第5章空间分析的原理与方法-1

第五章空间分析的原理与方法（1）第五章空间分析的原理与方法第一节空间分析概述第二节空间查询与量算第三节数字地形模型分析第四节空间叠合分析第五节空间缓冲区分析第六节空间网络分析第一节空间分析概述空间分析的含义空间分析的意义空间分析的目的空间分析类型空间分析的主要内容空间分析的步骤各种空间分析术语第一节空间分析概述空间分析是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。其中空间坐标用于实体的空间位置和几何形态，专业属性则是实体某一方面的性质。空间分析的含义GIS的空间分析是以地理事物的空间位置和形态特征为基础，以空间数据运算、空间数据与属性数据的综合运算为特征，提取与产生新的空间信息的技术和过程。定义：空间分析是基于空间数据的分析技术，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现象的空间位置、空间分布、空间形态、空间形成、空间演变等信息。第一节空间分析概述空间分析是分析空间数据的技术通称。这些技术从宏观上区分，可以归纳为：1）空间图形数据的拓扑运算；2）非空间属性的数据运算；3）空间和非空间属性的联合运算等。空间分析的含义第一节空间分析概述是地理信息系统的重要组成部分，也是区别于其它类型系统的一个最主要的功能特性。空间分析的意义：空间分析的目的：在于通过对空间数据的深加工或分析，获取新的信息。第一节空间分析概述GIS应用方式如何为一公园选择合理位置？依山傍水；交通方便；较安静……要求方案2条件2方案1条件1处理、分析空间分析算法现实世界获取水系信息地形信息道路信息植被信息等+++空间数据库存储1.产生式分析：如数字地形模型分析、空间叠合分析、缓冲区分析、空间网络分析、空间统计分析；2.咨询式分析：如空间集合分析，空间数据查询等。空间分析类型第一节空间分析概述空间分析的主要内容1.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，即投影与转换理论。2.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。3.空间形态：空间对象的几何形态。4.空间距离：空间物体的接近程度。5.空间关系：空间对象的相关关系，包括拓扑、方位、相似、相关等。第一节空间分析概述1.建立分析的目的和标准2.准备空间操作的数据3.进行空间分析操作4.结合分析的目的和任务，对获得的新空间数据进行分析5.结果评价和解释6.产生最终的结果图和报表空间分析的步骤：第一节空间分析概述各种空间分析术语基本的空间分析包括以下方面：空间查询空间量算缓冲区分析叠加分析网络分析空间统计分析空间插值数字高程模型空间建模与空间决策支持系统面向应用的分析简单的空间分析复杂的空间分析第一节空间分析概述第二节空间查询与量算一、空间查询是按一定条件对空间目标的位置和属性信息进行查询，以形成一个新的数据子集空间查询分为以下几种：1.定位查询2.分层查询3.区域查询4.条件查询5.空间关系查询空间关系查询又称拓扑查询。其目的是检索出相关的空间目标。（1）面—面查询：查询并判断两个面状地物之间是否相邻、包含、相交以及方向距离关系。如查询某一湖泊周围的土地类型，就是查询同湖泊相邻区域的土性属性。（2）线—线查询：查询并判断线与线之间是否有邻接、相交、平行、重叠以及方向距离关系。如查询某一条公路所跨过的河流，就是查询与该公路相交的河流。第二节空间查询与量算（3）点—点查询：查询并判断点与点之间的距离、方向和重叠关系。如查询居民点周围小于2km的商店。（4）线—面查询：查询并判断线与面之间的距离、方向、相交及重叠等关系。如求通过某县的公路，或某一条铁路所经过的县、市。（5）点—线查询：查询并判断点与线之间的距离、方向及重叠关系。如查找某一河流上的桥梁，或通过某一居民点的公路。（6）点—面查询：查询并判断点与面之间的距离、方向及包含关系。如查找某市的采矿点，或某一矿井的所在辖区等。