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空間分析原理與方法,空間分析概述 空間分析的類型 空間疊加分析 緩沖區(qū)分析 網(wǎng)絡(luò)分析 數(shù)字地面模型,,空間分析的概述,概念：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。 功能：分析空間數(shù)據(jù)，提供空間決策信息 特點(diǎn)：是GIS區(qū)別于其他類型系統(tǒng)如(CAC, CAD）的一個(gè)最主要的功能特征，也是各類綜合性地學(xué)分析模型的基礎(chǔ)或構(gòu)件。,空間分析功能的類型,按照 Goodchild 提出的空間分析框架，可以將空間分析方法分為以下兩種類型： 產(chǎn)生式分析：空間疊加分析，緩沖區(qū)分析，數(shù)字地面模型分析，空間網(wǎng)絡(luò)分析，空間統(tǒng)計(jì)分析等； 咨詢式分析：空間集合分析，空間數(shù)據(jù)查詢等。,空間疊加分析,地學(xué)原理 基本概念 基本類型 視覺信息疊加 矢量圖層疊加 點(diǎn)與多邊形疊加 線與多邊形疊加 多邊形疊加 柵格圖層疊加,空間疊加地學(xué)原理,地理學(xué)原理 在進(jìn)行地學(xué)綜合分析時(shí)，有時(shí)需要提取同一地區(qū)不同專題的屬性。例如，某地在進(jìn)行農(nóng)作物估產(chǎn)時(shí)，需要提取該地區(qū)的土地利用、氣溫、降水、日照時(shí)間等基本信息(這些信息常常是分布于不同的專題地圖中)，然后再應(yīng)用估產(chǎn)模型進(jìn)行分析。 實(shí)現(xiàn)方法 傳統(tǒng)的透明材料疊加方法 GIS中實(shí)現(xiàn)方法,傳統(tǒng)疊加方法,將來自不同的數(shù)據(jù)源的圖紙繪于透明紙上，在透光桌上將其疊放在一起，然后鉛筆勾出感興趣的部分一提取出感興趣的信息。,GIS中疊加方法,,將有關(guān)主題層組成的數(shù)據(jù)層面，進(jìn)行疊加產(chǎn)生一個(gè)新數(shù)據(jù)層面的操作，其結(jié)果綜合了原來兩層或多層要素所具有的屬性。,疊加分析概念,空間疊加分析（Spatial overlay analysis），是指在統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系下，每次將同一地區(qū)的兩個(gè)地理對象的圖層進(jìn)行疊合，以產(chǎn)生空間區(qū)域的多重屬性特征，或建立地理對象之間的空間對應(yīng)關(guān)系。 疊加分析不僅要處理圖形數(shù)據(jù)，還會(huì)對屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。,,視覺信息疊加,傳統(tǒng)的地圖表現(xiàn)方式 視覺信息疊加是將不同層面的信息內(nèi)容疊加顯示在屏幕或結(jié)果圖件上 點(diǎn)狀圖、線狀圖和面狀圖之間的疊加顯示 遙感影像與專題地圖的疊加 專題地圖與數(shù)字高程模型（DEM）疊加顯示立體專題圖 視覺信息疊加不產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)層面，只是將多層信息復(fù)合顯示，便于分析,傳統(tǒng)的地圖表現(xiàn)方式,,點(diǎn)狀圖、線狀圖和面狀圖之間的疊加顯示,遙感影像疊加,數(shù)字高程模型（DEM）疊加顯示立體專題圖,,,暈渲地形圖 三峽庫區(qū)三維模擬地圖,點(diǎn)與多邊形疊加,處理過程 通過計(jì)算每個(gè)點(diǎn)相對于多邊形線段的位置，進(jìn)行點(diǎn)是否在一個(gè)多邊形中的空間關(guān)系判斷。 進(jìn)行屬性信息處理。 將多邊形屬性信息疊加到其中的點(diǎn)上。 將點(diǎn)的屬性疊加到多邊形上，用于標(biāo)識該多邊形。 應(yīng)用舉例,線與多邊形疊加,計(jì)算原理：線與多邊形的疊加．