長江大學地球科學學院地理信息系統原理

(PrinciplesofGeographicInformationSystem)2023最新整理收集do

somethingGIS原理1緒論2空間數據結構3地理信息系統數據輸入4地理信息系統數據處理5空間數據管理6空間分析

7數字高程模型8GIS的輸出與地圖可視化9地理信息系統工程與標準10地理信息系統的發展趨勢

6空間分析

空間分析是綜合分析空間數據的技術的通稱。空間分析有著十分豐富的內涵，它是構成地理信息系統的核心部分之一，在整個地理數據的應用中發揮著舉足輕重的作用，也是GIS區別與其它信息系統的一個顯著標志。6空間分析

空間分析：是基于空間數據的分析技術，它以地學原理為依托，通過分析算法，從空間數據中獲取有關地理對象的空間位置、空間分布、空間形態、空間形成、空間演變等信息。它具有很強的目的性。是一種面向應用的空間處理方法。空間分析目的：是通過對空間數據的深加工和分析，獲取新的信息。是為了解決實際問題，是面對用戶的。空間分析結果：圖形、屬性數據。6空間分析6.1空間分析的內容與步驟6.2空間度量算法6.3數據檢索與表格分析6.4疊置分析6.5緩沖分析6.6網絡分析6.7三維空間關系6.8GIS的數學模型6.1空間分析的內容與步驟6.1.1空間分析的內容

1、拓撲分析包括：空間圖形數據的拓撲運算，即旋轉變換、比例尺變換、三維及三維顯示、幾何元素計算。6.1空間分析的內容與步驟2、屬性的分析包括：數據檢索、邏輯與數學運算、重分類、統計分析等。

3、拓撲與屬性的聯合分析包括與拓撲相關的數據檢索、疊置處理、區域分析、鄰域分析、網絡分析、形狀探測、瘦化處理、空間內插等。6.1空間分析的內容與步驟6.1.2空間分析的步驟

1、確定分析目的和標準分析的目的定義了你打算利用地理數據庫回答什么問題，而標準則具體規定了你將如何利用GIS回答你所提出的問題。例：建一新公園進行選址（目的）標準：

·交通便利、環境優雅

·設計成環繞一個天然小河

·可利用面積大

·應很少或沒有沿河流分布的沼澤地6.1空間分析的內容與步驟2、準備空間操作的數據即收集、輸入空間數據和屬性數據。例如：地理底圖數據、地籍數據、土壤數據等。

3、進行空間分析作空間位置的處理和分析（包括檢索、提取、緩沖區分析、疊置分析等），以滿足第一步提出的標準；作屬性數據的處理和分析（加所需的屬性項）。6.1空間分析的內容與步驟4、準備表格分析的數據大多數分析都要求利用空間操作得到一個（或一組）最終的數據層，然后就必須準備用于分析的數據，包括空間和屬性數據。所生成的層的屬性表包括了利用邏輯表達式和算術表達式進行表格分析的信息。通常必須將進行分析時所需要的數據項加到屬性表中。例如，你想根據地塊數據層中的地塊面積、現有結構和土壤類型來計算地塊財產值，那么就要在屬性表中加入一個數據項（取名可能是“VALUE”）來存放財產值。6.1空間分析的內容與步驟5、進行表格分析利用邏輯表達式和算術表達式，可以對在步驟三中進行的空間操作所獲得的新的屬性關系進行分析。在本步驟中，將利用步驟一中所確定的標準，定義一系列邏輯運算和算術運算，來對所得到的地理數據庫進行操作。

6、結果評價和解釋當你通過表格分析獲得了一個答案，你就必須對結果進行評價，以確定其有效性，該結果是否提供了可靠而又有意義的答案？6.1空間分析的內容與步驟7、如有必要，改進分析解釋和評價結果，若不滿意（如果感到你的分析還有局限性和缺點，你可以進一步改善），返回適當的步驟重新分析。

8、產生最終的結果圖和表格報告6.2空間度量算法

空間度量是GIS的一項基本內容和主要功能，也是GIS的常用工具。長度量算角度量算任意多邊形面積量算分布中心的計算6.2空間度量算法6.2.1長度量算兩點之間的距離（歐幾里德距離）點到直線的距離三維空間中線到線的空間距離線目標的長度計算P1P2P3P4P56.2.2角度量算兩直線的夾角（二維）

