GIS 空間查詢與空間分析2

1、第1節(jié) 空間分析概述第2節(jié) 空間查詢第3節(jié) 空間統(tǒng)計(jì)分析第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析第5節(jié) 空間疊置分析第6節(jié) 空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析第7節(jié) 空間網(wǎng)絡(luò)分析 教學(xué)要求 教學(xué)重點(diǎn) 教學(xué)活動(dòng) 作 業(yè)教學(xué)要求 1. 掌握空間分析的基本原理和方法掌握空間分析的基本原理和方法 2. 能熟練地利用能熟練地利用GIS軟件進(jìn)行空間分析操作軟件進(jìn)行空間分析操作 教學(xué)重點(diǎn) 1. 各種空間分析方法的基本算法。各種空間分析方法的基本算法。 2. 空間分析過程的空間分析過程的GIS實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。 教學(xué)活動(dòng) 在網(wǎng)絡(luò)上，在網(wǎng)絡(luò)上，檢索相關(guān)的地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站檢索相關(guān)的地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站, , 了解了解GISGIS空間分析方法的

2、新進(jìn)展空間分析方法的新進(jìn)展。 返回上一頁第1節(jié) 空間分析概述一、空間分析的概念 1.空間分析的定義 2.空間分析的研究對象 3.空間分析的研究目標(biāo)空間分析(spatial analysis)是地理學(xué)的精髓，是為解答地理空間問題而進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析與挖掘。目前，比較典型的空間分析定義有多種。 定義：是集空間數(shù)據(jù)分析和空間模擬于一體的技術(shù)，通過地理計(jì)算和空間表達(dá)挖掘潛在空間 信息，以解決實(shí)際問題的過程。本質(zhì)特征： 1)探測空間數(shù)據(jù)中的模式； 2)研究空間數(shù)據(jù)間的關(guān)系并建立相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)模型； 3)提高適合于所有觀察模式處理過程的理解； 4)改進(jìn)發(fā)生地理空間事件的預(yù)測能力和控制能力?？臻g分析主要通過對空

3、間數(shù)據(jù)和空間模型的聯(lián)合分析來挖掘空間目標(biāo)的潛在信息?？臻g目標(biāo)是空間分析的具體研究對象?？臻g目標(biāo)具有空間位置、分布、形態(tài)、空間關(guān)系(距離、方位、拓?fù)?等基本特征?？臻g目標(biāo)兼有幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的描述，因此必須聯(lián)合幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 1)認(rèn)知。有效獲取空間數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行科學(xué)的組織描述，利用數(shù)據(jù)再現(xiàn)事物本身。 例如繪制風(fēng)險(xiǎn)圖。 2)解釋。理解和解釋地理空間數(shù)據(jù)的背景過程，認(rèn)識事件的本質(zhì)規(guī)律。 例如住房價(jià)格中的地理鄰居效應(yīng)。 3)預(yù)報(bào)。在了解、掌握事件發(fā)生現(xiàn)狀與規(guī)律的前提下，運(yùn)用有關(guān)預(yù)測模型對未來的狀況做出 預(yù)測，例如傳染病的爆發(fā)。 4)調(diào)控。對地理空間發(fā)生的事件進(jìn)行調(diào)控，例如合理分配資源

4、。 二、GIS與空間分析 目前，空間分析一般采用專業(yè)分析模型與GIS集成方式。 GIS軟件與空間分析軟件相結(jié)合的方式可分為兩種： 緊耦合，即把空間分析模塊作為一個(gè)高級應(yīng)用模塊嵌入GIS軟件包中， GIS不僅可以為空間分析提供圖形顯示功能， 而且GIS中的有關(guān)數(shù)據(jù)直接參與空間分析計(jì)算。 這種方式可以為用戶提供方便、全面、有效的使用功能，但造價(jià)高，實(shí)現(xiàn)周期長松耦合，即在兩個(gè)相對獨(dú)立的GIS軟件和空間分析軟件之間增加數(shù)據(jù)交換接口，使空間分析 數(shù)據(jù)及相關(guān)的影響因素和空間分析結(jié)果能夠在GIS中以各種簡單的或復(fù)雜的圖形方 式顯示出來 這種方式適用于短期且費(fèi)用較小的情況。 第1節(jié) 空間分析概述 三、GIS環(huán)

5、境下空間分析框架 一般性空間分析框架(右圖) (Anselin L,1998) 空間分析類型： A. Goodchild將空間分析分為兩大類： 產(chǎn)生式分析 (product model)，通過這 些分析可以獲取新的信息，尤其是綜 合信息 咨詢式分析 (query model)， 旨在回答用戶的一些問題。 第1節(jié) 空間分析概述三、GIS環(huán)境下空間分析框架 GIS空間分析類型 B. 從GIS應(yīng)用角度看，空間分析大致可以歸納為如下兩大類： 基于點(diǎn)、線、面基本地理要素的空間分析，通過空間信息查詢與量測、緩沖區(qū)分 析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析、地理統(tǒng)計(jì)分析等空間分析方法挖掘出新的信息 地理問題模擬，解決應(yīng)用領(lǐng)

6、域?qū)臻g數(shù)據(jù)處理與輸出的特殊要求，地理實(shí)體和空 間關(guān)系通過專業(yè)模型得到簡化和抽象，而系統(tǒng)則通過模型進(jìn)行深入分析操作。 C.以空間數(shù)據(jù)及其特點(diǎn)作為框架來構(gòu)造空間分析的體系，主要考慮不同數(shù)據(jù) 之間的空間關(guān)系，將空間分析界定為以下五個(gè)方面： 空間位置分析 空間分布分析 空間形態(tài)分析 空間關(guān)系分析 空間相關(guān)分析第1節(jié) 空間分析概述第2節(jié) 空間查詢 一、空間數(shù)據(jù)查詢的含義 空間查詢，是指基于給定的屬性和空間約束條件從地理數(shù)據(jù)庫中查找 指定地理對象及其屬性的過程 空間查詢屬于數(shù)據(jù)庫的范疇，其屬性約束條件一般用帶比較運(yùn)算符的邏輯表達(dá)式來描述； 空間約束條件用帶空間謂詞的邏輯表達(dá)式來描述， 空間謂詞由地理對象

7、間空間關(guān)系演變而來，如包含、相交、分離、重疊等。 因此空間查詢是作用在庫體上的函數(shù)、返回用戶請求的內(nèi)容，屬于咨詢式分析 查詢是GIS用戶最經(jīng)常使用的功能，用戶提出的很大一部分問題都可以 以查詢的方式解決，查詢的方法和查詢的范圍在很大程度上決定了 GIS的應(yīng)用程度和應(yīng)用水平。 查詢是GIS的一個(gè)非常重要的功能，定位空間對象、提取對象信息， 是地理信息系統(tǒng)進(jìn)行高層次空間分析的基礎(chǔ)。 空間數(shù)據(jù)庫查詢條件屬性限制空間拓?fù)湎拗贫呓Y(jié)合GIS軟件查詢結(jié)果統(tǒng)計(jì)結(jié)果： 圖、表、文字新圖層新的屬性域添加到屬性數(shù)據(jù)庫 查詢方式 圖形-屬性空間查詢語言閃爍、顏色等明顯表示 第2節(jié) 空間查詢 二、空間查詢的方式 給出

