7+第七章+空间分析.ppt

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1、杨三红,第七章 GIS空间分析,空间分析是GIS系统的核心功能之一,也是最重要的功能，是GIS系统与计算机辅助绘图系统等其他系统的主要区别。现代地理信息系统集成多学科的最新技术，例如：关系数据库管理、空间插值、网络分析等，为空间分析提供了强大的工具。 空间分析以地理空间数据库为基础，运用多种手段，目的是解决人们所涉及到的地理空间的实际问题，提取和传输空间信息，来辅助决策。,第一节 GIS空间分析概述,一 空间分析 1 定义 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、空间数据和属性数据的综合运算为特征，提取和产生新的空间信息的技术和过程。 数据的空间分析和空间数据的分析,2

2、 理解,2.1 空间数据的分析 描述空间对象的非空间特性 方法：概率、数理统计、统计学等数学方法 特点： 几何特征不是主要限制因子（例：聚类分析、主成分分析） 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，描述空间过程，揭示空间规律和机制。 2.2 数据的空间分析 定量描述空间对象的空间位置、关系 方法：空间统计学、图论、拓扑学、计算几何等。 特点： 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，不回答为什么,二 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

3、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,三 基本方法,1.空间查询与量算：符合条件的查询 2.空间数据内插：等高线内插（函数关系）外推 3.空间数据在分类：不同的研究需要林地的分类 4.缓冲区分析：污染或者危险地带潜在影响区域 5.叠加分析：不同时期的土地利用变化 6.追踪分析：等高线确定水流方向，汇水区分析 7.网络分析：最佳路径的选择（费用、时间等）,第二节 GIS空间分析基本方法,一 空间查询（GIS基本的功能之一） 查询和定位空

4、间对象，并对空间对象进行量算是GIS的基本功能之一，它是GIS进行高层次分析的基础。在GIS中，为进行高层次分析，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，如长度、面积、距离等。实际上，空间分析首先始于空间查询和量算，它是空间分析的定量基础。 空间查询特性：回答用户的简单问题/不改变空间数据库数据/不产生新的空间实体和数据/空间查询技术发展由简单到复杂,空间查询的方式内容和结果,图形查属性是根据图形的空间位置来查询有关属性信息。 根据鼠标所指的空间位置（或通过矩形、圆、多边形等选择空间范围），系统可以查出该位置或范围的空间实体及属性，并显示出该空间对象的属性列表，

5、并可进行有关统计分析。 通常这种查询分为两步，首先，根据空间索引，在图形库中找出空间实体，再通过图形库和属性库的连接查出空间实体的属性列表，并显示。,1 图形查属性,2 属性查图形,属性查图形是根据一定的属性条件来查询满足条件的空间实体的位置。如在中国人口信息系统中查出城市人口大于500万的城市。这类查询主要的操作是在属性库中进行，利用关系数据库的SQL操作，得到查询结果，又利用属性和图形的对应关系，在图上亮显出选定实体的空间位置。称为SQL查询。 Arc/View中，是通过TABLE下的QUERY命令来完成。,3 图形与属性混合查询,图形与属性的混合查询是一种更为复杂的查询，查询的条件并不仅

6、仅是某些属性条件或某个空间范围，而常常是两者的综合，如用户想查询满足以下条件的县城：县城人口大于5万；距离某条铁路不超过10K M；位于选定的某个区域等。这样的查询常常是基于某些空间关系和属性特征，比较复杂，在空间查询中，是比较难于完成的。 Arc/View中，混合查询通过几个命令的综合来完成。上述例子可通过Map query 和Neighborhood statistic命令结合完成。,属性数据与空间数据的联合查询,问题：在陕西省确定旅游胜地的可能地点。 条件：人口大于2000，据主要公路不超过两公里,属性数据查询：布尔运算符,用来连接两个或两个以上的逻辑表达式 运算符：AND、 OR、 N

7、OT 与运算：Class=2 AND age15 或运算：Class=2 OR age15; 否运算：NOT (Class=2) AND ( age15 ),例：在地下管网信息系统中，设A为埋深小于3米的煤气管；B为长度小于300米的煤气管。,A AND B：检索出埋深小于3米且长度小于300米的所有煤气管；,A OR NOT B： 检索出埋深小于3米及长度大于或等于300米的所有煤气管；,二 缓冲区分析,邻近度（Proximity）描述了地理空间中两个地物距离相近的程度度，其确定是空间分析的一个重要手段。 交通沿线或河流沿线的地物有其独特的重要性，公共设施的服务半径，大型水库建设引起的搬迁，

