第7章空间查询与空间分析

第七章空间查询与空间分析空间分析是地理信息系统的核心功能之一，它特有的对地理信息（特别是隐含信息）的提取、表现和传输功能，是地理信息系统区别于一般信息系统的主要功能特征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，其目的在提取和传输空间信息本章主要介绍GIS中实现空间分析的基本功能，包括:空间查询与量算，缓冲区分析、叠加分析、路径分析、空间统计分类分析等，并描述了相关的算法，以及其中的计算公式1.空间查询2.叠置分析3.缓冲区分析4.网络分析5.三维空间分析6.空间统计分析本章重点与作业本章内容：空间查询是GIS的最基本最常用的功能，也是区别于其它数字制图系统的主要特征1.1几何参数查询1.2空间定位查询1.3空间关系查询1.4SQL查询1.空间查询空间对象的几何参数查询功能主要是查询空间对象的几何参数，主要包括点对象的位置坐标查询两点之间的距离查询、点到线之间最短距离查询线对象的长度、曲率、方向查询面对象的周长、面积等查询体对象的表面积、体积等查询其中线对象的长度、面对象的周长和面积是软件自动计算生成的，无需人工计算和编辑;计算方法在第五章介绍过1.1几何参数查询形状量测如果认为一个标准的圆目标既非紧凑型也非膨胀型的，则可定义其形状系数据r为其中，P为目标物周长，A为目标物面积如果r1，目标物凑型r=1目标物为一标准圆r1，目标物为膨胀型APr2ABc1.2空间定位查询空间定位查询是指给定一个点或一个几何图形，检索出该图形范围内的空间对象以及相关属性1）按点查询给定一个鼠标点位（在图形窗口中用鼠标左键点击），检索出离它最近的空间对象，并显示它的属性2）按矩形查询给定一个矩形窗口，查询出该窗口内某一类地物的所有对象，如果需要可以显示每个对象的属性表有两种方式：包含在窗口内、包含或部分压盖；前者要进行对象完全落入窗口内的判断计算3）按圆查询给定一个圆或椭圆，检索出该圆或椭圆内某一类或一层的空间对象，过程与按矩形查询相似4）按多边形查询用鼠标给定一个多边形，或者在图上选定一个多边形对象，检索出该多边形内某一类或一层的空间对象，过程与按矩形查询相似，但是要复杂得多，主要涉及到点、线、面在多边形内的判断计算1.3空间关系查询空间关系查询包括空间拓扑关系查询和缓冲区查询；空间关系查询有些是通过拓扑数据结构直接查询得到，有些是通过空间运算，特别是空间位置的关系运算得到。邻接查询包含关系查询穿越查询落入查询缓冲区查询1）邻接查询邻接查询包括以下两种：多边形邻接查询（多边形－弧段－多边形）线与线的邻接查询（线－弧段－结点－弧段）2）包含关系查询查询某一个面状地物所包含得某一类空间对象，被包含得对象可以是点状地物、线状地物或面装地物；查询过程与多边形定位查询一致3）穿越查询查询某一条公路和某一条河流所穿越的县市或乡镇例如：查找京广线穿越的省份，过程：1）打开china.tab、province.tab和rail.tab2）打开SQL对话框，在条件文本框内键入表达式：PROVINCE.objIntersects(selectobjfromrailwherename=京广线)4）落入查询属于了解某一空间对象落在那个空间对象内的情况例如，查询某一个国家等级控制点落在那个乡镇的地域范围内；查询某个工厂落在城市的某个区内涉及到点、线、面在多边形内的判断计算5）缓冲区查询先作点、线或面的缓冲区，然后判断落入缓冲区内的地物例如，了解某铁路沿线20公里范围内的城镇；求一污染源（烟囱污染、河流污染）所影响的区域地带1.4SQL查询GIS的一个主要功能特色之一就是能够根据图形查询到属性和根据属性条件查询到相应的图形前面介绍的都是根据空间图形查询空间关系及相应的属性，这一部分介绍如何根据属性查找图形主要包括：查找SQL查询扩展的SQL查询1）