第5章空間分析的原理與方法Chapter5principleandmethodsofspatialanalyses

空間分析是GIS中最核心、最重要的概念之一。但人們對空間分析的具體理解有不同。有人認(rèn)為空間分析則指GIS中一切用以提取地理空間信息乃至?xí)r空分布、組合、聯(lián)系和發(fā)展的知識(shí)的、涉及空間位置要素和空間關(guān)系的分析。有人把空間分析方法認(rèn)為包括一般方法（空間查詢和檢索、空間量算、空間差值、疊加分析、緩沖分析、網(wǎng)絡(luò)分析、數(shù)字高程分析等）和空間統(tǒng)計(jì)方法（屬性數(shù)據(jù)的一般統(tǒng)計(jì)方法、空間統(tǒng)計(jì)方法、景觀格局分析等）有人提出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、空間演變等信息。有人提出空間分析可以獲取新的信息，尤其是綜合信息，能回答用戶所提出的問題。即：包括①產(chǎn)生式分析（數(shù)字地面模型分析、空間疊加分析、緩沖區(qū)分析、空間網(wǎng)絡(luò)分析、空間統(tǒng)計(jì)分析等）；②咨詢式分析（空間集合分析、空間數(shù)據(jù)查詢等）產(chǎn)生式分析數(shù)字地面模型分析空間疊加分析緩沖區(qū)分析空間網(wǎng)絡(luò)分析空間統(tǒng)計(jì)分析咨詢式分析空間集合分析空間數(shù)據(jù)查詢空間信息分析的基本方法一、空間信息量算二、空間信息分類、統(tǒng)計(jì)數(shù)字化分層只是一種最基本的分類查詢、選擇、分區(qū)是常用的分類方法三、地理空間分析：空間疊置、緩沖區(qū)分析及網(wǎng)絡(luò)分析四、模型分析1.長度量算P1P2P3P42.面積量算c1235XYx2x3x4y1y2y5adey4y34X1X5b3.體積量算等高線法方格法二、空間信息分類、統(tǒng)計(jì)1.一般選擇（圖形選擇）（1）作用：圖形編輯查看記錄另建Table（2）方法：使用選擇工具單選半徑選擇矩形框選擇邊界選擇2.查詢選擇Selection查詢選擇可以通過查詢一張表，根據(jù)記錄或?qū)ο蟮膶傩赃x出滿足某種條件的對象或記錄。查詢結(jié)果將被命名為Selection工作表，并在地圖窗口中突出顯示。Selection工作表與普通Table一樣可進(jìn)行各種操作，但它是臨時(shí)表，若要永久保存需起名另存。3.SQL（StandardQueryLanguage）選擇SQL----StructuredQueryLanguage

結(jié)構(gòu)化查詢語言20世紀(jì)70年代，IBM公司

SEQL----StructuredEnglishQueryLanguage1981年，IBM公司

SQL----StructuredQueryLanguage1986年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局

SQL----StandardQueryLanguage國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO(InternationalStandardizationOrganization,InternationalOrganizationforStandardization)Selection命令生成的查詢表中的記錄只能包含基礎(chǔ)表的信息。SQL選擇創(chuàng)建的查詢表可以派生出基礎(chǔ)表以外的信息。

派生列創(chuàng)建列的別名聚合數(shù)據(jù)(groupby)

排序(orderby)

連接不同的表4.重新分區(qū)重新分區(qū)是將地圖對象分組的處理。例如：當(dāng)把地圖對象分組時(shí)，MapInfo自動(dòng)為每組對象計(jì)算總計(jì)值，并在一個(gè)特殊的瀏覽窗口中顯示總計(jì)值。ArcView也能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。重新分區(qū)并不是創(chuàng)建新的地圖對象或永久改變地圖對象的樣式，它只是一個(gè)動(dòng)態(tài)的分組工具。重新分區(qū)有著廣泛的用途：劃分選區(qū)、就近入學(xué)區(qū)、特殊服務(wù)（110、119、120）覆蓋區(qū)例子MapInfo重新分區(qū)方法新建重新分區(qū)窗口添加分區(qū)字段設(shè)置目標(biāo)分區(qū)分配選中對象ArcView重新分區(qū)方法三、地理空間分析

