軟件操作與使用實(shí)用教案

1、空間分析(fnx)基礎(chǔ) 1. 空間數(shù)據(jù) 2. 空間分析(fnx)過程 3. 常用空間分析(fnx)第1頁/共54頁第一頁，共54頁。 什么是空間數(shù)據(jù)？ 空間數(shù)據(jù)（也稱地理數(shù)據(jù)）是地理信息系統(tǒng)的一個主要組成部分 。 空間數(shù)據(jù)是指以地球表面空間位置為參照的自然、社會(shhu)和人文經(jīng)濟(jì)景觀數(shù)據(jù)，可以是圖形、圖像、文字、表格和數(shù)字等。它是GIS所表達(dá)的現(xiàn)實(shí)世界經(jīng)過模型抽象后的內(nèi)容，一般通過掃描儀、鍵盤、光盤或其它通訊系統(tǒng)輸入GIS?？臻g數(shù)據(jù)第2頁/共54頁第二頁，共54頁。對現(xiàn)實(shí)(xinsh)世界的幾何抽象面面點(diǎn)點(diǎn)線線體體(X,Y)(X2,Y2)(X3,Y3)(X4,Y4)(X5,Y5)線線Lin

2、eLine點(diǎn)點(diǎn)PointPoint(X5,Y5)(X,Y)(X2,Y2)(X4,Y4)(X3,Y3)面面PolygonPolygon(X,Y)空間數(shù)據(jù)的表示(biosh)第3頁/共54頁第三頁，共54頁。GIS數(shù)據(jù)的兩種表示(biosh)方法柵格表達(dá)(biod)矢量(shling)表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界第4頁/共54頁第四頁，共54頁。矢量數(shù)據(jù)是地理要素的一種概念模型，在矢量模型下，地理要素被表現(xiàn)為點(diǎn)、線、面等幾何形式，在ArcGISArcGIS中我們(w men)(w men)稱之為要素類。ArcGIS ArcGIS 支持多種矢量數(shù)據(jù)格式，可以用以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面要素的存儲。這些格式包括： ShapSh

3、ap文件 Coverages Coverages 地理數(shù)據(jù)庫：Geodatabases Geodatabases CAD CAD 文件Event Event 事件數(shù)據(jù)表 不規(guī)則三角網(wǎng)絡(luò) (TINs) (TINs) 矢量(shling)數(shù)據(jù)第5頁/共54頁第五頁，共54頁。幾種常見(chn jin)的拓?fù)潢P(guān)系第6頁/共54頁第六頁，共54頁。 點(diǎn)要素： Id, x, y. 線要素： 弧段/節(jié)點(diǎn)(Fnode, Tnode)列表(li bio) 弧段坐標(biāo) 多邊形： 多邊形/弧段列表(li bio) 左/右多邊形列表(li bio)在矢量存儲中表達(dá)(biod)拓?fù)潢P(guān)系第7頁/共54頁第七頁，共54頁。

4、在矢量存儲(cn ch)中表達(dá)拓?fù)潢P(guān)系第8頁/共54頁第八頁，共54頁。在矢量(shling)存儲中表達(dá)拓?fù)潢P(guān)系第9頁/共54頁第九頁，共54頁。 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)又稱為網(wǎng)格數(shù)據(jù) 是指將地球表面劃分為大小均勻緊密相鄰的網(wǎng)格陣列(zhn li)，每個網(wǎng)格作為一個像元或像素，有行列號定義，并包含一個代碼，表示該像素的屬性值 柵格數(shù)據(jù)集是使用大小一致的柵格單元來表示現(xiàn)實(shí)世界中的要素的，每個柵格單元可以通過行列（r,c）坐標(biāo)定位。柵格數(shù)據(jù)第10頁/共54頁第十頁，共54頁。 在定義格格單元的大小時，我們需要平衡信息的精確性和數(shù)據(jù)(shj)量之間的矛盾。柵格單元代表的尺度越小，表達(dá)的信息就越精確。柵格單元代

5、表的尺度越大，存儲數(shù)據(jù)(shj)所需要的空間就更少，同時，表達(dá)的信息也就不精確。 柵格數(shù)據(jù)第11頁/共54頁第十一頁，共54頁。柵格數(shù)據(jù)的類型(lixng) Images Grids第12頁/共54頁第十二頁，共54頁。PondLakeRiverPondLakeRiver110111111112222221100000000000000000000000000000000000000000000000000000Reality -HydrographyReality overlaid with a gridResulting raster0 = No Water Feature1 = Wate