8、圖形信息：如鼠標(biāo)點(diǎn)取，拉框等方式。 1）檢索其相應(yīng)屬性； 2）檢索其空間拓?fù)潢P(guān)系 給出屬性特征條件 1）檢索對應(yīng)的空間實(shí)體 2）查詢屬性 單純查詢：單純地查詢屬性，或只查詢空間拓?fù)潢P(guān)系 聯(lián)合查詢：將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)聯(lián)合查詢。第2節(jié) 空間查詢 三、空間查詢的種類 幾何參數(shù)查詢 包括點(diǎn)的位置坐標(biāo)，兩點(diǎn)間的距離，一個(gè)或一段線目標(biāo)的長度， 一個(gè)面目標(biāo)的周長或面積等。 實(shí)現(xiàn)：查詢屬性庫或空間計(jì)算 空間定位查詢 給定一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)幾何圖形，檢索該圖形范圍內(nèi)的空間對象及其屬性。 1）按點(diǎn)查詢 給定一個(gè)鼠標(biāo)點(diǎn)，查詢離它最近的對象及屬性-點(diǎn)的捕捉。 2）開窗查詢-按矩形、圓、多邊形查詢 分為該窗口包含和穿過的區(qū)

9、別。 實(shí)現(xiàn)：根據(jù)空間索引，檢索哪些對象可能位于該窗口， 然后根據(jù)點(diǎn)、線、面在查詢開窗內(nèi)的判別計(jì)算， 檢索到目標(biāo)。-空間運(yùn)算方法 第2節(jié) 空間查詢 三、空間查詢的種類 空間關(guān)系查詢 1）相鄰分析檢索通過檢索拓?fù)潢P(guān)系 面面： A、 從多邊形與弧段關(guān)聯(lián)表中，檢索該多邊形關(guān)聯(lián)的所有弧段； B、 從弧段關(guān)聯(lián)的左右多邊形表中，檢索出這些弧段關(guān)聯(lián)的多邊形。 線線： A、 從線狀地物表中，查找組成線的所有弧段及關(guān)聯(lián)的結(jié)點(diǎn)； B、 從結(jié)點(diǎn)表中，查詢與這些結(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的弧段； 點(diǎn)點(diǎn)： A與B是否相通等。 A A12BC第2節(jié) 空間查詢 三、空間查詢的種類 空間關(guān)系查詢 2）相關(guān)分析檢索（不同要素類型之間的關(guān)系）通過檢

10、索拓?fù)潢P(guān)系 線面（我國邊境線總長度） 點(diǎn)線（自來水GIS中，與某閥門相關(guān)的水管） 點(diǎn)面（信號發(fā)射塔的覆蓋范圍） 3）包含關(guān)系查詢查詢某個(gè)面狀地物所包含的空間對象。 同層包含：可直接查詢拓?fù)潢P(guān)系表來實(shí)現(xiàn)。 不同層包含：實(shí)質(zhì)是疊置分析檢索，通過多邊形疊置分析技術(shù)， 只檢索出在窗口界限范圍內(nèi)的地理實(shí)體，窗口外的實(shí)體作裁 剪處理。 第2節(jié) 空間查詢 三、空間查詢的種類 空間關(guān)系查詢 4）穿越查詢 采用空間運(yùn)算的方法執(zhí)行，根據(jù)一個(gè)線目標(biāo)的空間坐標(biāo)，計(jì)算哪些面或線與之相交 5）落入查詢 一個(gè)空間對象落入哪個(gè)空間對象之內(nèi)?？臻g運(yùn)算 6）緩沖區(qū)查詢 根據(jù)用戶給定的一個(gè)點(diǎn)、線、面緩沖的距離，從而形成一個(gè)緩沖區(qū)的

11、多邊形， 再根據(jù)多邊形檢索原理，檢索該緩沖區(qū)內(nèi)的空間實(shí)體。 7）邊沿匹配檢索 空間查詢在多幅地圖的數(shù)據(jù)文件之間進(jìn)行， 這時(shí)需應(yīng)用邊沿匹配處理技術(shù)。第2節(jié) 空間查詢 三、空間查詢的種類 屬性查詢 1） 查找 僅選擇一個(gè)屬性表，給定一個(gè)屬性值，找出對 應(yīng)的屬性記錄或圖形。在屏幕上已有一個(gè)屬性 表，用戶任意點(diǎn)取記錄，對應(yīng)的圖形以高亮顯示。 實(shí)現(xiàn)：執(zhí)行數(shù)據(jù)庫查詢語言，找到滿足 要求的記錄，得到它的目標(biāo)標(biāo)識， 再通過目標(biāo)標(biāo)識在圖形數(shù)據(jù)文件 中找到對應(yīng)的空間對象，并顯示出來。 第2節(jié) 空間查詢 三、空間查詢的種類 屬性查詢 2） SQL查詢 實(shí)現(xiàn)：交互式選擇各項(xiàng)，輸入后，系統(tǒng)再轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的SQL， 由數(shù)據(jù)

12、庫系統(tǒng)執(zhí)行或ODBC 語言執(zhí)行，得到結(jié)果，提取目標(biāo)標(biāo)識， 在圖形文件中找到空間對象，并顯示。 3）擴(kuò)展SQL 空間數(shù)據(jù)查詢語言在數(shù)據(jù)庫查詢語言上加入空間關(guān)系查詢。 空間數(shù)據(jù)類型 增加 空間操作算子 空間概念 主要優(yōu)點(diǎn)是：保留了SQL的風(fēng)格，便于熟悉SQL的用戶的掌握， 通用性較好，易于與關(guān)系數(shù)據(jù)庫連接。第2節(jié) 空間查詢 三、空間查詢的種類 其他查詢 1）可視化空間查詢 用直觀的圖形或符號表示。查詢主要使用圖形、圖像、圖標(biāo)、符號來 表達(dá)概念。具有簡單、直觀、易于使用的特點(diǎn)。 缺點(diǎn)： 1）當(dāng)空間約束條件復(fù)雜時(shí)，很難用圖符描述； 2）用二維圖符表示圖形之間的關(guān)系時(shí)，可能會出現(xiàn)歧義； 3）難以表示“非

13、”關(guān)系； 4）不易進(jìn)行范圍（圓、矩形、多邊形等）約束； 5）無法進(jìn)行屏幕定位查詢等。 第2節(jié) 空間查詢 三、空間查詢的種類 其他查詢 2）超文本查詢 圖形、圖像、字符等皆當(dāng)作文本，并設(shè)置一些“熱點(diǎn)”（HotSpot）， “熱點(diǎn)”可以是文本、鍵等。 用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“熱點(diǎn)”后，可以彈出說明信息、播放聲音、完成某項(xiàng)工作等。 但超文本查詢只能預(yù)先設(shè)置好，用戶不能實(shí)時(shí)構(gòu)建自己要求的各種查詢。 第2節(jié) 空間查詢 三、空間查詢的種類 其他查詢 3）自然語言空間查詢 在SQL查詢中引入一些自然語言，如溫度高的城市 SELECT name FROM Cities WHERE temperature is high

14、SELECT name FROM Cities WHERE temperature = 33.75 只適用于某個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的地理信息系統(tǒng)，而不能作為地理信息系統(tǒng)中 的通用數(shù)據(jù)庫查詢語言。 第2節(jié) 空間查詢第3節(jié) 空間統(tǒng)計(jì)分析GIS中空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，是指對GIS地理數(shù)據(jù)庫 中的專題數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析 一、統(tǒng)計(jì)圖表分析 統(tǒng)計(jì)表格是詳盡地表示非空間數(shù)據(jù)的方法，不直觀，但可提供詳細(xì)數(shù)據(jù)，便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理。 二、屬性數(shù)據(jù)的集中特征數(shù)找出數(shù)據(jù)分布的集中位置 頻數(shù)和頻率 將變量按大小順序排列，并按一定的間距分組 變量在各組出現(xiàn)或發(fā)生的次數(shù)稱為頻數(shù)，一般用 fi 表示 各組頻數(shù)與總頻數(shù)之比叫做頻率 縱軸表

