地理信息系统导论.ppt
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1、地理信息系统导论地理信息系统导论地理信息系统导论地理信息系统导论第八章第八章 空间分析空间分析1空间查询与量算1空间查询与量算空间查询与量算查询和定位空间对象,并对空间对象进行量算是地理信息系统的基本功能之一,它是地理信息系统进行高层次分析的基础。在地理信息系统中,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,形状等。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。1空间查询与量算11空间查询空间查询图形与属性互查是最常用的查询,主要有两类:第一类是按属性信息的要求来查询定位空间位置,称为“属性查图形”。第二类是根
2、据对象的空间位置查询有关属性信息,称为“图形查属性”。该查询通常分为两步,首先借助空间索引,在地理信息系统数据库中快速检索出被选空间实体,然后根据空间实体与属性的连接关系即可得到所查询空间实体的属性列表。在大多数GIS中,提供的空间查询方式有:1)基于空间关系查询空间实体间存在着多种空间关系,包括拓扑、顺序、距离、方位等关系。2)基于空间关系和属性特征查询传统的关系数据库的标准SQL并不能处理空间查询,这是由于关系数据库技术的弱点造成的,对于GIS而言,需要对SQL进行扩展。1空间查询与量算3)地址匹配查询根据街道的地址来查询事物的空间位置和属性信息是地理信息系统特有的一种查询功能,这种查询利
3、用地理编码,输入街道的门牌号码,就可知道大致的位置和所在的街区。1空间查询与量算12 空间量算空间量算121 几何量算几何量算几何量算对不同的地物有不同的含义:点状地物(0维):坐标;线状地物(1维):长度,曲率,方向;面状地物(2维):面积,周长,形状,曲率等;体状地物(3维):体积,表面积等。1空间查询与量算122形状量算形状量算面状地物形状量测的两个基本考虑:空间一致性问题,即有孔多边形和破碎多边形的处理;多边形边界特征描述问题。度量空间一致性最常用的指标是欧拉函数,用来计算多边形的破碎程度和孔的数目。欧拉函数的结果是一个数,称为欧拉数。欧拉函数的计算公式为:欧拉数=(孔数)-(碎片数-
4、1)1空间查询与量算 图图8-1:欧拉数:欧拉数 对于图(a),欧拉数=4-(1-1)=4或欧拉数=4-0=4;对于图(b)欧 拉数=4-(2-1)=3或欧拉数=4-1=3;图(c)欧拉数=5-(3-1)=3。1空间查询与量算关于多边形边界描述的问题,由于面状地物的外观是复杂多变的,很难找到一个准确的指标进行描述。最常用的指标包括多边形长、短轴之比,周长面积比,面积长度比等。1空间查询与量算123质心量算质心量算质心是描述地理对象空间分布的一个重要指标。在某些情况下,质心描述的是分布中心,而不是绝对几何中心。同样以全国人口为例,当某个县绝大部分人口明显集中于一侧时,可以把质心放在分布中心上,这
5、种质心称为平均中心或重心。如果考虑其它一些因素的话,可以赋予权重系数,称为加权平均中心。1空间查询与量算计算公式是:其中,Wi为第i个离散目标物权重,Xi,Yi为第i个离散目标物的坐标。质心量测经常用于宏观经济分析和市场区位选择,还可以跟踪某些地理分布的变化,如人口变迁,土地类型变化等。1空间查询与量算124 距离量算距离量算“距离”是人们日常生活中经常涉及到的概念,它描述了两个事物或实体之间的远近程度。如果一区域中所有的性质与方向无关,则称为各向同性区域。以旅行时间为例,如果从某一点出发,到另一点的所耗费的时间只与两点之间的欧氏距离成正比。而现实生活中,旅行所耗费的时间不只与欧氏距离成正比,
