空间分析及其应用简介

¾ 在GIs的应用中，各个领域面临的共同问题是在日益丰富的数据环境中，提供
怎样的分析技术来挖掘数据中的规律、提取地理知识促进管理创新和科学决策， 是空间分析应当解决和回答的问题。
¾ 发展空间数据分析方法无论是对于地理学的发展还是GIs技术的深人应用都具
有重要的意义。
空间分析概念
空间分析是目的在于提取和传输空间信息。 其本质特征包括： ①探测空间数据中的模式； ②研究空间数据间的关系并建立相应的空间数据模 型； ③提高适合于所有观察模式处理过程的理解； ④改进发生地理空间事件的预测能力和控制能力。
根据两组多边形边界的 交点来建立具有多重属性的 多边形或进行多边形范围内 的属性特性的统计分析。
¾基金资助项目：
¾国家高技术研究发展计划项目--异源时空数据中复杂关
联规则挖掘研究（2008AA12Z201）；
徐爱萍 2010-11-6
目录
¾1 空间分析概述 ¾2. ArcGIS 9空间分析模块和功能 ¾3 空间分析的基本内容
z 3.1 栅格数据分析 z 3.2 矢量数据分析 z 3.3 三维空间分析 z 3.4 空间统计分析
点特征的栅格数据表示
线数据是以段线形式出现的要素，如路、河流、或电力 线。 线是没有面积的。
在栅格数据中，线可用一串连接的单元表示。类似点数 据，其表示精度将随着数据的尺度和栅格数据集的精度的改 变而改变。
线特征的栅格数据表示
面数据用于描绘多边形形状的一系列连续单元。 多边形要素包括建筑物、池塘、土壤、森林、沼泽和田 野。
包含分析
（2）矢量数据缓冲区分析
缓冲区分析示意图
缓冲区分析是根据数据库的点、线、面实体，自动建 立其周围一定宽度范围内的缓冲区域多边形实体，从而实 现空间数据在水平方向得以扩展的信息分析方法 。
（3）矢量数据叠置分析
多边形叠置分析是指同 一地区、同一比例尺的两组 或两组以上的多边形要素的 数据文件进行叠置。
方法，是所有空间分析过程中的一个重要步骤，特
别是对于规模庞大的数据集，通过将数据图形化或
地图化的探索性分析技术，研究数据中潜在的模式、
异常等，为后续的分析做准备。
¾ 3)空间统计分析 ¾ 空间统计分析的目的是分析空间数据采样的合理
性，找出某种属性分布的整体特征和趋势，了解其 中的规律，以便科学的对其进行分析和预测。
¾
2 ArcGIS 空间分析模块和功能
ArcGIS 功能强大、应用领域非常广泛，在社会 公共安全与应急服务、国土资源管理、遥感、智能 交通系统建设、水利、电力、石油、国防、公共医 疗卫生、电信等方面和领域都有深入的应用。
强大的空间分析功能是ArcGIS的特点与核心之 一。ArcGIS的空间分析模块（ArcGIS Spatial Analyst）功能的实现主要是基于栅格数据进行 的，其可以完成常用的数据转换、分析、统计、分 类和显示等功能。
ArcGIS9的空间分析功能主要包括于空间分析模块、3D分 析模块、地统计分析模块、网络分析模块、跟踪分析模块等之 中，如图所示。对于空间分析功能的实现，各模块具有各自的 特点和优势。
含有空间分析功 能的模块
空间分 析模块3D分 析模块源自地统计 网络分 模块 析模块
跟踪分 析模块
……
ArcGIS9功能模块结构图
¾ 1)空间数据操作 ¾ 一般包括缓冲区分析，包含分析，相交分析，叠加分析，距离、
面积、路径计算，以及基于空间关系的空间查询等简单的数据分 析功能。GIS的空间分析操作主要基于地理对象的几何特征，对于 属性描述则主要表现在可视化的制图方面。
¾ 2)空间数据分析
¾ 一般指对空间数据的描述性和探索性分析技术和
3 空间分析的基本原理与方法及应用
3.1 栅格数据的分析
栅格数据在数据处理与分析中通常使用线 性代数的二维数字矩阵分析法作为数据分析的 数学基础。
点要素用栅格的最小基元单元。 单元是有面积大小的，单元越小则面积越小，则越接近 所代表的点要素。 带面积的点的精度为加减半个单元大小。这是用基于单 元的系统来工作必须付出的代价。
zARC/INFO：线段——弧 段，与两端点连接（始节点、 终结点）
¾面要素的数据结构：
z多边形/弧段清单表示多边
形和弧段之间的关系
（1）矢量数据包含分析
包含分析确定矢量点、线、 面要素之间是否存在在空间位 置上的联系，是在GIS中实现 图形－属性对位检索的前提条 件与基本的分析方法。例如， 在计算机屏幕上利用鼠标点击 对应的点状、线状或面状图 形，查询其对应的属性信息, 需要利用矢量数据的包含分析 与数据处理方法。
拓扑关系
z空间要素之间的空间关系 z拓扑常被解释为通过图论这一数学分
支，用图表或图形研究几何对象排列及 其相互关系。 z矢量数据模型：用有向图建立点、线对 象之间的邻接和关联关系
