GIS的核心之一空間分析

1、GIS基本空間分析空間分析是從空間數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)地理對象的空間位置、分布、形態(tài)、形成和演變等信息的分析技術(shù)，是地理信息系統(tǒng)的核心功能之一，它特有的對地理信息的提取、表現(xiàn)和傳輸?shù)墓δ?，是地理信息系統(tǒng)區(qū)別于一般管理信息系統(tǒng)的主要功能特征。在空間分析的研究和實踐中，很多在應(yīng)用領(lǐng)域具有一定普遍意義的、涉及空間位置的分析手段和方法被總結(jié)、提煉出來，形成了在GIS軟件中均包含的一些固有的空間分析功能模塊。這些功能具有一定的通用性質(zhì)，故而稱之為GIS基本空間分析，具體的有疊置分析、緩沖區(qū)分析、窗口分析和網(wǎng)絡(luò)分析。了解GIS基本空間分析對于進一步掌握復(fù)雜空間分析方法，具有一定的指導(dǎo)意義。疊置分析疊置分析是地理

2、信息系統(tǒng)中常用的提取空間隱含信息的方法之一，疊置分析是將有關(guān)主題層組成的各個數(shù)據(jù)層面進行疊置產(chǎn)生一個新的數(shù)據(jù)層面，其結(jié)果綜合了原來兩個或多個層面要素所具有的屬性，同時疊置分析不僅生成了新的空間關(guān)系，而且還將輸入的多個數(shù)據(jù)層的屬性聯(lián)系起來產(chǎn)生新的屬性關(guān)系。其中，被疊加的要素層面必須是基于相同坐標(biāo)系統(tǒng)的，基準(zhǔn)面相同的、同一區(qū)域的數(shù)據(jù)。疊置分析矢量數(shù)據(jù)疊置分析柵格數(shù)據(jù)疊置分析圖8.1 疊置分析結(jié)構(gòu)框架按照GIS中最常用的兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將疊置分析分成矢量數(shù)據(jù)疊置分析和柵格數(shù)據(jù)疊置分析，具體如圖。根據(jù)操作形式的不同，疊置分析可以分為圖層擦除、交集操作、圖層合并等；根據(jù)操作要素的不同，可以將矢量數(shù)據(jù)疊置分析

3、分成點與多邊形疊加、線與多邊形疊加、多邊形與多邊形疊加，柵格數(shù)據(jù)疊置分析分為單層與多層?xùn)鸥駭?shù)據(jù)疊置分析。要注意的是這里也要對屬性進行一定的操作，所指的屬性是較為簡單的屬性值，但注解屬性，尺度屬性，網(wǎng)絡(luò)屬性等均不能作為輸入的屬性值。矢量數(shù)據(jù)的疊置分析點與多邊形疊置點與多邊形疊置，是指一個點圖層與一個多邊形圖層相疊，疊置分析的結(jié)果往往是將其中一個圖層的屬性信息注入到另一個圖層中，然后更新得到的數(shù)據(jù)圖層；基于新數(shù)據(jù)圖層，通過屬性直接獲得點與多邊形疊加所需要的信息。從根本上來說，點與多邊形疊加是首先計算多邊形對點的包含關(guān)系，矢量結(jié)構(gòu)的GIS能夠通過計算每個點相對于多邊形線段的位置，進行點是否在一個多邊

4、形中的空間關(guān)系判斷，其次是進行屬性信息處理，最簡單的方式是將多邊形屬性信息疊加到其中的點上，或點的屬性疊加到多邊形上，用于標(biāo)識該多邊形。通過點與多邊形疊置可以查詢每個多邊形里有多少個點，以及落入各多邊形內(nèi)部的點的屬性信息。例如一個縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)作物產(chǎn)量圖與該縣的鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政圖進行疊置分析后，更新點屬性表，可以計算各鄉(xiāng)鎮(zhèn)有多少種農(nóng)作物及其產(chǎn)量，或者查詢哪些農(nóng)作物在哪些鄉(xiāng)鎮(zhèn)有分布等信息（如圖）。疊置結(jié)果圖層ID名稱1大王鎮(zhèn)2張家村3李家村ID農(nóng)作物產(chǎn)量160022,00031,000ID名稱農(nóng)作物產(chǎn)量1大王鎮(zhèn)6002大王鎮(zhèn)2,0003李家村1,000鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)劃圖層鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)作物圖層圖8.2 點與多邊形疊置分析線

5、與多邊形疊置線與多邊形的疊置同點與多邊形疊置類似，線與多邊形的疊加，指一個線圖層與一個多邊形圖層相疊，疊置結(jié)果通常是將多邊形層的屬性注入另一個圖層中，然后更新得到的數(shù)據(jù)圖層；基于新數(shù)據(jù)圖層，通過屬性直接獲得線與多邊形疊加所需要的信息。同樣，線與多邊形的疊加首先要比較線坐標(biāo)與多邊形坐標(biāo)的關(guān)系，判斷哪一條線落在哪一個或哪些多邊形內(nèi)，由于一條線常常跨越多個多邊形，因此必須首先計算線與多邊形的交點，將原線分割為兩個或兩個以上落入不同多邊形的新弧段。然后重建線的屬性表，表中既包含每條新弧段原來所屬的線的所有屬性，也包含新添加的、它所落入的多邊形標(biāo)識序號，以及該多邊形的某些附加屬性。例如河流網(wǎng)絡(luò)與鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)劃

