空間分析的原理與方法

關于空間分析的原理與方法第1頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月GIS的目的，不僅僅在于自動制圖，更主要的是為了分析空間數(shù)據(jù)，提供空間決策信息空間分析是GIS區(qū)別于其他類型系統(tǒng)的一個最主要的功能特征。概述第2頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月空間分析的根本目的：在于通過對空間數(shù)據(jù)的深加工，獲取新的地理信息?？臻g分析的定義：空間分析是基于空間數(shù)據(jù)的分析技術，它是以地球科學原理為依托，通過分析算法，從空間數(shù)據(jù)中獲取有關地理對象的空間位置、空間分布、空間形態(tài)、空間構成、空間演變等信息。概述第3頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月概述按空間數(shù)據(jù)的形式空間分析的分類矢量數(shù)據(jù)空間分析柵格數(shù)據(jù)空間分析矢量疊合分析矢量臨近性分析網(wǎng)絡分析數(shù)字地形模型分析柵格疊合分析柵格臨近性分析柵格統(tǒng)計分析按空間分析框架產(chǎn)生式分析查詢分析數(shù)字地形模型分析疊合分析空間臨近性分析網(wǎng)絡分析空間統(tǒng)計分析空間集合分析空間數(shù)據(jù)查詢第4頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字地形模型：DigitalTerrainModel（DTM）是對連續(xù)變化的地形起伏進行數(shù)字表達，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字表達。包括高程、坡度、坡向及其他地貌特征等。簡單的說指用數(shù)字化的形式表達的地形信息。5.1數(shù)字地形模型分析DTM（按形式）規(guī)則格網(wǎng)（Grid）不規(guī)則三角網(wǎng)（TriangulatedIrregularNetwork，TIN）數(shù)字等高線、等深線、地形特征線（山脊線、谷底線、坡度變換線）第5頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月規(guī)則格網(wǎng)形式：即二維區(qū)域上的一個矩陣，它以離散分布的平面點來模擬連續(xù)分布的地形。按照平面上等間距進行規(guī)則采樣，或內插所建立的數(shù)字地形模型，稱為柵格的數(shù)字地形模型。z為柵格點（i,j）上的地面屬性數(shù)據(jù)。第7頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月當Z（i，j）為海拔高程數(shù)值時，則稱為數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）。在數(shù)字高程模型地圖基礎上派生出的地形模型稱為派生的地形模型，即經(jīng)過計算得到的地形因子數(shù)據(jù)，例如，坡度、坡向、坡形（凸或凹）、地表面積、類型（山脊或山谷）等。數(shù)字地形模型高程數(shù)據(jù)的采集一般有兩種途徑2）間接采集。在地形圖上通過對等高線數(shù)字化，并進行插值計算或按網(wǎng)格單元直接量算而獲得。1）直接采集。在立體測圖儀器上由圖像（目前主要是航空相片）建立立體模型，進行量測，并按指定格網(wǎng)單元大小直接獲得高程數(shù)據(jù)矩陣；第8頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字高程模型的應用數(shù)字高程模型在地學分析的應用在工程設計中的應用提取等高線，進行地形制圖制作正射影像地圖為地學綜合分析提供高程、坡度、坡向等基本分析因子（道路、管線、水利工程設計中）可利用它描繪剖面圖計算填挖土石方、淹沒范圍評價工程經(jīng)濟技術指標數(shù)字正射影像圖：是對遙感數(shù)字影像，經(jīng)逐像元進行投影差改正、鑲嵌，按國家基本比例尺地形圖圖幅范圍剪裁生成的數(shù)字正射投影影像數(shù)據(jù)第9頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月一、地形因子的計算地形因子坡度坡向曲面面積地表粗糙度高程變異谷脊通過數(shù)字高程模型計算獲得第10頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）坡度和坡向的計算坡度：地表面任一點的坡度是指過該點的切平面與水平地面的夾角。坡向定義：地表面上一點的切平面的法線矢量在水平面的投影與該點的正北方向的夾角。即指最大高程變化率所在的方向。在DEM計算坡度和坡向方法：利用DEM規(guī)則格網(wǎng)上的高程數(shù)值，來計算出每一個格網(wǎng)點或格網(wǎng)單元的坡度和坡向數(shù)值，生成柵格形式的坡度和坡向數(shù)據(jù)。第11頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月計算坡度和坡向的方法：（1）計算平均坡度空間矢量分析法（2）計算最大坡度的擬合曲面法（1）空間矢量分析法：根據(jù)矢量的原理，建立數(shù)字高程模型每一格網(wǎng)單元的法矢量。zyxi+1,ji,ji,j+1i+1,j+1dxdyO第12頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月矢量確定了地表格網(wǎng)單元在空間的特征第13頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月設法矢量的坐標表示為第14頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月φθOzyx地表格網(wǎng)單元的坡度：φ第15頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第16頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月φθOzyx坡向：θ方位角：指從某點的指北方向線起依順時針方向至目標方向線間的水平夾角。正北第17頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）擬合曲面法采用二次曲面來擬合局部的地形表面，常采用3*3的格網(wǎng)來計算中心格網(wǎng)點的坡度和坡向。坡度另一種坡度表示法：坡度百分比坡向第19頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）曲面面積的計算

