地理信息系统原理_孔金玲_第七章空间查询与空间分析

第七章空间查询与空间分析主要内容：7.1空间查询7.2空间分析第七章空间查询与空间分析7.1空间查询根据空间特征本身的特性及与其他特征之间的空间关系，用一定方式查询满足条件的特征。7.1.1空间几何查询应用GIS本身具有的几何量算的功能，查询空间特征的几何参数。点：坐标，两点间的距离。线：长度，点到线的距离。面：面积，周长。第七章空间查询与空间分析7.1空间查询7.1.2空间定位查询（图形——属性）图形的定位（选择）有多种形式：（1）点查询：查询一个对象；（2）矩形查询；（3）圆查询；（4）多边形查询。后三者都是查询一组对象。例如查询落入某行政区内的道路、景点等。第七章空间查询与空间分析7.1空间查询7.1.3空间关系查询邻接查询邻接关系包含查询包含关系穿越查询线面相交关系落入查询包含关系缓冲区查询包含关系反向查询例如：A包含B，若由A查询B则为包含查询；反之，若由B查询A则为落入查询。第七章空间查询与空间分析7.1空间查询7.1.4SQL（结构化查询语言）查询由属性条件查询相应的图形。用SQL语言构造条件语句，查询满足条件的图形。例如：查询人口＞50万的县或市。Select人口（属性项）From县或市（属性表）Where县或市•人口＞50万（条件）一般的GIS软件都设计了比较好的用户界面，交互式选择和输入有关语句的内容，代替键入完整的查询条件语句。另外，SQL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。如P232例子。过渡第七章空间查询与空间分析7.2空间分析利用空间特征之间的空间关系通过空间运算得到新的信息或知识。空间分析是基于空间数据的分析技术，它以地学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态等信息。GIS中，空间分析是比空间查询更为深刻的内容，通过空间分析可以派生出新的信息（知识）。第七章空间查询与空间分析7.2.1叠置分析同一地区，同一比例尺的两个或两个以上的图层进行叠置（其中至少有一个图层是多边形图层亦称基本图层，其它图层可以是点、线、面图层）。生成具有多重属性的新的图层和属性。（1）空间逻辑运算：例：Ａ：土层厚度＞50ｃｍ，Ｂ：种植小麦ａ、逻辑交运算：ｃ＝Ａ∩Ｂ（表示土层厚度＞50ｃｍ并且种植小麦的土地）；ｂ、逻辑并运算：ｃ＝Ａ∪Ｂ（表示土层厚度＞50ｃｍ以及种植小麦的土地）；ｃ、逻辑差运算：ｃ＝Ａ－Ｂ（表示土层厚度＞50ｃｍ不种植小麦的土地）。第七章空间查询与空间分析7.2.1叠置分析（2）基于栅格的叠置分析：11000101Ａ：土层厚度＞50ｃｍＢ：种植小麦a、逻辑交运算：Cij=Aij∩Bij={1当Aij=1且Bij=10当Aij=0或Bij=00100b、逻辑并运算：Cij=Aij∪Bij={1当Aij=1或Bij=10当Aij=0且Bij=01101c、逻辑差运算：Cij=Aij－Bij={1当Aij=1且Bij=00当Aij=0以及Aij=1且Bij=11000参见P238-P240例子第七章空间查询与空间分析7.2.1叠置分析（3）基于矢量的叠置分析：ａ、点与多边形的叠置——生成点层，带有多边形属性；ｂ、线与多边形的叠置——生成线层，带有多边形属性；ｃ、多边形与多边形的叠置：逻辑交、逻辑并、逻辑差运算可得三种叠置结果。ARC/INFO提供的多边形与多边形的叠置分析，包括六种操作：Union；Intersect；Identity；Erase；Update；Clip。参见P240-P241例子讨论空间叠置分析的应用第七章空间查询与空间分析7.2.2缓冲区分析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，得到所需的结果。