是比較線上坐標(biāo)與多邊形坐標(biāo)的關(guān)系，判斷線是否落在多邊形內(nèi)。 計(jì)算過程：通常是計(jì)算線與多邊形的交點(diǎn)、只要相交，就產(chǎn)生一個(gè)結(jié)點(diǎn)，將原線打斷成一條條弧段，并將原線和多邊形的屬性信息一起賦給新弧段。 計(jì)算結(jié)果：疊加的結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)新的數(shù)據(jù)層面，每條線被它穿過的多邊形打斷成新弧段圖層，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)表記錄原線和多邊形的屬性信息。（示意圖） 應(yīng)用舉例：根據(jù)疊加的結(jié)果可以確定每條弧段落在哪個(gè)多邊形內(nèi)，可以查詢指定多邊形內(nèi)指定線穿過的長度。 如果線狀圖層為河流，疊加的結(jié)果是多邊形將穿過它的所有河流打斷成弧段、可以查詢?nèi)我舛噙呅蝺?nèi)的河流長度，進(jìn)而計(jì)算它的河流密度等； 如果線狀圖層為道路網(wǎng)，疊加的結(jié)果可以得到每個(gè)多邊形內(nèi)的道路網(wǎng)密度，內(nèi)部的交通流量，進(jìn)入、離開各個(gè)多邊形的交通量，相鄰多邊形之間的相互交通量。,線與多邊形疊加示意圖,多邊形與多邊形的疊加,概念 處理過程 ARC/INFO中空間疊加分析 空間疊加(Identify;Intersect;Union) 要素提取(Clip;Erasecov;Split) 要素合并(Disslove,Reselect) 圖層數(shù)據(jù)的合并與分解(Mapjoin;Split) 圖層更新(Update) 應(yīng)用舉例,多邊形與多邊形的疊加概念,多邊形疊加將兩個(gè)或多個(gè)多邊形圖層進(jìn)行疊加產(chǎn)生一個(gè)新多邊形圖層的操作 ，用以解決地理變量的多準(zhǔn)則分析、區(qū)域多重性的模擬分析、地理特征的動(dòng)態(tài)變化分析，以及圖幅要素的更新、圖幅的拼接和區(qū)域信息的提取等。,多邊形與多邊形的處理過程,幾何求交過程：首先求出所有多邊形邊界線的交點(diǎn)，再根據(jù)這些交點(diǎn)重新進(jìn)行多邊形拓?fù)溥\(yùn)算，對新生成的拓?fù)涠噙呅螆D層的每個(gè)對象賦一多邊形唯一標(biāo)識碼，同時(shí)生成一個(gè)與新多邊形對象一一對應(yīng)的屬性表。 屬性分配過程：最典型的方法是將輸入圖層對象的屬性拷貝到新對象的屬性表中，或把輸入圖層對象的標(biāo)識作為外鍵直接關(guān)聯(lián)到輸入圖層的屬性表,,Union,Intersect,Identify,Clip,Mapjoin,Reselect,Dissolve,Split,柵格圖層疊加,柵格數(shù)據(jù)一個(gè)最為突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠極為便利地進(jìn)行同地區(qū)多層面空間信息的自動(dòng)復(fù)合疊置分析。 在各類空間現(xiàn)象或空間過程空間的模擬中有著極為廣泛的應(yīng)用。常被用來進(jìn)行區(qū)域適應(yīng)性評價(jià)、資源開發(fā)利用、規(guī)劃等多因素分析研究工作,,F(X)可以是邏輯運(yùn)算，算術(shù)運(yùn)算和函數(shù)運(yùn)算的形式。,柵格圖層算術(shù)疊加,緩沖區(qū)分析,基本概念 算法原理 應(yīng)用舉例 分析討論,,,緩沖區(qū)分析概念,地學(xué)原理：在地理學(xué)分析當(dāng)中，有時(shí)需要確定某些地理實(shí)體對鄰近對象的輻射范圍或影響程度。例如，在城市研究當(dāng)中，當(dāng)改變某個(gè)轄區(qū)的行政邊界時(shí)，需要通知一定距離內(nèi)的居民；在林業(yè)規(guī)劃中，需要按照距河流一定的縱深范圍來規(guī)劃森林的砍伐區(qū)，以防止水土流失；在地震帶，要按照斷裂線的危險(xiǎn)等級，繪出圍繞每一斷裂線的不同寬度的緩沖帶，作為警戒線；在土地評價(jià)當(dāng)中，要根據(jù)離開交通線的遠(yuǎn)近，進(jìn)行成本估算等等。 