GIS课件第7章 空间数据查询与空间度量

第7章空间数据查询与空间度量对空间对象进行查询和度量是地理信息系统最基本的功能之一。

在地理信息系统中，为进行深层次分析，往往需要查询定位空间对象，并用一些简单的量测值对地理分布或现象进行描述，实际上，空间分析首先始于空间数据查询和度量，它是空间分析的定量基础。

本章一方面对空间数据查询类型和方式进行了介绍，包括图形属性、图形定位以及空间关系查询；另一方面讲述了空间度量的主要参数和基本原理，如使用长度、面积、体积、距离、方位、形状和质心等量测值对地理分布或现象进行描述。

7.1空间数据查询概述空间数据查询属于空间数据库的范畴，一般定义为从空间数据库中找出所有满足属性约束条件和空间约束条件的地理对象。

查询的过程大致可分为三类：①直接复原数据库中的数据及所含信息，来回答人们提出的一些比较“简单”的问题；②通过一些逻辑运算完成一定约束条件下的查询；③根据数据库中现有的数据模型，进行有机的组合构造出复合模型，模拟现实世界的一些系统和现象的结构、功能，来回答一些“复杂”的问题，预测一些事务的发生、发展的动态趋势。

空间数据查询的一般过程如图7.1。

图7.1 空间数据查询的一般过程空间数据查询的方式主要有两大类，即“属性查图形”和“图形查属性”。

属性查图形，主要是用SQL语句来进行简单和复杂的条件查询。

如在中国经济区划图上查找人均年收入大于5000元人民币的城市，将符合条件的城市的属性与图形关联，然后在经济区划图上高亮度显示给用户。

图形查属性，可以通过点、矩形、圆和多边形等图形来查询所选空间对象的属性，也可以查找空间对象的几何参数，如两点间的距离，线状地物的长度，面状地物的面积等，这些功能一般的地理信息系统软件都会提供。

在实际应用中，查找地物的空间拓扑关系非常重要，现在一些地理信息系统软件也提供这些功能。

空间数据查询的内容很多，可以查询空间对象的属性，空间位置，空间分布，几何特征，以及和其他空间对象的空间关系。

查询的结果可以通过多种方式显示给用户，如高亮度显示，属性列表和统计图标等。

图7.2给出了空间数据查询的方式、内容和结果的关系图。

图7.2 空间数据查询的方式、内容与结果7.2 属性查询属性查询是一种较常用的空间数据查询。

属性查询又有简单的属性查询和基于SQL 语言的属性查询。

7.2.1 简单的属性查询最简单的属性查询是查找。

查找不需要构造复杂的SQL 命令，只要选择一个属性值，就可以找到对应的空间图形。

如图7.3，在江苏省城市信息列表中任意选择一个城市的属性值，在江苏省城市区划图中就会高亮度显示出来。

图7.3 简单的属性查询7.2.2 SQL 查询1. SQL 查询地理信息系统软件通常都支持标准的SQL 查询语言。

SQL 的基本语法为：Select <属性清单>From <关系> Where <条件>例如，需要查询“P101”地块的销售日期（表7.1为下面查询语句的关联表），SQL 命令如下： Select sale dateFrom parcelWhere PIN = “P101”在执行了上面的命令后，就可以查询到“P101”地块的销售日期了。

2. 扩展的SQL 查询地理信息系统的空间数据库以空间（地理）目标作为存储集，与一般数据库的最大不同点是它包含“空间”（或几何）概念，而标准的SQL 是关系代数模型中的一些关系操作及组合，适合于表的查询与操作，但不支持空间概念和运算。

因此，为支持空间数据库的查询，需要在SQL 上扩充谓词集，将属性条件和空间关系的图形条件组合在一起形成扩展的SQL 查询语言。

常用的空间关系谓词有相邻“Adjacent ”，包含“Contain ”,穿过“Cross ”和在内部“inside ”，缓冲区“buffer ”等。

扩展的SQL 查询，给用户带来了很大的方便。

一般的地理信息系统软件都设计了较好的交互式选择界面，用户无需键入完整的SQL 语句，向系统输入了相关内容和条件后，转化为标准的关系数据库SQL 查询语句，由数据库管理系统执行，得到满足条件的空间对象。

如图7.4，查询某区域高程大于1358.935m 并且小于1425.64m 的区域（图7.4（a ）），图7.4（b ）为查询的结果。

（a ）输入查询条件（b ）查询结果显示图7.4 复杂条件查询及显示7.3 图形查询图形查询是另一种常用的空间数据查询。

一般的地理信息系统软件都提供这项功能，用户只需利用光标，用点选、画线、矩形、圆或其他不规则工具选中感兴趣的地物，就可以得到查询对象的属性、空间位置、空间分布以及与其他空间对象的空间关系。

7.3.1 点查询用鼠标点击图中的任意一点，可以得到该点所代表空间对象的相关属性。

如图7.5，点击江苏省城市区划图中任意一个城市，得到了该城市的相关信息，图中高亮度显示的城市为表7.1 查询所需要的关联表 地块标识 销售日期 面积 代码 分区P101 98－02－13 3.1 1 住宅区 P102 89－03－24 2.5 2 商用区 P103 93－12－03 4.6 3 农用区 P104 95－06－05 5.2 2 商用区 P10578－08－302.73农用区选择的城市。

