地理信息系统与空间分析的基本概念
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
25
香港
假定初始时刻的病例数为 N0 ， 平 均每病人每天可传染K个人（K一 般为小数），平均每个病人可以 直接感染他人的时间为 L 天。则 在 L 天之内，病例数目的增长随 时间t(单位天)的关系是： N (t) = N0 (1+K)t 北京
• 当疫情在40天之前采取措施是控制疫 情的最佳时机，而且越早越好。4月 20日采取措施已经是亡羊补牢。
(北京大学物理学院，王正行；叶沿林 等，2003。)
29
4 空间实体之间的关系
• 空间复杂关系
空间实体之间大多存在着多种空间关 系的复合叠加。
30
5 课程的研究内容
本课程的组织是按照不同空间数据 类型的分析方法，以及对空间现象 认识的层次进行组织的。 本课程从表面上看是对各种类型的 数据进行处理，但实质上是在发现 空间实体之间的关系进而探究形成 这种关系的原因。
3.00
2.00
4
5
2. 课程的安排和规则
本课程共分16次课堂授课，3次上机课，最后 一次考试 期末考试为开卷考试 教材和参考书
周成虎，裴韬 等. 地理信息系统空间分析原理. 北京：科 学出版社，2011. 王劲峰，廖一兰，刘鑫. 空间数据分析教程.北京：科学出 版社，2010. 陈健飞等译.地理信息系统导论.北京：清华大学出版社， 2009.
6
2. 课程的安排和规则
本课程讲授的是时、空数据在GIS中的
基本处理方法、思路以及在该领域内 近年的研究进展。 本课程所涉及的方法都是地学各领域 内常用的方法。掌握它们对提高今后
的科研能力和水平十分有益。
7
John Snow绘制的伦敦 地图，记录了1854年布 罗德大街霍乱爆发事件 时的病例聚集效应。
33
矢量数据分析
GIS的矢量数据分析
• • • • 拓扑分析（包含、交叉、分离） 空间叠加 缓冲分析 网络分析
34
缓冲区分析
叠加分析
网络分析
35
矢量数据分析
下列表述错误的是：
（A）矢量数据结构紧凑、冗余度低，有利于网络和
拓扑分析。 （B）数字化后地图错误的表现形式包括伪节点、悬 挂节点、碎屑多边形和不正规多边形等4种情形。 （C）矢量数据和栅格数据都可进行空间叠加运算， 且它们之间能够相互转化。 （D）两点之间的最优路径实际上是两点之间曼哈顿 距离最短的路径。 （E）栅格数据的数据结构简单，便于空间分析和地 表模拟，数据存储量较小，投影转换比较简单。
GIS空间分析方法
李润奎
资源与环境学院 (教学楼217)
lirk@ucas.ac.cn
Roger Tomlinson
1933.11.17-2014.2.9
Dr. Roger Tomlinson, GISP, generally recognized as the "Father of GIS," was known as a visionary geographer who conceived and developed GIS for use by the Canada Land Inventory. His pioneering work, beginning in the early1960s, changed the face of geography as a discipline and he was awarded an Order of Canada, which is Canada’s highest civilian honor. Governments and scientists around the world turned to him to better understand the environment and changing patterns of land use, and to better manage urban development and the use of natural resources.
空间连续场数据
高程数据、地球化学元素含量、气象数据 （气温、污染物浓度）、人口密度、社会 经济数据（人均收入和产值等）
空间数据的混合类型
台风的轨迹、冰川的分布
16
空间数据之间的转换
空间场模 空间要素 格网模型 空间网络 三维数据 型 模型 模型 模型
空间场模 型
空间要素 模型 √
√ √ √
P{ X k}
k
k!
