GIS空间分析复习总结

第一章

空间分析概念：GIS 空间分析是从一个或多个空间数据图层获取信息的过程。空间分析是集

空间数据分析和空间模拟于一体的技术，通过地理计算和空间表达挖掘潜在

空间信息，以解决实际问题。

空间分析在GIS 中的地位与作用：空间分析是GIS 的核心，也是核心功能，是GIS 领域的理

论性和技术性都很强的分支，是提升GIS 的理论性十分重要的突破口，空间

分析是地理信息系统的主要特征，是评价一个地理信息系统的主要指标之一。

第二章

空间分析的基本理论：空间关系理论，空间认知理论，空间推理理论，空间数据模型理论，

地理信息机理理论，地理信息不确定性理论

空间关系分类：顺序关系：主要指目标间的方向关系，

度量关系：主要是指目标间的距离关系，

拓扑关系：指拓扑变换下的拓扑不变量（）

度量关系对空间数据的约束最强烈； 顺序关系次之； 拓扑关系最弱。

空间度量关系：分为定量度量（空间指标量算，距离度量）和定性度量

定量度量空间关系分析包括空间指标量算（距离、面积、坡度、人口密度等）和距离度量（距离）两大类

拓扑空间关系：指拓扑变换下的拓扑不变量，如空间目标的相邻和连通关系，以及表示线段

流向的关系。

拓扑变换的条件：在原来图形的点与变换了图形的点之间存在着一一对应的关系，并且邻

近的点还是邻近的点

方向空间关系：源目标相对于参考目标的顺序关系（方位）

度量空间关系描述：

欧氏距离：直线距离 切比雪夫距离：最大距离

马氏距离（曼哈顿距离）：垂直距离

大地测量距离：即球面上两点间的大圆距离

曼哈顿距离：纬度差加上经度差

拓扑空间关系描述：

4元组模型：该模型将简单空间实体看作是边界点和内部点。构成的集合，4元组模型为由

两个简单空间实体点集的边界与边界的交集、边界与内部的交集、内部与边

界的交集、内部与内部的交集构成的2×2矩阵。

9元组模型：9元组在4元组的基础上，在空间描述框架中引入空间实体的“补”的概念，

将空间目标A 表示为边界、内部和外部三个部分的集合。通过比较目标A 与

B 的边界、内部、外部之交集(空或非空) ，分析确定A 、B 间的空间拓扑关系。

2

21221)y y (x x )B A (d -+-= |)y ||x x (|max )B A (d 2121y --=

V9I模型：针对9元组模型中“补”的概念存在的重叠太大、空间实体定义方面的不足、不能描述空间邻近关系等缺陷。

陈军等用Voronoi多边形取代9元组中的“补”重新定义9元组模型，并将其定义为V9I模型。

还有RCC模型和空间代数模型

方向空间关系描述：

定量描述：a,方位角；b,象限角

定性描述：1、锥形模型：仅适用于两个空间目标间的距离与空间目标的尺寸相比差别

较大的情况

2、最小约束矩形模型（MBR）：利用两个目标间的MBR间的关系定义方向

关系。

3、二维字符串模型（2-D String）,,,,,,,,,,见书32页

4、方向关系矩阵模型

5、基于Voronoi图的方向关系模型

见书32页

基于点集拓扑学定义的九类常用方向关系：正东关系，正南关系，正西关系，正北关系，西

北关系，东北关系，西南关系，东南关系，同一

位置关系

第三章

空间数据的概念及表示方法

概念：用来表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据，可以用来描述来自现实世界的目标，它具有定位、定性、时间、空间关系等特征。空间数据表达的概念模型（场模型、要素模型）

