第五章 空间分析(DEM).ppt

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1、第五章 GIS空间分析原理与方法1Geographic Information System and Spatial Analysis数字地面模型分析数字地面模型分析1地理信息系统与空间分析 空间分析是空间分析是GISGIS学科的重要组成部分，也是评学科的重要组成部分，也是评价一个价一个GISGIS功能的功能的重要指标。重要指标。运用运用空间分析模型空间分析模型，对空间数据库中的数据，对空间数据库中的数据进行进行运算和操作运算和操作，从而得到，从而得到新的空间和属性数据新的空间和属性数据，以帮助解决现实世界中的实际问题。以帮助解决现实世界中的实际问题。空间分析2地理信息系统与空间分析1 1）相

2、关分析模型：）相关分析模型：用用来来分分析析研研究究各各种种地地理理要要素素数数据据之之间间相相互互关关系系的的一一种种有效手段。有效手段。2)2)趋势面分析模型：趋势面分析模型：用用来来将将现现象象的的空空间间分分布布特特征征及及其其区区域域变变化化趋趋势势模模拟拟出出来。来。3)3)预测模型：预测模型：反反映映地地理理要要素素的的动动态态发发展展规规律律，并并用用于于预预测测分分析析。-常用回归模型。常用回归模型。4 4）聚类模型：）聚类模型：描描述述各各种种地地理理要要素素数数据据之之间间的的近近似似程程度度，相相似似的的可可合并。合并。GISGIS中常用空间分析模型中常用空间分析模型3

3、地理信息系统与空间分析 空间分析空间分析是基于是基于空间数据空间数据的分析技的分析技术，它以术，它以地学原理地学原理为依托，通过分析算为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态和空间空间位置、空间分布、空间形态和空间关系关系等信息等信息定 义4地理信息系统与空间分析GIS空间分析的主要目的定义：定义：是是应应用用空空间间分分析析的的各各种种手手段段对对空空间间数数据据进进行行处处理理变变换换，以以提提取取隐隐含含于于空空间间数数据据中中的的某某些些事事实实和和关关系系，并并以以图图形形和和文文字字的的形形式式直直观观地地加

4、加以以表表示示，为为现现实实世世界界中中的的各各种种应应用用提提供供科科学学、合理的支持。合理的支持。-空间决策支持如：如：道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算 辅助建筑项目选址辅助建筑项目选址 土地适宜性评价等。土地适宜性评价等。5地理信息系统与空间分析空间分析步骤1 1、确定分析目的和评价标准确定分析目的和评价标准2.2.收集、输入空间和属性数据收集、输入空间和属性数据3.3.作空间作空间数据数据的处理和分析的处理和分析 例：建一公园进行选址（目的）标准：例：建一公园进行选址（目的）标准：交通便利、环境优雅交通便利、环境优雅 设计成环绕一个天然小河设计成环绕一个

5、天然小河 可利用面积大、少沼泽地可利用面积大、少沼泽地 包括地理底图数据、交通数据、土壤和河流水系数据等。包括地理底图数据、交通数据、土壤和河流水系数据等。空间空间数据数据的处理和分析（包括检索、提取，缓冲区分的处理和分析（包括检索、提取，缓冲区分析、析、叠置分析等）；属性数据的处理和分析（加所需的属性项）叠置分析等）；属性数据的处理和分析（加所需的属性项）6地理信息系统与空间分析4.4.获得简要分析结果（包括地图和表格）获得简要分析结果（包括地图和表格）5.5.解释和评价结果解释和评价结果 6.6.以专题地图，文字报表形式作为正式结以专题地图，文字报表形式作为正式结 果，供决策用果，供决策用

6、解释和评价结果，若不满意，返回解释和评价结果，若不满意，返回1 1、2 2、3 3任一处重做任一处重做7地理信息系统与空间分析空间分析分类 按分析方法按分析方法看可将空间分析分为两类：看可将空间分析分为两类：v GISGIS系统提供的空间分析系统提供的空间分析v 专用空间模型分析专用空间模型分析 8地理信息系统与空间分析空间分析分类 根据根据GoodchildGoodchild提出的空间分析框架，提出的空间分析框架，按按用户交互方式用户交互方式看可将空间分析分为两类：看可将空间分析分为两类：v 产生式分析产生式分析(product mode)(product mode)数字地面模型分析、叠加分

7、析、缓冲区分数字地面模型分析、叠加分析、缓冲区分析、网络分析、空间统计分析析、网络分析、空间统计分析v 咨询式分析咨询式分析(query mode)(query mode)空间集合分析、空间数据查询空间集合分析、空间数据查询9地理信息系统与空间分析空间分析分类 按空间数据特征按空间数据特征看可将空间分析分为两类：看可将空间分析分为两类：v 空间数据的空间特性分析空间数据的空间特性分析v 空间数据的非空间特性分析空间数据的非空间特性分析10地理信息系统与空间分析GIS空间分析之一数字地面模型分析q第一节 基本概念q第二节 表示方法q第三节 表达模型q第四节 数据来源q第五节 具体应用11地理信息

