第5章空间分析的原理与方法-2

第五章空间分析的原理与方法(2)第五章空间分析的原理与方法第一节空间分析概述第二节空间查询与量算第三节数字地形模型分析第四节空间叠合分析第五节空间缓冲区分析第六节空间网络分析第一节空间分析概述空间分析的含义空间分析的意义空间分析的目的空间分析类型空间分析的主要内容空间分析的步骤各种空间分析术语是地理信息系统的重要组成部分，也是区别于其它类型系统的一个最主要的功能特性。空间分析的意义：空间分析的目的：在于通过对空间数据的深加工或分析，获取新的信息。第一节空间分析概述各种空间分析术语基本的空间分析包括以下方面：空间查询空间量算缓冲区分析叠加分析网络分析空间统计分析空间插值数字高程模型空间建模与空间决策支持系统面向应用的分析简单的空间分析复杂的空间分析第一节空间分析概述第二节空间查询与量算一、空间查询空间查询分为以下几种：1.定位查询2.分层查询3.区域查询4.条件查询5.空间关系查询二、空间量算空间数据的量算是空间信息分析的定量化基础。1)几何量算2)形状量算3)质心量算第二节空间查询与量算第三节数字地形模型分析DTM与DEM概述DEM的主要表示模型DEM的分析与应用原理基于DEM的可视化分析数字地形模型（DTM,DigitalTerrainModel）最初是为了高速公路的自动设计提出来的（Miller，1956）。可用于各种线路选线（铁路、公路、输电线）的设计以及工程的面积、体积、坡度计算，任意两点间的通视判断及任意断面图绘制。在测绘中可用于绘制等高线、坡度坡向图、立体透视图，制作正射影像图以及地图的修测。它还是地理信息系统的基础数据，可用于土地利用现状的分析、合理规划及洪水险情预报等。在军事上可用于导航及导弹制导等。第三节数字地形模型分析一、DTM与DEM概述一、DTM与DEM概述1.DTM：数字地形模型，是定义于二维区域上的一个有限项的向量序列，以离散的平面点来模拟连续分布的地形。DTM={Zi,j}i=1,2,3,…,m-1,m；j=1,2,3,…,n-1,n2.DEM：数字高程模型，是高程关于平面坐标自变量的连续函数的一个有限的离散表示。第三节数字地形模型分析一、DTM与DEM概述DTM中属性为高程的要素叫数字高程模型(DigitalElevationModel，简称DEM)。高程是地理空间的第三维坐标，DEM是地表单元上的高程集合，通常用矩阵表示，广义的DEM可包括等高线、三角网等，这里特指由地表网格单元构成的高程矩阵。数字高程模型DEM第三节数字地形模型分析DEM是建立DTM的“基础数据”或称为单要素图，其它要素均可以从DEM数据直接或间接导出，因此称为“派生数据”，如：平均高程、坡度、坡向等仍是系统数据库中存储的一个层面或基本图件。这些层面都是位置配准的，将它们与其它属性的层面叠置，可以完成多种资源与环境分析。对于DTM，只输入和存储数字高程模型DEM，并保证其精度符合要求，其它派生要素在需要的时候通过计算得到且精度就可以得到保证。数字高程模型DEM第三节数字地形模型分析二、DEM的表示方法第三节数字地形模型分析在地理信息系统中，DEM最主要的三种表示模型是：规则格网模型等高线模型不规则三角网模型规则格网模型规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素，对应一个高程值。第三节数字地形模型分析计算任何不是网格中心的数据点的高程值，使用周围4个中心点的高程值，采用距离加权平均方法进行计算，当然也可使用样条函数和插值方法。规则格网的高程矩阵，可以很容易地用计算机进行处理，特别是栅格数据结构的地理信息系统。它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为DEM最广泛使用的格式。规则格网模型第三节数字地形模型分析格网DEM的缺点是不能准确表示地形的结构和细部，为避免这些问题，可采用附加地形特征数据，如地形特征点、山脊线、谷底线、断裂线，以描述地形结构。