8、铁路、公路以及航运河道对其所穿过区域经济的发展的重要性等，均是一个邻近度问题。 缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具之一。,缓冲区分析是根据数据库的点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形实体，从而实现空间数据在水平方向得以扩展的信息分析方法。 点的缓冲区：例如噪音污染、核电厂 线的缓冲区：例如高速公路绿化带（尾气的污染范围、对居民的影响）、河流、高压输电线路等 面的缓冲区：例如森林边缘的生态效应，内部物种的活动范围即为正负缓冲区、自然保护区,基本缓冲区类型,缓冲区变形,缓冲距离不一定为常数 主流用200米，支流用100米 可形成缓冲环 核电站：5km, 10km, 20

9、km, 50km 单侧缓冲区 单个缓冲区与完整缓冲区,缓冲区变异,缓冲区用途,查询 空间分析 据学校一定距离内不能有游戏厅 都是规划中的河流一定范围内不能建筑 道路拆迁估算 商业选址（新建超市、饭店） 森林经营过程中的采伐（距道路的远近、河流两岸、林木的年龄分布、自然更新条件）,决策实例,例:道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算,1）明确分析的目的和标准 目的：计算由于道路拓宽而需拆迁 的建筑物的面积和房产价值； 道路拓宽改建的标准是： a)道路从原有的20m拓宽至60m； b)拓宽道路应尽量保持直线； c)部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除。 2）准备进行分析的数据 涉及两类信息：一类是现

10、状道路图；另一类是分析区域内建筑物分布图及相关的信息；,3）进行空间操作 a) 选择拟拓宽的道路，根据拓宽半径，建立道路的缓冲区。 b) 将此缓冲区与建筑物层数据进行拓扑叠加，产生一幅新图，此图包括所有部分或全部位于缓冲区内的建筑物信息。 4）进行统计分析 a) 对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择，凡部分落入拆迁区且楼层高于10层以上的建筑物，将其从选择组中去除，并对道路的拓宽边界进行局部调整。 b) 对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。 5）将分析结果以地图或表格的形式打印输出。,解题流程,解题过程 首先要以区域的道路分布图、河流分布图、森林分布图为数据源。解题流程见图所示。,缓冲区

11、分析实例 已知一伐木公司，获准在某林区采伐，为防止水土流失，规定不得在河流周围 1km 内采伐林木。另外，为便于运输，决定将采伐区定在道路周围 5km 之内。请找出符合上述条件的采伐区，输出森林采伐图。,将该地区具有相同比例尺且进行配准的道路分布图、河流分布图、森林分布图，进行预处理和数字化； 利用河流分布图生成1km的等距离缓冲区； 利用道路分布图生成5km的等距离缓冲区； 森林分布图中可采伐林地、道路缓冲区及河流缓冲区图进行叠置，叠置条件表达式为: 采伐区 森林分布图中可伐林地 道路周围5km缓冲区 非河流周围1 km缓冲区,将上述3张图进行两两叠置，所得结果即为森林采伐图。,缓冲区分析实

12、例,如已知一湖泊，要求在它周围5000m 内必需禁止任何污染性工业企业存在，在它周围500m 内必需禁止建筑任何永久性建筑物。 解题步骤： （1）先建立缓冲区； （2）同现有污染性工业企业图叠置，显示在范围内应禁止的污染性工业企业； （3）同现有永久性建筑物图叠置，显示在范围内应禁止的永久性建筑物。,缓冲区分析实例,如已知流域水系图，要求计算在它周围5公里内所有建筑物,以便进行分析。 解题步骤： （1）先建立缓冲区； （2）同现有污染性工业企业图叠置，显示在范围内应禁止的污染性工业企业； （3）同现有永久性建筑物图叠置，显示在范围内应禁止的永久性建筑物。,三 叠加分析,1 原理 大部分GIS软