8、系统与空间分析第一节 基本概念概念数字地面模型数字地面模型（Digital Terrain Model，DTM）：描述）：描述地面特性的空间分布的有序数值阵列。是地表形态属地面特性的空间分布的有序数值阵列。是地表形态属性信息（如高程、坡度、坡向）的数字表达，是带有性信息（如高程、坡度、坡向）的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。空间位置特征和地形属性特征的数字描述。数字高程模型数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）：地）：地面特性为高程的面特性为高程的DTM。即数字地形模型中地形属性为即数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型。可以派生出

9、成其他类型的高程时称为数字高程模型。可以派生出成其他类型的DTM。地面特性地面特性高程、地表温度、降雨、地价、土地权属、土壤类型、高程、地表温度、降雨、地价、土地权属、土壤类型、土地利用类型、岩层深度、地貌特征等土地利用类型、岩层深度、地貌特征等12地理信息系统与空间分析数字高程模型13地理信息系统与空间分析第二节 DEM的表示方法 一个地区的地一个地区的地表高程的变化表高程的变化可以采用多种可以采用多种方法表达，用方法表达，用数学定义的表数学定义的表面或点、线、面或点、线、影像都可用来影像都可用来表示表示DEM，如如图所示。图所示。14地理信息系统与空间分析第三节 DEM的主要表示模型 函数

10、生成模式函数生成模式线模式线模式规则格网模式规则格网模式三角网模式三角网模式不同模型表达的DEM15地理信息系统与空间分析函数生成16地理信息系统与空间分析线模式 所谓线模式，就是用等高线来描述地所谓线模式，就是用等高线来描述地面高程的变化，其存储格式通常为面高程的变化，其存储格式通常为DGL(Digital Line DGL(Digital Line GraphisGraphis)，也就是人们也就是人们常用的常用的数字线划图数字线划图方式。每条线由一组高方式。每条线由一组高程值相同的点组成。程值相同的点组成。17地理信息系统与空间分析等高线模型表等高线模型表示高程，高程示高程，高程值的集合是

11、已值的集合是已知的，每一条知的，每一条等高线对应一等高线对应一个已知的高程个已知的高程值，这样一系值，这样一系列等高线集合列等高线集合和它们的高程和它们的高程值一起就构成值一起就构成了一种地面高了一种地面高程模型。程模型。线模式18地理信息系统与空间分析规则格网可以是规则分布的三角网、正方形规则格网可以是规则分布的三角网、正方形网或是矩形网。每个网格由三或四个相邻的格网网或是矩形网。每个网格由三或四个相邻的格网点所限定。网格的大小取决与复杂地段的地形起点所限定。网格的大小取决与复杂地段的地形起伏情况。伏情况。每个网格可视为一个独立单元，或是栅格数每个网格可视为一个独立单元，或是栅格数据中的一个

12、像素。此时，据中的一个像素。此时，DEM就可以用一个二维就可以用一个二维数组表示。数组表示。规则格网模式19地理信息系统与空间分析规则网格中的数值意义？规则网格模型的特点及缺点？20地理信息系统与空间分析规则网格中的数值意义 第一种是第一种是格网栅格观点格网栅格观点，认为，认为该格网单元的数值是其中所有点的该格网单元的数值是其中所有点的高程值，即格网单元对应的地面面高程值，即格网单元对应的地面面积内高程是均积内高程是均 一的高度，这种数一的高度，这种数字高程模型是一个不连续的函数。字高程模型是一个不连续的函数。第二种是第二种是点栅格观点点栅格观点，认为该，认为该网格单元的数值是网格中心点的高网

13、格单元的数值是网格中心点的高程或网格单元的平均高程值。程或网格单元的平均高程值。21地理信息系统与空间分析格网格网 DEM的优点的优点:规则格网的高程矩阵，可以很容易地用计算机进行处理。规则格网的高程矩阵，可以很容易地用计算机进行处理。它还可以很容易地计算等高线、它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为动提取流域地形，使得它成为DEM最广泛使用的格式，目最广泛使用的格式，目前许多国家提供的前许多国家提供的DEM数据都是以规则格网的数据矩阵形数据都是以规则格网的数据矩阵形式提供的。式提供的。格网格网 DEM的缺点的缺点:1 1、不能准确表

