GIS空间分析原理与方法.ppt

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1、地理信息系统基础 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 1854年 8月到 9月英国伦敦霍乱流行时，当局始 终找不到发病的原因，后来医生约翰 斯诺 (John Snow) 参与调查。 他在绘有霍乱流行地区所有道路、房屋、饮用水 机井等内容的 1： 6500比例尺地图上，标出了每 个霍乱病死者的 居住位置 ，得到了 霍乱病死者居 住分布图 。 霍乱病死者居住分布图 (John Snow, 1854) 霍乱死

2、亡病例与水源的关系 斯诺博士分析了这张分布图，马上想到霍乱病源之所 在 死者住家都集中于饮用 “ 布洛多斯托 ” 井水的地 方及周围。 根据斯诺博士的分析和请示，当局于 9月 8日摘下了这个 水井的泵，禁止使用该水泵吸水，从这天以后，新的霍 乱病患者就再也没有出现了。 在这个例子中，患者的居住地与饮用水井之间的空间位 置关系提示了霍乱病的发病根源。 中国科学院遥感应用研究所、中国人民解 放军军事医学科学院微生物流行病研究所 联合北京师范大学遥感与 GIS研究中心及协 和医科大学，共同组建成立了公共卫生领 域空间信息技术应用研究中心 。 第六章 GIS空间分析原理与方法 空间分析概述 栅格数据分

3、析的基本模式 矢量数据分析的基本方法 空间数据的其他分析方法 数字地面模型及其应用 思考与练习 1 空间分析概述 概念 主要内容 概 念 空间分析 是基于地理对象的位置和形态特 征的空间数据分析技术，其目的在于提取 和传输空间信息。 空间分析早已成为地理信息系统的核心功 能之一，它特有的对地理信息（特别是隐 含信息）的提取、表现和传输功能，是地 理信息系统区别于一般信息系统的主要功 能特征。 空间分析的主要内容 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。 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。 空间形态 ：空间对象的几何

4、形态。 空间距离 ：空间物体的接近程度。 空间关系 ：空间对象的相关关系，包括拓 扑、方位、相似、相关等。 2 栅格数据分析的基本模式 聚类、聚合分析（重分级） 信息复合分析（代数运算） 追踪分析 窗口分析（栅格统计） 栅格数据的聚类分析 根据设定的聚类条件对原有数据进行有选 择的信息提取而建立新的栅格数据的方法。 在四种类型要素中提取其中要素 2的聚类 栅格数据的聚 合 分析 1、 2类 合并为 b， 3、 4类合 并为 a 2、 3类 合并为 c， 1、 4类 合并为 d 根据空间分辨力和 分类表，进行数据 类型的合并或转换 以实现空间地域的 兼并。空间聚合的 结果往往将较复杂 的类别转换

5、为较简 单的类别，并且常 以较小比例尺的图 形输出。 基于 SuperMap Deskpro的栅格分析 重分级 重新定义栅格数据集中每个格网的数值。 栅格数据的信息复合分析 信息复合模型 (overlay)包括两类：即简单的 视觉信息复合和较为复杂的叠加分类模型。 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。在数 字遥感图象处理工作中，利用该方法可以 实现不同波段遥感信息的自动合成处理 。 视觉信息复合与叠加分类 视觉信息复合是将不同专题的内容叠加显示 在结果图件上，参加复合的平面之间没发生 任何逻辑关系，仍保留原来的数据结构；叠 加分类模型则根据参加复合的数据平面各

6、类 别的空间关系重新划分空间区域，使每个空 间区域内各空间点的属性组合一致。 栅格数据的信息复合分析 按运 算方法分类 逻辑判断复合法 数学运算复合法 算术运算 函数运算 逻辑判断复合法 A B C A B C A B C A B C A B C A B C A.AND.B.AND.C A.NOT.(B.OR.C) A.AND.B.OR.C A.OR.B.OR.C A.XOR.B.XOR.C A.AND.(B.OR.C) 算术运算复合法 算术运算指两层以上的对应网格值经加、 减运算，而得到新的栅格数据的方法。 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

7、1 1 1 1 2 2 2 2 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 A B C D=A+B+C E=|A-B| F=D-E 函数运算复合法 函数运算指两个以 上层的栅格数据以 某种函数关系作为 复合分析的依据进 行逐网格运算，从 而得到新的栅格数 据的过程。 SuperMap Deskpro的 栅格代数运算 对栅格数据集进行代数操作 。 栅格数据的追踪分析 对于特定的栅格数 据，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。 6 4 7 10 25 20 1