e v
泊松过程需要满足的条件：
独立性：事件可以在过程中任一个时间段落内 发生，不受相邻段落中事件的影响； 平稳性：在一个时间段内，事件发生的概率与 段落的时间（ΔΤ）的大小成正比，而与它在 整个过程中的位置无关； 不重复性：多个事件同时在一个段落内发生的 概率很小。
√
格网模型 空间网络 模型
三维数据 模型
√
√
√ √ √
√
√
√
√
4 空间实体之间的关系
空间拓扑关系 空间方位关系 空间相关 空间配置关系 空间互作用关系 空间传播关系 空间复杂关系
18
4 空间实体之间的关系
空间拓扑关系
七桥问题
19
4 空间实体之间的关系
空间方位关系 其含义包括：方向关系和位置 关系。
41
基于DEM和TIN的三维空间分析
主要内容： • 数字地形分析（坡度、坡向分析；土 方计算；剖面分析；脊线及沟谷分析、 等值线绘制等 ） • TIN的构建和存储模型 • 三维叠加分析
42
基于DEM和TIN的三维空间分析
基本概念： 数字地面模型(DTM)和数字高程模 型(DEM) 不规则三角网(TIN)
52
网络数据的分析
53
点模式的分析
主要内容：
1.点过程的各种模型（泊松过程、更新 过程、高斯过程） 2.如何区分丛聚模式和噪声 3.如何判断点模式是否含有丛聚模式
54
震级大于6级的强震分布
55
点过程数据的分析
在随机过程的研究中，λ可以表示为ΔΤν， 其中，ΔΤ为进行观测的时间间隔，ν而为时 间发生率。因此泊松过程可以表示为：
9
10
禽流感疫情可视化——北京大学
思考题 • 举例说明空间数据的类型以及空 间关系。 • 结合自己的学习和科研谈谈空间 数据的转化思想在其中的应用。 • 空间分析方法都有哪些，分别适 合什么空间数据类型。
3 空间数据类型
• 数据类型的划分是按照数 据的表现形式、相互之间 的关系、存储方式等因素 进行划分的。 • 什么是空间数据
43
基于DEM和TIN的三维空间分析
44
基于DEM和TIN的三维空间分析
DEM数据
计算坡度
45
基于DEM和TIN的三维空间分析
由TIN和遥感数据合成的三维立体图
46
基于DEM和TIN的三维空间分析
预习建议： • 熟悉ARC/INFO或ArcView的使用。 • 阅读大纲中的参考文献。
47
长江三峡滑坡危险性分析-示例
Cov( x, y ) E[ x E ( x)][y E ( y )] E ( xy) E ( x) E ( y )
58
空间插值原理
空间随机变量Z(x) 的两点x和x+h处两 个随机变量z(x)和z(x+h)的二阶混合中 心矩，称为自协方差函数或简称协方 差函数。
Cov{z( x), z( x h)} E{z( x) E[ z( x)]}{z( x h) E[ z( x h)]}
产 生滑坡的可能性
)
模糊推理
以象元 为单 位 数 字 图 以象元为单位的数字图
G.I.S./R.S.
以GIS 以、人工智能为主的地学运算方法 为 主的地
49
长江三峡滑坡危险性分析
第一步：
与专家讨论，获取滑坡与地理环境条件的关系 （即专家知识〕
岩性与滑坡 岩层与滑坡 坡面与滑坡 高差与滑坡 坡形与滑坡
20
4 空间实体之间的关系
• 空间相关
对于连续场空间相关可包括：地球化 学元素的分布；人种的分布；气象因 子的分布。 对于非连续场则表现为空间关联：全 球气候变化；城市功能单元的形成。
21
4 空间实体之间的关系
• 空间配置关系
南水北调；交通流；电网、自来水网 的平衡； 地球化学元素的分配。
22
4 空间实体之间的关系
2
本讲的主要内容
课程背景和其他相关课程 课程的安排和规则 空间数据类型
空间实体之间的关系
课程的内容以及基本知识
3
1. 课程背景和其他相关课程
课程背景
课程沿革、商业背景、科学背景
相关其他课程
• 上学期：地理信息系统（A、B）、地理信息系统空间分析与建 模（讨论课）、地理数学方法、地理基础统计、城市地理与城 市规划、多元统计方法在地理学中的应用 • 本学期：地理学中的空间分析方法、GIS环境应用模型、空间 数据统计方法、城市经济与城市空间结构、网络地理信息系统、 地理信息系统应用开发
