空間分析原理與方法

2023/9/212:271第五章空間分析的

原理與方法22023/9/212:27第五章空間分析的原理和方法數(shù)字地面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32023/9/212:271854年8月到9月英國倫敦霍亂流行時，當(dāng)局始終找不到發(fā)病的原因，后來醫(yī)生約翰·斯諾(JohnSnow)說：“我們畫一張圖吧”。他在繪有霍亂流行地區(qū)所有道路、房屋、飲用水機井等內(nèi)容的1：6500比例尺地圖上，標(biāo)出了每個霍亂病死者的住家位置，得到了霍亂病死者居住分布圖。42023/9/212:27斯諾博士分析了這張分布圖，馬上明白了霍亂病源之所在－－死者住家都集中于飲用“布洛多斯托”井水的地方及周圍。52023/9/212:27根據(jù)斯諾博士的分析和請示，當(dāng)局于9月8日摘下了這個水井的泵，禁止使用該水泵吸水，從這天以后，新的霍亂病患者就再也沒有出現(xiàn)了。在這個例子中，患者的居住地與飲用水井之間的空間位置關(guān)系提示了霍亂病的發(fā)病根源。因此空間分析是基于事物的空間特性的分析。62023/9/212:27空間分析源于60年代地理和區(qū)域科學(xué)的計量革命，在開始階段，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。后來更多的是強調(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。實際上自有地圖以來，人們就始終在自覺或不自覺地進(jìn)行著各種類型的空間分析。如在地圖上量測地理要素之間的距離、方位、面積，乃至利用地圖進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)研究和戰(zhàn)略決策等，都是人們利用地圖進(jìn)行空間分析的實例，而后者實質(zhì)上已屬較高層次上的空間分析。72023/9/212:27GIS的特點在于－－空間分析GIS不但實現(xiàn)自動制圖，更主要的目的是分析空間數(shù)據(jù)，提供空間決策信息。－－區(qū)別于其他系統(tǒng)的最主要特征。空間分析目的：通過對空間數(shù)據(jù)的深加工，獲取新的信息。空間分析：根據(jù)地學(xué)原理，通過分析算法，從空間數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)地理對象的空間位置、空間分布、空間形態(tài)、空間演變等信息。常用空間分析方法數(shù)字地面模型分析；空間疊置分析；緩沖區(qū)分析；空間網(wǎng)絡(luò)分析；空間統(tǒng)計分析；空間幾何分析；空間數(shù)據(jù)查詢。82023/9/212:27空間分析的概念

空間分析是基于空間數(shù)據(jù)的分析技術(shù)，它以地學(xué)原理為依托，通過分析算法，從空間數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)地理對象的空間位置、空間分布、空間形態(tài)、空間形成和空間演變等信息。92023/9/212:27分類（按照空間數(shù)據(jù)的形式）矢量數(shù)據(jù)空間分析：矢量疊合分析、矢量臨近性分析、網(wǎng)絡(luò)分析等柵格數(shù)據(jù)空間分析：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)計分析等102023/9/212:27分類（Goodchild）產(chǎn)生式分析(productmode)：數(shù)字地面模型分析、空間疊合分析、緩沖區(qū)分析、空間網(wǎng)絡(luò)分析、空間統(tǒng)計分析查詢式分析(querymode)：空間集合分析、空間數(shù)據(jù)查詢112023/9/212:27第一節(jié)數(shù)字地形模型分析數(shù)字地形模型（DTM,DigitalTerrainModel）最初是為了高速公路的自動設(shè)計提出來的（Miller，1956）。此后，它被用于各種線路選線（鐵路、公路、輸電線）的設(shè)計以及各種工程的面積、體積、坡度計算，任意兩點間的通視判斷及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。

122023/9/212:27定義：數(shù)字地形模型（DigitalTerrainModel，簡稱DTM）是定義于二維區(qū)域上的一個有限項的向量序列，它以離散分布的平面點來模擬連續(xù)分布的地形。在形式上分：規(guī)則格網(wǎng)（Grid）：最常見不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）數(shù)字等高線、等深線、地形特征線（如山脊線、谷底線、坡度變換線等）132023/9/212:27按平面上等間距規(guī)則采樣，或內(nèi)插所建立的數(shù)字地形模型，稱為基于柵格的數(shù)字地形模型。

DTM=｛Zi,j

｝,i=1,2,3,…,m-1,m;j=1,2,3,…,n-1,n。

Z為柵格點（i，j）上的地面屬性數(shù)據(jù)142023/9/212:27

數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel，簡稱DEM）它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型，是DTM的一個分支，其它各種地形特征值均可由此派生。

