第六章-空间分析.ppt

第四章第四章 GISGIS空间分析原理与方法空间分析原理与方法 一、地学模型概述一、地学模型概述 n n地理信息系统以数字世界表示自然世界，具有地理信息系统以数字世界表示自然世界，具有完备的空间特性，可以存储和处理不同地理发完备的空间特性，可以存储和处理不同地理发展时期的大量地理数据、并具有极强的空间系展时期的大量地理数据、并具有极强的空间系统综合分析能力，是地理分析的有力工具。因统综合分析能力，是地理分析的有力工具。因此，地理信息系统不仅要完成管理大量复杂的此，地理信息系统不仅要完成管理大量复杂的地理数据的任务，更为重要的是要完成地理分地理数据的任务，更为重要的是要完成地理分析、评价、预测和辅助决策的任务，必须发展析、评价、预测和辅助决策的任务，必须发展广泛的适用于地理信息系统的地理分析模型，广泛的适用于地理信息系统的地理分析模型，这是地理信息系统走向实用的关键。这是地理信息系统走向实用的关键。模型 n n模型：就是将系统的各个要素，通过适当的筛选，模型：就是将系统的各个要素，通过适当的筛选，用一定的表现规则所描写出来的简明映像。模型通用一定的表现规则所描写出来的简明映像。模型通常表达了某个系统的发展过程或发展结果。常表达了某个系统的发展过程或发展结果。n n地学模型：是用来描述地理系统各地学要素之间的地学模型：是用来描述地理系统各地学要素之间的相互关系和客观规律信息的语言的或数学的或其他相互关系和客观规律信息的语言的或数学的或其他表达形式，通常反映了地学过程及其发展趋势或结表达形式，通常反映了地学过程及其发展趋势或结果。地学模型也称为专题分析模型。对于地理信息果。地学模型也称为专题分析模型。对于地理信息系统来说，专题分析模型是根据关于目标的知识将系统来说，专题分析模型是根据关于目标的知识将系统数据重新组织，得出与目标有关的更为有序的系统数据重新组织，得出与目标有关的更为有序的新的数据集合的有关规则和公式。新的数据集合的有关规则和公式。地学分析模型n n主要包含以下几种形式：主要包含以下几种形式：uu1 1、逻辑模型：由地理名词和逻辑运算符组成的、逻辑模型：由地理名词和逻辑运算符组成的逻辑表达式表示；逻辑表达式表示；uu2 2、物理模型：由物理模拟过程表达；、物理模型：由物理模拟过程表达；uu3 3、数学模型：由常数、参数、变量和函数关系、数学模型：由常数、参数、变量和函数关系等组成的数学表达式表示；等组成的数学表达式表示；uu4 4、图像模型：由某种图像或图像运算的集合表、图像模型：由某种图像或图像运算的集合表达，如各种专题地图。达，如各种专题地图。uu5 5、统计模型：包括经验模型，是通过数理统计、统计模型：包括经验模型，是通过数理统计方法和大量观察实验得到的定量模型，具有简单方法和大量观察实验得到的定量模型，具有简单实用的优点。实用的优点。运用综合方法建立地理信息系统分析模型可采用以下步骤：n n系统描述与数据分析：对模型所要分析的系统，选择可以系统描述与数据分析：对模型所要分析的系统，选择可以描述系统的状态、与外部关系、随时间变化等方面的数据，描述系统的状态、与外部关系、随时间变化等方面的数据，构造该系统的数据体系。构造该系统的数据体系。n n理论推导：根据地理规律和系统的特点，进行理论推导，理论推导：根据地理规律和系统的特点，进行理论推导，确定上面的数据体系中多因子之间的量纲关系，作为分析模确定上面的数据体系中多因子之间的量纲关系，作为分析模型的基本框架；型的基本框架；n n简化表达：根据理论分析和具体应用要求，筛选去除相对简化表达：根据理论分析和具体应用要求，筛选去除相对影响较小和不重要的要素，或采用主成分分析法等数学方法影响较小和不重要的要素，或采用主成分分析法等数学方法简化表达形式，使模型接近实用；简化表达形式，使模型接近实用；n n参数确定：模型参数的确定可采用参数试验方法，或采用参数确定：模型参数的确定可采用参数试验方法，或采用层次分析法层次分析法(AHP)(AHP)、专家打分法、确定模糊隶属度等方法。形、专家打分法、确定模糊隶属度等方法。形式和参数确定后，分析模型可在应用中完善。式和参数确定后，分析模型可在应用中完善。