空間分析總結(jié).ppt

1、空間分析,空間分析是GIS系統(tǒng)的重要功能之一，是GIS系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)輔助繪圖系統(tǒng)的主要區(qū)別?？臻g分析的對象是一系列跟空間位置有關(guān)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括空間坐標(biāo)和專業(yè)屬性兩部分。其中空間坐標(biāo)用于實(shí)體的空間位置和幾何形態(tài)，專業(yè)屬性則是實(shí)體某一方面的性質(zhì)。,空間分析的定義,字面定義：空間數(shù)據(jù)的分析和數(shù)據(jù)的空間分析。 空間數(shù)據(jù)分析 1、描述空間對象的非空間特性 2、方法：概率、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等數(shù)學(xué)方法 3、特點(diǎn)：幾何特征不是主要限制因子（例：聚類分析）數(shù)據(jù)處理與一般的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析基本一致分析結(jié)果依托于地理空間，描述的是空間過程，揭示空間規(guī)律和機(jī)制。 數(shù)據(jù)空間分析 1、描述空間對象的空間位置、關(guān)系，對空間對象進(jìn)行

2、定量描述 2、方法：空間統(tǒng)計(jì)學(xué)、圖論、拓?fù)鋵W(xué)、計(jì)算幾何等。 3、特點(diǎn)：非嚴(yán)格意義的分析，是空間事物的描述和說明，特征提取和參數(shù)計(jì)算回答是什么、在那里、有多少和怎么樣，并不回答為什么。 定義：空間分析是基于地理對象的位置和形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)，其目的在于提取和傳輸空間信息。,GIS應(yīng)用模式,結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展和GIS技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，確定GIS的應(yīng)用領(lǐng)域。地理信息系統(tǒng)可用于回答以下問題： 定位(Location)：對象在何處? 條件(Condition)：哪些地方符合.特定的條件? 趨勢(Trends)：從何時(shí)起發(fā)生了哪些變化？ 模式(Patterns)： 對象的分布存在何種空間模式？

3、 模擬(Modeling)：如果.將如何?,GIS應(yīng)用方式,如何為一公園選擇合理位置？,空間分析的主要內(nèi)容,1、空間位置： 借助于空間坐標(biāo)系傳遞空間對象的 定位信息，是空間對象表述的研究基礎(chǔ)，即投影與 轉(zhuǎn)換理論。 2、空間分布：同類空間對象的群體定位信息，包 括分布、趨勢、對比等內(nèi)容。 3、空間形態(tài)：空間對象的幾何形態(tài)。 4、空間距離：空間物體的接近程度。 5、空間關(guān)系：空間對象的相關(guān)關(guān)系，包括拓?fù)洹?方位、相似、相關(guān)等。,各種空間分析術(shù)語,基本的空間分析包括以下方面： 空間查詢 第11章 空間量算 補(bǔ)充 矢量數(shù)據(jù)分析（緩沖、疊加、模式分析） 柵格數(shù)據(jù)分析（局部運(yùn)算、鄰域運(yùn)算、 分區(qū)、距離量測

4、、其他） 空間統(tǒng)計(jì)分析 網(wǎng)絡(luò)分析 空間插值 數(shù)字高程模型（地形分析、流域分析） 空間建模與空間決策支持系統(tǒng),面向應(yīng)用的分析,簡單的空間分析,復(fù)雜的空間分析,空間查詢的定義,什么是空間查詢？ 空間查詢是空間分析基礎(chǔ)，任何空間分析都開始于空間查詢。 回答用戶的簡單問題 不改變空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù) 不產(chǎn)生新的空間實(shí)體和數(shù)據(jù) 空間查詢技術(shù)由簡單到復(fù)雜 查詢和推理。,空間查詢分析,空間數(shù)據(jù)庫,查詢條件,屬性限制,空間拓?fù)湎拗?二者結(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,1、空間查詢方式？ 2、查詢結(jié)果顯