DEM是構(gòu)成DTM的基礎(chǔ)，DTM的其他元素均由DEM導(dǎo)出。顯然，DEM的質(zhì)量好壞直接決定著DTM的精確性。152023/9/212:27DEM的生成高程數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)獲取生成DEM野外測量地形圖攝影測量激光雷達(dá)GIS軟件算法實現(xiàn)162023/9/212:271.地形因子的自動提取坡度計算坡向分析曲面面積計算地表粗糙度計算高程及變異分析谷脊特征分析日照強度的分析淹沒邊界的計算數(shù)字高程模型應(yīng)用172023/9/212:272.地表形態(tài)的自動分類擬定地形分類決策表建立地形類型分類系統(tǒng)輸出地形類型圖數(shù)字高程模型應(yīng)用地形自動分類擬定地形分類決策表DEM計算地表形態(tài)要素H，△H，坡度，坡向182023/9/212:27平地崗丘丘陵低山中山絕對高度H/m＜400400～800＞800相對高度△H/m＜100100～200＞200＞200坡度s＜3°地形分類決策表192023/9/212:273.地學(xué)剖面的繪制和分析建立數(shù)字高程模型確定地形剖面線的位置剖面線交點的內(nèi)插計算地形剖面線及相關(guān)地理信息（地質(zhì)、土壤、土地利用等）的疊加表示和輸出數(shù)字高程模型應(yīng)用202023/9/212:274、DEM的通視分析用于架設(shè)通信基戰(zhàn)等的工程設(shè)計、旅游景點規(guī)劃等。典型的例子是觀察哨所的設(shè)定，顯然觀察哨的位置應(yīng)該設(shè)在能監(jiān)視某一感興趣的區(qū)域，視線不能被地形擋住。這就是通視分析中典型的點對區(qū)域的通視問題。數(shù)字高程模型應(yīng)用視線通視分析：兩點之間的通視性(Intervisibility)視域通視分析：可視域(ViewShed)212023/9/212:27視線通視222023/9/212:27可視域判斷觀察點232023/9/212:27第二節(jié)空間疊合分析2.1空間疊合分析的概念空間疊合分析（spatialoverlayanalysis）是指在相同的空間坐標(biāo)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)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(yīng)關(guān)系。242023/9/212:2712AB2A1A2B1B地貌圖土壤圖合成圖空間合成疊合252023/9/212:27abcdef

區(qū)域

類型數(shù)

面積

ab…104

…113

…

…

…

…

…

…111210行政圖土壤圖統(tǒng)計表空間統(tǒng)計疊合262023/9/212:27根據(jù)采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同分基于矢量數(shù)據(jù)的疊合分析根據(jù)疊合對象圖形特征的不同，分為點與多邊形的疊合線與多邊形的疊合多邊形與多邊形的疊合基于柵格數(shù)據(jù)的疊合分析算法簡單，但數(shù)據(jù)量大。算法復(fù)雜，但數(shù)據(jù)量小、精度較高。272023/9/212:272.2基于矢量數(shù)據(jù)的疊合分析矢量數(shù)據(jù)疊加分析的步驟：幾何求交拓?fù)渲貥?gòu)屬性傳遞矢量疊置算法的主要時間消耗在前兩個步驟上。282023/9/212:27點與多邊形的疊合分析

將一個含有點的圖層（目標(biāo)圖層輸入特征）疊加在另一個含有多邊形的圖層（操作圖層）上，以確定每個點落在哪個區(qū)域內(nèi)。

292023/9/212:27計算多邊形對點的包含關(guān)系，即判斷點落在哪個多邊形內(nèi)。進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)處理。最簡單的方式是將多邊形屬性信息疊加到其中的點上（或?qū)Ⅻc的屬性疊加到多邊形上，用于標(biāo)識該多邊形）。通過疊加可以計算出每個多邊形類型里有多少個點，以及這些點的屬性信息。302023/9/212:27點與多邊形疊加分析BACID名稱產(chǎn)量1鐵2銅3鋁4鎂ID名稱人口面積A鞍山B本溪C遼陽D大連礦產(chǎn)ID名稱產(chǎn)量政區(qū)ID名稱人口面積1鐵A鞍山2銅C遼陽3鋁B本溪4鎂D大連疊加結(jié)果：改變點屬性內(nèi)容312023/9/212:27當(dāng)inputfeatures是不同的要素類型時（如point和polygon、line和polygon），輸出的結(jié)果默認(rèn)是維數(shù)較低的類型，如line和polygon的默認(rèn)結(jié)果是line，point與line的默認(rèn)結(jié)果是point。結(jié)果類型可以降低維數(shù)，比如polygon和polygon的默認(rèn)結(jié)果是polygon，但可指定為line或point。322023/9/212:27線與多邊形的疊合分析將線的圖層（目標(biāo)圖層）疊加在多邊形的圖層（操作圖層）上，以確定一條線落在哪個或哪些多邊形內(nèi)。河流圖政區(qū)圖可查詢?nèi)我鈪^(qū)域內(nèi)的河流長度及河網(wǎng)密度+332023/9/212:27比較線坐標(biāo)與多邊形坐標(biāo)的關(guān)系，判斷線是否落在多邊形內(nèi)。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。重建線的屬性表。疊加的結(jié)果產(chǎn)生一個新的數(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。342023/9/212:27