6、圖進行疊置分析，這樣河流網(wǎng)絡(luò)圖層中的各個河流的線屬性表，將不僅包含原河流的信息，還含有該河流所在行政區(qū)的標(biāo)號和其他信息，可以依此得到任意省市內(nèi)的河流的分布密度和長度等（如圖）。鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)劃圖層河流圖層疊置結(jié)果圖層圖8.3 線與多邊形疊置分析ID名稱1大王鎮(zhèn)2張家村3李家村ID河流1裕河2昌河3十里溝ID名稱河流1大王鎮(zhèn)裕河2大王鎮(zhèn)昌河3李家村昌河多邊形疊置多邊形疊置是GIS空間分析中的最常用的功能之一，也是疊置分析中最經(jīng)典的形式。多邊形疊置是將兩個或多個多邊形圖層進行疊加，產(chǎn)生一個新的多邊形圖層。新圖層的多邊形是原來各圖層多邊形相交分割的結(jié)果，每個多邊形的屬性含有原圖層各個多邊形的所有屬性數(shù)據(jù)。圖

7、8.4 多邊形疊置分析鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)劃圖層土地利用圖層疊置結(jié)果圖層ID名稱1高家莊2賈家村3周家堡ID土地利用編號111021113112ID名稱土地利用編號1高家莊1102賈家村1103周家堡112多邊形的疊置首先要進行幾何相交，即首先求出所有多邊形邊界線的交點，再根據(jù)這些交點重新裝配多邊形，建立拓撲關(guān)系，每個多邊形賦予唯一標(biāo)識碼，并判斷新生的多邊形分別落在各圖層的哪個多邊形內(nèi)，建立新多邊形與原多邊形的關(guān)系。其次，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中建立結(jié)果層的多邊形屬性表，將原圖層中對應(yīng)多邊形的屬性數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)到新的多邊形屬性表中，但前提是多邊形對象內(nèi)屬性是均質(zhì)的，將它們分割后，屬性不變（如圖）。由于兩個多邊形疊加時其邊

8、界在相交處是被分割的，因此，輸出多邊形的數(shù)目可能遠大于輸入多邊形之和。在多邊形疊加操作中，往往因此產(chǎn)生很多較小的多邊形，其中大部分并不代表實際的空間變化，這些小而無用的多邊形稱之為破碎多邊形或偽多邊形，它們是多邊形疊置的主要問題。破碎多邊形即沿著兩個輸入地圖的相關(guān)或共同邊界線的細小多邊形（圖），它是由于數(shù)字化過程中的誤差而造成的，輸入地圖上的共同邊界線不會剛好相互重疊。當(dāng)兩幅地圖疊加后，數(shù)字化邊界線的相交形成了破碎多邊形。引起破碎多邊形的其他原因包括源地圖的誤差或解譯誤差。一般來說，多邊形邊界通常是由野外調(diào)查數(shù)據(jù)、航空相片和衛(wèi)星圖像解譯出來的，解譯差錯也可能產(chǎn)生不正確的多邊形邊界。通常GIS軟

9、件在地圖疊加操作中設(shè)置模糊容差值，以去除破碎多邊形。模糊容差原理是如果這些點落在指定距離范圍之內(nèi)的話，將強制性把構(gòu)成線的點捕捉到一起。但是容差值的大小難以把握，容差過大，則容易將一些正確的多邊形刪除，而容差過小，又無法起到剔除的效果。消除破碎多邊形的另一種辦法是應(yīng)用最小制圖單元概念。最小制圖單元代表由政府機構(gòu)或組織指定的最小面積單元，小于該值的多邊形通過合并到其鄰接多邊形而被消除。多邊形疊置廣泛地應(yīng)用于生活、科研、生產(chǎn)等各個方面。例如對于土地管理信息系統(tǒng)的用戶，他們經(jīng)常需要提取某個縣、某些人口統(tǒng)計單元或水文區(qū)域內(nèi)的土地利用數(shù)據(jù)，并進行面積統(tǒng)計。此時就需要把土地利用圖與人口統(tǒng)計分區(qū)等圖進行疊置。

10、又如進行土地資源分析，還需要把土地利用圖與土壤分布圖、DTM模型的數(shù)據(jù)進行疊置，以得到一系列的分析結(jié)果，為土地利用規(guī)劃等提供依據(jù)。柵格數(shù)據(jù)的疊置分析柵格數(shù)據(jù)由于其空間信息隱含屬性信息明確的特點，可以看作是最為典型的數(shù)據(jù)層面，通過數(shù)學(xué)關(guān)系建立不同數(shù)據(jù)層面之間的聯(lián)系是GIS提供的典型功能，空間模擬尤其需要通過各種各樣的方式將不同的數(shù)據(jù)層面進行疊加運算，以揭示某種空間現(xiàn)象或空間過程。在柵格數(shù)據(jù)內(nèi)部，疊加運算是通過像元之間的各種運算來實現(xiàn)的。設(shè)，分別表示第1層至第n層上同一坐標(biāo)屬性值，f函數(shù)表示各層上屬性與用戶需求之間的關(guān)系，E為疊置后屬性輸出層的屬性值，則 (8.1)疊加操作的輸出結(jié)果可能是： 各層

