第七讲地理信息系统.ppt

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1、,第十四章 空间查询与统计方法,14-2 空间数据的查询,14-3 属性数据的查询统计,14-1 GIS常用的空间统计分析模型,一、空间分析建模专业应用模型,1、定义： 空间分析模型是指用于GIS空间分析的数学模型，是在GIS空间数据基础上建立起来的模型，是通过作用于原始数据和派生数据的一组顺序的、交互的空间分析操作命令，对一个空间决策过程进行的模拟。,14-1 GIS常用的空间统计分析模型,如国家森林公园选址需要建立相应选址模型。 数据源已知，包括公路铁路分布图（线状地物），森林类型分布图（面状），城镇区划图（面状），需要得到国家森林公园候选地址信息提取的模型。,2、空间分析与应用模型的关系

2、,空间分析是基本的，解决一般问题的理论和方法，而一般应用模型是不可枚举的，是复合、复杂的，解决专门问题的理论和方法，它的解决应以空间分析的基本方法和算法模型为基础。（局部与整体的关系）,（1）空间分析模型是联系GIS应用系统与专业领域的纽带，必须以广泛、深入的专业研究为基础； （2）空间分析模型是综合利用GIS中大量数据的工具，数据的综合分析和应用主要通过模型来实现； （3）空间分析模型是分析型和辅助决策型GIS区别于管理型GIS的一个重要特征，是解决空间分析和辅助决策问题的核心。,3、空间分析模型的意义,4、地理信息建模系统（geographic information modelling

3、system，简称GIMS）,是研究如何根据给定条件（如已知数据和约束条件）自动生成解决问题（如确定候选地址）的整个操作过程。它能支持面向用户的空间分析模型的定义、生成和检验的环境，支持与用户交互式的基于GIS的分析、建模和决策，GIMS是目前GIS研究的热点问题之一。 自动空间建模极为复杂，目前，GIS空间建模是GIS的一个重要的研究方向。,5、空间建模现状： 通用GIS空间分析功能与各种领域专用模型的结合主要有三种途径：,3)混合型空间模型法 是前两种方法的结合，即尽可能利用GIS提供的功能，最大限度地减少用户自行开发的工作量和难度，又保持外部空间模型法的灵活性。,2)嵌入式（内部空间模型

4、法）,1)松散耦合式（外部空间模型法）,二、GIS中常用空间分析模型,1) 相关分析模型-用来分析研究各种地理要素数据之间相互关系的一种有效手段。 GIS地理数据库中存储的各种自然和人文地理要素(现象)的数据并不是孤立的，它们相互影响、相互制约，彼此之间存在着一定的联系。相关分析模型就是用来分析研究各种地理要素数据之间相互关系的一种有效手段。 地理数据库中各种地理要素数据之间的相关关系，通常可以分为参数相关和非参数相关两大类。其中，参数相关又可分为简单(两要素)线性相关，多要素间的相关模型，非参数相关可以分为顺序(等级)相关和二元分类相关。,二、GIS中常用空间分析模型,2) 趋势面分析模型用

5、来将现象的空间分布特征及其区域变化趋势模拟出来。 在GIS的空间分析中，经常要研究某种现象的空间分布特征与变化规律。许多现象在空间都具有复杂的分布特征，它们常常呈现为不规则的曲面。 欲研究这些现象的空间分布趋势，就要用适当的数学方法将现象的空间分布及其区域变化趋势模拟出来，这就是趋势面分析方法。,3) 预测模型-反映地理要素的动态发展规律，并用于预测分析。-常用回归模型。 GIS地理数据库的数据除了反映各种自然和人文要素(现象)的空间分布特征和相互关系外，还能反映地理要素的动态发展规律，并用于预测分析。 这种预测分析是建立在现象间因果关系的基础上的，即某些现象作为原因，另一种现象作为结果，原因

6、与结果的关系可以用确定的函数来描述，函数中的参数能说明这种因果关系的本质。 预测模型常用于判断结果随原因的变化而变化的方向和程度，用于推断随时间发生变化的大小。,4）聚类模型描述各种地理要素数据之间的近似程度，相似的可合并。 聚类分析是根据多种地学要素对地理实体进行划分类别的方法，对不同的要素划分类别往往反映不同目标的等级序列，如土地分等定级、水土流失强度分级等。 聚类分析的步骤一般是根据实体间的相似程度，逐步合并若干类别，其相似程度由距离或相似系数定义。进行类别合并的准则是使得类间差异最大，而类内差异最小。,14-2 空间数据的查询,空间数据库,查询条件,属性限制,空间拓扑限制,二者结合,G