地表單元的曲面面積用DEM計算，根據(jù)空間矢量的幾何性質，單元曲面面積可以用該單元邊的中點所建立的矢量確定的法矢量的模定義。第20頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月zyxi+1,ji,ji,j+1i+1,j+1dxdyOabnij第21頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月海倫公式：Di表示第i條三角形邊的長度；P是三角形周長的一半。第22頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）地表粗糙度計算

定義：地表粗糙度是反映地表起伏變化與侵蝕程度的指標。一般定義為地表單元曲面面積與投影面積之比。一般用對角頂點連線中點的高差來表示粗糙度。第23頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月高程分析（四）高程及變異分析

平均高程相對高程平均高程:地表單元網(wǎng)格四個頂點的高程的平均值。相對高程:以地表單元網(wǎng)格四個頂點的高程與研究區(qū)域內最低點高程之差的平均值。第24頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月什么是鞍點？（五）谷脊特征分析

第25頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、地形剖面線計算

地形剖面線：指在地表從一個點出發(fā)到另一個點沿途的地形變化情況。

常以橫坐標表示平面上的距離，縱坐標表示地形的高度。剖面線的計算方法：插值算法，即在剖面上的兩點間插值出相應的高程數(shù)據(jù)。第26頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月12345612345678i1,j1xx2xx4i2,j2si2,j2yy2第27頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月三、DEM的通視分析定義：通視分析是利用DEM判斷地形上任意兩點之間是否可以相互可見的技術方法。應用：架設通信基站，旅游景點的規(guī)劃。方法：再在兩點間形成一條直線，在任意兩點間先生成一條剖面線判斷該直線與剖面線有交點可以通視不可以通視判斷第28頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月AB第29頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2空間疊合分析定義：指在相同的空間坐標系統(tǒng)條件下，將同一地區(qū)兩個不同地理特征的空間和屬性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)重疊相加，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關系。目的：用于搜索同時具有幾種地理屬性的分布區(qū)域。一、基本概念第30頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月分類：基于矢量數(shù)據(jù)的疊合分析基于柵格數(shù)據(jù)的疊合分析點與多邊形疊合分析線與多邊形疊合分析多邊形與多邊形疊合分析第31頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、基于矢量數(shù)據(jù)的疊合分析基于矢量數(shù)據(jù)的疊合分析特點：1、參與分析的數(shù)據(jù)結構為矢量數(shù)據(jù)結構2、只能在兩個空間特征數(shù)據(jù)之間進行3、運算過程復雜第32頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）點與多邊形疊合