線與多邊形疊加分析1123線號原線號原線屬性多邊形號多邊形屬性1…………2…………3…………4…………BCCC疊加結(jié)果：產(chǎn)生新弧段改變線屬性內(nèi)容352023/9/212:27多邊形與多邊形的疊合分析多邊形與多邊形的疊合分析是指將兩個不同圖層的多邊形要素相疊合，產(chǎn)生一個新的多邊形圖層的操作，其結(jié)果將原來多邊形要素分割成新要素，新要素綜合了原來所有疊加圖層的屬性。362023/9/212:27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，每個多邊形賦予唯一標(biāo)識碼，判斷新生的多邊形分別落在每個參與疊加的多邊形層的哪個多邊形內(nèi)，建立新生多邊形與原多邊形的關(guān)系。屬性分配過程：典型的方法是將輸入圖層對象的屬性拷貝（或關(guān)聯(lián)）到新對象的屬性表中。

372023/9/212:27ID土壤類型1112AB土地利用層土壤類型層坡度層ID土地利用類別123011021031疊加結(jié)果層ID坡度21226812345678AB68011021031ID地類ID類別土壤ID土壤類型坡度ID坡度12345678331113220310310110110110310210211212121111111111BBBAAAAA222221212222212288668868382023/9/212:27多邊形疊加分析391空間疊加分析概述多邊形疊合方式：并操作（Union）交操作（Intersect）擦除操作（Erase）裁剪操作（Clip）402023/9/212:27多邊形和多邊形的疊合布爾計算（Boolean），交集、并集、補集clip與intersect區(qū)別411空間疊加分析概述并操作(A∪B)

保留兩個圖層的所有圖形要素和屬性數(shù)據(jù)。

A∪BAB421空間疊加分析概述交操作(A∩B)

保留兩個圖層共同的部分，其余部分將被消除。A∩BAB431空間疊加分析概述擦除操作(A-A∩B)

輸出層保留以第二個圖層為控制邊界之外的所有多邊形。A-A∩BAB441空間疊加分析概述裁剪操作輸出層保留以第二個圖層為邊界，對輸入圖層的內(nèi)容要素進(jìn)行截取的結(jié)果。和擦除操作相反。A-A∩BAB452023/9/212:27462023/9/212:27疊合案例——洪水淹沒區(qū)分析按地塊面積平均計算財產(chǎn)密度。疊合處理（Union），生成的疊合多邊形（Union1）具有高程、土地使用、地基類型、地塊財產(chǎn)密度等屬性。計算疊合后的多邊形面積。將地基—損失參數(shù)表（found.dbf）連接到Union1，以地基類型（Class）為關(guān)鍵字計算每個多邊形的估計損失=財產(chǎn)密度×疊合后的多邊形面積×損失系數(shù)在View中對Union1的要素進(jìn)行過濾，只有高程小于等于500、土地使用為住宅的多邊形才進(jìn)入估計其損失的選擇集，據(jù)此，顯示按損失密度的高低分類的專題地圖，匯總估計損失值。472023/9/212:272.3基于柵格數(shù)據(jù)的疊合分析柵格數(shù)據(jù)的疊合算法可以有多個空間特征數(shù)據(jù)參與分析。疊合分析的條件：要具備兩個或多個相同地區(qū)的相同行列數(shù)的柵格數(shù)據(jù)，柵格單元的大小也相同。柵格分析的結(jié)果：是一個新生成的柵格數(shù)據(jù)，其中的每一個柵格的數(shù)值都是由參與計算的原柵格數(shù)據(jù)計算得到的，柵格疊合通過計算產(chǎn)生新的空間信息。482023/9/212:27柵格數(shù)據(jù)之間的疊合

圖層之間的對應(yīng)單元數(shù)值進(jìn)行數(shù)學(xué)運算。疊合之后的圖層中單元的數(shù)值是對應(yīng)單元數(shù)值進(jìn)行數(shù)學(xué)運算的結(jié)果，原理上比較簡單（相對矢量的疊合）在ArcView中，使用菜單mapcalculator（地圖運算器）ArcGIS中使用RasterCalculator（柵格運算器）492023/9/212:27柵格圖層疊合分析柵格圖層疊合502空間疊加分析方法

柵格數(shù)據(jù)的疊合分析方法數(shù)學(xué)運算算術(shù)運算符：＋，－，*，/邏輯運算符：and（與），or（或），xor（異或），not（反）關(guān)系運算符：＝（相等），＞（大于），＜（小于），＜＞（不等于）函數(shù)運算指數(shù)、對數(shù)函數(shù)：exp（以e為底的指數(shù)），log（以e為底的對數(shù)）算術(shù)函數(shù)：abs（絕對值），isnull（是否為空）三角函數(shù)：sin（正弦），cos（余弦），tan（正切）冪函數(shù)：pow（乘方），sqrt（開方）統(tǒng)計運算統(tǒng)計函數(shù)：majority（眾數(shù)），maximum（最大值）,mean（平均值）512空間疊加分析方法1111111ABCD1111111111111111DD=A+B+C11111111111222231111111111112222311111E111111113F=D-E11111111522023/9/212:27疊加后屬性的賦值方法點變換方法：點變換方式只對各圖上相應(yīng)的點的屬性值進(jìn)行運算。實際上，點變換方式假定獨立圖元的變換不受其鄰近點上的屬性值的影響，也不受區(qū)域內(nèi)一般特征的影響。532023/9/212:27542023/9/212:27疊加后屬性的賦值方法區(qū)域變換方法：是在計算新層圖元值時，不僅考慮原始圖層上相應(yīng)圖元本身的值，而且還要考慮原圖層圖元所在區(qū)域的幾何特性或原圖層同名圖元的個數(shù)。552023/9/212:27疊加后屬性的賦值方法鄰域變換方法：是在計算新層圖元值時，不僅考慮原始圖層上相應(yīng)圖元本身的值，而且還要考慮與該圖元有領(lǐng)域關(guān)聯(lián)的其他圖元值影響。562023/9/212:27中學(xué)的選址結(jié)果[R_land]×[R_popu]×[R_school]