格网DEM的另一个缺点是数据量过大，给数据管理带来了不方便，通常要进行压缩存储。规则格网模型第三节数字地形模型分析将地形图蒙上格网，逐格读取中心或角点的高程值，构成数字高程模型。由于计算机中矩阵的处理比较方便，特别是以网格为基础的地理信息系统中高程矩阵已成为DEM最通用的形式。网格法的缺点，即：①地形简单的地区存在大量冗余数据；②如果不改变网格大小，无法适用地形复杂程度不同的地区。人工网格法第三节数字地形模型分析等高线模型等高线模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一条等高线对应一个已知的高程值，这样一系列等高线集合和它们的高程值一起就构成了一种地面高程模型。第三节数字地形模型分析等高线通常被存成一个有序的坐标点对序列，可以认为是一条带有高程值属性的简单多边形或多边形弧段。由于等高线模型只表达了区域的部分高程值，往往需要一种插值方法来计算落在等高线外的其它点的高程，又因为这些点是落在两条等高线包围的区域内，所以通常只使用外包的两条等高线的高程进行插值。等高线模型第三节数字地形模型分析不规则三角网（TIN）模型尽管规则格网DEM在计算和应用方面有许多优点，但也存在许多难以克服的缺陷,不规则三角网（TriangulatedIrregularNetwork,TIN）是另外一种表示数字高程模型的方法,它既减少规则格网方法带来的数据冗余，同时在计算（如坡度）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法。第三节数字地形模型分析对有限个离散点，每三个最邻近点联结成三角形，每个三角形代表一个局部平面，再根据每个平面方程，可计算各网格点高程，生成DEM。不规则三角网是为产生DEM数据而设计的采样系统。该DEM系统克服了高程矩阵中冗余数据的问题，而且能更加有效地用于各类以DEM为基础的计算。不规则三角网方法(TIN)第三节数字地形模型分析三、DEM的分析与应用原理利用DEM可以做以下分析与应用：􀂉基本地形因子分析：如坡度计算、坡向分析、曲面面积计算、地表粗糙度计算、高程及变异分析、谷脊待征分析、日照强度分析、淹没边界计算􀂉地表形态的自动分类􀂉地学剖面的绘制和分析􀂉其它分析：如通视分析等第三节数字地形模型分析1.坡度和坡向的计算：坡度：就是地表单元法向n与Z轴的交角。坡向：就是地表单元法向量n在OXY平面上的投影与X轴之间交角。第三节数字地形模型分析基本地形因子分析2.地表粗糙度计算：地表粗糙度是反映地表的起伏变化与侵蚀程度的指标，定义为地表单元的曲面面积与投影面积之比。3.曲面面积计算4.高程及变异分析基本地形因子分析第三节数字地形模型分析5.谷脊特征分析谷和脊是地表形态结构的主要组成部分，从一般概念上，谷即为地势相对最低的点集，脊为地势相对最高的点集。（P154）6.日照强度分析7.淹没边界的计算第三节数字地形模型分析基本地形因子分析四、基于DEM的可视化分析剖面图制作距离（km）12345AB31234560100200300400A高程（m）12345AB31、剖面分析第三节数字地形模型分析2、通视分析：以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析。第三节数字地形模型分析通视分析有着广泛的应用背景，例如观察哨所的设定，森林中火灾监测点的设定，无线发射塔的设定等。有时还可能对不可见区域进行分析，如低空侦察飞机在飞行时，要尽可能躲避敌方雷达的捕捉，飞行显然要选择雷达盲区飞行。通视分析第三节数字地形模型分析通视问题可以分为五类：1）已知一个或一组观察点，找出某一地形的可见区域。2）欲观察到某一区域的全部地形表面，计算最少观察点数量。3）在观察点数量一定的前提下，计算能获得的最大观察区域。4）以最小代价建造观察塔，要求全部区域可见。5）在给定建造代价的前提下，求最大可见区。