15、示頻率，橫軸表示分組，就可作出頻率直方圖，用以表示事件發(fā)生的頻率 和分布狀況。 平均數(shù) 反映了數(shù)據(jù)取值的集中位置，常以 表示。 通常有簡單算術(shù)平均數(shù)和加權(quán)算術(shù)平均數(shù)。 簡單算術(shù)平均數(shù)的計(jì)算公式為： 加權(quán)算術(shù)平均數(shù)的計(jì)算公式為：第3節(jié) 空間統(tǒng)計(jì)分析 二、屬性數(shù)據(jù)的集中特征數(shù)找出數(shù)據(jù)分布的集中位置 數(shù)學(xué)期望 以概率為權(quán)值的加權(quán)平均數(shù)稱為數(shù)學(xué)期望，用于反映數(shù)據(jù)分布的集中趨勢 計(jì)算公式為： 其中Pi 為事件發(fā)生的概率 中數(shù) 有序數(shù)據(jù)集中出現(xiàn)頻率占半數(shù)的數(shù)據(jù)值。 若總項(xiàng)數(shù)為奇數(shù)，則中數(shù)為： 若總頂數(shù)為偶數(shù)，則中數(shù)為： 眾數(shù) 是具有最大可能出現(xiàn)的數(shù)值。 如果數(shù)據(jù)X是離散的，則稱X中出現(xiàn)最大可能性的值x為眾

16、數(shù)； 如果X是連續(xù)的，則以X分布的概率密度P(x)取最大值的x為X的眾數(shù)。 顯然，眾數(shù)可能不是唯一的。第3節(jié) 空間統(tǒng)計(jì)分析 三、屬性數(shù)據(jù)的離散特征數(shù) 極差 極差是一組數(shù)據(jù)中最大值與最小值之差，即 離差、平均離差與離差平方和 一組數(shù)據(jù)中的各數(shù)據(jù)值與平均數(shù)之差稱為離差，即 若把離差求平方和，即得離差平方和，記為 若將離差取絕對值，然后求和，再取平均數(shù)，得平均離差，記為 平均離差和離差平方和是表示各數(shù)值相對于平均數(shù)的離散程度的重要統(tǒng)計(jì)量。第3節(jié) 空間統(tǒng)計(jì)分析 三、屬性數(shù)據(jù)的離散特征數(shù) 方差與標(biāo)準(zhǔn)差 方差是均方差的簡稱，是以離差平方和除以變量個(gè)數(shù)求得的，記為2，即： 標(biāo)準(zhǔn)差是方差的平方根，記為: 變差

17、系數(shù) 變差系數(shù)用來衡量數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上的相對變化的程度， 它是無量綱的量，記為Cv： 其中，為標(biāo)準(zhǔn)差， 為平均數(shù)。第3節(jié) 空間統(tǒng)計(jì)分析 四、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分類分級 為了把GIS地理數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)用專題地圖的形式表示出來， 通常需要對統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和分級。 分類和分級的方法很多，下面介紹兩種常用到的算法：系統(tǒng)聚類法和最優(yōu)分割分級法。 系統(tǒng)聚類法 基本思想：首先是n個(gè)樣本各自成一類，然后規(guī)定類與類之間的距離， 選擇距離最小的兩類合并成一個(gè)新類，計(jì)算新類與其它類的距離， 再將距離最小的兩類進(jìn)行合并，這樣每次減少一類， 直到達(dá)到所需的分類數(shù)或所有的樣本都?xì)w為一類為止。 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化 標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化

18、 經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化后，每種變量的平均值為0，方差為1 極差標(biāo)準(zhǔn)化 經(jīng)極差標(biāo)準(zhǔn)化后，變量變換到0和1的范圍內(nèi) 第3節(jié) 空間統(tǒng)計(jì)分析 四、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分類分級 系統(tǒng)聚類法 距離系數(shù)：對樣本進(jìn)行分類時(shí)，個(gè)體之間的相似性程度往往用“距離”來度量。 它是將每個(gè)樣本看成是高維空間的一個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間用某種法 則規(guī)定距離，距離近的點(diǎn)歸為一類。 最短距離法系統(tǒng)聚類 A.計(jì)算每兩個(gè)樣本的距離 B.找出最小的類間距，并將其合并為一個(gè)新類 C.計(jì)算新類與其它類的距離。 D.重復(fù)第B、C步，直到所有元素都成為一類或 達(dá)到設(shè)定的分類數(shù)。第3節(jié) 空間統(tǒng)計(jì)分析 四、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分類分級 最優(yōu)分割分級法 基本原理：是在有序樣本不

19、被破壞的前提下，使其分割的級內(nèi)離差平方和為最 小而級間離差平方和為極大的一種分級方法。 它可以用來對有序樣本或可變?yōu)橛行?排序)的樣本進(jìn)行分級。 最優(yōu)分割的計(jì)算 設(shè)對于按大小順序排列的n個(gè)數(shù)據(jù)分成k級，其分法可表示為如下形式： i1=1, i1+1, , i2-1 i2, i2+1, , i3-1 ， ik, ik+1, , n 式中i1=1 i2 i3 ik n，這里為了簡單起見，將X省去了，即Xi1記為i1。 則誤差函數(shù)為： 式中D(ij，ij+1-1)為第j 級數(shù)據(jù)(即從 ij 到 ij+1-1)的離差平方。 當(dāng)K較大時(shí)，直接求最優(yōu)分割的計(jì)算量很大。而通常使用推導(dǎo)出的誤差函數(shù)遞推公式來求

20、最優(yōu)分割。遞推公式為： E(n,k)minE(j-1,k-1)+D(j,n),kjn 當(dāng)K=2時(shí)，上式為： E(n,k)minD(1，j-1)+D(j,n),2jn第3節(jié) 空間統(tǒng)計(jì)分析 五、主成分分析 基本原理：通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，求得各要素間線性關(guān)系的表達(dá)式（具有實(shí)質(zhì)意 義），將眾多要素的信息壓縮表達(dá)為若干具有代表性的合成變量，從 而克服了變量選擇時(shí)的冗余和相關(guān)，然后選擇信息最豐富的少數(shù)因 子進(jìn)行各種聚類分析，構(gòu)造應(yīng)用模型。 主成分分析方法 設(shè)有n個(gè)樣本，p個(gè)變量。將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一組新的特征主成分，主成分是原始變 量的線性組合且具有正交特征。即將x1,x2,xp綜合成m(mp)個(gè)指標(biāo)z1，z

21、2，zm，即： z1 = l11x1+l12x2+l1pxp z2 = l21x1+l22x2+l2pxp zm = lm1x1+lm2x2+lmpxp 主成分分析技術(shù)是把數(shù)據(jù)減少到易于掌握管理的程度，也是將復(fù)雜數(shù)據(jù)變成簡單類別便于存儲和管理的有力工具第3節(jié) 空間統(tǒng)計(jì)分析 六、層次分析（AHP, Analytic Hierarchy Process） 把相互關(guān)聯(lián)的要素按隸屬關(guān)系分為若干層次，請有經(jīng)驗(yàn)的專家對各層次各因素的 相對重要性給出定量指標(biāo)，再利用數(shù)學(xué)方法綜合專家意見給出各層次各要素的相 對重要性權(quán)值，作為綜合分析的基礎(chǔ) 七、判別分析 預(yù)先根據(jù)理論與實(shí)踐確定等級序列的因子標(biāo)準(zhǔn)，再將待分析的

22、地理實(shí)體安排到 序列的合理位置上方法 常見的判別分析方法有距離判別法，Bayes最小風(fēng)險(xiǎn)判別等。第3節(jié) 空間統(tǒng)計(jì)分析第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析一、 DEM概述 數(shù)字地形模型（DTM）是20世紀(jì)50年代由美國MIT攝影測量實(shí)驗(yàn)室主任米勒首次提出，并用其成功地解決了道路工程中土方估算等問題。 它被用于各種線路選線（鐵路、公路、輸電線等）的設(shè)計(jì)以及各種工程的面積、體積、坡度計(jì)算，任意兩點(diǎn)間的通視判斷即任意斷面圖繪制。 在測繪中被用于繪制等高線、坡度坡向圖、立體透視圖，制作正射影像圖以及地圖的修測。 DTM是地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可用于土地利用現(xiàn)狀的分析、合理規(guī)劃和洪水險(xiǎn)情預(yù)報(bào)等。 在軍事上可用于導(dǎo)彈