使用性質(zhì)得分工業(yè)或綠地0（不能建設(shè)）商業(yè)1居住2（可以建設(shè)）

人口密度得分0-500（無需建設(shè)）50-1001100-2002200-3003（需要建設(shè)）距離得分0—500米0（不必建設(shè)）500—1000米11000—1500米2>1500米3（必須建設(shè)）[R_land][R_popu][R_school])為什么采用乘法疊合？572023/9/212:27582023/9/212:27

實例練習(xí)----為某小區(qū)建設(shè)項目選址目的：找出適宜小區(qū)建設(shè)的地址標(biāo)準(zhǔn)：在道路沿線1000米以內(nèi);在商業(yè)中心1000米以內(nèi);在醫(yī)院1500米以內(nèi);在名牌高中800米以內(nèi);592023/9/212:27

準(zhǔn)備進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)：

network.shp：城市市區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)圖; Marketplace.shp：商業(yè)中心分布圖; school.shp：名牌高中分布圖; hospital.shp：醫(yī)院分布圖;602023/9/212:27612023/9/212:27道路道路緩沖區(qū)1000米buffer商業(yè)中心商業(yè)中心緩沖區(qū)1000米buffer名牌高中名牌高中緩沖區(qū)800米buffer醫(yī)院醫(yī)院緩沖區(qū)1500米buffer疊合分析適宜區(qū)域

分析過程：622023/9/212:27道路適宜區(qū)域1000米buffer632023/9/212:27商業(yè)中心適宜區(qū)域1000米buffer642023/9/212:27名牌高中適宜區(qū)域800米buffer652023/9/212:27醫(yī)院適宜區(qū)域1500米buffer662023/9/212:27城市市區(qū)道路、商業(yè)中心、名牌高中、醫(yī)院的緩沖區(qū)的疊加層

672023/9/212:27紅色區(qū)域為同時滿足：道路條件、商業(yè)中心條件、名牌高中條件、醫(yī)院條件。682023/9/212:27第三節(jié)空間鄰近度分析空間鄰近度（Proximity）描述了地理空間中兩個地物距離相近的程度，臨近度分析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。692023/9/212:27?公共設(shè)施（商場，郵局，銀行，醫(yī)院，車站，學(xué)校等）的服務(wù)半徑

?鐵路，公路以及航運河道對其所穿過區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要性?野生動物的棲息地如何評價問題：702023/9/212:273.1空間緩沖區(qū)分析的概念空間緩沖區(qū)分析（spatialbufferanalysis）是圍繞空間的點、線、面實體，自動建立其周圍一定寬度范圍內(nèi)的多邊形，用以識別這些實體或主體對鄰近對象的輻射范圍或影響度，以便為某項分析或決策提供依據(jù)。712023/9/212:273.2緩沖區(qū)分析的類型點的緩沖區(qū)線的緩沖區(qū)面的緩沖區(qū)1233.2.1

