空間分析的資料第1頁/共82頁第一節(jié)GIS空間分析概述一空間分析

1定義空間分析是以地理事物的空間位置和形態(tài)特征為基礎，以空間數據運算、空間數據和屬性數據的綜合運算為特征，提取和產生新的空間信息的技術和過程。數據的空間分析和空間數據的分析第2頁/共82頁2理解2.1空間數據的分析描述空間對象的非空間特性方法：概率、數理統(tǒng)計、統(tǒng)計學等數學方法特點：幾何特征不是主要限制因子（例：聚類分析、主成分分析）數據處理與一般的數據統(tǒng)計分析基本一致分析結果依托于地理空間，描述空間過程，揭示空間規(guī)律和機制。2.2數據的空間分析定量描述空間對象的空間位置、關系方法：空間統(tǒng)計學、圖論、拓撲學、計算幾何等。特點：是空間事物的描述和說明，特征提取和參數計算回答是什么、在那里、有多少和怎么樣，不回答為什么第3頁/共82頁二空間分析的主要內容1空間位置：借助于空間坐標系傳遞空間對象的定位信息，是空間對象表述的研究基礎，即投影與轉換理論。2空間分布：同類空間對象的群體定位信息，包括分布、趨勢、對比等內容。3空間形態(tài)：空間對象的幾何形態(tài)4空間距離：空間物體的接近程度5空間關系：空間對象的相關關系，包括拓撲、方位、相似、相關第4頁/共82頁三基本方法1.空間查詢與量算：符合條件的查詢2.空間數據內插：等高線內插（函數關系）外推3.空間數據在分類：不同的研究需要林地的分類4.緩沖區(qū)分析：污染或者危險地帶潛在影響區(qū)域5.疊加分析：不同時期的土地利用變化6.追蹤分析：等高線確定水流方向，匯水區(qū)分析7.網絡分析：最佳路徑的選擇（費用、時間等）第5頁/共82頁第二節(jié)GIS空間分析基本方法一空間查詢（GIS基本的功能之一）查詢和定位空間對象，并對空間對象進行量算是GIS的基本功能之一，它是GIS進行高層次分析的基礎。在GIS中，為進行高層次分析，往往需要查詢定位空間對象，并用一些簡單的量測值對地理分布或現(xiàn)象進行描述，如長度、面積、距離等。實際上，空間分析首先始于空間查詢和量算，它是空間分析的定量基礎?？臻g查詢特性：回答用戶的簡單問題/不改變空間數據庫數據/不產生新的空間實體和數據/空間查詢技術發(fā)展由簡單到復雜第6頁/共82頁空間查詢的方式內容和結果方式內容結果幾何查詢屬性查詢臨近空間對象與屬性高亮度顯示拓撲查詢SQL查詢空間對象分布空間關系空間對象與屬性屬性列表統(tǒng)計地圖第7頁/共82頁

圖形查屬性是根據圖形的空間位置來查詢有關屬性信息。根據鼠標所指的空間位置（或通過矩形、圓、多邊形等選擇空間范圍），系統(tǒng)可以查出該位置或范圍的空間實體及屬性，并顯示出該空間對象的屬性列表，并可進行有關統(tǒng)計分析。通常這種查詢分為兩步，首先，根據空間索引，在圖形庫中找出空間實體，再通過圖形庫和屬性庫的連接查出空間實體的屬性列表，并顯示。1圖形查屬性第8頁/共82頁第9頁/共82頁第10頁/共82頁2屬性查圖形屬性查圖形是根據一定的屬性條件來查詢滿足條件的空間實體的位置。如在中國人口信息系統(tǒng)中查出城市人口大于500萬的城市。這類查詢主要的操作是在屬性庫中進行，利用關系數據庫的SQL操作，得到查詢結果，又利用屬性和圖形的對應關系，在圖上亮顯出選定實體的空間位置。稱為SQL查詢。Arc/View中，是通過TABLE下的QUERY命令來完成。第11頁/共82頁第12頁/共82頁3圖形與屬性混合查詢圖形與屬性的混合查詢是一種更為復雜的查詢，查詢的條件并不僅僅是某些屬性條件或某個空間范圍，而常常是兩者的綜合，如用戶想查詢滿足以下條件的縣城：縣城人口大于5萬；距離某條鐵路不超過10KM；位于選定的某個區(qū)域等。這樣的查詢常常是基于某些空間關系和屬性特征，比較復雜，在空間查詢中，是比較難于完成的。Arc/View中，混合查詢通過幾個命令的綜合來完成。上述例子可通過Mapquery和Neighborhoodstatistic命令結合完成。第13頁/共82頁屬性數據與空間數據的聯(lián)合查詢問題：在陜西省確定旅游勝地的可能地點。條件：人口大于2000，據主要公路不超過兩公里第14頁/共82頁屬性數據查詢：布爾運算符用來連接兩個或兩個以上的邏輯表達式運算符：AND、OR、NOT