7、IS软件,查询结果,统计结果： 图、表、文字,新图层,新的属性域添加到属性数据库,查询方式,图形-属性,空间查询语言,闪烁、颜色等明显表示,一、空间查询的方式,1、给出图形信息：如鼠标点取，拉框等方式。 1）检索其相应属性； 2）检索其空间拓扑关系,2、给出属性特征条件 1）检索对应的空间实体 2）查询属性 单纯查询：单纯地查询属性，或只查询空间拓扑关系 联合查询：将空间数据与属性数据联合查询。,二、空间数据查询种类,1、几何参数查询： 包括点的位置坐标，两点间的距离，一个或一段线目标的长度，一个面目标的周长或面积等。 实现：查询属性库或空间计算,2、空间定位查询： 给定一个点或一个几何图形，

8、检索该图形范围内的空间对象及其属性。 1）按点查询： 给定一个鼠标点，查询离它最近的对象及属性-点的捕捉。 2）开窗查询-按矩形、圆、多边形查询 分为该窗口包含和穿过的区别。 实现：根据空间索引，检索哪些对象可能位于该窗口，然后根据点、线、面在查询开窗内的判别计算，检索到目标。-空间运算方法,3、空间关系查询,1）相邻分析检索-通过检索拓扑关系 面面：如查询与面状地物相邻的多边形的实现方法： A、 从多边形与弧段关联表中，检索该多边形关联的所有弧段； B、 从弧段关联的左右多边形表中，检索出这些弧段关联的多边形。 线线（与某干流A相连的所有支流） A、 从线状地物表中，查找组成A的所有弧段及关

9、联的结点； B、 从结点表中，查询与这些结点关联的弧段； 点点（A与B是否相通）等。,2）相关分析检索（不同要素类型之间的关系）-通过检索拓扑关系 线面（我国边境线总长度）、点线（自来水GIS中，与某阀门相关的水管）、点面 3）包含关系查询 查询某个面状地物所包含的空间对象。 同层包含，如，某省的下属地区，若建立有空间拓扑关系，可直接查询拓扑关系表来实现。 不同层包含，如某省的湖泊分布，没有建立拓扑，实质是叠置分析检索，通过多边形叠置分析技术，只检索出在窗口界限范围内的地理实体，窗口外的实体作裁剪处理。,4）穿越查询 某公路穿越了某些县，采用空间运算的方法执行，根据一个线目标的空间坐标，计算哪

10、些面或线与之相交。 5）落入查询 一个空间对象落入哪个空间对象之内。-空间运算 6）缓冲区查询 根据用户给定的一个点、线、面缓冲的距离，从而形成一个缓冲区的多边形，再根据多边形检索原理，检索该缓冲区内的空间实体。,7）边沿匹配检索 空间查询在多幅地图的数据文件之间进行，这时需应用边沿匹配处理技术。,4、属性查询,1） 查找 仅选择一个属性表，给定一个属性值，找出对应的属性记录或图形。 在屏幕上已有一个属性表，用户任意点取记录，对应的图形以高亮显示。 实现：执行数据库查询语言，找到满足要求的记录，得到它的目标标识，再通过目标标识在图形数据文件中找到对应的空间对象，并显示出来。,实现：交互式选择各

11、项，输入后，系统再转换为标准的SQL，由数据库系统执行或ODBC C语言执行，得到结果，提取目标标识，在图形文件中找到空间对象，并显示。,Select 属性项 From 属性表 Where 条件 or条件 and 条件,2）SQL查询,3）扩展SQL,空间数据查询语言是通过对标准SQL的扩展来形成的，即在数据库查询语言上加入空间关系查询。为此需要增加空间数据类型（如点、线、面等）和空间操作算子（如求长度、面积、叠加等）。在给定查询条件时也需含有空间概念，如距离、邻近、叠加等。 例如，“查询长江流域人口大于50万的县或市”，可表示为： SELECT * FROM县或市 WHERE 县或市.人口

12、50万 AND CROSS（河流.名称=“长江”） 主要优点是：保留了SQL的风格，便于熟悉SQL的用户的掌握，通用性较好，易于与关系数据库连接。 执行扩展SQL，如果要将属性和空间关系整体统一起来，从底层进行查询优化，有一定困难。目前一般将两层分开进行查询。,5、其它查询方法,1）可视化空间查询 可视化查询是指将查询语言的元素，特别是空间关系，用直观的图形或符号表示。查询主要使用图形、图像、图标、符号来表达概念。 具有简单、直观、易于使用的特点。 缺点：当空间约束条件复杂时，很难用图符描述；用二维图符表示图形之间的关系时，可能会出现歧义；难以表示“非”关系；不易进行范围（圆、矩形、多边形等）