11、屬性數(shù)據(jù)的算術(shù)運算結(jié)果； 各層屬性數(shù)據(jù)的極值； 邏輯條件組合； 其他模型運算結(jié)果。同矢量數(shù)據(jù)多邊形疊置分析相比，柵格數(shù)據(jù)的更易處理，簡單而有效，不存在破碎多邊形的問題等優(yōu)點，使得柵格數(shù)據(jù)的疊置分析在各類領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。根據(jù)柵格數(shù)據(jù)疊加層面來將柵格數(shù)據(jù)的疊置分析運算方法分為以下幾類：布爾邏輯運算柵格數(shù)據(jù)一般可以按屬性數(shù)據(jù)的布爾邏輯運算來檢索，即這是一個邏輯選擇的過程。設(shè)有A、B、C三個層面的柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)，一般可以用布爾邏輯算子以及運算結(jié)果的文氏圖表示其一般的運算思路和關(guān)系。布爾邏輯為AND、OR、XOR、NOT，如圖所示。 布爾邏輯運算可以組合更多的屬性作為檢索條件，以進行更復(fù)雜的邏輯選擇運算

12、。A .AND. B .AND. CA .OR. B .OR. CA .XOR. B .XOR. CA .NOT. (B .AND. C)A .AND. B .OR. CA .AND. (B .OR. C)圖8.6 布爾邏輯算子文氏圖重分類重分類是將屬性數(shù)據(jù)的類別合并或轉(zhuǎn)換成新類。即對原來數(shù)據(jù)中的多種屬性類型，按照一定的原則進行重新分類，以利于分析。重分類時必須保證多個相鄰接的同一類別的圖形單元應(yīng)獲得相同的名稱，并將圖形單元合并，從而形成新的圖形單元（圖）。圖8.7 重分類的過程數(shù)學(xué)運算復(fù)合法指不同層面的柵格數(shù)據(jù)逐網(wǎng)格按一定的數(shù)學(xué)法則進行運算，從而得到新的柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)的方法。其主要類型有以下幾

13、種：算術(shù)運算ABCD=A+B+CE=|B-C|F=D-E圖8.8 柵格數(shù)據(jù)的算術(shù)運算指兩個以上圖層的對應(yīng)網(wǎng)格值經(jīng)加、減運算，而得到新的柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)的方法。這種復(fù)合分析法具有很大的應(yīng)用范圍。圖給出了該方法在柵格數(shù)據(jù)編輯中的應(yīng)用例證。函數(shù)運算指兩個以上層面的柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)以某種函數(shù)關(guān)系作為復(fù)合分析的依據(jù)進行逐網(wǎng)格運算，從而得到新的柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)的過程。這種復(fù)合疊置分析方法被廣泛地應(yīng)用到地學(xué)綜合分析、環(huán)境質(zhì)量評價、遙感數(shù)字圖像處理等領(lǐng)域中。例如利用土壤侵蝕通用方程式計算土壤侵蝕量時，就可利用多層面柵格數(shù)據(jù)的函數(shù)運算復(fù)合分析法進行自動處理。一個地區(qū)土壤侵蝕量的大小是降雨()、植被覆度()、坡度()、坡長（

14、）、土壤抗蝕性(SRL)等因素的函數(shù)?？蓪懗?(8.2)逐網(wǎng)格的柵格數(shù)據(jù)疊置分析運算如圖所示。 坡度圖坡長圖土壤抗蝕圖降雨量圖植被覆度圖侵蝕量圖圖8.9 土壤侵蝕多因子函數(shù)運算復(fù)合分析示意圖類似這種分析方法在地學(xué)綜合分析中具有十分廣泛的應(yīng)用前景。只要得到表達事物關(guān)系的各圖層間的函數(shù)關(guān)系式，便可運用以上方法完成各種人工難以完成的極其復(fù)雜的分析運算。例如，進行土地評價所涉及的多因素分析中可能包括土壤類型、土壤深度、排水性能、土壤結(jié)構(gòu)以及地貌等各個數(shù)據(jù)層的信息，如果直接對這些數(shù)據(jù)層上的屬性值進行數(shù)學(xué)運算，得到的結(jié)果可能是毫無意義的，必須將其變成另一基本元素（如用數(shù)值量化的土地適用性）后才能進行這種多

15、因素分析的數(shù)學(xué)運算，其結(jié)果對土地評價有著重要的指導(dǎo)意義。緩沖區(qū)分析緩沖區(qū)分析是地理信息系統(tǒng)中常用的一種空間分析方法，是對空間特征進行度量的一種重要手段。緩沖區(qū)分析是研究根據(jù)數(shù)據(jù)庫的點、線、面實體，自動建立其周圍一定寬度范圍內(nèi)的緩沖區(qū)多邊形實體，從而實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)在水平方向得以擴展的信息分析方法。它是地理信息系統(tǒng)基本的空間操作功能之一。從空間變換的觀點看，緩沖區(qū)分析模型就是將點、線、面地物分布圖變換成這些地物的擴展距離圖，圖上每一點的值代表該點距離最近的某種地物的距離。實際上，緩沖區(qū)就是地理目標(biāo)或工程規(guī)劃目標(biāo)的一種影響范圍。緩沖區(qū)是地理空間目標(biāo)的一種影響范圍或服務(wù)范圍在尺度上的表現(xiàn)。它是一種因變量

16、，隨所研究的要素的形態(tài)而改變。從數(shù)學(xué)的角度來看，緩沖區(qū)是給定空間對象或集合后獲得的它們的領(lǐng)域，而鄰域的大小由鄰域的半徑或緩沖區(qū)建立條件來決定。因此對于一個給定的對象A，它的緩沖區(qū)可以定義為：其中，d一般是指歐氏距離，也可以是其它的距離， r為鄰域半徑或緩沖區(qū)建立的條件。緩沖條件點狀要素線狀要素面狀要素指定緩沖距離以要素屬性距離分級緩沖區(qū)可變緩沖距離.緩沖區(qū)分析方法空間查詢不同圖層的疊置分析網(wǎng)絡(luò)分析空間統(tǒng)計分析可變緩沖距離.分析結(jié)果圖8.10 緩沖區(qū)分析流程緩沖區(qū)分析包括緩沖區(qū)的建立及區(qū)域分析，它是首先對要素根據(jù)緩沖的條件，建立緩沖區(qū)，然后將這個緩沖區(qū)圖層與其他圖層進行諸如疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析、服

