空间分析的原理与方法ppt课件.ppt
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1、2019年3月30日11时58分,1,第五章 空间分析的 原理与方法,2,2019年3月30日11时58分,第五章 空间分析的原理和方法,数字地面模型分析 空间叠合分析 空间邻近度分析 空间网络分析,3,2019年3月30日11时58分,1854年8月到9月英国伦敦霍乱流行时,当局始终找不到发病的原因,后来医生约翰斯诺(John Snow)说:“我们画一张图吧”。 他在绘有霍乱流行地区所有道路、房屋、饮用水机井等内容的1:6500比例尺地图上,标出了每个霍乱病死者的住家位置,得到了霍乱病死者居住分布图。,4,2019年3月30日11时58分,斯诺博士分析了这张分布图,马上明白了霍乱病源之所在死
2、者住家都集中于饮用“布洛多斯托”井水的地方及周围。,5,2019年3月30日11时58分,根据斯诺博士的分析和请示,当局于9月8日摘下了这个水井的泵,禁止使用该水泵吸水,从这天以后,新的霍乱病患者就再也没有出现了。 在这个例子中,患者的居住地与饮用水井之间的空间位置关系提示了霍乱病的发病根源。 因此空间分析是基于事物的空间特性的分析。,6,2019年3月30日11时58分,空间分析源于60年代地理和区域科学的计量革命,在开始阶段,主要是应用定量(主要是统计)分析手段用于分析点、线、面的空间分布模式。后来更多的是强调地理空间本身的特征、空间决策过程和复杂空间系统的时空演化过程分析。实际上自有地图
3、以来,人们就始终在自觉或不自觉地进行着各种类型的空间分析。如在地图上量测地理要素之间的距离、方位、面积,乃至利用地图进行战术研究和战略决策等,都是人们利用地图进行空间分析的实例,而后者实质上已属较高层次上的空间分析。,7,2019年3月30日11时58分,GIS 的特点在于空间分析 GIS不但实现自动制图,更主要的目的是分析空间数据,提供空间决策信息。区别于其他系统的最主要特征。 空间分析目的: 通过对空间数据的深加工,获取新的信息。 空间分析: 根据地学原理,通过分析算法,从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间演变等信息。 常用空间分析方法 数字地面模型分析;空间叠
4、置分析;缓冲区分析;空间网络分析;空间统计分析;空间几何分析;空间数据查询。,8,2019年3月30日11时58分,空间分析的概念 空间分析是基于空间数据的分析技术,它以地学原理为依托,通过分析算法,从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间形成和空间演变等信息。,9,2019年3月30日11时58分,分类(按照空间数据的形式) 矢量数据空间分析:矢量叠合分析、矢量临近性分析、网络分析等 栅格数据空间分析:数字地形模型分析、栅格叠合分析、栅格临近性分析、栅格统计分析等,10,2019年3月30日11时58分,分类(Goodchild) 产生式分析(product mode
5、):数字地面模型分析、空间叠合分析、缓冲区分析、空间网络分析、空间统计分析 查询式分析(query mode) :空间集合分析、空间数据查询,11,2019年3月30日11时58分,第一节 数字地形模型分析,数字地形模型(DTM, Digital Terrain Model)最初是为了高速公路的自动设计提出来的(Miller,1956)。此后,它被用于各种线路选线(铁路、公路、输电线)的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算,任意两点间的通视判断及任意断面图绘制 在测绘中被用于绘制等高线、坡度坡向图、立体透视图,制作正射影像图以及地图的修测。,12,2019年3月30日11时58分,定义: 数
6、字地形模型(Digital Terrain Model,简称DTM)是定义于二维区域上的一个有限项的向量序列,它以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形。 在形式上分: 规则格网(Grid):最常见 不规则三角网(TIN) 数字等高线、等深线、地形特征线(如山脊线、谷底线、坡度变换线等),13,2019年3月30日11时58分,按平面上等间距规则采样,或内插所建立的数字地形模型,称为基于栅格的数字地形模型。 DTM=Zi,j ,i=1,2,3,m-1,m; j=1,2,3,n-1,n。 Z为栅格点(i,j)上的地面属性数据,14,2019年3月30日11时58分,数字高程模型( Digital