求矢量A（xa,ya,za）與矢量B（xb,yb,zb）的夾角（三維）6.2空間度量算法6.2空間度量算法6.2.3任意多邊形面積量算12345XYx1x2x3x4x5y1y2y3y4y5abcde矢量數據多邊形的面積計算基于求梯形面積公式。6.2空間度量算法6.2.4分布中心的計算空間分析中常用分布中心來概括地表示空間的總體分布位置，用來跟蹤某些地理分布的變化，如人口的變遷、土地利用的變化。假設有n個離散點（X1,X2）(X2,Y2)…(Xn,Yn),可用下列不同的方法來表示分布中心。算術平均中心、加權平均中心、中位中心、極值中心6.2.4分布中心的計算假設有n個離散點（X1,X2）(X2,Y2)…(Xn,Yn),可用下列不同的方法來表示分布中心。算術平均中心加權平均中心中位中心極值中心6.2空間度量算法（Cx,Cy）表示算術平均中心坐標點。算術平均中心中沒有考慮不同點在分析問題時重要性之間的差異，實際中各點的重要性是不同的，為此需要進行加權計算。6.2空間度量算法6.2.4分布中心的計算假設有n個離散點（X1,X2）(X2,Y2)…(Xn,Yn),可用下列不同的方法來表示分布中心。算術平均中心加權平均中心中位中心極值中心Wi為第i點的權重，通常以該離散點表示的統計量來表示，如在研究土地利用時用它表示的面積值作為權重，在研究變遷時用它表示的人口數作為權重。6.2空間度量算法6.2.4分布中心的計算假設有n個離散點（X1,X2）(X2,Y2)…(Xn,Yn),可用下列不同的方法來表示分布中心。算術平均中心加權平均中心中位中心極值中心中位中心是指到各個離散點的距離和為最小的一個點（Xm,Ym）,表示為下式的值為最小：大量用在選址設計中，如當n個離散點表示居民點時，為確定商業布點就要用到中位中心。6.2空間度量算法6.2.4分布中心的計算假設有n個離散點（X1,X2）(X2,Y2)…(Xn,Yn),可用下列不同的方法來表示分布中心。算術平均中心加權平均中心中位中心極值中心極值中心是指到各個離散點中最大距離為最小的一個點（Xe,Ye）,表示為下式的值為最大：極值中心的地理意義在于該點離n個離散點中的所有點都不太遠。6.3數據檢索及表格分析

檢索對象：

1）屬性數據（如全部區域的總人口）

2）依據空間拓樸關系（如與湖北相鄰的省份有哪些）

3）聯合空間數據與屬性數據（如某區域周邊有哪些地為水澆地）檢索分析的結果：

1）統計結果

2）將結果作為一個新屬性域添加到屬性數據庫中

3）生成新的數據層6.3數據檢索及表格分析屬性查詢6.3數據檢索及表格分析地理位置查詢6.3數據檢索及表格分析相對位置查詢——離超市200米6.3數據檢索及表格分析相對位置查詢——穿越河流的城鐵6.3.1屬性統計分析單純對屬性數據庫的統計分析包括單屬性統計、單屬性函數變換、雙屬性分類統計、雙屬性數學運算等。

單屬性統計是對屬性數據庫中的某個字段，如統計總和、最大值、最小值及平均值，給出字段值落在各個區間內或等于各個離散值的記錄數，并據此繪制各類統計圖（折線、直方圖、餅圖等）。如“管網總長是多少？”6.3數據檢索及表格分析

單屬性函數變換是對選定的初等函數，將屬性字段作為函數自變量，將字段值依次代入初等函數，得到變換結果。用來做計算的函數可以是冪函數、指數函數、對數函數、三角函數等。

雙屬性分類統計除了要選擇分類字段并劃分處各類范圍外，還需要指定統計字段和統計方式。統計方式分計數方式和累計方式，其中計數方式是累計各類圖元素，而累計方式則是將每一類的累計字段值相加。如要統計各村每類用地的面積（累計方式）和數目（計數方式）。6.3數據檢索及表格分析6.3數據檢索及表格分析6.3.2布爾邏輯查詢用布爾邏輯的規則對屬性及空間特性進行運算操作來檢索數據，使GIS在檢索功能方面有了極大的靈活性，因為它允許用戶按屬性數據、空間特性形成任意的組合條件來查詢數據。布爾邏輯運算有：與（AND）、或（0R）、異或（XOR）、非（NOT）等。6.3數據檢索及表格分析6.3數據檢索及表格分析ANOTAABAANDBAORBAORB

例：在地下管網信息系統中，設A為埋深小于3米的煤氣管；B為長度小于300米的煤氣管。

AANDB：檢索出埋深小于3米且長度小于300米的所有煤氣管；條件A:為埋深小于3米的煤氣管條件B:為長度小于300米的煤氣管AND和（與）6.3數據檢索及表格分析