與運算：Class=2ANDage>15

或運算：Class=2ORage>15;

否運算：NOT(Class=2)AND(age>15)第15頁/共82頁第16頁/共82頁AANDB：檢索出埋深小于3米且長度小于300米的所有煤氣管；第17頁/共82頁第18頁/共82頁二緩沖區(qū)分析鄰近度（Proximity）描述了地理空間中兩個地物距離相近的程度度，其確定是空間分析的一個重要手段。交通沿線或河流沿線的地物有其獨特的重要性，公共設施的服務半徑，大型水庫建設引起的搬遷，鐵路、公路以及航運河道對其所穿過區(qū)域經濟的發(fā)展的重要性等，均是一個鄰近度問題。緩沖區(qū)分析是解決鄰近度問題的空間分析工具之一。第19頁/共82頁

緩沖區(qū)分析是根據數據庫的點、線、面實體，自動建立其周圍一定寬度范圍內的緩沖區(qū)多邊形實體，從而實現(xiàn)空間數據在水平方向得以擴展的信息分析方法。點的緩沖區(qū)：例如噪音污染、核電廠線的緩沖區(qū)：例如高速公路綠化帶（尾氣的污染范圍、對居民的影響）、河流、高壓輸電線路等面的緩沖區(qū)：例如森林邊緣的生態(tài)效應，內部物種的活動范圍即為正負緩沖區(qū)、自然保護區(qū)第20頁/共82頁基本緩沖區(qū)類型第21頁/共82頁第22頁/共82頁緩沖區(qū)變形

緩沖距離不一定為常數主流用200米，支流用100米可形成緩沖環(huán)核電站：5km,10km,20km,50km

單側緩沖區(qū)單個緩沖區(qū)與完整緩沖區(qū)第23頁/共82頁緩沖區(qū)變異第24頁/共82頁第25頁/共82頁第26頁/共82頁緩沖區(qū)用途查詢空間分析據學校一定距離內不能有游戲廳都是規(guī)劃中的河流一定范圍內不能建筑道路拆遷估算商業(yè)選址（新建超市、飯店）森林經營過程中的采伐（距道路的遠近、河流兩岸、林木的年齡分布、自然更新條件）第27頁/共82頁第28頁/共82頁第29頁/共82頁決策實例例:道路拓寬改建過程中的拆遷指標計算1）明確分析的目的和標準目的：計算由于道路拓寬而需拆遷的建筑物的面積和房產價值；道路拓寬改建的標準是：

a)道路從原有的20m拓寬至60m；

b)拓寬道路應盡量保持直線；

c)部分位于拆遷區(qū)內的10層以上的建筑不拆除。2）準備進行分析的數據涉及兩類信息：一類是現(xiàn)狀道路圖；另一類是分析區(qū)域內建筑物分布圖及相關的信息；第30頁/共82頁3）進行空間操作