场模型：将地理空间定义为由无数个点组成的连续平面。模拟具有一定空间内连续分布特点的现象。

场模型表达：场模型的表达使用近似方法。根据实际的精度需要，将需要存储的空间点数量，减少到计算机可以存储的范围内的过程。且每一种场模型必须定义

一种离散化规则，使那些未知区域所有点的空间变量数值，可以由已知点

的数值进行估计。

方法：栅格模型（例如遥感影像）、DEM（数字高程模型）、TIN（不规则三角网）模型、空间插值模型和等高线模型。

特征：1、空间结构特征和属性域，2、连续的，可微的，离散的，3、各向同行和各向异性，4、空间自相关

P68~P69

要素模型：地理要素模型只对地理实体的属性(包括空间属性和地理属性)及关系感兴趣。

欧氏空间中的三类地物要素对象：

点对象：有特定位置，维数为零的物体

线对象：维度为1的空间组分，有一系列坐标表示

多边形对象/面状实体：由一封闭曲线加内点来表示，是对湖泊、岛屿、地块等一

类对象的描述。

P70~P73

空间数据模型表达的两种方式及相关概念（栅格数据模型、矢量数据模型）栅格数据模型：属性明显，定位隐含

获取方法：(1) 手工网格法；

(2) 扫描数字化法；

(3) 影像；

(4) 数据结构转换法

矢量数据模型：定位明显，属性隐含

获取方法：(1) 数字化法；

(2) 数据结构转换法；

(3) 野外测量；

网络信息模型的概念：把地物抽象为链和节点，同时关注其间的连通关系，要考虑多个要

素之间的影响和交互。现象的精确形状并不重要，重要的是具体现

象之间的距离或者阻力的度量。

静态GIS和时空GIS的区别：

静态GIS（Static GIS）：传统的地理信息系统应用只涉及地理信息的两个方面：空间维度和

属性维度。

时态GIS （Temporal GIS）:

●能够同时处理时间维度。

●解决历史数据的丢失问题。

●实现数据的历史状态重建、时空变化跟踪、发展势态的预测等功能。

栅格数据的理解

栅格数据的使用主要分为四个类别：底图，表面地图，专题地图，要素的属性

聚类分析：根据设定的聚类条件对原有数据进行有选择的信息提取而建立新的栅格数据的方法。

聚合分析：指根据空间分辨率和分类表，进行数据类型的合并或转换以实现空间地域的兼并

(a)聚合为a与b(b)聚合为c与d 由数字高程模型转换为数字高程分级模型便是空间数据的聚合；

从遥感数字图像信息中提取其中某一地物的方法则是栅格数据的聚类。

信息复合分析

视觉信息复合：面状图、线状图和点状图之间的复合；

面状图区域边界之间或一个面状图与其它专题区域边界之间的复合；

遥感影像与专题地图的复合；

专题地图与数字高程模型复合显示立体专题图；

遥感影像与DEM复合生成真实三维地物景观

视觉信息的叠加不产生新的数据层面，只是将多层信息复合显示，便于分析查看。

叠加分类模型：叠加结果生成新的数据平面，该平面数据记录了重新划分的区域，

属性数据库结构中包括了原来的参加复合的数据平面的属性数据库

中所有的数据项

像元统计：多层面栅格数据叠合分析时，经常需要以栅格单元为单位来进行单元统计分析，每个输出像元的值是该位置所有输入像元值的函数

领域统计：以待计算栅格为中心，向其周围扩展一定范围，基于这些扩展栅格数据进行函数运算，从而得到此栅格的值。每个输出像元的值是该位置一定邻域范围

内像元值的函数

分区统计：以一个数据集为基础，对另一个数据集进行数值统计分析

分类区：可以是多边形的矢量数据，也可以是栅格数据

重分类：基于原有数值，对原有数值重新进行分类整理从而得到一组新值并输出

基本分类形式：1、新值替代；2、旧值合并；3、重新分类；4、空置设置

应用：可以将各种各样的森林类型归为森林这一大类

密度分析：根据输入的要素数据集计算整个区域的数据聚集状况，从而产生一个连续的密度表面。

密度分析其实是一个通过离散采样点进行表面内插的过程，根据内插原理的不同，分为：简单密度制图(Simple)

落在搜寻区域内的点或线具有同样的权重，先对其进行求和，再除以搜索区域的面积，得到每个点的密度值。

核函数密度制图(Kernal)