5、示？,空間查詢方式,圖形查詢：實(shí)體之間的空間關(guān)系查詢，實(shí)體的屬性信息查詢等。 屬性查詢：基于實(shí)體的屬性信息進(jìn)行查詢，與一般的數(shù)據(jù)庫查詢相同，只不過最后查詢的結(jié)果需要再與圖形關(guān)聯(lián)起來。 圖形屬性互查：將空間關(guān)系和屬性結(jié)合起來進(jìn)行查詢，并將最后結(jié)果以圖形和屬性兩種方式顯示出來。如：查詢京九線沿線人口大于100萬的城市及各種屬性信息。 地址匹配：根據(jù)一個(gè)地理名字（如學(xué)校名字）來定位相關(guān)實(shí)體并獲得其屬性信息。其基礎(chǔ)是地理編碼，即將一個(gè)地理名字與一個(gè)或若干個(gè)空間實(shí)體關(guān)聯(lián)起來、或者與實(shí)體的某個(gè)屬性關(guān)聯(lián)起來、或者與某個(gè)地理坐標(biāo)關(guān)聯(lián)起來。,空間查詢顯示,空間量算分析,幾何量算 點(diǎn)：坐標(biāo) 線：長度、曲率、方向

6、面：面積、周長、形狀、曲率等 體：體積、表面積 形狀量算 質(zhì)心量算：面或離散實(shí)體的分布中心 距離量算：實(shí)體之間的各種距離計(jì)算（大地測量距離、曼哈頓距離、時(shí)間距離等）。,r1為膨脹面,幾何量算,含義： 點(diǎn)：0維，坐標(biāo)。 線：1維，長度、曲率、方向。 面：2維，面積、周長等。 體：3維，表面積、體積等。 線長度計(jì)算 矢量：兩點(diǎn)之間的直線距離，復(fù)合線段累加求和。 柵格：網(wǎng)格數(shù)目累加。 面積計(jì)算 矢量：幾何交叉求積（坐標(biāo)法）。 柵格：相同屬性值的格網(wǎng)數(shù)目與格網(wǎng)面積的乘積。,形狀量算,基本考慮：空間完整性、多邊形形狀特征,質(zhì)心量算,定義：目標(biāo)的半徑位置或保持均勻的平衡點(diǎn)，一般為多邊形的幾何中心或質(zhì)心。

7、計(jì)算公式： i為離散目標(biāo)，w為權(quán)重，x，y為目標(biāo)坐標(biāo) 應(yīng)用 跟蹤某些地理分布的變化，如人口變遷、土地類型變化等。 簡化復(fù)雜目標(biāo)的模型建立等。,距離量算1,含義： 距離描述了空間對象之間的接近程度。 地理空間上的距離所描述的對象一定發(fā)生在地理空間上。 距離的定義與度量空間和空間勻質(zhì)性是相關(guān)的，不同的度量空間和介質(zhì)空間，距離定義不同。 不同的距離有不同的特性，距離的定義是由應(yīng)用決定的，可根據(jù)需要重新定義距離。 在非勻質(zhì)空間，距離定義不僅僅是表達(dá)式上的變化，而且還具有研究區(qū)域上的變化，這時(shí)的距離計(jì)算一般在多邊形范圍內(nèi)按一定算法進(jìn)行。,距離量算2,n 維勻質(zhì)空間廣義距離公式,距離計(jì)算公式,n 維非勻質(zhì)

8、空間距離計(jì)算,q=2，二維歐氏距離,q=1，曼哈頓距離,q=0.6,非毆氏距離,基于矢量和柵格數(shù)據(jù)的空間分析總概述,基于矢量數(shù)據(jù)的空間分析,疊加分析,定義、類型,點(diǎn)、線、面分別和多邊形疊置的原理,疊加運(yùn)算（and，or）,局部運(yùn)算,基于柵格數(shù)據(jù)的空間分析,緩沖區(qū)分析,定義、類型,三要素,基于柵格數(shù)據(jù)的空間分析,鄰域運(yùn)算,基于矢量數(shù)據(jù)的空間分析,網(wǎng)絡(luò)分析,最短路徑分析原理,基于矢量數(shù)據(jù)的空間分析,基于柵格數(shù)據(jù)的空間分析,自然距離量測運(yùn)算,模式分析,基于矢量數(shù)據(jù)的空間分析,莫蘭指數(shù)、G統(tǒng)計(jì)量,緩沖區(qū)分析,基于矢量數(shù)據(jù)建立緩沖區(qū),點(diǎn)的緩沖區(qū),面的緩沖,線的緩沖區(qū),1、線的重采樣，對線進(jìn)行化簡，以加快

