【正文】 地理信息系統(tǒng) 張菊清 長安大學(xué)地測學(xué)院 第五章 空間分析 地理信息系統(tǒng) ? 概述 ? 空間查詢與量算 ? 空間變換 ? 再分類 ? 緩沖分析 ? 疊加分析 ? 網(wǎng)絡(luò)分析 ? 空間插值 ? 空間統(tǒng)計(jì)分類分析 地理信息系統(tǒng) 空間分析 概述 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。空間分析的對(duì)象是一系列跟空間位臵有關(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)體的空間位臵和幾何形態(tài)，專業(yè)屬性則是實(shí)體某一方面的性質(zhì)。 地理信息系統(tǒng) 空間分析 概述 定義 空間分析是基于地理對(duì)象的位臵和形態(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。包括 空間數(shù)據(jù)的分析 和 數(shù)據(jù)的空間分析 。 地理信息系統(tǒng) 空間分析 ? 空間數(shù)據(jù)分析 描述空間對(duì)象的非空間特性 ? 方法 ：概率、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等數(shù)學(xué)方法 ? 特點(diǎn) ： 概述 ? 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。 地理信息系統(tǒng) 空間分析 概述 ? 方法 ：空間統(tǒng)計(jì)學(xué)、圖論、拓?fù)鋵W(xué)、計(jì)算幾何等。 ? 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。 描述空間對(duì)象的空間位臵、關(guān)系，對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行定量描述 ? 數(shù)據(jù)空間分析 地理信息系統(tǒng) 空間分析 ? 空間位臵： 借助于空間坐標(biāo)系傳遞空間對(duì)象的定位信息，是空間對(duì)象表述的研究基礎(chǔ)，即投影與轉(zhuǎn)換理論。 ? 空間分布： 同類空間對(duì)象的群體定位信息，包括分布、趨勢、對(duì)比等內(nèi)容。 ? 空間形態(tài)： 空間對(duì)象的幾何形態(tài) ? 空間距離： 空間物體的接近程度 ? 空間關(guān)系： 空間對(duì)象的相關(guān)關(guān)系，包括拓?fù)洹⒎轿?、相似、相關(guān)等。 空間分析的內(nèi)容 概述 地理信息系統(tǒng) 空間分析 概述 ? 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。 空間分析、 GIS和空間模型 地理信息系統(tǒng) 空間分析 概述 ? 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)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 空間分析、 GIS和空間模型 地理信息系統(tǒng) 空間分析 空間查詢與量算 空間查詢 圖形與屬性互查是最常用的查詢，有兩類，一類是按屬性信息的要求來查詢定位空間位臵，稱為由 “ 屬性查圖形 ” ；另一類是根據(jù)對(duì)象的空間位臵查詢相關(guān)的屬性信息，稱為由 “ 圖形查屬性 ” 。 地理信息系統(tǒng) 空間分析 空間查詢與量算 空間查詢 幾何參數(shù)查詢 可查詢點(diǎn)的空間位臵，線的長度，面的周長與面積。 空間定位查詢 根據(jù)所給定的位臵查找相應(yīng)的空間對(duì)象及其屬性?？砂袋c(diǎn)、圓、矩形、及任意多邊形查找。 地理信息系統(tǒng) 空間分析 空間查詢與量算 空間查詢 空間關(guān)系查詢 鄰接查詢、包含查詢、穿越查詢、落入查詢、 緩沖區(qū)查詢 地理信息系統(tǒng) 空間分析 所謂 緩沖區(qū) 是指地理空間目標(biāo)的一種影響范圍或服務(wù)范圍。即給定一個(gè)空間對(duì)象集合，確定它們的鄰域，鄰域的大小由鄰域半徑R決定，具體可定義為 即對(duì)象 的半徑為 R的緩沖區(qū)為距 的距離 d小于 R的全部點(diǎn)的集合。 ? ?iiB x d x o ) R??: ( , 空間查詢與量算 緩沖區(qū)查詢 iO iO 對(duì)于 對(duì)象集合 其半徑為 R的緩沖區(qū)是各個(gè)對(duì)象緩沖區(qū)的并，即 ? ?iO = o i= 1 n： ，ni1B = B地理信息系統(tǒng) 空間分析 緩沖區(qū) 地理信息系統(tǒng) 空間分析 對(duì)象集合的緩沖區(qū) 地理信息系統(tǒng) 空間分析 SQL查詢 空間查詢與量算 標(biāo)準(zhǔn) SQL查詢語言是 Select 需要顯示的屬性項(xiàng) From 屬性項(xiàng) Where 條件 or 條件 and 條件 地理信息系統(tǒng) 空間分析 擴(kuò)展的 SQL 查詢 空間查詢與量算 將 SQL的屬性條件和空間關(guān)系的圖形條件組合在一起形成擴(kuò)展的 SQL查詢語言。擴(kuò)展的 SQL查詢語言目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，空間關(guān)系的謂詞也沒有規(guī)范化。通常用“ Ajacent”表示 “ 相鄰 ” ； “ Contain”表示 “ 包含 ” ；“ Cross”表示 “ 穿過 ” ； ‘“ Inside”表示 “ 在 … 之內(nèi) ” ；“ Buffer”表示 “ 緩沖區(qū) ” 等。將這些空間關(guān)系與屬性條件組合在一起，可進(jìn)行復(fù)雜的空間查詢。 