AORNOTB：檢索出埋深小于3米及長度大于或等于300米的所有煤氣管；A為埋深小于3米的煤氣管B為長度小于300米的煤氣管OR

NOT

或非6.3數據檢索及表格分析

AXORB：檢索出埋深小于3米而長度大于或等于300米的煤氣管道、長度小于300米而埋深大于或等于3米的煤氣管道；A為埋深小于3米的煤氣管B為長度小于300米的煤氣管XOR（異或）6.3數據檢索及表格分析6.3數據檢索及表格分析6.3.3空間定位檢索用光標選擇一個圖元或多個圖元，則系統檢索出這些圖元的屬性數據。圖查屬性6.3數據檢索及表格分析6.3.4圖元間關系檢索

1）面-面檢索例如：與某個多邊形相鄰的多邊形是哪些？

2）面-線檢索例如：某個多邊形的邊界是哪些線（弧段）？

3）線-面檢索例如，某弧段的左右區域分別是什么？6.3數據檢索及表格分析6.3.4圖元間關系檢索

4）線-線檢索例如，與某條河流相連的支流有哪些？

5）線-點檢索例如，某條道路上有哪些橋梁？

6）點-線檢索例如，某個結點由哪些線（弧段）相交而成？6.3數據檢索及表格分析6.3.4圖元間關系檢索面-面檢索例：與某個多邊形相鄰的多邊形是哪些？請點擊“河南省”6.3數據檢索及表格分析6.3.5空間數據庫查詢語言

GIS中的查詢首先是數據庫查詢，SQL作為關系型數據庫的標準查詢語言，因其非過程化描述和簡潔性而倍受青睞，為許多GIS所采用。

SQL語句的基本結構如下：

SELECT<屬性名>FROM<屬性表>WHERE<條件>

空間數據庫因其包含空間概念是一種特殊的數據庫，而標準SQL語言不支持空間概念，目前多數GIS系統是在SQL的基礎上擴展空間概念描述、空間函數或空間操作等方式來解決。如增加WITHIN算子（SELECT<目標>WITHIN<區域>）6.3數據檢索及表格分析6.3.5空間數據庫查詢語言

例如：查詢三峽地區長江流域人口大于50萬的市或縣

Select*From縣或市

Where縣或市人口>50萬

andCross（河流名稱=“長江”）6.3數據檢索及表格分析6.3.6重分類、邊界消除與合并重分類或再分類（Reclassification）：根據不同的需要對原始數據再次進行分類和提取的過程。

1）屬性按區間分類統計例：城市人口密度分為高、中、低三類。

2）間接分類例：按房屋建造年代分類，作為是否保留這些建筑的參考依據。

3）地理區域分類例：北京分為三個區域，二環內、二環至三環、三環以外。6.3數據檢索及表格分析

例：希望從一個數據層中得到土壤類型分布圖，原始數據層中的多邊形是根據更細的類別劃分的.6.3數據檢索及表格分析

步驟：

(1)按照土壤類型這個屬性項對原始數據層重分類(Reclassify)。

(2)如果兩相鄰多邊形具有相同土壤類型，則刪除它們間的分界弧段，這就是邊界消除(dissolve)。

(3)重建拓撲，將沒有分界弧段的相鄰多邊形合并(merge)成一個。6.4疊置分析

地圖疊置原理：就是將兩幅或多幅地圖重疊在一起，產生新數據層和新數據層上的屬性（即提取感興趣的數據），新數據層或新空間位置上的屬性就是各疊置地圖上相應位置處各屬性的函數。

目的：尋找和確定同時具有幾種地理屬性的地理要素的分布，或是按照確定的地理指標，對疊加后產生的具有不同屬性級的多邊形進行分類或分級。如了解某區域的森林覆蓋面積(行政區與植被圖層的疊加)、一個縣的公路里程、一個地區的河流密度、降雨與溫度的關系等。6.4疊置分析6.4疊置分析6.4.1柵格系統的疊加分析柵格數據來源復雜，包括各種遙感數據、航測數據等，疊加分析操作的前提是要將其轉換為統一的柵格數據格式，且各個疊加層必須具有統一的地理空間，即具有統一的空間空間參考（包括地圖投影、橢球體、基準面等）、統一的比例尺及統一的分辨率。6.4疊置分析

柵格疊加的作用：數理統計，如行政區劃和土地利用類型疊加，可計算出某一行政區劃內的土地利用類型個數及各種土地利用類型的面積；成本分析，如城市土地利用圖與大氣污染指數分布圖、道路分布圖疊加，可進行土地價格的評估與預測；類型疊加，如土壤圖和植被圖疊加，可得出土壤與植被分布之間的關系圖；6.4疊置分析