定義：根據(jù)分析對象的點(diǎn)、線、面實(shí)體，自動(dòng)建立他們周圍一定距離的帶狀區(qū)，用以識別這些地理實(shí)體鄰近對象的輻射范圍或影響程度，以便為分析和決策提供依據(jù)。它是GIS所提供的重要和基本的空間操作功能之一。,緩沖區(qū)分析算法原理,點(diǎn)的緩沖區(qū)生成：以點(diǎn)為圓心，以一定的距離為半徑畫圓 線的緩沖區(qū)生成：分別以每一個(gè)頂點(diǎn)和每條邊生成緩沖區(qū)，然后對這些緩沖區(qū)進(jìn)行多邊形疊加操作 面的緩沖區(qū)生成：首先生成多邊形周長緩沖區(qū)（線緩沖區(qū)），然后與原始多邊形疊加操作，多邊形的緩沖區(qū)有內(nèi)側(cè)和外側(cè)之分。 多重緩沖區(qū)的操作：以不同半徑首先生成一定寬度的緩沖區(qū)，然后對不同半徑的緩沖區(qū)進(jìn)行疊加操作。,緩沖區(qū)分析應(yīng)用舉例,在進(jìn)行緩沖區(qū)分析時(shí)，通常將研究問題抽象為以下三類因素進(jìn)行分析 確定主體，表示分析的主要目標(biāo) 確定客體，表示受到主體影響的地理實(shí)體 確定作用條件，表示主體對客體施加影響的方式。（線性模型，指數(shù)模型，對數(shù)模型等） 線緩沖分析 多重緩沖分析,線緩沖分析,多重緩沖分析,分析討論,生成緩沖區(qū)的主要目的是為了進(jìn)一步進(jìn)行空間疊加分析或圖形運(yùn)算。,網(wǎng)絡(luò)分析,地學(xué)原理 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 基本功能,網(wǎng)絡(luò)分析地學(xué)原理,網(wǎng)絡(luò)分析是運(yùn)籌學(xué)模型中的一個(gè)基本模型，它的根本目的是研究、籌劃一項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)工程如何安排，并使其運(yùn)行效果最好，如一定資源的最佳分配，從一地到另一地的運(yùn)輸費(fèi)用最低等。其基本思想則在于人類活動(dòng)總是趨于按一定目標(biāo)選擇達(dá)到最佳效果的空間位置。這類問題在社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中不勝枚舉。 對地理網(wǎng)絡(luò)(如交通網(wǎng)絡(luò))、城市基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)(如各種網(wǎng)線、電力線、電話線、供排水管線等)進(jìn)行地理分析和模型化，是地理信息系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)分析功能的主要目的。,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),鏈(Link)，網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)的管線，如街道、河流、水管等。其狀態(tài)屬性包括阻力和需求。 結(jié)點(diǎn)(Node)，網(wǎng)絡(luò)中鏈的結(jié)點(diǎn)，如港口、車站、電站等，其狀態(tài)同性包括阻力和需求等。下面幾種特殊的類型。 障礙(Barrier)，禁止網(wǎng)絡(luò)中鏈上流動(dòng)的點(diǎn)； 拐點(diǎn)(Turn)，出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)鏈中的分割結(jié)點(diǎn)上，狀態(tài)屬性有阻力，如拐彎的時(shí)間和限制(如在8：00到18：00不允許左拐)； 中心(Centre)，是接受或分配資源的位置，如水庫、商業(yè)中心、電站等，其狀態(tài)屬性包括資源容量(如總量)、阻力限額(中心到鏈的最大距離或時(shí)間限制)。 