空间分析n nGISGIS的空间分析是指以地理事物的空间位置和形态的空间分析是指以地理事物的空间位置和形态的空间分析是指以地理事物的空间位置和形态的空间分析是指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、空间数据与属数特征为基础，以空间数据运算、空间数据与属数特征为基础，以空间数据运算、空间数据与属数特征为基础，以空间数据运算、空间数据与属数据的综合运算为特征，提取与产生新的空间信息据的综合运算为特征，提取与产生新的空间信息据的综合运算为特征，提取与产生新的空间信息据的综合运算为特征，提取与产生新的空间信息的技术和过程。的技术和过程。的技术和过程。的技术和过程。n n空间分析功能是空间分析功能是空间分析功能是空间分析功能是GISGIS的主要特征和评价的主要特征和评价的主要特征和评价的主要特征和评价GISGIS软件的软件的软件的软件的主要指标之一。主要指标之一。主要指标之一。主要指标之一。n nGISGIS空间分析主要包括空间几何分析、网络分析、空间分析主要包括空间几何分析、网络分析、空间分析主要包括空间几何分析、网络分析、空间分析主要包括空间几何分析、网络分析、空间统计分析、影像分析和数字地形分析等。空间统计分析、影像分析和数字地形分析等。空间统计分析、影像分析和数字地形分析等。空间统计分析、影像分析和数字地形分析等。n n从技术方法分类，从技术方法分类，从技术方法分类，从技术方法分类，GISGIS空间分析分为两大类：基于空间分析分为两大类：基于空间分析分为两大类：基于空间分析分为两大类：基于矢量数据的空间分析和基于栅格数据的空间分析。矢量数据的空间分析和基于栅格数据的空间分析。矢量数据的空间分析和基于栅格数据的空间分析。矢量数据的空间分析和基于栅格数据的空间分析。空间分析二、空间信息分类n n与地图比较，地图上所载负的数据是经过专门与地图比较，地图上所载负的数据是经过专门分类和处理，而分类和处理，而GISGIS存储的数据则具有原始数存储的数据则具有原始数据的性质，这样用户就可以根据不同的使用目据的性质，这样用户就可以根据不同的使用目的对数据进行任意提取和分析。对于数据分析的对数据进行任意提取和分析。对于数据分析来说，随着采用分类方法和内插方法的不同，来说，随着采用分类方法和内插方法的不同，得到的结果会有很大的差异，因此，在大多数得到的结果会有很大的差异，因此，在大多数情况下，首先是将大量未经分类的数据输入情况下，首先是将大量未经分类的数据输入GISGIS的数据库，然后根据具体的分类算法来获的数据库，然后根据具体的分类算法来获得所需要的信息。得所需要的信息。主成分分析法n n地理问题往往涉及大量相互关联的自然和社会要素，地理问题往往涉及大量相互关联的自然和社会要素，众多的要素常常给分析带来很大的困难，同时也增众多的要素常常给分析带来很大的困难，同时也增加了运算的复杂性。加了运算的复杂性。n n主成分分析法通过数理统计分析，将众多要素的信主成分分析法通过数理统计分析，将众多要素的信息压缩表达为若干具有代表性的合成变量，这就克息压缩表达为若干具有代表性的合成变量，这就克服了变量选择的冗余和相关，然后选择信息最丰富服了变量选择的冗余和相关，然后选择信息最丰富的少数因子进行各种聚类分析。的少数因子进行各种聚类分析。n n主成分分析主成分分析(principal component analysis)(principal component analysis)是将分散是将分散在一组变量上的信息集中到某几个综合指标在一组变量上的信息集中到某几个综合指标(主成分主成分)上的探索性统计分析方法。以便利用主成分描述数上的探索性统计分析方法。以便利用主成分描述数据集内部结构，实际上也起着数据降维的作用据集内部结构，实际上也起着数据降维的作用层次分析法n n在分析涉及大量相互关联、相互制约的复杂因在分析涉及大量相互关联、相互制约的复杂因素时，各因素对问题的分析有着不同程度的重素时，各因素对问题的分析有着不同程度的重要性，决定它们对目标的重要性。层次分析法要性，决定它们对目标的重要性。层次分析法（AHPAHP）把相互关联的要素按隶属关系划分为）把相互关联的要素按隶属关系划分为若干层次，请有经验的专家们对各层次各因素若干层次，请有经验的专家们对各层次各因素的相对重要性给出定量指标，利用数学方法，的相对重要性给出定量指标，利用数学方法，综合众人意见给出各层次各要素的相对重要权综合众人意见给出各层次各要素的相对重要权值，作为综合分析的基础。值，作为综合分析的基础。层次分析法系统聚类分析n n系统聚类是根据多种地学要系统聚类是根据多种地学要素对地理实体划分类别的方素对地理实体划分类别的方法。