空间分析修学习.pptx
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1、地理信息系统空间分析5.1 概述 空间分析是GIS系统的重要功能之一,是GIS系统与计算机辅助绘图系统的主要区别。空间分析的对象是一系列跟空间位置有关的数据,这些数据包括空间坐标和专业属性两部分。其中空间坐标用于实体的空间位置和几何形态,专业属性则是实体某一方面的性质。第1页/共147页地理信息系统空间分析5.1 概述1 1 1 1、定义、定义、定义、定义空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术,其目的在于提取和传输空空间数据分析技术,其目的在于提取和传输空间信息。包括间信息。包括空间数据的分析空间数据的分析和和数据的空间分数据的空间分析
2、析。第2页/共147页地理信息系统空间分析q 空间数据分析描述空间对象的非空间特性F 方法:概率、数理统计等数学方法F 特点:5.1 概述 几何特征不是主要限制因子(例:聚类分析)数据处理与一般的数据统计分析基本一致。分析结果依托于地理空间,描述的是空间过程,揭示空间规律和机制。第3页/共147页地理信息系统空间分析5.1 概述F 方法:空间统计学、图论、拓扑学、计算几何等。F 特点:非严格意义的分析,是空间事物的描述和说明,特征提取和参数计算。回答是什么、在那里、有多少 和怎么样,并不回答为什么。描述空间对象的空间位置、关系,对空间对象进行定量描述r 数据空间分析第4页/共147页地理信息系
3、统空间分析F空间位置:借助于空间坐标系传递空间对象的定位信息,是空间对象表述的研究基础,即投影与转换理论。F空间分布:同类空间对象的群体定位信息,包括分布、趋势、对比等内容。F空间形态:空间对象的几何形态F空间距离:空间物体的接近程度F空间关系:空间对象的相关关系,包括拓扑、方位、相似、相关等。2 2、空间分析的内容、空间分析的内容5.1 概述第5页/共147页地理信息系统空间分析5.1 概述q空间分析和空间模型是不同层次上的概念q空间分析是基本的,解决一般问题的理论和方法,空间模型是复杂的,解决专门问题的理论和方法。例:工厂选址与水库选址,水土流失q应用模型无可枚举,而空间分析技术是有限的。
4、3 3、空间分析、空间分析、GISGIS和空间模型和空间模型第6页/共147页地理信息系统空间分析5.1 概述q应用模型建立过程比较复杂,有些还不能用数学方法描述,空间分析技术为解决复杂的应用模型提供基本的分析工具。qGIS是空间数据处理理论和方法的集成化实现。包含了大部分的空间分析技术,是GIS的技术特色。q空间分析和空间模型是零件和机器的关系3 3、空间分析、空间分析、GISGIS和空间模型和空间模型第7页/共147页地理信息系统空间分析5.2 空间查询与量算空间查询 图形与属性互查是最常用的查询,有两类,一类是按属性信息的要求来查询定位空间位置,称为由“属性查图形属性查图形属性查图形属性
5、查图形”;另一类是根据对象的空间位置查询相关的属性信息,称为由“图形图形图形图形查属性查属性查属性查属性”。第8页/共147页地理信息系统空间分析5.2 空间查询与量算空间查询1 1 1 1、几何参数查询、几何参数查询、几何参数查询、几何参数查询 可查询点的空间位置,线的长度,面的周长与面积。2 2 2 2、空间定位查询、空间定位查询、空间定位查询、空间定位查询 根据所给定的位置查找相应的空间对象及其属性。可按点、圆、矩形、及任意多边形查找。第9页/共147页地理信息系统空间分析5.2 空间查询与量算空间查询3 3 3 3、空间关系查询、空间关系查询、空间关系查询、空间关系查询 邻接查询、包含
6、查询、穿越查询、落入查询、缓冲区查询第10页/共147页地理信息系统空间分析 所谓所谓缓冲区缓冲区是指地理空间目标的一种影响范围或服务范围。即是指地理空间目标的一种影响范围或服务范围。即给定一个空间对象集合,确定它们的邻域,邻域的大小由邻域半径给定一个空间对象集合,确定它们的邻域,邻域的大小由邻域半径R R决定,具体可定义为决定,具体可定义为即对象即对象 的半径为的半径为R R的缓冲区为距的缓冲区为距 的距离的距离d d小于小于 R R的全部点的集合。的全部点的集合。5.2 空间查询与量算4 4 4 4、缓冲区查询、缓冲区查询、缓冲区查询、缓冲区查询 对于对于对象集合对象集合其半径为其半径为R
