第五章 空間分析方法及原理

遙感與地理信息系統(tǒng)海洋與地球科學(xué)學(xué)院2011-4-6空間分析原理與方法數(shù)字地形模型分析空間疊合分析空間鄰近度分析空間網(wǎng)絡(luò)分析空間分析基于空間數(shù)據(jù)的分析技術(shù)。通過分析獲取新信息，如空間位置、空間分布、空間形態(tài)、空間形成、空間演變等。空間分析源于60年代地理和區(qū)域科學(xué)的計量革命。開始階段：主要是應(yīng)用定量（主要是統(tǒng)計）分析手段用于分析點、線、面的空間分布模式。現(xiàn)在：強調(diào)地理空間本身的特征、空間決策過程和復(fù)雜空間系統(tǒng)的時空演化過程分析。空間分析是工具型GIS的核心和必備的功能。空間分析是對分析空間數(shù)據(jù)有關(guān)技術(shù)的統(tǒng)稱。數(shù)據(jù)性質(zhì)和分析方法的不同，可以分為：矢量數(shù)據(jù)空間分析柵格數(shù)據(jù)空間分析查詢式分析產(chǎn)生式分析數(shù)字地形模型分析DTM和DEMDTM(DigitalTerrainModel，數(shù)字地形模型)是定義于二維區(qū)域上的一個有限項的向量序列（矩陣），以離散的平面點來模擬連續(xù)分布的地形。DTM={Zi,j}i=1,2,3,…,m-1,m；j=1,2,3,…,n-1,nDEM(DigitalElevationModel，數(shù)字高程模型)，當(dāng)Z屬性為海拔高程。派生DTM數(shù)據(jù):平均高程、坡度、坡向。DEM表現(xiàn)方式規(guī)則格網(wǎng)模型不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN)等高線模型DEM信息提取坡度、坡向曲面面積地表粗糙度高程變異谷脊特征坡度計算坡度：就是地表單元法向n與Z軸的交角。計算方法：空間矢量法擬合曲面法坡向計算坡向：就是地表單元法向量n在OXY平面上的投影與X軸之間交角。計算方法：坡度和坡向分析曲面面積計算單元網(wǎng)格面積之和計算方法：空間矢量法三角形面積地表粗糙度計算地表粗糙度是反映地表的起伏變化與侵蝕程度的指標(biāo)。一般定義為地表單元的曲面面積與投影面積之比。對角頂點連線的中點的高差來表示。高程及變異分析平均高程相對高程高程變異谷脊特征分析谷點和脊點谷點是地勢相對最低的點集。脊點為地勢相對最高的點集。谷脊特征分析谷點和脊點判定要判定高程為Z網(wǎng)格的形態(tài)特征，按照以下判別式可直接提取谷點和脊點。如果（Zi,j-1―Zi,j)（Zi,j+1―Zi,j)>0當(dāng)Zi,j+1>Zi,j)時，則P(i,j)=―1①當(dāng)Zi,j+1<Zi,j)時，則P(i,j)=1②如果（Zi-1,j―Zi,j)（Zi+1,j―Zi,j)>0當(dāng)Zi+1,j>Zi,j時，則P(i,j)=―1③當(dāng)Zi+1,j<Zi,j時，則P(i,j)=1④如果①和④或②和③同時成立,則P(i,j)=2如果以上條件均不成立,則P(i,j)=0Zi,j

Zi+1,j

Zi-1,j

Zi,j-1

Zi,+1

P(i,j)=-1表示谷點

1表示脊點2表示鞍點0表示其它點谷點和脊點判定例子5781010107855789687886678668谷脊特征分析溝谷密度：溝谷總長度(∑L)與地表單元總面積(∑A)之比。溝谷深度：地表單元的谷點與最近脊點的平均高差。剖面分析剖面線在數(shù)字高程模型中的起點位置和終點位置，就可以惟一地確定這條剖面線與DEM網(wǎng)格各個交點的平面位置及其高程，根據(jù)選定的垂直比例尺和水平比例尺，就能自動繪出所需要的剖面圖。12345AB31234560100200300400A高程（m）距離（km）12345AB3通視分析通視分析也稱可視分析，就是利用DEM判斷地形上任意兩點之間是否可以相互可見的技術(shù)。應(yīng)用：設(shè)置雷達(dá)站、電視臺的發(fā)射站、道路選擇、航海導(dǎo)航等，在軍事上如布設(shè)陣地（炮兵陣地、電子對抗陣地）、設(shè)置觀察哨所、鋪架通信線路等。空間疊合分析將同一參考系、同一地區(qū)、同一比例尺的、不同信息表達(dá)兩個或多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。對空間結(jié)構(gòu)和屬性上既相互重疊，又相互聯(lián)系的多種要素現(xiàn)象進(jìn)行綜合分析，揭示各種現(xiàn)象要素的內(nèi)在聯(lián)系及其發(fā)展規(guī)律。空間疊合：圖形疊加和屬性疊加ABC疊合分析類型根據(jù)所采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可分為：基于矢量數(shù)據(jù)疊合分析：運算量大，過程復(fù)雜；基于柵格數(shù)據(jù)疊合分析：運算量小，過程簡單。矢量數(shù)據(jù)疊合分析包括：點與多邊形疊合線與多邊形疊合多邊形與多邊形疊合UnionIntersectIdentityEraseUpdate疊合分析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(guān)系。矢量結(jié)構(gòu)的GIS能夠通過計算每個點相對于多邊形線段的位置，進(jìn)行點是否在一個多邊形中的空間關(guān)系判斷。在完成點與多邊形的幾何關(guān)系計算后，還要進(jìn)行屬性信息處理。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(nèi)，還要描述在多邊形內(nèi)部的點的屬性信息。疊合分析線與多邊形疊加線與多邊形的疊加，是比較線上坐標(biāo)與多邊形坐標(biāo)的關(guān)系，判斷線是否落在多邊形內(nèi)。計算過程通常是計算線與多邊形的交點，只要相交，就產(chǎn)生一個結(jié)點，將原線打斷成一條條弧段，并將原線和多邊形的屬性信息一起賦給新弧段。疊加的結(jié)果產(chǎn)生了一個新的數(shù)據(jù)層面，每條線被它穿過的多邊形打斷成新弧段圖層，同時產(chǎn)生一個相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)表記錄原線和多邊形的屬性信息。疊合分析多邊形疊加多邊形疊加是GIS最常用的功能之一。多邊形疊加將兩個或多個多邊形圖層進(jìn)行疊加產(chǎn)生一個新多邊形圖層的操作，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層或多層的屬性。幾何求交過程和屬性分配過程兩步。幾何求交過程首先求出所有多邊形邊界線的交點，再根據(jù)這些交點重新進(jìn)行多邊形拓?fù)溥\算，對新生成的拓?fù)涠噙呅螆D層的每個對象賦一多邊形唯一標(biāo)識碼，同時生成一個與新多邊形對象一一對應(yīng)的屬性表。疊合分析Union運算Union運算是求兩個數(shù)據(jù)集的并集的操作。在操作時，兩個面數(shù)據(jù)集內(nèi)的所有多邊形都被輸出到數(shù)據(jù)集中，在相交的點處多邊形將被分割成小多邊形。小多邊形包含兩個空間特征的屬性信息。