如土地分等定级、水土法。如土地分等定级、水土流失强度分级等。流失强度分级等。n n系统聚类根据实体间的相似系统聚类根据实体间的相似程度，逐步合并为若干类别，程度，逐步合并为若干类别，其相似程度由距离或相似系其相似程度由距离或相似系统定义，主要有绝对距离、统定义，主要有绝对距离、欧氏距离、切比雪夫距离、欧氏距离、切比雪夫距离、马氏距离等。马氏距离等。聚类分析判别分析n n判别分析与聚类分析同属分类问题，所不同的判别分析与聚类分析同属分类问题，所不同的是，判别分析是根据理论与实践，预先确定出是，判别分析是根据理论与实践，预先确定出等级序刑的因子标准，再将分析的地理实体安等级序刑的因子标准，再将分析的地理实体安排到序列的合理位置上。对于诸如水土流失评排到序列的合理位置上。对于诸如水土流失评价、土地适宜性评价等有一定理论根据的分类价、土地适宜性评价等有一定理论根据的分类系统的定级问题比较适用。系统的定级问题比较适用。n n常规的判别分析主要有距离判别法和常规的判别分析主要有距离判别法和BayesBayes最最小风险判别法等。小风险判别法等。四、矢量数据分析的基本方法 1、缓冲分析n n缓冲区分析是用来确定不同地理要素的空间邻近性和接近程缓冲区分析是用来确定不同地理要素的空间邻近性和接近程度的一类重要的空间操作。当考察发生的地理要素及其附近度的一类重要的空间操作。当考察发生的地理要素及其附近的活动的影响范围时，需要围绕地理要素生成缓冲区，进行的活动的影响范围时，需要围绕地理要素生成缓冲区，进行缓冲区分析。如分析商场区位、道路沿线的地价变化等。缓冲区分析。如分析商场区位、道路沿线的地价变化等。点缓冲线缓冲面缓冲多重缓冲区实例实例实例实例实例实例实例2、空间叠置分析 合成叠置 统计叠置基本概念n n多边形叠置方法在国内外已有发展并得到较为广泛的应用，如多边形叠置方法在国内外已有发展并得到较为广泛的应用，如ARC/INFOARC/INFO地理信息系统中，多边形叠置是该系统的关键性软地理信息系统中，多边形叠置是该系统的关键性软件，英国运用多边形叠置技术进行了土地适宜性评价，此外，件，英国运用多边形叠置技术进行了土地适宜性评价，此外，国际上已建立起来的地理信息系统中，有许多具备了多边形叠国际上已建立起来的地理信息系统中，有许多具备了多边形叠置分析的功能。置分析的功能。基本步骤ARC/INFO叠置分析的类型识别操作识别操作求交集操作求交集操作全并操作图层裁剪图层裁剪图层擦除图层擦除图幅分割图幅分割多边形融合狭长多边形消除要素提取图层拼接图层拼接3、网络分析网络组成n n节点（节点（Nodes)Nodes)：网络中任意两条线段的交点。：网络中任意两条线段的交点。n n链（链（Links)Links)：网络中连接两个节点的弧段。链是网络中资源流动的：网络中连接两个节点的弧段。链是网络中资源流动的通道，链间的连接关系由弧段通道，链间的连接关系由弧段节点拓扑数据结构来表达。节点拓扑数据结构来表达。n n中心中心(Centers)(Centers)：网络中位于节点处，具有沿着链收集或发放资源：网络中位于节点处，具有沿着链收集或发放资源能力的设施，如邮局、电站、水库。能力的设施，如邮局、电站、水库。站点(Stops)：资源沿着网络路径流动时被分配或收集的节点，如车站。障碍(Barriers)：资源不能通过的节点网络的主要属性及其表示n n阻强阻强(Impedance)(Impedance)：阻强是指资源在网络中运移阻力大小。：阻强是指资源在网络中运移阻力大小。它是描述链和拐弯的阻力。它是描述链和拐弯的阻力。uu链弧的阻强：是指从链的一个端点到另一个端点所需克服链弧的阻强：是指从链的一个端点到另一个端点所需克服的阻力，如链弧的长度可作为阻强的描述参数。的阻力，如链弧的长度可作为阻强的描述参数。uu转弯的阻强：是指从一条链弧节点到另一条链弧的阻力大转弯的阻强：是指从一条链弧节点到另一条链弧的阻力大小，它随着两相连链弧的条件状况而变化。小，它随着两相连链弧的条件状况而变化。n n资源需求量资源需求量(Resource demend(Resource demend)：指网络中与弧段和停靠点相：指网络中与弧段和停靠点相联系的资源的数量。如供水网络中每条沟渠所载的水量。联系的资源的数量。如供水网络中每条沟渠所载的水量。n n资源容量资源容量(Resource capacity)(Resource capacity)：指网络中心为了满足各条弧段：指网络中心为了满足各条弧段的需求，能够容纳或提供的资源总量，如水库的容量、停车的需求，能够容纳或提供的资源总量，如水库的容量、停车场能停放机动车的空间等。