第六章--GIS分析导论

第六章GIS分析导论6.1空间分析的数学模型•GIS的数据模型分两大类，即矢量数据模型和栅格数据模型。以栅格数据模型为存储结构、地图代数（MapAlgebra）为数学基础的空间分析方法自1980年代后期以来成为GIS技术发展的重要方向，并日趋成熟。它的最大特点就是能够对空间问题进行建模，因此已成为衡量一个GIS功能强弱的关键指标之一。一.栅格数据模型•1、概念•栅格数据模型是一种简单直观的空间数据结构，又称网格结构或像元结构•是将地球表面划分为大小相等的网格阵列，每个网格作为一个像元或像素由行、列定义，并包含一个代码表示该像素的属性类型或量值，或仅仅包含指向其属性记录的指针。•因此，栅格数据是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地理要素的非几何属性特征2.栅格数据结构获取方法•栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地理要素的非几何属性特征。•特点：属性明显，定位隐含。•获取方法：•(1)手工网格法；•(2)扫描数字化法；•(3)分类影像输入法；•(4)数据结构转换法。二.矢量数据模型XYijx1y1x2y2xiyixnyn1、概念矢量数据模型的矢量结构是通过记录坐标的形式来表示点、线、面(多边形)等地理实体。特点：定位明显，属性隐含。获取方法：(1)手工数字化法；(2)手扶跟踪数字化法；(3)数据结构转换法。比较内容矢量结构栅格结构数据结构复杂简单数据量小大图形精度高低图形运算、搜索复杂、高效简单、低效软件与硬件技术不一致一致或接近遥感影像格式要求比较高不高图形输出显示质量好、精度高，但成本比较高输出方法快速，质量低，成本比较低廉数据共享不易实现容易实现拓扑和网络分析容易实现不易实现三矢量结构与栅格结构的比较四三维数据结构三维数据结构也存在栅格和矢量两种形式。栅格结构使用空间索引系统，它包括将地理实体的三维空间分成细小的单元，称之为体元或体元素。存储这种数据的最简单形式是采用三维行程编码，它是二维行程编码在三维空间的扩充。这种编码方法可能需要大量的存储空间，更为复杂的技术是八叉树，它是二维的四叉树的延伸。三维矢量数据结构表示有多种方法，其中运用最普遍的是具有拓扑关系的三维边界表示法和八叉树表示法。6.2GIS空间分析的基本原理与方法一、栅格数据分析的模式1栅格数据的聚类、聚合分析1）聚类分析概念：空间聚类是根据预先设定的聚类条件，使符合条件的区域输出在图上，不符合条件的区域为空白。（a）栅格数据系统样图(b)提取要素“2”的聚类结果聚类分析示意图在四种类型要素中提取其中要素2的聚类：21;1,3,40示例：空间聚类142357723331761374227444462411345237145312（1）某镇土地利用现状左下图是一幅土地利用栅格图（1.耕地，2.园地，3.林地，4.居民点，5.独立工矿，6.水域，7未利用地），设定条件可以是：E=（属性=“水域”）∩（面积≥1公顷）∩（水域邻接居民点），右下图是输出结果。这类聚类条件的设定常用于位址规划。6444446图空间聚类分析输出图形2）聚合分析概念聚合分析是根据预先设定的聚合条件，在同一图层上进行数据类别的合并或转换，以实现空间地域的兼并，从而将复杂的空间数据合并成预定的类别空间聚合的结果往往是将复杂的类别转换为较简单的类别，大多数以小比例尺图形输出。当从大比例尺图形向小比例尺图形转换时，常使用这种方法。(a)(b)栅格数据的聚合a:=3b:31耕地2园地3林地4居民点5独立工矿6水域7未利用地耕地、园地、林地、水域农用地；居民点、独立工矿建设用地未利用地未利用土地聚类、聚合分析应用栅格数据的聚类聚合分析处理法在数字地形模型及遥感图象处理中的应用是十分普遍的。例如，由数字高程模型转换为数字高程分级模型便是空间数据的聚合，而从遥感数字图象信息中提取其一地物的方法则是栅格数据的聚类信息复合模型(overlay)包括两类：即简单的视觉信息复合和较为复杂的叠加分类模型。