23、導(dǎo)航、作戰(zhàn)電子沙盤等。第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析一、 DEM概述 兩個(gè)基本概念 數(shù)字地面模型(Digital Terrain Model, DTM)：是指地表形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)， 是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。 數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)：是一定區(qū)域范圍內(nèi)地面高度連續(xù)變化的 數(shù)字化表示方法，通常是指按照一定的格網(wǎng)間隔采集地面高程所建立 的規(guī)則格網(wǎng)高程模型Jiangyin Soil DTMJiangyin DEM一、 DEM概述 DEM的表示法 數(shù)學(xué)方法圖 形 法整體局部傅立葉級數(shù)高次多項(xiàng)式規(guī)則數(shù)學(xué)分塊不規(guī)則數(shù)學(xué)分塊點(diǎn)數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)規(guī) 則

24、不 規(guī) 則典型特征密度一致密度不一致三角網(wǎng)鄰近網(wǎng)山峰、洼地隘口、邊界水平線垂直線典型線山脊線谷底線海岸線坡度變換線DEM的表示方法第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析一、 DEM概述 DEM的表示法 1） 等高線 等高線可認(rèn)為是帶有高程值屬性的簡單多邊形或多邊形弧段。 需要用插值方法來計(jì)算落在等高線以外的其他點(diǎn)的高程。第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析一、 DEM概述 DEM的表示法 2） 規(guī)則格網(wǎng)(Grid) 規(guī)則格網(wǎng)法是將區(qū)域空間切分為規(guī)則的 格網(wǎng)單元， 每一個(gè)格網(wǎng)單元對應(yīng)一個(gè)高程值。 數(shù)學(xué)上可把DEM表示成高程矩陣。 規(guī)則格網(wǎng)， 結(jié)構(gòu)簡單，計(jì)算機(jī)對矩陣的處理 比較方便，成為DEM最通用的形式 第4節(jié) 數(shù)字高程

25、模型分析不足： 地形簡單的地區(qū)存在大量冗余數(shù)據(jù)； 如不改變格網(wǎng)大小，則無法適用于起伏程度不同地區(qū) 對于某些特殊計(jì)算時(shí)，格網(wǎng)的軸線方向被夸大； 由于柵格過于粗略，不能精確表示地形的關(guān)鍵特征, 如山峰、洼坑、山脊等；一、 DEM概述 DEM的表示法 3） TIN (Triangulated Irregular Network) TIN， 利用區(qū)域有限個(gè)點(diǎn)集將區(qū)域劃分為 互不交叉、互不重疊且相連的三角 面網(wǎng)絡(luò)來模擬地形表面的數(shù)據(jù)模型。 TIN模型中，區(qū)域中任意點(diǎn)落在三角 面的頂點(diǎn)、邊或三角形內(nèi)，非頂點(diǎn)的 高程值通過線性插值的方法得到，所 以TIN是一個(gè)三維空間的分段線性模型， 在整個(gè)區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可

26、導(dǎo) 第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析特點(diǎn)： TIN TIN模型具有可變分辨率；模型具有可變分辨率； 因能顧及各種地形特征點(diǎn)、線，故能以較少的采樣點(diǎn)高精度因能顧及各種地形特征點(diǎn)、線，故能以較少的采樣點(diǎn)高精度 的逼近復(fù)雜的地形表面的逼近復(fù)雜的地形表面 TIN TIN模型可減少規(guī)則格網(wǎng)法帶來的數(shù)據(jù)冗余，同時(shí)在計(jì)算坡度模型可減少規(guī)則格網(wǎng)法帶來的數(shù)據(jù)冗余，同時(shí)在計(jì)算坡度 等效率方面優(yōu)于純粹基于等高線的方法；等效率方面優(yōu)于純粹基于等高線的方法； TINTIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、存儲管理與操縱較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)共享不便，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、存儲管理與操縱較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)共享不便， 大規(guī)模大規(guī)模DEMDEM生產(chǎn)管理較少采用，一般用于大比例尺地

27、形測圖生產(chǎn)管理較少采用，一般用于大比例尺地形測圖一、 DEM概述 DEM的特點(diǎn) 1）容易以多種形式顯示地形信息 2）精度不會損失 3）容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化 4）數(shù)字形式存儲的地形數(shù)據(jù)特別適合進(jìn)行各種地形定量化描述和地形三維建模 第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析 DEM地形數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件處理后，可產(chǎn)生多種比例尺的地形圖、縱斷面圖和立體圖； 常規(guī)地形圖一經(jīng)制作完成，比例尺不容易改變，改變或繪制其它形式的地形圖則 需要人工處理 常規(guī)地形圖隨時(shí)間推移，圖紙變形，失去精度； 而DEM采用數(shù)字媒介，能保持原有精度 常規(guī)地形圖的修改和增刪都必須采用相同的工序，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)周期長， 不利于實(shí)時(shí)更新； DEM采

28、用數(shù)字形式存儲，更新或變更地形信息可由軟件實(shí)時(shí)處理二、 DEM的建立 數(shù)據(jù)獲取與處理 1）數(shù)據(jù)采集 2) 數(shù)據(jù)處理 選點(diǎn)采集 隨機(jī)采集 沿等高線采集 沿?cái)嗝娌杉匦螆D數(shù)字化采集 航空相片采集 地面測量采集 機(jī)載測高儀采集沿?cái)嗝娌杉x點(diǎn)采集格式轉(zhuǎn)換 坐標(biāo)系變換 數(shù)據(jù)編輯 數(shù)據(jù)分塊 數(shù)據(jù)內(nèi)插第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析二、 DEM的建立 DEM 的生成 1）人工網(wǎng)格法 在地形圖上蒙上格網(wǎng)， 逐格讀取中心點(diǎn)或交點(diǎn)的高程值。 2) 三角網(wǎng)法 對有限個(gè)離散點(diǎn)，每三個(gè)鄰近點(diǎn)聯(lián)結(jié)成三角形， 每個(gè)三角形代表一個(gè)局部平面，再根據(jù) 每個(gè)平面方程，可計(jì)算各格網(wǎng)點(diǎn)高程， 生成DEM。 第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析二、 DEM

29、的建立 DEM 的生成 3）立體像對法 通過遙感立體像對，根據(jù)視差模型，自動(dòng)選配左右影像的同名點(diǎn)，建立 數(shù)字高程模型。 第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析二、 DEM的建立 DEM 的生成 4）曲面擬合法 整體擬合根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)所有采樣點(diǎn)的觀測值建立趨勢面模型。 局部擬合利用鄰近的數(shù)據(jù)點(diǎn)估計(jì)未知點(diǎn)的值，能反映局部特征。 第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析三、 DEM的應(yīng)用 基于DEM的地形信息提取 1）坡度，定義為地表單元 的法向量與 Z 軸的夾角， 即切平面與水平面的夾角 2）坡向，坡向是地表單元的 法向量在水平面上的 投影與X軸之間的夾角 3）地表粗造度(破碎度), 定義為地表單元的曲面 面積與其水平面上的投

30、 影面積之比。 P1(x, y)P4(x+x, y)P2(x, y +y)P3(x +x, y +y)nP1P2P3P4(z1)(z2)(z4)(z3)z第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析xyzO三、 DEM的應(yīng)用 基于DEM的地形信息提取 Grid DEM上制作 坡度、坡向圖 通常用33的格網(wǎng)窗口在DEM 數(shù)據(jù)矩陣中連續(xù)移動(dòng)計(jì)算完成。 DEMSLOPEASPECT第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析三、 DEM的應(yīng)用 基于DEM的地形信息提取 4）高程變異分析 包括平均高程、相對高程、高程標(biāo)準(zhǔn)差，高程變異。 高程變異格網(wǎng)頂點(diǎn)的高程標(biāo)準(zhǔn)差與平均高程的比值。 5）地貌形態(tài)的自動(dòng)分類 DEM計(jì)算地表形態(tài)要素 高度、坡度

