地理信息系統(tǒng)原理孔金玲第七章空間查詢與空間分析

1、7.1 空間查詢 7.2 空間分析 7.1 空間查詢 根據(jù)空間特征本身的特性及與其他特征之間的空間關(guān)系，用一定方式查詢滿足條件的特征。 7.1.1 空間幾何查詢空間幾何查詢 應(yīng)用GIS本身具有的幾何量算的功能，查詢空間特征的幾何參數(shù)。點(diǎn)：坐標(biāo)，兩點(diǎn)間的距離。線：長(zhǎng)度，點(diǎn)到線的距離。面：面積，周長(zhǎng)。7.1 空間查詢 7.1.2 空間定位查詢（圖形空間定位查詢（圖形屬性）屬性） 圖形的定位（選擇）有多種形式： （1）點(diǎn)查詢：查詢一個(gè)對(duì)象； （2）矩形查詢； （3）圓查詢； （4）多邊形查詢。 后三者都是查詢一組對(duì)象。例如查詢落入某行政區(qū)內(nèi)的道路、景點(diǎn)等。7.1 空間查詢 7.1.3 空間關(guān)系查詢空

2、間關(guān)系查詢 鄰接查詢鄰接關(guān)系包含查詢包含關(guān)系穿越查詢線面相交關(guān)系落入查詢包含關(guān)系緩沖區(qū)查詢包含關(guān)系反向查詢 例如：A包含B，若由A查詢B則為包含查詢；反之，若由B查詢A則為落入查詢。7.1 空間查詢 7.1.4 SQLSQL（結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言）查詢（結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言）查詢 由屬性條件查詢相應(yīng)的圖形。用SQL語(yǔ)言構(gòu)造條件語(yǔ)句，查詢滿足條件的圖形。例如：查詢?nèi)丝?0萬(wàn)的縣或市。Select 人口（屬性項(xiàng)）From 縣或市（屬性表）Where縣或市人口 50萬(wàn)（條件） 一般的GIS軟件都設(shè)計(jì)了比較好的用戶界面，交互式選擇和輸入有關(guān)語(yǔ)句的內(nèi)容，代替鍵入完整的查詢條件語(yǔ)句。 另外， SQL屬性條件和空間關(guān)系

3、的圖形條件組合在一起，形成擴(kuò)展的SQL查詢語(yǔ)言。如P232例子。 7.2 空間分析空間分析 利用空間特征之間的利用空間特征之間的空間關(guān)系空間關(guān)系通過(guò)通過(guò)空間運(yùn)算空間運(yùn)算得到得到新的信新的信息或知識(shí)。息或知識(shí)?？臻g分析是基于空間數(shù)據(jù)的分析技術(shù)，它以地學(xué)空間分析是基于空間數(shù)據(jù)的分析技術(shù)，它以地學(xué)原理為依托，通過(guò)分析算法，從空間數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)地理對(duì)原理為依托，通過(guò)分析算法，從空間數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)地理對(duì)象的空間位置、空間分布、空間形態(tài)等信息。象的空間位置、空間分布、空間形態(tài)等信息。 GIS中，空間分析是比空間查詢更為中，空間分析是比空間查詢更為深刻的內(nèi)容，深刻的內(nèi)容，通過(guò)通過(guò)空間分析可以空間分析可以派生

4、出新的信息（知識(shí)）。派生出新的信息（知識(shí)）。 7.2.1 疊置分析疊置分析 同一地區(qū)，同一比例尺的兩個(gè)或兩個(gè)以上的圖層進(jìn)行疊置（其中至少同一地區(qū)，同一比例尺的兩個(gè)或兩個(gè)以上的圖層進(jìn)行疊置（其中至少有一個(gè)圖層是多邊形圖層亦稱基本圖層，其它圖層可以是點(diǎn)、線、面圖有一個(gè)圖層是多邊形圖層亦稱基本圖層，其它圖層可以是點(diǎn)、線、面圖層）。生成具有多重屬性的新的圖層和屬性。層）。生成具有多重屬性的新的圖層和屬性。（1）空間邏輯運(yùn)算：空間邏輯運(yùn)算：例：土層厚度例：土層厚度50，：種植小麥，：種植小麥、邏輯交運(yùn)算：、邏輯交運(yùn)算：（表示土層厚度（表示土層厚度 50并且種植小麥的并且種植小麥的土地）；土地）；、邏輯并