（一）緩沖區(qū)分析1.概念：根據(jù)地理對象點(diǎn)、線、面的空間特性，自動(dòng)建立對象周圍一定距離的區(qū)域范圍（緩沖區(qū)域），以分析該對象對緩沖區(qū)內(nèi)鄰近對象的影響程度。2.類型：緩沖區(qū)分為：點(diǎn)緩沖區(qū)、線緩沖區(qū)、面緩沖區(qū)3.應(yīng)用：分析某地理要素（主體）對鄰近對象的影響程度、影響范圍4.分析模型泰森多變形，又稱Voronoi圖：環(huán)繞每個(gè)點(diǎn)的多邊形區(qū)域，以及闡明它對土層中其它點(diǎn)影響區(qū)域。5.例子GIS軟件（如ArcView、MapInfo中緩沖區(qū)的創(chuàng)建）（二）、空間疊置分析概念：在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下將同一區(qū)域的兩個(gè)圖層進(jìn)行疊合，產(chǎn)生新的空間圖形和屬性。以提取具有多重指定屬性特征的區(qū)域，或者根據(jù)區(qū)域的多重屬性進(jìn)行分級(jí)、分類。典型應(yīng)用－－土地適宜性分析ACB3241A1C2B3A2C4B4B1C1A1C2B3A2C4B4B1C12.類型：根據(jù)要素的空間類型分為點(diǎn)、面疊合線、面疊合面、面疊合3.例子：（1）MapInfo中的疊合（2)ArcView中的疊加MapInfo中的疊合

(1)對象分割方法：a.使對象所在圖層可編輯。b.選中分割對象，對象菜單下將對象設(shè)置為目標(biāo)。c.創(chuàng)建并選擇分割對象（或使用同一圖層或另一圖層的對象）。分割對象必須封閉。d.選擇“對象”＞“分割”。e.在“數(shù)據(jù)分解”對話框中，將字段函數(shù)設(shè)置為“空白”、“值”或“面積比例”。f.單擊“確定”。(2）對象的合并a.任意合并：合并對象必須在同一可編輯層中b.用列合并對象：該圖層可編輯c.目標(biāo)合并：合并對象不一定在同一圖層，但目標(biāo)對象所在圖層必須可編輯數(shù)據(jù)聚合方法：無變化、總和（數(shù)值型字段默認(rèn)）、值（其它型字段默認(rèn)）、均值、加權(quán)合并結(jié)果：①刪除合并前的對象及其記錄，生成新的對象；②（保留原有對象），生成新的對象；③保留目標(biāo)對象，刪除同一圖層中的合并對象及其記錄。3.對象擦除根據(jù)欲擦除的目標(biāo)對象與作為擦除工具的對象兩者的疊置情況(1)擦除內(nèi)部：疊置部分(2)擦除外部：非疊置部分ARCVIEW中的疊加面與面疊加例子：landuse.shp（土地利用圖層）和soil.shp（土壤圖層）疊加分析操作：（三）、網(wǎng)絡(luò)分析1.網(wǎng)絡(luò)的概念：指一系列相互聯(lián)結(jié)的線狀要素的集合，其通常具有一定的流通功能。如：交通網(wǎng)——車流、人流 管網(wǎng)——水流、煤氣流、熱流 電網(wǎng)——電流 因特網(wǎng)Internet——信息流2.網(wǎng)絡(luò)圖論的基本概念（P172）3.網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分

鏈（Link）：供物體運(yùn)移的通道節(jié)/結(jié)點(diǎn)（Node）:網(wǎng)絡(luò)中鏈的端點(diǎn)或任意兩條鏈的交點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)中又有下面幾種特殊的類型。中心（Center）

