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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：是GIS區(qū)別于其他類型系統(tǒng)如(CAC, CAD）的一個最主要的功能特征，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，有時需要提取同一地區(qū)不同專題的屬性。例如，某地在進(jìn)行農(nóng)作物估產(chǎn)時，需要提取該地區(qū)的土地利用、氣溫、降水、日照時間等基本信息(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。 實現(xiàn)方法 傳統(tǒng)的透明材料疊加方法 GIS中實現(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,點與多邊形疊加,處理過程 通過計算每個點相對于多邊形線段的位置，進(jìn)行點是否在一個多邊形中的空間關(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上。 將點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)。 計算過程：通常是計算線與多邊形的交點、只要相交，就產(chǎn)生一個結(jié)點，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。 計算結(jié)果：疊加的結(jié)果產(chǎn)生了一個新的數(shù)據(jù)層面，每條線被它穿過的多邊形打斷成新弧段圖層，同時產(chǎn)生一個相應(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,多邊形疊加將兩個或多個多邊形圖層進(jìn)行疊加產(chǎn)生一個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，再根據(jù)這些交點重新進(jìn)行多邊形拓?fù)溥\(yùn)算，對新生成的拓?fù)涠噙呅螆D層的每個對象賦一多邊形唯一標(biāo)識碼，同時生成一個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)一個最為突出的優(yōu)點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、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，有時需要確定某些地理實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)改變某個轄區(qū)的行政邊界時，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、線、面實體，自動建立他們周圍一定距離的帶狀區(qū)，用以識別這些地理實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,點的緩沖區(qū)生成：以點為圓心，以一定的距離為半徑畫圓 線的緩沖區(qū)生成：分別以每一個頂點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，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)模型中的一個基本模型，它的根本目的是研究、籌劃一項網(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)輸費用最低等。其基本思想則在于人類活動總是趨于按一定目標(biāo)選擇達(dá)到最佳效果的空間位置。這類問題在社會經(jīng)濟(jì)活動中不勝枚舉。 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(Node)，網(wǎng)絡(luò)中鏈的結(jié)點，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)中鏈上流動的點； 拐點(Turn)，出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)鏈中的分割結(jié)點上，狀態(tài)屬性有阻力，如拐彎的時間和限制(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間限制)。 站點(Stop)，在路徑選擇中資源增減的結(jié)點，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：確定起點或終點，求代價最小的N條路徑，因為在實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路徑：確定起點、終點和要經(jīng)過的中間點、中間連線，求最短路徑或最小耗費路徑。 動態(tài)最佳路徑分析：實際網(wǎng)絡(luò)中權(quán)值是隨權(quán)值關(guān)系式變化的，可能還會臨時出現(xiàn)一些障礙點，需要動態(tài)的計算最佳路徑 。 動態(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或要求定位某一公路上的某一點，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塊，每塊用一種數(shù)學(xué)函數(shù)，如傅立葉級數(shù)高次多項式、隨機(jī)布朗運(yùn)動函數(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。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)采樣點或由規(guī)則或不規(guī)則離散數(shù)據(jù)點內(nèi)插產(chǎn)生。由于計算機(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：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)計的一種采樣表示系統(tǒng)。 TIN表示法利用所有采樣點取得的離散數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合的原則，把這些離散點(各三角形的頂點)連接成相互連續(xù)的三角面(在連接時，盡可能地確保每個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)的計算。因為TIN可根據(jù)地形的復(fù)雜程度來確定采樣點的密度和位置，能充分表示地形特征點和線，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)，計算機(jī)自動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工、費時，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，能自動提取流域水文特征。土木工程是DEM應(yīng)用最早的一個領(lǐng)域，可用于工程項目中的開挖填方、線路勘測設(shè)計、水利建設(shè)工程等。,水淹區(qū)分析,填挖方分析,動態(tài)水淹分析,動態(tài)水淹分析,