第六章空间分析一.ppt
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1、2019/6/15,1,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,地理信息系统基础与实践Geographical Information System Theory and Practice,第六章 空间分析(一),旅游与地理学院 陈世发,2019/6/15,2,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,学习目标: 1、理解图文互访; 2、掌握点、线、面相互关系的查询; 3、了解空间量算的各种方法及应用 4、理解叠置分析的概念和类型 5、掌握多边形叠置分析的步骤和方法 6、理解缓冲区的概念和作用,并能说明其应用方法 7、了解泰森多边形、网络分析在地学中的主要用途 8、掌握数字高程模型与数字地形模型的概念、作用与表
2、示方法。 重点难点: 执行空间分析的方法和步骤; DTM 和DEM,2019/6/15,3,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,空间分析的定义,空间数据分析 1、描述空间对象的非空间特性 2、方法:概率、数理统计等数学方法 数据空间分析 1、描述空间对象的空间位置、关系,对空间对象进行定量描述 2、方法:空间统计学、图论、拓扑学、计算几何等。 定义: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,提取与产生新的空间信息的技术和过程。 空间分析目的是通过对空间数据的分析处理,获取地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间演变等新信息。,2019/6/15,4,韶关学院旅游与地理学院 陈世
3、发,GIS应用方式,如何为一公园选择合理位置?,2019/6/15,5,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,空间分析分类 1、按分析方法看GIS空间分析分类 (1)GIS系统提供的空间分析 查询检索分析、空间形态分析、地形分析、叠置分析、邻域分析、网络分析、图像分析、空间统计分析等。 (2)专用空间模型分析 指在GIS支持下通过建立一定的数学模型实现地理现象的分析和模拟,这是GIS应用深化的重要标志。 2、按用户交互方式看GIS空间分析分类 (1)咨询式空间分析 主要根据已有数据实现空间数据的查询检索及集合分析。 (2)产生式空间分析 基于GIS中拓扑关系和空间操作运算、空间统计分析及将GIS作为
4、通用工具同其他专业模型结合,实现空间数据的模拟和分析。,2019/6/15,6,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,3、按空间数据特征看GIS空间分析分类 (1)空间数据的空间特性分析 空间位置分析:指通过空间坐标系中坐标值来确定空间物体的地理位置。 空间分布分析:空间分布反映了同类空间物体的群体定位信息。 空间形态分析:空间形态反映了空间物体的几何特征,包括形态表示和形态计算两个方面。前者如走向、连通性等,后者如面积、周长:坡度等。 空间关系分析:空间关系反映了空间物体之间的各种关系,如方位关系、距离关系、拓扑关系、相似关系等。 (2)空间数据的非空间特性分析 主要是基于数据库的统计分析。,20
5、19/6/15,7,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,基本的空间分析包括以下方面: 空间查询 6.1 空间量算 6.1 缓冲区分析 6.3 叠加分析 6.4 网络分析 6.5 空间统计分析 6.2 空间插值 5.7 数字高程模型 6.6 空间建模与空间决策支持系统 6.7,面向应用的分析,简单的空间分析,复杂的空间分析,2019/6/15,8,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,第一节、空间查询,空间查询是空间分析基础,任何空间分析都开始于空间查询。 回答用户的简单问题 不改变空间数据库数据 不产生新的空间实体和数据 空间查询技术由简单到复杂,2019/6/15,9,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,
6、空间查询方式,图形查询:实体之间的空间关系查询,实体的属性信息查询等。 属性查询:基于实体的属性信息进行查询,与一般的数据库查询相同,但最后查询的结果需要再与图形关联起来。 图形属性互查:将空间关系和属性结合起来进行查询,并将最后结果以图形和属性两种方式显示出来。如:查询京九线沿线人口大于100万的城市及各种属性信息。 地址匹配:根据一个地理名字来定位相关实体并获得其属性信息。其基础是地理编码,即将一个地理名字与一个或若干个空间实体关联起来、或者与实体的某个属性关联起来、或者与某个地理坐标关联起来。,2019/6/15,10,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,空间查询显示,SQL全称是“结构化查