落入搜索区的点具有不同的权值，靠近格网搜索区域中心的点或线会被赋以较大的权重，随着其与格网中心距离的加大，权重降低。它的计算结果分布较平滑。

应用：熊猫密度

距离分析：根据每一栅格相距其最邻近要素(也称为“源”)的距离进行分析制图，从而反映出每一栅格与其最邻近源的相互关系。

应用：直线距离：通过直线距离函数，计算每个栅格与最近源之间的欧式距离，并按距离分级。

区域分配：通过分配函数将所有栅格单元分配给离其最近的源。

成本距离：通过成本距离加权函数，计算出每个栅格到距离最近，成本最低源的最少累加成本。

最短路径：通过最短路径函数获取从一个源或一组源出发，到达一个目标或一组目标地的最短直线路径或最小成本路径。

综合运用分析方法解决实际问题（最后大题）

学校选址最短路径熊猫分布密度制图GDP区域分布图

矢量数据的理解：见PPT

缓冲区分析

点状要素的缓冲区生成方法：对选定的目标点设定缓冲距，生成圆形缓冲区。

（直接绘圆法；圆弧步进拟合法）

线状要素的缓冲区生成方法：以线状目标为参考轴线，以轴线为中心向两侧沿法线方向平

移一定距离，并在线端点处以光滑曲线连接，所得到的点组

成的封闭区域

（角平分线法；凸角圆弧法）

指定不同线状目标的不同的缓冲区宽度；

同一线状目标两侧的缓冲区宽度也可以不一样；

同一线状目标不同段的缓冲区宽度也可以不一样

面状要素的缓冲区生成方法：面目标可视为由边界线目标围绕而成。

面目标缓冲区生成的基本思路与线目标缓冲器生成算法基

本相同。

面目标缓冲区：内侧缓冲区和外侧缓冲区

面状目标的缓冲区宽度可不一样，甚至同一面状目标内外侧

的缓冲区宽度也可不一样。

网络分析

类型：定向网络（效用网络）：流向由源（source）至汇（sink）

网络中流动的资源自身不能决定流向(如：水流、电流)

非定向网络（传输网络）：流向不完全由系统控制，网络中流动的资源可以决定流向(如：交通系统)

传输网络分析和效用网络分析的区别：效用网络常用于模拟现实世界中的水、电、气等管网设施，数据源来自Geometric network，是一种定向网络，即网络使用者不能自行决定流向，只能通过业务规划按提前定义好的方向行进，如电流；传输网络模拟道路、地铁等交通线路，基于Network Dataset构建数据模型，是非定向网络，即网络使用者可以自行决定方向（如司机）。

效用网络分析的应用：1、网络上溯追踪：网络中位于给定点上游的所有网络元素。

2、公共祖先追踪：位于网络中点集合上游的公用要素。

3、网络连接要素分析：通过网络连接到给定点的所有要素

传输网络分析的应用：1、查找最近设施点

2、车辆配送

3、位置分配

网络分析流程：

?配置Network Analyst 环境

?构建网络数据集

?创建网络分析图层

?添加网络分析对象

?设置网络分析图层属性

?执行分析并显示结果

追踪分析：基于时间序列的可视化和分析工具，可以实现带有时间属性的事物和现象变化的历史回放，以及实时数据的动态显示。

作用：用于回放车辆、卫星等的动态位移；

离散发生的犯罪、雷击事件；

气象台站的风向监测信息；

社会现象的变化迁移等；

在交通、应急反应、军事等领域具有重要的应用作用。

综合运用分析方法解决实际问题：

案例：飓风追踪

第六章

DTM是指描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列。DEM应用：1、国家

地理信息的基础数据：DEM是国家空间数据基础设施NSDI的框架数据组成部分，是“4D产品”之一。2、土木工程、景观建筑与矿山工程的规划与设计； 3、军事目的(军事模拟等)的地表三维显示；4、景观设计与城市规划；5、水流路径分析、可视性分析；6、交通路线的规划与大坝的选址；7、不同地表的统计分析与比较；8、生成坡度图、坡向图、剖面图，辅助地貌分析，估计侵蚀和径流等；9、作为背景数据叠加各种专题信息，如土壤、土地利用及植被覆盖数据等，便于显示与分析。

DEM是DTM的一个特例或者子集

DEM是DTM中最基本的部分，是对地球表面地形地貌的一种离散的数学表达。DEM——表示方法（GRID、TNT）：1、数学法。2、图形法。

规则格网优缺点：优点：结构简单、易于计算机处理，特别是栅格数据结构的地理信息系统。

可以很容易地计算等高线、坡度、坡向、山坡阴影和自动提取流域地

形

缺点:地形简单的地区存在大量冗余数据地形起伏差别大的地区无法适用, 对某些特殊计算(如视线计算)的格网轴线方向被夸大。如栅格过于粗

略，则不能精确表示地形的关键特征，如山峰、坑洼、山脊、山谷等不规则三角网（TIN）优点：可根据地形的复杂程度确定采样点的密度和位置，能充分表示地形特征点和线，减少了地形较平坦地区的数据冗余。在显示速度及表示精度方面优于规则格网。TIN是一种变精度表示方法：平坦地区数据点较少，地形起伏较大的地区数据点密度较大。这种机制使得TIN数据可用较小的数据量实现较高的表达精度

坡度：某点在曲面上的法线方向与垂直方向的夹角，是地面特定点高度变化比率的度量。

原理：地形描述中常用的参数，是一个具有方向与大小的矢量。作为地形的一个特征信息，能间接表示地形的起伏形态，在交通、规划以及各类工程中有着很大的用途

应用：如农业土地开发中，坡度大于25°的土地一般被认为是不宜开发的；

如果打算在山上建造一座房子，必须找比较平坦的地方；

如果建滑雪娱乐场，则选择有不同的坡度的区域。

坡向：法线的正方向在平面上的投影与正北方向的夹角，即法方向水平投影向量的方位角。取值范围从零方向(正北方向)顺时针到360度。

三维缓冲区分析：利用二维缓冲区方法生成一个面缓冲区多边形,以该多边形为横断面，沿着Z轴上下延伸缓冲区半径大小范围，得到一个空间体范围。

三维叠置分析：指在统一空间坐标参照系统下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，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。剖面分析：是以数字地形模型（DEM）为基础构造某一个方向的剖面，以线代面，概括研究区域的地势、地质和水文特征。

