第七章空间分析课件.ppt
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1、第七章 GIS空间分析空间分析是GIS系统的核心功能之一,也是最重要的功能,是GIS系统与计算机辅助绘图系统等其他系统的主要区别。现代地理信息系统集成多学科的最新技术,例如:关系数据库管理、空间插值、网络分析等,为空间分析提供了强大的工具。空间分析以地理空间数据库为基础,运用多种手段,目的是解决人们所涉及到的地理空间的实际问题,提取和传输空间信息,来辅助决策。杨三红第一节 GIS空间分析概述一空间分析空间分析是以地理事物的空间位置和形态特征为基础,以空间数据运算、空间数据和属性数据的综合运算为特征,提取和产生新的空间1 定义信息的技术和过程。数据的空间分析和空间数据的分析2 理解2.1 空间数
2、据的分析?描述空间对象的非空间特性方法:概率、数理统计、统计学等数学方法特点:?几何特征不是主要限制因子(例:聚类分析、主成分分析)数据处理与一般的数据统计分析基本一致分析结果依托于地理空间,描述空间过程,揭示空间规律和机制。2.2 数据的空间分析?定量描述空间对象的空间位置、关系方法:空间统计学、图论、拓扑学、计算几何等。特点:?是空间事物的描述和说明,特征提取和参数计算?回答是什么、在那里、有多少和怎么样,不回答为什么二空间分析的主要内容1 1 空间位置:空间位置:借助于空间坐标系传递空间对象的定位信息,是空间借助于空间坐标系传递空间对象的定位信息,是空间对象表述的研究基础,即投影与转换理
3、论。对象表述的研究基础,即投影与转换理论。2 2 空间分布:空间分布:同类空间对象的群体定位信息,包括分布、趋势、对同类空间对象的群体定位信息,包括分布、趋势、对比等内容。比等内容。3 3 空间形态:空间形态:空间对象的几何形态空间对象的几何形态4 4 空间距离:空间距离:空间物体的接近程度空间物体的接近程度5 5 空间关系:空间关系:空间对象的相关关系,包括拓扑、方位、相似、相关空间对象的相关关系,包括拓扑、方位、相似、相关三 基本方法1.空间查询与量算:符合条件的查询2.空间数据内插:等高线内插(函数关系)外推3.空间数据在分类:不同的研究需要林地的分类4.缓冲区分析:污染或者危险地带潜在
4、影响区域5.叠加分析:不同时期的土地利用变化6.追踪分析:等高线确定水流方向,汇水区分析7.网络分析:最佳路径的选择(费用、时间等)第二节 GIS空间分析基本方法一空间查询(GIS基本的功能之一)查询和定位空间对象,并对空间对象进行量算是GIS的基本功能之一,它是GIS进行高层次分析的基础。在GIS中,为进行高层次分析,往往需要查询定位空间对象,并用一些简单的量测值对地理分布或现象进行描述,如长度、面积、距离等。实际上,空间分析首先始于空间查询和量算,它是空间分析的定量基础。空间查询特性:回答用户的简单问题/不改变空间数据库数据/不产生新的空间实体和数据/空间查询技术发展由简单到复杂空间查询的
5、方式内容和结果方方 式式内内 容容结结 果果几何查询临近空间对象与属性高亮度显示属性查询空间对象分布属性列表拓扑查询空间关系统计地图SQL查询空间对象与属性1 图形查属性图形查属性是根据图形的空间位置来查询有关属性信息。?根据鼠标所指的空间位置(或通过矩形、圆、多边形等选择空间范围),系统可以查出该位置或范围的空间实体及属性,并显示出该空间对象的属性列表,并可进行有关统计分析。通常这种查询分为两步,首先,根据空间索引,在图形库中找出空间实体,再通过图形库和属性库的连接查出空间实体的属性列表,并显示。?2 属性查图形?属性查图形是根据一定的属性条件来查询满足条件的空间实体的位置。如在中国人口信息
6、系统中查出城市人口大于500万的城市。这类查询主要的操作是在属性库中进行,利用关系数据库的 SQL操作,得到查询结果,又利用属性和图形的对应关系,在图上亮显出选定实体的空间位置。称为SQL查询。?Arc/View中,是通过TABLE下的QUERY命令来完成。3 图形与属性混合查询?图形与属性的混合查询是一种更为复杂的查询,查询的条件并不仅仅是某些属性条件或某个空间范围,而常常是两者的综合,如用户想查询满足以下条件的县城:县城人口大于5万;距离某条铁路不超过 10K M;位于选定的某个区域等。这样的查询常常是基于某些空间关系和属性特征,比较复杂,在空间查询中,是比较难于完成的。?Arc/View