17、務(wù)設(shè)施查找等其他分析操作，得到所需要的結(jié)果，以便為某項分析或決策提供依據(jù)。緩沖區(qū)分析也稱緩沖區(qū)操作，但有時也將緩沖區(qū)的建立稱為緩沖區(qū)操作，而建立后采用的分析過程稱之為緩沖區(qū)分析（如圖8.10）。緩沖區(qū)的類型緩沖區(qū)建立的形態(tài)多種多樣，這是根據(jù)緩沖區(qū)建立的條件來確定的，常用的對于點狀要素有圓形，也有三角形、矩形和環(huán)形等；對于線狀要素有雙側(cè)對稱、雙側(cè)不對稱或單側(cè)緩沖區(qū)；對于面狀要素有內(nèi)側(cè)和外側(cè)緩沖區(qū)。這些形體各不相同，可以適合不同的應(yīng)用要求。但是從總體上來說，都是根據(jù)空間目標(biāo)的不同，建立的不同緩沖區(qū)，所以從緩沖區(qū)對象方面來看，緩沖區(qū)最基本的可分為點緩沖區(qū)、線緩沖區(qū)和面緩沖區(qū)。點緩沖區(qū)點緩沖區(qū)是選擇單

18、個點、一組點、一類點狀要素或一層點狀要素，按照給定的緩沖條件建立緩沖區(qū)結(jié)果。如圖，不同的緩沖條件下，單個或多個點狀要素建立的緩沖區(qū)不同。圖8.11 點緩沖區(qū)a. 單個點緩沖區(qū)b. 相同緩沖距離緩沖區(qū)c. 屬性值作距離參數(shù)緩沖區(qū)線緩沖區(qū)線緩沖區(qū)是選擇一類或一組線狀要素，按照給定的緩沖條件建立緩沖區(qū)結(jié)果，如圖。c. 屬性值作距離參數(shù)緩沖區(qū)圖8.12 線緩沖區(qū)a. 單個線緩沖區(qū)b. 多個線緩沖區(qū)面緩沖區(qū)圖8.13 面緩沖區(qū)a. 外緩沖區(qū)b. 內(nèi)緩沖區(qū)c. 內(nèi)外緩沖區(qū)面緩沖區(qū)是選擇一類或一組面狀要素，按照給定的緩沖條件建立緩沖區(qū)結(jié)果。面緩沖區(qū)由于自身緩沖區(qū)建立的原因，存在內(nèi)緩沖區(qū)和外緩沖區(qū)之分。外緩沖

19、區(qū)是僅僅在面狀地物的外圍形成緩沖區(qū)，內(nèi)緩沖區(qū)則在面狀地物的內(nèi)側(cè)形成緩沖區(qū)，同時也可以在面狀地物的邊界兩側(cè)形成緩沖區(qū)。（圖）緩沖區(qū)的建立從原理上來說，緩沖區(qū)的建立相當(dāng)簡單，對點狀要素直接以其為圓心，以要求的緩沖區(qū)距離大小為半徑繪圓，所包容的區(qū)域即為所要求區(qū)域，對點狀要素因為是在一維區(qū)域里所以較為簡單；而線狀要素和面狀要素則比較復(fù)雜，它們緩沖區(qū)的建立是以線狀要素或面狀要素的邊線為參考線，來做其平行線，并考慮其端點處建立的原則，即可建立緩沖區(qū)，但是在實際中處理起來要復(fù)雜得多。最常見的兩種方法為角平分線法和凸角圓弧法。除了這兩種緩沖區(qū)建立的方法之外，還有一些其他的方法，如拓撲生成法、基于網(wǎng)絡(luò)距離的緩沖

20、區(qū)生成、遞歸方法等。在建立緩沖區(qū)之后，緩沖區(qū)是一些新的多邊形，而不包含原有的點、線、面要素。一般來說在建立緩沖區(qū)的時候應(yīng)注意以下問題：緩沖區(qū)疊置處理緩沖區(qū)的重疊包含多個特征緩沖區(qū)之間的疊置，以及同一特征緩沖區(qū)圖形的重疊。前一種情況可以通過拓撲分析的方法自動識別在緩沖區(qū)內(nèi)部的弧段或線段，得到最后的緩沖區(qū)；后者可通過緩沖區(qū)邊界曲線逐條線段求交。如果有交點并且在該兩個線段上，則記錄該交點，并截斷曲線，而線段的其余部分是否保留則應(yīng)判斷它位于重疊區(qū)內(nèi)還是外面。若位于區(qū)內(nèi)則刪除，區(qū)外則記錄，便可得到包含島緩沖區(qū)。緩沖區(qū)寬度不同處理當(dāng)不同級別的同一類要素建立緩沖區(qū)時，由于級別不同，而產(chǎn)生緩沖區(qū)的范圍大小不同