13、件以分层的方式组织地理景观，将地理景观按主题分层提取，同一地区的整个数据层集表达了该地区地理景观的内容。 叠置分析是GIS最常用的提取空间隐含信息的手段之一。该方法来源于传统的透明材料叠加。既将来自不同数据源的图纸绘于透明纸上，在透光桌上将其叠放在一起，然后用笔勾出感兴趣的部分。 GIS中的叠加分析是将有关专题层面进行叠加产生一个新的数据层面的操作，其结果综合了原来两层或多层要素所具有的属性。,概 念,叠置分析是将两层或多层地图要素进行叠置产生一个新要素层的操作，其结果将原来要素分割成新的要素，新要素综合了原来两层或多层要素所具有的属性。 也就是说，叠置分析不仅生成了新的空间关系，还将输入数据

14、层的属性联系起来产生了新的属性关系。 叠置分析是对新要素的属性按一定的数学模型进行计算分析，进而产生用户需要的结果或回答用户提出的问题。,2 分类（专题分层，区域分块）,2.1 视觉信息的叠加 视觉信息的叠加是将不同层面的信息叠加显示在结果图件或屏幕上，它不产生新的数据层面。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。 地理信息系统中视觉信息的叠加包括5类： (1) 面状图、线状图和点状图之间的复合； (2) 面状图区域边界之间或一个面状图与其他专题区域边界之间的复合； (3) 遥感影像与专题地图的复合； (4) 专题地图与数字高程模型复合显示立体专题图； (5) 遥感

15、影像与DEM（数字高程模型）复合生成三维地物景观。,面状图、线状图和点状图之间的复合,面状图与专题区域边界之间的复合,遥感影像与专题地图的复合,专题地图与数字高程模型复合,遥感影像与DTM复合,2.2 矢量图层的叠加,根据叠加的矢量数据类型的不同，分为点与多边形的叠置、线与多边形的叠置、多边形叠置三种。 点与多边形叠加 点与多边形叠加，实际上是计算多边形对点的包含关系。通过点与多边形叠加，可以计算出每个多边形类型里有多少个点，不但要区分点是否在多边形内，还要描述在多边形内部的点的属性信息。 例如：一个中国政区图（多边形）和一个全国矿产分布图（点），二者经叠加分析后，并且将政区图多边形有关的属性

16、信息加到矿产的属性数据表中，然后通过属性查询，可以查询指定省有多少种矿产，产量有多少；而且可以查询指定类型的矿产在哪些省里有分布等信息。,线与多边形叠加,线与多边形的叠加，是比较线上坐标与多边形坐标的关系，判断线是否落在多边形内。 例如：当线状图层为河流，叠加的结果是多边形将穿过它的所有河流打断成弧段，可以查询任意多边形内的河流长度，进而计算它的河流密度等；如果线状图层为道路网，叠加的结果可以得到每个多边形内的道路网密度，内部的交通流量，进入、离开各个多边形的交通量，相邻多边形之间的相互交通量。,多边形的叠置,多边形的叠置是将两个或多个多边形图层进行叠加，产生一个新的多边形图层的操作，其结果是

17、将原来多边形要素分割成新要素，新要素综合了原来两层或多层的属性。这个过程是将两层中的多边形要素叠置，产生输出层中的新多边形要素，同时它们的属性也将联系起来，以满足建立分析模型的需要。 多边形叠置可以按UNION (并集)INTERSECT(交集) IDENTITY (并集被第一个输入层边界裁切后剩余部分) 等不同运算方式进行。,空间多边形叠置(UNION 并集),空间多边形叠置(INTERSECT 交集),空间多边形叠置(IDENTITY 交补集),2.3 栅格图层叠加,栅格数据结构空间信息隐含属性信息明显的特点，可以看作是最典型的数据层面，通过数学关系建立不同数据层面之间的联系是GIS提供的

18、典型功能。空间模拟尤其需要通过各种各样的方程将不同数据层面进行叠加运算，以揭示某种空间现象或空间过程。 例如：土壤侵蚀强度与土壤可蚀性，坡度，降雨侵蚀力等因素有关，可以根据多年统计的经验方程，把土壤可蚀性、坡度、降雨侵蚀力作为数据层面输入，通过数学运算得到土壤侵蚀强度分布图。,决策实例,例：辅助建筑项目选址,1）建立分析的目的和标准 目的：确定一些具体的地块，作为一个轻度污染工厂的可能建设位置。 工厂选址的标准包括： a）地块建设用地面积不小于10000平方米； b）地块的地价不超过1万元/平方米； c）地块周围不能有幼儿园、学校等公共设施，以免受到工厂生产的影响。 2）从数据库中提取用于选址