场能停放机动车的空间等。网络分析方法路径分析 n n静静态态求求最最佳佳路路径径：由由用用户户确确定定权权值值关关系系后后，即即给给定定每每条条弧弧段段的的属属性性，当当需需求求最最佳佳路路径径时时，读读出出路路径径的的相相关关属属性性，求求最最佳佳路径。路径。n n动动态态分分段段技技术术：给给定定一一条条路路径径由由多多段段联联系系组组成成，要要求求标标注注出出这这条条路路上上的的公公里里点点或或要要求求定定位位某某一一公公路路上上的的某某一一点点，标标注注出出某条路上从某一公里数到另一公里数的路段。某条路上从某一公里数到另一公里数的路段。n nNN条条最最佳佳路路径径分分析析：确确定定起起点点、终终点点，求求代代价价较较小小的的几几条条路路径径，因因为为在在实实践践中中往往往往仅仅求求出出最最佳佳路路径径并并不不能能满满足足要要求求，可可能因为某种因素不走最佳路径，而走近似最佳路径。能因为某种因素不走最佳路径，而走近似最佳路径。n n最最短短路路径径：确确定定起起点点、终终点点和和所所要要经经过过的的中中间间点点、中中间间连连线线，求最短路径。求最短路径。n n动动态态最最佳佳路路径径分分析析：实实际际网网络络分分析析中中权权值值是是随随着着权权值值关关系系式式变变化化的的，而而且且可可能能会会临临时时出出现现一一些些障障碍碍点点，所所以以往往往往需需要要动动态地计算最佳路径。态地计算最佳路径。地址匹配 n n地址匹配实质是对地理位置的查询，它涉及到地址的编码。地址匹配与其它网络分析功能结合起来，可以满足实际工作中非常复杂的分析要求。所需输入的数据，包括地址表和含地址范围的街道网络及待查询地址的属性值。资源分配 n n资资资资源源源源分分分分配配配配网网网网络络络络模模模模型型型型由由由由中中中中心心心心点点点点(分分分分配配配配中中中中心心心心)及及及及其其其其状状状状态态态态属属属属性性性性和和和和网网网网络络络络组组组组成成成成。分分分分配配配配有有有有两两两两种种种种方方方方式式式式，一一一一种种种种是是是是由由由由分分分分配配配配中中中中心心心心向向向向四四四四周周周周输输输输出出出出，另另另另一一一一种种种种是是是是由由由由四四四四周周周周向向向向中中中中心心心心集集集集中中中中。这这这这种种种种分分分分配配配配功功功功能能能能可可可可以以以以解解解解决决决决资资资资源源源源的的的的有有有有效效效效流流流流动动动动和和和和合合合合理理理理分分分分配配配配。其其其其在在在在地地地地理理理理网网网网络络络络中中中中的的的的应应应应用用用用与与与与区区区区位位位位论论论论中中中中的的的的中中中中心心心心地地地地理理理理论论论论类类类类似似似似。在在在在资资资资源源源源分分分分配配配配模模模模型型型型中中中中，研研研研究究究究区区区区可可可可以以以以是是是是机机机机能能能能区区区区，根根根根据据据据网网网网络络络络流流流流的的的的阻阻阻阻力力力力等等等等来来来来研研研研究究究究中中中中心心心心的的的的吸吸吸吸引引引引区区区区，为为为为网网网网络络络络中中中中的的的的每每每每一一一一连连连连接接接接寻寻寻寻找找找找最最最最近近近近的的的的中中中中心心心心，以以以以实实实实现现现现最最最最佳佳佳佳的的的的服服服服务务务务。还还还还可可可可以以以以用用用用来来来来指指指指定定定定可能的区域。可能的区域。可能的区域。可能的区域。n n资源分配模型可用来计算中心地的等时区、等交通距离区、资源分配模型可用来计算中心地的等时区、等交通距离区、资源分配模型可用来计算中心地的等时区、等交通距离区、资源分配模型可用来计算中心地的等时区、等交通距离区、等费用距离区等。可用来进行城镇中心、商业中心或港口等等费用距离区等。可用来进行城镇中心、商业中心或港口等等费用距离区等。可用来进行城镇中心、商业中心或港口等等费用距离区等。可用来进行城镇中心、商业中心或港口等地的吸引范围分析，以用来寻找区域中最近的商业中心，进地的吸引范围分析，以用来寻找区域中最近的商业中心，进地的吸引范围分析，以用来寻找区域中最近的商业中心，进地的吸引范围分析，以用来寻找区域中最近的商业中心，进行各种区划和港口腹地的模拟等。行各种区划和港口腹地的模拟等。行各种区划和港口腹地的模拟等。行各种区划和港口腹地的模拟等。