14、示地形的结构和细部、不能准确表示地形的结构和细部 为避免这些问题，可采用附加地形特征数据，如地形为避免这些问题，可采用附加地形特征数据，如地形特征点、山脊线、谷底线、断裂线，以描述地形结构。特征点、山脊线、谷底线、断裂线，以描述地形结构。2 2、数据量过大，给数据管理带来了不方便、数据量过大，给数据管理带来了不方便 通常要进行压缩存储。通常要进行压缩存储。规则网格模型的优点及缺点22地理信息系统与空间分析 Golden Surfer软件系统生成的GRD文件就是此类数据结构的典型代表。规则格网模式的生成23地理信息系统与空间分析 三角网模式将地球表面划分成若干大小不一三角网模式将地球表面划分成若

15、干大小不一的三角形微平面。该三角形的顶点即为参照点。的三角形微平面。该三角形的顶点即为参照点。DEMDEM的生成就是借助这些参照点的数据通过的生成就是借助这些参照点的数据通过插值插值来来实现的。实现的。三角网模式 对地表形貌的采样（也就是上述微三角形的对地表形貌的采样（也就是上述微三角形的参照点数据的来源）应包括反映地表形貌变化的参照点数据的来源）应包括反映地表形貌变化的各类点、线组成，包括沟谷、山峰、水系的分水各类点、线组成，包括沟谷、山峰、水系的分水岭等等。从而构成岭等等。从而构成三角网的骨架三角网的骨架。24地理信息系统与空间分析三角网模式c:esriesridataworldcitie

16、s.shp模拟不连续面25地理信息系统与空间分析三角网模式模拟连续面26地理信息系统与空间分析 三角网的大小、密度应与所研究地表形貌的复杂程度相一致：平原区的地形起伏小，参照点的密度可适当减少；而在山区、或河流流经的地方则应适当增大加采样点的密度。三角网模式27地理信息系统与空间分析 不规则三角网是随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置，因而它能够避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征点如山脊、山谷线、地形变化线等表示数字高程特征。因此，TIN 既减少了规则格网方法带来的数据冗余，其计算（如坡度）效率又优于纯粹基于等高线的方法。三角网组成，三角面的形状和大小取决于不规则分

17、布的观测点或称结点的密度和位置。28地理信息系统与空间分析TIN的生成方法首先取其中任意一点P1，在其余各点中搜寻与此点最近的点P2，连接P1与P2构成第一条边然后在其余所有点中寻找与这条边最近的点，找到后即可构成第一个多边形以三角形新生成的两边为底边分别寻找它们最近的点构成第二个、第三个三角形依此类推，直到把所有的点都连入三角网中TIN是DEM数据的一种重要的表示方法。TIN的概念及生成方法狄洛尼三角网在地形似合方面运用较普遍，常被用于TIN的生成。三角网的构建要求：1、保证由最近邻的点构成，即三角形的边长之和最小；2、尽量为锐角三角形；3、每个三角形要求尽量接近等边形状。29地理信息系统与

18、空间分析TIN的生成30地理信息系统与空间分析第四节 DEM的数据来源无论采用哪一种模式，选取哪一种插值方法，用于生成DEM的原数据的质量都将对DEM的好坏起着决定性的作用。目前常用的原数据获取方法有以下几种：31地理信息系统与空间分析 地面测量 利用自动记录的测距经纬仪（常用电子速测经纬仪或全站经纬仪）在野外实测。此法一般适用于大比例尺的地形制图，如污染源的调查、水库的规划或是地下水的调查等。研究对象的实际高程数据，如河床的淤积厚度、地下水位的变化等均须在实地进行观测，才能获取可靠数据。32地理信息系统与空间分析 航空摄影航空摄影用于采集地面参照点的高程数据，完全是基于航空摄影的基本原理、中

19、心投影和正射投影间的几何关系以及立体视差与地面物体高度间的对应关系。33地理信息系统与空间分析Hp=H-Bf/(Pl+Pr)航高H焦距f基准面PPlPr基线 B左右视差hp垂直摄影34地理信息系统与空间分析法国的SPOT卫星成像系统就可以为用户提高立体像对。其成像原理与摄影成像大同小异，所不同的是，卫星的成像平台更高，一次成像所覆盖的地表面积更大，特别值得注意的是，它所覆盖的是一个曲面。航天遥感成像35地理信息系统与空间分析地球立体视差首轨成像二轨成像立体像对法 通过遥感立体像对，根据视差模型，自动选配左右影像的同名点，建立数字高程模型。36地理信息系统与空间分析基于地形图的DEM 最常用的最