9、緩沖區(qū)建立的速度。-線的矢量數(shù)據(jù)壓縮算法。 2、建立線緩沖區(qū)，在線的兩邊按一定的距離（緩沖距）繪平行線，并在線的端點(diǎn)處繪半圓，連成緩沖區(qū)多邊形。 3、重疊處理：對緩沖區(qū)邊界求交，并判斷每個(gè)交點(diǎn)是出點(diǎn)還是入點(diǎn)，以決定交點(diǎn)之間的線段保留或刪除。這樣就可得到島狀的緩沖區(qū)。,以線狀地物為例：,緩沖區(qū)的示意圖,疊加分析,多邊形的疊加,從幾何運(yùn)算上看，兩個(gè)多邊形通過不同的疊加運(yùn)算可以得到不同的結(jié)果：,疊加的實(shí)施步驟,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）對新層中的多邊形重建拓?fù)洹?d）刪除多余多邊形（或處理意義多邊形）提取感興趣的部分。,難點(diǎn)：

10、 a）疊置后會產(chǎn)生大量對用戶無關(guān)的多邊形，在用戶做提取前仍需建拓?fù)?，工作量大。且新層的多邊形?shù)目不僅與原多邊形數(shù)目有關(guān)，還與其復(fù)雜程度有關(guān)，越復(fù)雜，多邊形數(shù)目越多。 b）由于疊置的多邊形往往是不同類型或不同比例尺的地圖，在疊置時(shí)就會產(chǎn)生一系列無意義的多邊形，即產(chǎn)生多邊形疊置的位置誤差，需要進(jìn)行處理。 c）建新多邊形拓?fù)浜投噙呅闻c新屬性的連接，工作量大。,矢量圖層疊加分析,網(wǎng)絡(luò)分析,路徑分析,靜態(tài)最佳路徑：給定每條鏈上的屬性后，求兩點(diǎn)間的最佳路徑。 動(dòng)態(tài)最佳路徑：網(wǎng)絡(luò)中每條鏈上的屬性是動(dòng)態(tài)變化的，而且可能出現(xiàn)一些障礙點(diǎn)，需要?jiǎng)討B(tài)求最佳路徑。 N條最佳路徑：求出代價(jià)較小的N條路徑，以供選擇。 最短

11、路徑：確定起點(diǎn)、終點(diǎn)以及所要經(jīng)過的中間點(diǎn)、中間線，求最短路徑。 動(dòng)態(tài)分段：將網(wǎng)絡(luò)中的鏈根據(jù)其屬性將特征相近的連線分段。分段是動(dòng)態(tài)進(jìn)行的，因?yàn)樗c當(dāng)前連線的屬性相對應(yīng)，如果屬性改變了，動(dòng)態(tài)分段將創(chuàng)建一組新的分段。如按公里數(shù)將一條道路分段。,地址分配與資源分配,地址匹配 將路徑分析和地理編碼結(jié)合起來使用，如物流配送，需要將貨物送到多家單位。此時(shí)可先通過地理編碼進(jìn)行地址查詢，獲得各單位的地理位置，再利用最短路徑方法確定最短送貨線路。 資源分配 資源分配模型中的網(wǎng)絡(luò)主要由中心點(diǎn)（分配中心）組成，有兩種分配方式：一是由分配中心向四周輸出資源；另一種是從四周向分配中心集中資源。資源分配的應(yīng)用包括消防站點(diǎn)的

