Course of Geographic Information System

Course of Geographic Information System

地理信息系统

**** 信息技术在城市规划中的应用 ****

第二篇 GIS

建筑工程管理系城市规划教研室

主讲人：刘英

地理信息系统概论


第四章 GIS 空间分析与可视化表达

1 、 GIS 空间分析的类型；

2 、 GIS 空间分析方法；







一、空间分析类型

基本的空间分析包括以下方面：空间查询空间量算缓冲区分析叠加分析网络分析空间统计分析空间插值数字高程模型（数字地形模型）空间建模与空间决策支持系统面向应用的分析

简单的空间分析

复杂的空间分析



二、空间分析 —— 空间查询

图形查询：实体之间的空间关系查询，实体的属性信息查询等。属性查询：基于实体的属性信息进行查询，与一般的数据库查询相同，只不过最后查询的结果需要再与图形关联起来。图形属性互查：将空间关系和属性结合起来进行查询，并将最后结果以图形和属性两种方式显示出来。如：查询京九线沿线人口大于 100万的城市及各种属性信息。地址匹配：根据一个地理名字（如学校名字）来定位相关实体并获

得其属性信息。其基础是地理编码，即将一个地理名字与一个或若干个空间实体关联起来、或者与实体的某个属性关联起来、或者与某个地理坐标关联起来。




三、空间分析 —— 空间量算

几何量算 • 点：坐标 • 线：长度、曲率、方向 • 面：面积、周长、形状、曲率等

形状量算

质心量算：面或离散实体的分布中心

距离量算：实体之间的各种距离计算（如大地测量距离）。

i

i

i

ii

G

i

i

i

ii

GW

YW

W

XW

YX

面积周长

2

r r<1 为紧凑面； r=1 为圆； r>1 为膨胀面




四、空间分析 —— 缓冲区分析

缓冲区就是空间实体的一种影响范围或服务范围。缓冲区分析的基本思想就是给定一个空间实体或集合，确定它们的邻域，邻域的大小由领域半径 R 来确定。



1 、缓冲区分析概念

11 、概念：、概念：

☆ 缓冲区（影响区、影响带）：是指围绕地理要素的一定宽度的区域。

☆ 缓冲区分析：指根据分析对象的点、线、面实体，自动建立它们周围一定距离的带状区域，用以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围，以便为某项分析或决策提供依据。



3 、缓冲分析的方式

☆ 点缓冲区

以点为圆心，以一定距离为半径画圆所围成的区域。

☆ 用途：针对点要素的一定半径用途：针对点要素的一定半径范围的分析。范围的分析。




☆ 线缓冲区

分别对每一个顶点和每条边生成缓冲区，然后对这些缓冲区多边形进行叠置操作。

☆ 用途：针对线要素的一定范围用途：针对线要素的一定范围带状范围的分析。带状范围的分析。




☆ 面缓冲区

首先生成多边形周长的缓冲区（线缓冲区），然后与原始多边形进行叠置操作，多边形缓冲区有内外之分。外缓冲区在面状地物的外围形成缓冲区、内缓冲区则在面状地物的内侧形成缓冲区

☆ 多重缓冲区生成

以不同的半径首先分别生成一定宽度的缓冲区，然后对不同半径的缓冲区进行叠置操作。



5 、缓冲区的应用

缓冲区应用意义

核电站的 5 公里缓冲区紧急疏散区

我国 30 公里内缓冲区沿边地区

海岛国家的 n 公里外缓冲区

领海

高速公路的 50米缓冲区噪音的严重污染区



五、空间分析 —— 叠加分析

叠加分析是将两层或多层地图要素进行叠加产生新的要素，它是空间信息系统中最常用的提取隐含信息的手段之一。叠加分析不仅包含空间关系的比较，还包含属性关系的比较，它可以分为以下五类：

视觉信息的叠加：将多个图层内容放在一起进行显示；点与多边形的叠加：实质上是计算多边形对点的包含关系，用于统计或属性赋值；线与多边形的叠加：主要用于计算线落在哪些多边形中以及各自的部分；多边形叠加：最常用的叠加分析；栅格图层叠加：利用某种计算模型对不同栅格图层中相同位置像元的值进行计算，得到新的栅格图层。