查找是最简单的由属性查询图形的操作不需要SQL命令，在属性表给定一个属性值，就可以找到对应属性记录和空间图形（居中显示）2）SQL查询GIS软件通常支持标准的SQL查询语言，标准SQL查询语言是：Select需显示的属性项From属性表Where条件or条件And条件进一步复杂的查询还可以进行嵌套，即Where的条件中可以进一步嵌套Select语句一般GIS提供了用户查询界面，即SQL语句输入对话框例如，在美国地图上查找“pop_1980”2000000的州1）单击【查询｜扩展SQL查找】菜单项或查询工具条按钮，弹出“扩展SQL查询”对话框2）在“待查属性表”编辑框中输入或在“属性表列表”下拉框中选择“statess”；3）在“条件表达式”编辑框中输入“pop_19802000000”的条件表达式在中国省区图上选取1990年人口数在平均人口数以上的省区3）扩展的SQL查询将SQL的属性条件和空间关系的图形条件组合在一起形成扩展的SQL查询语言空间关系谓词通常有：Ajacent、Contain、Cross、Inside、Buffer等例如，MapInfo提供的扩展的SQL查询图形操作符：Contains:第一个对象包含第二个对象的中心ContainPart:第一个对象包含第二个对象的一部分ContainEntire:第一个对象包含整个第二个对象Within:第一个对象的中心在第二个对象内PartlyWithin:第一个对象的一部分在第二个对象内EntirelyWithin:第一个对象的完全在第二个对象内Intersects:两个对象在某处相交例如,查询三峡地区长江流域人口大于50万的县或市，扩展的SQL空间查询语句为：Select*From县或市Where县或市·人口＞50万AndCross（河流·名称=“长江”）2.叠置分析空间叠置是一种非常重要的空间分析分析功能，在日常工作中我们需要了解诸如一个乡的森林覆盖面积、一个县的公路里程数、一个区域内的河流密度、一个区域内的中小学校数等一类的问题，空间叠置分析可以解决此类问题空间叠置至少涉及到两个图层、其中至少一个图层是多边形图层（基本图层），另一个图层可以是点、线、面空间叠置方法从数据类型来看可以分为基于栅格数据的叠置、基于矢量数据的叠置两种；从空间叠置对象来看可以分为：视觉信息叠加、点与多边形叠加、线与多边形的叠置、多边形叠加、栅格图层叠加1）空间逻辑运算的概念假设欧氏空间的图层A、B为二值图像，或A、B为两个多边形，则存在以下布尔逻辑运算ABABA-BAB(AB)-(AB)2）基于栅格的叠置分析（A）不经过压缩的两个栅格图像叠置分析非常简单和高效；设任意两个图层Aij、Bij，要得到结果集Cij，只要对每个栅格元素进行逻辑运算（B）基于线性四叉树的两个基本块的逻辑运算MA(小)MA´(大)（4）（3）（3）（4）（4）或（2）（1）（3）（C）空间逻辑叠置运算实例逻辑交运算：查询土壤厚度50cm的小麦地逻辑并运算：查询土壤厚度50cm，以及耕种小麦的土地逻辑差运算：不生长在钙土中的森林（D）基于栅格图层叠加的空间模拟空间模拟需要通过各种各样的方程将不同数据层面进行叠加运算，以揭示某种空间现象或空间过程例如,土壤侵蚀强度与土壤可蚀性，坡度，降雨侵蚀力等因素有关，可以根据多年统计的经验方程，把土壤可蚀性、坡度、降雨侵蚀力作为数据层面输入，通过数学运算得到土壤侵蚀强度分布图实例：有一个森林地区融雪经验模型：M=（0.19T+0.17D）式中，M是融雪速度（厘米/天），T是空气温度，D是露点温度；根据此方程，使用该地区的气温和露点温度分布图层，就能计算该地区融雪速率分布图计算过程是先分别把温度分布图乘以0.19和露点温度分布图乘以0.17，再把得到的结果相加3）视觉信息叠加视觉信息叠加是将不同侧面的信息内容叠加显示在结果图件或屏幕上，以便研究者判断其相互空间关系，获得更为丰富的空间信息。