疊合分析Intersect運算Intersect運算是求兩個數(shù)據(jù)集的交集的操作，兩個數(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。疊合分析Identity運算Identity運算類似于Union運算，要對兩個數(shù)據(jù)集進(jìn)行相交計算。不同之處在于，Union運算保留了兩個數(shù)據(jù)集的所有部分，而Identity運算只保留第一個數(shù)據(jù)集的所有部分，去掉第二個數(shù)據(jù)集(稱為Identity數(shù)據(jù)集)中與第一個數(shù)據(jù)集沒有重疊的部分。疊加分析

Erase運算Erase運算保留了不相交部分。疊加分析

Update運算矢量數(shù)據(jù)疊合分析矢量數(shù)據(jù)疊合分析幾何求交拓?fù)渲貥?gòu)屬性合并柵格數(shù)據(jù)疊合指將不同圖幅或不同數(shù)據(jù)層的柵格數(shù)據(jù)疊置在一起，在疊置地圖的相應(yīng)位置上產(chǎn)生新的屬性的分析方法。處理不同柵格圖層的柵格單元。柵格數(shù)據(jù)疊合多幅圖疊置后的新屬性計算：數(shù)學(xué)運算函數(shù)運算統(tǒng)計運算空間臨近度分析

鄰近度（Proximity）描述了地理空間中兩個地物距離相近的程度，其確定是空間分析的一個重要手段。緩沖區(qū)分析是解決鄰近度問題的空間分析工具之一。緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)：就是地理空間目標(biāo)的一種影響范圍或服務(wù)范圍。從數(shù)學(xué)的角度看，緩沖區(qū)的基本思想是給定一個空間對象或集合，確定它們的鄰域，鄰域的大小由鄰域半徑R決定。緩沖區(qū)分析：圍繞空間的點、線、面實體，按照緩沖的距離條件，建立緩沖區(qū)多邊形區(qū)域，然后將該實體與需要進(jìn)行緩沖分析的圖層進(jìn)行疊合分析，得到所需要結(jié)果的空間分析方法。緩沖區(qū)分析主體鄰近對象作用條件緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)類型：矢量、柵格緩沖區(qū)建立

角分線法（簡單平行線法）：算法是在軸線首尾點處，作軸線的垂線并按緩沖區(qū)半徑R截出左右邊線的起止點；在軸線的其它轉(zhuǎn)折點上，用與該線所關(guān)聯(lián)的前后兩鄰邊距軸線的距離為R的兩平行線的交點來生成緩沖區(qū)對應(yīng)頂點。角分線法的缺點是難以最大限度保證雙線的等寬性，尤其是在凸側(cè)角點在進(jìn)一步變銳時，將遠(yuǎn)離軸線頂點。緩沖區(qū)建立凸角圓弧法在軸線首尾點處，作軸線的垂線并按雙線和緩沖區(qū)半徑截出左右邊線起止點；在軸線其它轉(zhuǎn)折點處，首先判斷該點的凸凹性，在凸側(cè)用圓弧彌合，在凹側(cè)則用前后兩鄰邊平行線的交點生成對應(yīng)頂點。這樣外角以圓弧連接，內(nèi)角直接連接，線段端點以半圓封閉。

緩沖區(qū)建立對于簡單情形，緩沖區(qū)是一個簡單多邊形，但當(dāng)計算形狀比較復(fù)雜的對象或多個對象集合的緩沖區(qū)時，就復(fù)雜得多。為使緩沖區(qū)算法適應(yīng)更為普遍的情況，就不得不處理邊線自相交的情況。當(dāng)軸線的彎曲空間不容許雙線的邊線無壓蓋地通過時，就會產(chǎn)生若干個自相交多邊形緩沖區(qū)建立柵格緩沖區(qū)對緩沖區(qū)的柵格單元作距離擴散提取符合要求的柵格單元緩沖分析根據(jù)研究對象影響力的特點，緩沖分析可劃分：靜態(tài)緩沖分析：緩沖區(qū)內(nèi)各