5、運(yùn)算：、邏輯并運(yùn)算：（表示土層厚度（表示土層厚度 50以及種植小麥的以及種植小麥的土地）；土地）；、邏輯差運(yùn)算：（表示土層厚度、邏輯差運(yùn)算：（表示土層厚度 50不種植小麥的土不種植小麥的土地）。地）。 7.2.1 疊置分析疊置分析 （2）基于柵格的疊置分析）基于柵格的疊置分析： ：土層厚度：土層厚度50 ：種植小麥：種植小麥a、邏輯交運(yùn)算：、邏輯交運(yùn)算：Cij=AijBij =1 當(dāng)Aij =1 且 Bij =10 當(dāng)Aij =0 或 Bij =0b、邏輯并運(yùn)算：、邏輯并運(yùn)算：Cij=AijBij =1 當(dāng)Aij =1 或 Bij =10 當(dāng)Aij =0 且 Bij =0c、邏輯差運(yùn)算：、邏輯

6、差運(yùn)算：Cij=Aij Bij =1 當(dāng)Aij =1 且 Bij =00 當(dāng)Aij =0 以及 Aij =1 且 Bij =1參見(jiàn)P238- P240例子 7.2.1 疊置分析疊置分析 （3）基于矢量的疊置分析）基于矢量的疊置分析： 、點(diǎn)與多邊形的疊置、點(diǎn)與多邊形的疊置生成點(diǎn)層，帶有多生成點(diǎn)層，帶有多邊邊形屬性；形屬性； 、線與多邊形的疊置、線與多邊形的疊置生成線層，帶有多生成線層，帶有多邊邊形屬性；形屬性； 、多邊形與多邊形的疊置：邏輯交、邏輯并、邏輯差運(yùn)算可得三、多邊形與多邊形的疊置：邏輯交、邏輯并、邏輯差運(yùn)算可得三種疊置結(jié)果。種疊置結(jié)果。 ARC/INFOARC/INFO提供的多邊形與多

7、邊形的疊置分析，包括六種操作：提供的多邊形與多邊形的疊置分析，包括六種操作： UnionUnion；IntersectIntersect；IdentityIdentity；EraseErase；UpdateUpdate；ClipClip。 參見(jiàn)P240- P241例子討論空間疊置分析的應(yīng)用空間疊置分析的應(yīng)用 7.2.2 緩沖區(qū)分析緩沖區(qū)分析 對(duì)一組或一類(lèi)地物按緩沖的距離條件，建立緩沖區(qū)多邊形圖，然對(duì)一組或一類(lèi)地物按緩沖的距離條件，建立緩沖區(qū)多邊形圖，然后將這個(gè)圖層與需要進(jìn)行緩沖區(qū)分析的圖層進(jìn)行疊置分析，得到所后將這個(gè)圖層與需要進(jìn)行緩沖區(qū)分析的圖層進(jìn)行疊置分析，得到所需的結(jié)果。需的結(jié)果。 （1）

8、點(diǎn)緩沖區(qū)；點(diǎn)緩沖區(qū)； （2）線緩沖區(qū)；線緩沖區(qū)； （3）面緩沖區(qū)。面緩沖區(qū)。 緩沖區(qū)的建立緩沖區(qū)的建立P245。 緩沖區(qū)：等距離和變距離緩沖區(qū)：等距離和變距離 討論緩沖區(qū)分析的應(yīng)用緩沖區(qū)分析的應(yīng)用 7.2.3 泰森多邊形分析泰森多邊形分析 （1）由離散點(diǎn)建立泰森多邊形；）由離散點(diǎn)建立泰森多邊形； （2）由多邊形內(nèi)唯一一個(gè)離散點(diǎn)的值代表多邊形的值。）由多邊形內(nèi)唯一一個(gè)離散點(diǎn)的值代表多邊形的值。 泰森多邊形的數(shù)學(xué)意義：泰森多邊形的數(shù)學(xué)意義： （1）每個(gè)多邊形內(nèi)有且只有一個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)；）每個(gè)多邊形內(nèi)有且只有一個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)； （2）若點(diǎn)）若點(diǎn)M位于含離散點(diǎn)位于含離散點(diǎn)i與與j的兩個(gè)多邊形的公共邊上，則