7、中,混合查询通过几个命令的综合来完成。上述例子可通过Map query 和Neighborhood statistic命令结合完成。属性数据与空间数据的联合查询问题:在陕西省确定旅游胜地的可能地点。条件:人口大于2000,据主要公路不超过两公里属性数据查询:布尔运算符?用来连接两个或两个以上的逻辑表达式?运算符:AND、OR、NOT?与运算:Class=2 AND age15或运算:Class=2 OR age15;否运算:NOT(Class=2)AND(age15)例:在地下管网信息系统中,设例:在地下管网信息系统中,设 A A为埋深小于为埋深小于3 3米的煤米的煤气管;气管;B B为长度小
8、于为长度小于300300米的煤气管。米的煤气管。?A AND BA AND B:检索出埋深小于:检索出埋深小于3 3米且长度小于米且长度小于300300米的所有煤气管;米的所有煤气管;?A OR NOT BA OR NOT B:检索出埋深小于检索出埋深小于3 3米及长米及长度大于或等于度大于或等于300300米的所有煤气管;米的所有煤气管;二缓冲区分析?邻近度(Proximity)描述了地理空间中两个地物距离相近的程度度,其确定是空间分析的一个重要手段。交通沿线或河流沿线的地物有其独特的重要性,公共设施的服务半径,大型水库建设引起的搬迁,铁路、公路以及航运河道对其所穿过区域经济的发展的重要性等
9、,均是一个邻近度问题。缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具之一。缓冲区分析是根据数据库的点、线、面实体,自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形实体,从而实现空间数据在水平方向得以扩展的信息分析方法。?点的缓冲区:例如噪音污染、核电厂?线的缓冲区:例如高速公路绿化带(尾气的污染范围、对居民的影响)、河流、高压输电线路等面的缓冲区:例如森林边缘的生态效应,内部物种的活动范围即为正负缓冲区、自然保护区?基本缓冲区类型缓冲区变形?缓冲距离不一定为常数主流用200米,支流用100米?可形成缓冲环核电站:5km,10km,20km,50km?单侧缓冲区单个缓冲区与完整缓冲区缓冲区变异缓冲区用途?查
10、询空间分析据学校一定距离内不能有游戏厅?都是规划中的河流一定范围内不能建筑?道路拆迁估算?商业选址(新建超市、饭店)?森林经营过程中的采伐(距道路的远近、河流两岸、林木的年龄分布、自然更新条件)?例:道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算1 1)明确分析的目的和标准)明确分析的目的和标准目的:计算由于道路拓宽而需拆迁目的:计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑物的面积和房产价值;的建筑物的面积和房产价值;道路拓宽改建的标准是:道路拓宽改建的标准是:a)a)道路从原有的道路从原有的20m20m拓宽至拓宽至60m60m;b)b)拓宽道路应尽量保持直线;拓宽道路应尽量保持直线;决策实例决策实例c)c)部分位于拆迁
11、区内的部分位于拆迁区内的1010层以上的建筑不拆除。层以上的建筑不拆除。2 2)准备进行分析的数据)准备进行分析的数据涉及两类信息:一类是现状道路图;另一类是分析区域内建涉及两类信息:一类是现状道路图;另一类是分析区域内建筑物分布图及相关的信息;筑物分布图及相关的信息;3 3)进行空间操作)进行空间操作a)a)选择拟拓宽的道路,根据拓宽半径,建立道路的缓冲区。选择拟拓宽的道路,根据拓宽半径,建立道路的缓冲区。b)b)将此缓冲区与建筑物层数据进行拓扑叠加,产生一幅新图,将此缓冲区与建筑物层数据进行拓扑叠加,产生一幅新图,此图包括所有部分或全部位于缓冲区内的建筑物信息。此图包括所有部分或全部位于缓