1 、空间叠加分析概念

1 、概念：

空间叠加分析：是指在统一空间参照系统条件下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠加，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。

前者一般用于检索同时具有几种地理属性的分布区域，或对叠加后产生的多重属性进行新的分类，称为空间合成叠加；后者一般用于提取某个区域范围内某些专题内容的数量特征，称为空间统计叠加。



　　实际上是计算多边形对点的包含关系。它通过点是否在多边形内的判别来完成。在完成点与多边形的几何关系计算之后，还要进行属性信息的处理。最简单的方式是将多边形属性信息叠加到其中的点上（或将点的属性叠加到多边形上，用于标识该多边形）。

　　　通过叠加可以计算出每个多边形类型里有多少个点，以及这些点的属性信息。

1) 1) 点与多边形叠加点与多边形叠加



1 2 3

4 5 6

A

B

C

A

B

C

1 2 3

4 5 6

点号

名称

编码

功能

所属辖区

1 A

2 C

3 C

4 B

5 B

6 B

叠加结果：改变点属性内容




是比较线上坐标与多边形坐标的关系，判断线是否落在多边形内。

通常是计算线与多边形的交点，只要相交就产生一个结点，将原线打断成一条条弧段，并将原线和多边形的属性信息一起赋给新弧段。

叠加的结果产生一个新的数据层面每条线被它穿过的多边形打断成新弧段图层，同时，产生一个相应的属性数据表记录原线和多边形的属性信息。

22）线与多边形叠加）线与多边形叠加



A

B

C

A

B

C

线号

原线号

名称

等级

所属辖区

1 1 B

2 2 C

3 3 C

4 3 A

5 1 C

叠加结果：产生新弧段，改变线属性内容

1

23

15

234



33 ）多边形与多边形的叠加分析）多边形与多边形的叠加分析

多边形与多边形的叠合是指将两个不同图层的多边形要素叠合，产生新的多边形要素，以解决地理变量的多准则分析、区域多重属性的模拟分析、地理特征的动态变化分析、区域信息提取等。叠合后产生输出新图层的属性信息与原多边性的继承关系，要根据叠合的不同方式而定。



从几何运算上看，两个多边形通过不同的叠加运算可以得到不同的结果：

交并差分割



从几何运算上看，两个多边形通过不同的叠加运算可以得到不同的结果：

交并差分割

叠加结果：



2 、叠加分析实例

A

B

1 2

3

4

5

1B2B

1A2A

4A3A

5B3B

4B

降雨量土壤类型适宜农作物

矢量图层叠加分析



A

B

1 2

3

4

5

1B2B

1A2A

4A3A

5B3B

4B

降雨量土壤类型适宜农作物

－－－矢量图层叠加分析





栅格图层叠

加

2 、叠加分析实例－－－栅格图层叠加分析



六、空间分析　　——网络分析

对地理网络（如交通网络）、城市基础设施网络（如电信线、电力线、给水线等）进行地理分析和模型化，是网络分析的主要目的，其根本目标是研究、筹划一项网络工程如何安排、并使其运行效果最好。一个网络中最基本的组成部分包括：

链（ Link）：网络中流动的管线，如电线。障碍（ Barrier ）：禁止网络中链上流动的点，如刀闸。拐角点（ Turn）：出现在网络链中所有分割点上，如电阻。中心（ Center ）：接受或分配资源的位置，如电站。站点（ Stop）：在路径选择中资源增减的站点，如电厂。

网络分析的应用主要包括三个方面：路径分析、地址匹配和资源分配。



１、路径分析

路径分析静态最佳路径：给定每条链上的属性后，求两点间的最佳路径。动态最佳路径：网络中每条链上的属性是动态变化的，而且可能出现一些障碍点，需要动态求最佳路径。 N条最佳路径：求出代价较小的 N条路径，以供选择。最短路径：确定起点、终点以及所要经过的中间点、中间线，求最短路径。动态分段：将网络中的链根据其属性将特征相近的连线分段。分段是动态进行的，因为它与当前连线的属性相对应，如果属性改变了，动态分段将创建一组新的分段。如按公里数将一条道路分段。