13、约束；无法进行屏幕定位查询等。,2）超文本查询,图形、图像、字符等皆当作文本，并设置一些“热点”（HotSpot），“热点”可以是文本、键等。 用鼠标点击“热点”后，可以弹出说明信息、播放声音、完成某项工作等。但超文本查询只能预先设置好，用户不能实时构建自己要求的各种查询。,三、查询结果显示,GIS空间数据查询不仅能给出查询到的数据，还应以最有效的方式将空间数据显示给用户。例如对于查询到的地理现象的属性数据，能以表格、统计图表的形式显示，或根据用户的要求来确定。 空间数据的最佳表示方式是地图，因而，空间数据查询的结果最好以专题地图的形式表示出来。 但目前把查询的结果制作成专题地图还需要一个比较

14、复杂的过程。为了方便查询结果的显示，Max（1991，1994）在基于扩展SQL的查询语言中增加了图形表示语言，作为对查询结果显示的表示。,可选定的6种显示环境参数,1、显示方式（the display mode） 有5种显示方式用语多次查询结果的运算：刷新、覆盖、清除、相交和强调。 2、图形表示（the graphical presentation） 用于选定符号、图案、色彩等。 3、绘图比例尺（the scale of the drawing） 确定地图显示的比例尺（内容和符号不随比例尺变化）。 4、显示窗口（the window to be shown） 确定屏幕上显示窗口的尺寸。 5、

15、相关的空间要素（the spatial context） 显示相关的空间数据，使查询结果更容易理解。 6、查询内容的检查（the examination of the content） 检查多次查询后的结果。 通过选择这些环境参数可以把查询结果以用户选择的不同的形式显示出来，但离把查询结果以丰富多彩的专题地图显示出来的目标还相差很远。,属性与图形之间的关联查询,点击几何对象显示属性 点击属性高亮定位几何对象,一、统计图表分析,能被用户直观地观察和理解数据。 统计表格是详尽地表示非空间数据的方法，不直观，但可提供详细数据，便于对数据进行再处理。,14-3 属性数据的查询统计,二、属性数据的集中特

16、征数-找出数据分布的集中位置,3、数学期望：反映数据分布的集中趋势。 4、中数：有序数据集中出现频率占半数的数据值。 5、众数：众数是具有最大可能出现的数值。,1、频数和频率,将变量xi（i1,2,，n）按大小顺序排列，并按一定的间距分组。 频数：变量在各组出现或发生的次数； 频率：各组频数与总频数之比； 用以表示事件出现的次数和频率，事件的分布状况。,2、平均数：反映了数据取值的集中位置，通常有简单算术平均数和加权算术平均数。,三、属性数据的离散特征数,描述数据集的离散程度，相对于中心位置的程度,1、 极差：是一组数据中最大值与最小值之差；,2、 离差，平均离差与离差平方：,1）离差：一组数

17、据中的各数据值与平均数之差；,2）平均离差：将离差取绝对值，然后求和，再取平均数；,3）离差平方：离差求平方和；,平均离差和离差平方和是表示各数值相对于平均数的离散程度的重要统计量。,3、 方差与标准差 1） 方差： 是均方差的简称，是以离差平方和除以变量个数求得的，记为2； 2） 标准差：标准差是方差的平方根；,4、变差系数： 用来衡量数据在时间和空间上的相对变化的程度，它是无量纲的量。 为标准差除以平均数取百分。,四、统计数据的分类分级,1、系统聚类法：根据距离，将相似的样本归为一类，把差异大的样本区分开来。,距离：表示相似程度，可以欧氏距离，绝对值距离、相似系数距离等。,1：东北区 2：

18、内蒙古及长城沿线区 3：黄淮海区 4：黄土高原区 5：长江中下游区 6：西南区 7：华南区 8：甘新区 9：青藏区,九大农业区聚类分析,3,4 9 2 8 1 5 7 6,基本思想：首先是n个样本各自成一类，然后计算类与类之间的距离，选择距离最小的两类合并成一个新类，计算新类与其它类的距离，再将距离最小的两类进行合并，这样每次减少一类，直到达到所需的分类数或所有的样本都归为一类为止。,2、最优分割分级法针对有序样本或可变为有序(排序)的样本,n个数据按大小顺序排列后，有(n-1)个“空隙”，如分成k个等级，则需(k-1)个分级界线。因此，n个数据分成k级的可能分法有 种。 对于每种分级，可按定义为各级内数据的离差平方和之和的误差函数公式来计算分级误差的大小，选择级内离差平方和为最小而级间离差平方和为极大的一种分级方法为最优。 离差：一组数据中的各数据值与平均数之差称为离差。,本章重点和思考题,1、空间查询通常用哪些方式？空间查询的对象是什么？ 2、空间统计有哪些主要方法？空间统计和空间查询有什么关系？ 3、GIS如何表示查询和统计的结果？,