31、、坡向等地形分類標(biāo)準(zhǔn)表地形自動(dòng)分類 3坡 度 100-200100 相對高度 400600 絕對高度高山低山丘陵崗丘平地第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析三、 DEM的應(yīng)用 基于DEM的可視化分析 1）剖面分析 A 意義：以線代面，研究區(qū)域的地貌形態(tài)、輪廓形狀、地勢變化、 地質(zhì)構(gòu)造、斜坡特征、地表切割強(qiáng)度等。 如果在地形剖面上疊加其它地理變量，可以提供 土地利用規(guī)劃、工程選線和選址等的決策依據(jù)。 B 繪制 可在格網(wǎng)DEM或三角網(wǎng)DEM上繪制 1 A 4 3 2B 50 1 2 3 4 5 6高程(m)12345BA B 4 3 2 1A0 1 2 3 4 5 6高程(m)1234BA第4節(jié) 數(shù)字高程模型

32、分析三、 DEM的應(yīng)用 基于DEM的可視化分析 2）通視分析是指以某一點(diǎn)為觀察點(diǎn)，研究某一區(qū)域通視情況的地形分析。 A 方法： 以A為觀察點(diǎn)，對格網(wǎng)或三角網(wǎng)DEM上的另一點(diǎn)A，判斷通視與否 以觀察點(diǎn)O為軸，以一定的方位角間隔算出0360的所有方位線 上的通視情況。第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析三、 DEM的應(yīng)用 基于DEM的可視化分析 2）通視分析是指以某一點(diǎn)為觀察點(diǎn)，研究某一區(qū)域通視情況的地形分析。 B 關(guān)鍵算法： 判斷格網(wǎng)或三角網(wǎng)上的某一點(diǎn)是否通視 傾角法 觀察點(diǎn)與各交點(diǎn)的傾角為i (iA,B,C) 若tgmax(tgi , iA、B、C)，則OP通視；否則，不通視。 剖面圖 兩點(diǎn)連線是否與剖面

33、相交。AB第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析三、 DEM的應(yīng)用 基于DEM的可視化分析 2）通視分析是指以某一點(diǎn)為觀察點(diǎn)，研究某一區(qū)域通視情況的地形分析。 C 通視分析示例 導(dǎo)彈飛行 可視域的三維顯示第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析三、 DEM的應(yīng)用 基于DEM的可視化分析 3）地形三維圖繪制 DEM 高程點(diǎn)高程點(diǎn)建立幾建立幾何模型何模型透視透視變換變換隱藏線、隱藏線、面的消除面的消除光照光照模型模型計(jì)算計(jì)算貼貼紋紋理理圖形圖形輸出輸出第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析三、 DEM的應(yīng)用 數(shù)字流域分析 1）流向計(jì)算 Flow Direction 2）流水累積量Flow Accumulation 流入每個(gè)柵格的所有柵格的數(shù)

34、目。 2481X161286432第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析流域探測除確定邊界線外，還要將整個(gè)范圍從整個(gè)數(shù)據(jù)庫中分離出來。探測方法是：首先需要交互式地確定河流流域的出口，并作為搜索工作的起點(diǎn)。以33算子的中心像元置于起始點(diǎn)，比較中心像元相鄰近的8個(gè)像元的坡向。如果坡向朝向中心像元，則認(rèn)為它是中心像元的上游，算子的中心像元移至新的“上游”點(diǎn)，重復(fù)比較過程又能得到新的“上游”點(diǎn)。以由“上游”標(biāo)志的不予比較，整個(gè)數(shù)據(jù)范圍都運(yùn)算完畢后，流域范圍就全部標(biāo)記出來了。用戶可以對這些像元重新編碼，形成某一流域的分布圖。三、 DEM的應(yīng)用 數(shù)字流域分析 3）水網(wǎng)Stream Network 根據(jù)地表的水流方向數(shù)字

35、矩陣，確定 河流的最小長度，顯示出區(qū)域內(nèi)水系 分布的密集程度。 4）流域分析 流域是指流經(jīng)其中的水流和其它物質(zhì) 從一個(gè)公共的出水口排出從而形成一 個(gè)集中的排水區(qū)域。 采用水流方向和流水累積量 數(shù)據(jù)生成水的流出數(shù)據(jù) 第4節(jié) 數(shù)字高程模型分析第5節(jié) 空間疊置分析空間疊置分析(spatial overlay analysis)，又稱疊加分析，是指在統(tǒng)一的空間參照系統(tǒng)條件下，將同一地區(qū)的兩組或兩組以上的圖層要素進(jìn)行疊置，產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)層的分析方法。 疊置分析既包括空間關(guān)系的比較，也包括屬性關(guān)系的比較，是地理信息系統(tǒng)最常用的提取空間隱含信息的手段之一 根據(jù)GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，分為下列矢量疊置和柵格疊置兩

36、類分析方法 一、基于矢量數(shù)據(jù)的疊置分析1、內(nèi)容 點(diǎn)與多邊形的疊置 實(shí)質(zhì)上是計(jì)算多邊形對點(diǎn)的 包含關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)將多邊 形的屬性添加到點(diǎn)的屬性表中， 同樣也可以將點(diǎn)的屬性添 加到多邊形的屬性表中。 點(diǎn)層與面層的疊置核心算 法為判斷點(diǎn)是否在多邊形內(nèi)。 Identity or Intersect|第5節(jié) 空間疊置分析一、基于矢量數(shù)據(jù)的疊置分析1、內(nèi)容 線與多邊形的疊置 線與多邊形的疊置將會產(chǎn)生一個(gè)新的數(shù)據(jù)層面，每條線被它穿過的多邊形打斷成新弧段，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)表記錄原線和多邊形的屬性信息。 線與多邊形疊置的算法就是線的多邊形裁剪。Identity or Intersect=第5節(jié) 空間疊

37、置分析一、基于矢量數(shù)據(jù)的疊置分析1、內(nèi)容 多邊形與多邊形的疊置含義 指將兩個(gè)或多個(gè)多邊形圖層進(jìn)行疊置產(chǎn)生一個(gè)新多邊形的操作，其結(jié)果將 原來多邊形要素分割成新要素，新要素綜合了原來兩個(gè)或多個(gè)圖層的屬性 第5節(jié) 空間疊置分析一、基于矢量數(shù)據(jù)的疊置分析1、內(nèi)容 多邊形與多邊形的疊置種類 根據(jù)疊置結(jié)果最后欲保留空間特征的要求不同，一般的一般的GIS軟件軟件都提供了 三種多邊形疊置操作 第5節(jié) 空間疊置分析unionidentityintersect聯(lián)集 交集 差集 一、基于矢量數(shù)據(jù)的疊置分析1、內(nèi)容 多邊形與多邊形的疊置種類 根據(jù)疊置結(jié)果最后欲保留空間特征的要求不同，ArcMap軟件軟件都提供了 五種

38、多邊形疊置操作 （1）Clip運(yùn)算運(yùn)算 第5節(jié) 空間疊置分析一、基于矢量數(shù)據(jù)的疊置分析1、內(nèi)容 多邊形與多邊形的疊置種類 根據(jù)疊置結(jié)果最后欲保留空間特征的要求不同，ArcMap軟件都提供了 五種多邊形疊置操作 （2） Erase運(yùn)算運(yùn)算 與Clip運(yùn)算相反，Erase運(yùn)算保留了Clip運(yùn)算去掉的特征(點(diǎn)、線和面)，而去掉了Clip運(yùn)算保留的部分。Erase運(yùn)算的輸出結(jié)果來自于被擦除的數(shù)據(jù)集的屬性表，是其部分子集第5節(jié) 空間疊置分析一、基于矢量數(shù)據(jù)的疊置分析1、內(nèi)容 多邊形與多邊形的疊置種類 根據(jù)疊置結(jié)果最后欲保留空間特征的要求不同，ArcMap軟件都提供了 五種多邊形疊置操作 （3） Unio