正因为如此，栅格数据常被用来进行区域适应性评价、资源开发利用、规划等多因素分析研究工作。在数字遥感图象处理工作中，利用该方法可以实现不同波段遥感信息的自动合成处理。视觉信息复合是将不同专题的内容叠加显示在结果图件上，参加复合的平面之间没发生任何逻辑关系，仍保留原来的数据结构；叠加分类模型则根据参加复合的数据平面各类别的空间关系重新划分空间区域，使每个空间区域内各空间点的属性组合一致。叠加结果生成新的数据层，该数据层图形数据记录了重新划分的区域，而属性数据库结构中则包含了原来的几个参加复合的数据层的属性数据库中所有的数据项。2栅格数据的信息复合分析（1）、概念视觉信息复合是将统一地区的统一比例尺的不同含义的图形图像进行叠合显示在屏幕上或结果图件上，以便判断不同地理实体的空间关系，从而获取更多的空间信息。视觉信息复合中，不改变各图层数据结构，也不形成新的数据，只给用户带来视觉效果，用于目视分析。1）视觉信息复合A点、线和面状图之间的复合通过点线和面状图的相互复合，寻求特征信息在空间上的关联性。在这里强调的是复合图之间的关系，而不是强调生成新的目标。如要了解居民点与污染区空间位置关系，就可以把居民点图和污染分区图进行点与面的视觉复合。直觉上可以看到各个居民点的污染轻重。又如旅游者在确定旅游线路时，可把该地区的旅游景点图、地形、交通和旅游者位置进行信息复合，从而帮助旅游者确定旅游线路等。面状图、线状图和点状图之间的复合面状图与专题区域边界之间的复合B遥感信息和专题图的视觉复合遥感信息和非遥感信息结合是地理信息系统和遥感相结合的基础，遥感和地理信息系统所处理问题具有互补性。遥感图上信息丰富，但缺乏行政区划界线等非遥感信息，这样不利于区域分析。另外，在遥感分类中常常出现比较麻烦的“异物同谱”现象。如荒草和牧草，果园和灌木等，从遥感角度看，因为具有相同的光谱特性而无法区分，这时如把遥感分类图和专题图或地形图进行视觉复合，就可以直觉地解决某些“异物同谱”分类问题，从而大大提高遥感分类精度。遥感影像与专题地图的复合C专题图和数字高程图视觉复合专题图通常用平面图来表示，而数字高程模型（DEM）的立体彩色显示是具有高度真实感的，如果把各种专题图和数字高程图复合生成立体专题图，可以大大增强视觉效果，便于人们认识和研究自然资源。例如，把旅游图和数字高程图结合生成立体旅游景观图，有利于人们观察景点分布和旅游路线选择；再如将野生动物分布图与数字高程图结合，生成立体野生动物分布图，可以帮助动物学家对野生动物群体生存环境的研究。专题地图与数字高程模型复合遥感影像与DTM复合2栅格数据的信息复合分析根据参加复合的栅格数据层不同类别的空间关系重新划分空间区域，每个空间区域内各空间点的属性组合一致。叠加结果生成新的数据层，该数据层图形数据记录了重新划分的区域，而属性数据库结构中则包含了原来的几个参加复合的数据层的属性数据库中所有的数据项。叠加分类模型用于多要素综合分类，以划分最小地理景观单元，进一步可进行综合评价以确定各景观单元的等级序列。2）叠加分析模型叠加分析的定义•叠加是把分散在不同层上的空间、属性信息按相同的空间位置叠加到一起，合为新的一层。叠合过程往往是对空间信息和对应的属性信息作集合的交、并、差、余运算，也可再进一步对属性作其他的数学运算。复合运算方法•空间逻辑运算为讨论方便将空间图层A，B定义为二值图象1、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∈B3、空间逻辑差运算；A-B=XX∈A且X∈B4、空间包含；AB逻辑判断复合法复合运算方法逻辑判断复合法设有A、B、C三个层面的栅格数据，一般可以用布尔逻辑算子以及运算结果的文氏图（见图6-3）表示其一般的运算思路和关系例：有土壤厚度（大于50厘米）和土壤类型（红壤和其他类型）两个二值化图层，不同的逻辑运算结果如下：AND关