a)選擇擬拓寬的道路，根據拓寬半徑，建立道路的緩沖區(qū)。

b)將此緩沖區(qū)與建筑物層數據進行拓撲疊加，產生一幅新圖，此圖包括所有部分或全部位于緩沖區(qū)內的建筑物信息。4）進行統(tǒng)計分析

a)對全部或部分位于拆遷區(qū)內的建筑物進行選擇，凡部分落入拆遷區(qū)且樓層高于10層以上的建筑物，將其從選擇組中去除，并對道路的拓寬邊界進行局部調整。

b)對所有需拆遷的建筑物進行拆遷指標計算。5）將分析結果以地圖或表格的形式打印輸出。第31頁/共82頁解題流程解題過程

首先要以區(qū)域的道路分布圖、河流分布圖、森林分布圖為數據源。解題流程見圖所示。道路分布圖森林分布圖河流分布圖結束生成道路周圍5km緩沖區(qū)疊置生成河流周圍1km緩沖區(qū)疊置緩沖區(qū)分析實例已知一伐木公司，獲準在某林區(qū)采伐，為防止水土流失，規(guī)定不得在河流周圍1km內采伐林木。另外，為便于運輸，決定將采伐區(qū)定在道路周圍5km之內。請找出符合上述條件的采伐區(qū)，輸出森林采伐圖。第32頁/共82頁將該地區(qū)具有相同比例尺且進行配準的道路分布圖、河流分布圖、森林分布圖，進行預處理和數字化；利用河流分布圖生成1km的等距離緩沖區(qū)；利用道路分布圖生成5km的等距離緩沖區(qū)；森林分布圖中可采伐林地、道路緩沖區(qū)及河流緩沖區(qū)圖進行疊置，疊置條件表達式為:

采伐區(qū)＝森林分布圖中可伐林地∩道路周圍5km緩沖區(qū)∩非河流周圍1km緩沖區(qū)將上述3張圖進行兩兩疊置，所得結果即為森林采伐圖。第33頁/共82頁緩沖區(qū)分析實例如已知一湖泊，要求在它周圍5000m內必需禁止任何污染性工業(yè)企業(yè)存在，在它周圍500m內必需禁止建筑任何永久性建筑物。解題步驟：（1）先建立緩沖區(qū)；（2）同現(xiàn)有污染性工業(yè)企業(yè)圖疊置，顯示在范圍內應禁止的污染性工業(yè)企業(yè)；（3）同現(xiàn)有永久性建筑物圖疊置，顯示在范圍內應禁止的永久性建筑物。第34頁/共82頁緩沖區(qū)分析實例如已知流域水系圖，要求計算在它周圍5公里內所有建筑物,以便進行分析。解題步驟：（1）先建立緩沖區(qū)；（2）同現(xiàn)有污染性工業(yè)企業(yè)圖疊置，顯示在范圍內應禁止的污染性工業(yè)企業(yè)；（3）同現(xiàn)有永久性建筑物圖疊置，顯示在范圍內應禁止的永久性建筑物。第35頁/共82頁三疊加分析1原理大部分GIS軟件以分層的方式組織地理景觀，將地理景觀按主題分層提取，同一地區(qū)的整個數據層集表達了該地區(qū)地理景觀的內容。疊置分析是GIS最常用的提取空間隱含信息的手段之一。該方法來源于傳統(tǒng)的透明材料疊加。既將來自不同數據源的圖紙繪于透明紙上，在透光桌上將其疊放在一起，然后用筆勾出感興趣的部分。

GIS中的疊加分析是將有關專題層面進行疊加產生一個新的數據層面的操作，其結果綜合了原來兩層或多層要素所具有的屬性。第36頁/共82頁概念疊置分析是將兩層或多層地圖要素進行疊置產生一個新要素層的操作，其結果將原來要素分割成新的要素，新要素綜合了原來兩層或多層要素所具有的屬性。也就是說，疊置分析不僅生成了新的空間關系，還將輸入數據層的屬性聯(lián)系起來產生了新的屬性關系。疊置分析是對新要素的屬性按一定的數學模型進行計算分析，進而產生用戶需要的結果或回答用戶提出的問題。第37頁/共82頁2分類（專題分層，區(qū)域分塊）2.1視覺信息的疊加視覺信息的疊加是將不同層面的信息疊加顯示在結果圖件或屏幕上，它不產生新的數據層面。常被用來進行區(qū)域適應性評價、資源開發(fā)利用、規(guī)劃等多因素分析研究工作。地理信息系統(tǒng)中視覺信息的疊加包括5類：