21、，如主要街道和次要道路，這時應(yīng)首先建立要素屬性表，根據(jù)不同的屬性確定不同的緩沖區(qū)寬度，然后再產(chǎn)生緩沖區(qū)。除此之外還有分級緩沖區(qū)、可變距離緩沖區(qū)的問題等等(圖8.14)。a. 分等級的緩沖區(qū)b. 可變距離緩沖區(qū)圖8.14 其他類型的緩沖區(qū)緩沖區(qū)分析方法在實際中的應(yīng)用范圍很廣，例如在林業(yè)方面，要求出距河流兩岸一定范圍內(nèi)規(guī)定禁止砍伐樹木的地帶，以防水土流失；城市道路街道的擴建，在街道周圍需要拆遷的建筑物標(biāo)識；大型水庫興建引起的搬遷；沿河流給出的環(huán)境敏感區(qū)的寬度；不同的工廠、飛機場和其他設(shè)施對周圍產(chǎn)生的噪音污染的區(qū)域大小等等。圖給出的是一個關(guān)于緩沖區(qū)分析的實例，某城市醫(yī)院的服務(wù)影響范圍。首先選擇全部醫(yī)

22、院，以醫(yī)院的大小的量化值作為緩沖距離建立緩沖區(qū)，并對這些緩沖區(qū)進行矢量圖形疊加，得到未被影響范圍覆蓋的區(qū)域。圖上深色區(qū)域即為得到的緩沖區(qū)。圖8.15 緩沖區(qū)分析實例圖例：建立的緩沖區(qū)醫(yī)院道路窗口分析窗口分析概述地學(xué)信息除了在不同層面的因素之間存在著一定的制約關(guān)系之外,還表現(xiàn)在空間上存在著一定的關(guān)聯(lián)性。對于柵格數(shù)據(jù)所描述的某項地學(xué)要素，其中的(i，j)柵格往往會影響其周圍柵格的屬性特征。充分而有效地利用這種事物在空間上相聯(lián)系的特點，是地學(xué)分析的必然考慮因素。窗口分析是指對于柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的一個、多個柵格點或全部數(shù)據(jù)，開辟一個有固定分析半徑的分析窗口，并在該窗口內(nèi)進行諸如極值、均值等一系列統(tǒng)計計算

23、，或與其它層面的信息進行必要的復(fù)合分析，從而實現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)有效的水平方向擴展分析。窗口分析中的三個要素：中心點，在單個窗口中的中心點可能就是一個柵格點，或者是分析窗口的最中間的柵格點，窗口分析運算后的數(shù)值賦予它。分析窗口大小與類型，依據(jù)的單個窗口中的柵格分布狀況，如平滑運算的33矩形窗口，扇形窗口等。運算方式，圖層根據(jù)窗口分析類型運算，依據(jù)不同的運算方式獲得新的圖層，如DEM提取坡度、坡向運算。有一定分析半徑和類型的窗口單個柵格點選擇窗口大小和類型原始柵格圖層運算方式確定新的柵格點挨個柵格點的實現(xiàn)新的柵格圖層大小：類型矩形窗口圓形窗口扇形窗口統(tǒng)計運算測度運算函數(shù)運算追蹤分析圖8.16 窗口分析實

24、現(xiàn)過程分析窗口的類型按照分析窗口的形狀，可以將分析窗口劃分為以下類型：矩形窗口：是以目標(biāo)柵格為中心，分別向周圍八個方向擴展一層或多層?xùn)鸥?，從而?成如圖8.17(a)所示的矩形分析區(qū)域。圓形窗口：是以目標(biāo)柵格為中心，向周圍作一等距離搜索區(qū)，構(gòu)成一圓形分析窗口，如圖8.17(b)。環(huán)形窗口：是以目標(biāo)柵格為中心，按指定的內(nèi)外半徑構(gòu)成環(huán)形分析窗口。扇形窗口：是以目標(biāo)柵格為起點，按指定的起始與終止角度構(gòu)成扇形分析窗口。其他窗口，如正六邊形等。b. 圓形窗口a. 33矩形窗口DEM區(qū)域局部移動窗口目標(biāo)點DEM區(qū)域局部移動窗口目標(biāo)點8.17 DEM局部移動窗口窗口分析的類型統(tǒng)計運算柵格分析窗口內(nèi)的空間數(shù)據(jù)

25、的統(tǒng)計分析類型一般有以下幾種類型。 平均值統(tǒng)計（Mean）：新柵格值為分析窗口內(nèi)原柵格值的均值；最大值統(tǒng)計（Maximum）：新柵格值為分析窗口內(nèi)原柵格值的最大值；最小值統(tǒng)計（Minimum）：新柵格值為分析窗口內(nèi)原柵格值的最小值；中值統(tǒng)計（Median）：是指這個數(shù)的中數(shù)，若為奇數(shù)，則；若為偶數(shù)，則，新柵格值為分析窗口內(nèi)原柵格值的中值；求和統(tǒng)計（Sum）：新柵格值為分析窗口內(nèi)原柵格值的總和；標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計（Standard deviation）：新柵格值為分析窗口內(nèi)原柵格值的標(biāo)準(zhǔn)差值；a. 原始柵格圖層b. 均值窗口分析后柵格圖層圖8.18 均值窗口分析圖例：846.12 883.68 921.

