1、第五章 空間分析的原理與方法,1 數(shù)字地形模型分析 2 空間疊合分析 3 空間緩沖區(qū)分析 4 空間網(wǎng)絡(luò)分析,GIS基本功能,GIS能作什么？,空間分析概述,空間分析的概念 空間分析是基于空間數(shù)據(jù)的分析技術(shù)，它以地學(xué)原理為依托，通過分析算法，從空間數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)地理對象的空間位置、空間分布、空間形態(tài)、空間形成和空間演變等信息。 按照Goodchild提出的空間分析框架，空間分析分為 產(chǎn)生式分析(product mode) DEM分析、疊合分析、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)分析 咨詢式分析(query mode) 集合分析、查詢分析,空間分析概述,根據(jù)空間數(shù)據(jù)的形式將空間分析分為： 矢量數(shù)據(jù)空間分析 柵格數(shù)據(jù)

2、空間分析,第一節(jié) 數(shù)字地形模型分析,數(shù)字地形模型：地形的數(shù)字化表達(dá)，Miller于1956年為了自動設(shè)計(jì)高速公路提出。 定義：對二維地理空間上具有連續(xù)變化特征地理現(xiàn)象的模型化表達(dá)和過程模擬。簡單地說，空間起伏連續(xù)變化現(xiàn)象的數(shù)字化表達(dá)和分析工具的集合。,第一節(jié) 數(shù)字地形模型分析,從維度來說，DEM是2.5維的數(shù)據(jù) 2D：X,Y相互獨(dú)立 2.5D：Z=f(X,Y) 3D：X,Y,Z相互獨(dú)立,第一節(jié) 數(shù)字地形模型分析,DEM的研究內(nèi)容：,第一節(jié) 數(shù)字地形模型分析,DEM研究的主要內(nèi)容： 數(shù)據(jù)采集方法 空間數(shù)據(jù)內(nèi)插技術(shù) 空間數(shù)據(jù)組織和管理 空間分析理論與方法,第一節(jié) 數(shù)字地形模型分析,一、地形因子計(jì)算

3、 （一）坡度和坡向的計(jì)算 坡度：局部地表面與水平面之間的夾角。 坡向：最大高程變化率所在的方向。 計(jì)算坡度、坡向方法包括：空間矢量分析法、擬合曲面法,第一節(jié) 數(shù)字地形模型分析,（二）曲面面積的計(jì)算 兩種方法：矢量法和三角形求和法 （三）地表粗糙度的計(jì)算 粗糙度：地表單元曲面面積與投影面積之比。 （四）高程及變異分析 平均高程：地表單元網(wǎng)格四個頂點(diǎn)的高程平均值。 高程變異：以網(wǎng)格單元頂點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差與平均高程的比值表示，來反映地表單元網(wǎng)格各頂點(diǎn)高程變化的指標(biāo)。 （五）谷脊特征分析 溝谷密度：溝谷總長度與地表單元面積之比。 溝谷深度值：地表單元內(nèi)幾個谷點(diǎn)切割深度的均值,二、地形剖面線的計(jì)算 地形剖面線

4、：從一個點(diǎn)出發(fā)到另一個點(diǎn)的地形變化情況。 方法：通過DEM得到，運(yùn)用插值算法在剖面的兩點(diǎn)間插值出相應(yīng)的高程數(shù)據(jù)。,第一節(jié) 數(shù)字地形模型分析,第一節(jié) 數(shù)字地形模型分析,三、DEM的通視分析 實(shí)現(xiàn)方法：在任意兩點(diǎn)間生成剖面線，在需要分析的兩點(diǎn)間畫直線，若直線與剖面線有交點(diǎn)則不能通視，無交點(diǎn)則判斷這兩點(diǎn)是否高于剖面線的高程。,第二節(jié) 空間疊合分析,問題的提出： 地學(xué)多因子分析的需要 在實(shí)際問題中，往往需要將地學(xué)現(xiàn)象分解為許多單個的因子分別研究。例如，將自然地理要素分解為地質(zhì)、地貌、水文、氣象、生物，土壤等，但在研究實(shí)際問題又需要選取其中的幾項(xiàng)進(jìn)行研究。,第二節(jié) 空間疊合分析,疊置分析的基本條件： 1