12、冲区内的建筑物信息。4 4)进行统计分析)进行统计分析a)a)对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择,凡部分落对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择,凡部分落入拆迁区且楼层高于入拆迁区且楼层高于 1010层以上的建筑物,将其从选择组中去层以上的建筑物,将其从选择组中去除,并对道路的拓宽边界进行局部调整。除,并对道路的拓宽边界进行局部调整。b)b)对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。5 5)将分析结果以地图或表格的形式打印输出。)将分析结果以地图或表格的形式打印输出。缓冲区分析实例缓冲区分析实例已知一伐木公司,获准在某林区采伐,为防止水土流失,规定不得
13、在河流周围 1km 内采伐林木。另外,为便于运输,决定将采伐区定在道路周围 5km 之内。请找出符合上述条件的采伐区,输出森林采伐图。道路分布图森林分布图河流分布图解题过程解题过程首先要以区域的道路分布图、河流分布图、森林分生成道路周围5km缓冲区叠置生成河流周围1km缓冲区布图为数据源。解题流程见图所示。叠置结束解题流程(1)将该地区具有相同比例尺且进行配准的道路分布图、河流分布图、森林分布图,进行预处理和数字化;(2)利用河流分布图生成1km的等距离缓冲区;(3)利用道路分布图生成5km的等距离缓冲区;(4)森林分布图中可采伐林地、道路缓冲区及河流缓冲区图进行叠置,叠置条件表达式为:(5)
14、(6)采伐区 森林分布图中可伐林地 道路周围5km缓冲区非河流周围1 km缓冲区将上述3张图进行两两叠置,所得结果即为森林采伐图。缓冲区分析实例缓冲区分析实例如已知一湖泊,要求在它周围5000m 内必需禁止任何污染性工业企业存在,在它周围500m 内必需禁止建筑任何永久性建筑物。解题步骤:解题步骤:(1)先建立缓冲区;(2)同现有污染性工业企业图叠置,显示在范围内应禁止的污染性工业企业;(3)同现有永久性建筑物图叠置,显示在范围内应禁止的永久性建筑物。缓冲区缓冲区分析实例如已知流域水系图,要求计算在它周围5公里内所有建筑物,以便进行分析。解题步骤:解题步骤:(1)先建立缓冲区;(2)同现有污染
15、性工业企业图叠置,显示在范围内应禁止的污染性工业企业;(3)同现有永久性建筑物图叠置,显示在范围内应禁止的永久性建筑物。三叠加分析1 原理大部分GIS软件以分层的方式组织地理景观,将地理景观按主题分层提取,同一地区的整个数据层集表达了该地区地理景观的内容。叠置分析是GIS最常用的提取空间隐含信息的手段之一。该方法来源于传统的透明材料叠加。既将来自不同数据源的图纸绘于透明纸上,在透光桌上将其叠放在一起,然后用笔勾出感兴趣的部分。GIS中的叠加分析是将有关专题层面进行叠加产生一个新的数据层面的操作,其结果 综合了原来两层或多层要素所具有的属性。概 念?叠置分析是将两层或多层地图要素进行叠置产生一个
16、新要素层的操作,其结果将原来要素分割成新的要素,新要素综合了原来两层或多层要素所具有的属性。也就是说,叠置分析不仅生成了新的空间关系,还将输入数据层的属性联系起来产生了 新的属性关系。?叠置分析是对新要素的属性按一定的数学模型进行计算分析,进而产生用户需要的结果或回答用户提出的问题。2 分类(专题分层,区域分块)2.1 视觉信息的叠加视觉信息的叠加是将不同层面的信息叠加显示在结果图件或屏幕上,它不产生新的数据层面。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。地理信息系统中视觉信息的叠加包括5类:?(1)面状图、线状图和点状图之间的复合;(2)面状图区域边界之间或一个面状
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