7、询语言(Structured Query Language)” 是一种数据库查询和程序设计语言,用于存取数据以及查询、 更新和管理关系数据库系统,2019/6/15,11,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,查询通常基于标准的SQL实现,之后按照属性数据和空间数据的对应关系显示图形。,1、基于属性(非空间)特征的查询,基于属性(非空间)特征的查询,(一)、空间数据查询的类型,空间特征的查询通常指以图形、图像或符号为语言元素的可视化查询。从查询的内部过程看,属于“图到属性的查询”。这种查询首先借助于空间索引在空间数据库中找出空间地理对象,然后,再根据GIS中属性数据和空间数据的对应关系找出显示地理对
8、象的属性,并可进一步进行相关的统计分析。,2、 基于空间特性的查询,2019/6/15,12,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,(1)空间几何数据查询 主要根据空间目标的几何数据,分析计算不同地物(如线状地物)的长度、组成、坐标点数及面状地物的面积、周长等。 (2)空间位置查询 简单的点击空间点状地物,就可获取坐标点地理位置; 点击线状地物,就可获取该线的长度及地理位置; 点击面状地物,就可获取该面的周长、面积及其地理位置等。 (3) 空间关系查询:主要指拓扑关系查询。 同类要素间的邻接性查询、连通性查询、包含性查询、重合性查询、方向性查询等。 不同类要素间的关联性查询、穿越性查询、落入性查询、
9、方向性查询等。,图查文(几何查询),文查图(属性查询),逻辑查询(SQL查询),空间关系的查询,居民点地 理位置,烟台市辖区的周长、面积等信息。,水系长度及 地理位置,2019/6/15,13,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,3、结合空间特性和非空间(属性)特征的查询,空间特征和属性特征联合查询的实质是指查询条件中同时涉及空间特征和属性特征。,例:从中国地图上查同北京的距离(查空间中距离)小于2000km、长江以南(查空间中位置)、人口数大于100万的城市。 本例中查人口数大于100万的城市,属于属性查询;查同北京的距离(查空间中距离)小于2000km的城市,属于空间距离查询;查长江以南的城市
10、,属于方位查询。,4、地址匹配,将以文字、数字表达的位置信息转换表达为几何上的空间位置,从街道的自然地址来查询事物的空间位置是GIS一种特有的 查询方法,这种查询往往需要建立DIME的地理编码。,2019/6/15,14,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,(二)、空间数据查询的数学基础,主要使用布尔代数方法,即按照两个逻辑子集在给定的条件下进行逻辑运算。它的基本运算符号或算子包括3个,交、并、差。,AND(交);OR(并) NOT(差)及其组合,逻辑运算的结果 为“真”或“假”。,设属性分别为A和B的两个多边形相交,形成的空间单元分别为1、2、3,则它们经布尔操作后的结果如表所示。,逻辑运算的真
11、(1)或假(0),2019/6/15,15,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,(三)、空间查询的方法,如 Select 所需数据项 From 属性表 Where 条件表达式 or、and 条件表达式 进一步复杂的查询还可以进行嵌套,如:Where的条件中,可以进一步嵌套Select语句,1、基于SQL语言的空间查询,目前的GIS软件常提供实现SQL查询的对话框,使查询更为简单方便。,优点:适合关系表的查询与操作。 缺点:无法表达空间关系及空间运算操作。,2019/6/15,16,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,扩展SQL查询,SQL是由逻辑运算组合而成的,即通过条件表达式查询符合条件的目标对象与
12、属性信息。标准SQL的不支持空间概念,不能进行空间数据的查询。在标准查询语言SQL的基础上,加入空间关系的查询,就称为扩展SQL。 逻辑运算包括算术运算、关系运算、逻辑运算等,包括对函数的操作。 例如:查询三峡地区长江流域人口大于50万的市或县 Select * From 县或市 Where 县或市人口50万 and Cross (河流名称=“长江”),2019/6/15,17,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,例:在ARCVIEW软件下,提供查询的对话框,可在对话框编写查询的条件进行查询。,主要优点是:保留了SQL的风格,便于熟悉SQL的用户的掌握,通用性较好,易于与关系数据库连接。 执行扩展
13、SQL,如果要将属性和空间关系整体统一起来,从底层进行查询优化,有一定困难。目前一般将两层分开进行查询。,2019/6/15,18,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,可视化查询是指将查询语言的元素,特别是空间关系,用直观的图形或符号表示。查询主要使用图形、图像、图标、符号来表达概念。 具有简单、直观、易于使用的特点。 缺点:当空间约束条件复杂时,很难用图符描述;用二维图符表示图形之间的关系时,可能会出现歧义;难以表示“非”关系;不易进行范围(圆、矩形、多边形等)约束;无法进行屏幕定位查询等。,2、 可视化空间查询方法,优点:查询直观形象。 缺点:查询语言的元素数量较少,仅能进行有限的查询。,20