6、r Body2 = River第13頁/共54頁第十三頁，共54頁。柵格數(shù)據(jù)的表達(dá)(biod)真實(shí)世界真實(shí)世界GridPointLineAreaValue=0=1=2=3RowColumnTrianglesHexagons第14頁/共54頁第十四頁，共54頁。矢量(shling)和柵格的轉(zhuǎn)換 比較簡單，只需要根據(jù)(gnj)點(diǎn)或線的某個屬性對相應(yīng)柵格點(diǎn)進(jìn)行賦值即可第15頁/共54頁第十五頁，共54頁。Event 數(shù)據(jù)表 點(diǎn)事件數(shù)據(jù)表（XY數(shù)據(jù)表）：包含有特別的字段來存儲坐標(biāo)信息，這種坐標(biāo)是經(jīng)緯度的地理坐標(biāo)或是(hu sh)某種投影坐標(biāo)。 這類數(shù)據(jù)是通過測量方式獲取的。比如，普通的GPS接收機(jī)接收

7、到的數(shù)據(jù)都可以導(dǎo)出為帶分隔符的文本文件，其中就包含有GPS航點(diǎn)的坐標(biāo)信息?？梢詫⑦@些數(shù)據(jù)導(dǎo)入為INFO、dBASE或Geodatabase 屬性表的格式，然后根據(jù)其中的坐標(biāo)信息生成點(diǎn)要素類第16頁/共54頁第十六頁，共54頁。TIN(Triangulated Irregular Network) 在TIN數(shù)據(jù)模型中，將具有（X,Y,Z）坐標(biāo)值且在空間分布(fnb)上不規(guī)則的點(diǎn)連接成三角形，這些相鄰的三角形形成一個網(wǎng)絡(luò)用以表示現(xiàn)實(shí)世界中的某些特征。 盡管TIN 也是一種矢量數(shù)據(jù)格式，但由于它不能表達(dá)單個要素所以是特殊的矢量格式。 TIN 用于表示一個表面，或者說是連續(xù)的數(shù)據(jù)，而不能表示離散的數(shù)據(jù)

8、第17頁/共54頁第十七頁，共54頁。 TIN 可以表示連續(xù)的表面，比如(br)地形的不規(guī)則三角網(wǎng).。放大顯示表面時，可以看到這是由多個相鄰的三角形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。第18頁/共54頁第十八頁，共54頁。影像(yn xin):Images 柵格數(shù)據(jù)有兩種：一種是由單一的層構(gòu)成的稱為柵格，另一種是由多層復(fù)合而成的稱為影像（比如，多波段的衛(wèi)星照片） 二值（黑，白）影像數(shù)據(jù)是典型的柵格數(shù)據(jù)。 而衛(wèi)星影像等數(shù)據(jù)包含了多個波段的信息，是分層存儲的，每個波段的數(shù)據(jù)存儲在一層中，每層中記錄了某一波段范圍內(nèi)電磁光譜的反射系數(shù)。通過給每一層賦不同的顏色（R,G,B），可以生成合成影像，增強(qiáng)某方面的信息，以利于評價土地

9、覆蓋(fgi)、植被密度等因素。.第19頁/共54頁第十九頁，共54頁。 對于具有地理參考信息的影像可以根據(jù)其空間坐標(biāo)信息組織成為一個(y )集合。稱之為影像目錄。這樣，在邏輯上，可以得到一個(y )由多個文件組成的單一的影像。 在GIS中影像數(shù)據(jù)可以有多種用途，比如，航空照片、衛(wèi)星影像、地圖掃描數(shù)據(jù)，在建立地理參考信息后，可以提供地球表面的空間位置信息。.第20頁/共54頁第二十頁，共54頁。 影像數(shù)據(jù)，諸如，航空照片、掃描的地圖，在進(jìn)行地理配準(zhǔn)后可以作為(zuwi)地圖中的一層. 并非所有的柵格數(shù)據(jù)集都具有地理參考信息。對于這些數(shù)據(jù)，可以將其用作地理空間要素的一個屬性，比如，我們在查詢某個