柵格疊加的作用：動態變化分析，通過對同一地區、相同屬性、不同時間的柵格數據的疊置，分析由時間引起的變化；幾何提取,通過與所需提取的范圍的疊置運算，快速地進行范圍內信息的提取

。6.4疊置分析

在柵格系統中，層間疊加可通過像元之間的各種運算來實現。新屬性值的計算可由下式表示：

U＝f(A,B,C,……)

其中，A，B，C等表示第一、二、三等各層上同一坐標處的屬性值，f函數表示各層上屬性與用戶需要之間的關系，U為疊置后屬性輸出層的屬性值。6.4疊置分析

運算：（1）各層屬性數據的平均值（算術平均或加權平均）（2）各層屬性數據的最大值或最小值（3）算術運算（4）邏輯條件組合6.4疊置分析20112302323112基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關系運算基于像元與像元之間的對應的運算，每個像元都基于它自身的運算，不考慮其他與之相鄰的像元。60336906969336×3＝輸入柵格輸出柵格單層局部變換2011230232311220222604669238×＝

輸入柵格乘數柵格輸出柵格多層局部變換11221222223323346.4疊置分析以某一像元為中心，將周圍像元的值作為算子，進行簡單求和、平均值、最大值、最小值等。201123023231127874101312910121395787（鄰域求和）＝輸入柵格輸出柵格鄰域變換基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關系運算6.4疊置分析將具有相同屬性值的像元作為整體進行分析運算。例：通過識別輸入柵格層中具有相同像元值的格網在分帶柵格中的最大值，將這個最大值賦給輸入層中這些網格并存儲到輸出柵格層中。2011230202110287558678785578

＝

輸入柵格分帶柵格輸出柵格分帶變換1234567812345555基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關系運算6.4疊置分析

基于研究區內所有像元的運算，輸出柵格的每一個像元值是基于全區的柵格運算，這里像元是具有或沒有屬性值的柵格。一般指在同一網格內進行像元與像元之間距離的量測。

自然距離量測運算或歐幾里得幾何距離運算屬于全局變換。歐幾里得幾何距離運算分為2種情況：一種是以連續距離對源像元建立緩沖，在整個格網上建立一系列波狀距離帶；另一種是對格網中的每個像元確定與其最近的源像元的自然距離，該方式在距離量測中比較常見。基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關系運算6.4疊置分析

首先定義源像元，然后計算區域內各個像元到最近的源像元的距離。水平或垂直方向的相鄰像元之間的距離為像元尺寸大小，若對角線相鄰，為像元尺寸大小的1.4倍。

輸入柵格輸出柵格11122.01.00.00.01.41.01.00.01.00.01.01.01.41.01.42.0（歐幾里得距離）＝基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關系運算6.4疊置分析設有A、B、C三個層面的柵格數據系統，一般可以用布爾邏輯算子以及運算結果的文氏圖表示其一般的運算思路和關系。（布爾邏輯的運算有和（AND）、或（OR）、異或（XOR）、非（NOT）等）A.AND.B.AND.CA.XOR.B.XOR.CA.NOT.B.OR.CA.OR.B.OR.CA.AND.B.OR.CA.AND.(B.OR.C)基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關系運算6.4疊置分析例：布爾邏輯與運算（AND）：10111100001011020010110000101100&＝

輸入柵格1輸入柵格2輸出柵格布爾邏輯“與”運算0230514012305550基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關系運算6.4疊置分析例：有土壤厚度（大于和小于50厘米）和土壤類型（紅壤和其他類型）兩個二值化圖層，不同的邏輯運算結果如下：

AND關系：結果是將土層厚度大于50厘米，且土壤為紅壤的土壤單元顯示出來；

OR關系：結果將土層厚度大于50厘米，或者土壤為紅壤的土壤單元顯示出來；

XOR：結果將土層厚度小于50厘米，或者土壤不是紅壤的土壤單元顯示出來；

NOT:如結果是將土層厚度大于50厘米，但土壤不是紅壤的土壤單元顯示出來。基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關系運算6.4疊置分析運算關系以一定的關系為基礎，符合條件的為真，賦予1值；不符合條件的為假，賦予0值。關系運算符包括6種：＝、<、>、<>、>=、<=。下圖為關系“>”運算:15111300041012021101010001000001>＝