39、n運(yùn)算運(yùn)算 Union運(yùn)算是求兩個(gè)數(shù)據(jù)集的并集的操作，只限于兩個(gè)面數(shù)據(jù)集之間。在操作時(shí)，兩個(gè)面數(shù)據(jù)集內(nèi)的所有多邊形都被輸出到數(shù)據(jù)集中，在相交的點(diǎn)處多邊形將被分裂第5節(jié) 空間疊置分析一、基于矢量數(shù)據(jù)的疊置分析1、內(nèi)容 多邊形與多邊形的疊置種類 根據(jù)疊置結(jié)果最后欲保留空間特征的要求不同，ArcMap軟件都提供了 五種多邊形疊置操作 （4） Intersect運(yùn)算運(yùn)算 Intersect運(yùn)算是求兩個(gè)數(shù)據(jù)集的交集的操作，兩個(gè)數(shù)據(jù)集中共同的部分將被輸出到結(jié)果數(shù)據(jù)集中，其余部分將被排除第5節(jié) 空間疊置分析一、基于矢量數(shù)據(jù)的疊置分析1、內(nèi)容 多邊形與多邊形的疊置種類 根據(jù)疊置結(jié)果最后欲保留空間特征的要求不同

40、，ArcMap軟件都提供了 五種多邊形疊置操作 （5） Identity運(yùn)算運(yùn)算 Identity運(yùn)算類似于Union運(yùn)算，要對兩個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行相交計(jì)算。不同之處在于，Union運(yùn)算保留了兩個(gè)數(shù)據(jù)集的所有部分，而Identity運(yùn)算只保留第一個(gè)數(shù)據(jù)集的所有部分，去掉第二個(gè)數(shù)據(jù)集(稱為Identity數(shù)據(jù)集)中與第一個(gè)數(shù)據(jù)集沒有重疊的部分 第5節(jié) 空間疊置分析一、基于矢量數(shù)據(jù)的疊置分析1、內(nèi)容 多邊形與多邊形的疊置實(shí)施步驟 a）對原始數(shù)據(jù)（多邊形）形成拓?fù)潢P(guān)系； b) 多層多邊形數(shù)據(jù)的空間疊置，形成新層； c）刪除多余多邊形(或處理無意義多邊形)，提取感興趣的部分； d）對新層中的多邊形重建拓?fù)洹?/p>

41、 在ArcMap中，用ArcToolboxsData Management ToolsGeneralizationEliminate刪除碎屑多邊形。邊界1邊界2無意義多邊形第5節(jié) 空間疊置分析一、基于矢量數(shù)據(jù)的疊置分析2、多邊形與多邊形疊置算法 多邊形與多邊形疊置算法的核心是多邊形對多邊形的裁剪。多邊形裁剪比較復(fù)雜，因?yàn)槎噙呅尾眉艉笕匀皇嵌噙呅?，而且可能是多個(gè)多邊形。下面給出多邊形裁剪的Weiler-Athernton(內(nèi)裁剪)法。A1A2A3A4A5A1A2A3A4A5B1B2B3B4B5B7B8B11B9B10B12B6第5節(jié) 空間疊置分析P2P1P3P4P5P6P7P8BAB1A1B2A

42、2B3A3B4A4B5A5B6B7B8B9B10B11B12BAB1A1B2P5B3P4P7P3B4P2P8A2B5P1P3P8B6P7P2A3P1A4B7A5B8P6B9B10P4B11P5B12P6二、基于柵格數(shù)據(jù)的疊置分析 1、布爾邏輯運(yùn)算 柵格數(shù)據(jù)可以按其屬性數(shù)據(jù)的布爾邏輯 運(yùn)算來檢索，即進(jìn)行邏輯選擇。 布爾邏輯為AND、OR、XOR、NOT 布爾邏輯運(yùn)算可組合更多的屬性作為檢索條件，進(jìn)行更復(fù)雜的邏輯選擇運(yùn)算。 例如可以用條件：(A AND B) OR C 進(jìn)行檢索，其中 A為土壤是粘性的， B為pH值7.0的， C為排水不良的。 這樣就可把柵格數(shù)據(jù)中土壤結(jié)構(gòu)為粘性的、土壤pH值大于7

43、.0的、或者排水不良的區(qū)域檢索出來。在ArcMap中，可用Raster Calculator命令進(jìn)行布爾邏輯運(yùn)算第5節(jié) 空間疊置分析二、基于柵格數(shù)據(jù)的疊置分析 2、重分類 是將屬性數(shù)據(jù)的類別合并或轉(zhuǎn)換成新類。 即對原來數(shù)據(jù)中的多種屬性類型，按照一定的原則進(jìn)行重新分 類，以利于分析。 重分類時(shí)必須保證多個(gè)相鄰接的同一類別的圖形單元應(yīng)獲得一個(gè)相同的名稱，并且 這些圖形單元之間的邊應(yīng)該去掉，從而形成新的圖形單元。 在ArcMap中，可用Reclassify命令進(jìn)行重分類操作分析第5節(jié) 空間疊置分析二、基于柵格數(shù)據(jù)的疊置分析 3、局部變換 是指基于像元與像元之間一一對應(yīng)的運(yùn)算，每一個(gè)像元都是基 于它自

44、身的運(yùn)算，不考慮其它的與之相鄰的像元 21132320321102輸入柵格63396960963306輸出柵格3 =單層局部變換21132320321102輸入柵格4332332222212211乘數(shù)柵格 =83296640622202輸出柵格多層局部變換第5節(jié) 空間疊置分析二、基于柵格數(shù)據(jù)的疊置分析 4、全局變換 基于研究區(qū)域內(nèi)所有像元的運(yùn)算，輸出柵格的每一個(gè)像元是基 于全部柵格運(yùn)算的結(jié)果。 一般是指在同一格網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行像元與像元之間歐幾里德距離的運(yùn)算： 是以連續(xù)距離對源像元建立緩沖，在整個(gè)格網(wǎng)上建立一系列波狀距離帶； 是對格網(wǎng)中的每個(gè)像元確定與其最近的源像元的自然距離（比較常見） 在歐幾里德距

45、離運(yùn)算中，首先要定義源像元，然后計(jì)算區(qū)域內(nèi)各個(gè)像元到最近的源像元的距離。 歐幾里德幾何距離定義源像元為0值，而其它像元的輸出值是到最近的源像元的距離 第5節(jié) 空間疊置分析二、基于柵格數(shù)據(jù)的疊置分析 4、全局變換 基于研究區(qū)域內(nèi)所有像元的運(yùn)算，輸出柵格的每一個(gè)像元是基 于全部柵格運(yùn)算的結(jié)果。 輸入柵格BAAA輸出柵格2.01.41.01.41.01.00.01.00.01.01.01.40.00.01.02.0歐幾里德距離 =輸入柵格BAAA輸出柵格4.02.83.02.12.02.50.01.50.02.82.53.50.00.03.05.0=成本柵格3352141233444422第5節(jié) 空

46、間疊置分析二、基于柵格數(shù)據(jù)的疊置分析 5、柵格疊置分析的作用 類型疊置: 即通過疊置獲取新的類型。如土壤圖與植被圖疊置，以分析土 壤與植被的關(guān)系。 數(shù)量統(tǒng)計(jì): 即計(jì)算某一區(qū)域內(nèi)的類型和面積。如行政區(qū)劃圖和土壤類型圖 疊置，可計(jì)算出某一行政區(qū)劃中的土壤類型數(shù)，以及各種類型 土壤的面積。 動(dòng)態(tài)分析: 即通過對同一地區(qū)、相同屬性、不同時(shí)間的柵格數(shù)據(jù)的疊置， 分析由時(shí)間引起的變化。 益本分析: 即通過對屬性和空間的分析，計(jì)算成本、價(jià)值等。 幾何提取: 即通過與所需提取的范圍的疊置運(yùn)算，快速地進(jìn)行范圍內(nèi)信息 的提取。第4節(jié) 空間疊置分析第6節(jié) 空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析一、緩沖區(qū)及其作用 1、例子