矢量緩沖區(qū)722023/9/212:273.2緩沖區(qū)分析的類型3.2.2

柵格緩沖區(qū)對需要做緩沖區(qū)的柵格單元做距離擴散，即計算其他柵格到需要做緩沖區(qū)的柵格的距離按照設(shè)定的緩沖區(qū)距離提取出符合要求的柵格單元732023/9/212:27柵格點2.82.22.02.22.82.21.41.01.42.22.01.00.01.02.02.21.41.01.42.22.82.22.02.22.8柵格距離擴散2.82.22.02.22.82.21.41.01.42.22.01.00.01.02.02.21.41.01.42.22.82.22.02.22.8按距離2求出緩沖區(qū)柵格742023/9/212:27空間緩沖區(qū)的三大要素：主體：表示分析的主要目標(biāo)，分為點源、線源和面源鄰近對象：表示受主體影響的客體作用條件：表示主體對鄰近對象施加作用的影響條件或強度752023/9/212:273.3空間緩沖區(qū)分析的模型（根據(jù)主體對鄰近對象作用性質(zhì)的不同）線性模型：用于當(dāng)主體對鄰近對象的影響度隨距離的增大而呈線性形式衰減時。Fi=f0(1-ri)ri=di/d00≤ri≤1Fi：主體對鄰近對象的實際影響度f0：主體自身的綜合規(guī)模指數(shù)di：鄰近對象離開主體的實際距離d0：主體對鄰近對象的最大影響距離ri100500.51.00Fi762023/9/212:27二次模型：用于當(dāng)主體對鄰近對象的影響度隨距離的增大而呈二次形式衰減時。Fi=f0(1-ri)2ri=di/d00≤ri≤1100500.51.00riFi772023/9/212:27指數(shù)模型：用于當(dāng)主體對鄰近對象的影響度隨距離的增大而呈指數(shù)形式衰減時。Fi=f0(1-ri)ri=di/d00≤ri≤1100500.51.00riFi782023/9/212:27緩沖區(qū)分析涉及兩步操作：第一步是建立緩沖區(qū)圖；第二步是進(jìn)行疊置分析。792023/9/212:27緩沖區(qū)分析在日常工作中極為普遍，如鐵路部門要新修一條鐵路，它必須了解新的鐵路要占用多少耕地、多少房屋等，以便進(jìn)行工程預(yù)算和損失賠償；軍隊需要新建軍事基地，由于保密的需要，需要劃定軍事隔離帶；某城市要新引進(jìn)一個化工廠，需要評估工廠對周圍20公里范圍的影響情況，機場附近1公里范圍不能有高層建筑，經(jīng)免飛機的起降等。河流的防洪。假定為了評估某河流受洪水水災(zāi)影響范圍，需要計算受災(zāi)面積，假定此次受災(zāi)范圍一般在距河流2公里范圍以內(nèi)。80空間疊加分析、緩沖區(qū)應(yīng)用案例813空間緩沖區(qū)分析應(yīng)用汶川大地震相關(guān)損失估算需解決的問題確定汶川地震的分級影響范圍計算汶川地震所涉及人口數(shù)量估算汶川地震中道路的損失情況823空間緩沖區(qū)分析應(yīng)用地震等級及分布等相關(guān)數(shù)據(jù)；

四川省的行政邊界圖、道路分布圖。1、準(zhǔn)備空間數(shù)據(jù)

四川地震等級分布圖（4.5級以上）833空間緩沖區(qū)分析應(yīng)用空間操作流程2、進(jìn)行空間操作地震源buffer分級地震緩沖區(qū)overlay疊置層行政邊界損失估算屬性數(shù)據(jù)道路數(shù)據(jù)843空間緩沖區(qū)分析應(yīng)用四川地震等級分布圖（4.5級以上）2、進(jìn)行空間操作

汶川北川青川建立地震源緩沖區(qū)853空間緩沖區(qū)分析應(yīng)用2、進(jìn)行空間操作

地震緩沖區(qū)和行政邊界疊加863空間緩沖區(qū)分析應(yīng)用2、進(jìn)行空間操作

地震緩沖區(qū)和道路疊加873空間緩沖區(qū)分析應(yīng)用統(tǒng)計地震所涉及的具體縣和鄉(xiāng)鎮(zhèn)及它們的破壞程度。3、進(jìn)行統(tǒng)計分析

統(tǒng)計地震所涉及的人口總數(shù)。結(jié)合一些經(jīng)濟指標(biāo)可以進(jìn)行地震損失估算。統(tǒng)計受地震影響的道路及破壞程度。882023/9/212:27第四節(jié)空間網(wǎng)絡(luò)分析空間網(wǎng)絡(luò)分析（spatialnetworkanalysis）網(wǎng)絡(luò)是一個由點、線的二元關(guān)系構(gòu)成的系統(tǒng)，通常用來描述某種資源或物質(zhì)在空間上的運動。城市的道路系統(tǒng)、地下管網(wǎng)系統(tǒng)等都可以用網(wǎng)絡(luò)來表示。892023/9/212:27空間網(wǎng)絡(luò)分析的用途公共交通運營的線路選擇和緊急救援行動線路的選擇等，與網(wǎng)絡(luò)最佳路徑選擇有關(guān)當(dāng)估計排水系統(tǒng)在暴雨期間是否溢流及河流是否泛濫時，需要進(jìn)行網(wǎng)流量分析或負(fù)荷估計城市消防站分布和醫(yī)療保健機構(gòu)的配置等，可以看成是利用網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行資源的配置902023/9/212:27dcbaa)無向圖213(b)有向圖4.1圖論基礎(chǔ)知識有向圖和無向圖：在圖中，若用箭頭標(biāo)明了邊是有方向性的，則稱這樣的圖為有向圖，否則稱為無向圖。邊，?。簾o向圖中兩頂點之間的連線稱為邊；有向圖圖中頂點之間的連線稱為弧。權(quán)：在圖的邊或弧中給出相關(guān)的數(shù)，稱為權(quán)。權(quán)可以代表一個頂點到另一個頂點的距離、耗費等。912023/9/212:274.1圖論基礎(chǔ)知識路徑：在圖中，從頂點V到頂點V′的路徑是一個頂點序列（V=V0,V1,V2…Vm=V′)。213(b)有向圖回路：第一個頂點和最后一個頂點相同的路徑。連通圖：如果圖中任意兩個頂點間都有路徑,這個圖就稱為連通圖。922023/9/212:274.2最短路徑