• 空间互作用关系
这种关系的特点是，空间实体之间存 在明显的作用力。 如：城镇的分布格局；天体的分布； 元胞自动机；对弈关系（对抗性的体 育运动、棋类）
23
围棋的布局
岛链部署
4 空间实体之间的关系
• 空间传播
空间传播与空间互作用的区别在于： 空间传播过程中，空间实体的性质发 生了变化。
如：流行病的传播（SARS的传播）； 洪水的演进；热带风暴的预报；火灾 的控制。
第二步：
用地理信息系统产生有关地理环境要素的数据层
岩性数据层 岩层数据层 坡面数据层 高差数据层 坡形数据层
第三步：
模糊推理机：将专家知识和地理环境要素数据层相结合，计算滑坡模糊危险度
地区滑坡危险度的空间分布
长江三峡滑坡危险性分析
低危险度 中危险度
高危险度 极高危险度
51
网络数据的分析
主要内容： 1、路径分析（最短路径、最佳路径 、 动态最佳路径分析） 2、资源分配（负荷设计 ，资源优化）
31
5 课程的研究内容
矢量空间数据分析 栅格数据分析
基于DEM和TIN的三维空间分析
点模式分析 网络数据的分析 地质统计学原理 空间数据挖掘基本理论 空间采样理论
32
课程理论基础
信号处理理论
GIS基础理论
误差理论
概率统计
GIS时空数据分析
计算方法和编程能力
随机过程
矩阵论
人工智能
48
长江三峡滑坡危险性分析
家 获 专家知识 ,统计方法
模糊滑坡区划图 模糊滑坡 区划图
滑坡形成 与 周 围环 条 滑坡形成与周围环境条件间的关系 关
S <==
模糊推理
( 代表各地
f f (( E )) E
, 水文 环境条件（地形、岩性、水文 … ） 环 条 件 ( 地形 , ..)
代表各地产生滑坡的可能性
36
栅格数据分析
主要内容： • 栅格数据的分类（监督分类和 非监督分类） • 地图代数 • 栅格矢量混合操作
37
栅格数据分析
38
栅格数据分析
39
栅格数据分析 1. 局部运算
2. 邻域计算
3. 区域运算 4. 全局运算
40ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
栅格数据分析
下面给出一个地图代数的例子。有一个森林地区融 雪经验模型： M=0.19T+0.17D 式中，M是融雪速度（厘米/天），T是空气温度，D 是露点温度。 根据此方程，使用该地区的气温和露点温度分布图 层，就能计算该地区融雪速率分布图。计算过程是先 分别把温度分布图乘以0.19和露点温度分布图乘以 0.17，再把得到的结果相加。需要说明的是地图代数 在形式和概念上都比较简单，使用起来方便灵活。
56
空间插值原理
地质统计学是利用空间变量的自相关 特征研究空间随机场性质的一种统 计理论。它分为三个部分： （1）结构分析理论 （2）克立格插值理论（插值理论） （3）条件模拟理论
57
空间插值原理
地质统计学的核心概念：空间自相关。
空间两个随机变量的相关性大小可以用协方差 函数衡量，协方差是指两个随机变量X，Y的 二阶混合中心矩：
13
3 空间数据类型
空间矢量数据（要素类型）
土地类型、道路、城区分布、行政边 界、河流等等
空间栅格数据 DEM、遥感数据、各种图像、其它
数据转换得来 数据示例
14
3 空间数据类型
空间网络数据
交通网络、管线网络、河网、血管网、 电网等
三维数据
三维矿体、三维地貌、建筑物
15
3 空间数据类型
59
空间插值原理
计算下列两组随机变量对之间的协方 差： 7/3 {1,2,3};{3,5,10}, {1,2,3};{3,4,5}, 2/3 计算距离间隔为1的条件下随机变量 {2,3,5,4,3,4}的自协方差。
60
地质统计学原理 C(h)
自协方差函数
h
61
7.00
6.00
5.00
4.00
香港
假定初始时刻的病例数为 N0 ， 平 均每病人每天可传染K个人（K一 般为小数），平均每个病人可以 直接感染他人的时间为 L 天。则 在 L 天之内，病例数目的增长随 时间t(单位天)的关系是： N (t) = N0 (1+K)t 北京