路径分析静态最佳路径：给定每条链上的属性后，求两点间的最佳路径。动态最佳路径：网络中每条链上的属性是动态变化的，而且可能出现一些障碍点，需要动态求最佳路径。 N条最佳路径：求出代价较小的 N条路径，以供选择。最短路径：确定起点、终点以及所要经过的中间点、中间线，求最短路径。动态分段：将网络中的链根据其属性将特征相近的连线分段。分段是动态进行的，因为它与当前连线的属性相对应，如果属性改变了，动态分段将创建一组新的分段。如按公里数将一条道路分段。



２、地址匹配与资源分配

地址匹配将路径分析和地理编码结合起来使用，如物流配送，需要将货物送到多家单位。此时可先通过地理编码进行地址查询，获得各单位的地理位置，再利用最短路径方法确定最短送货线路。

资源分配资源分配模型中的网络主要由中心点（分配中心）组成，有两种分配方式：一是由分配中心向四周输出；另一种是从四周向分配中心集中。资源分配的应用包括消防站点的分布和求援区划分、学校选址、停水 /停电对区域的社会和经济的影响等。



1 、概念：

☆ 数字高程模型（ DEM) ： DTM（数字地面模型）中属性为高程的要素称为数字高程模型 ,它是地表单元上的高程集合 , 通常用矩阵来表示。

☆ DEM是建立 DTM的“基础数据”或称为单要素图；其它要素均可以从DEM数据直接或间接导出 ,这些“派生数据”通常包括 : 平均高程、坡度、坡向等。

七、空间分析　　——数据高程模型



　 2. DEM 的表示方法

DEM 的表示方法

数学方法图形法

整体局部点数据线数据

傅立叶级数

高次多项式

规则

“

块”

不规则

“

块”

规则

不规

则典型特征

水平线

垂直线

典型线

山脊线

谷底线

海岸线

坡度变换线

山峰、洼

坑隘口、边

界

DEM的线表示法： ------等高线

DEM的点表示法 -----高程点



* 生产三维立体图

* 生产视线图

* 生产等高线图

* 坡度、坡向分析

* 高程及变异分析

* 地表形态的自动分类

* 地学剖面的绘制与分析

* 三维空间分析（如洪水淹没分析）

3 、 DEM 的用途

建立地面模型


虚拟现实



八、空间分析 —— 空间统计分析

人们可以根据不同的使用目的，对空间数据进行提取和分析，以得到深层次的信息，特别是对于观测和取样数据。常规统计分析主要完成对数据集合的均值、总和、方差、频度、峰度系数等地统计分析。其他的统计分析往往对空间数据及其相关信息进行抽象，采用更加复杂的数据模型进行分析，主要包括：

空间自相关分析回归分析趋势分析层次分析

主成分分析聚类分析判别分析



九、空间分析　　——空间插值

空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面，它包括内插和外推两种算法。前者是通过已知点的数据计算同一区域内其他未知点的数据，后者则是通过已知区域的数据，求未知区域的数据。通常，在以下几种情况下要做空间插值：

现有数据的分辨率不够，如遥感图象从一种分辨率转换到另一种分辨率。现有数据的结构与所需结构不同，如将栅格数据转换到 TIN数据。现有数据没有完全覆盖整个区域，如只有一些离散点数据。

需要进行空间插值处理的原始数据包括：航片 /卫片、野外测量采样数据、等值线图等。



十、空间分析　　——空间建模与空间辅助决策

空间建模与空间辅助决策是针对具体的应用领域存在的空间分析问题而采取的解决手段：采用各种简单或复杂的空间分析操作，建立空间分析模型。模型可能是一系列空间分析操作的简单组合；也可能是将空间信息及空间分析操作的结果转化为知识，再进行复杂的空间推理。对于后者，往往就形成所谓的空间决策支持系统、专家系统等。