(1)面狀圖、線狀圖和點狀圖之間的復合；

(2)面狀圖區(qū)域邊界之間或一個面狀圖與其他專題區(qū)域邊界之間的復合；

(3)遙感影像與專題地圖的復合；

(4)專題地圖與數字高程模型復合顯示立體專題圖；

(5)遙感影像與DEM（數字高程模型）復合生成三維地物景觀。第38頁/共82頁面狀圖、線狀圖和點狀圖之間的復合第39頁/共82頁面狀圖與專題區(qū)域邊界之間的復合第40頁/共82頁遙感影像與專題地圖的復合第41頁/共82頁專題地圖與數字高程模型復合第42頁/共82頁遙感影像與DTM復合第43頁/共82頁2.2矢量圖層的疊加

根據疊加的矢量數據類型的不同，分為點與多邊形的疊置、線與多邊形的疊置、多邊形疊置三種。點與多邊形疊加點與多邊形疊加，實際上是計算多邊形對點的包含關系。通過點與多邊形疊加，可以計算出每個多邊形類型里有多少個點，不但要區(qū)分點是否在多邊形內，還要描述在多邊形內部的點的屬性信息。例如：一個中國政區(qū)圖（多邊形）和一個全國礦產分布圖（點），二者經疊加分析后，并且將政區(qū)圖多邊形有關的屬性信息加到礦產的屬性數據表中，然后通過屬性查詢，可以查詢指定省有多少種礦產，產量有多少；而且可以查詢指定類型的礦產在哪些省里有分布等信息。第44頁/共82頁線與多邊形疊加

線與多邊形的疊加，是比較線上坐標與多邊形坐標的關系，判斷線是否落在多邊形內。例如：當線狀圖層為河流，疊加的結果是多邊形將穿過它的所有河流打斷成弧段，可以查詢任意多邊形內的河流長度，進而計算它的河流密度等；如果線狀圖層為道路網，疊加的結果可以得到每個多邊形內的道路網密度，內部的交通流量，進入、離開各個多邊形的交通量，相鄰多邊形之間的相互交通量。

第45頁/共82頁多邊形的疊置

多邊形的疊置是將兩個或多個多邊形圖層進行疊加，產生一個新的多邊形圖層的操作，其結果是將原來多邊形要素分割成新要素，新要素綜合了原來兩層或多層的屬性。這個過程是將兩層中的多邊形要素疊置，產生輸出層中的新多邊形要素，同時它們的屬性也將聯(lián)系起來，以滿足建立分析模型的需要。多邊形疊置可以按UNION(并集)INTERSECT(交集)IDENTITY(并集被第一個輸入層邊界裁切后剩余部分)等不同運算方式進行。第46頁/共82頁第47頁/共82頁第48頁/共82頁AB123451B2B1A2A4A3A5B3B4B降雨量土壤類型適宜農作物第49頁/共82頁空間多邊形疊置(UNION并集)第50頁/共82頁空間多邊形疊置(INTERSECT交集)第51頁/共82頁空間多邊形疊置(IDENTITY交補集)第52頁/共82頁2.3柵格圖層疊加