輸入柵格1輸入柵格2輸出柵格關系“>”運算0230514012305550基于不同的運算方式和疊加方式，柵格疊加變換包括如下幾種類型：（1）局部變換（2）鄰域變換（3）分帶變換（4）全局變換（5）柵格邏輯疊加（6）柵格關系運算6.4疊置分析6.4.1柵格系統的疊加分析優點：容易實現缺點：圖元間拓撲關系信息丟失6.4疊置分析6.4.2矢量系統的疊加分析（拓撲疊加）拓撲疊加之前，假設每一層都是平面增強的（已建立了完整的拓撲關系），當兩層數據疊加時，結果也必然是平面增強的。拓撲疊加能夠把輸入特征的屬性合并到一起，實現特征屬性在空間上的連接；拓樸疊加時，新的組合圖關系將被更新。6.4疊置分析6.4疊置分析1、矢量系統疊置分析的步驟（1）對原始數據（多邊形）形成拓撲關系（2）多層多邊形數據的空間疊置，形成新的層（3）對新層中的多邊形重新進行拓撲組建（4）剔除多余的多邊形，提取出感興趣的部分6.4疊置分析2、疊加分析的主要內容（1）多邊形與多邊形疊加：生成多邊形數據層（2）線對多邊形疊加：生成線數據層（3）點對多邊形疊加:生成點數據層（4）多邊形對點疊加：生成多邊形數據層（5）點對線疊加：生成點數據層6.4疊置分析（1）多邊形對多邊形疊加

由于兩個多邊形疊加時其邊界在相交處分開，因此輸出多邊形的數目可能大于輸入多邊形的總和。在多邊形疊加操作中往往會產生許多較小的多邊形，其中有些并不代表實際的空間變化，這些小而無用的多邊形稱為碎多邊形或偽多邊形，他們是多邊形疊加的主要問題。6.4疊置分析多邊形疊加的整個過程為：

1）計算交叉點；

2）形成節點和鏈；

3）建立拓撲和新對象/新標識符；

4）如果需要的話，去除大量的碎多邊形，融合相似多邊形；

5）連接新屬性，并添加到屬性表中。（1）多邊形對多邊形疊加6.4疊置分析（1）多邊形對多邊形疊加：合并、相交、相減、判別等。

指兩個不同圖層的多邊形要素相疊加，產生輸出層的新多邊形要素，用以解決地理變量的多準則分析、區域多重屬性的模擬分析、地理特征的動態變化分析，以及圖幅要素更新、相鄰圖幅拼接、區域信息提取等（結果仍為多邊形）。合并union相交intersect相減

Substraction

判別Identity6.4疊置分析6.4疊置分析6.4疊置分析6.4疊置分析6.4疊置分析（1）多邊形對多邊形疊加6.4疊置分析（2）線對多邊形疊加:相交、判別、相減等。

確定一圖層上的弧段落在另一圖層的哪個多邊形內，以便為圖層的每個弧段建立新的屬性。線與多邊形疊置的算法就是線的多邊形裁剪。應用：如河流圖與政區圖疊置，可得到每個政區中河流的長度。6.4疊置分析（2）線對多邊形疊加:相交、判別、相減等。6.4疊置分析線對區疊加(判別)分析（2）線對多邊形疊加6.4疊置分析（3）點對多邊形疊加（Point-in-polygonoverlay）

確定一圖層上的點落在另一圖層的哪個多邊形內，以便為圖層的每個點建立新的屬性。它實質是點與面之間的包含關系。疊加結果是一串帶有附加屬性的點要素。

相交：落在多邊形內的點個數

判別：區域內所有的點個數

相減：區域外所有的點個數應用：如一幅圖表示郵政信箱的位置，另一幅圖表示城市街區。兩幅圖疊置后可得出每個街區有多少郵政信箱，也可知道每個郵政信箱是位于城市的哪個街區。

6.4疊置分析（3）點對多邊形疊加（Point-in-polygonoverlay）6.4疊置分析（4）多邊形對點疊加

多邊形對點疊加的結果是多邊形，但只保留那些有點落在上面的多邊形，這種疊加不做屬性連接，結果多邊形的屬性和原始多邊形的屬性相同。6.4疊置分析（5）點對線疊加點對線疊加的結果為點要素，它保留所有點，找到距離某點最近的線并計算出點線之間的距離，然后將線號和點線距離記錄到該點的屬性中。6.5緩沖分析

緩沖分析是GIS的基本空間操作功能之一。用以識別實體或主體對鄰近對象的輻射范圍或影響度，以便為某項分析或決策提供依據。它是GIS中重要的和基本的空間操作功能之一。公共設施（商場，郵局，銀行，醫院，車站，學校等）的服務半徑大型水庫建設引起的搬遷鐵路、公路以及航運河道對其所穿過區域經濟發展的重要性6.5緩沖分析