第二节空间查询与量算二、空间量算空间数据的量算是空间信息分析的定量化基础。1)几何量算2)形状量算3)质心量算第二节空间查询与量算1.几何量算：一般GIS软件都具有对点、线、面状地物的量算功能。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、方向、曲率；（3）面状地物（2维）：面积、周长、形状等；（4）体状地物（3维）：体积、表面积等。第二节空间查询与量算几何量算线长度计算矢量：两点之间的直线距离，复合线段累加求和。栅格：网格数目累加。面积计算矢量：几何交叉求积（坐标法）。栅格：相同属性值的格网数目与格网面积的乘积。第二节空间查询与量算2.形状量算面状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。最常用的指标包括多边形的长短轴之比、周长面积比等。其中绝大多数指标是基于面积和周长的。通常认为圆形地物既非紧凑型也非膨胀性，则可定义其形状系数u为：式中：P为地物周长，A为地物面积。如果u1为紧凑型；u=1为标准圆；u1为膨胀型。第二节空间查询与量算APU2形状量算圆U=1APU2U1膨胀型U1紧缩型形状特征描述参数基本考虑：空间完整性、多边形形状特征第二节空间查询与量算例题1.对于二维的面状实体，如果其形状系数为0.82，那么这个目标体为：A.膨胀型B.扩散型C.标准圆D.紧凑型2.如果一个目标体的周长为240米，面积为4800平方米，那么这个目标体为：A.膨胀型B.紧凑型C.标准圆D.椭圆第二节空间查询与量算3.质心量测质心是描述地理现象空间分布的一个重要指标。质心可简单地描述为地理目标保持均匀分布的平衡点。质心通常定义为一个多边形或面的几何中心，当多边形比较简单时，计算很容易。当多边形形状复杂时，计算也更加复杂。第二节空间查询与量算计算公式：通过对其坐标值加权平均求得其中，i为离散目标，w为权重，x，y为目标坐标。iiiGiiiGwywYwxwX质心量测可用于对地理分布变化的跟踪；计算目标物对周围地区的经济辐射范围。质心量测的应用范围极其广泛，如：1）商场选址应位于具有最佳势能的定位点处；2）经济的增长极极可能发生在高势能区；3）跟踪地理分布的变化，如人口变迁、土地类型的变化等。质心量测第二节空间查询与量算第三节数字地形模型分析DTM与DEM概述DEM的主要表示模型DEM的分析与应用原理基于DEM的可视化分析数字地形模型（DTM,DigitalTerrainModel）最初是为了高速公路的自动设计提出来的（Miller，1956）。可用于各种线路选线（铁路、公路、输电线）的设计以及工程的面积、体积、坡度计算，任意两点间的通视判断及任意断面图绘制。在测绘中可用于绘制等高线、坡度坡向图、立体透视图，制作正射影像图以及地图的修测。它还是地理信息系统的基础数据，可用于土地利用现状的分析、合理规划及洪水险情预报等。在军事上可用于导航及导弹制导等。第三节数字地形模型分析一、DTM与DEM概述一、DTM与DEM概述1.DTM：数字地形模型，是定义于二维区域上的一个有限项的向量序列，以离散的平面点来模拟连续分布的地形。DTM={Zi,j}i=1,2,3,…,m-1,m；j=1,2,3,…,n-1,n2.DEM：数字高程模型，是高程关于平面坐标自变量的连续函数的一个有限的离散表示。又叫地形模型。第三节数字地形模型分析数字地形模型DTM数字地形模型(DigitalTerrainModel,DTM)是在空间数据库中存储并管理的空间地形数据集合的统称。是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。是建立不同层次的资源与环境信息系统不可缺少的组成部分。第三节数字地形模型分析地表属性的三维特征，诸如高度、坡度、坡向等重要的地貌要素，是地学分析和生产应用中的基础数据，它们可以广泛地应用在多种领域，如农、林、牧、水利、交通、军事领域等。