可视化分析：也称视线图分析，由于它描述通视情况，也称为通视分析。可视性分析实质上属于对地形进行最优化处理的范畴。

水文分析：水文分析使用DEM数据派生其它水文特征：提取河流网络、自动划分流域。这些是描述某一地区水文特征的重要因素。

谷脊特征分析：基于DEM的谷脊分析是地形分析的重要内容，在地学中的水文分析中有重要应用。如地表径流分析首先要找出该区域的谷脊点。

水淹分析：洪水淹没方式分为：漫堤式淹没和决堤式淹没。漫堤式淹没：堤坝没有溃决，由于洪水水位过高导致的洪水从堤坝顶部进入淹没区；分析在特定水位条件下，

洪水会导致多大的淹没范围和多高的水深分布。决堤式淹没：堤坝溃决，洪水从

溃决处进入淹没区。分析某一洪量条件下，洪水可能造成多大的淹没范围和水深

分布。

第七章

探索性数据分析：对样本数据性质的研究，没有先验的理论假设，通过对数据全面深入分析来了解其在空间分布、空间结构以及空间相互影响方面的特征。

基本分析工具

直方图：

功能：检查数据集的分布和汇总统计数据

特点：直方图的一些基本统计量，可以对数据有个初步的了解；可以直观的反映采样数据分布特征、总体规律，可以用来检验数据分布和寻找数据离群值

正态QQ 图和常规QQ 图：

功能：分别评估数据集是否是正态分布以及研究两个数据集是否具有相似的分布。Voronoi图：

功能：直观地检查数据集的空间可变性和稳定性。

趋势分析：

功能：查看并检查数据集的空间趋势。

半变异函数/协方差云：

功能：评估数据集的空间依赖性（半变异函数和协方差）。

交叉协方差云：

功能：评估两个数据集间的空间依赖性（协方差）。

地统计：又称地质统计，以区域化变量为基础，借助变异函数，研究既具有随机性又具有结构性，或空间相关性和依赖性的自然现象的一门科学。

地统计模型构建流程：（1）通过探索性空间数据分析(ESDA) 和变异分析来检查数据；

（2）构建满足需要的克里金模型

（3）通过执行交叉验证和比较备用模型检查结果是否准确以选择最佳

的一个。

常用的克里金插值方法及各自方法的特点：见PPT！！！！！

第八章

一般空间分析步骤：

步骤一：明确分析目的和标准【分析目的:用户打算利用地理数据库回答什么问题;标准:如何利用GIS的空间分析功能回答这些问题。】

步骤二:准备空间分析所要用到的数据，包括空间数据和属性数据。

步骤3：进行空间分析操作【空间分析操作这一步骤是地理信息系统所特有的。正是利用这一步骤产生了用于分析的空间关系。空间分析操作包括：缓冲区分析、拓扑叠加分析、特征抽取以及特征合并等。】

步骤4：进行表格分析利用逻辑表达式和算术表达式，对步骤3中进行空间分析操作所获得的新的属性关系进行分析。

步骤5：结果的评价和解释完成以上分析后，将获得一个结果，必须对该分析结果进行评价，以确定其有效性。

步骤6：如有需要，改进分析考虑到分析结果可能还具有某些局限性和缺点，可以决定对分析方法和过程进行改进。

步骤7：产生分析结果的最终地图和表格报告。以最有效而又可靠的方法输出分析结果。【在实际的空间分析应用中，可以按照以上介绍的一般空间分析的步骤完成分析操作，但是不一定要求严格按照以上7个步骤进行，可以对部分步骤进行综合处理。】

此处老师会出最后一题大题，结合具体实例来写，给出案例，可以给出空间分析的详细步骤

图解建模是指用直观的图形语言将一个具体的分析过程模型表达出来。在这个模型中，分别定义不同的图形代表输入数据、输出数据、空间处理工具，它们以流程图的形式进行组合并且可以执行空间分析操作功能。

图解建模的意义：

?当空间处理涉及到许多步骤时，建立模型可以让用户创建和管理自己的工作流，明

晰其空间处理任务，为复杂的GIS任务建立一个固定有序的处理过程；

?构建模型工具，将其共享为工具来提供扩展 ArcGIS 功能；

?可用于将 ArcGIS 与其他应用程序进行集成。

基于ModelBuilder的空间分析建模流程：见PPT！！！！！