十、空间分析　　——空间建模与空间辅助决策

一般步骤

– 确定目标和评价准则；– 准备分析数据；– 建立模型； – 寻求手段；– 结果评价；

应用 – 最佳路径、选址、定位分析、资源分配等。



实例分析（ 1 ）－公园选址

问题背景为了在某地建立一森林公园旅游点，需参考一定的旅游条件，

假设该旅游点须满足距公路、铁路 0.5km 以外 10km 以内，非市区，有林地，要求在行政区划图上选出该旅游点位置，并注明面积大小。

数据源公路及铁路分布图；森林分布及权属图；城镇行政区划图；



具体步骤 (1)将森林分布图分成林地及非林地两类； (2) 消除同一属性值为林地或非林地的相邻多边形的边界并加以合并；

(3)将所有公路和铁路周围生成 0.5km 宽的缓冲区； (4)将所有公路和铁路周围生成 10km 宽的缓冲区； (5)拓扑叠加 (2)、 (3)、 (4) 三步生成的图层，生成具有下述属性的

多边形林地、非林地； 0.5km 内区域； 0.5-10km 区域； 10km 外区域；




(6)将城镇行政区划图重新分类，生成市区、非市区两类； (7)拓扑叠加 (5)、 (6)生成的图层，得到

非林地；林地且市区；林地、非市区、距道路 0.5km 内；林地、非市区、距道路 0.5km 外 10km 内；林地、非市区、距道路 10km 外

(8)依约束条件，提取第 4 类多边形，并计算其面积； (9)与行政区划图叠加，打印输出结果；




实例分析（ 2 ）－道路拓宽改建中拆迁赔偿计算

要解决的问题及约束条件计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑面积和房产价值；道路拓宽改建的标准是：

道路从原有的 20米拓宽到 60米；拓宽道路应尽量保持直线；部分位于拆迁区内的 10层以上的建筑不拆除；

所需资料现状道路图；区域内建筑物分布图；



空间操作选择拟拓宽的道路，根据拓宽半径，建立道路的缓冲区；将缓冲区图与建筑物分布图进行拓扑叠加，此图包括所有部

分或全部位于拓宽区内的建筑物信息；统计分析

选择落入拆迁区内的楼层高为 10层以上的建筑物，将其排除掉，其余为拆迁建筑物；

对所需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算，包括建筑物面积、房产价值。

实例分析（ 2 ）－拆迁赔偿计算



实例分析（ 3 ）－辅助建设项目选址

需解决的问题和约束条件需解决的问题：

为一个轻度污染工厂的可能建设位置选址。约束条件：

(1)地块建设用地面积不小于 10000m2 ；(2)地块的地价不超过 1 万元 /m2 ；(3)地块周围不能有幼儿园、学校等公共设施。



所需数据全市所有地块信息的数据层全市公共设施的分布图

空间分析从地块图中选取所有满足条件 (1)(2)的地块与公共设施层数据进行拓扑叠加

对叠加的结果进行邻域分析和特征提取，选择出满足要求的地块将选择的地块及相关信息以地图和表格形式打印输出

实例分析（ 3 ）－辅助建设项目选址



十一、空间信息表现与制图— 空间数据的可视化与制图

普通地图制图专题地图制图三维空间数据可视化地图注记地图排版地图输出



地图包含的信息十分丰富。在空间信息系统中，将空间信息的丰富语义表现出来通常所用的手段是：

文字注记（标注）＋图例表示＋专题图文字注记：对空间实体进行简要的说明，如名字、分类等。图例表示：用特定的图形符号（包括大小、颜色等）来表示空间实体的分类、属性、统计等信息。专题表现：利用各种手段（颜色、直方图、饼图等）来表示面状实体的分类、属性、统计等信息。专题制图：通过多种制图单元（如多图层叠加、鸟瞰图、附属图、表格、说明文字、指北针、图名、图框、比例尺等等）来表现各种空间信息。


专题图层指北针图名图框比例尺鸟瞰图表格说明文字等

制图单元包括：


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