具体地说象公路、铁路、输电线的选线、水利工程的选址、军事制高点的地形选择、土壤侵蚀、土地类型的分析等；也可应用于测绘、制图、遥感等领域。DTM的生成已成为GIS的研究课题之一。数字地形模型DTM第三节数字地形模型分析一、DTM与DEM概述DTM中属性为高程的要素叫数字高程模型(DigitalElevationModel，简称DEM)。高程是地理空间的第三维坐标，DEM是地表单元上的高程集合，通常用矩阵表示，广义的DEM可包括等高线、三角网等，这里特指由地表网格单元构成的高程矩阵。数字高程模型DEM第三节数字地形模型分析DEM是建立DTM的“基础数据”或称为单要素图，其它要素均可以从DEM数据直接或间接导出，因此称为“派生数据”，如：平均高程、坡度、坡向等仍是系统数据库中存储的一个层面或基本图件。这些层面都是位置配准的，将它们与其它属性的层面叠置，可以完成多种资源与环境分析。对于DTM，只输入和存储数字高程模型DEM，并保证其精度符合要求，其它派生要素在需要的时候通过计算得到且精度就可以得到保证。数字高程模型DEM第三节数字地形模型分析DEM和DTM主要用于描述地面起伏状况,可以用于提取各种地形参数,如坡度,坡向,粗糙度等,并进行通视分析,流域结构生成等应用分析。因此,DEM在各个领域中被广泛使用。DEM可以有多种表达方法,包括网格,等高线,三角网等,数字高程模型DEM第三节数字地形模型分析二、DEM的表示方法第三节数字地形模型分析在地理信息系统中，DEM最主要的三种表示模型是：规则格网模型等高线模型不规则三角网模型规则格网模型规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素，对应一个高程值。第三节数字地形模型分析计算任何不是网格中心的数据点的高程值，使用周围4个中心点的高程值，采用距离加权平均方法进行计算，当然也可使用样条函数和插值方法。规则格网的高程矩阵，可以很容易地用计算机进行处理，特别是栅格数据结构的地理信息系统。它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为DEM最广泛使用的格式。规则格网模型第三节数字地形模型分析格网DEM的缺点是不能准确表示地形的结构和细部，为避免这些问题，可采用附加地形特征数据，如地形特征点、山脊线、谷底线、断裂线，以描述地形结构。格网DEM的另一个缺点是数据量过大，给数据管理带来了不方便，通常要进行压缩存储。规则格网模型第三节数字地形模型分析将地形图蒙上格网，逐格读取中心或角点的高程值，构成数字高程模型。由于计算机中矩阵的处理比较方便，特别是以网格为基础的地理信息系统中高程矩阵已成为DEM最通用的形式。网格法的缺点，即：①地形简单的地区存在大量冗余数据；②如果不改变网格大小，无法适用地形复杂程度不同的地区。人工网格法第三节数字地形模型分析等高线模型等高线模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一条等高线对应一个已知的高程值，这样一系列等高线集合和它们的高程值一起就构成了一种地面高程模型。第三节数字地形模型分析等高线通常被存成一个有序的坐标点对序列，可以认为是一条带有高程值属性的简单多边形或多边形弧段。由于等高线模型只表达了区域的部分高程值，往往需要一种插值方法来计算落在等高线外的其它点的高程，又因为这些点是落在两条等高线包围的区域内，所以通常只使用外包的两条等高线的高程进行插值。等高线模型第三节数字地形模型分析不规则三角网（TIN）模型尽管规则格网DEM在计算和应用方面有许多优点，但也存在许多难以克服的缺陷,不规则三角网（TriangulatedIrregularNetwork,TIN）是另外一种表示数字高程模型的方法,它既减少规则格网方法带来的数据冗余，同时在计算（如坡度）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法。第三节数字地形模型分析对有限个离散点，每三个最邻近点联结成三角形，每个三角形代表一个局部