26、23 958.79 996.34 1033.9 1071.46 1109.01 1146.57 圖例：846.12 883.68 921.23 958.79 996.34 1033.9 1071.46 1109.01 1146.57 其他，諸如值域、模等。如圖是1111窗口大小的平均值統(tǒng)計的窗口分析。測度運算范圍統(tǒng)計（Range）：是指分析窗口范圍內(nèi)統(tǒng)計值的范圍；多數(shù)統(tǒng)計（Majority）：是指分析窗口范圍內(nèi)絕大多數(shù)的統(tǒng)計值，頻率最高的單元值；少數(shù)統(tǒng)計（Minority）：是指分析窗口范圍內(nèi)較少數(shù)的統(tǒng)計值，頻率最低的單元值；種類統(tǒng)計（Variety）：是指分析窗口范圍內(nèi)統(tǒng)計值的種類，不同單元

27、值的數(shù)目。函數(shù)運算窗口分析中的函數(shù)運算是選擇分析窗口后，以某種特殊的函數(shù)或關(guān)系式，如濾波算子，坡度計算等，來進行從原始柵格值到新柵格值的運算，具體可以用下列公式來表達： (8.3)其中，為行列號，為第行，第列原始柵格值，是分析窗口大小，為柵格系數(shù)，為運算函數(shù)，為新柵格圖層值。在函數(shù)運算中，應(yīng)用比較廣泛的有：a. 原始柵格圖層b. 高通濾波運算后的柵格圖層圖8.19 濾波運算窗口分析圖例：圖例：846.12 883.68 921.23 958.79 996.34 1033.9 1071.46 1109.01 1146.57 -20.6 -16.08 -11.57 -7.05 -2.54 1.98

28、 6.49 11.01 15.52 濾波運算，如圖像卷積運算，羅伯特梯度計算，拉普拉斯算法等，這些在遙感圖像處理方面應(yīng)用較廣。圖是進行濾波運算的窗口分析。1,623 1,657.9 1,689.5 1,721.1 1,751.6 1,7801,780 1,901圖例：1830183318351834183518351841183918383*3窗口的高程值中心柵格的坡度值（）圖8.20 柵格點坡度函數(shù)運算圖層顯示0 1,657.9 10.817 16.225 21.634 27.3 32.966 38.361 44.555 圖例：地形參數(shù)運算，如坡度坡向的運算，平面曲率，剖面曲率的計算，水流方

29、向矩陣，水流累計矩陣的獲得等。圖是某柵格點坡度函數(shù)運算圖層顯示。追蹤分析所謂柵格數(shù)據(jù)的追蹤分析是指，對于特定的柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)，由某一個或多個起點，按照一定的追蹤法則進行追蹤目標(biāo)或者追蹤軌跡信息提取的空間分析方法。如圖所323812171817499121823232041316202528262031221233332292071425323931251412212730322417111522342521151281619202510746圖8.21 由追蹤法提取地面水流路徑網(wǎng)絡(luò)分析現(xiàn)實世界中，若干線狀要素相互連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，資源沿著這個線性網(wǎng)流動，這樣就構(gòu)成了一個網(wǎng)絡(luò)。在GIS中，作為空間實

30、體的網(wǎng)絡(luò)與圖論中的網(wǎng)絡(luò)不同。它作為一種復(fù)雜的地理目標(biāo)，除具有一般網(wǎng)絡(luò)的邊、結(jié)點間的抽象的拓撲含義之外，還具有空間定位上的地理意義和目標(biāo)復(fù)合上的層次意義。具體說來，網(wǎng)絡(luò)就是指現(xiàn)實世界中，由鏈和結(jié)點組成的、帶有環(huán)路，并伴隨著一系列支配網(wǎng)絡(luò)中流動之約束條件的線網(wǎng)圖形，它的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是點與線組成的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)分析是通過模擬、分析網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)以及資源在網(wǎng)絡(luò)上的流動和分配等，研究網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、流動效率及網(wǎng)絡(luò)資源等的優(yōu)化問題的領(lǐng)域。對地理網(wǎng)絡(luò)、城市基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)進行地理分析和模型化，是地理信息系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)分析功能的主要目的。進行網(wǎng)絡(luò)分析研究的數(shù)學(xué)分支是圖論和運籌學(xué)，它的根本目的是研究、籌劃一項基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的工程如何安

31、排，并使其運行效果最好，如一定資源的最佳分配，從一地到另一地的花費時間最短等，研究內(nèi)容主要包括選擇最佳路徑，選擇最佳布局中心的位置，資源分配，結(jié)點弧段的遍歷等。其基本思想則在于人類活動總是趨向于按一定目標(biāo)選擇達到最佳效果的空間位置。這類問題在生產(chǎn)、社會、經(jīng)濟活動中不勝枚舉，因此研究此類問題具有重大意義。目前網(wǎng)絡(luò)分析在電子導(dǎo)航、交通旅游、各種城市管網(wǎng)和配送、急救等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。網(wǎng)絡(luò)組成和屬性網(wǎng)絡(luò)組成網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)實世界中，由鏈和結(jié)點組成的、帶有環(huán)路、并伴隨著一系列支配網(wǎng)絡(luò)中流動之約束條件的線網(wǎng)圖形。它是現(xiàn)實世界中的網(wǎng)狀系統(tǒng)的抽象表示，可以模擬交通網(wǎng)、通訊網(wǎng)、地下水管網(wǎng)、天然氣網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)的

32、基本組成部分和屬性如下(圖8.22)：線狀要素鏈網(wǎng)絡(luò)中流動的管線，是構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的骨架，也是資源或通信聯(lián)絡(luò)的通道，包括有形物體如街道，河流，水管，電纜線等，無形物體如無線電通訊網(wǎng)絡(luò)等，其狀態(tài)屬性包括阻力和需求。點狀要素 障礙，禁止網(wǎng)絡(luò)中鏈上流動的，或?qū)Y源或通信聯(lián)絡(luò)起阻斷作用的點； 拐角點，出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)鏈中所有的分割結(jié)點上狀態(tài)屬性的阻力，如拐彎的時間和限制（如不允許左拐）； 結(jié)點，網(wǎng)絡(luò)鏈與網(wǎng)絡(luò)鏈之間的連接點，位于網(wǎng)絡(luò)鏈的兩端，如車站、港口、電站等，其狀態(tài)屬性包括阻力和需求； 中心，是接受或分配資源的位置，如水庫，商業(yè)中心、電站等。其狀態(tài)屬性包括資源容量，如總的資源量，阻力限額，如中心與鏈之間的最大距