47、禽流感疫情發(fā)生所影響的范圍有多大？ 道路拓寬而需拆除的建筑物和搬遷的居民？ 動(dòng)物的活動(dòng)區(qū)域？ 2、緩沖區(qū)分析概念 是指根據(jù)分析對象的點(diǎn)、線、面實(shí)體， 自動(dòng)建立它們周圍一定距離的帶狀區(qū) 域，用以識別這些實(shí)體對鄰近對象的 輻射范圍或影響度，以便為某項(xiàng)分析 或決策提供依據(jù) 哪些地方是大熊貓的活動(dòng)區(qū)域?一、緩沖區(qū)及其作用 3、緩沖區(qū)的類型 根據(jù)研究對象影響力的特點(diǎn)，緩沖區(qū)可以分為兩種： 均質(zhì)緩沖區(qū)，空間物理與鄰近對象只 呈現(xiàn)單一的距離關(guān)系，緩沖區(qū)內(nèi)各 點(diǎn)影響相等，即不隨距離空間物體 的遠(yuǎn)近而改變 非均質(zhì)緩沖區(qū)，空間物體對鄰近對象 的影響度隨著距離變化而呈現(xiàn)不同 強(qiáng)度的擴(kuò)散或衰減 # # # #第6節(jié)

48、空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析一、緩沖區(qū)及其作用 4、緩沖區(qū)分析的作用 緩沖區(qū)分析是GIS的基本空間操作功能之一，一般應(yīng)用于求地理實(shí)體 的影響范圍，即鄰近度問題 如虛擬軍事演習(xí)系統(tǒng)中，緩沖區(qū)分析方法是對雷達(dá)群的合成探測范圍和 干擾效果進(jìn)行研究的一種非常有效的手段 緩沖區(qū)作為一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)層，還可以參與疊置分析，從而能為不同的 工作需要提供科學(xué)依據(jù) 如道路整修、河道改造、居民區(qū)拆遷、污染范圍確定分析等第6節(jié) 空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析二、緩沖區(qū)建立方法 1、矢量數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的建立方法 點(diǎn)要素的緩沖區(qū) 點(diǎn)要素的緩沖區(qū)是以點(diǎn)要素為圓心，以緩沖距離R為半徑的圓， 主要包括以下幾種類型： A.單點(diǎn)形成

49、的緩沖區(qū) B.點(diǎn)群形成的緩沖區(qū) C.分級點(diǎn)形成的緩沖區(qū) # #第6節(jié) 空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析二、緩沖區(qū)建立方法 1、矢量數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的建立方法 線要素的緩沖區(qū) 線要素的緩沖區(qū)是以線要素為軸線，以緩沖距離R 為平移量向兩側(cè)作平行曲/折線，在軸線兩端構(gòu)造 兩個(gè)半圓弧最后形成圓頭緩沖區(qū) 主要包括以下幾種類型： A.單線形成的緩沖區(qū) B.多線形成的緩沖區(qū) C.分級線形成的緩沖區(qū) 第6節(jié) 空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析二、緩沖區(qū)建立方法 1、矢量數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的建立方法 面要素的緩沖區(qū) 面要素的緩沖區(qū)是以面要素的邊界為軸線，以緩沖 距離R為平移量向外側(cè)或內(nèi)側(cè)作平行曲/折線所形 成的多邊形，在軸線兩端構(gòu)

50、造 主要包括以下幾種類型： A.單一面形成的緩沖區(qū) B.多個(gè)面形成的緩沖區(qū) C.分級面形成的緩沖區(qū) 第6節(jié) 空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析二、緩沖區(qū)建立方法 1、矢量數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的建立方法 ArcMap中建立緩沖區(qū)的方法第6節(jié) 空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析Step1Step2Step3二、緩沖區(qū)建立方法 2、柵格數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的建立方法 柵格緩沖區(qū)分析通常稱為推移或擴(kuò)散，其實(shí)質(zhì)是模擬主體對鄰近對象的 作用過程，物體在主體的作用下沿著一定的阻力表面移動(dòng)或擴(kuò)散， 距離主體越近所受到的作用力越弱。 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的點(diǎn)、線、面緩沖距離的建立方法主要是像元加粗法、以 分析目標(biāo)生成像元，借助緩沖距離R計(jì)算像元加

51、粗的次數(shù)，然后進(jìn)行 像元加粗形成緩沖區(qū)# # # # # # # # #第6節(jié) 空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析二、緩沖區(qū)建立方法 3、動(dòng)態(tài)緩沖區(qū) 現(xiàn)實(shí)世界中很多空間對象或過程對于周圍的影響并不是隨著距離的變化 而固定不變，因此需要建立動(dòng)態(tài)緩沖區(qū) 根據(jù)空間物體對周圍影響度的變化性質(zhì)，可以采用不同的分析模型： A. 當(dāng)緩沖區(qū)內(nèi)各處隨著距離變化，其影響度變化速度相等，采用線性模型 Fi = f0 (1ri ) B. 當(dāng)距離空間物體近的地方比距離空間物體遠(yuǎn)的地方影響度變化快時(shí)， 采用二次模型 Fi = f0 (1ri )2 C. 當(dāng)距離空間物體近的地方比距離空間物體遠(yuǎn)的地方影響度變化更快時(shí)， 采用指數(shù)

52、模型 Fi = f0 exp(1ri ) 第6節(jié) 空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析三、緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)的基本算法 1.柵格數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)算法 柵格方法以數(shù)學(xué)形態(tài)擴(kuò)展算法為代表，采用由實(shí)體柵格和八方向位移 L 得 到全方向柵格單元與原圖作布爾運(yùn)算得到。 2.矢量數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)算法 主要采用矢量數(shù)據(jù)的中心線擴(kuò)展法，該法的實(shí)現(xiàn)途徑主要有兩種算法： 角分線法 凸角圓弧法 第6節(jié) 空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析角分線法（一）基本思想 首先，在中心軸線兩端點(diǎn)處作軸線的垂線，按緩沖區(qū)半徑R截去超出部分，獲得左右邊線的 起迄點(diǎn)然后，在中心軸線的其他各轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，用以偏移量為R的左右平行線的交點(diǎn)來確定該轉(zhuǎn)折點(diǎn) 處左右平行線的

53、對應(yīng)頂點(diǎn)最后，由端點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)和左右平行線形成的多邊形就構(gòu)成了所需要的緩沖區(qū)多邊形 （二）缺陷1.難以最大限度地保證緩沖區(qū)左右邊線的等寬性。2.校正過程復(fù)雜。當(dāng)軸線折角偏大或偏小時(shí)，因角分線法自身的缺點(diǎn)會造成許多異常情況，校正過程復(fù)雜，實(shí)施起來較為困難3.算法模型欠結(jié)構(gòu)化。算法模型應(yīng)包括平行線的幾何生成和異常處理，由于集合生成過程中產(chǎn)生許多異常情況，證明該算法在合理性上有欠缺dRa凸角圓弧法（一）基本思想 在中心軸線兩端點(diǎn)處作軸線的垂線，按緩沖區(qū)半徑R截去超出部分，獲得左右邊線的起迄點(diǎn)；在中線軸線的其它各轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，首先判斷該點(diǎn)的凸凹性，在凸側(cè)用圓弧彌合，在凹側(cè)用與該折點(diǎn)前后相繼的軸線的偏移量為R