柵格數據結構空間信息隱含屬性信息明顯的特點，可以看作是最典型的數據層面，通過數學關系建立不同數據層面之間的聯(lián)系是GIS提供的典型功能?？臻g模擬尤其需要通過各種各樣的方程將不同數據層面進行疊加運算，以揭示某種空間現(xiàn)象或空間過程。例如：土壤侵蝕強度與土壤可蝕性，坡度，降雨侵蝕力等因素有關，可以根據多年統(tǒng)計的經驗方程，把土壤可蝕性、坡度、降雨侵蝕力作為數據層面輸入，通過數學運算得到土壤侵蝕強度分布圖。第53頁/共82頁決策實例例：輔助建筑項目選址1）建立分析的目的和標準目的：確定一些具體的地塊，作為一個輕度污染工廠的可能建設位置。工廠選址的標準包括：

a）地塊建設用地面積不小于10000平方米；

b）地塊的地價不超過1萬元/平方米；

c）地塊周圍不能有幼兒園、學校等公共設施，以免受到工廠生產的影響。2）從數據庫中提取用于選址的數據一類為全市所有地塊信息的數據層；另一類為全市公共設施（包括幼兒園、學校）的分布圖。第54頁/共82頁3）進行特征提取和空間拓撲疊加從地塊圖中提取滿足條件a)b)的地塊，并與公共設施層數據進行疊加。4）進行鄰域分析對疊加結果進行鄰域分析和特征提取，去掉周圍有幼兒園、學校等公共設施的地塊，選擇滿足要求的地塊。5）將選擇的地塊及相關信息以地圖和表格的形式打印輸出。第55頁/共82頁101060601010206030303060101060601010306030303060-=0000001000000點變換實例1：土地利用變化區(qū)域探測80年遙感影像90年遙感影像點變換后影像點變換后影像分析通過80和90年兩期影像的相減運算后得到變換影像，如果：變換影像值＝0；說明該區(qū)未發(fā)生變化變換影像值≠0；說明該區(qū)已發(fā)生變化10耕地20居民點30水域40草地50未利用地60林地Legend注意：此處的遙感影像可以是分類結果，也可以是原始的遙感影像。在一般應用中，多使用原始的遙感影像，可提高變化探測速度。第56頁/共82頁信息獲取研究方法變化過程分析機制分析點變換實例2：土地利用變化分析更新土地利用圖社經統(tǒng)計數據動態(tài)變化研究變化信息的解譯與制圖變化數據管理原始遙感信息專題圖件數據預處理空間操作與分析圖像預處理影像分類變化信息探測結果比較變化信息分類高分辨率圖像融合

土地利用/覆蓋動態(tài)變化研究框架第57頁/共82頁1985年(TM)1995年(TM)1998年(SPOT)2000年(TM)

不同時期土地利用圖信息獲取第58頁/共82頁土地類型轉移矩陣:根據兩個不同時間（t和t+△t）的土地利用圖計算從一種類型到另一種類型的轉換概率，來分析土地利用變化過程。它依靠GIS技術，將兩個不同時間的土地利用圖進行刪格化處理，計算t時刻上A類有多少格網點轉換成在t+△t時刻的B，C，D等類型，轉換點數占該類型總數的百分比可稱為轉移概率。研究方法使用景觀生態(tài)學方法，計算土地類型轉移矩陣。第59頁/共82頁對任意兩期土地利用類型圖和，按照下式的地圖代數方法，可以求得：由k時期到k+1

時期的土地利用變化圖Ci×j，它表現(xiàn)了土地利用變化的類型及其空間分布。

第60頁/共82頁

12┄nai+1a11a12┄a1na1+2a21a22┄a2na2+┆┆┆┆

Nan1a32┄annan+a+ja+1a+2┄a+na注：表中ai+代表土地類型I在轉化前的總量；a+j代表土地類型I在轉化后的總量；a是土地總面積

類型轉移距陣示例

第61頁/共82頁變化過程分析第62頁/共82頁第63頁/共82頁第64頁/共82頁四、追蹤分析追蹤分析一般都是基于柵格數據的。柵格數據的追蹤分析是指，對于特定的柵格數據系統(tǒng)，由某一個或多個起點，按照一定的追蹤線索進行追蹤目標或者追蹤軌跡信息提取的空間分析方法。下圖柵格所記錄的是地面點的海拔高程值，根據地面水流必然向最大坡度方向流動的基本追蹤線索，可以得出在以上兩個點位地面水流的基本軌跡。此外，追蹤分析法在掃描圖件的矢量化、利用數字高程模型自動提取等高線、污染源的追蹤分析等方面都發(fā)揮著十分重要的作用。第65頁/共82頁