點與多邊形疊合是通過確定一個點狀空間特征中的點落在另一個多邊形空間特征中的哪一個多變形內，以便為每個點賦予新的多邊形屬性。方法：通過坐標計算點層中的矢量點與面層中的多邊形的包含關系，確定每個多邊形內有多少個點，同時將多邊形的屬性連接到點上。第33頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月pointpoly1A2C3B1AB23C點與多邊形疊加第34頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）線與多邊形疊加通過計算比較線上坐標與多邊形弧段坐標的關系，判斷線是否落在多邊形內。產(chǎn)生一個新圖層—每條線被它穿過的多邊形分成新弧段的圖層。方法：計算線與多邊形的交點，只要相交則產(chǎn)生一個結點，將原線分成一條條弧段。將原線和多邊形的屬性信息一起賦給新弧段第36頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月123B1342ALineIDOldIDPoly11A21B32B43B線與多邊形疊加BA第37頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第38頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）多邊形的疊加兩個或多個面狀圖層進行疊加產(chǎn)生一個新多邊形圖層的操作。先對兩個或多個不同圖層多邊形的弧段求交方法：然后拓撲生成新的多邊形圖層，新圖層綜合了原來兩層或多層的屬性。第39頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月ID坡向ID地類IDA1A1A2A2A3A3B1B1B3B3+AB132A1B3A2A3B1=第40頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月三、基于柵格數(shù)據(jù)的疊合分析柵格數(shù)據(jù)疊合分析特點：1、參與分析的空間數(shù)據(jù)為柵格數(shù)據(jù)結構2、可以有多個空間特征數(shù)據(jù)參與分析3、只將對應柵格單元的屬性作某種運算得到新圖層屬性，而不受其鄰近點的屬性值的影響。4、運算過程簡單柵格數(shù)據(jù)疊合分析要求：柵格行列相同，柵格單元大小相同第42頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月例：已知某地區(qū)的降雨量分布圖及土壤厚度圖，試作疊置分析。求降雨量為1000mm，土壤厚度50cm。降雨量圖土壤厚度圖20040060080030cm800mm1000mm1200mm200400600800K行20cm50cm30cm40cm600mm第43頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月以第k行為例說明疊置方法設：U為降雨量圖中第k行柵格數(shù)據(jù)；

V為土壤分布圖中第k行柵格數(shù)據(jù)；

Ai，Aj分別為降雨量圖及土壤厚度圖的游程屬性；

Pi，Pj分別為降雨量圖及土壤厚度圖的游程的最右列號；

m，n分別為降雨量圖及土壤厚度圖中的游程數(shù)；

i=1，2……，m；j=1，2，……，n。則：U=（Ai，Pi）i=1，2……，mV=（Aj，Pj）j=1，2，……，n第44頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月游程號i游程屬性Ai游程最右列Pi1234600mm800mm1000mm1200mm200400680800第k行降雨量圖游程編碼第45頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月游程號i游程屬性Ai游程最右列Pi12330cm20cm50cm170360800第k行土壤厚度游程編碼第46頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月游程號k游程屬性Ak游程最右列Pk123456600mm30cm600mm20cm800mm20cm800mm50cm1000mm50cm1200mm50cm170200360400680800第k行全疊置后游程編碼對K行按條件:{E=(降雨量=1000)∩(土厚=50cm)}進行疊置，得到：第47頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月降雨量圖土壤厚度圖20040060080030cm800mm1000mm1200mm200400600800K行20cm50cm30cm40cm600mm第48頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月游程號游程屬性游程最右列1230100mm50cm0400680800第k行條件疊置后游程編碼第49頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月11111112222333351111211111442572輸入柵格INGRID1輸入柵格INGRID2操作OUTGRID=INGRID1+INGRID2輸出柵格OUTGRID代數(shù)疊加第50頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月緩沖區(qū)分析應用5.3空間鄰近度分析第51頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月緩沖區(qū)分析應用第52頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月空間鄰近度定義：簡單說是指地理空間中兩個地物距離相近的程度。鄰域分析操作是對于目標點規(guī)定的鄰域范圍內的變量建立函數(shù)進行特征化來表達目標的特征或某范圍內的屬性，對該范圍內的目標進行統(tǒng)計，以其統(tǒng)計的總值、平均數(shù)、或中值、標準差或方差等為該范圍的屬性值。第53頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月一、空間緩沖區(qū)分析空間緩沖區(qū)：基于點、線、面等地理空間目標，按指定條件，在其周圍建立一定空間區(qū)域作為分析對象，該區(qū)域稱為緩沖區(qū)。第54頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月矢量點的緩沖區(qū)：如建立污染源緩沖區(qū)，該區(qū)不能有飲用水源通過

（一）空間緩沖區(qū)的類型第55頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月矢量線的緩沖區(qū)：公路噪聲污染，在公路兩側建立緩沖區(qū)，該區(qū)內不建立居民區(qū)；為防止水土流失，河流兩側建立緩沖區(qū)，該區(qū)內森林不許砍伐

線的窄緩沖區(qū)線的寬緩沖區(qū)第56頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月矢量面的緩沖區(qū)：如環(huán)城封閉高速公路，周圍一定范圍內無小學校；湖泊周圍一定范圍內為水源涵養(yǎng)林，限砍。第57頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月緩沖區(qū)的建立

矢量緩沖區(qū)的建立

柵格緩沖區(qū)的建立

第58頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月4.應用：土地適宜性評價1）目的：找出適宜耕種的地區(qū)2