5、：參加疊置分析的不同數(shù)據(jù)層的地理范圍必須是一致的 2：參與疊置分析的多層面數(shù)據(jù)必須有效匹配（投影、坐標(biāo)系、元數(shù)據(jù)參數(shù)） 3：參與疊置分析分析模型和數(shù)據(jù)必須有效匹配,第二節(jié) 空間疊合分析,空間疊合分析（Spatial Overlay analysis）：又稱疊加分析、疊置分析，在統(tǒng)一空間參照系統(tǒng)條件下，每次將同一地區(qū)兩個地理對象的圖層進(jìn)行疊合，以產(chǎn)生空間區(qū)域的多重屬性特征，或建立地理對象之間的空間對應(yīng)關(guān)系。 空間合成疊合 空間統(tǒng)計(jì)疊合,空間合成疊合,用于搜索同時具有幾種地理屬性的分布區(qū)域，或?qū)ΟB合后產(chǎn)生的多重屬性進(jìn)行新的分類。,空間統(tǒng)計(jì)疊合,用于提取某個區(qū)域范圍內(nèi)某些專題內(nèi)容的數(shù)量特征。,第二節(jié)

6、 空間疊合分析,基于矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的疊合分析 參與分析的兩個圖層均為矢量數(shù)據(jù) 優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)量小 缺點(diǎn)：運(yùn)算過程比較復(fù)雜 基于柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的疊合分析 參與分析的兩個圖層均為柵格數(shù)據(jù) 優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)算過程比較簡單 缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)量大,第二節(jié) 空間疊合分析,柵格疊合分析： 兩個或多個相同地區(qū)柵格圖層 相同的柵格單元大小 不同圖層間對應(yīng)柵格進(jìn)行運(yùn)算 運(yùn)算結(jié)果生成新的柵格圖層 目的是產(chǎn)生新的空間信息 又稱為“地圖代數(shù)” 點(diǎn)變換方法 區(qū)域變換方法 鄰域變換方法,Input A,Input B,Output,基于矢量數(shù)據(jù)的疊合分析,點(diǎn)與多邊形的疊合 線與多邊形的疊合 多邊形與多邊形的疊合,點(diǎn)與多邊形的疊合（ point-

7、in-polygon overlay ）,包含點(diǎn)的圖層與包含多邊形的圖層 判斷點(diǎn)包含在哪一個多邊形里面，從而為點(diǎn)設(shè)置新的多邊性屬性,點(diǎn)與多邊形疊合 示例,1,2,4,3,點(diǎn)與多邊形疊合 結(jié)果,線與多邊形的疊合（ line-in-polygon overlay ）,包含線的圖層與包含多邊形的圖層 判斷線包含在哪一個多邊形里面，從而為線設(shè)置新的多邊性屬性,線與多邊形疊合 示例,線與多邊形疊合 結(jié)果,多邊形與多邊形疊合（ polygon-on-polygon overlay ）,兩個多邊形圖層的比較分析（圖形和屬性），將兩個不同的多邊形空間特征數(shù)據(jù)相重疊，產(chǎn)生新的多邊形特征數(shù)據(jù)，用以解決地理變量的多

8、準(zhǔn)則分析、區(qū)域多重屬性的分析，地理特征的動態(tài)變化分析，以及圖幅要素更新、區(qū)域信息提取等 多邊形疊合分析通常有以下五種疊合方式： 合并(Union) 相交( Intersect) 一致( Identity) 相減( Erase) 更新( Update),Union,輸出層保留輸入圖層的所有多邊形要素。,Intersect,輸出層保留輸入圖層共同的多邊形要素。,Identity,保留以一多邊形為控制邊界內(nèi)的所有多邊形要素,Erase,保留以一多邊形為控制邊界外的所有多邊形要素,Update,輸出數(shù)據(jù)為一個經(jīng)刪除處理后的多邊形與一個新特征多邊形，即刪除重疊的部分。,空間分析的步驟,步 驟： （1）明