6、还与路况、运输工具性能等有关,从固定点出发,旅行特定时间后所能到达的点则在各个方向上是不同距离的,形成各向异性距离表面。(图8-2)1空间查询与量算 图图8-2:各向同性和各向异性的距离表面:各向同性和各向异性的距离表面1空间查询与量算欧氏距离通常用于计算两点的直线距离:当有障碍或阻力存在时,两点之间的距离就不能用直线距离,计算非标准欧氏距离的一般公式为:当k=2时,就是欧氏距离计算公式。当k=1时,得到的距离称为曼哈顿距离。1空间查询与量算 图图8-3:欧氏距离、曼哈顿距离和一种非欧氏距离欧氏距离、曼哈顿距离和一种非欧氏距离1空间查询与量算2空间变换地理信息系统通常是按有一定意义的图层和相应
7、的属性建立空间数据库的。为了满足特定空间分析的需要,需对原始图层及其属性进行一系列的逻辑或代数运算,以产生新的具有特殊意义的地理图层及其属性,这个过程称为空间变换。地理信息系统中空间数据可分为矢量和栅格两种数据结构。由于矢量结构中包含了大量的拓扑信息,数据组织复杂,使得空间变换十分繁琐。而栅格结构简单规则,空间变换比较容易。基于栅格结构的空间变换可分为三种方式:(1)单点变换;(2)邻域变换;(3)区域变换。2空间变换单点变换只考虑单个点的属性值进行运算,假定独立单元的变换不依赖于其邻点上属性的影响,也不受区域内一般特征的影响。单点变换最常见的函数有加、减、乘、除等代数运算;与、并、非、异或等
8、逻辑运算;大于、小于等比较运算;指数函数,对数函数、三角函数等。其得到的新图层可与原图层属性意义完全不同。2空间变换邻域变换是指在计算新图层图元值时,不仅考虑原始图层上相应图元本身的值,而且还要考虑与该图元有邻域关联的其它图元值的影响。这种关联可以是直接的几何关联,也可能是间接的几何关联。常见的函数有平滑、离散点搜索、连续表面描述(坡度、坡向、可视域分析)、点在多边形中的判断等。2空间变换区域变换是指在计算新图层属性值时,要考虑整个区域的属性值,即通过一个函数对某一区域内的所有值进行综合,然后计算新属性值。常见的函数有求区域平均值、众数,极值、求和、归组、整体插值等方法。2空间变换3再分类通过
9、分类找出隐藏信息是地理信息系统的重要功能之一。地理信息系统存储的数据具有原始数据的性质,所以可以根据不同的需要对数据再进行分类和提取。由于这种分类是对原始数据进行的再次分类组织,因此称为再分类。地理信息系统与其它信息系统对简单结构化的数据进行分类的方法是一样的,可以使用经典的数理统计方法,如主成分分析、层次分析、聚类分析、判别分析等等。这种分类属于普通的分类,它不改变地物已有的属性值,而只是根据地物的属性,将它们划分到相应的类别中。3再分类点、线状地物的再分类,对于矢量数据结构可以通过简单的修改属性表中的数值来实现,对于栅格数据结构也可以通过修改属性值来获得新的点、线地物。面状地物的再分类,对
10、于栅格数据结构则和点、线分类一样,简单的改变属性数值并改变图例表现这一变化。对于矢量数据结构的面状地物再分类,则需要同时改变实体的几何形状和属性。图图8-4:多边形的合并:多边形的合并3再分类因为对面状地物的再分类得到的新图层的类别比原图层少,称为归组(Group),它是最常用和最简单的再分类。上面讲的再分类方法,都是只根据面状地物本身的属性,通过重新改变属性值而实现分类的目的,当然也可以结合邻域范围的属性值进行再分类。如坡度计算,缓冲区计算。再分类还可以综合多个图层的属性信息,如图8-5所示。3再分类图8-5:多个属性的再分类3再分类4缓冲区分析邻近度(Proximity)描述了地理空间中两
11、个地物距离相近的程度,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(商场,邮局,银行,医院,车站,学校等)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发展的重要性等,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。从数学的角度看,缓冲区分析的基本思想是给定一个空间对象或集合,确定它们的邻域,邻域的大小由邻域半径R决定。因此对象Oi的缓冲区定义为:即对象 Oi 的半径为R的缓冲区为距Oi的距离d小于R的全部点的集合。d一般是最小欧氏距离,但也可是其它定义的距离。对于对象集合其半径为R的缓冲区是各个对象缓冲区的