7、Elevation Model ,简称DEM )它是用一组有序数值阵列形式表示地 面高程的一种实体地面模型,是DTM的一个分支,其它各种地形特征值均可由此派生。 DEM是构成DTM的基础,DTM的其他元素均由DEM导出。显然,DEM的质量好坏直接决定着DTM的精确性。,15,2019年3月30日11时58分,DEM的生成,高程数据,野外测量,地形图,摄影测量,激光雷达,GIS软件,算法实现,16,2019年3月30日11时58分,1.地形因子的自动提取 坡度计算 坡向分析 曲面面积计算 地表粗糙度计算 高程及变异分析 谷脊特征分析 日照强度的分析 淹没边界的计算,数字高程模型应用,17,201
8、9年3月30日11时58分,2.地表形态的自动分类 拟定地形分类决策表 建立地形类型分类系统 输出地形类型图,数字高程模型应用,地形自动分类,拟定地形分类决策表,18,2019年3月30日11时58分,地形分类决策表,19,2019年3月30日11时58分,3.地学剖面的绘制和分析 建立数字高程模型 确定地形剖面线的位置 剖面线交点的内插计算 地形剖面线及相关地理信息(地质、土壤、土地利用等)的叠加表示和输出,数字高程模型应用,20,2019年3月30日11时58分,4、DEM的通视分析 用于架设通信基战等的工程设计、旅游景点规划等。典型的例子是观察哨所的设定,显然观察哨的位置应该设在能监视某
9、一感兴趣的区域,视线不能被地形挡住。这就是通视分析中典型的点对区域的通视问题。,数字高程模型应用,视线通视分析:两点之间的通视性(Intervisibility) 视域通视分析:可视域(ViewShed),21,2019年3月30日11时58分,视线通视,22,2019年3月30日11时58分,可视域判断,23,2019年3月30日11时58分,第二节 空间叠合分析,2.1 空间叠合分析的概念 空间叠合分析(spatial overlay analysis)是指在相同的空间坐标系统条件下,将同一地区两个不同地理特征的空间和属性数据重叠相加,以产生空间区域的多重属性特征,或建立地理对象之间的空间
10、对应关系。,24,2019年3月30日11时58分,地貌图,土壤图,合成图,空间合成叠合,25,2019年3月30日11时58分,行政图,土壤图,统计表,空间统计叠合,26,2019年3月30日11时58分,根据采用的数据结构的不同分 基于矢量数据的叠合分析 根据叠合对象图形特征的不同,分为 点与多边形的叠合 线与多边形的叠合 多边形与多边形的叠合 基于栅格数据的叠合分析,算法简单,但数据量大。,算法复杂,但数据量小、精度较高。,27,2019年3月30日11时58分,2.2 基于矢量数据的叠合分析,矢量数据叠加分析的步骤:,几何求交 拓扑重构 属性传递,矢量叠置算法的主要时间 消耗在前两个步
11、骤上。,28,2019年3月30日11时58分,点与多边形的叠合分析 将一个含有点的图层(目标图层输入特征)叠加在另一个含有多边形的图层(操作图层)上,以确定每个点落在哪个区域内。,29,2019年3月30日11时58分,计算多边形对点的包含关系,即判断点落在哪个多边形内。 进行属性数据处理。最简单的方式是将多边形属性信息叠加到其中的点上(或将点的属性叠加到多边形上,用于标识该多边形)。 通过叠加可以计算出每个多边形类型里有多少个点,以及这些点的属性信息。,30,2019年3月30日11时58分,点与多边形叠加分析,B,A,C,叠加结果: 改变点属性内容,31,2019年3月30日11时58分
12、,当input features是不同的要素类型时(如point和polygon、line和polygon),输出的结果默认是维数较低的类型,如line和polygon的默认结果是line,point与line的默认结果是point。 结果类型可以降低维数,比如polygon和polygon的默认结果是polygon,但可指定为line或point。,32,2019年3月30日11时58分,线与多边形的叠合分析 将线的图层(目标图层)叠加在多边形的图层(操作图层)上,以确定一条线落在哪个或哪些多边形内。,河流图,政区图,可查询任意区域内的河流长度及河网密度,+,33,2019年3月30日11时