9、確目的和標(biāo)準(zhǔn) （2）空間數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 （3）空間操作 （4）輸出結(jié)果并進(jìn)行分析,實(shí)例：市區(qū)擇房分析,如何找到環(huán)境好、購物方便、小孩上學(xué)方便的居住區(qū)地段是購房者對關(guān)心的問題，因此購房者就需要從總體上對商品房的信息進(jìn)行研究分析，選擇最適宜的購房地段。 條件為： a在商業(yè)中心的服務(wù)范圍之內(nèi)，服務(wù)范圍以商業(yè)中心規(guī)模的大小來確定 b距名牌高中在750米之內(nèi)，以便小孩上學(xué)便捷 c距名勝古跡500米之內(nèi)，環(huán)境優(yōu)雅 d離主要交通要道200米之外，以減少噪音污染,運(yùn)用空間疊合分析解決以下兩個問題 （1）找出滿足以上4個條件的最適宜的購房地段。 （2）對整個城市區(qū)域從以上4個條件的住房條件進(jìn)行評價(jià)，劃定不同等級，以供

10、購房者進(jìn)行參考,第一個問題 找出滿足以上4個條件的最適宜的購房地段。 步 驟： （1）明確目的和標(biāo)準(zhǔn)：在商業(yè)中心的服務(wù)范圍之內(nèi)；距名牌高中在750米之內(nèi)，以便小孩上學(xué)便捷；距名勝古跡500米之內(nèi)，環(huán)境優(yōu)雅；離主要交通要道200米之外，以減少噪音污染 （2）空間數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：商業(yè)中心服務(wù)數(shù)據(jù)、名牌高中750米之內(nèi)數(shù)據(jù)、名勝古跡500米之內(nèi)、主要交通要道200米之外 （3）空間操作：進(jìn)行疊合分析 （4）輸出結(jié)果并進(jìn)行分析,在商業(yè)中心的服務(wù)范圍圖層martket,距名牌高中在750米之內(nèi)圖層school,距名勝古跡500米之內(nèi)，環(huán)境優(yōu)雅圖層famous,離主要交通要道200米之內(nèi)圖層street,空間操

11、作,疊合方式的選擇？ market圖層、school圖層進(jìn)行intersect操作得到insectms圖層，再將insectms圖層與Famous圖層進(jìn)行intersect疊合操作，得到intersectmsf圖層 最后將insectmsf圖層與street圖層進(jìn)行erase疊合操作，得到所需結(jié)果,第二個問題 對整個城市區(qū)域從以上4個條件的住房條件進(jìn)行評價(jià)，劃定不同等級，以供購房者進(jìn)行參考找出滿足以上4個條件的最適宜的購房地段。 分級標(biāo)準(zhǔn)為： A滿足其中四個條件為第一等級 B滿足其中三個條件為第二等級 C滿足其中兩個條件為第三等級 D滿足其中一個條件為第四等級 E完全不滿足條件得為第五等級,步

12、 驟： （1）明確目的和標(biāo)準(zhǔn)： （2）空間數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：商業(yè)中心服務(wù)數(shù)據(jù)、名牌高中750米之內(nèi)數(shù)據(jù)、名勝古跡500米之內(nèi)、主要交通要道200米之外 （3）空間操作：進(jìn)行疊合分析 （4）對結(jié)果進(jìn)行分析和評價(jià),在商業(yè)中心的服務(wù)范圍圖層martket,距名牌高中在750米之內(nèi)圖層school,距名勝古跡500米之內(nèi)，環(huán)境優(yōu)雅圖層famous,離主要交通要道200米之內(nèi)圖層street,空間操作,屬性賦值 （1）分別打開market 、school、famous圖層，分別添加market、school、famous字段，并全部賦值為1 （2）打開street圖層，添加st字段，賦值為-1,空間操作,區(qū)域疊

13、加 對market、school、famous和street圖層進(jìn)行union疊加步驟為如下,分級 打開生成的union文件圖層的屬性列表，編輯表格，添加一個短整型字段class，并將class賦值為famous+school+market+st,第三節(jié) 空間鄰近度分析,問題一： 地震破壞程度從震源擴(kuò)散影響的范圍； 噪聲污染影響的范圍； 湖泊生態(tài)保護(hù)區(qū)的范圍； “緩沖區(qū)分析” 問題二： 氣象站控制的范圍； 超市服務(wù)的范圍； “泰森多邊形分析”,空間緩沖區(qū)分析,空間緩沖區(qū)分析(Spatial buffer analysis)：指根據(jù)分析對象的點(diǎn)、線、面實(shí)體，自動建立它們周圍一定距離的帶狀區(qū)，用以