（1）点缓冲区；（2）线缓冲区；（3）面缓冲区。缓冲区的建立P245。缓冲区：等距离和变距离讨论缓冲区分析的应用第七章空间查询与空间分析7.2.3泰森多边形分析（1）由离散点建立泰森多边形；（2）由多边形内唯一一个离散点的值代表多边形的值。泰森多边形的数学意义：（1）每个多边形内有且只有一个离散数据点；（2）若点M位于含离散点i与j的两个多边形的公共边上，则Mi=Mj；（3）若点M位于含离散点ｉ的多边形内，则对其它任意离散点ｊ，恒有Mi＜Mj。泰森多边形分析，在区域地学分析，地形分析中具有广泛的应用价值。第七章空间查询与空间分析7.2.4DTM分析（DigitalTerrainModel）是描述地面诸特性空间分布的有序数值阵列。通常，所记的地面特性是高程Ｅ，由此，构成的数字地面模型为数字高程模型DEM（DigitalElevationModel）。其中，按平面上等间距规则采样或内插所建立的DTM，称为栅格DTM。表示为：DTM={Zij}，（i=1、2……m,j=1、2……n）Z为栅格结点（ｉ,ｊ）上的地面属性数据。第七章空间查询与空间分析7.2.4DTM分析（DigitalTerrainModel）(1)地形因子的自动提取a、坡度计算：格点面元趋势面在格点面元形心的向上法线cn与通过该点的向上垂直方向线cz的夹角，称为格点面元坡度，记为α。b、坡向分析：格点面元趋势面在格点面元形心处的向上法线cn在水平面上的投影c0n0与二维平面纵坐标轴的正方向c0x的夹角称为格点面元坡向，记为θ。（顺时针为正）(2)地表形态的自动分类a、拟定地形分类决策表；b、按提取的地形类型信息分类（高程、坡度、坡向）。第七章空间查询与空间分析7.2.5网络分析网络分析是为了全面地描述网状事物以及它们的相互关系和内在联系，而基于点和线组成的网状数据所进行的空间分析。网络分析被广泛地应用于城市交通规划与管理、地下管网的管理和维护、电力、通讯、有线电视等系统的管理和维护。第七章空间查询与空间分析7.2.5网络分析（1）网络图论的基本概念图论：以抽象的形式来表达确定的事物，以及事物之间特定关系的数学系统。表示形式：G=(V,E)其中：V(G)={vi}i=1,……,n(结点)E(G)={(vi,vj)/vI∈V,vj∈V}(边界)包括有向图，无向图，赋权有向图，记为G=（V,E,W）等。第七章空间查询与空间分析7.2.5网络分析（1）网络图论的基本概念描述图的最直观方法——图形。在计算机中，是用矩阵记录图形，如：邻接矩阵（V—V），关联矩阵（V—E）。例：v1v2v3v4v5e6e7e5e4e3e1e2D(G)=邻接矩阵（V—V）关联矩阵（V—E）1Vi和Vj邻接0Vi和Vj不邻接或i=jdij={A(G)=1Vi和ej关联0Vi和ej不关联aij={第七章空间查询与空间分析7.2.5网络分析（2）路经分析（一个优化问题）——最佳路径选择为了求得最短路径，需解算任意两点之间的距离WIj，然后求得最佳路径。若W=[Wij]nnWij0，i，j邻接（对于无向图，WIj=Wji）Wij=，i，j不邻接Wij=0，i=j。V1V4V6V5V2V3V8V71323333112324例:W=V1V2V3V4V5V6V7V8V1V2V3V4V5V6V7V8第七章空间查询与空间分析7.2.5网络分析（2）路经分析用Dijkstra（戴克斯徒拉）算法，求得最短路径Skl：a、令起点k标号为0,其它结点标号为∞；b、j结点暂时标号：其值为min[j的旧标号,（i的旧标号+Wij）]；c、找出暂时标号的最小值作为相应结点的固定标号；d、重复b、c直到终点l被定标为止，且Skl的最短距离即为l的定标值。