19、的数据 一类为全市所有地块信息的数据层；另一类为全市公共设施（包括幼儿园、学校）的分布图。,3）进行特征提取和空间拓扑叠加 从地块图中提取满足条件a)b)的地块，并与公共设施层数据进行叠加。 4）进行邻域分析 对叠加结果进行邻域分析和特征提取，去掉周围有幼儿园、学校等公共设施的地块，选择满足要求的地块。 5）将选择的地块及相关信息以地图和表格的形式打印输出。,-,=,点变换实例1：土地利用变化区域探测,80年遥感影像,90年遥感影像,点变换后影像,点变换后影像分析 通过80和90年两期影像的相减运算后得到变换影像，如果： 变换影像值 0；说明该区未发生变化 变换影像值 0；说明该区已发生变化,

20、10 耕地 20 居民点 30 水域 40 草地 50 未利用地 60 林地,Legend,注意：此处的遥感影像可以是分类结果，也可以是原始的遥感影像。 在一般应用中，多使用原始的遥感影像，可提高变化探测速度。,信息获取 研究方法 变化过程分析 机制分析,点变换实例2：土地利用变化分析,信息获取,土地类型转移矩阵: 根据两个不同时间（t和t+t）的土地利用图计算从一种类型到另一种类型的转换概率，来分析土地利用变化过程。它依靠GIS技术，将两个不同时间的土地利用图进行删格化处理，计算t时刻上A类有多少格网点转换成在t+t时刻的B，C，D等类型，转换点数占该类型总数的百分比可称为转移概率。,研究方

21、法,使用景观生态学方法，计算土地类型转移矩阵。,对任意两期土地利用类型图 和 ，按照下式的地图代数方法，可以求得：,由 k 时期到 k+1 时期的土地利用变化图 Cij，它表现了土地利用变化的类型及其空间分布。,注：表中 ai+ 代表土地类型 I 在转化前的总量；a+j 代表土地类型 I在转化后的总量；a 是土地总面积,类型转移距阵示例,变化过程分析,四、追踪分析,追踪分析一般都是基于栅格数据的。 栅格数据的追踪分析是指，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。 下图栅格所记录的是地面点的海拔高程值，根据地面水流必然向最大坡

22、度方向流动的基本追踪线索，可以得出在以上两个点位地面水流的基本轨迹。 此外，追踪分析法在扫描图件的矢量化、利用数字高程模型自动提取等高线、污染源的追踪分析等方面都发挥着十分重要的作用。,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。,6,4,7,10,25,20,19,16,8,12,15,21,25,34,22,15,11,17,24,32,30,27,21,12,14,25,31,39,32,25,14,7,20,29,32,33,23,21,12,3,20,26,28,25,20,16,13,4,20,23,23,18,12,9,9,4,

23、17,18,17,12,8,3,2,3,五、网络分析,数学定义 以图论和运筹学为基础，通过研究网络的状态以及模拟和分析资源在网络上的流动和分配情况，对网络结构及资源等的优化问题进行研究 GIS定义 依据网络拓扑关系，通过考察网络元素的空间与属性数据，以数学理论模型为基础，对网络的性能特征进行多方面的分析计算技术 铁路、公路 电力网、电讯网 煤气管网 各种服务网络 航空网络 街道网络,网络分析是基于矢量数据的，其主要用途是：选择最佳路径、选择最佳布局中心的位置。 网流量是指网络上从起点到终点的某个函数，如运输价格，运输时间等。网络上任意点都可以是起点或终点。 基本思想则在于人类活动总是趋向于按一