• 当疫情在40天之前采取措施是控制疫 情的最佳时机，而且越早越好。4月 20日采取措施已经是亡羊补牢。
(北京大学物理学院，王正行；叶沿林 等，2003。)
29
4 空间实体之间的关系
• 空间复杂关系
空间实体之间大多存在着多种空间关 系的复合叠加。
30
5 课程的研究内容
本课程的组织是按照不同空间数据 类型的分析方法，以及对空间现象 认识的层次进行组织的。 本课程从表面上看是对各种类型的 数据进行处理，但实质上是在发现 空间实体之间的关系进而探究形成 这种关系的原因。
3.00
2.00
4
5
2. 课程的安排和规则
本课程共分16次课堂授课，3次上机课，最后 一次考试 期末考试为开卷考试 教材和参考书
周成虎，裴韬 等. 地理信息系统空间分析原理. 北京：科 学出版社，2011. 王劲峰，廖一兰，刘鑫. 空间数据分析教程.北京：科学出 版社，2010. 陈健飞等译.地理信息系统导论.北京：清华大学出版社， 2009.
6
2. 课程的安排和规则
本课程讲授的是时、空数据在GIS中的
基本处理方法、思路以及在该领域内 近年的研究进展。 本课程所涉及的方法都是地学各领域 内常用的方法。掌握它们对提高今后
的科研能力和水平十分有益。
7
John Snow绘制的伦敦 地图，记录了1854年布 罗德大街霍乱爆发事件 时的病例聚集效应。
33
矢量数据分析
GIS的矢量数据分析
• • • • 拓扑分析（包含、交叉、分离） 空间叠加 缓冲分析 网络分析
34
缓冲区分析
叠加分析
网络分析
35
矢量数据分析
下列表述错误的是：
（A）矢量数据结构紧凑、冗余度低，有利于网络和
拓扑分析。 （B）数字化后地图错误的表现形式包括伪节点、悬 挂节点、碎屑多边形和不正规多边形等4种情形。 （C）矢量数据和栅格数据都可进行空间叠加运算， 且它们之间能够相互转化。 （D）两点之间的最优路径实际上是两点之间曼哈顿 距离最短的路径。 （E）栅格数据的数据结构简单，便于空间分析和地 表模拟，数据存储量较小，投影转换比较简单。
GIS空间分析方法
李润奎
资源与环境学院 (教学楼217)
lirk@ucas.ac.cn
Roger Tomlinson
1933.11.17-2014.2.9
Dr. Roger Tomlinson, GISP, generally recognized as the "Father of GIS," was known as a visionary geographer who conceived and developed GIS for use by the Canada Land Inventory. His pioneering work, beginning in the early1960s, changed the face of geography as a discipline and he was awarded an Order of Canada, which is Canada’s highest civilian honor. Governments and scientists around the world turned to him to better understand the environment and changing patterns of land use, and to better manage urban development and the use of natural resources.
空间连续场数据
高程数据、地球化学元素含量、气象数据 （气温、污染物浓度）、人口密度、社会 经济数据（人均收入和产值等）
空间数据的混合类型
台风的轨迹、冰川的分布
16
空间数据之间的转换
空间场模 空间要素 格网模型 空间网络 三维数据 型 模型 模型 模型
空间场模 型
空间要素 模型 √
√ √ √
P{ X k}
k
k!