8、9 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 23 21 12 3 20 26 28 25 20 16 13 4 20 23 23 18 12 9 9 4 17 18 17 12 8 2 3 3 栅格数据的窗口分析 （ 1） 矩形窗口 圆型窗口 环型窗口 扇型窗口 按 照 窗 口 形 状 分 类 栅格数据的窗口分析（ 2） 按窗口统计分析分类 Mean Maximum Minimum Median Sum Range Majority Minority Variety Su

9、perMap Deskpro的栅格统计 常用功能 邻域分析 分带统计 常用功能 创建新的数据集，仅保留满足条件的单元 格。 邻域分析 根据设置的邻域以及选择的分析方式，使 用邻域内所有单元格的最大值、最小值或 者平均值等，重新为单元格赋值 。 分带统计 根据带数据集所确定的区域形状，使用数 据集中同一区域所有单元格的平均值、最 大值或者最小值等，重新给带数据集各区 域中的单元格赋值 。 3 矢量数据分析的基本方法 缓冲区分析 叠加分析 网络分析 3.1 缓冲区分析 地理学中的第一定律，任何事物都与其他事物相 关，距离近的事物比距离远的关系更大（ Waldo Tobler）。 邻近度（ Prox

10、imity） 描述了地理空间中两个地物 距离相近的程度，其确定是空间分析的一个重要 手段。 （李小文：地理学第一定律与时空邻近度 的提出） 缓冲区分析 是解决邻近度问题的空间分 析工具之一。 缓冲区分析是指以点、线、面等实体为基础，自 动建立其周围一定宽度范围内的多边形实体，从 而实现空间数据在水平方向得以扩展的分析方法。 缓冲区分析（ 2） 缓冲区分析（ 3） 缓冲区分析（ 4） 生成缓冲区： 鼠标右键选中 某个（或几个） 几何对象，在 弹出的快捷菜 单中进行选择。 缓冲区分析（ 5） 在对话框中进行参数的设置 生成的缓冲区添加到地图窗口显示结果 单级缓冲区 多重缓冲区 缓冲区分析（ 6）

11、3.2 叠加分析 叠加分析是指在两个数据集之间进行的一系列集 合运算，是 GIS中的一项非常重要的空间分析功 能。叠加分析涉及到两个数据集，其中一个数据 集为操作数据集，必须为面数据集，另一个数据 集为被操作数据集，除合并运算和对称差运算必 须是面数据集外，其他运算可以是点、线、面或 者复合数据集。可以进行点与面的叠加、线与面 的叠加、面与面的叠加。参与运算的两个数据集 中的相交对象都要进行分解，形成新的子对象。 参与叠加分析的面数据集不能有重叠的对象，否 则可能有错误结果。 SuperMap提供了六种基于矢量数据的 叠加分析功能。 3.2.1 裁剪（ Clip)分析 Clip是用一个 操作数

12、据集从 一个被操作数 据集中抽取部 分特征（点、 线、面）集合 的运算。 3.2.2 合并 (Union)分析 合并是将两个 数据集求并集 后输出为一个 数据集，在这 里只限于两个 面数据集之间 进行合并。 3.2.3 擦除 (Erase)分析 擦除是用来 擦除掉被操 作数据集中 与操作数据 集中多边形 相重叠部分 （点、线、 面）的操作。 3.2.4 求交 (Intersect)分析 求交是求两个数 据集的交集的操 作。两个数据集 中相交的部分将 被输出到结果数 据集中，其余部 分将被删除。 结果属性表除了包括自己的属性字段，还可 以包括待求交数据集和交数据集的所有属性 字段（需要进行设置）

13、。 设置求交结果数据集的属性字段 3.2.5 同一（ Identity)分析 又叫识别分析；是对两个数据集进行相交运算后， 保留第一数据集的所有部分，去除第二数据集中 与第一个数据集没有重叠的部分。 3.2.6 对称差（ Symmetrical Difference）分析 对称差运算是在两个面数据集之间进行的 交集取反操作。操作的结果是，对于被操 作数据集中每一个面对象，去掉其与操作 数据集中的几何对象相交的部分，而保留 下的剩下的部分。可以得到除去两个图层 公共区域的其他部分，并且原图层的所有 属性都将在输出图层上同时显示。 例：求青海省的湖泊分布情况 根据全国湖泊分布图、青海省行政区域图