地理信息系统中视觉信息叠加包括以下几类：点状图、线状图和面状图之间的叠加显示面状图区域边界之间或一个面状图与其他专题区域边界之间的叠加遥感影象与专题地图的叠加专题地图与数字高程模型（DEM）叠加显示立体专题图（DOM-TM30+1:25万DLG-水系）4）点与多边形叠加主要确定每个点状对象落在那个多边形内通过点在多边形内的判断来实现叠置结果：原有点的属性、多边形标识和多边形（部分）属性例如，一个中国政区图（多边形）和一个全国矿产分布图（点），二者经叠加分析后，并且将政区图多边形有关的属性信息加到矿产的属性数据表中，然后通过属性查询，可以查询指定省有多少种矿产，产量有多少；而且可以查询，指定类型的矿产在哪些省里有分布等信息5）线与多边形的叠置线与多边形的叠置分析亦是将线的图层叠置在多边形的图层上，以确定一条线落在哪一个多边形内往往一个线目标跨越多个多边形，这时需要先进行线与多边形边界的求交，并将线目标进行切割，形成一个新的空间目标的结果集实例1：如果线状图层为河流，叠加的结果是多边形将穿过它的所有河流打断成弧段，可以查询任意多边形内的河流长度，进而计算它的河流密度等实例2：如果线状图层为道路网，叠加的结果可以得到每个多边形内的道路网密度，内部的交通流量，进入、离开各个多边形的交通量，相邻多边形之间的相互交通量6）多边形叠加多边形叠加将两个或多个多边形图层进行叠加产生一个新多边形图层的操作，其结果将原来多边形要素分割成新要素，新要素综合了原来两层或多层的属性叠加过程可分为几何求交过程和属性分配过程两步：几何求交过程首先求出所有多边形边界线的交点，再根据这些交点重新进行多边形拓扑运算，对新生成的拓扑多边形图层的每个对象赋一多边形唯一标识码；生成一个与新多边形对象一一对应的属性表属性分配过程：1）最典型的方法是将输入图层对象的属性拷贝到新对象的属性表中，或把输入图层对象的标识作为外键，直接关联到输入图层的属性表，这种属性分配方法的理论假设是多边形对象内属性是均质的，将它们分割后，属性不变；2）结合多种统计方法为新多边形赋属性值应用：多边形叠加完成后，根据新图层的属性表可以查询原图层的属性信息，新生成的图层和其它图层一样可以进行各种空间分析和查询操作多边形叠加分析由于矢量结构的有限精度原因，几何对象不可能完全匹配，叠加结果可能会出现一些碎屑多边形（SilverPolygon），通常可以设定一模糊容限以消除它叠加生成的碎屑多边形T2时刻多边形多边形叠加结果T1时刻多边形缓冲区分析的概念与缓冲区查询的概念不完全相同缓冲区查询是不破坏原有空间目标的关系，只是检索得到该缓冲区范围内涉及到的空间目标缓冲区分析则不同，它是对一组或一类地物按缓冲的距离条件，建立缓冲区多边形图，然后将这一个图层与需要进行缓冲区分析的图层进行叠置分析，得到所需要的结果应用，林业方面要求距河流一定范围内禁止砍伐树木的地带，城市道路扩建时，需要求缓冲区内的建筑物缓冲区分析涉及两步操作：第一步是建立缓冲区图层第二步是进行叠置分析3.缓冲区分析1）点缓冲区选择一组点状地物，或一类点状地物或一层点状地物，根据给定的缓冲区距离，形成缓冲区多边形图层例如，距城镇地区距离小于10公里的村庄（人口）；受点源污染的居民区；学校、医院服务区的界定2）线缓冲区选择一类或一层的线状空间地物，按给定的缓冲距离，形成线缓冲区多边形例如，求某河流的受益区域的面积；求沿某公路可能形成的工业走廊；河流保护区的定界3）面缓冲区选择一类或一层面状地物，按给定的缓冲区距离，形成缓冲区多边形面缓冲区有外缓冲区和内缓冲区之分，外缓冲区仅在面状地物的外围形成缓冲区，内缓冲区则在面状地物的内侧形成缓冲区；当然也可以在面状地物的边界两侧均形成缓冲区例如，可以用在湖泊保护区的定界；动植物种群保护区确定某种动物需要依附于湖泊生成，为了选择该类动物的保