地理信息系統(tǒng) 空間分析 擴(kuò)展的 SQL 查詢 空間查詢與量算 例如：查詢?nèi)龒{地區(qū)長江流域人口大于 50 萬的縣或市，擴(kuò)展的 SQL查詢語句為： Select * From 縣或市 Where 縣或市 .人口 〉 50萬 And Cross （河流 .名稱 =“長江 ” ） 例：學(xué)生擇校問題 按直線距離最近給每個(gè)學(xué)生分配小學(xué)； 按小學(xué)匯總該校分配到多少學(xué)生，計(jì)算學(xué)生上學(xué)的平均距離； 小學(xué)能提供的座位數(shù)和分配到學(xué)生數(shù)進(jìn)行比較。 地理信息系統(tǒng) 空間分析 地址匹配查詢 —— 地理編碼 根據(jù)街道的地址來查詢事務(wù)的空間位臵或?qū)傩孕畔⑹堑乩硇畔⑾到y(tǒng)特有的一種查詢功能。這種查詢利用地理編碼，輸入街道的門牌號(hào)，就可知大致的位臵和所在的街區(qū)，它對(duì)空間分布的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)都很有幫助。只要在調(diào)查表中添加了地址，地理信息系統(tǒng)可以自動(dòng)地從空間位臵的角度來統(tǒng)計(jì)分析各種經(jīng)濟(jì)社會(huì)調(diào)查資料。 空間查詢與量算 地理信息系統(tǒng) 空間分析 空間量算 空間查詢與量算 空間信息的自動(dòng)化量算是地理信息系統(tǒng)所具有的重要功能，也是進(jìn)行空間分析的定量化基礎(chǔ)。包括 ? 質(zhì)心量算 ? 幾何量算 ? 形狀量算 地理信息系統(tǒng) 空間分析 質(zhì)心量算 ?定義： 目標(biāo)的半徑位臵或保持均勻的平衡點(diǎn)，一般為多邊形的幾何中心或重心。 ?計(jì)算公式： 空間查詢與量算 ?? ?? ii y)/1( x )/1( NYNX GG地理信息系統(tǒng) 空間分析 ???? ?? i iiGi iiG wywYwxwX 或者： 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 空間查詢與量算 地理信息系統(tǒng) 空間分析 空間查詢與量算 幾何量算 幾何量算對(duì)點(diǎn)、線、面、體 4類目標(biāo)物而言，其含義不同的： ? 點(diǎn)狀目標(biāo)：坐標(biāo)； ? 線狀目標(biāo)：長度、曲率、方向； ? 面狀目標(biāo)：面積、周長等； ? 體狀目標(biāo)：表面積、體積等。 幾何量算 n 維勻質(zhì)空間廣義距離公式 1/qqi j i j( ) x x ) ( y y ) qijdq ??? ? ? ???（22 )()( jijiij yyxxd ????j(xj, yj) i(xi, yi) i j i j 距離計(jì)算公式 n 維非勻質(zhì)空間距離計(jì)算 q=,非歐氏距離 ? ? )()( jijiij yyxxd ????jijiij yyxxd ????地理信息系統(tǒng) 空間分析 ? 線長度可由兩點(diǎn)間直線距離相加得到。 ? 面積和周長的計(jì)算。 地理信息系統(tǒng) 空間分析 N2i i 1 i 1 i n 1 1 ni11S= x y x y ) ( x y x y )2????? ? ??（ （nii1L = l?=幾何量算 地理信息系統(tǒng) 空間分析 地物外形是影像處理中模式識(shí)別的一個(gè)重要部分。例如海岸線的外形是島嶼的重要特征，森林中不同類型的土地外形對(duì)野生生物顯得非常重要。目標(biāo)物的外觀是多變的，很難找到一個(gè)準(zhǔn)確的量對(duì)其進(jìn)行描述。 基本考慮：空間完整性、多邊形形狀特征 空間查詢與量算 形狀量算 ? 第一種量算方法 —— 歐拉數(shù) 度量空間一致性最常用的指標(biāo)是歐拉數(shù)，用來計(jì)算多邊形的破碎程度和孔的數(shù)目。歐拉函數(shù)的結(jié)果是一個(gè)數(shù)，稱為歐拉數(shù)。 歐拉數(shù) =（孔數(shù)） （碎片數(shù) 1） 歐拉數(shù) =4（ 11） =4 歐拉數(shù) =4（ 21） =3 歐拉數(shù) =5（ 31） =3 地理信息系統(tǒng) 空間分析 空間查詢與量算 如果認(rèn)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓目標(biāo)既非緊湊型也非膨脹型，則可定義其形狀系數(shù)為： 其中， P為目標(biāo)物周長， A為目標(biāo)物面積。 如果 r＜ 1，目標(biāo)物為緊湊型； r＝ 1，目標(biāo)物為一標(biāo)準(zhǔn)圓； r＞ 1，目標(biāo)物為膨脹型。 地理信息系統(tǒng) 空間分析 空間查詢與量算 ? 第二種量算方法： r 2 P A??地理信息系統(tǒng) 空間分析 圓 r=1 r 2 P A??r1 膨脹型 r1 緊縮型 形狀特征描述參數(shù) 空間查詢與量算 地理信息系統(tǒng) 空間分析 為滿足特定空間分析的需要，需對(duì)原始圖層及其屬性進(jìn)行一系列的邏輯或代數(shù)運(yùn)算，以產(chǎn)生新的具有特殊意義的地理圖層及其屬性，這一過程稱之為 空間變換 。 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)組織復(fù)雜，使得空間變換變得十分繁瑣。 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：簡單易行?？煞譃椋簡吸c(diǎn)變換、鄰域變換和區(qū)域變換。 空間變換 地理信息系統(tǒng) 空間分析 空間變換 單點(diǎn)變換 ：只考慮單個(gè)點(diǎn)的屬性值進(jìn)行運(yùn)算。 鄰域變換 ：不僅考慮原始圖