7、 R的缓冲区是各个对象缓冲区的并,即的缓冲区是各个对象缓冲区的并,即第11页/共147页地理信息系统空间分析缓冲区第12页/共147页地理信息系统空间分析对象集合的缓冲区第13页/共147页地理信息系统空间分析5、SQL查询5.2 空间查询与量算标准SQL查询语言是 Select Select 需要显示的属性项需要显示的属性项 From From 属性项属性项 Where Where 条件条件 or or 条件条件 and and 条件条件第14页/共147页第15页/共147页第16页/共147页地理信息系统空间分析扩展的扩展的SQL SQL 查询查询5.2 空间查询与量算 将将SQLSQL
8、的属性条件和空间关系的图形条件组合在一起的属性条件和空间关系的图形条件组合在一起形成扩展的形成扩展的SQLSQL查询语言。扩展的查询语言。扩展的SQLSQL查询语言目前还没查询语言目前还没有统一的标准,空间关系的谓词也没有规范化。通常用有统一的标准,空间关系的谓词也没有规范化。通常用“AjacentAjacentAjacentAjacent”表示表示“相邻相邻”;“ContainContainContainContain”表示表示“包含包含”;“CrossCrossCrossCross”表示表示“穿过穿过”;“InsideInsideInsideInside”表示表示“在在之内之内”;“Buf
9、ferBufferBufferBuffer”表示表示“缓冲区缓冲区”等。将这些空间关系与属性等。将这些空间关系与属性条件组合在一起,可进行复杂的空间查询。条件组合在一起,可进行复杂的空间查询。第17页/共147页地理信息系统空间分析扩展的扩展的SQL SQL 查询查询5.2 空间查询与量算例如:查询三峡地区长江流域人口大于例如:查询三峡地区长江流域人口大于50 50 万万的县或市,扩展的的县或市,扩展的SQLSQL查询语句为:查询语句为:Select *Select *From From 县或市县或市Where Where 县或市县或市.人口人口5050万万 And Cross And Cro
10、ss (河流(河流.名称名称=“长江长江”)第18页/共147页例:学生择校问题1、按直线距离最近给每个学生分配小学;2、按小学汇总该校分配到多少学生,计算学生上学的平均距离;3、小学能提供的座位数和分配到学生数进行比较。第19页/共147页地理信息系统空间分析6、地址匹配查询地理编码根据街道的地址来查询事务的空间位置或属性信息是地理信息系统特有的一种查询功能。这种查询利用地理编码,输入街道的门牌号,就可知大致的位置和所在的街区,它对空间分布的社会、经济调查和统计都很有帮助。只要在调查表中添加了地址,地理信息系统可以自动地从空间位置的角度来统计分析各种经济社会调查资料。5.1 空间查询与量算第
11、20页/共147页地理信息系统空间分析空间量算5.2 空间查询与量算 空间信息的自动化量算是地理信息系统所具有的重要功能,也是进行空间分析的定量化基础。包括 质心量算 几何量算 形状量算第21页/共147页地理信息系统空间分析质心量算0定义:定义:目标的半径位置或保目标的半径位置或保持均匀的平衡点,一般为多边持均匀的平衡点,一般为多边形的几何中心或重心。形的几何中心或重心。0计算公式:计算公式:5.2 空间查询与量算第22页/共147页地理信息系统空间分析或者:i为离散目标,w为权重,x,y为目标坐标0应用l跟踪某些地理分布的变化,如人口变迁、土地类型变化等。l简化复杂目标的模型建立等5.2
12、空间查询与量算第23页/共147页地理信息系统空间分析5.2 空间查询与量算几何量算几何量算对点、线、面、体4类目标物而言,其含义不同的:o点状目标:坐标;o线状目标:长度、曲率、方向;o面状目标:面积、周长等;o体状目标:表面积、体积等。第24页/共147页几何量算几何量算 n 维匀质空间广义距离公式j(xj,yj)i(xi,yi)ijij距离计算公式 n 维非匀质空间距离计算q=2,二维欧氏距离q=1,曼哈顿距离q=0.6,非欧氏距离地理信息系统空间分析第25页/共147页o线长度可由两点间直线距离相加得到。o面积和周长的计算。地理信息系统空间分析几何量算几何量算 第26页/共147页地理
13、信息系统空间分析 地物外形是影像处理中模式识别的一个重要部分。例如地物外形是影像处理中模式识别的一个重要部分。例如海岸线的外形是岛屿的重要特征,森林中不同类型的土海岸线的外形是岛屿的重要特征,森林中不同类型的土地外形对野生生物显得非常重要。目标物的外观是多变地外形对野生生物显得非常重要。目标物的外观是多变的,很难找到一个准确的量对其进行描述。的,很难找到一个准确的量对其进行描述。基本考虑:空间完整性、多边形形状特征基本考虑:空间完整性、多边形形状特征5.2 空间查询与量算形状量算第27页/共147页p 第一种量算方法欧拉数度量空间一致性最常用的指标是欧拉数,用来计算多边形的破碎程度和孔的数目。