：接受或分配資源的位置，有源、匯之分站點(diǎn)（Stop）：資源中轉(zhuǎn)站

障礙（Barrier）：資源不能通過的節(jié)點(diǎn)拐點(diǎn)（Turn）：資源流向發(fā)生改變處，出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)鏈中的分割結(jié)點(diǎn)上網(wǎng)絡(luò)的主要屬性：阻強(qiáng)、資源需求量、資源容量4.應(yīng)用：選擇最優(yōu)路徑、資源調(diào)配、地址匹配（1）路徑分析：求最優(yōu)路徑最優(yōu)狀態(tài)：靜態(tài)、動(dòng)態(tài)；最優(yōu)目標(biāo)：距離最短路徑、時(shí)間最短路徑、耗費(fèi)最低路徑；最優(yōu)數(shù)量：1條、N條計(jì)算最短路徑的Dijkstra算法帶權(quán)的有向圖和鄰接矩陣（2）資源分配負(fù)荷設(shè)計(jì)時(shí)間和距離估算（3）地址匹配5.例子四、建模（型）分析（一）關(guān)于模型建立模型的基礎(chǔ)在于模型本身與被建對象之間存在著某種相似性。形狀相似結(jié)構(gòu)相似行為相似如果兩個(gè)對象之間建立了某種相似，那么它們之間就存在著原型——模型關(guān)系。（二）模型的種類實(shí)物模型：地形模型、建筑物模型圖象模型：地圖、建筑結(jié)構(gòu)圖、工藝流程圖、網(wǎng)絡(luò)圖數(shù)學(xué)模型：函數(shù)關(guān)系應(yīng)用模型（三）4D產(chǎn)品和DEM4D產(chǎn)品：