13、58分,比较线坐标与多边形坐标的关系,判断线是否落在多边形内。通常是计算线与多边形的交点,只要相交就产生一个结点,将原线打断成一条条弧段,并将原线和多边形的属性信息一起赋给新弧段。 重建线的属性表。 叠加的结果产生一个新的数据层面,每条线被它穿过的多边形打断成新弧段图层,同时,产生一个相应的属性数据表记录原线和多边形的属性信息。,34,2019年3月30日11时58分,线与多边形叠加分析,1,1,2,3,B,C,C,C,叠加结果: 产生新弧段 改变线属性内容,35,2019年3月30日11时58分,多边形与多边形的叠合分析 多边形与多边形的叠合分析是指将两个不同图层的多边形要素相叠合,产生一个
14、新的多边形图层的操作,其结果将原来多边形要素分割成新要素,新要素综合了原来所有叠加图层的属性。,36,2019年3月30日11时58分,几何求交过程:首先求出所有多边形边界线的交点,再根据这些交点重新进行多边形拓扑运算,每个多边形赋予唯一标识码,判断新生的多边形分别落在每个参与叠加的多边形层的哪个多边形内,建立新生多边形与原多边形的关系。 属性分配过程:典型的方法是将输入图层对象的属性拷贝(或关联)到新对象的属性表中。,37,2019年3月30日11时58分,土地利用层,土壤类型层,坡度层,叠加结果层,38,2019年3月30日11时59分,多边形叠加分析,39,1 空间叠加分析概述,多边形叠
15、合方式: 并操作(Union) 交操作(Intersect) 擦除操作(Erase) 裁剪操作(Clip),40,2019年3月30日11时59分,多边形和多边形的叠合,布尔计算(Boolean),交集、并集、补集 clip与intersect区别,41,1 空间叠加分析概述,并操作(AB) 保留两个图层的所有图形要素和属性数据。,AB,A,B,42,1 空间叠加分析概述,交操作(AB) 保留两个图层共同的部分,其余部分将被消除。,AB,A,B,43,1 空间叠加分析概述,擦除操作(A-AB) 输出层保留以第二个图层为控制边界之外的所有多边形。,A-AB,A,B,44,1 空间叠加分析概述,裁
16、剪操作 输出层保留以第二个图层为边界,对输入图层的内容要素进行截取的结果。和擦除操作相反。,A-AB,A,B,45,2019年3月30日11时59分,46,2019年3月30日11时59分,叠合案例洪水淹没区分析,按地块面积平均计算财产密度。 叠合处理(Union),生成的叠合多边形(Union1)具有高程、土地使用、地基类型、地块财产密度等属性。 计算叠合后的多边形面积。 将地基损失参数表(found.dbf)连接到Union1,以地基类型(Class)为关键字 计算每个多边形的估计损失 = 财产密度 叠合后的多边形面积 损失系数 在View中对Union1的要素进行过滤,只有高程小于等于5
17、00、土地使用为住宅的多边形才进入估计其损失的选择集,据此,显示按损失密度的高低分类的专题地图,汇总估计损失值。,47,2019年3月30日11时59分,2.3 基于栅格数据的叠合分析 栅格数据的叠合算法可以有多个空间特征数据参与分析。 叠合分析的条件:要具备两个或多个相同地区的相同行列数的栅格数据,栅格单元的大小也相同。 栅格分析的结果:是一个新生成的栅格数据,其中的每一个栅格的数值都是由参与计算的原栅格数据计算得到的,栅格叠合通过计算产生新的空间信息。,48,2019年3月30日11时59分,栅格数据之间的叠合,图层之间的对应单元数值进行数学运算。 叠合之后的图层中单元的数值是对应单元数值
18、进行数学运算的结果, 原理上比较简单(相对矢量的叠合) 在ArcView中,使用 菜单map calculator(地图运算器) ArcGIS中使用Raster Calculator(栅格运算器),49,2019年3月30日11时59分,栅格图层叠合分析,栅格图层叠合,50,2 空间叠加分析方法,栅格数据的叠合分析方法,数学运算 算术运算符:,*,/ 逻辑运算符:and(与),or(或),xor(异或),not(反) 关系运算符:(相等),(大于),(小于),(不等于) 函数运算 指数、对数函数:exp(以e为底的指数),log(以e为底的对数) 算术函数:abs(绝对值),isnull(是否