9、的兩個(gè)多邊形的公共邊上，則Mi=Mj； （3）若點(diǎn)）若點(diǎn)M位于含離散點(diǎn)的多邊形內(nèi)，則對(duì)其它任意離散點(diǎn)位于含離散點(diǎn)的多邊形內(nèi)，則對(duì)其它任意離散點(diǎn)，恒有，恒有MiMj。 泰森多邊形分析，在區(qū)域地學(xué)分析，地形分析中具有廣泛的泰森多邊形分析，在區(qū)域地學(xué)分析，地形分析中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。應(yīng)用價(jià)值。 7.2.4 DTM分析（分析（Digital Terrain Model） 是描述地面諸特性空間分布的有序數(shù)值陣列。通常，所記的地面是描述地面諸特性空間分布的有序數(shù)值陣列。通常，所記的地面特性是高程，由此，構(gòu)成的數(shù)字地面模型為數(shù)字高程模型特性是高程，由此，構(gòu)成的數(shù)字地面模型為數(shù)字高程模型DEM （Digit

10、al Elevation Model）。）。 其中，按平面上等間距規(guī)則采樣或內(nèi)插所建立的其中，按平面上等間距規(guī)則采樣或內(nèi)插所建立的DTM，稱為柵格，稱為柵格DTM。表示為：。表示為： DTM= Z ij ，（，（i=1、2 m, j=1、2n）Z為柵格結(jié)點(diǎn)（為柵格結(jié)點(diǎn)（,）上的）上的地面屬性數(shù)據(jù)。地面屬性數(shù)據(jù)。 7.2.4 DTM分析（分析（Digital Terrain Model） (1) 地形因子的自動(dòng)提取地形因子的自動(dòng)提取 a、坡度計(jì)算：格點(diǎn)面元趨勢(shì)面在格點(diǎn)面元形心的向上法線、坡度計(jì)算：格點(diǎn)面元趨勢(shì)面在格點(diǎn)面元形心的向上法線cn與通與通過(guò)該點(diǎn)的向上垂直方向線過(guò)該點(diǎn)的向上垂直方向線cz的

11、夾角，稱為格點(diǎn)面元坡度，記為的夾角，稱為格點(diǎn)面元坡度，記為。 b、坡向分析：格點(diǎn)面元趨勢(shì)面在格點(diǎn)面元形心處的向上法線、坡向分析：格點(diǎn)面元趨勢(shì)面在格點(diǎn)面元形心處的向上法線cn在在水平面上的投影水平面上的投影c0n0與二維平面縱坐標(biāo)軸的正方向與二維平面縱坐標(biāo)軸的正方向c0 x的夾角稱為格點(diǎn)的夾角稱為格點(diǎn)面元坡向，記為面元坡向，記為。（順時(shí)針為正）。（順時(shí)針為正） (2) 地表形態(tài)的自動(dòng)分類(lèi)地表形態(tài)的自動(dòng)分類(lèi) a、擬定地形分類(lèi)決策表；、擬定地形分類(lèi)決策表； b、按提取的地形類(lèi)型信息分類(lèi)（高程、坡度、坡向）。、按提取的地形類(lèi)型信息分類(lèi)（高程、坡度、坡向）。 7.2.5 網(wǎng)絡(luò)分析網(wǎng)絡(luò)分析 網(wǎng)絡(luò)分析是為了

12、全面地描述網(wǎng)狀事物以及它們的相網(wǎng)絡(luò)分析是為了全面地描述網(wǎng)狀事物以及它們的相互關(guān)系和內(nèi)在聯(lián)系，而基于點(diǎn)和線組成的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)所進(jìn)互關(guān)系和內(nèi)在聯(lián)系，而基于點(diǎn)和線組成的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)所進(jìn)行的空間分析。行的空間分析。 網(wǎng)絡(luò)分析被廣泛地應(yīng)用于城市交通規(guī)劃與管理、地網(wǎng)絡(luò)分析被廣泛地應(yīng)用于城市交通規(guī)劃與管理、地下管網(wǎng)的管理和維護(hù)、電力、通訊、有線電視等系統(tǒng)的下管網(wǎng)的管理和維護(hù)、電力、通訊、有線電視等系統(tǒng)的管理和維護(hù)。管理和維護(hù)。 7.2.5 網(wǎng)絡(luò)分析（1）網(wǎng)絡(luò)圖論的基本概念 圖論：以抽象的形式來(lái)表達(dá)確定的事物，以及事物之間特定關(guān)系的數(shù)學(xué)系統(tǒng)。 表示形式：G=(V,E)其中：V(G)= vi i =1, ,n (結(jié)點(diǎn))