54、的左右平行線的交點(diǎn)來確定對應(yīng)頂點(diǎn) 凸角圓弧法（二）主要步驟 1.直線性判斷 d = |Ax+By+C|/SQR(A2+B2) 2.折線凹凸性的判斷 3.凸頂點(diǎn)弧的嵌入 4.邊線關(guān)系的判斷 A 島嶼多邊形及其自動(dòng)識別 B.重疊多邊形及其自動(dòng)識別 5.緩沖區(qū)邊界的最終形成（三）緩沖區(qū)多邊形的重疊合并 1.數(shù)學(xué)運(yùn)算法 2.矢量-柵格轉(zhuǎn)換法 3.矢量-柵格混合算法 ABC四、緩沖區(qū)分析應(yīng)用實(shí)例 本例以道路拓寬中的拆遷指標(biāo)計(jì)算，說明如何利用緩沖區(qū)分析，計(jì)算一條道路拓寬過程中的拆遷指標(biāo)。操作步驟如下：（1）明確目的和標(biāo)準(zhǔn)：目的是計(jì)算由于道路拓寬而需拆遷的建筑物的建筑面積和房產(chǎn)價(jià)值。道路拓寬標(biāo)準(zhǔn)：道路從原有

55、的20m拓寬到60m；道路盡量保持直線；部分位于拆遷區(qū)內(nèi)的10層以上的建筑不拆除。（2）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：現(xiàn)狀道路數(shù)字地圖；區(qū)域內(nèi)建筑物分布圖及其相關(guān)信息。（3）空間操作：以拓寬半徑建立道路緩沖區(qū)；將緩沖區(qū)與建筑物層數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)浏B加，形成包括部分或全部位于道路拓寬區(qū)內(nèi)建筑物信息的新圖。（4）統(tǒng)計(jì)分析：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對部分落入拆遷區(qū)的10層以上高樓，從選擇組中去除，并調(diào)整局部拓寬道路邊界；對需拆遷建筑物進(jìn)行拆遷指標(biāo)計(jì)算。（5）結(jié)果輸出：以地圖或表格形式將分析結(jié)果輸出。第6節(jié) 空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析五、泰森多邊形及其特性 荷蘭氣候?qū)W家AHThiessen提出了一種根據(jù)離散分布的氣象站的降雨量來計(jì)算平均降

56、雨量的方法： 將所有相鄰氣象站連成三角形，作這些三角形各邊的垂直平分線，于是每個(gè)氣象站周圍的若干垂直平分線便圍成一個(gè)多邊形。 用這個(gè)多邊形內(nèi)所包含的一個(gè)唯一氣象站的降雨強(qiáng)度來表示這個(gè)多邊形區(qū)域內(nèi)的降雨強(qiáng)度，并稱這個(gè)多邊形為泰森多邊形。 第6節(jié) 空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析ABCD五、泰森多邊形及其特性 第6節(jié) 空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析ABCD泰森多邊形的性質(zhì)：每個(gè)泰森多邊形內(nèi)僅含有一個(gè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)泰森多邊形內(nèi)的點(diǎn)到相應(yīng)控制點(diǎn)的距離最近位于泰森多邊形邊上的點(diǎn)到其兩邊控制點(diǎn)的距離相等在判斷一個(gè)控制點(diǎn)與其它哪些控制點(diǎn)相鄰時(shí)，可直接根據(jù) 泰森多邊形得出結(jié)論，即若泰森多邊形是n多邊形，則n個(gè) 離散

57、點(diǎn)相鄰。 泰森多邊形可用于定性分析、統(tǒng)計(jì)分析、鄰近分析等。例如，可以用離散點(diǎn)的性質(zhì)來描述泰森多邊形區(qū)域的性質(zhì)； 可用離散點(diǎn)的數(shù)據(jù)來計(jì)算泰森多邊形區(qū)域的數(shù)據(jù)； 判斷一個(gè)離散點(diǎn)與其它哪些離散點(diǎn)相鄰時(shí)，可根據(jù)泰森多邊形直接得出， 且若泰森多邊形是n邊形，則就與n個(gè)離散點(diǎn)相鄰； 當(dāng)某一數(shù)據(jù)點(diǎn)落入某一泰森多邊形中時(shí)，它與相應(yīng)的離散點(diǎn)最鄰近，無需計(jì)算距離。六、泰森多邊形的構(gòu)建 泰森多邊形的構(gòu)建中，首先要將離散點(diǎn)構(gòu)成三角網(wǎng)Delaunay三角網(wǎng) Delaulay三角形的構(gòu)建 A . Delaunay三角形產(chǎn)生的準(zhǔn)則 1) 任何一個(gè)Delaunay三角形的外接圓內(nèi)不能包含任何其它離散點(diǎn)。 2) 相鄰兩個(gè)Del

58、aunay三角形構(gòu)成凸四邊形，在交換凸四邊形的對 角線之后，六個(gè)內(nèi)角的最小者不再增大。該性質(zhì)即為最小角最 大準(zhǔn)則。 由此獲得最佳三角形，即在構(gòu)造三角網(wǎng)時(shí)，應(yīng)盡可能使三角形的三內(nèi)角均成銳角，即符合Delaunay三角形產(chǎn)生的準(zhǔn)則。第6節(jié) 空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析六、泰森多邊形的構(gòu)建 Delaulay三角形的構(gòu)建 B. Delaunay三角形的通用算法凸包插值算法 凸包生成 1、求出點(diǎn)集中滿足min(x-y)、min(x+y)、max(x-y)、max(x+y)的四個(gè)點(diǎn)，并按逆 時(shí)針方向組成一個(gè)點(diǎn)的鏈表。這4個(gè)點(diǎn)是離散點(diǎn)中與包含離散點(diǎn)的外接矩形的 4個(gè)角點(diǎn)最近的點(diǎn)。這4個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的多邊形作為初

59、始凸包。 2、對于每個(gè)凸包上的點(diǎn)I，設(shè)它的后續(xù)點(diǎn)為J，計(jì)算矢量線段IJ右側(cè)的所有點(diǎn)到IJ 的距離，求出距離最大的點(diǎn)K。 3、將K插入I、J之間，并將K賦給J。 4、重復(fù)2、3步，直到點(diǎn)集中沒有在線段IJ右側(cè)的點(diǎn)為止。 5、將J賦給I，J取其后續(xù)點(diǎn)，重復(fù)2、3、4步。 6、當(dāng)凸包中任意相鄰兩點(diǎn)連線的右側(cè)不存在離散點(diǎn)時(shí)，結(jié)束點(diǎn)集凸包求取過程。 完成這一步后，形成了包含所有離散點(diǎn)的多邊形（凸包）第6節(jié) 空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析123456789六、泰森多邊形的構(gòu)建 Delaulay三角形的構(gòu)建 B. Delaunay三角形的通用算法凸包插值算法 環(huán)切邊界法凸包三角剖分 在凸包鏈表中每次尋找一個(gè)

60、由相鄰兩條凸包邊組成的三角形， 在該三角形的內(nèi)部和邊界上都不包含凸包上的任何其它點(diǎn)。 將這個(gè)點(diǎn)去掉后得到新的凸包鏈表。 重復(fù)這個(gè)過程，直到凸包鏈表中只剩三個(gè)離散點(diǎn)為止。 將凸包鏈表中的最后三個(gè)離散點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)三角形，結(jié)束凸包三角剖分過程。第6節(jié) 空間緩沖區(qū)分析和泰森多邊形分析879123456六、泰森多邊形的構(gòu)建 Delaulay三角形的構(gòu)建 B. Delaunay三角形的通用算法凸包插值算法 離散點(diǎn)內(nèi)插 在對凸包進(jìn)行三角剖分之后，不在凸包上的其余離散點(diǎn)，可采用逐點(diǎn)內(nèi)插的 方法進(jìn)行剖分?；具^程為： 1、找出外接圓包含待插入點(diǎn)的所有三角形，構(gòu)成插入?yún)^(qū)域。 2、刪除插入?yún)^(qū)域內(nèi)的三角形公共邊，形成由