14、識別這些實(shí)體或主體鄰近對象的輻射范圍或影響程度，以便為某項(xiàng)分析或決策提供依據(jù)。,建立空間緩沖區(qū)的分析模型,用于緩沖半徑的確定 根據(jù)空間實(shí)體對鄰近對象作用性質(zhì)的不同，可采用不同的分析模型，主要有： 線性模型：用于當(dāng)實(shí)體對鄰近對象的影響度隨距離的增大呈線性衰減的情況。 二次模型：用于當(dāng)實(shí)體對鄰近對象的影響度隨距離的增大呈二次形式衰減時。 指數(shù)模型：用于當(dāng)實(shí)體對鄰近對象的影響度隨距離的增大呈指數(shù)形式衰減時。,分級緩沖區(qū)域動態(tài)緩沖區(qū),Buffering with different buffer distances. Buffering with rings.,緩沖區(qū)的重疊處理,Buffer zone

15、s not dissolved or dissolved.,泰森多邊形分析(Voronoi多邊形),Dirichlet，(1805-1859)，首先公開發(fā)表這種幾何鑲嵌模型，稱它們?yōu)镈irichlet區(qū)域。 1908年，俄國數(shù)學(xué)家G. Voronoi首先詳細(xì)地研究了這些多邊形。 1911年，Von Thiessen，將其運(yùn)用到氣象學(xué)中。稱Thiessen多邊形。,Voronoi多邊形,Voronoi多邊形的數(shù)學(xué)定義： V ( pi ) = p | d ( p, pi ) d ( p, pj ), ji, j = 1, , n p1, , pn：2維平面空間R2中的有限個點(diǎn) p ：R2中任意位置

16、點(diǎn) V(pi)：第i個特征點(diǎn)的Voronoi多邊形 d ( p, pi )：p點(diǎn)到pi點(diǎn)的Euclidean距離,Voronoi多邊形的對偶圖,Voronoi的對偶圖Delaunay三角網(wǎng),Voronoi多邊形生成,第四節(jié) 空間網(wǎng)絡(luò)分析,GIS最早的應(yīng)用領(lǐng)域是土地管理和城市規(guī)劃，之后，在城市交通規(guī)劃管理,城市地下管線管理,城市電力供應(yīng)，城市通信等部門，開始大量使用GIS。 這些地方使用的數(shù)據(jù)是以點(diǎn)和線組成的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)，為全面的描述網(wǎng)狀事物及其相互之間的關(guān)系，形成一類空間分析稱網(wǎng)絡(luò)分析。 從數(shù)學(xué)的角度看，網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)是圖論和運(yùn)籌學(xué)； 從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的角度，網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)是非線性圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 網(wǎng)絡(luò)分析

17、的實(shí)質(zhì)是通過研究網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，模擬和分析資源在網(wǎng)絡(luò)上的流動和分配，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及資源等的優(yōu)化問題進(jìn)行研究。,第四節(jié) 空間網(wǎng)絡(luò)分析,網(wǎng)絡(luò)分析功能的主要目的：對地理網(wǎng)絡(luò)（如交通網(wǎng)絡(luò)）、城市基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)（如各種網(wǎng)線、電力線、電話線、供排水管線等）進(jìn)行地理分析和模型化。 網(wǎng)絡(luò)分析是運(yùn)籌學(xué)模型中的一個基本模型，它的根本目的是研究、籌劃一項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)工程如何安排，并使其運(yùn)行效果最好，如一定資源的最佳分配，從一地到另一地的運(yùn)輸費(fèi)用最低等。其基本思想則在于人類活動總是趨于按一定目標(biāo)選擇達(dá)到最佳效果的空間位置。,最短路徑(幾何網(wǎng)絡(luò)),最短路徑(幾何網(wǎng)絡(luò)+障礙),最短路徑(Network Analyst),最短路徑(TSP問題),最短路徑 (TSP問題優(yōu)化),服務(wù)區(qū)域,本章小結(jié),空間分析的