系：结果是将土层厚度大于50厘米，且土壤为红壤的土壤单元显示出来；OR关系：结果将土层厚度大于50厘米，或者土壤为红壤的土壤单元显示出来；XOR：结果将土层厚度小于50厘米，或者土壤不是红壤的土壤单元显示出来；NOT:如结果是将土层厚度大于50厘米，但土壤不是红壤的土壤单元显示出来；逻辑关系运算例AB123A1A2A3B1B2标号地貌A阳坡B阴坡标号植被1林地2农地3牧地标号综合属性A1阳坡林地A2阳坡农地A3阳坡牧地B1阴坡林地B2阴坡农地基于栅格数据结构的叠加分析复合运算方法数学运算复合法指不同层面的栅格数据逐网格按一定的数学法则进行运算,从而得到新的栅格数据系统的方法。其主要类型有以下几种:算术运算指两层以上的对应网格值经加、减运算，而得到新的栅格数据系统的方法。这种复合分析法具有很大的应用范围。图6-4给出了该方法在栅格数据编辑中的应用例证。算术运算1111111111111111111111111111111111222231111111111111111111113ABCD=A+B+CE=|A-B|F=D-E在ArcGIS中，使用栅格计算器(MapCalculator)可以很方便地实现栅格图层的复合/叠置运算。复合运算方法函数运算指两个以上层面的栅格数据系统以某种函数关系作为复合分析的依据进行逐网格运算，从而得到新的栅格数据系统的过程。这种复合叠置分析方法被广泛地应用到地学综合分析、环境质量评价、遥感数字图像处理等领域中。只要得到对于某项事物关系及发展变化的函数关系式，便可运用以上方法完成各种人工难以完成的极其复杂的分析运算。这也是目前信息自动复合叠置分析法受到广泛应用的原因。02313142124324114231314111223102AB0231314212432411A4231314111223102B+22313141.511.532.52.52.50.51.5C[f（a，b）]C=(A+B)/2函数运算利用土壤侵蚀通用方程式计算土壤侵蚀量时，就可利用多层面栅格数据的函数运算复合分析法进行自动处理。一个地区土壤侵蚀量的大小是降雨(R)、植被覆度(C)、坡度(S)、坡长（L）、土壤抗蚀性(SR)等因素的函数下面以工业厂址适宜性分析为例，来说明栅格叠置分析过程。（1）选址分析：①工业设施不允许位于自然保护区内；②起伏地形会增加建筑造价，陡坡更不合适；③未利用用地或农用地相对便宜；④购买居民区或现存工业区不可取，因为这不仅带来高的代价，同时，还带来移民安置等问题，故尽可能选择人口稀少地区；⑤交通便利。（2）空间数据准备：根据以上分析，为了选择合适的厂址，涉及到下列数字地图：①土地利用现状图；②地形坡度图；③人口密度图；④交通运输图；⑤自然保护区图。下面以工业厂址适宜性分析为例，来说明栅格叠置分析过程。（3）操作步骤如图所示：①对各影响因素进行再分类，以表示每一个方面的适宜性。如可把土地利用重新分成三类适宜性：空地=高，农业区=中，居民区和工业区=低。人口密度可重新分成四类：5人/hm2(公顷)=很高适宜性，5～10人/hm2=高，10～30人/hm2=中，30人/hm2=低。用同样的方法对其他影响因素进行再分类；②对每一个方面用加权因子来表明其相对重要性；③将这些数字地图叠置，并在每个网格单元上将这四个值相加；④适宜性分析：在结果地图上，得分高的网格单元就意味着被组合的四个方面高的适宜性。对于自然保护区，则加上一个严厉限制，即在这些区域的网格单元中把适宜性置零值；⑤根据适宜性分析计算，确定厂址。栅格叠置分析示例3栅格数据的追踪分析所谓栅格数据的追踪分析是指对于特定的栅格数据系统，由某一个或多个起点，按照一定的追踪线索进行目标追踪或轨迹追踪，以便信息提取的空间分析方法。323812171817499121823232041516202528262031221233332292071425323931251412212730322417111522342521151281619202