第五章 GIS 空间分析

第五章 GIS空间分析 • §1数字地面模型分析 • §2空间数据的查询 • §3空间叠合分析 • §4空间缓冲区分析 • §5空间网络分析 • §6空间统计分析

§1数字地面模型分析 1． DEM概述 2． DEM数据的网格化 3． DEM的主要表示方法 4 ． DEM的数据源和采样方法 5 ． DEM应用

第二节空间数据的查询 1．空间数据的查询定义与分类 1 ． 1定义 1 ． 2分类 2．空间数据查询方法2 ． 1基于SQL扩充的空间查询方法 2 ． 2可视化空间查询方法 2 ． 3基于自然语言的查询方法 2 ． 4超文本查询方法 3．空间数据的集合分析

第三节空间叠加(叠合)分析 1．空间叠加分析的概念 1 . 1 空间叠加分析 1 . 2 空间合成叠加 1 . 3 空间统计叠加 2 ．空间叠加分析的分类 2 . 1 点与多边形的叠加 2 . 2 线与多边形的叠加 2 . 3 多边形与多边形的叠加 3．多边形与多边形的叠加分析功能

第四节空间缓冲区分析 1．空间缓冲区分析的概念 1 . 1定义 1 . 2组成要素 2．三种分析模型2 . 1 线性模型 2 . 2 二次模型 2 . 3 指数模型 3．空间缓冲区的建立 3 . 1 建立 3 . 2 注意的问题

第五节空间网络分析 1．网络图论的基本概念 1 . 1定义 1 . 2组成要素 2．空间网络的类型和构成2 . 1 类型 2 . 2 构成 3．空间网络分析的方法 3 . 1 路径分析 3 . 2 定位配置分析

第六节空间统计分析 1．统计图表分析 2．分布密度与均值3．主成分分析 4．层次分析 5．系统聚类分析 6．判别分析

1． DEM概述 1 . 1 DTM与DEM的概念 • DEM • DTM 1 . 2 DEM数据的分布特征 • 格网状数据 • 离散数据

1．1 DTM与DEM的概念 • DTM（Digital Terrain Mode）数字地形模型； • 地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。 • 地表单元上地形参数的集合，通常DTM可由DEM生成。

数字地面模型DTM • 数字地面模型由数字高程模型（地形等高线插值产生）产生，主要包括：

（1）高程分级 • 等间距或不等间距划分为若干高程等级，如用来区分丘陵、低山、中山、高山等

（2）平均高程 • 式中n的计算单元内栅格个数； • h（Pk）为第k点的高程。

（3）相对高程 • 设参考高程为hm，则各栅格点上相对高程为： • k=1，…，N

（4）极值高程和高差

（5）坡度 • 切面方程： • 坡度为该平面法线与水平面法线之间的夹角： • 将计算结果划分为91级（0-90），为代表水平面的情况。

（6）坡向 • 坡向为上述拟合平面的法线在水平面上投影的方位角： • 按22.5度的方位角间隔由正北顺时针划分为16个方位，每级取值范围为11.25度。

（7）地表粗糙度 • 反映某一面积单元内地势伏变化的复杂程度，是地表面积与投影面积之比：

（8）坡面形态 • 根据相邻网格点上的坡度和坡向之间的逻辑关系，可以判断坡形的凹凸变化情况，确定沟谷线、山脊和鞍部的位置，划分流域范围。

（9）沟谷密度 • 沟谷密度由单位面积上沟谷线总长度决定：

（10）地表辐照度 • 计算辐照度需考虑日照条件（太阳赤纬、高度角、时角及大气状况）与坡面几何条件的相互关系由下式决定： • 式中，β大气透过率，与太阳高度和大气状况有关；Sc为太阳常数；Sa为太阳高度角可由球面三角公式求出；t是时角；a、b为坡面方程系数；θ为坡度。

1． DTM与DEM的概念 • 数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）； • 数字地形模型中地形属性为高程时，称为数字高程模型。 • 地表单元上高程的集合,通常用矩阵表示； • 广义的DEM可包括等高线，三角网等。狭义的DEM则特指由地表矩阵单元构成的高程矩阵。

1． DEM概述 1 . 1 DTM与DEM的概念 • DEM • DTM 1 . 2 DEM数据的分布特征 • 格网状数据 • 离散数据

1．2DEM数据的分布特征 格网状数据：把DEM覆盖区划分为规则格网，每个格网大小和形状都相同，用相应矩阵元素的行列号来实现网格点的二维空间定位，第三维为特征值，可以是高程和属性。网格大小代表数据精度。