通视分析第三节数字地形模型分析第四节空间叠合分析空间叠合分析的概念基于矢量数据的叠合分析基于栅格数据的叠合分析第四节空间叠合分析一、空间叠合分析的概念：空间叠合分析(SpatialOverlayAnalysis)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叠置相加，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对应关系。空间合成叠合：一般用于搜索同时具有几种地理属性的分布区域，或对叠合后产生的多重属性进行新的分类；空间统计叠合：一般用于提取某个区域范围内某些专题内容的数量特征。合成叠合BA土壤图12地貌图2A1B2B1A合成图＋统计叠合321行政图acedgfb土壤图……………ba…面积…34类型数…21区域统计表＋第四节空间叠合分析二、基于矢量数据的叠合分析基于矢量数据的叠合分析是指参与分析的两个图层的要素均为矢量数据。点-面叠合分析线-面叠合分析面-面叠合分析矢量叠合分析的数学基础（空间逻辑运算）为讨论方便将空间图层A，B，C定义为二值图象3、空间逻辑差运算；A-B=XX∈A且X∉B1、空间逻辑并（或）运算；A∪B=XX∈A或X∈B2、空间逻辑交（与）运算；A∩B=XX∈A且X∈B4、空间包含；AB第四节空间叠合分析点与多边形的叠合是确定一个图层上的点落在另一图层的哪个多边形内，以便为图层上的点建立新的属性。例如：将水井与规划区图层相叠合，可确定每口井所属的规划区范围。(1)点与多边性的叠合第四节空间叠合分析*1*3*4*2ADBC点属性1234多边形属性1属性2ABCD点多边形点属性面属性1面属性21A2D3C4B线与多边形的叠合是将线状要素层或网状要素层和多边形叠合，对线和多边形求交运算，根据每个线要素同多边形的关系，以形成新的空间目标集、新的属性表，得到线与多边性联合的属性表。线与多边形的叠合的目的是确定某一线状图层上的弧段落在另一多变性图层上的哪个多边形内，以便为图层的每条弧段建立新的属性。(2)线与多边形的叠合第四节空间叠合分析例如：当确定某一行政区内各种等级道路的里程数时，就需要将道路图与境界图相叠合，计算弧段与多边形边界的交点，在交点处截断弧段，并对弧段重新编号，建立弧段与多边形的归属关系。线与多边形叠合分析第四节空间叠合分析多边形与多边形的叠合是指将两个不同图层的多边形要素相叠加，根据两组多边形的交点来建立多重属性的多边形或进行多边形范围内的属性特征的统计分析。(3)多边形与多边形的叠合第四节空间叠合分析新多边形的属性多边形之间的叠合ID属性101AID属性1X2Y3Z新多边形ID层1多边形属性层2多边形属性10A20X3AX40X5A06A07AY8AZ90Y100Z110Y12Z0XYZ层1A层2新层37910145611212第四节空间叠合分析AB123451B2B1A2A4A3A5B3B4B降雨量土壤类型适宜农作物多边形之间的叠合第四节空间叠合分析多边形与多边形的叠合原理多边形叠合过程分几何求交过程和属性确定过程，算法的核心是多边形求交。①对两个多边形进行边界求交和弧段分割运算，并以新弧段为单位重建拓扑关系；②判断重建多边形落在原始多边形层的哪个多边形内，从而建立新叠合多边形与原始多边形的关系，并抽取属性第四节空间叠合分析取本底多边形取上叠多边形两个多边形相交？两个多边形是包含关系？多边形求交，重建拓扑关系属性抽取，建立关联连接上叠多边形结束？本底多边形结束？ynnn建立包含关系属性抽取yyy结束多边形的叠合流程图第四节空间叠合分析多边形与多边形的叠合分析功能并(Union)：保留两个输入层中所有多边形；交(Intersect)：保留两个输入层中的公共区域判断(Identity)：以输入图层为界，保留边界内的所有多边形；第四节空间叠合分析擦除(Erase)：输出层为保留以其中一输入图层为控制边界之外的所有多边形。即：在将更新的特征加入之前，须将控制边界之内的内容删除。更新(Update)：输出层为一个经删除处理后的图层与一个新特征图层进行合并后的结果。切割(Clip)：输出层为按一个