14、计算出青海省境内的湖泊分布图，可以采 用哪些方法实现？ 使用裁剪分析 使用求交分析 使用同一分析 3.3 网络分析 构建网络数据集 网络分析的基本设置 网络分析的具体操作 构建网络数据集 通过 “ 线数据集拓 扑处理 ” 自动完成 构建网络数据集 拓扑错误处理选项 中 “ 弧段求交 ” 项 必选 网络数据集由点数 据集和线数据集组 成。 网络分析参数设置 基本网络参数设置 连通性参数设置 设置网络障碍点和障碍边 设置中心点 设置交通规则 设置转向表 显示风格设置 指定分析区域 网络分析的基本设置 在进行所有网 络分析之前， 首先要进行网 络分析的基本 参数设置。 设置网络障碍点和障碍边 让被交

15、通堵塞的弧段具有暂时的禁行特性； 在交通恢复正常后，弧段属性也能实时恢 复正常。障碍点和障碍边在设置前后与现 有的网络环境参数无关，具有相对独立的 特性。 设置中心点 中心点是网络中 具有接收或提供 资源的能力，且 位于节点处的离 散设施。中心点 和网络资源最优 分配、选址分析 功能密切相关。 中心点类型有非中心、固定中心和可选中 心。 设置交通规则 设置转向表 转向是从一个弧段经过中间节点抵达另外 一个邻接弧段的过程。这个过程在各种交 通规则下会有不同的表现，比如某些道路 是禁止 180度转弯、某些道路禁止左转等。 建立的转向表可以精确模拟现实转向表， 在处理实际问题时，尤其是交通网络中通

16、过道路交叉口的确切模拟。 显示风格设置 指定分析区域 在网络图层中拉框选择分析区域，使得网 络分析只针对该区域中的节点和弧段进行。 此项功能与 “ 网络分析参数设置 ” 对话框 中的 “ 使用指定区域 ” 选项相联系。当分 析区域选择成功后，此对话框中的 “ 使用 指定区域 ” 选项变为已选状态，只有此项 被选中后网络分析才会在指定区域内进行。 各种网络分析功能 连通性分析 邻接点分析 通达点分析 通达边分析 关键点分析 关键边分析 两点是否连通分析 最佳路径、旅行商分 析 服务区分析 最近设施查找 连通性分析 (1) 查找等级参数为查找的级 数；与分析节点通过单个 路径相连通的所有节点为 第

17、一级节点，而沿着分析 方向，与所有一级节点通 过单个路径相连通的节点 为第二级节点，由此类 推 ；而与分析节点直 接相连通的路径为第一级 通达边，沿着分析方向与 第一级节点直接相连通的 路径为第二级通达边，由 此类推 。 当连接节点（路径） 的级数超过设置的 参数就不再往外查 找。 连通性分析 (2) 邻接点分析 通达点分析 通达边分析 关键点分 析 关键边分 析 两点间是否连通 连通性分析 (3) 最佳路径、旅行商分析（ 1） 功能选取 最佳路径分析 旅行商问题 站点选取方式 节点选取 自由选取 导入外部站点 查看结果 保存为数据集 最佳路径、旅行商分析（ 2） 对访问站点的顺序的处理有所不

18、同 最佳路径分析：必须按照指定的顺序访问网络 中的所有节点。 旅行商分析：在保证一次行程中访问所有站点 的前提下，旅行商分析的结果即包括所选择的 路径，也包括它所确定的最优的访问次序。 服务区分析 根据指定的服务中心点及服务范围分析服 务中心点能够提供的服务范围。 最近设施查找 查找与已知点（事件点）距离最近的设施 点 。 4 空间数据的其它分析方法 空间数据的量算 空间数据的内插 空间信息分类 空间统计分析 4.1 空间数据的量算 空间信息的自动化量算是地理信息系统所 具有的重要功能，也是进行空间分析的定 量化基础。其中的主要量算有： 质心量算 几何量算 形状量算 4.1.1 质心量算 定义