13、 E(G)=(vi, v j )/v I V, v j V (邊界) 包括有向圖，無(wú)向圖，賦權(quán)有向圖，記為G=（V,E,W）等。 7.2.5 網(wǎng)絡(luò)分析網(wǎng)絡(luò)分析 （1）網(wǎng)絡(luò)圖論的基本概念）網(wǎng)絡(luò)圖論的基本概念 描述圖的最直觀方法描述圖的最直觀方法圖形。圖形。 在計(jì)算機(jī)中，是用矩陣記錄圖在計(jì)算機(jī)中，是用矩陣記錄圖形，如：鄰接矩陣（形，如：鄰接矩陣（VV），），關(guān)聯(lián)矩陣（關(guān)聯(lián)矩陣（VE）。）。 例：例： v1v2v3v4v5e6e7e5e4e3e1e2D(G)=鄰接矩陣（鄰接矩陣（VV） 關(guān)聯(lián)矩陣（關(guān)聯(lián)矩陣（VE） 1 Vi 和和 Vj 鄰接0 Vi 和和 Vj 不不鄰接 或 i=jdij =A(G)

14、=1 Vi 和和 e j 關(guān)聯(lián)0 Vi 和和 ej不不關(guān)聯(lián)aij = 7.2.5 網(wǎng)絡(luò)分析網(wǎng)絡(luò)分析 （2）路經(jīng)分析）路經(jīng)分析（一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題）一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題）最佳最佳路徑選擇路徑選擇 為了求得為了求得最短路徑最短路徑，需解算任意兩點(diǎn)之間的距離，需解算任意兩點(diǎn)之間的距離W I j，然后求得，然后求得最佳路徑。最佳路徑。 若若 W =Wijn n Wij 0， i，j 鄰接（對(duì)于無(wú)向圖，鄰接（對(duì)于無(wú)向圖，W I j = W ji ） Wij = ，i，j 不鄰接不鄰接 Wij = 0， i = j。V1V4V6V5V2V3V8V71323333112324例例: W =V1 V2 V3 V4 V5 V

15、6 V7 V8V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 7.2.5 網(wǎng)絡(luò)分析網(wǎng)絡(luò)分析 （2）路經(jīng)分析）路經(jīng)分析用用Dijkstra（戴克斯徒拉）算法，求得最短路徑（戴克斯徒拉）算法，求得最短路徑Sk l：a、令起點(diǎn)、令起點(diǎn)k標(biāo)號(hào)為標(biāo)號(hào)為0,其它結(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)為其它結(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)為；b、 j結(jié)點(diǎn)暫時(shí)標(biāo)號(hào)：其值為結(jié)點(diǎn)暫時(shí)標(biāo)號(hào)：其值為min j的舊標(biāo)號(hào)的舊標(biāo)號(hào),（i的舊標(biāo)號(hào)的舊標(biāo)號(hào)+Wij）；c、找出暫時(shí)標(biāo)號(hào)的最小值作為相應(yīng)結(jié)點(diǎn)的固定標(biāo)號(hào)；、找出暫時(shí)標(biāo)號(hào)的最小值作為相應(yīng)結(jié)點(diǎn)的固定標(biāo)號(hào)；d、重復(fù)、重復(fù)b、c直到終點(diǎn)直到終點(diǎn) l 被定標(biāo)為止，且被定標(biāo)為止，且Skl 的最短距離即為的最短距離即為l的定標(biāo)的定標(biāo)值

16、。值。 7.2.5 網(wǎng)絡(luò)分析網(wǎng)絡(luò)分析 （2）路經(jīng)分析）路經(jīng)分析W =V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8V1V4V6V5V2V3V8V71323333112324例例: 用用Dijkstra算法，求算法，求V1到到V7的最短路徑的最短路徑:V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8確定起點(diǎn) 0 () () () () () () ()標(biāo)定V1 0 (1 1) (2 2) () () () () ()標(biāo)定V2 0 1 1 (2 2) (4 4) (4 4) () () ()標(biāo)定V3 0 1 1 2 2 (4 4) (4 4) () ()

17、 (6 6)標(biāo)定V4 0 1 1 2 2 4 4 (4 4) (7 7) () (6 6)標(biāo)定V5 0 1 1 2 2 4 4 4 4 (7 7) () (6 6)標(biāo)定V8 0 1 1 2 2 4 4 4 4 (7 7) (7 7) 6 6標(biāo)定V7 0 1 1 2 2 4 4 4 4 (7 7) 7 7 6 6最短路徑：最短路徑： V1 V3 V8 V7 7.2.6 空間分析的應(yīng)用空間分析的應(yīng)用 （1）公園選址）公園選址 步驟步驟1：建立分析的目的和標(biāo)準(zhǔn)：建立分析的目的和標(biāo)準(zhǔn)v 公園的位置既要交通便利又要環(huán)境安靜（距公路的距離公園的位置既要交通便利又要環(huán)境安靜（距公路的距離S: 0.25km