24、定目标选择达到最佳效果的空间位置；很多人类的社会、经济活动都是以网络形式运作；网络形式、容量和效率与社会生活息息相关。,网络数据结构,地理网络的特殊要素,地理网络的特殊要素,站点 网络中物流的装、卸位置，但不一定在网络结点上。 如公交路线的汽车站、邮政网络的邮筒等 中心 网络中具有集中或分散资源的结点 如公交系统的汽车总站、水系中的水库、街道网络中的学校、小区等,地理网络的特殊要素（续）,障碍点 网络中限制资源流通的点，如河流的闸门 拐点 网络中物流方向发生改变的点，如拐弯的时间和限制(如不允许左拐)。 有方向控制 段 弧或弧的一部分 由起点和终点，可通过百分比形式衡量,地理网络要素的属性数据

25、（续）,阻强 资源在网络流动中的阻力大小，如花费的时间，费用等。 资源容量 中心为满足各弧段要求而能提供的资源总量，或从一中心流向（接收）另一中心的资源总量，如水库容量、学校最大学生数等 中心点：最大容量、服务范围、服务延迟数等 资源需求量 网络中具体的线路、链、节点所能收集的或可以提供给某中心的资源量。如：流动人口、供水量,2、网络分析的基本方法,2.1 路径分析 a. 静态求最佳路径：由用户确定权值关系后，即给定每条弧段的属性，当需求最佳路径时，读出路径的相关属性，求最佳路径。 b. 动态分段技术：给定一条路径由多段联系组成，要求标注出这条路上的公里点或要求定位某一公路上的某一点，标注出某

26、条路上从某一公里数到另一公里数的路段。 c. N条最佳路径分析：确定起点、终点，求代价较小的几条路径，因为在实践中往往仅求出最佳路径并不能满足要求，可能因为某种因素不走最佳路径，而走近似最佳路径。 d. 最短路径：确定起点、终点和所要经过的中间点、中间连线，求最短路径。 e. 动态最佳路径分析：实际网络分析中权值是随着权值关系式变化的，而且可能会临时出现一些障碍点，所以往往需要动态地计算最佳路径。,2.2 资源分配 资源分配网络模型由中心点(分配中心)及其状态属性和网络组成。分配有两种方式，一种是由分配中心向四周输出，另一种是由四周向中心集中。这种分配功能可以解决资源的有效流动和合理分配。 资

27、源分配模型可用来计算中心地的等时区、等交通距离区、等费用距离区等。可用来进行城镇中心、商业中心或港口等地的吸引范围分析，以用来寻找区域中最近的商业中心，进行各种区划和港口腹地的模拟等。,2.3 最佳选址 功能选址时在一定条件下、某一制定区域内选择设施的最佳位置，本质是资源分配分析的延伸。如：连锁超市、邮筒、消防站、飞机场等 规划重要的公共设施 普通设施 ：医院、教育、养老院等 应急设施： 消防队、急救站等 表述为：设一定数量的需求点（消费点），求一定数量的供给点（公共设施）以及供给点的需求分配，用来完成某个规划目的,定位与分配的常用模型 最小距离法 所有需求点到服务点的总距离为最小 图书馆、食

28、物配送、健康设施、垃圾站设置等 最大覆盖模型 指定时间或距离到达需求的覆盖面最大 紧急救护、消防服务 最大最小距离 保证行程最小的情况下确保需求点在指定的最大距离范围内 等分配模型 服务点的服务在数量上相等 阀值限制模型 服务对象尽可能超过指定的量 容量限制模型 满足最大容量情况下的最大服务范围,六 空间插值,空间插值的概念和理论 空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面，以便与其它空间现象的分布模式进行比较，它包括了空间内插和外推两种算法。 空间内插算法是一种通过已知点的数据推求同一区域其它未知点数据的计算方法；空间外推算法则是通过已知区域的数据，推求其它区域数据的方法。,在以下几种情况下必须作空间插值： 1）现有的离散曲面的分辨率，象元大小或方向与所要求的不符，需要重新插值。例如将一个扫描影象（航空像片、遥感影象）从一种分辨率或方向转换到另一种分辨率或方向的影象。 2）现有的连续曲面的数据模型与所需的数据模型不符，需要重新插值。如将一个连续的曲面从一种空间切分方式变为另一种空间切分方式，从TIN到栅格、栅格到TIN或矢量多边形到栅格。 3）现有的数据不能完全覆盖所要求的区域范围，需要插值。如将离散的采样点数据内插为连续的数据表面。,本章结束，再见！,