19、：目标的半径位置或保持均 匀的平衡点，一般为多边形的几 何中心或重心。 计算公式 应用 跟踪某些地理分布的变化，如人口 变迁、土地类型变化等。 简化复杂目标的模型建立等。 i ii G i ii G w ywY w xwX 4.1.2 几何量算 几何量算对点、线、面、体 4类目标物而言， 其含义不同的： 点状目标：坐标； 线状目标：长度、曲率、方向； 面状目标：面积、周长等； 体状目标：表面积、体积等。 4.1.3 形状量算 地物外形是影像处理中模式识别的一个重 要部分。例如海岸线的外形是岛屿的重要 特征。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。 基本考虑：空间完整性、多边形

20、形状特征 形状量算（ 2） 量算方法： 如果认为一个标准的圆 目标既非紧凑型也非膨胀型，则可定义其形状系数为： 其中， P为目标物周长， A为目标物面积。 如果 r 1，目标物为紧凑 型； r 1，目标物为一标 准圆； r 1，目标物为膨胀 型。 A Pr 2 圆 r=1 r1 膨胀型 rDEM数据集 根据高程字段生成 DEM数据集。 点、线数据集 DEM数据集 综合使用高 程点，等值 线，湖泊平 面等地形信 息，生成 DEM数据集。 TIN数据集 DEM数据集 把 TIN数据集转变为格网 DEM 数据集 TIN属性 :转换后的 DEM数据集所保留的源 TIN数据集的 属性，包括高程、坡度和坡

21、向值。 分辨率：输出栅格数据集的分辨率。系统默认是生成结 果为 500*500的栅格数目计算的分辨率。 创建 TIN数据集 把点（线）数据集转变成 TIN数据 重采样距离 缩放比例 5.3 DTM的空间内插方法 DTM的空间内 插是在一个由 （ x,y）坐标平 面构成的二维 空间中，由已 知若干离散点 的高程，估算 内插点的高程 值。 地形表面重建与内插的 通用多项式函数（ 1） Z=f(X,Y) 0aZ YaXaaZ 210 3142213312411410. XYaYXaYXaYaXaZ . . . . . . . . . . . 516515 YaXaZ 25243210 YaXaXYa

22、YaXaaZ YXaXYaYaXaYaXaZ 292837362524. 地形表面重建与内插的 通用多项式函数（ 2） 取不同的 项数和次 数可以得 到双线性 内插、二 元样条函 数内插、 移动拟合 法内插等 方法。 二元样条函数内插 二元样条函数内插是按一定规则，用相邻数据点 连线将块分割成若干个分片，通过每一个分片上 的全部数据，展铺成一张光滑的数学曲面，并使 相邻分片间保持连续光滑的拼接。 在 SuperMap Deskpro中 实现栅格数据的内插 5.4 DEM的应用 等高线绘制 晕渲图的制作 坡度坡向的计算 等高线绘制 利用 DEM绘制 等高线，是以格 网点高程数据或 者将离散的高程

23、 数据由栅格追踪 法原理转换为矢 量等值线。 晕渲图的制作（） 晕渲图是假定光 源照射地表产生 阴影，利用墨色 的浓淡或彩色的 深浅显示坡面明 暗变化，以表达 地貌的起伏、分 布和类型特征的 地图。基于 DEM， 计算出每个微小 的地表单元的坡 向、坡度以及灰 度值，由此产生 的晕渲图，具有 相当逼真的立体 效果 。 晕渲图的制作（） 透视图的绘制 计算机自动绘制透视立体图的理论基础是 透视原理，而 DEM是其绘制的数据基础。 调整视点、视角等参数值，就可以从不同 方位、不同距离绘制形态各不相同的透视 图。 坡度坡向的计算 地面上某点的坡度是表示地表面在该点倾 斜程度的一个矢量，从数学上来讲，

24、其模 （坡度值）等于地表曲面函数在该点的切 平面与水平面夹角的正切，其方向等于在 该切平面上最大倾斜方向在水平面上的投 影方向（坡向）。 在实际应用中，常将坡度值简称为坡度， 用百分比度量；坡向按从正北方向起算的 角度来度量。 坡度坡向的计算 SuperMap Deskpro栅格数据表面分析 思考与练习 什么是空间分析？空间分析的主要内容有哪些？ 采用三种方法完成 “ 求青海省的湖泊分布情 况 ” ，并比较各种方法在属性表等方面的异同。 解释缓冲区分析、叠置分析、最佳路径分析， 举实例说明用途，并在软件中练习相关操作。 说明 DEM的概念及建立方法。 练习在 SuperMap中建立 DEM。 说明坡度，坡向的概念与基于 DEM的提取方法。