14、欧拉函数的结果是一个数,称为欧拉数。欧拉数=(孔数)-(碎片数-1)欧拉数=4-(1-1)=4欧拉数=4-(2-1)=3欧拉数=5-(3-1)=3地理信息系统空间分析5.2 空间查询与量算第28页/共147页如果认为一个标准的圆目标既非紧凑型也非膨胀型,则如果认为一个标准的圆目标既非紧凑型也非膨胀型,则可定义其形状系数为:可定义其形状系数为:其中,其中,P P为目标物周长,为目标物周长,A A为目标物面积。为目标物面积。如果如果 r r1 1,目标物为紧凑型;,目标物为紧凑型;r r1 1,目标物为一标准圆;,目标物为一标准圆;r r1 1,目标物为膨胀型。,目标物为膨胀型。地理信息系统空间分
15、析5.2 空间查询与量算p 第二种量算方法:第29页/共147页地理信息系统空间分析圆r=1r1膨胀型r1紧缩型形状特征描述参数5.2 空间查询与量算第30页/共147页地理信息系统空间分析 为满足特定空间分析的需要,需对原始图层及其属性进行一系列的逻辑或代数运算,以产生新的具有特殊意义的地理图层及其属性,这一过程称之为空间变换。矢量数据结构:数据组织复杂,使得空间变换变得十分繁琐。栅格数据结构:简单易行。可分为:单点变换、邻域变换和区域变换。5.3 空间变换第31页/共147页地理信息系统空间分析5.3 空间变换单点变换:只考虑单个点的属性值进行运算。邻域变换:不仅考虑原始图层上相应图元本身
16、的 值,还需考虑与该图元由邻域关联的 其他图元值的影响。区域变换:计算新图层属性值时,要考虑整个区 域的属性值,即通过一个函数对某一 区域内的所有值进行综合,然后计算 新属性值。第32页/共147页地理信息系统空间分析11133311333311133311222512225522255533311 11 113311 11 11 1133311 11 113366627366627 2766627 27 27单点变换第33页/共147页地理信息系统空间分析邻域变换第34页/共147页地理信息系统空间分析33窗口55窗口77窗口按窗口形状分类:矩形窗口圆型窗口环型窗口扇型窗口 邻域变换、区域变
17、换按窗口统计分析分类:MeanMaximumMinimumMedianSumRangeMajorityMinorityVariety第35页/共147页地理信息系统空间分析5.4 再分类对原始数据进行再次分类或组织称为再分类。对原始数据进行再次分类或组织称为再分类。栅格:对属性值重新赋值栅格:对属性值重新赋值(聚合分析聚合分析、聚类分析聚类分析)矢量:矢量:点点:修改属性编码:修改属性编码 线线:修改属性编码:修改属性编码 面面:同时改变实体的几何形状和属性。去掉将要:同时改变实体的几何形状和属性。去掉将要合并的多边形之间的边界线,再把这两个多边形的属合并的多边形之间的边界线,再把这两个多边形
18、的属性值变为同一属性值。性值变为同一属性值。第36页/共147页地理信息系统空间分析根据空间分辨力和分类表,进行数据类型的合并或转换以实现空间地域的兼并。空间聚合的结果往往将较复杂的类别转换为较简单的类别,并且常以较小比例尺的图形输出。当从地点、地区到大区域的制图综合变换时常需要使用这种分析处理方法。1、2类合并为b,3、4类合并为a 2、3类合并为c,1、4类合并为d 聚合分析第37页/共147页聚类分析聚类分析 根据设定的聚类条件对原有数据系统进行有选择的信息提取而建立新的栅格数据系统的方法。在四种类型要素中提取其中要素在四种类型要素中提取其中要素2 2的聚类的聚类地理信息系统空间分析第3
19、8页/共147页5.4 再分类(矢量数据)地理信息系统空间分析第39页/共147页5.4 再分类(矢量数据)地理信息系统空间分析第40页/共147页应用实例应用实例食草动物栖息地质量评价食草动物栖息地质量评价影响食草动物生存的基本因子:影响食草动物生存的基本因子:水源水源 食物食物 隐藏条件隐藏条件 景观单元面积景观单元面积 连通性连通性 破碎程度破碎程度第41页/共147页水源地水源地植被类型植被类型植被类型植被类型景观单元景观单元景观单元景观单元景观单元景观单元饮水难易度饮水难易度觅食难易度觅食难易度隐藏难易度隐藏难易度面积面积凸度指数凸度指数欧拉数欧拉数再分类再分类景观各点景观各点栖息质