e v
泊松过程需要满足的条件：
独立性：事件可以在过程中任一个时间段落内 发生，不受相邻段落中事件的影响； 平稳性：在一个时间段内，事件发生的概率与 段落的时间（ΔΤ）的大小成正比，而与它在 整个过程中的位置无关； 不重复性：多个事件同时在一个段落内发生的 概率很小。
√
格网模型 空间网络 模型
三维数据 模型
√
√
√ √ √
√
√
√
√
4 空间实体之间的关系
空间拓扑关系 空间方位关系 空间相关 空间配置关系 空间互作用关系 空间传播关系 空间复杂关系
18
4 空间实体之间的关系
空间拓扑关系
七桥问题
19
4 空间实体之间的关系
空间方位关系 其含义包括：方向关系和位置 关系。
41
基于DEM和TIN的三维空间分析
主要内容： • 数字地形分析（坡度、坡向分析；土 方计算；剖面分析；脊线及沟谷分析、 等值线绘制等 ） • TIN的构建和存储模型 • 三维叠加分析
42
基于DEM和TIN的三维空间分析
基本概念： 数字地面模型(DTM)和数字高程模 型(DEM) 不规则三角网(TIN)
52
网络数据的分析
53
点模式的分析
主要内容：
1.点过程的各种模型（泊松过程、更新 过程、高斯过程） 2.如何区分丛聚模式和噪声 3.如何判断点模式是否含有丛聚模式
54
震级大于6级的强震分布
55
点过程数据的分析
在随机过程的研究中，λ可以表示为ΔΤν， 其中，ΔΤ为进行观测的时间间隔，ν而为时 间发生率。因此泊松过程可以表示为：
9
10
禽流感疫情可视化——北京大学
思考题 • 举例说明空间数据的类型以及空 间关系。 • 结合自己的学习和科研谈谈空间 数据的转化思想在其中的应用。 • 空间分析方法都有哪些，分别适 合什么空间数据类型。
3 空间数据类型
• 数据类型的划分是按照数 据的表现形式、相互之间 的关系、存储方式等因素 进行划分的。 • 什么是空间数据
43
基于DEM和TIN的三维空间分析
44
基于DEM和TIN的三维空间分析
DEM数据
计算坡度
45
基于DEM和TIN的三维空间分析
由TIN和遥感数据合成的三维立体图
46
基于DEM和TIN的三维空间分析
预习建议： • 熟悉ARC/INFO或ArcView的使用。 • 阅读大纲中的参考文献。
47
长江三峡滑坡危险性分析-示例
Cov( x, y ) E[ x E ( x)][y E ( y )] E ( xy) E ( x) E ( y )
58
空间插值原理
空间随机变量Z(x) 的两点x和x+h处两 个随机变量z(x)和z(x+h)的二阶混合中 心矩，称为自协方差函数或简称协方 差函数。
Cov{z( x), z( x h)} E{z( x) E[ z( x)]}{z( x h) E[ z( x h)]}
产 生滑坡的可能性
)
模糊推理
以象元 为单 位 数 字 图 以象元为单位的数字图
G.I.S./R.S.
以GIS 以、人工智能为主的地学运算方法 为 主的地
49
长江三峡滑坡危险性分析
第一步：
与专家讨论，获取滑坡与地理环境条件的关系 （即专家知识〕
岩性与滑坡 岩层与滑坡 坡面与滑坡 高差与滑坡 坡形与滑坡
20
4 空间实体之间的关系
• 空间相关
对于连续场空间相关可包括：地球化 学元素的分布；人种的分布；气象因 子的分布。 对于非连续场则表现为空间关联：全 球气候变化；城市功能单元的形成。
21
4 空间实体之间的关系
• 空间配置关系
南水北调；交通流；电网、自来水网 的平衡； 地球化学元素的分配。
22
4 空间实体之间的关系
2
本讲的主要内容
课程背景和其他相关课程 课程的安排和规则 空间数据类型
空间实体之间的关系
课程的内容以及基本知识
3
1. 课程背景和其他相关课程
课程背景
课程沿革、商业背景、科学背景
相关其他课程
