的空间分析技术，能够管理海量空间数据，存储、检索、查询城市规划相关信息，安全可靠且现实性强；可以对空间数据进行综合性分析处理，获得对规划所需要的有用信息；能将分析所得的结果用可视化方法进行表达，易于规划人员理解和进一步加以利用。9（2）在空间分析研究的深度方面:空间分析方法实现了空间数据和非空间数据的一体化处理，能够透过城市空间现象的表面，对深层次的空间关系进行研究分析。在把握城市空间演变机制的基础上，预测模拟城市的未来发展趋势，优化调整城市空间格局。空间分析技术方法的应用，可以提高城市规划处理各类规划基础数据的能力，提高未来城市发展的预测、模拟和优化能力，使规划能够在理性的综合分析基础上作出科学判断与决策。10城市规划空间分析的内容城市规划的空间分析可以揭示城市空间对象间的相互作用关系，如城市土地空间演变、城市结构以及空间演变、人口与用地之间的关系，自然条件与城市结构的关系，城市持续发展过程中物质、能量和信息流动的空间规律等。11在实践应用中，城市规划空间分析有五种主要类型：1）比较分析：分析城市规划要素的时间序列与空间序列的变化，通过比较分析发现要素在不同时期的数量变化，空间分布的模式及其演变。为规划人员提供更加详细的规划信息以供决策，把握城市空间发展的内在规律以及未来的时空演变趋势。2）统计分析：城市规划要素的非空间信息的分析，运用回归分析、相关分析、主成分分析等方法，确定数据库属性之间存在的函数关系或相关关系，应用于城市规划中的单因素不同状况统计、多因素交叉统计、频率统计等运算。123）预测分析：根据城市发展的时空演变规律，使用各类预测模型，预测一定时期内的人口规模、城市土地利用、城市灾害、区域增长等的发展变化趋势以及演变过程。在预测分析的基础上，制定正确的政策措施来引导城市结构要素在空间上的合理布局与组合。4）优化分析：制定合理的城市规划涉及到社会、经济、政治、环境等许多要素，优化分析就是通过对大量规划数据的综合与概括，在多因素综合影响的条件下，在多种规划方案中，选择最优的规划方案或发展目标。城市土地利用功能区划、城市功能区划分、规划方案评价、环境质量评价等问题都需要进行优化分析。135）规划模拟：以可视化方法模拟规划方案的实施过程，通过扩展分析和指标统计等方法，从模拟的结果中直观地了解规划方案实施以后城市的状况和经济发展水平，及其空间结构与形态。14空间分析在地震灾害和损失估计中的应用15地理信息系统的空间分析能够评估地震灾害以及地震次生灾害，并且对临震地震和短期地震进行分析预报。对发生地震灾害的地区，及时分配资源援助，提供应急决策方案具有重要的意义。16利用GIS的空间分析功能，分析地质构造、地形、地上建筑物等信息，模拟地震发生过程，估计地震引起的损失，并且可以分析地震实际发生时的灾害严重程度的空间分布，帮助政府分配应急资源。进行地震灾害评估时，要综合考虑地质构造、地形等各种信息。17空间分析在地震灾害和损失估计中的应用主要包括：1）估计地表震动灾害应急指挥需要识别地震源点，然后建立在该点发生地震以及地震波传播的模型，估计地震破坏的分布，最后根据地表的土壤条件得到最终的震动强度。2）估计次生地震的灾害次生地震灾害是直接灾害发生后，破坏了自然或社会原有的平衡或稳定状态，从而引发的灾害。主要有火灾、水灾、毒气泄漏、瘟疫等。评估这些灾害需要收集相应区域的地质构造信息，计算地表运动的强度和持续时间，以及在以前的地震发生过程中发生这些灾害的历史情况。18空间分析在地震灾害和损失估计中的应用主要包括：3）估计建筑物的损害需要收集地震区域内建筑和生命线的分布状况，然后对每种建筑建立损失模型，该模型是一个函数，与地表震动强度以及潜在的次要灾害有关。19空间分析在地震灾害和损失估计中的应用主要包括：4）估计可以用金钱衡量和不可以用金钱衡量的损失可以用金钱衡量的损失包括受损建筑的修复和重建，清除垃圾和重新安置等方面的费用损失，而不可以用金钱衡量的损失包括人员伤亡、精神影响以及其它长期或短期的影响等。估算这些损失需要相应的社会经济信息。可以针对不同的损失类型，建立不同的模型，分别估计损失。在地震损失估计中，需要使用多种空间信息，如地质构造、建筑、地形等等，因此必须充分利用GIS的空间分析功能进行地震损失的评估。20空间分析在洪水灾害评估中的应用21洪水灾害是当今世界上的主要自然灾害，防治洪水灾害是世界各国普遍关注的问题。在过去相当长的时间内，世界各国的防洪战略主要是依靠水利工程控制洪水，降低洪灾损失，随着社会经济的发展，人类不断扩大对自然资源的开发利用范围，洪水出现频数及其所造成的损失也不断地增加，人们逐渐认识到，仅仅采用水利工程措施不能完全抵御洪水、尤其是发生特大洪水时，借助水利工程来保障灾区的安全并不那么容易。2220世纪70年代，美国首先提出采用非工程措施的概念：即通过洪水预报、防洪调度、分洪、滞洪、立法、洪水保险、洪泛区管理以及造林、水土保持等非工程措施来减缓洪涝灾害，改变损失分摊方法，加强防洪管理，顺应洪水的天然特性，因势利导，以达到防洪减灾的目的。