10、消防栓是，可以查詢這個消防栓的圖片 第21頁/共54頁第二十一頁，共54頁。柵格: Grids 除了影像外，ArcGIS 還支持一種稱為GRID的柵格數(shù)據(jù)格式。 有兩種類型的柵格數(shù)據(jù)：連續(xù)數(shù)據(jù)和離散數(shù)據(jù)。這兩種數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)是相同的，都是由一定大小的柵格單元組成的矩陣表示。不同之處在于，連續(xù)柵格數(shù)據(jù)中柵格單元的值可以是浮點(diǎn)數(shù)，柵格單元的值域是一個連接變化的區(qū)間; 而離散柵格數(shù)據(jù)中，柵格單元的值是整型數(shù)，值域區(qū)間是離散的有限區(qū)間。 連續(xù)柵格通常用于表示可度量和具有(jyu)一定數(shù)量的數(shù)據(jù)，普通的例子比如：高程、降雨量等。第22頁/共54頁第二十二頁，共54頁。 連續(xù)柵格，比如上圖顯示的高程柵格，通常

11、表示(biosh)具有度量的數(shù)據(jù)。連續(xù)柵格數(shù)據(jù)沒有與之關(guān)聯(lián)的屬性表 離散柵格通常表示(biosh)分類或描述性的數(shù)據(jù)。經(jīng)典的例子如：分區(qū)數(shù)據(jù)，土地利用，植被等，在這些數(shù)據(jù)中，柵格單元的值表示(biosh)的不是要素的度量和數(shù)量，而是描述性的信息，比如：“居民地”、“商業(yè)用地”等。在ArcGIS Grid離散柵格模型中有缺省的屬性表，存儲在后綴為.VAT的文件中。比如，土地利用柵格中，Landuse.VAT 記錄了每個柵格單元的地類編碼和同一類型的柵格單元的數(shù)目。第23頁/共54頁第二十三頁，共54頁。DEM 數(shù)據(jù)(shj) 存儲高程數(shù)據(jù)的柵格稱為 Digital Elevation Model

12、 (DEM). 每個像元 只有一個高程值. 通過DEM可以計算地表的坡度(pd)、坡向等信息第24頁/共54頁第二十四頁，共54頁?？臻g分析(fnx)過程第25頁/共54頁第二十五頁，共54頁?？臻g(kngjin)分析 空間分析是基于地理(dl)對象的位置和形態(tài)的空間數(shù)據(jù)的分析技術(shù)，其目的在于提取空間信息或者從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)派生出新的數(shù)據(jù)，是將空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒌倪^程。 空間分析是地理(dl)信息系統(tǒng)的主要特征?？臻g分析能力（特別是對空間隱含信息的提取和傳輸能力）是地理(dl)信息系統(tǒng)區(qū)別與一般信息系統(tǒng)的主要方面，也是評價一個地理(dl)信息系統(tǒng)的主要指標(biāo)。 空間分析賴以進(jìn)行的基礎(chǔ)是地理(dl)空

13、間數(shù)據(jù)庫。 空間分析運(yùn)用的手段包括各種幾何的邏輯運(yùn)算、數(shù)理統(tǒng)計分析，代數(shù)運(yùn)算等數(shù)學(xué)手段。第26頁/共54頁第二十六頁，共54頁?？臻g(kngjin)分析步驟根據(jù)要進(jìn)行的空間分析類型的不同，空間分析的步驟(bzhu)會有所不同。通常，所有的空間分析都涉及以下的基本步驟(bzhu)，具體在某個分析中，可以作相應(yīng)的變化?？臻g分析的基本步驟(bzhu): 1.確定問題并建立分析的目標(biāo)和要滿足的條件2.針對空間問題選擇合適的分析工具3.準(zhǔn)備空間操作中要用到的數(shù)據(jù)。 4.定制一個分析計劃然后執(zhí)行分析操作。5.顯示并評價分析結(jié)果第27頁/共54頁第二十七頁，共54頁。確定(qudng)問題 要完成空間分析的

14、第一步就是要明確地定義需要解決的是什么問題。要確定分析計劃和明確分析的目標(biāo)是什么。 需要記住空間分析計劃不能完全解決實(shí)際問題。定制分析計劃的目的是利用數(shù)據(jù)及其派生數(shù)據(jù)等得到分析結(jié)果。然后，人們可得到新的信息并進(jìn)行決策。 正確定義問題并不總是一個簡單的工作(gngzu)，需要綜合考慮各種因素。在確定問題后，可以進(jìn)一步確定解決問題的條件。比如，在公園選址的問題中，公園的位置必須要符合一定的條件。在高速公路的線路規(guī)劃問題中，要符合的條件及使用的分析工具又有所不同。第28頁/共54頁第二十八頁，共54頁。選擇(xunz)合適的分析工具 在空間分析(fnx)中，選擇合適的工具是關(guān)鍵的。 到這個階段你應(yīng)該