1 . 2 DEM数据的分布特征 • 离散数据：DEM平面二维地理空间定位由不规则分布的离散样点平面坐标实现，第三维仍为高程和属性特征值。

2． DEM数据的网格化 2．1网格化插值计算 2．2网格尺寸的确定 2．3 空间插值的方法

2．1网格化插值计算 • 建立高精度DEM的共识： 1）其精度主要取决于原始数据的获取（密度与分布） 2）一般情况下，DEM精度与原始数据密度呈线性关系 3）由于地形变化大，各种算法都有一定的适应性 4）由于地形在地性线（山脊、山谷、断崖）上发生转折，在分块拟合曲面时，跨越地性线的数据点不宜于参加曲面方程的拟合。格网化过程：地形等高线的数字化——离散等高线的格网化——格网离散点的生成（图示）P170wu

2．2网格尺寸的确定 1)在一般情况下，样点的密度基本上决定了网格点的密度。此外，网格尺寸的选定还应分析地形形态特征。 2）网格尺寸主要决定于制图目标、DEM数据使用方法和精度要求等因素。

2．3 空间插值的方法 1）移动平均法 2）距离平方倒数加权法 3）趋势面拟合技术 4）样条函数 5）克立金法

3．表示DEM的方法 （1）数学分片表示法（2）图像表示法 ①线模型 ②点模型

3．表示DEM的方法

①线模型 表示地形的最普通线模型是一系列描述高程测量曲线的等高线。

②点模型 a．高程矩阵：将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个高程值，如图所示。

②点模型 b．不规则三角形（TIN）：根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面格网，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。三角网的一种存储方式如图所示。

4 ． DEM的数据源和采样方法 4．1 DEM的数据源 4．2 DEM的采样方法

4 ．1 DEM的数据源 • 地面测量的传统方法:现在通常是利用测距经纬仪在野外实测，测量一些点的距离和角度，自动记录与显示所测量得到的数据，并输入到计算机中进行处理，获得这些点的三维坐标。

4 ．1 DEM的数据源 • 数字摄影测量：在模拟立体测图仪及解析测图仪上进行摄影测量时，都需要在人眼立体观测情况下使左右测标对准同名点，通过人眼与脑的观测实现影像定位、匹配与识别。数字摄影测量是利用计算机立体视觉代替人眼的立体观测，从遥感立体影像中提取地面高程，其基本原理是识别并测量两个或多个影像上同名影像的像对坐标，实现数字摄影的自动匹配。利用立体影像测定DEM

4 ．1 DEM的数据源 • 等高线法：根据数字化的等高线和地形线等，利用内插算法根据邻近点高程求出待求点的高程。所采用的内插算法有移动曲面拟合法、多面函数法、最小二乘法。

4 ．1 DEM的数据源 • 激光测高仪、雷达、GPS等方法：目前，德国已经利用激光遥感技术获取了1：5000的DEM。由于用这种技术获取的是地表地物的高度信息，故只有在处理掉植被、房屋高度后，才可得到真实的地面地形信息。但是，由于水体吸收激光（无反射），故无法获得水面信息，亦即基本无水面数据。根据激光高程点数据，采用SCOP内插程序可获得等高线数据。实践表明，将激光高程数据跟摄影测量三维影像图套合，符合较好。例如，加拿大一家公司用安装在Lasar Jet上的航空干涉侧视测量雷达STAR-3I获取中、高精度的数字高程模型DEM，其抽样间距为2.5米，高程精度为1.5米。

4.2DEM的采样方法 • 人工网格法 • 立体像对法 • 三角网法 • 曲面拟合 • 等值线插值法

1）人工网格法 • 将地形图蒙上格网，逐格读取中心或角点的高程值、构成数字高程模型。

（2）立体像对分析 • 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，可建立数字高程模型。

（3）三角网方法（TIN） • 对有限个离散点，每三个邻近点联接成三角形，每个三角形代表一个局部平面，再根据每个平面方程，可计算各格网点高程，生成DEM。

（4）曲面拟合 • 根据有限个离散点的高程、采用多项式或样务函数求得拟合公式，再逐一计算各点的高程，可得到拟合的DEM。

（5）等值线插值 • 根据各局部等值线上的高程点，通过插值公式计算各点的高程，得到DEM。 • 等值线插值法是比较常用的方法，输入等值线后，可在矢量格式的等值线数据基础上进行，插值效果较好。

等高线输入方法与插值算法

第五章 GIS 空间分析

第五章 GIS 空间分析

Presentation Transcript