緩沖分析就是在點、線、面實體（緩沖目標）周圍建立一定寬度范圍的多邊形。換言之，任何目標所產生的緩沖區總是一些多邊形，這些多邊形將構成新的數據層。如：城市噪音污染源所影響的一定空間范圍；交通線兩側劃定的綠化帶等。6.5.1緩沖分析概念6.5緩沖分析(1)點的緩沖區(2)線的緩沖區(3)面的緩沖區6.5緩沖分析

如：在城市研究中，當改變某個轄區的行政界限時，需要通知周圍一定距離范圍內（如150米）的住戶。禽流感疫情發生所影響的范圍？某地區有危險品倉庫，要分析一旦倉庫爆炸所涉及的范圍。這就需要進行點緩沖區分析。如果要分析因道路拓寬而需拆除的建筑物和需搬遷的居民，則需進行線緩沖區分析；而在對野生動物棲息地的評價中，動物的活動區域往往是在距它們生存所需的水源或棲息地一定距離的范圍內，為此可用面緩沖區進行分析等等。6.5緩沖分析6.5.2建立緩沖區的算法建立緩沖區的實質是作點、線、面狀地物的擴展距離圖。1、點緩沖區算法等距離的點緩沖區是一個圓。6.5緩沖分析2、線緩沖區和面緩沖區的基本算法（1）角平分線法在線的兩邊按一定距離（稱為緩沖距）作平行線，在線的端點畫半圓相連。（2）凸角圓弧法對線的拐點求出凹凸性，凸側用圓弧彌合法，以防角平分線法中出現尖角；凹側用角平分法建立。線的窄緩沖區線的寬緩沖區6.5緩沖分析3、復雜緩沖區的生成對復雜曲線、曲面建立緩沖區時，常會出現緩沖區重疊問題，這時需要通過對緩沖區邊界求交，除去重疊部分，或通過對緩沖區邊界求交，對建立緩沖區所生成的圖形進行判斷，除去緩沖區內部線，將緩沖區組成連通區。6.5緩沖分析緩沖區分析應用商場的市場區位（服務服務→中心地理論）林業規劃：距河流一定縱深的范圍來確定森林的砍伐區地震帶：按斷裂線的危險等級繪出每一斷裂線的不同寬度的緩沖帶作為警戒線土地評價：根據距離交通線的遠近進行成本估算→地價評估6.5緩沖分析

實例分析：市區擇房分析滿足條件:離主要交通要道200米以外，減少噪音污染商業中心的服務范圍內距名牌高中750米內距名勝古跡500米內，環境幽雅同時滿足上面4個條件的為最佳選擇。6.5緩沖分析

實現步驟:1）對每一個條件進行緩沖區范圍生成；

2）將4個要素生成公共最佳擇房區(intersect，erase)；

3）給每一個緩沖條件添加一個條件判斷字段(addfield)；

4）將4個要素union生成合成圖；

5）對union后圖添加class字段，作為住房分類依據；

6）對結果圖進行分類分級顯示。6.5緩沖分析6.5緩沖分析6.6網絡分析網絡示例：鐵路、公路電力網、電訊網煤氣管網各種服務網絡航空網絡街道網絡6.6網絡分析

網絡是地理信息系統中一類獨特的數據實體，它由若干個線性實體通過結點連結而成。

網絡分析是空間分析的一個重要方面，是依據網絡拓樸關系（線性實體之間、線性實體與結點之間、結點與結點之間的連結和連通關系），通過考察網絡元素的空間和屬性數據，對網絡的性能特征進行多方面的分析計算。6.6網絡分析

為什么要使用網絡分析？從甲地到乙地的最短路徑是什么？如何設定一個服務中心？特定位置的服務中心的服務范圍？從一個位置到另一個位置的通行程度如何？從出發地到目的地，有多少條可行路線？如何在街道圖上定位一個發生的事件？6.6網絡分析6.6.1網絡數據模型及基本概念

1）網絡網絡是由若干線性實體互連而成的一個系統，資源經由網絡來傳輸，實體間的聯絡也經由網絡來達成。構成網絡的最基本元素是上述線性實體以及這些實體的連接交匯點。前者常被稱為網線或鏈（link），后者一般稱為結點（node）。6.6網絡分析2）網絡數據模型網絡數據模型是真實世界中網絡系統（如交通網、通迅網、自來水管網、煤氣管網等）的抽象表示。6.6網絡分析3）網絡組成要素基本要素