12、分布和求援區(qū)劃分、學(xué)校/工廠選址、停水/停電對區(qū)域的社會和經(jīng)濟(jì)的影響等。,柵格圖層疊加分析,空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,多數(shù)據(jù)空間統(tǒng)計(jì)分類分析,主成分分析,空間聚類分析,層次分析,判別分析,作用、目的,可視統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),散點(diǎn)圖,折線圖,扇形圖,柱狀圖,直方圖,能被用戶直觀地觀察和理解數(shù)據(jù)。 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。,屬性數(shù)據(jù)的集中特征數(shù),3、數(shù)學(xué)期望：反映數(shù)據(jù)分布的集中趨勢。 4、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。 5、眾數(shù)：眾數(shù)是具有最大可能出現(xiàn)的數(shù)值。,1、頻數(shù)和頻率,將變量xi（i1,2,，n）按大小順序排列，并按一定的間距分組。

13、頻數(shù)：變量在各組出現(xiàn)或發(fā)生的次數(shù)； 頻率：各組頻數(shù)與總頻數(shù)之比； 用以表示事件出現(xiàn)的次數(shù)和頻率，事件的分布狀況。,2、平均數(shù)：反映了數(shù)據(jù)取值的集中位置，通常有簡單算術(shù)平均數(shù)和加權(quán)算術(shù)平均數(shù)。,屬性數(shù)據(jù)的離散特征數(shù),3、 方差與標(biāo)準(zhǔn)差 1） 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； 2） 標(biāo)準(zhǔn)差：標(biāo)準(zhǔn)差是方差的平方根；,1、 極差：是一組數(shù)據(jù)中最大值與最小值之差；,2、 離差，平均離差與離差平方：,1）離差：一組數(shù)據(jù)中的各數(shù)據(jù)值與平均數(shù)之差；,2）平均離差：將離差取絕對值，然后求和，再取平均數(shù)；,3）離差平方：離差求平方和；,平均離差和離差平方和是表示各數(shù)值相對于平均數(shù)

14、的離散程度的重要統(tǒng)計(jì)量。,4、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。 為標(biāo)準(zhǔn)差除以平均數(shù)取百分。,空間插值,定義,方法,全局,局部,趨勢面（思想，定義）,IDW （思想，定義）,樣條函數(shù)（思想，定義）,克里金插值（思想，定義）,泰森多邊形,地形分析,地形分析,DTM/DEM（數(shù)據(jù)源）表示模型(GRID/TIN/等高線模型）,坡度坡向分析,可視域分析,水文分析,地形制圖,等高線,地圖陰影圖,剖面圖、立體圖,地理信息系統(tǒng)空間建模,GIS的建模,建模的目的思路,類型,二值模型(步驟、示意圖),指數(shù)模型(步驟、示意圖),回歸模型,過程模型,空間分析模型,GIS常用的分

15、析模型,1) 相關(guān)分析模型-用來分析研究各種地理要素?cái)?shù)據(jù)之間相互關(guān)系的一種有效手段。 2) 趨勢面分析模型-用來將現(xiàn)象的空間分布特征及其區(qū)域變化趨勢模擬出來。 3) 預(yù)測模型-反映地理要素的動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律，并用于預(yù)測分析。-常用回歸模型。 4）聚類模型描述各種地理要素?cái)?shù)據(jù)之間的近似程度，相似的可合并。,空間分析、GIS和空間模型,空間分析和空間模型是不同層次上的概念 空間分析是基本的，解決一般問題的理論和方法，空間模型是復(fù)雜的，解決專門問題的理論和方法。 例：工廠選址與水庫選址，水土流失 應(yīng)用模型無可枚舉，而空間分析技術(shù)是有限的。 應(yīng)用模型建立過程比較復(fù)雜，有些還不能用數(shù)學(xué)方法描述，空間分析技術(shù)