DLG、DRG、DEM、DOMDLG：

DigitalLineGraphic數(shù)字線劃圖DRG：

DigitalRasterGraphic數(shù)字柵格圖DEM：

DigitalElevationModel數(shù)字高程模型DOM：

DigitalOrthophotoMap數(shù)字正射影像圖DEM是國家基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品之一數(shù)字高程模型的含義DigitalElevationModel(DEM)DigitalTerrainModel(DTM)它是地球表面地形地貌離散數(shù)字的一種數(shù)學(xué)表達(dá)。DEM是DTM的一個(gè)子集。Vi=(Xi,Yi,Zi)(i=1,2,3,…,n)（四）DEM和DTM2.DEM的數(shù)據(jù)模型等高線模型正方形格網(wǎng)模型（Grid）不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN）75605070Delaunay三角網(wǎng)Delaunay三角網(wǎng)與Voronoi圖Delaunay三角網(wǎng)與Voronoi圖是互偶的Delaunay三角網(wǎng)有以下特性：Delaunay三角網(wǎng)的唯一性；沒有任何點(diǎn)在三角形的外接圓內(nèi)部，反之，如果一個(gè)三角網(wǎng)滿足此條件，那么它就是Delaunay三角網(wǎng)；Delaunay三角網(wǎng)中的三角形最接近于等邊三角形（四）數(shù)字地面模型分析1.DTM是定義于二維區(qū)域上的一個(gè)有限項(xiàng)的向量序列,它以離散分布的平面點(diǎn)來模擬連續(xù)分布的地形.按平面上等間距規(guī)則采樣,或內(nèi)插所建立的數(shù)字地面模型,稱為基于柵格的數(shù)字地面模型。2.DTM應(yīng)用各種地學(xué)分析工程設(shè)計(jì)輔助決策……3.構(gòu)建DEM的主要技術(shù)手段地面測量數(shù)字?jǐn)z影測量基于數(shù)字線劃圖的內(nèi)插激光、雷達(dá)4.國家DEM庫的建設(shè)目前我國已建成了全國1:25萬DEM庫（在建全國1:5萬DEM）七大江河流域重點(diǎn)防范區(qū)的1:1萬DEM庫：長江、黃河、珠江、淮河、海河、遼河、松花江5.DEM的應(yīng)用可以較好地將地表三維可視化；能夠方便地計(jì)算坡度、坡向等各種地形因子；求算體積、表面積；派生等高線、坡度圖、斷面圖；與其他專題信息進(jìn)行疊置分析；規(guī)劃中的項(xiàng)目選址（道路、水庫）、開發(fā)建設(shè)中土方量計(jì)算、通視性的判斷......在防洪減災(zāi)方面，DEM是進(jìn)行水文分析不可或缺的基礎(chǔ)：匯水區(qū)分析、水系網(wǎng)絡(luò)分析、淹沒分析…………6.例子地形因子的自動(dòng)提取原理：根據(jù)空間矢量的分析原理，建立數(shù)字高程模型每一格網(wǎng)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)矢量。（P142－143）坡度和坡向計(jì)算坡度和坡向的圖示坡度和坡向的計(jì)算方法（P143-144）坡度和坡向的分級(jí)表示例子其它計(jì)算分析曲面面積計(jì)算、高程及變異分析、谷脊特征分析、日照強(qiáng)度分析、淹沒邊界的計(jì)算等abn（i，j）XYZO坡度a和坡向b的表示閩西根溪河流域三維示意圖長江口三維地形地表形態(tài)的自動(dòng)分類分類指標(biāo)確定或擬定地形分類決策表編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分類或利用程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)提取地形信息的過程例子DEM計(jì)算地面形態(tài)要素如：高度、絕對高度、相對高度、坡度、坡向等地形自動(dòng)分類擬定地形分類決策表地形剖面的繪制和分析研究地學(xué)剖面，常?？梢砸跃€代面，概括研究區(qū)域的地勢、地質(zhì)和水文特征，包括區(qū)域內(nèi)的地貌形態(tài)、輪廓形狀、絕對與相對高度、地質(zhì)構(gòu)造、斜坡特征、地表切割強(qiáng)度和侵蝕因素等等。綜合剖面分析利用疊加方法可實(shí)現(xiàn)剖面圖的制作和表示（二）、地圖模型地圖是客觀世界的模型1、基礎(chǔ)地圖的編制（1)統(tǒng)計(jì)圖的制作（2)專題地圖的制作2.統(tǒng)計(jì)圖的制作新建統(tǒng)計(jì)圖窗口，并選擇數(shù)據(jù)項(xiàng)及標(biāo)注選擇統(tǒng)計(jì)圖類型更改標(biāo)注軸及數(shù)值軸自定義統(tǒng)計(jì)圖的點(diǎn)、線、面式樣保存統(tǒng)計(jì)圖3..專題地圖的制作選擇專題地圖類型選擇欲在圖中表現(xiàn)的數(shù)據(jù)項(xiàng)①從本表中某字段獲取數(shù)據(jù)②從其它相關(guān)的表中獲取數(shù)據(jù)③從本表或相關(guān)表中獲取派生數(shù)據(jù)修改、編輯專題圖保存專題地圖專題地圖類型（表示法）色級(jí)（分級(jí)）統(tǒng)計(jì)圖法分區(qū)統(tǒng)計(jì)圖法定位符號(hào)法點(diǎn)值法質(zhì)量底色法格網(wǎng)GRID質(zhì)量底色法（獨(dú)立值圖）質(zhì)量底色法以不同的顏色或不同的暈線為底色填充各區(qū)域，從而顯示區(qū)域間的質(zhì)量差異。簡稱質(zhì)底法。色級(jí)統(tǒng)計(jì)圖法與質(zhì)底法都是通過填充底色來反映區(qū)域?qū)傩缘淖兓?。兩者本質(zhì)的區(qū)別在于前者反映的是量變，后者反映的是質(zhì)變。因此前者要求采用漸變色，而后者則應(yīng)采用適當(dāng)?shù)膶Ρ壬｜c(diǎn)值法（點(diǎn)密度）點(diǎn)值法是用形狀相同、大小相等的點(diǎn)的多少及其分布密度來反映區(qū)域內(nèi)某要素的數(shù)量特征及其分布的。一般方法：①確定點(diǎn)的形狀和大?、诖_定點(diǎn)值、點(diǎn)數(shù)③布點(diǎn)分區(qū)統(tǒng)計(jì)圖法、定位符號(hào)法分區(qū)統(tǒng)計(jì)圖法(直方圖、餅圖）：用統(tǒng)計(jì)符號(hào)表示區(qū)域內(nèi)一定的數(shù)量指標(biāo)，及其數(shù)量構(gòu)成，但符號(hào)不定位。定位符號(hào)法（等級(jí)符號(hào)）：通過符號(hào)的大小來表示點(diǎn)狀要素的數(shù)量特征及數(shù)量構(gòu)成，且符號(hào)是定位的。MapInfo中這兩種表示法的區(qū)別還不在于此，而在于前者可表示多項(xiàng)數(shù)據(jù)，后者只能表示單項(xiàng)數(shù)據(jù)。但前者符號(hào)是確定的，后者卻是可變的。色級(jí)（分級(jí)）統(tǒng)計(jì)圖法根據(jù)統(tǒng)計(jì)區(qū)域制圖要素?cái)?shù)量的變化，設(shè)計(jì)漸變色，并均勻涂