15、對ArcGIS中的分析(fnx)工具有一定的理解，以便能很好的使用這些工具來解決問題。 解決問題的關(guān)鍵是：“大處入眼，小處著手”。認(rèn)真全面地分析(fnx)整個問題，然后將一個大問題逐級分解成一個個的子問題，直到這些子問題可以使用單獨(dú)的GIS分析(fnx)工具來解決。第29頁/共54頁第二十九頁，共54頁。準(zhǔn)備(zhnbi)空間數(shù)據(jù) 一旦空間分析的范疇（問題及條件）確定后，下一步將要考慮要得到分析結(jié)果需要什么樣的數(shù)據(jù)。定義問題時，需要滿足的條件通常已經(jīng)給出了需要什么樣的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)應(yīng)該有那些屬性。 比如，你需要擴(kuò)寬街道路面以滿足增加車道的需要，你就要提供街道中心線（隔離欄）數(shù)據(jù)、地籍?dāng)?shù)據(jù)。街道圖層

16、的屬性要包括每條街道的名稱，地籍圖層的屬性要包括：面積、權(quán)屬，當(dāng)然最好還有土地所有人的聯(lián)系信息（可存儲在另外的數(shù)據(jù)表中）。 你同樣需要考慮是否需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理，比如：進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換，在進(jìn)行分析之前這些都是必須(bx)要考慮的。通常，你可能要將數(shù)據(jù)從一種格式轉(zhuǎn)換成合適的數(shù)據(jù)格式以適應(yīng)空間分析的需要，這樣進(jìn)行空間分析時就比較方便。第30頁/共54頁第三十頁，共54頁。定制(dn zh)分析計劃 制定空間分析計劃的最好方法是圖示的方式進(jìn)行表示。創(chuàng)建工作流程圖以確定和計劃解決空間問題的必須步驟(bzhu)，提供全部分析過程的工作藍(lán)圖。以這種方式進(jìn)行表示，可以方便地檢查邏輯是否正確，工具、

17、數(shù)據(jù)及希望的結(jié)果。在開始的時候花一點(diǎn)時間設(shè)計工作流程圖，可以使稍后的分析步驟(bzhu)更快進(jìn)行及減少出錯的機(jī)率。 在繪制工作流程圖時，用到的各種圖框和符號要保持一致，這樣你的流程圖會具有好的可讀性，同時也能減少發(fā)生錯誤的機(jī)會。第31頁/共54頁第三十一頁，共54頁。顯示(xinsh)分析及評價結(jié)果 最終結(jié)果的顯示方式在很大程度上會影響使用者對信息的理解。如果不能將最終結(jié)果以可理解的方式展示給需要它的人，那么使用的分析方法及處理過程就可能是不合要求的。 比如，你的任務(wù)是預(yù)測地震災(zāi)害在不同區(qū)域的損失情況。在分析計劃中，你使用了大量的為學(xué)術(shù)界所熟知但對公眾而言是鮮為人知的地理統(tǒng)計方法。為了展示你的

18、分析結(jié)果，你生成詳細(xì)的報告及一系列的地圖以顯示分析過程中涉及到的地質(zhì)因子、建筑物因子及它們是如何最終確定了某一地區(qū)的災(zāi)害等級的。 你的報告及地圖對科學(xué)家和政府官員來說是非常有用的，他們要依賴(yli)你的分析結(jié)果以制定突發(fā)事件應(yīng)對措施，這個報告的內(nèi)容與提供給普通公眾的報告應(yīng)該不同。 對普通公眾而言，只需要制作簡單的報告和一幅地圖標(biāo)明如果地震發(fā)生后存在潛在危險的區(qū)域及其危險的等級。 第32頁/共54頁第三十二頁，共54頁。實(shí)例(shl)分析:(dol)拓寬而需要拆遷的建筑物的建筑面積和房產(chǎn)價值，道路(dol)拓寬改建的標(biāo)準(zhǔn)是： （1）道路(dol)從原來的20m拓寬至60m； （2）部分位于拆遷