16、為解決復(fù)雜的應(yīng)用模型提供基本的分析工具。 GIS是空間數(shù)據(jù)處理理論和方法的集成化實(shí)現(xiàn)。包含了大部分的空間分析技術(shù)，是GIS的技術(shù)特色。 空間分析和空間模型是零件和機(jī)器的關(guān)系。,GIS空間分析模型1,地理信息系統(tǒng)不僅要完成管理大量復(fù)雜的地理數(shù)據(jù)的任務(wù)，更為重要的是要完成地理分析、評價(jià)、預(yù)測和輔助決策的任務(wù)，必須發(fā)展廣泛的適用于地理信息系統(tǒng)的地理分析模型，這是地理信息系統(tǒng)走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵。 模型：所謂模型，就是將系統(tǒng)的各個(gè)要素，通過適當(dāng)?shù)暮Y選，用一定的表現(xiàn)規(guī)則描寫出來的簡明的映象。通常表達(dá)了某個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展過程或發(fā)展結(jié)果。 地學(xué)模型：是用來描述地理系統(tǒng)各個(gè)要素之問相互關(guān)系和客觀規(guī)律的，它用信息的、語言

17、的、數(shù)學(xué)的或其它表達(dá)形式，通常反映地學(xué)過程及其發(fā)展趨勢或結(jié)果。是在對系統(tǒng)所描述的具體對象與過程，進(jìn)行大量專業(yè)研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)出來的客觀規(guī)律的抽象或模擬。地學(xué)模型也稱為專題分析模型。,GIS空間分析模型2,數(shù)學(xué)模型 ：是應(yīng)用數(shù)學(xué)的語言和工具，對部分現(xiàn)實(shí)世界的信息(現(xiàn)象、數(shù)據(jù))加以翻譯、歸納的產(chǎn)物。數(shù)學(xué)模型經(jīng)過演繹、推導(dǎo)，給出數(shù)學(xué)上的分析、預(yù)報(bào)、決策或控制，再經(jīng)過解釋回到現(xiàn)實(shí)世界，完成實(shí)踐理論實(shí)踐這一循環(huán)。,模型的作用和特點(diǎn),應(yīng)用模型是聯(lián)系GIS應(yīng)用系統(tǒng)與常規(guī)專業(yè)研究的紐帶 應(yīng)用模型是綜合利用GIS應(yīng)用系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)的工具 應(yīng)用模型是GIS應(yīng)用系統(tǒng)解決各種實(shí)際問題的武器 應(yīng)用模型是GIS應(yīng)用系統(tǒng)

18、向更高技術(shù)水平發(fā)展的基礎(chǔ),空間分析信息的一般過程,實(shí)例,例1：道路拓寬改建過程中的拆遷指標(biāo)計(jì)算,1）明確分析的目的和標(biāo)準(zhǔn) 目的：計(jì)算由于道路拓寬而需拆遷的建筑物的面積和房產(chǎn)價(jià)值； 道路拓寬改建的標(biāo)準(zhǔn)是： a)道路從原有的20m拓寬至60m； b)拓寬道路應(yīng)盡量保持直線； c)部分位于拆遷區(qū)內(nèi)的10層以上的建筑不拆除。 2）準(zhǔn)備進(jìn)行分析的數(shù)據(jù) 涉及兩類信息：一類是現(xiàn)狀道路圖；另一類是分析區(qū)域內(nèi)建筑物分布圖及相關(guān)的信息； 3）進(jìn)行空間操作 a) 選擇擬拓寬的道路，根據(jù)拓寬半徑，建立道路的緩沖區(qū)。 b) 將此緩沖區(qū)與建筑物層數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)浏B加，產(chǎn)生一幅新圖，此圖包括所有部分或全部位于緩沖區(qū)內(nèi)的建筑物信息。 4）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析 a) 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，將其從選擇組中去除，并對道路的拓寬邊界進(jìn)行局部調(diào)整。 b) 對所有需拆遷的建筑物進(jìn)行拆遷指標(biāo)計(jì)算。 5）將分析結(jié)果以地圖或表格的形式打印輸出。,實(shí)例,例2：輔助建筑項(xiàng)目選址,1）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(gè)輕度污染工廠