18、S 1.25km ）；）；v 公園應(yīng)設(shè)計(jì)成環(huán)繞一個(gè)天然的小河流；公園應(yīng)設(shè)計(jì)成環(huán)繞一個(gè)天然的小河流；v 使公園的可利用面積最大，公園中沒(méi)有沿河流分布的沼澤地。使公園的可利用面積最大，公園中沒(méi)有沿河流分布的沼澤地。 7.2.6 空間分析的應(yīng)用空間分析的應(yīng)用 （1）公園選址）公園選址 步驟步驟2：準(zhǔn)備空間操作的數(shù)據(jù)：準(zhǔn)備空間操作的數(shù)據(jù)v 道路圖層（道路圖層（ROADS）；）；v 河流圖層（河流圖層（STREAMS，河段分類(lèi)級(jí)別用，河段分類(lèi)級(jí)別用CLASS標(biāo)識(shí)）；標(biāo)識(shí)）；v 沼澤地圖層（沼澤地圖層（MARSH，用，用TYPE屬性區(qū)分沼澤地和非沼澤地）。屬性區(qū)分沼澤地和非沼澤地）。 7.2.6 空間分析

19、的應(yīng)用空間分析的應(yīng)用 （1）公園選址）公園選址 步驟：進(jìn)行空間操作步驟：進(jìn)行空間操作 v 建立緩沖區(qū)：按建立緩沖區(qū)：按 0.25km 和和 1.25km的緩沖距離分別建立緩沖區(qū)的緩沖距離分別建立緩沖區(qū)多邊形，提取可建公園的區(qū)域（兩個(gè)緩沖區(qū)多邊形相減后的環(huán)多邊形，提取可建公園的區(qū)域（兩個(gè)緩沖區(qū)多邊形相減后的環(huán)形區(qū)域），形成新圖層形區(qū)域），形成新圖層ZONES；v 空間疊置分析：首先，空間疊置分析：首先， ZONES圖層與圖層與MARSH圖層疊加，生圖層疊加，生成圖層成圖層ZMARSH ；然后，；然后， 將將STREAMS圖層與圖層與ZMARSH圖層圖層疊加，生成圖層疊加，生成圖層SITECOV（

20、線圖層）。（線圖層）。v 特征提?。簭奶卣魈崛。簭腟ITECOV圖層，提取圖層，提取 CLASS=2 AND INSIDE=100 AND TYPE=99的特征，提取的河段即是適合建公的特征，提取的河段即是適合建公園的地段，并以新的圖層存放。園的地段，并以新的圖層存放。 （2）洪水災(zāi)害損失估算）洪水災(zāi)害損失估算 步驟步驟1：建立分析的目的和標(biāo)準(zhǔn)：建立分析的目的和標(biāo)準(zhǔn) 分析的目的是確定由于一次大的洪水可能給居民造成的總的分析的目的是確定由于一次大的洪水可能給居民造成的總的經(jīng)濟(jì)損失經(jīng)濟(jì)損失。 分析標(biāo)準(zhǔn)：分析標(biāo)準(zhǔn)：v 計(jì)算損失的地區(qū)必須是位于洪泛區(qū)的居民居住區(qū)；計(jì)算損失的地區(qū)必須是位于洪泛區(qū)的居民居

21、住區(qū)；v 洪泛區(qū)中最高的洪水位高度限制在洪泛區(qū)中最高的洪水位高度限制在500米；米；v 預(yù)期的經(jīng)濟(jì)損失與洪泛區(qū)的土地價(jià)格和土地?fù)p失因子有關(guān)。預(yù)期的經(jīng)濟(jì)損失與洪泛區(qū)的土地價(jià)格和土地?fù)p失因子有關(guān)。 （2）洪水災(zāi)害損失估算）洪水災(zāi)害損失估算 步驟步驟2：準(zhǔn)備空間操作的數(shù)據(jù)：準(zhǔn)備空間操作的數(shù)據(jù)v 地塊圖層（地塊圖層（LOTS），屬性：地價(jià)（），屬性：地價(jià)（VALUE），土壤類(lèi)型），土壤類(lèi)型（SOILS）、使用類(lèi)型（）、使用類(lèi)型（ZONING, 是否是居民區(qū)）；是否是居民區(qū)）；v 等高線產(chǎn)生的多邊形圖層（等高線產(chǎn)生的多邊形圖層（CONTOURS），屬性：高程），屬性：高程（ELEV, 多邊形范圍內(nèi)最高高程）；多邊形范圍內(nèi)