第七章空间查询与空间分析W=V1V2V3V4V5V6V7V8V1V2V3V4V5V6V7V8V1V4V6V5V2V3V8V71323333112324例:用Dijkstra算法，求V1到V7的最短路径:V1V2V3V4V5V6V7V8①确定起点0(∞)(∞)(∞)(∞)(∞)(∞)(∞)②标定V10(1)(2)(∞)(∞)(∞)(∞)(∞)③标定V201(2)(4)(4)(∞)(∞)(∞)④标定V3012(4)(4)(∞)(∞)(6)⑤标定V40124(4)(7)(∞)(6)⑥标定V501244(7)(∞)(6)⑦标定V801244(7)(7)6⑧标定V701244(7)76最短路径：V1V3V8V7第七章空间查询与空间分析7.2.6空间分析的应用（1）公园选址步骤1：建立分析的目的和标准公园的位置既要交通便利又要环境安静（距公路的距离S:0.25kmS1.25km）；公园应设计成环绕一个天然的小河流；使公园的可利用面积最大，公园中没有沿河流分布的沼泽地。第七章空间查询与空间分析7.2.6空间分析的应用（1）公园选址步骤2：准备空间操作的数据道路图层（ROADS）；河流图层（STREAMS，河段分类级别用CLASS标识）；沼泽地图层（MARSH，用TYPE属性区分沼泽地和非沼泽地）。第七章空间查询与空间分析7.2.6空间分析的应用（1）公园选址步骤３：进行空间操作建立缓冲区：按0.25km和1.25km的缓冲距离分别建立缓冲区多边形，提取可建公园的区域（两个缓冲区多边形相减后的环形区域），形成新图层ZONES；空间叠置分析：首先，ZONES图层与MARSH图层叠加，生成图层ZMARSH；然后，将STREAMS图层与ZMARSH图层叠加，生成图层SITECOV（线图层）。特征提取：从SITECOV图层，提取CLASS=2ANDINSIDE=100ANDTYPE=99的特征，提取的河段即是适合建公园的地段，并以新的图层存放。第七章空间查询与空间分析（2）洪水灾害损失估算步骤1：建立分析的目的和标准分析的目的是确定由于一次大的洪水可能给居民造成的总的经济损失。分析标准：计算损失的地区必须是位于洪泛区的居民居住区；洪泛区中最高的洪水位高度限制在500米；预期的经济损失与洪泛区的土地价格和土地损失因子有关。第七章空间查询与空间分析（2）洪水灾害损失估算步骤2：准备空间操作的数据地块图层（LOTS），属性：地价（VALUE），土壤类型（SOILS）、使用类型（ZONING,是否是居民区）；等高线产生的多边形图层（CONTOURS），属性：高程（ELEV,多边形范围内最高高程）；土壤类型与土地损失因子对照表（LOOKUP）；计算每个地块的单位地价（VAL-UNIT,地价/面积）。SOILSSTABILITYFACTORAGOOD0.25BMODERATE0.50CLOW0.75第七章空间查询与空间分析7.2.6空间分析的应用（2）洪水灾害损失估算步骤３：进行空间操作空间叠置分析（UNION）：将LOTS图层与CONTOURS图层叠加，生成FLDLOTS图层。损失估算：①在FLDLOTS.PAT中加入一个新的属性项LOSS,并将计算结果放入该项中；②提取洪泛区居民区信息：ELEV=500ANDZONING=R③计算损失值：LOSS=(AREA*VAL-UNIT)*FACTOR,总的损失值为LOSS的总和。第七章空间查询与空间分析7.2.6空间分析的应用（3）道路拓宽改建过程的拆迁指标计算计算建筑物的拆迁面积和房产价值（4）长江三峡工程是举世注目的重大水利工程。若根据蓄水前后的水位计算淹没区范围、淹没耕地面积及淹没区移民数量，你需要哪些基本数据？并结合GIS的功能给出详细的技术方案和实现过程。