對于特定的柵格數據系統(tǒng)，由某一個或多個起點，按照一定的追蹤線索進行追蹤目標或者追蹤軌跡信息提取。647102520191681215212534221511172432302721121425313932251472029323323211232026282520161342023231812994171817128323第66頁/共82頁第67頁/共82頁五、網絡分析數學定義以圖論和運籌學為基礎，通過研究網絡的狀態(tài)以及模擬和分析資源在網絡上的流動和分配情況，對網絡結構及資源等的優(yōu)化問題進行研究GIS定義依據網絡拓撲關系，通過考察網絡元素的空間與屬性數據，以數學理論模型為基礎，對網絡的性能特征進行多方面的分析計算技術鐵路、公路電力網、電訊網煤氣管網各種服務網絡航空網絡街道網絡第68頁/共82頁網絡分析是基于矢量數據的，其主要用途是：選擇最佳路徑、選擇最佳布局中心的位置。網流量是指網絡上從起點到終點的某個函數，如運輸價格，運輸時間等。網絡上任意點都可以是起點或終點。基本思想則在于人類活動總是趨向于按一定目標選擇達到最佳效果的空間位置；很多人類的社會、經濟活動都是以網絡形式運作；網絡形式、容量和效率與社會生活息息相關。第69頁/共82頁網絡數據結構結點網絡中分布的中間點、交點等，弧段交點鏈連接節(jié)點并具有運輸能力的線段（弧段）第70頁/共82頁地理網絡的特殊要素3人10人5人學校8路公共汽車起點站8路公共汽車終點站6人路徑站點中心拐點障礙點段第71頁/共82頁地理網絡的特殊要素站點網絡中物流的裝、卸位置，但不一定在網絡結點上。如公交路線的汽車站、郵政網絡的郵筒等中心網絡中具有集中或分散資源的結點如公交系統(tǒng)的汽車總站、水系中的水庫、街道網絡中的學校、小區(qū)等第72頁/共82頁地理網絡的特殊要素（續(xù)）障礙點網絡中限制資源流通的點，如河流的閘門拐點網絡中物流方向發(fā)生改變的點，如拐彎的時間和限制(如不允許左拐)。有方向控制段弧或弧的一部分由起點和終點，可通過百分比形式衡量第73頁/共82頁地理網絡要素的屬性數據（續(xù)）阻強資源在網絡流動中的阻力大小，如花費的時間，費用等。資源容量中心為滿足各弧段要求而能提供的資源總量，或從一中心流向（接收）另一中心的資源總量，如水庫容量、學校最大學生數等中心點：最大容量、服務范圍、服務延遲數等資源需求量網絡中具體的線路、鏈、節(jié)點所能收集的或可以提供給某中心的資源量。如：流動人口、供水量第74頁/共82頁2、網絡分析的基本方法2.1路徑分析

a.靜態(tài)求最佳路徑：由用戶確定權值關系后，即給定每條弧段的屬性，當需求最佳路徑時，讀出路徑的相關屬性，求最佳路徑。

b.動態(tài)分段技術：給定一條路徑由多段聯(lián)系組成，要求標注出這條路上的公里點或要求定位某一公路上的某一點，標注出某條路上從某一公里數到另一公里數的路段。

c.N條最佳路徑分析：確定起點、終點，求代價較小的幾條路徑，因為在實踐中往往僅求出最佳路徑并不能滿足要求，可能因為某種因素不走最佳路徑，而走近似最佳路徑。

d.最短路徑：確定起點、終點和所要經過的中間點、中間連線，求最短路徑。

e.動態(tài)最佳路徑分析：實際網絡分析中權值是隨著權值關系式變化的，而且可能會臨時出現(xiàn)一些障礙點，所以往往需要動態(tài)地計算最佳路徑。第