带拓扑关系的矢量数据模型
z点要素直接用标识码和坐标对进行编码
点 要 素 的 数 据 结 构
(0,0)
点的清单
x, y
线要素的数据结构：
适宜区分析
¾ 重分类后，各个数据集都统一到相同的等级体系内，且每个数据
集中那些被认为比较适宜性的属性都被赋以比较高的值，现在开 始给四种因素赋以不同的权重，然后合并数据集以找出最适宜的 位置。
¾ 对各个重分类后数据集的合并计算，最终适宜性数据集的加权计
算公式为：
¾Suit(最终适宜性）= reclassdisr（娱乐场所）* 0.5 + reclassdiss
栅格数据分析应用举例---学校选址
合理的学校空间位置布局，有利于学生的上课与生活。学校的选址问题需要考虑地
理位置、学生娱乐场所配套、与现有学校的距离间隔等因素，从总体上把握这些因
素能够确定出适宜性比较好的学校选址区。
1. 数据：
(1) Landuse（土地利用图）；
(2) dem（地面高程图）；
(3) rec_sites（娱乐场所分布图）；(4) school（现有学校分布图）。
图6.4 追踪分析示意图
（4） 栅格数据的窗口分析
矩形窗口
圆形窗口
环形窗口
扇形窗口
窗口分析是指对于栅格数据系统中的一个、多个栅格 点或全部数据，开辟一个有固定分析半径的分析窗口， 并在该窗口内进行诸如极值、均值等一系列统计计算， 或与其它层面的信息进行必要的复合分析，从而实现栅 格数据有效的水平方向扩展分析。
2. 要求
（1） 新学校应位于地势较平坦处；
（2） 新学校的建立应结合现有土地利用类型综合考虑，选择成本不高的区域；
（3） 新学校应该与现有娱乐设施相配套，学校距离这些设施愈远愈好；
（4） 新学校应避开现有学校，合理分布。
(5) 各数据层权重比为：距离娱乐设施占0.5，距离学校占0.25，土地利用类型和
¾ 空间分析可以直接用软件来实现，如ArcGIS的空间分析模块，
Geoda软件、R语言等。用户可以利用这些软件提供的二次开发功 能、提供的组件进行二次开发，根据用户的需求定制开发满足用
户的软件。
¾ 利用空间分析可以完成许多任务，比如： ¾ （1）寻找合适的位置； ¾ （2）计算从一个点到另外一个点的费用，从而识别出最佳路径； ¾ （3）预测火灾风险； ¾ （4）分析交通通道； ¾ （5）确定污染级别； ¾ （6）这些人口统计分析； ¾ （7）执行风险评估；
高程图 学校分布图
四个栅格数据叠加在一起
计算高程的坡度 高程的坡度重分类
计算娱乐场所的直线距离
娱乐场所的直线距离重分类
¾考虑到新学校距离娱乐场所比较远时适宜性好，采用等
间距分级分为10 级，距离娱乐场所最远适宜性最高，赋 值10；距离最近的地方赋值1。
计算学校的直线距离
学校所的直线距离重分类
（现有学校）* 0.25 +reclassland（土地利用数据）* 0.125 + reclassslope（坡度数据）* 0.125
¾ 得到最终适宜性数据集，适宜性较高区域（深色部分）为推荐学
校选址区域。
¾将土地利用的栅格数据转换为.shp格式的矢量
数据，并叠加上高程阴影图，加上标注，如图 所示。
¾ 20世纪60年代诞生的地理信息系统(GIS)技术是空间信息采集、管理、分析
和表示的工具或技术，地理学理论、知识、分析方法等随着GIS技术的广泛应用 而得到重视和发展。
¾ 目前GIs技术的应用已经覆盖了城市管理与规划、生态环境管理和规划、交通
规划、森林管理、应急服务、自然风险分析、市场分析、物流管理、公安司法等 诸多领域。
多边形特征的栅格数据表示
（1） 栅格数据的聚类、聚合分析
栅格数据的聚类是根据设定的聚类条件对原有数 据系统进行有选择的信息提取而建立新的栅格数据系 统的方法。下图是提取要素“2”的聚类结果。
图6.1 聚类分析
栅格数据的聚合分析是指根据空间分辨力和分类表，进 行数据类型的合并或转换以实现空间地域的兼并。如给定聚 合的标准为1、2类合并为b，3、4类合并为a，则聚合后形成 的栅格数据系统如图所示
素．考虑到空间目标兼有几何数据和属性数据的描 述，因此必须联合几何数据和属性数据进行分析。
¾ 不同的空间数据类型具有各具特色的空间分析
方法，GIS空间数据可以划分为矢量数据、栅格数 据、三维数据、属性数据等数据类型，相应地，有 矢量数据空间分析方法、栅格数据空间分析方法、 三维数据空间分析和属性数据空间分析方法等。
地势位置因素各占0.125。
¾3. 实现流程图 ¾首先利用现有学校数据集、现有娱乐场所数据
集和高程数据派生出坡度数据以及到现有学校、 娱乐场所距离数据集。然后重分类数据集到相 同的等级范围，再按照上述数据集在学校选址 中的影响率赋权重值，最后合并这些数据即可 创建显示新学校适宜位置分布的地图。