交通網(wǎng)絡(luò)中常常提出這樣的問題：從甲地到乙地之間是否有公路連通?在有多條通路的情況下，哪一條路最短?交通網(wǎng)絡(luò)可用圖來表示。頂點表示城市名稱，邊表示兩個城市有路連通，邊上權(quán)值可表示兩城市之間的距離、交通費或途中所花費的時間等。求兩個頂點之間的最短路徑，不是指路徑上邊數(shù)之和最少，而是指路徑上各邊的權(quán)值之和最小。932023/9/212:271、單源點最短路徑

單源點最短路徑是指：給定一個出發(fā)點(單源點),求出源點到其它各頂點之間的最短路徑。

那么怎樣求出單源點的最短路徑呢?迪杰斯特拉(Dijkstra)在做了大量觀察后,首先提出了按路長度遞增序產(chǎn)生各頂點的最短路徑算法,我們稱之為迪杰斯特拉算法。942023/9/212:27

迪杰斯特拉(Dijkstra)算法的基本思想

算法的基本思想是:按路徑長度遞增的次序產(chǎn)生最短路徑。設(shè)置并逐步擴充一個集合S，存放已求出其最短路徑的頂點，尚未確定最短路徑的頂點集合是V-S，其中V為網(wǎng)中所有頂點集合。按最短路徑長度遞增的順序逐個以V-S中的頂點加到S中，直到S中包含全部頂點，而V-S為空。

952023/9/212:273010105V4100602050V5V3V1V2V0例：求V0到其他各頂點的最短距離第一步：找V0到各頂點的直接路徑:V0~V1∞V0~V210V0~V3∞V0~V430V0~V5100迪杰斯特拉算法的求解過程：

962023/9/212:27證明：為什么V0~V2的最短路徑就是10？

假設(shè)如果另外還有路徑比10短，那只可能是V0間接經(jīng)過V3、V4或者V5到達(dá)V2的另外一條路徑，而V0到其他各頂點(V2外）的路徑都大于10，所以不可能存在一條比10還小的間接路徑了。10105V4100602050V5V3V1V2V030972023/9/212:27第二步：以V0~V2為中間路徑，修訂V0到其他頂點的路徑，如果經(jīng)過V2到其他頂點的路徑比原路徑短，就替換它，否則不變：V0~V1∞V0~V210V0~V3∞60（V0~V2~V3）V0~V430V0~V5100

10105V4100602050V5V3V1V2V030982023/9/212:27第三步：以V0~V4為中間路徑，修訂V0到其他頂點的路徑，如果經(jīng)過V4到其他頂點的路徑比原路徑短，就替換它，否則不變：V0~V1∞V0~V210V0~V360（V0~V2~V3）

50

（V0~V4~V3）V0~V430V0~V510090

（V0~V4~V5）

10105V4100602050V5V3V1V2V030992023/9/212:27第四步：以V0~V4~V3為中間路徑，修訂V0到其他頂點的路徑，如果經(jīng)過V3到其他頂點的路徑比原路徑短，就替換它，否則不變：V0~V1∞V0~V210V0~V350

（V0~V4~V3）

V0~V430V0~V590

（V0~V4~V5）

60

（V0~V4~V3~V5）

10105V4100602050V5V3V1V2V0301002023/9/212:27終點從V0到其他各頂點的距離和最短路徑的求解過程12345V1∞∞∞∞∞無V210(V0~V2)

V3∞60(V0~V2~V3)50(V0~V4~V3)

V430(V0~V4)30(V0~V4)

V5100(V0~V5)100(V0~V5)90(V0~V4~V5)60(V0~V4~V3~V5)

S(V0~V2)(V0~V4)(V0~V4~V3)(V0~V4~V3~V5)

1012023/9/212:271010V46020V5V3V1V2V030V0~V1∞V0~V210V0~V350V0~V430V0~V560最后我們找到V0到其他各頂點的最短路徑:1022023/9/212:272、最小生成樹

最小生成樹的兩種方法：普里姆算法克魯斯卡爾算法1032023/9/212:27小結(jié)：路徑分析是地理信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析中的關(guān)鍵問題，而且網(wǎng)絡(luò)分析的其它優(yōu)選問題諸如最小成本計算、地址選擇模型、節(jié)點連通性等都和圖論中的最短路徑問題等價，在方法論上它們有著很大程度的相似性與一致性。

1042023/9/212:27泰森多邊形應(yīng)用在ArcView中，先生成TIN，再由TIN生成ThiessenPolygon在ArcGIS中，直接用Arctools，可生成ThiessenPolygon實例：1.泰森多邊形法,求得平均高程后,就可用各點的挖填高度和各點所代表的面積求挖填土方量2.人口調(diào)查點計算人口調(diào)查區(qū)的人口密度1052023/9/212:271062023/9/212:27空間分析應(yīng)用