12、并,即:4缓冲区分析图8-6为点对象、线对象、面对象及对象集合的缓冲区示例。图图8-6:点、线、多边形的缓冲区:点、线、多边形的缓冲区4缓冲区分析还有一些特殊形态的缓冲区,如点对象有三角形,矩形和圈形等,对于线对象有双侧对称,双侧不对称或单侧缓冲区,对于面对象有内侧和外侧缓冲区。缓冲区计算的基本问题是双线问题。双线问题有很多另外的名称,如图形加粗,加宽线,中心线扩张等,它们指的都是相同的操作。4缓冲区分析1)角分线法)角分线法算法是在轴线首尾点处,作轴线的垂线并按缓冲区半径R截出左右边线的起止点;在轴线的其它转折点上,用与该线所关联的前后两邻边距轴线的距离为R的两平行线的交点来生成缓冲区对应顶
13、点。图8-7:角平分线法4缓冲区分析角分线法的缺点是难以最大限度保证双线的等宽性,尤其是在凸侧角点在进一步变锐时,将远离轴线顶点。因此,为克服角分线法的缺点,要有相应的补充判别方案,用于校正所出现的异常情况。但由于异常情况不胜枚举,导致校正措施繁杂。4缓冲区分析2)凸角圆弧法)凸角圆弧法在轴线首尾点处,作轴线的垂线并按双线和缓冲区半径截出左右边线起止点;在轴线其它转折点处,首先判断该点的凸凹性,在凸侧用圆弧弥合,在凹侧则用前后两邻边平行线的交点生成对应顶点。这样外角以圆弧连接,内角直接连接,线段端点以半圆封闭。图8-8:凸角圆弧法4缓冲区分析在凹侧平行边线相交在角分线上。交点距对应顶点的距离与
14、角分线法类似公式:该方法最大限度的保证了平行曲线的等宽性,避免了角分线法的众多异常情况。4缓冲区分析由矢量代数可知,矢量AB,BC可用其端点坐标差表示(9-9):图8-9:采用向量叉乘判断向量排列4缓冲区分析矢量代数叉积遵循右手法则,即当ABC呈逆时针方向时,S为正,否则为负。若S0,则ABC呈逆时针,顶点为凸;若S0,则ABC呈顺时针,顶点为凹;若S=0,则ABC三点共线。对于简单情形,缓冲区是一个简单多边形,但当计算形状比较复杂的对象或多个对象集合的缓冲区时,就复杂得多。为使缓冲区算法适应更为普遍的情况,就不得不处理边线自相交的情况。当轴线的弯曲空间不容许双线的边线无压盖地通过时,就会产生
15、若干个自相交多边形。4缓冲区分析图8-10给出一个缓冲区边线自相交的例子。图图8-10:缓冲区边界相交的情况:缓冲区边界相交的情况4缓冲区分析自相交多边形分为两种情况:岛屿多边形和重叠多边形。岛屿多边形是缓冲区边线的有效组成部分;重叠多边形不是缓冲区边线的有效组成,不参与缓冲区边线的最终重构。对于岛屿多边形和重叠多边形的自动判别方法,首先定义轴线坐标点序为其方向,缓冲区双线分成左右边线,左右边线自相交多边形的判别情形恰好对称。对于左边线,岛屿自相交多边形呈逆时针方向,重叠自相交多边形呈顺时针方向;对于右边线,岛屿多边形呈顺时针方向,重叠多边形呈逆时针方向。4缓冲区分析当存在岛屿和重叠自相交多边
16、形时,最终计算的边线被分为外部边线和若干岛屿。对于缓冲区边线绘制,只要把外围边线和岛屿轮廓绘出即可。对于缓冲区检索,在外边线所形成的多边形检索后,要再扣除所有岛屿多边形的检索结果。4缓冲区分析基于栅格结构也可以作缓冲区分析,通常称为推移或扩散(Spread)。推移或扩散实际上是模拟主体对邻近对象的作用过程,物体在主体的作用下在一阻力表面移动,离主体越远作用力越弱。例如可以将地形、障碍物和空气作为阻力表面,噪声源为主体,用推移或扩散的方法计算噪声离开主体后在阻力表面上的移动,得到一定范围内每个栅格单元的噪声强度。4缓冲区分析5叠加分析叠加分析是地理信息系统最常用的提取空间隐含信息的手段之一。该方
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