a.結點（Node）——結點是網線的端點，又是網線匯合點，可以表示交叉路口、中轉站、河流匯合點等。

b.鏈或弧段（網線）（link）——是構成網絡的骨架，是資源傳輸或通訊聯絡的通道，可以代表街道、公路、鐵路、航線、水管、煤氣管、河流等等。6.6網絡分析附屬要素

a.站點（stop）或（停靠點）——是在路徑分析中用來表示途經地點的可以進行資源裝卸的結點；（如車站、碼頭等）

b.中心（center）——是在資源分配中用來表示資源發散地點或資源匯聚地點的結點；位于總站位置，如管道、煤氣總站6.6網絡分析附屬要素

c.障礙（barrier）——對資源傳輸或通訊聯絡起阻斷作用。如被破壞的橋梁和禁止通行的關口。即禁止網絡中鏈上流動的點。

d.拐角（turn）——在網絡的結點處，資源運移方向可能轉變，從一個鏈經結點轉向另一個鏈。如在十字路口禁止車輛左拐，便構成拐角。6.6網絡分析4）特殊的屬性數據

a.網線的阻礙強度——阻強即資源受到阻力的大小。為了實施路徑分析和資源分配，網線數據應包含正反兩個方向上的阻礙強度（如流動時間、耗費等）；如：交通系統中紅燈停情況，地面粗糙度、資源的種類（運的是什么），來回的方向等等，在網絡分析中非常重要但又很難確定。6.6網絡分析4）特殊的屬性數據

b.網線的資源需求量網線的資源需求量即網絡中弧度。停靠點所能容納的資源量（如一個年級段學生人數），如學生人數、水流量、顧客量等；3人10人5人學校6.6網絡分析c.結點資源需求量

d.結點轉角數據結點轉角數據可以更加細致地模擬資源流動時的轉向特性，具體地說，每個結點可以擁有一個轉向表（turntable），其中的每一項說明了資源從某一網線經該結點到另一網線時所受的阻礙強度。6.6網絡分析5)與中心相聯系的數據

a.中心的資源容量（如年級在教室中的座位，能夠容納多少學生。）

b.阻礙限度即資源流出或流向該中心所能克服的最大累積阻礙；

c.延遲量延遲量表達該中心相對于其它中心進行資源分配的優先程度。6.6網絡分析6)與站點相關的數據與站點相關的數據一般有傳輸量，即資源裝卸量、阻礙強度。6.6網絡分析3人10人5人學校8路公共汽車起點站8路公共汽車終點站6人路徑站點中心拐點障礙點段6.6網絡分析6.6.2常規的網絡分析功能1、路徑分析(pathanalysis)

其核心是最佳路徑和最短路徑的求解。常用于旅游、交通、消防、信息傳輸、救災、搶險等。6.6網絡分析a.最短路徑在最短路徑分析需要計算網絡中從起點到終點所有可能的路徑，從中選擇一條到起點距離最短的一條。用于最短路徑分析的算法很多，其中最著名的是Dijkstra算法(Dijkstra，1959)。該算法可用于計算一個節點到其他所有節點的最短路徑。主要特點是以起始點為中心向外層層擴展，直到擴展到終點為止。Dijkstra算法能得出最短路徑的最優解，但由于它遍歷計算的節點很多，所以效率低。6.6網絡分析最短路徑(NetworkAnalyst)6.6網絡分析b.最佳路徑在指定網絡中兩結點間找一條阻礙強度最小的路徑，最佳路徑的產生基于網線和結點轉角的阻礙強度。當網線在順逆兩個方向上的阻礙強度都是該網線的長度，而結點無轉角數據（阻礙強度）或轉角數據為零，最佳路徑與最短路徑是一致的。6.6網絡分析c.最佳游歷方案求解

網線最佳游歷方案——給定一個網線集合和一個結點，求解最佳路徑，使之由指定結點出發至少經過每條網線一次而回到起始結點。

結點最佳游歷方案——給定一個起始結點、一個終止結點和若干中間結點，求解最佳路徑使之由起始點出發遍歷全部中間結點而到達終點。6.6網絡分析

實例應用：一輛送貨車從起點出發，到20個點送貨，貨車返回起點，按最優次序最短時間送貨。（1）給出送貨路線圖（2）計算送貨總時間（3）給出送貨車的行駛導引（如左拐，進入XX路，右拐……）6.6網絡分析6.6網絡分析2、資源分配(Allocation)