图7.5 江苏省城市查询—点查询7.3.2矩形或圆查询按矩形框查询，给定一个矩形窗口，可以得到该窗口内所有对象的属性列表。

这种查询的检索过程比较复杂，往往要考虑是只检索包含在窗口内的空间对象，还是只要是该窗口涉及到的对象无论是被包含还是穿过都要检索出来。

如图7.6，用矩形框选择要查询的江苏省的部分城市（图7.6（a）），得到了矩形框所包含的城市以及所穿越城市地信息（图7.6（b））。

（a）矩形框选择要查询的区域（b）查询结果图7.6 江苏省城市查询—矩形框查询圆查询，给定一个圆，检索出该圆内的空间对象，可以得到空间对象的属性，其实现方法与矩形类似。

7.3.3多边形查询给定一个多边形，检索出该多边形内的某一类或某一层空间对象。

这一操作的工作原理与按矩形查询相似，但又比前者复杂得多。

它涉及到点在多边形内、线在多边形内以及多边形在多边形内的判别计算。

7.4空间关系查询空间关系查询包括拓扑关系查询和缓冲区查询。

7.4.1拓扑关系查询在地理信息系统中，对于凡具有网状结构特征的地理要素，例如交通网和各种资源的空间分布等，存在结点、弧段和多边形之间的拓扑结构。

空间数据的拓扑关系，对地理信息系统的数据处理和空间分析，都具有非常重要的意义。

拓扑数据比几何数据具有很大的稳定性，有利于空间要素的查询，如重建地理实体等。

1.邻接关系查询邻接查询可以是点与点的邻接查询，线与线的邻接查询，或者是面与面的邻接查询。

邻接关系查询还可以涉及到与某个结点邻接的线状地物和面状地物信息的查询，例如查找与公园邻接的闲置空地，或者与洪水泛滥区域相邻的居民区等等。

图7.7所示的是查询与一个给定地块单元邻接的地块单元分布，图中深色图斑为当前查询单元，斜条文显示的图斑为与查询单元邻接的地块单元。

图7.7 面的邻接拓扑查询图7.8 包含查询—面包含点2.包含关系查询包含关系查询可以查询某一面状地物所包含的某一类地物，或者查询包含某一地物的面状地物。

被包含的地物可以是点状地物、线状地物或面状地物，例如某一区域内商业网点的分布等。

如图7.8，通过查询某点状地物的拓扑关系，得到了包含该点的面状地物的相关信息。

3.关联关系查询关联关系查询是空间不同元素之间拓扑关系的查询，可以查询与某点状地物相关联的线状地物的相关信息，也可以查询与线状地物相关联的面状地物的相关信息，例如查询某一给定的排水网络所经过的土地的利用类型，先得到与排水网络相关联的土地图斑（图7.9），然后可以利用图形查询得到各个土地图斑的属性。

图7.9 关联查询（黑线为排水网络，斜条文显示的图斑为排水网络经过的土地）7.4.2缓冲区查询缓冲区是根据数据库中点、线、面地理实体，自动建立其周围一定宽度范围的多边形，来表征特定地理实体对邻域的影响范围。

缓冲区查询是不破坏原有空间目标的关系，只检索缓冲区范围内涉及到的空间目标。

根据用户给定点缓冲、线缓冲或面缓冲的距离，形成一个缓冲区的多边形，再根据多边形检索的原理，从该缓冲区内检索出所要的空间对象。

这里以一个实例进行说明。

某一单位准备建立一个养殖试验室，试验室的选址要求为：①土地利用类型为灌木林地（属性代码为Lucode=300）；②适宜开发的土壤类型为湿地（suit>=2）；③距离排水管道在300米之内。

所需数据有土地利用类型图、土壤类型图和排水管网（图7.10所示）。

首先按给定距离建立距离为300米的缓冲区（缓冲区建立见下章），然后将土地利用类型图和土壤类型图进行合并，利用合并后的图层与排水管道缓冲区进行叠置，然后SQL查询满足Lucode=300且suit>=2的区域，所选择的区域即为适合建立实验室的候选区域。

（a）土地利用图（b）土壤类型图（c ）排水网络及其300米缓冲区范围（d ）查询结果（深色图斑）图7.10 缓冲区查询7.5距离量算与方位量算7.5.1 距离量算“距离”是人们日常生活中经常涉及到的概念，它描述了两个实体或事物之间的远近或亲疏程度。

距离的量算与度量空间的介质有关，要区分匀质空间和非匀质空间，如图7.11。

1. 匀质空间距离的量算在匀质空间，广义距离的一般形式为：()()qnl qljli ij x x q d /11⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=∑= （7.1）这里，i ，j 代表物体i 和物体j 。

在空间数据查询和定位分析中，研究的对象通常发生在二维或三维的地理空间上，因此一般取3≤n 。

当1=q 时，有：()ljli ij x x d -=1 （7.2）此时称为曼哈顿距离。

当2=q ，即为最常用的欧氏距离，用于计算两点间的直线距离：()2/112⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=∑=nl ljli ijx x d （7.3）当q 趋向于无穷时，有：(){}ljliij x xd -=∞maxn l ,,2,1 = （7.4）此时称为契比雪夫距离。

图7.11 匀质空间与非匀质空间的距离量算2. 非匀质空间距离的量算当度量空间为非匀质时，用匀质空间的简单距离的表达式就不能计算了，此时的距离称为函数距离。

函数距离不仅仅是表达式上的变化，而且还有研究区域上的变化。

以旅行时间为例，如果从某一点出发，到另一点的所耗费的时间只与两点之间的欧氏距离成正比，则从一固定点出发，旅行特定时间后所能达到的点必然组成一个等时圆。

而现实生活中，旅行所耗费的时间不只与欧氏距离成正比，还与路况、运输工具性能等有关，从固定点出发，旅行特定时间后所能到达的点则在各个方向上是不同距离的、形成各向异性距离表面（如图7.12）。