空間分析的目的是解決某類與地理空間有關(guān)的問題，通常涉及多種空間分析操作的組合。一般步驟是：明確分析的目的和評價準(zhǔn)則準(zhǔn)備分析數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析操作進(jìn)行結(jié)果分析解釋、評價結(jié)果（如有必要，返回步驟1）結(jié)果輸出（地圖、表格和文檔）1072023/9/212:271、道路拓寬改建過程中的拆遷指標(biāo)計算利用建立緩沖區(qū)、拓?fù)浏B加和特征提取，計算道路拓寬改建中的拆遷指標(biāo)。明確分析的目的和標(biāo)準(zhǔn)

目的：計算由于道路拓寬而需拆遷的建筑物的建筑面積和房產(chǎn)價值。

道路拓寬改建的標(biāo)準(zhǔn)是：道路從原有的20m拓寬至60m；拓寬道路應(yīng)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。準(zhǔn)備進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)本例需要涉及兩類信息，一類是現(xiàn)狀道路圖；另一類為分析區(qū)域內(nèi)建筑物分布圖及相關(guān)信息。進(jìn)行空間操作選擇擬拓寬的道路（中心線），根據(jù)拓寬半徑，建立緩沖區(qū)。將此緩沖區(qū)與建筑物數(shù)據(jù)進(jìn)行疊合，產(chǎn)生一幅新圖，此圖包括所有部分或全部位于拓寬區(qū)內(nèi)的建筑物信息。進(jìn)行統(tǒng)計分析對全部或部分位于拆遷區(qū)內(nèi)的建筑物進(jìn)行選擇，凡部分落入拆遷區(qū)且樓層高于10層以上的建筑物，將其從選擇組中去掉，并對道路的拓寬邊界進(jìn)行局部調(diào)整。對所有需拆遷的建筑物進(jìn)行拆遷指標(biāo)計算。將分析結(jié)果以地圖和表格的形式打印輸出1082023/9/212:272、輔助建設(shè)項目選址利用空間操作和特征提取功能，為一建設(shè)項目選擇最佳的建設(shè)位置。建立分析的目的和標(biāo)準(zhǔn)

目的：確定一些具體的地塊，作為一個輕度污染工廠的可能建設(shè)位置。工廠選址的標(biāo)準(zhǔn)包括：地塊建設(shè)用地面積不小于10000m2；地塊的地價不超過1萬元/m2；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)的影響。從數(shù)據(jù)庫中提取用于選址的數(shù)據(jù)為達(dá)到選址的目的，需準(zhǔn)備兩種數(shù)據(jù)，一種為包括全市所有地塊信息的數(shù)據(jù)層；另一類為全市公共設(shè)施（包括幼兒園、學(xué)校等）的分布圖。進(jìn)行特征提取和空間拓?fù)浏B加從地塊圖中選擇所有滿足條件1、2的地塊，并與公共設(shè)施層數(shù)據(jù)進(jìn)行疊合。進(jìn)行鄰域分析

對疊加的結(jié)果進(jìn)行鄰域分析和特征提取，選擇出滿足要求的地塊。將選擇的地塊及相關(guān)信息以地圖和表格形式打印輸出1092023/9/212:273、洪水淹沒損失分析分析目的和評價準(zhǔn)則估計住宅用地被洪水淹設(shè)而造成的損失洪水水位的相對高程為500米損失的大小和居民的財產(chǎn)、地基的穩(wěn)定性有關(guān)可獲得的資料數(shù)字化的地塊多邊形地圖。每個地塊均有土地使用、可遭損失的財產(chǎn)狀況（簡稱估計財產(chǎn)）、不同地基類型等屬性地塊多邊形屬性表中有地均財產(chǎn)這一項，

地均財產(chǎn)=估計財產(chǎn)/地塊面積。對每一類地基，可估計其穩(wěn)定性，并估計房屋倒坍的可能性，稱損失系數(shù)數(shù)字化的等高線地形圖1102023/9/212:27進(jìn)行空間操作將地塊多邊形和高程多邊形疊合，產(chǎn)生地塊—高程多邊形地圖和對應(yīng)的屬性表。在地塊—高程屬性表中選擇高程小于等于500，土地使用性為住宅(R1、R2)的記錄和地基—損失系統(tǒng)對照表連接，獲得新的地塊—高程屬性表。

估計損失=面積×地均財產(chǎn)×損失系數(shù)?？芍?，當(dāng)洪水淹沒了500米以下的地區(qū)時，每個地塊財產(chǎn)的大致?lián)p失狀況。對地塊—高程圖按對應(yīng)屬性進(jìn)行分類，得到洪水淹沒損失分布圖。1112023/9/212:27進(jìn)行統(tǒng)計分析

形成損失估計表和分析結(jié)論表洪水淹沒損失分析(續(xù))2023/9/212:27112一個伐木公司的決策

綜合實例2023/9/212:271131.分析前準(zhǔn)備

一個伐木公司獲準(zhǔn)在Oakwood區(qū)進(jìn)行采伐,他們知道每采伐100m2的松樹林可以得到100美元的純收入，而每采伐100m2的橡樹林可獲得200美元的純收入。