20、量栖息质量平均平均相对大小相对大小相对连通性相对连通性相对一致性相对一致性再分类再分类再分类再分类再分类再分类再分类再分类再分类再分类再分类再分类再分类再分类再分类再分类平均平均景景观观单单元元质质量量总总体体质质量量叠加叠加第42页/共147页5.5 缓冲区分析 缓冲区分析与缓冲区查询不同,缓冲区查询不对原有图形进行分割,它仅是依据多边形检索原理,检索出缓冲区多边形内的空间地物。缓冲区分析则是对一组或一类地物按缓冲的距离条件,建立缓冲区多边形地图,然后将这一图层与需要进行缓冲区分析的图层进行叠置分析,得到所需要的结果。地理信息系统空间分析第43页/共147页5.5 缓冲区分析讨论:讨论:计算
21、因道路拓宽而需拆迁的建筑物的建筑面积和房产价值。拓宽改建的标准是:l 道路从原有的20m拓宽至60m;l 拓宽道路应尽量保持直线;l 部分位于拆迁区内的10 层以上的建筑不拆除。地理信息系统空间分析第44页/共147页第45页/共147页实例分析1、准备进行分析的数据 现状道路图;分析区域内建筑物分布图及相关信息。2、进行空间操作v 选择拟拓宽的道路,根据拓宽半径,建立道路的缓冲 区;v 将缓冲区与建筑物曾数据进行叠加,产生一幅新图;地理信息系统空间分析第46页/共147页实例分析3 3、进行统计分析、进行统计分析v 对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择,凡部对全部或部分位于拆迁区内的建筑
22、物进行选择,凡部分落入拆迁区内且楼层高于分落入拆迁区内且楼层高于1010层以上的建筑物,将其从选层以上的建筑物,将其从选择组中去掉,并对道路的拓宽边界进行局部调整。择组中去掉,并对道路的拓宽边界进行局部调整。v 对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。v 将分析结果打印输出。将分析结果打印输出。地理信息系统空间分析第47页/共147页5.6 叠加分析 叠加分析是将有关主题层组成的数据层面,进行叠叠加分析是将有关主题层组成的数据层面,进行叠加产生一个新数据层面的操作,其结果综合了原来两加产生一个新数据层面的操作,其结果综合了原来两层或多层要素所具有的属性。属性
23、分析不仅包含空间层或多层要素所具有的属性。属性分析不仅包含空间关系的比较,而且还包含属性关系的比较,它不像空关系的比较,而且还包含属性关系的比较,它不像空间目标的查询,需要将空间目标切割,必要时还得重间目标的查询,需要将空间目标切割,必要时还得重建拓扑关系。建拓扑关系。地理信息系统空间分析第48页/共147页矢量数据的叠置分析矢量数据的叠置分析 多边形叠置分析也称为Polygon-on-polygon 叠置,它是指同一地区、同一比例尺的两组或两组以上的多边形要素的数据文件进行叠置。参加叠置分析的两个图层应都是矢量数据结构。若需进行多层叠置,也是两两叠置后再与第三层叠置,依次类推。其中被叠置的多
24、边形为本底多边形,用来叠置的多边形为上覆多边形,叠置后产生具有多重属性的新多边形。点与多边形的叠加点与多边形的叠加 线与多边形的叠加线与多边形的叠加 多边形与多边形的叠加多边形与多边形的叠加地理信息系统空间分析第49页/共147页水质检测井水质检测井水资源四级水资源四级分区图分区图+ABCDID名称水质ID省市面积等级ABCDID名称水质省市面积等级点与多边形的叠加点与多边形的叠加叠加第50页/共147页河流线与多边形的叠加线与多边形的叠加ABCD行政区划+ABCDID名称长度ID省、市面积ID名称长度省、市叠加第51页/共147页第52页/共147页矢量数据的多边形叠置分析 合成叠置 统计叠
25、置 准确地计算一种要素准确地计算一种要素在另一种要素的某个在另一种要素的某个区域多边形范围内的区域多边形范围内的分布状况和数量特征,分布状况和数量特征,或提取某个区域范围或提取某个区域范围内某种专题内容的数内某种专题内容的数据。据。合成叠置通过区域多种属性的模拟,寻通过区域多种属性的模拟,寻找和确定同时具有几种地理属找和确定同时具有几种地理属性的分布区域。或按照确定的性的分布区域。或按照确定的地理目标,对叠置后产生的具地理目标,对叠置后产生的具有不同属性的多边形进行重新有不同属性的多边形进行重新分类分级,因此叠置的结果为分类分级,因此叠置的结果为新的多边形数据文件。新的多边形数据文件。统计叠置
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