14、19/6/15,19,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,3、 基于自然语言的查询:在查询语言中引入自然语言的概念,优点:查询变得更加简单和方便。 缺点:在自然语言的量化时,与语言环境及专业领域相关。因此,很难作为通用的数据库查询语言。,4、超文本查询方法,超文本是由文本信息结点和结点间相关联的链所组成的具有一定逻辑关系和语言查询信息集成化的网络。,2019/6/15,20,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,几何量算,含义: 点:0维,坐标。 线:1维,长度、曲率、方向。 面:2维,面积、周长等。 体:3维,表面积、体积等。 线长度计算 矢量:两点之间的直线距离,复合线段累加求和。 栅格:网格数目累
15、加。 面积计算 矢量:几何交叉求积(坐标法)。 栅格:相同属性值的格网数目与格网面积的乘积。,二、空间量算,2019/6/15,21,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,一、长度量算:包括矢量曲线的长度量算 线由点组成,矢量图形的长度量算基于 直线段的两点之间距离公式,设空间两点 p1(x1,y1)和p2(x2,y2), 则直线段的长度为 由此不难得出折线与多边形周长的长度量算公式 式中,i为折线或多边形的顶点数,含义为依次求出组成折线或多边形的所有线段长度,然后累加求和 多边形周长等于相邻点距离之和,2019/6/15,22,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,二、面积量算:多边形面积等于:凸折线梯
16、形面积之和,减去凹折线梯形面积之和。,多边形边界可以分解为上下两半,其面积就是上半边界下的积分值与下半边界下的积分值之差。设面状物体的轮廓边界由一个点的序列P1 (x1 , y1), P2 ( x2, y2 ), ,Pn (xn, yn)表示,其面积为:,面积,Y,o,X,S,S1,S2,S=S2-S1,S1=(x2-x1)(y1+y2)/2+ (x3-x2)(y2+y3)/2 + (x4-x3)(y3+y4)/2 + (x5-x4)(y4+y5)/2,2019/6/15,23,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,形状量算,两基本考虑:空间一致性:有孔多边形和破碎多边形的处理 多变形边界特征描述问
17、题,欧拉函数: 计算多边形破碎程度和孔的数目,欧拉函数的结果是一个数,称为欧拉数 计算公式: 欧拉数=(孔数)-(碎片数-1),形状指数:形状指数大多使用多边形周长与面积的比值,并使之与标准形状(通常是圆形)相比表示其形状的复杂程度。,以正方形为标准的形状指数:,式中:A为多边形面积, P为多边形周长。,2019/6/15,24,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,基本考虑:空间完整性、多边形形状特征,A为多边形面积,P为多边形周长。,形状比,该指标能反映城市的带状特征,城市的带状特征越明显则形状比越小。,形状比=A/L2 其中,A为区域面积,L为区域最长轴的长度。,2019/6/15,25,韶关
18、学院旅游与地理学院 陈世发,伸延率=L/ L 式中,L为区域最长轴长度,L为区域最短轴长度。,该指标反映城市的带状延伸程度,伸延率,紧凑度,1、紧凑度= A为面积,P为周长。,该指标反映城市的紧凑程度,紧凑度最大为1。离散程度越大则紧凑度越低。,2、 紧凑度指数=A/A A为区域面积,A为该区域最小外接圆面积。在计算中采用最小外接圆面积作为衡量城市形状的标准。,2019/6/15,26,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,质心量算,定义:目标的半径位置或保持均匀的平衡点,一般为多边形的几何中心或质心。 计算公式: i为离散目标,w为第i个离散目标物权重,xi,yi为离散目标物的坐标 应用:跟踪某些
19、地理分布的变化,如人口变迁、土地类型变化等;宏观经济分析和市场区位分析等。,2019/6/15,27,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,距离量算,含义: 距离描述了空间对象之间的接近程度。 地理空间上的距离所描述的对象一定发生在地理空间上。 距离的定义与度量空间和空间匀质性是相关的,不同的度量空间和介质空间,距离定义不同。 不同的距离有不同的特性,距离的定义是由应用决定的,可根据需要重新定义距离。 在非匀质空间,距离定义不仅仅是表达式上的变化,而且还具有研究区域上的变化,这时的距离计算一般在多边形范围内按一定算法进行。,2019/6/15,28,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,n 维匀质空间广义
20、距离公式,j(xj, yj),i(xi, yi),i,j,i,j,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,几何量算,几何量算: 空间距离: 球面距离:,2019/6/15,29,韶关学院旅游与地理学院 陈世发,空间数据的统计分析: 1、属性数据的集中特征 (1)平均数( ): 简单算术平均数: 加权算术平均数: (Pi为权重) (2)中数(Me) :,比如产量 成本 1 10 2 20 3 30 4 40 5 50 然后计算平均成本=(10*1+20*2)(1+2+3)= 那个1,2,3,就是权重,2019/6/15,30,韶关
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