2023/9/212:271142．許可約束條件

(1)不得砍伐墓地周圍10km以內(nèi)的樹木；

(2)為防止水土流失，不得在海、湖或河流沿岸1km以內(nèi)的區(qū)域砍伐樹木；

(3)因為森林資源保護法不允許在該地區(qū)修建新的公路，采伐地點必須位于沿公路5km以內(nèi)的范圍內(nèi)，以使重型采伐設(shè)備可以進(jìn)入林區(qū)。2023/9/212:271153．公司區(qū)位選擇規(guī)則

(1)采伐地點必須是在雪線(1000m)以下，因為重型采伐設(shè)備不能在雪封地區(qū)進(jìn)行采伐；

(2)重采伐設(shè)備不能在任何坡度大于5度的地區(qū)操作。2023/9/212:271164．確定所需數(shù)據(jù)

(1)河流線文件；

(2)道路線文件；

(3)墓地點文件；

(4)湖泊和海域多邊形文件；

(5)等高線線矢量文件；

(6)林區(qū)覆蓋ASCII格式文件。2023/9/212:271175．?dāng)?shù)字化數(shù)據(jù)源分析(1)道路矢量數(shù)據(jù)：道路矢量數(shù)據(jù)是名為ROADLINE的ARC／INFO形式線狀道路覆蓋層，該圖層主要用來生成道路緩沖區(qū)。1182023/9/212:27(2)等高線數(shù)據(jù)1：這是一個名為CONTOURPOLY的ARC／INFO格式的多邊形矢量數(shù)據(jù)覆蓋層。其屬性文件中的SPOT字段中存貯了等高線的高程值，該圖層主要用來提取海拔高于1000m的區(qū)域。

2023/9/212:27119(3)等高線數(shù)據(jù)2：這是一個名為CONTOURLINES的ARC／INFO格式的線狀矢量數(shù)據(jù)覆蓋層。其中的每條等高線都有一個高程編碼。其屬性文件中的SPOT字段中存貯了等高線的高程值，該圖層主要用來生成地形坡度文件和用來提取海拔高于1000m的區(qū)域。

2023/9/212:27120

(4)墓地點狀圖層：Oakwood林區(qū)的墓地是一個名為SHRINEPOINT的ARC／INFO格式點覆蓋層，主要用來生成墓地緩沖區(qū)。2023/9/212:27121(5)河流：這是一個名為RIVERLINE矢量形式ARC／INFO格式的覆蓋層，用來生成河流緩沖區(qū)

2023/9/212:27122(6)海與湖：海與湖是一個名為WATERPOLY的ARC／INFO格式多邊形覆蓋層，用來生成海與湖的緩沖區(qū)。2023/9/212:27123(7)林區(qū)覆蓋：這是一個以ASCII格式描述的林區(qū)覆蓋的文本文件。在用ARC／INFO分析時需要轉(zhuǎn)換成ARC／INFO可識別的柵格數(shù)據(jù)文件。該數(shù)據(jù)文件名為FOREST．dat。網(wǎng)格編碼值5代表橡樹林，編碼值10代表松樹林。

2023/9/212:27124第一步緩沖區(qū)操作a．生成道路緩沖區(qū)由于采伐區(qū)必須位于道路沿線5km以內(nèi)，而覆蓋層長度單位是以米計量的，所以我們沿道路向外5000m為半徑創(chuàng)建緩沖區(qū)，采伐地點必須位于該緩沖區(qū)以內(nèi)。在ARC／INFO中用BUFFER命令生成緩沖區(qū)：這步操作產(chǎn)生名為ROADBUF的多邊形文件，多邊形內(nèi)部區(qū)域代表道路沿線5000m以內(nèi)范圍。2023/9/212:27125道路緩沖區(qū)2023/9/212:27126b．生成海與湖的緩沖區(qū)進(jìn)行這步操作的依據(jù)是采伐地不能位于?；蚝匕?km范圍以內(nèi)。這里僅顯示被選取的海與湖多邊形。我們先把選擇規(guī)則寫進(jìn)文件，然后對海與湖進(jìn)行緩沖區(qū)生成操作。2023/9/212:27127c．生成河流緩沖區(qū)采伐區(qū)不得位于河流兩岸1km范圍以內(nèi)。因此我們沿河流向外生成1000m的緩沖區(qū)。2023/9/212:27128d．對墓地生成緩沖區(qū)采伐點不得位于墓地周圍10km以內(nèi)，因此我們還需要圍繞墓地創(chuàng)建一個10km的緩沖區(qū)。2023/9/212:27129第二步擦除操作采伐地區(qū)必須在道路緩沖區(qū)多邊形以內(nèi)，而不能位于河、湖、海及墓地緩沖區(qū)多邊形以內(nèi)。因而我們的解決方案是從道路緩沖區(qū)多邊形中擦除(erase)上述其他緩沖區(qū)多邊形。具體操作如下：2023/9/212:27130a.在道路緩沖區(qū)多邊形中擦除海與湖緩沖區(qū)2023/9/212:27131b.在道路周圍擦除河流緩沖區(qū)多邊形2023/9/212:27132c．在中間結(jié)果中擦除墓地緩沖區(qū)(圖5-50)2023/9/212:27