20、常用的DEMDEM原数据为原数据为地形图地形图。利用数字化。利用数字化仪对已有地图上的信息（如等高线）进行数字化仪对已有地图上的信息（如等高线）进行数字化的方法，目前常用的数字化仪有手扶跟踪数字化的方法，目前常用的数字化仪有手扶跟踪数字化仪和扫描数字化仪。仪和扫描数字化仪。37地理信息系统与空间分析DEMDEM的实际应用，主要是指在解决具的实际应用，主要是指在解决具体的实际问题中的应用，比如在水文、体的实际问题中的应用，比如在水文、地质研究和土木工程中等的应用。地质研究和土木工程中等的应用。第五节第五节 DEMDEM的的实际应用实际应用38地理信息系统与空间分析39地理信息系统与空间分析 基于

21、DEM的信息提取 1）坡度，定义为地表单元 的法向与Z轴的夹角，即切平面与水平面的夹角 2）坡向，坡向是地表单元的 法向量在水平面上的 投影与X轴之间的夹角 3）地表粗造度(破碎度),定义为地表单元的曲面 面积与其水平面上的投 影面积之比。xyzP1(x,y)P4(x+x,y)P2(x,y+y)P3(x+x,y+y)nP1P2P3P4(z1)(z2)(z4)(z3)zA =S(S-L1)(S-L2)(S-L3)S =(L1+L2+L3)/240地理信息系统与空间分析 基于DEM的信息提取 Grid DEM上制作 坡度、坡向图 DEMSLOPEASPECT41地理信息系统与空间分析 基于DEM的

22、信息提取 4）高程变异分析 包括平均高程、相对高程、高程标准差，高程变异。高程变异为格网顶点的高程标准差与平均高程的比值。5）地貌形态的自动分类 DEM计算地表形态要素 高度、坡度、坡向等地形分类标准表地形自动分类 3坡 度 100-200100 相对高度 400600 绝对高度高山低山丘陵岗丘平地42地理信息系统与空间分析等高线的绘制 在格网DEM上自动绘制等高线 主要包括两个步骤：A 等高线追踪：利用DEM矩形格网点的高程内 插出格网边上的等高线点，并 将这些等高线点排序 B 等高线光滑：进一步加密等高线点并 绘制光滑曲线。43地理信息系统与空间分析基于DEM的可视化分析 1）剖面分析 A

23、 意义：以线代面，研究区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化、地质构造、斜坡特征、地表切割强度等。如果在地形剖面上叠加其它地理变量，可以提供 土地利用规划、工程选线和选址等的决策依据。B 绘制 可在格网DEM或三角网DEM上绘制 1 A 4 3 2B 50 1 2 3 4 5 6高程(m)12345BA B 4 3 2 1A0 1 2 3 4 5 6高程(m)1234BA44地理信息系统与空间分析 基于DEM的可视化分析 2）通视分析是指以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析。A 方法：以A为观察点，对格网DEM或三角网DEM上的另一点A，判断通视与否 以观察点O为轴，以一定的方位角间隔

24、算出0360的所有方位线 上的通视情况。45地理信息系统与空间分析 基于DEM的可视化分析 2）通视分析是指以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析。用于设置雷达站、电视台的发射站、道路选择、航海导航等，军事上如用于设置雷达站、电视台的发射站、道路选择、航海导航等，军事上如布设阵地、设置观察哨、铺架通信线路等。布设阵地、设置观察哨、铺架通信线路等。B 关键算法：判断格网或三角网上的某一点是否通视 倾角法 观察点与各交点的倾角为i(iA,B,C)若tgmax(tgi,iA、B、C)，则OP通视否则，不通视。剖面图 两点连线是否与剖面相交。AB46地理信息系统与空间分析 基于DEM的可视化

25、分析 2）通视分析是指以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析。C 通视分析示例 雷达盲区飞行 可视域的三维显示47地理信息系统与空间分析、基于DEM的可视化分析 3）地形三维图绘制 DEM 高程点高程点建立几建立几何模型何模型透视透视变换变换隐藏线、隐藏线、面的消除面的消除光照光照模型模型计算计算贴贴纹纹理理图形图形输出输出48地理信息系统与空间分析49地理信息系统与空间分析50地理信息系统与空间分析基于DEM的可视化分析 4）地貌晕渲图绘制 即阴影立体法，可增加丘陵和山区地区描述高差起伏的视觉效果。51地理信息系统与空间分析数字流域分析 1）流向计算 Flow Direction 2）流水累积量Flow Accumulation 流入每个栅格的所有的栅格的数目。2481X16128643252地理信息系统与空间分析 数字流域分析 3）水网Stream Network 根据地表的水流方向数字矩阵，确定 河流的最小长度，显示出区域内水系 分布的密集程度。4）流域分析Watershed 流域是指流经其中的水流和其它物质 从一个公共的出水口排出从而形成一 个集中的排水区域。采用水流方向和流水累积量 数据生成Watershed数据 53地理信息系统与空间分析水文特征与土木工程54地理信息系统与空间分析