19、去內(nèi)的10層以上的建筑不拆除第33頁/共54頁第三十三頁，共54頁。實(shí)例分析(fnx):定義問題明確分析目的和標(biāo)準(zhǔn)：目標(biāo)：計算由于道路拓寬而需要拆遷的建筑物的建筑面積和房產(chǎn)價值，道路拓寬改建的標(biāo)準(zhǔn)是：（1）道路從原來的20m拓寬至60m；（2）部分位于拆遷去內(nèi)的10層以上(yshng)的建筑不拆除；第34頁/共54頁第三十四頁，共54頁。實(shí)例(shl)分析:定義問題哪條街道要擴(kuò)寬？ 路面寬度要擴(kuò)到多少米，還包括必要的縮進(jìn)的部分。 每個地塊受到影響的部分有多少? 你已經(jīng)將問題分解成三個子問題，下一步是選擇什么樣的分析(fnx)工具來求解這三個子問題第35頁/共54頁第三十五頁，共54頁。實(shí)例分析

20、:了解(lioji)工具 1.在ArcMap中，使用“通過(tnggu)屬性選擇”工具得到一個街道圖層的子集從街道圖層中選擇需要(xyo)擴(kuò)寬的街道，生成一個子集 第36頁/共54頁第三十六頁，共54頁。 2.使用“緩沖區(qū)向?qū)А?工具，根據(jù)縮進(jìn)(su jn)的長度確定街道寬度，沿街道中心線生成緩沖區(qū)根據(jù)新的路面寬度(kund)，沿街道中心線生成緩沖區(qū)第37頁/共54頁第三十七頁，共54頁。 3.執(zhí)行(zhxng)緩沖區(qū)圖層與地籍圖層的“圖層相交”操作。將受到影響的地塊分割成兩部分：緩沖區(qū)內(nèi)的部分和緩沖區(qū)外的部分。圖層相交操作后得到一個新圖層，是由位于緩沖區(qū)內(nèi)的地塊(d kui)組成的。第38頁

21、/共54頁第三十八頁，共54頁。 4.查看“圖層相交”操作得到的新圖層的屬性表，可以了解(lioji)位于緩沖區(qū)內(nèi)的地塊（即將被征用的土地）的屬性信息。新圖層的屬性表中已包括了被影響的地塊的確切面積(min j)及所有權(quán)人信息及土地出讓估價 第39頁/共54頁第三十九頁，共54頁。 這張圖表是基于城市街道( jido)路面擴(kuò)寬的實(shí)例的，在其中顯示了數(shù)據(jù)及工具（過程）的關(guān)系和處理流程 第40頁/共54頁第四十頁，共54頁。 城市街道路面擴(kuò)寬的實(shí)例，我們已經(jīng)提到多次了，但這只不過是相當(dāng)簡單的一個空間(kngjin)問題。大多數(shù)空間(kngjin)問題并不太容易建模的，需要經(jīng)過反復(fù)思考才能將其轉(zhuǎn)換為

22、空間(kngjin)分析可處理的問題，然后分解成子問題，找到對應(yīng)的分析工具，從而得到最終分析結(jié)果。 在用GIS進(jìn)行空間(kngjin)分析時，首先不要顧慮問題的復(fù)雜性，設(shè)計一個完全的分析計劃有助于確定問題及將分析過按一定的邏輯關(guān)系組織起來，得到最終希望的結(jié)果。第41頁/共54頁第四十一頁，共54頁。 對分析計劃言，需要注意的是你不太可能在第一次就能得到期望的結(jié)果，空間分析是一個不斷反復(fù)的過程，它經(jīng)常要對過不斷的反復(fù)才能為斷地優(yōu)化，從而更好地描述和解決( jiju)實(shí)際問題。第42頁/共54頁第四十二頁，共54頁。實(shí)例(shl)分析:；（3）地塊周圍不能有幼兒園、學(xué)校等公共設(shè)施，以免受到工廠生產(chǎn)影響。第43頁/共54頁第四十三頁，共54頁。空間分析(fnx)類型 根據(jù)數(shù)據(jù)(shj)(shj)類型劃分 基于矢量數(shù)據(jù)(shj)(shj)的空間分析 基于柵格數(shù)據(jù)(shj)(shj)的空間分析 根據(jù)數(shù)據(jù)(shj)(shj)性質(zhì)不同劃分 基于空間圖形數(shù)據(jù)(shj)(shj)的分析運(yùn)算 基于非空間屬性的數(shù)據(jù)(shj)(shj)運(yùn)算- -地理統(tǒng)計 空間和非空間數(shù)據(jù)(shj)(shj)的聯(lián)合運(yùn)算。第44頁/共54頁第四十四頁，共54頁。 空間(kngjin)數(shù)據(jù)處理 空間(kngjin)關(guān)系查詢(圖查屬性，屬性查圖) 緩沖區(qū)分析 疊加分析 網(wǎng)絡(luò)分析 地形分析（等高線） 流域分析 綜合以上各種方