33、離或時間限制； 站點，在路徑選擇中資源增減的站點，如庫房、汽車站等其狀態(tài)屬性有要被運輸?shù)馁Y源需求，如產(chǎn)品數(shù)。圖8.22 空間網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成元素鏈站點 障礙拐角點結(jié)點中心圖例： 除了基本組成部分外，有時還要增加一些特殊結(jié)構(gòu)，如鄰接點鏈表用來輔助進行路徑分析等。網(wǎng)絡(luò)中的屬性網(wǎng)絡(luò)組成部分都是用圖層要素形式表示，需要建立要素間的拓撲關(guān)系，包括結(jié)點弧段拓撲關(guān)系和弧段結(jié)點拓撲關(guān)系，并用一系列相關(guān)屬性來描述。這些屬性是網(wǎng)絡(luò)中的重要部分，一般以表格的方式存儲在GIS數(shù)據(jù)庫中，以便構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)模型和網(wǎng)絡(luò)分析，例如，在城市交通網(wǎng)絡(luò)中，每一段道路都有名稱、速度上限、寬度等；?？奎c處有大量的物資等待裝載或下卸等屬性。在這些屬

34、性中，有一些特殊的非空間屬性，如下：阻強指資源在網(wǎng)絡(luò)流動中的阻力大小，如所花的時間，費用等。它是描述鏈與拐角點所具有的屬性。鏈的阻強描述的是從鏈的一個結(jié)點到另一個結(jié)點所克服的阻力，它的大小一般與弧段長度、方向、屬性及結(jié)點類型等有關(guān)。拐角點的阻強描述資源流動方向在結(jié)點處發(fā)生改變的阻力大小，它隨著兩條相連鏈弧的條件狀況而變化。若有單行線，則表示資源流在往單行線逆向方向的阻力為無窮大或為負值。為了網(wǎng)絡(luò)分析的需要，一般來說要求不同類型的阻強要統(tǒng)一量綱。運用阻礙強度概念的目的在于模擬真實網(wǎng)絡(luò)中各路線及轉(zhuǎn)彎的變化條件。網(wǎng)絡(luò)分析中選取的資源最優(yōu)分配和最優(yōu)路徑隨要素阻礙強度的大小而變化。最優(yōu)路徑是最小阻力的路

35、線。對不構(gòu)成通道的鏈或拐角點往往賦予負的阻礙強度，這樣在選取最佳路線時可自動跳過這些鏈或拐角點。資源容量指網(wǎng)絡(luò)中心為了滿足各鏈的需求，能夠容納或提供的資源總數(shù)量，也指從其他中心流向該中心或從該中心流向其他中心的資源總量。如水庫的總?cè)菟浚e館的總?cè)菘土?，貨運總站的倉儲能力等。資源需求量指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中具體的線路、鏈、結(jié)點所能收集的或可以提供給某一中心的資源量。如城市交通網(wǎng)絡(luò)中沿某條街道的流動人口，供水網(wǎng)絡(luò)中水管的供水量，貨運?？奎c裝卸貨物的件數(shù)等。網(wǎng)絡(luò)的建立網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)的建立，一個完整的網(wǎng)絡(luò)必須首先加入多層點文件和線文件，由這些文件建立一個空的空間圖形網(wǎng)絡(luò)，然后對點和線文件建立起拓撲關(guān)系，

36、加入其各個網(wǎng)絡(luò)屬性特征值，如根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際的需要，設(shè)置不同阻強值，網(wǎng)絡(luò)中鏈的連通性，中心點的資源容量，資源需求量等。一旦建立起網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，全部數(shù)據(jù)被存放在地理數(shù)據(jù)庫中，由數(shù)據(jù)庫的生命循環(huán)周期來維持其運作。例如在ArcGIS中建立的幾何網(wǎng)絡(luò)的格式是GeoDataBase，將其全部的數(shù)據(jù)和組成部分封裝在一個文件中。網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用路徑分析在任何定義域上，距離總是指兩點或其他對象間的最短的間隔，同時在討論距離時，定義這個距離的路徑也是其重要的方面。在平面域上，因為歐氏距離的路徑是一條直線，對它的確定是直截了當(dāng)?shù)?，所以一般不專門討論與距離相連的路徑問題。在球面上，與距離相連的路徑是大圓航線，需要特別的計算，但在

37、給定了兩點的地理坐標(biāo)（地理位置）后，這個路徑的計算是基本的也是簡單易行的。但在一個網(wǎng)絡(luò)上，給定了兩點的位置，在計算兩點間的距離時，必須同時考慮與之相關(guān)聯(lián)的路徑。因為路徑的確定相對復(fù)雜，無法直接計算。這就是為什么“計算機網(wǎng)絡(luò)上兩點的距離”在大多數(shù)的情況下，都稱之為“最短路徑計算”。在這里，“路徑”顯然比“距離”更為重要。在路徑分析中有以下幾類的分析處理方向：靜態(tài)最佳路徑：由用戶確定權(quán)值關(guān)系后，即給定每條弧段的屬性，當(dāng)需求最佳路徑時，讀出路徑的相關(guān)屬性，求最佳路徑。動態(tài)分段技術(shù)：給定一條路徑由多段聯(lián)系組成，要求標(biāo)注出這條路上的公里點或要求定位某一公路上的某一點，標(biāo)注出某條路上從某公里數(shù)到另一公里數(shù)