站點(diǎn)(Stop)，在路徑選擇中資源增減的結(jié)點(diǎn)，如庫房、車站等．其狀態(tài)屬性有資源需求，如產(chǎn)品數(shù)量,中心,網(wǎng)絡(luò)分析的基本功能,路徑分析 地址匹配 地址匹配實(shí)質(zhì)是對地理位置的查詢，它涉及到地址的編碼。地址匹配與其它網(wǎng)絡(luò)分析功能結(jié)合起來，可以滿足實(shí)際工作中非常復(fù)雜的分析要求。 資源分配,路徑分析,靜態(tài)求最佳路徑：在給定每條鏈上的屬性后，求最佳路徑 N條最佳路徑分析：確定起點(diǎn)或終點(diǎn)，求代價(jià)最小的N條路徑，因?yàn)樵趯?shí)踐中最佳路徑的選擇只是理想情況。由于種種因素而要選擇近似最優(yōu)路徑。 最短路徑或最低耗費(fèi)路徑：確定起點(diǎn)、終點(diǎn)和要經(jīng)過的中間點(diǎn)、中間連線，求最短路徑或最小耗費(fèi)路徑。 動(dòng)態(tài)最佳路徑分析：實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中權(quán)值是隨權(quán)值關(guān)系式變化的，可能還會(huì)臨時(shí)出現(xiàn)一些障礙點(diǎn)，需要?jiǎng)討B(tài)的計(jì)算最佳路徑 。 動(dòng)態(tài)分段：給定一條路徑由多段聯(lián)系組成，要求標(biāo)注出這條路上的公里點(diǎn)或要求定位某一公路上的某一點(diǎn)，標(biāo)注出某條路上從某一公里數(shù)到另一公里數(shù)的路段。,最短路徑,地址匹配,尋找最近的設(shè)施（醫(yī)院）,數(shù)字地面模型,DTM概述 DTM數(shù)據(jù)采集 DTM表示 DTM的空間內(nèi)插方法 DTM在地圖制圖與地學(xué)分析中的應(yīng)用,數(shù)字地面模型概述,,DTM數(shù)據(jù)采集,以航空或航天遙感圖像為數(shù)據(jù)源 以地形圖為數(shù)據(jù)源 以地面實(shí)測記錄為數(shù)據(jù)源 其它數(shù)據(jù)源,,,DTM表示,數(shù)學(xué)分塊曲面表示法 這種方法把地面分成若干個(gè)塊，每塊用一種數(shù)學(xué)函數(shù)，如傅立葉級數(shù)高次多項(xiàng)式、隨機(jī)布朗運(yùn)動(dòng)函數(shù)等，以連續(xù)的三維函數(shù)高平滑度地表示復(fù)雜曲面，并使函數(shù)曲面通過離散采樣點(diǎn)。這種近似數(shù)學(xué)函數(shù)表示的DTM不太適合于制圖，但廣泛用于復(fù)雜表面模擬的機(jī)助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 規(guī)則格網(wǎng)表示法 不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)表示法,規(guī)則格網(wǎng)表示法,規(guī)則格網(wǎng)表示方法是把DTM表示成高程矩陣 DTM＝｛Hij｝, i=1，2，… m-l，m； j＝1，2，… n-1,n 。 DTM來源于直接規(guī)則矩形格網(wǎng)采樣點(diǎn)或由規(guī)則或不規(guī)則離散數(shù)據(jù)點(diǎn)內(nèi)插產(chǎn)生。由于計(jì)算機(jī)對矩陣的處理比較方便，特別是以柵格為基礎(chǔ)的GIS系統(tǒng)中高程矩陣已成為DTM最通用的形式。 規(guī)則的格網(wǎng)系統(tǒng)也有下列缺點(diǎn)：地形簡單的地區(qū)存在大量冗余數(shù)據(jù)；如不改變格網(wǎng)大小，則無法適用于起伏程度不同的地區(qū)；由于柵格過于粗略，不能精確表示地形的關(guān)鍵特征，如山峰、洼坑、山脊、山谷等,,不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)表示法,不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network，TIN)是專為產(chǎn)生DTM數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的一種采樣表示系統(tǒng)。 