• 上学期：地理信息系统（A、B）、地理信息系统空间分析与建 模（讨论课）、地理数学方法、地理基础统计、城市地理与城 市规划、多元统计方法在地理学中的应用 • 本学期：地理学中的空间分析方法、GIS环境应用模型、空间 数据统计方法、城市经济与城市空间结构、网络地理信息系统、 地理信息系统应用开发
• 空间互作用关系
这种关系的特点是，空间实体之间存 在明显的作用力。 如：城镇的分布格局；天体的分布； 元胞自动机；对弈关系（对抗性的体 育运动、棋类）
23
围棋的布局
岛链部署
4 空间实体之间的关系
• 空间传播
空间传播与空间互作用的区别在于： 空间传播过程中，空间实体的性质发 生了变化。
如：流行病的传播（SARS的传播）； 洪水的演进；热带风暴的预报；火灾 的控制。
第二步：
用地理信息系统产生有关地理环境要素的数据层
岩性数据层 岩层数据层 坡面数据层 高差数据层 坡形数据层
第三步：
模糊推理机：将专家知识和地理环境要素数据层相结合，计算滑坡模糊危险度
地区滑坡危险度的空间分布
长江三峡滑坡危险性分析
低危险度 中危险度
高危险度 极高危险度
51
网络数据的分析
主要内容： 1、路径分析（最短路径、最佳路径 、 动态最佳路径分析） 2、资源分配（负荷设计 ，资源优化）
31
5 课程的研究内容
矢量空间数据分析 栅格数据分析
基于DEM和TIN的三维空间分析
点模式分析 网络数据的分析 地质统计学原理 空间数据挖掘基本理论 空间采样理论
32
课程理论基础
信号处理理论
GIS基础理论
误差理论
概率统计
GIS时空数据分析
计算方法和编程能力
随机过程
矩阵论
人工智能
48
长江三峡滑坡危险性分析
家 获 专家知识 ,统计方法
模糊滑坡区划图 模糊滑坡 区划图
滑坡形成 与 周 围环 条 滑坡形成与周围环境条件间的关系 关
S <==
模糊推理
( 代表各地
f f (( E )) E
, 水文 环境条件（地形、岩性、水文 … ） 环 条 件 ( 地形 , ..)
代表各地产生滑坡的可能性
36
栅格数据分析
主要内容： • 栅格数据的分类（监督分类和 非监督分类） • 地图代数 • 栅格矢量混合操作
37
栅格数据分析
38
栅格数据分析
39
栅格数据分析 1. 局部运算
2. 邻域计算
3. 区域运算 4. 全局运算
40ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
栅格数据分析
下面给出一个地图代数的例子。有一个森林地区融 雪经验模型： M=0.19T+0.17D 式中，M是融雪速度（厘米/天），T是空气温度，D 是露点温度。 根据此方程，使用该地区的气温和露点温度分布图 层，就能计算该地区融雪速率分布图。计算过程是先 分别把温度分布图乘以0.19和露点温度分布图乘以 0.17，再把得到的结果相加。需要说明的是地图代数 在形式和概念上都比较简单，使用起来方便灵活。
56
空间插值原理
地质统计学是利用空间变量的自相关 特征研究空间随机场性质的一种统 计理论。它分为三个部分： （1）结构分析理论 （2）克立格插值理论（插值理论） （3）条件模拟理论
57
空间插值原理
地质统计学的核心概念：空间自相关。
空间两个随机变量的相关性大小可以用协方差 函数衡量，协方差是指两个随机变量X，Y的 二阶混合中心矩：
13
3 空间数据类型
空间矢量数据（要素类型）
土地类型、道路、城区分布、行政边 界、河流等等
空间栅格数据 DEM、遥感数据、各种图像、其它
数据转换得来 数据示例
14
3 空间数据类型
空间网络数据
交通网络、管线网络、河网、血管网、 电网等
三维数据
三维矿体、三维地貌、建筑物
15
3 空间数据类型
59
空间插值原理
计算下列两组随机变量对之间的协方 差： 7/3 {1,2,3};{3,5,10}, {1,2,3};{3,4,5}, 2/3 计算距离间隔为1的条件下随机变量 {2,3,5,4,3,4}的自协方差。
60
地质统计学原理 C(h)
自协方差函数
h
61
7.00
6.00
5.00
4.00