38、的路段。N條最佳路徑分析：確定起點、終點，求代價較小的幾條路徑，因為在實踐中往往僅求出最佳路徑并不能滿足要求，可能因為某種因素不走最佳路徑，而走近似最佳路徑。最短路徑：確定起點、終點和所要經(jīng)過的中間點、中間連線，求最短路徑。動態(tài)最佳路徑分析：實際網(wǎng)絡(luò)分析中，權(quán)值是隨著權(quán)值關(guān)系式變化的，而且可能會臨時出現(xiàn)一些障礙點，所以往往需要動態(tài)地計算最佳路徑。圖中粗線為從市第二醫(yī)院到江蘇省人民醫(yī)院的最短路徑的尋找。圖8.23 最短路徑的尋找示例上述討論的路徑分析中網(wǎng)絡(luò)要素的屬性是固定不變的，在網(wǎng)絡(luò)分析中屬于靜態(tài)求最優(yōu)路徑。在實際應(yīng)用中，各網(wǎng)絡(luò)要素的屬性如阻礙強度是動態(tài)變化的，還可能出現(xiàn)新的障礙，如城市交通路

39、況的實時變化，此時需要動態(tài)地計算動態(tài)最優(yōu)路徑。有時僅求出單個最優(yōu)路徑仍不夠，還需要求出次優(yōu)路徑。最短路徑問題已經(jīng)在運籌學(xué)、計算機科學(xué)、空間分析和交通運輸工程等領(lǐng)域有廣泛研究，對著交通、消防、信息傳輸、救災(zāi)、搶險等有著重要的意義。資源分配資源分配主要是優(yōu)化配置網(wǎng)絡(luò)資源的問題，資源分配的目的是對若干服務(wù)中心，進行優(yōu)化劃定每個中心的服務(wù)范圍，把所有連通鏈都分配到某一中心，并把中心的資源分配給這些鏈以滿足其需求，也即要滿足覆蓋范圍和服務(wù)對象數(shù)量，篩選出最佳布局和布局中心的位置。資源分配網(wǎng)絡(luò)模型由中心點(分配中心)及其狀態(tài)屬性和網(wǎng)絡(luò)組成。分配有兩種方式，一種是由分配中心向四周輸出，另一種是由四周向中心集

40、中。這種分配功能可以解決資源的有效流動和合理分配。具體來說，資源分配是根據(jù)中心容量以及網(wǎng)線和節(jié)點的需求，并依據(jù)阻強大小，將網(wǎng)線和節(jié)點分配給中心，分配是沿著最佳路徑進行的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)元素被分配給某個中心點時，該中心擁有的資源量就依據(jù)網(wǎng)絡(luò)元素的需求而縮減，中心資源耗盡，分配亦停止。其在地理網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用與區(qū)位論中的中心地理論類似。在資源分配模型中，研究區(qū)可以是機能區(qū)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流的阻力等來研究中心的吸引區(qū)，為網(wǎng)絡(luò)中的每一連接尋找最近的中心，以實現(xiàn)最佳的服務(wù)。還可以用來指定可能的區(qū)域。圖就是具有阻礙強度屬性的連通鏈的資源分配算法。其余弧段已分配到相應(yīng)的中心，而弧段13尚待分配。分配的原則是將已有路徑的累計阻

41、礙強度加上該弧段自身的阻礙強度，選取總阻礙強度最小的路徑，與該路徑相連的中心為最佳中心。13號弧的分配方案與阻強如下：至210點：Cost=3+2=5至215點：Cost=2+2+2=6圖8.24 將弧段分配給中心(2) 鏈弧阻強13 鏈弧號210 結(jié)點號中心（2）（5）13（3）14213214（2）（2）（2）21021121211121521516圖例：因此，應(yīng)把該弧分配到編號為210的中心去。假如到兩個中心的累計阻礙強度相等，則可任意取一中心，或參考其它條件取一。資源分配模型可用來計算中心地的等時區(qū)、等交通距離區(qū)、等費用距離區(qū)等?？捎脕磉M行城鎮(zhèn)中心、商業(yè)中心或港口等地的吸引范圍分析，以

42、用來尋找區(qū)域中最近的商業(yè)中心，進行各種區(qū)劃和港口腹地的模擬等（圖為救護車服務(wù)范圍示例）。圖8.25 服務(wù)中心問題示例最佳選址選址功能是指在一定約束條件下、在某一指定區(qū)域內(nèi)選擇設(shè)施的最佳位置，它本質(zhì)上是資源分配分析的延伸，例如連鎖超市、郵筒、消防站、飛機場、倉庫等的最佳位置的確定。在網(wǎng)絡(luò)分析中的選址問題一般限定設(shè)施必須位于某個節(jié)點或某條鏈上，或者限定在若干候選地點中選擇位置。服務(wù)中心選址的步驟具體如下：對若干候選地點或方案進行資源分配分析。將待規(guī)劃建設(shè)的服務(wù)中心與現(xiàn)有的中心合在一起進行資源分配分析，劃分服務(wù)區(qū)，進行不同方案的顯示。對每種選址方案的資源分配或服務(wù)區(qū)劃分結(jié)果，計算這些方案中所有參與運行的鏈的網(wǎng)絡(luò)運行花費的總和或平均值。比較各種方案，選擇上述花費的總和或平均值為最小的方案即滿足約束條件的最佳地址的選擇。實際中，由于要考慮到很多實際因素，例如學(xué)校選址，需要考慮生源問題，環(huán)境嘈雜性，交通性等；商場的選址，要考慮交通狀況，周圍人群的經(jīng)濟能力、消費水平、文化素質(zhì)問