就是為網絡中的網線和結點尋找最近（遠近按阻礙強度的大小來確定）的中心（資源發散或匯集地）。例如：資源分配能為城市中的每一條街道上的學生確定最近的學校；為水庫提供其供水區等等。資源分配根據中心容量以及網線和結點的需求將網線和結點分配給中心，分配是沿最佳路徑進行的。當網絡元素被分配給某個中心，該中心擁有的資源量就依據網絡元素的需求而縮減，當中心的資源耗盡，分配就停止。6.6網絡分析圖書館設在哪兒合適呢？居民分布點公共設施6.6網絡分析1和2那個去合適呢？12居民分布點服務點6.6網絡分析例1：負荷設計、時間與距離損耗估算電能從電站產生，并通過電網傳送到客戶那里去。在這里，電站就是網絡模型中的“Center”,因為它可以提供電力供應。電能的客戶沿電網的線路(網絡模型中的Link)分布，他們產生了“Demand”。在這種情況下，資源是通過網絡由供方傳輸到需方來實現資源分配。可用來分析輸電系統是否超載；停電的社會、經濟影響估計等。6.6網絡分析例2：學校選址學校與學生的關系也構成一種在網絡中供需分配關系。學校是資源提供方，它負責提供名額供適齡兒童入學。適齡兒童是資源的需求方，他們要求入學。作為需求方的適齡兒童沿街道網絡分布，他們產生了對作為供給方的學校的資源--學生名額的需求。這種情況下，“資源”的流向是由適齡兒童前往學校。6.6網絡分析例3：服務區域現有某區域道路交通圖，假設所有郵局的服務距離約為2500米，給出每個郵局的服務網絡，計算：（1）所有郵局的服務總距離；（2）給出每個郵局的的服務區域，計算所有郵局的服務總面積。6.6網絡分析6.6網絡分析6.6網絡分析3、連通分析欲知道從某一結點或網線出發能夠到達的全部結點或網線，這一類問題稱為連通分量求解。如從某一結點/網線出發能到達所有結點/網線，或費用最少。6.6網絡分析

例1：當地震發生時，救災指揮部需要知道，把所有被破壞的公路和橋梁考慮在內，救災物質能否從集散地出發送到每個居民點，如果有若干居民點與物質集散地不在一個連通分量之內，指揮部就不得不采用特殊的救援方式（如派遣直升機）。6.6網絡分析

例2：公路部門擬修建足夠數量的公路，使某個縣的五個鎮直接或間接地相互連接，如何使費用最小？如果把每一條可能修建的公路作為網線，把相應的預算費用作為網線的耗費，上述問題就轉化為求一個網線集合，使全部節點連通且耗費最少。6.6網絡分析4、流分析所謂流，就是將資源由一個地點運送到另一個地點。流分析的問題主要是按照某種最優化標準（如時間最少、費用最低、路程最短或運送量最大等）設計運送方案。6.6網絡分析

為了實施流分析，就要根據最優化標準的不同擴充網絡模型。如把中心分為發貨中心和收貨中心，分別代表資源運送的起始點和目標點。這時發貨中心的容量就代表待運送資源量，收貨中心的容量代表它所需的資源量。網線的相關數據也要擴充，如果最優化標準是運送量最大，就要設定網線的傳輸能力；如果目標是使用費用最低，則要為網線設定傳輸費用（在該網線上運送一個單位的資源所需的費用）。6.6網絡分析5、選址該功能涉及在某一指定區域內選擇服務性設施的位置。例如：市郊商業區、消防站、工廠、飛機場、倉庫等的最佳位置的確定。6.6網絡分析

在網絡分析中的選址問題一般限定設施必須位于某個結點或位于某條網線上，或者限定在若干候選地點中選擇位置。存在種類繁多的選址問題，實現方法和技巧也多種多樣，不同GIS系統在這方面各有特色。造成這種多樣性的原因主要在于：對“最佳位置”的解釋（即用什么標準來衡量一個位置的優劣）以及要定位的是一個設施還是多個設施。6.6網絡分析

（1）中心點選址問題使最佳選址位置所在的頂點與圖中其他頂點之間的最大距離達到最小——適宜于學校、醫院、消防站點等一類服務設施的布局問題。（2）中位點選址問題使最佳選址位置所在的頂點到網絡圖中其他頂點的距離（或加權距離）總和達到最小——例如超市要確定一個配送中心。6.6網絡分析6.6.3網絡分析的實際應用路徑分析6.6網絡分析6.6.3網絡分析的實際應用電力設施管理6.6網絡分析服務區域6.6網絡分析6.6.3網絡分析的實際應用交通網絡分析6.6網絡分析6.6.3網絡分析的實際應用污染源分析與追蹤6.7.1三維空間拓撲關系（1）點－點空間關系（2種）（2）點－線空間關系（3種）

（3）點－面空間關系（3種）

6.7三維空間關系6.7三維空間關系（4）點－體空間關系（3種）

（5）線－線空間關系（7種）

6.7三維空間關系（6）線－面空間關系（5種）（7）線－體空間關系（5種）

6