充分利用GIS的空间分析功能进行洪水灾害的评估是一个十分有效的“非工程措施”。231、空间分析在洪水灾害评估中的应用1）洪水灾害评估模型的建立洪水灾害的研究涉及自然科学和社会科学的众多领域。在洪水灾害损失评估信息系统中，利用建立的灾害数据库和灾害评估模型，在地理信息系统的支持下，在遥感监测的基础上，对洪水淹没的土地类型、受灾人口和房屋、洪水淹没历时、作物损失程度等进行科学而有效的评估。24数据库是洪水灾害损失评估的基础，洪水灾害损失评估数据库包括：①数字地形数据；②行政区划数据；③洪灾区的土地利用数据；④社会经济数据(包括以县为单位的人口、农作物产量、投入、总产值等)；⑤历史洪水损失数据；⑥水文气象数据等。25评估模型为利用数据库的数据进行快速评估提供方法，这些评估模型包括：受灾地区土地利用评估分析模型、受淹人口与房屋评估模型、受淹农作物损失估算模型、防洪抗灾辅助决策模型(洪灾行为的模拟模型、滞洪区洪水演进模型、避险迁安分析模型等)。这些模型一起构成模型库，并与数据库一起构成评估系统的主体。261、空间分析在洪水灾害评估中的应用2）多源数据的综合分析利用空间分析功能对不同来源的数据进行综合分析，为洪水灾害的分析提供必要的数据基础，通过综合分析提取必要的信息。3）多层次模型分析洪水灾害GIS是一种专题性的地理信息系统，洪水灾害分析信息系统不仅可以充分利用GIS提供的各种数据处理分析功能，而且可以在更高层次上开发专业模型和专家系统，提高分析工作的科学性和深度。271、空间分析在洪水灾害评估中的应用4）洪灾场景模拟分析洪水灾害分析信息系统可以对洪灾发生的不同阶段进行分析。在洪灾发生前，模拟分析洪灾发生的可能性和空间分布规律；在洪灾发生过程中，实现洪灾信息的接收、处理和分析，为防洪抗险提供即时的信息；在洪灾发生后，利用多方面的信息，提供洪灾损失的详细报告，辅助制定救灾计划和重建家园规划。281、空间分析在洪水灾害评估中的应用5）提供多种输出GIS的空间分析计算结果可以在屏幕上以图形或表格方式显示，也可提供报告、报表、地图的硬拷贝。292、洪水灾害评估GIS系统中的空间分析在荆江分滞洪区的应用荆江分洪区工程是长江防洪体系的重要组成部分，担负着削减洪峰，分、蓄洪水的作用。该工程由位于荆江河段沙市段南岸的荆江分洪区、涴市扩大区、虎西备蓄区及长江北岸的人民大垸（上、下）组成。总蓄滞面积1358KM2，有效容积71.6亿m3。30利用空间分析的水文分析功能模块进行分析得出的40小时分洪区水深分布图31利用统计分析模块进行统计分析所得出的北闸分洪40小时时的洪水淹没情况统计表32空间分析在水污染监测中的应用33水质污染是我国面临的最为严重的水环境问题之一，防治水质污染已成为我国环境保护的一项紧迫的任务。水环境污染防治问题涉及的区域范围广，数据量（空间数据和属性数据）大，必须借助大量的科学合理的水质模拟模型进行水质的预测和评价。在进行水污染监测时还需要结合领导的经验决策意见和各项法律法规，因此需要建立综合相关专家知识和领导决策意见的专家知识库。流域水污染防治规划GIS系统的建立是一个半结构化过程，必须实现定量方法与定性方法的有机结合，实现科学管理与领导的决策经验的有机结合。3435该系统包括：1）数据库系统：提供基础数据，同时为模型服务；2）模型库系统：是存储于计算机内，用以描述、模拟、预测江河的水质、流域经济等各种数学模型的集合，模型的生成是在模型数据库、方法库的支持下完成的，它是整个决策系统的核心。3）方法库系统：方法库系统的作用是对各种模型的求解提供必要的算法支持。模型库和方法库联系非常紧密，也可以综合成一个库，即模型方法库。364）知识库：知识库用于存放环保规划专家和水质评价专家提供的专门知识(各种环保法律法规、各种水质等级的评价标准、各种规划方案的指定经验)，通过知识库知识的自动获取为江河流域水污染防治规划辅助决策支持系统提供有力支持。这种具有大量数学模型的GIS系统进行空间分析时解决的一个最重要的问题就是如何充分利用这些数学模型，为空间分析任务服务。监测点实测指标信息可视化包括时序对比和监测点对比监测点实测指标信息可视化时序对比通过选择站点和时间段来监视某个站点的某个指标在某时间段的监测指标变化情况。水环境可视化监测点对比显示多个站点的某个指标在某个时间点的对比情况监测点实测指标信息可视化水环境可视化实测调研点基本信息可视化功能描述：包括基本信息可视化、视频信息可视化。基本信息可视化通过鼠标点击实测调研点弹出提示对话框，显示该点所属湖区，调研的时间和描述信息等。水环境可视化视频信息可视化播放与实测调研点关联的视频信息，显示视频信息列表，提供视频的播放、暂停、快进、快退、全屏显示等功能。实测调研点基本信息可视化水环境可视化污染源基本信息可视化该模块主要包括污染企业基本信息可视化和年报季报的查询显示湖北省各个市区某污染源监控企业统计图