TIN表示法利用所有采樣點(diǎn)取得的離散數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合的原則，把這些離散點(diǎn)(各三角形的頂點(diǎn))連接成相互連續(xù)的三角面(在連接時(shí)，盡可能地確保每個(gè)三角形都是銳角三角形或是三邊的長度近似相等) TIN克服了高程矩陣中冗余數(shù)據(jù)的問題，而且能更加有效地用于各類以DTM為基礎(chǔ)的計(jì)算。因?yàn)門IN可根據(jù)地形的復(fù)雜程度來確定采樣點(diǎn)的密度和位置，能充分表示地形特征點(diǎn)和線，從而減少了地形較平坦地區(qū)的數(shù)據(jù)冗余。,,DTM模型的應(yīng)用,地形因子的自動(dòng)提取 空間矢量分析 坡度提取 坡向提取 其他因子的提取 等高線提取 立體透視圖 DEM可視化 在水文和土木工程中的應(yīng)用,坡度提取,,,,激活DEM數(shù)據(jù)所在的主題層，選擇〈Surface〉菜單下的命令即可。,坡向提取,,,,【Arcview系統(tǒng)演示】激活DEM數(shù)據(jù)所在的主題層，選擇〈Surface〉菜單下的命令即可,等高線提取,利用DEM繪制等高線圖，是以格網(wǎng)點(diǎn)高程數(shù)據(jù)或者將離散的高程數(shù)據(jù)由柵格追蹤法原理轉(zhuǎn)換為矢量等值線所產(chǎn)生的。該方法可以適用于所有的利用格網(wǎng)數(shù)據(jù)方法繪制等值線圖。,,,立體透視圖,透視圖能更好地反映地形的立體形態(tài)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制透視立體圖的理論基礎(chǔ)是透視原理，而DEM是其繪制的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),,,,立體透視圖2,,DEM可視化,可視化 地貌暈渲制圖 通視性分析 飛行模擬 虛擬城市,可視化,地貌暈渲制圖,暈渲圖是以通過模擬實(shí)際地面本影與落影的方法有效反映地形起伏的重要的地圖制圖學(xué)方法。在各種小比例尺地形圖、地理圖，以及各類有關(guān)專題地圖上得到非常廣泛的應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)的人工描繪暈渲圖的方法不但費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，而且?guī)в泻艽蟮闹饔^因素。而利用DEM數(shù)據(jù)作為信息源，在地面光照通量數(shù)學(xué)函數(shù)為自變量，計(jì)算該柵格應(yīng)選用輸出的灰度值。由此產(chǎn)生的暈渲圖具有相當(dāng)逼真的立體效果。,通視性分析1,飛行模擬,DEM圖像通過與TM圖像中7個(gè)不同波段進(jìn)行疊加，生成仿真的真彩色或假彩色三維地形模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行飛行模擬。在模擬環(huán)境中，可以根據(jù)觀察的需要，對地面顯示速度、方位、觀察位置、高程和透視角度等進(jìn)行交互控制，完全達(dá)到身臨其境的效果。同時(shí)它能將大范圍、廣視角和小范圍、高精度有機(jī)結(jié)合起來進(jìn)行顯示。,虛擬城市,在水文和土木工程中的應(yīng)用,DEM為人們定量描述流域水文變化提供了豐富的數(shù)據(jù)源，能自動(dòng)提取流域水文特征。土木工程是DEM應(yīng)用最早的一個(gè)領(lǐng)域，可用于工程項(xiàng)目中的開挖填方、線路勘測設(shè)計(jì)、水利建設(shè)工程等。,水淹區(qū)分析,填挖方分析,動(dòng)態(tài)水淹分析,動(dòng)態(tài)水淹分析,