19、为空) 三角函数:sin(正弦),cos(余弦),tan(正切) 幂函数:pow (乘方),sqrt(开方) 统计运算 统计函数:majority(众数),maximum(最大值),mean(平均值),51,2 空间叠加分析方法,A,B,C,D,D,D = A + B + C,E,52,2019年3月30日11时59分,叠加后属性的赋值方法 点变换方法:点变换方式只对各图上相应的点的属性值进行运算。实际上,点变换方式假定独立图元的变换不受其邻近点上的属性值的影响,也不受区域内一般特征的影响。,53,2019年3月30日11时59分,54,2019年3月30日11时59分,叠加后属性的赋值方法,
20、区域变换方法: 是在计算新层图元值时,不仅考虑原始图层上相应图元本身的值,而且还要考虑原图层图元所在区域的几何特性或原图层同名图元的个数。,55,2019年3月30日11时59分,叠加后属性的赋值方法 邻域变换方法:是在计算新层图元值时,不仅考虑原始图层上相应图元本身的值,而且还要考虑与该图元有领域关联的其他图元值影响。,56,2019年3月30日11时59分,中学的选址结果 R_land R_popu R_school,R_land,R_popu,R_school),为什么采用乘法叠合 ?,57,2019年3月30日11时59分,58,2019年3月30日11时59分,实例练习-为某小区建设
21、项目选址,目的:找出适宜小区建设的地址 标准: 在道路沿线1000米以内; 在商业中心1000米以内; 在医院1500米以内; 在名牌高中800米以内;,59,2019年3月30日11时59分,准备进行分析的数据: network.shp:城市市区交通网络图; Marketplace.shp:商业中心分布图; school.shp:名牌高中分布图; hospital.shp:医院分布图;,60,2019年3月30日11时59分,61,2019年3月30日11时59分,道路,道路缓冲区,1000米,buffer,商业中心,商业中心缓冲区,1000米,buffer,名牌高中,名牌高中缓冲区,800
22、米,buffer,医院,医院缓冲区,1500米,buffer,叠合分析,适 宜 区 域,分析过程:,62,2019年3月30日11时59分,道路,适宜区域,1000米,buffer,63,2019年3月30日11时59分,商业中心,适宜区域,1000米,buffer,64,2019年3月30日11时59分,名牌高中,适宜区域,800米,buffer,65,2019年3月30日11时59分,医院,适宜区域,1500米,buffer,66,2019年3月30日11时59分,城市市区道路、商业中心、名牌高中、医院的缓冲区的叠加层,67,2019年3月30日11时59分,红色区域为同时满足: 道路条件
23、、 商业中心条件、名牌高中条件、医院条件。,68,2019年3月30日11时59分,第三节 空间邻近度分析,空间邻近度(Proximity)描述了地理空间中两个地物距离相近的程度,临近度分析是空间分析的一个重要手段。缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具之一 。,69,2019年3月30日11时59分,?,公共设施(商场,邮局,银行,医院,车站,学校等)的服务半径,?,铁路,公路以及航运河道对其所穿过区域经济发展的重要性,?,野生动物的栖息地如何评价,问题:,70,2019年3月30日11时59分,3.1空间缓冲区分析的概念 空间缓冲区分析( spatial buffer analysis
24、)是围绕空间的点、线、面实体,自动建立其周围一定宽度范围内的多边形,用以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围或影响度,以便为某项分析或决策提供依据。,71,2019年3月30日11时59分,3.2 缓冲区分析的类型,点的缓冲区,线的缓冲区,面的缓冲区,1,2,3,3.2.1 矢量缓冲区,72,2019年3月30日11时59分,3.2 缓冲区分析的类型,3.2.2 栅格缓冲区 对需要做缓冲区的栅格单元做距离扩散,即计算其他栅格到需要做缓冲区的栅格的距离 按照设定的缓冲区距离提取出符合要求的栅格单元,73,2019年3月30日11时59分,74,2019年3月30日11时59分,空间缓冲区的三大
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