第4章GIS空间分析
GIS数据处理与空间分析教程
GIS数据处理与空间分析教程引言：地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是一种将地理空间数据与属性数据进行捆绑组织、存储、查询、分析、可视化并生成可输出图形报告的系统。
在各个领域，如城市规划、环境管理、资源分配、农业发展等都有广泛的应用。
本教程将就GIS数据处理与空间分析的相关内容进行深入的介绍和讲解。
第一章：GIS数据处理的基础知识GIS数据由地理空间数据和属性数据组成，地理空间数据包括点、线、面等地理要素。
在这一章节，我们将学习地图投影的基本知识，了解常见的地理坐标系和地图投影方式，并介绍GIS数据的各种数据格式，如Shapefile、GeoJSON等。
第二章：GIS数据获取与预处理本章节将介绍如何获取地理空间数据，包括地理信息系统数据和其他来源的数据。
我们将探讨如何使用GPS设备采集地理数据，并学习如何使用影像处理软件提取图像中的地理信息。
另外，还将涉及数据预处理的工作，如数据清洗、数据转换和数据拓扑校正等。
第三章：GIS数据管理与存储GIS数据管理与存储是GIS应用中关键的一环，本章节将重点介绍如何进行数据管理和数据存储。
我们将学习如何使用数据库管理系统（DBMS）对GIS数据进行组织和存储，并了解属性数据表的设计和建立。
此外，还将介绍如何维护和更新数据，以及数据备份和恢复的相关策略。
第四章：GIS空间分析基础在进行GIS空间分析之前，我们需要了解一些基础概念和方法。
本章节将介绍GIS空间分析的基本概念，如空间关系、空间查询和空间操作等。
我们还将学习常见的空间分析方法，如缓冲区分析、叠加分析和网格分析等，并通过具体案例来加深理解。
第五章：GIS空间分析进阶本章节将介绍一些进阶的GIS空间分析方法和技术，如网络分析、三维分析和时空分析等。
我们将详细讲解这些方法的原理和应用场景，并通过实际案例来展示如何使用这些方法进行空间分析。
第六章：GIS可视化和报告生成通过可视化和报告生成，我们可以有效地展示和传达GIS数据和分析结果。
ArcGIS软件与应用 第4章 GIS空间数据选择与查询
图4.9 【交互式选择方法】的位置
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在“江西省市级行政区域”中先选择“赣州市”、“南昌市” 和“吉安市”，后取消“赣州市”的选择，如下图所示。
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在菜单栏中单击【选择】，在下拉菜单中单击【清除 所选要素】，则之前被选中的要素均被取消选择，如 图4.12所示。
图4.12 【清除选择要素】的位置
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图4.33 选择超链接
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人们在日常工作或生活中通常需要知道某区域内某 地理要素的数量、面积、长度等。本节围绕计算江 西省范围内的公路总长度展开空间数据选择、导出 数据、地图裁剪、地图投影等相关功能的综合训练。
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在公路图层中裁剪出江西省行政区范围内的公 路数据，统计出江西省范围内的公路总长度值。
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先通过【按属性选择】对话框选择“赣州市”，然后通过 【按位置选择】对话框，选择赣州市范围内的五级河流，在 通过【按属性选择】选择长度大于1 km的河流。
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通过ArcMap提供的测量长度和面积工具，可以对地 图上的线和面进行测量。有两种测量方式：一种是 手动绘制线或者面，一种是直接单击所要测量的要 素。【测量】工具位置如图4.24所示。
图4.26 测量结果
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单击某个要素 可以查看其测 量值，如图 4.27所示。
图4.27 测量要素
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浏览地图时，需要在指定数据附近进行平移和缩放 以研究不同的区域和要素时。可以使用【转到XY】 工具输入X、Y坐标并导航至该坐标位置。【转到XY】 工具具体位置如图4.28所示。
图4.28 坐标定位工具位置
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在“公路clip”图层的属性表中新增属性字段，其中， 字段名称为公路长度，类型为浮点型，精度为10， 小数位数为3。
地理信息系统下的空间分析——第四章_栅格数据的空间分析方法
被赋予空值的单元有两种处理方式：
（1）如果在一个操作符或局域函数、邻域函数中的邻域 或分区函数的分类区中的输入栅格的任何位置上存在空值， 则为输出单元位置分配空值。
（2）忽略空值单元并用所有的有效值完成计算。
6、关联表
栅格计算器由四部分组成左上部layers选择框为当前arcmap视图中已加载的所有栅格数据层列表双击一个数据层名该数据层便可自动添加到左下部的公式编辑中间部分是常用的算术运算符110小数点关系和逻辑运算符面板单击所需按纽按纽内容便可自动添加到公式编辑器中
第四章 栅格数据的空间分析算法
4.1 栅格数据 栅格数据是GIS的重要数据模型之一，基于栅格 数据的空间分析方法是空间分析算法的重要内容之 一。 栅格数据由于其自身数据结构的特点，在数据处 理与分析中通常使用线性代数的二维数字矩阵分析 法作为数据分析的数学基础。 栅格数据的空间分析方法具有自动分析处理较为 简单，而且分析处理模式化很强的特征。
地学信息除了在不同层面的因素之间存在着一定的制 约关系外，还表现在空间上存在着一定的制约关联性。
对于栅格数据所描述的某项地学要素，其中的某个栅 格往往会影响其周围栅格属性特征。准确而有效的反映这 种事物空间上联系的特点，是计算机地学分析的重要任务。 窗口分析是指对于栅格数据系统中的一个、多个栅格 点或全部数据，开辟一个有固定分析半径的分析窗口，并 在该窗口内进行诸如极值、均值等一系列统计计算，或与 其他层面的信息进行必要的复合分析，从而实现栅格数据 有效的水平方向扩展分析。
带面积的点的精度为加减半个单元大小。这是用基于单 元的系统来工作必须付出的代价。
图4.9：点特征的栅格数据表示
gis空间分析原理与方法
gis空间分析原理与方法GIS（地理信息系统）是一种以地理空间数据为基础，利用计算机技术进行数据管理、空间分析和空间可视化的系统。
GIS空间分析是GIS系统中最核心和重要的功能之一，它基于地理空间数据，通过一系列的理论和方法，揭示地理现象之间的空间关系和规律。
本文将介绍GIS空间分析的原理和方法。
一、GIS空间分析的原理GIS空间分析的原理包括空间对象和空间关系。
1. 空间对象在GIS中，地理空间数据可以表示为不同的空间对象，如点、线、面等。
每个空间对象都有其特定的几何形状和属性信息。
2. 空间关系空间关系指的是空间对象之间的相对位置和相互作用。
常见的空间关系有邻接关系、包含关系、重叠关系等。
空间关系能够帮助我们理解地理现象之间的联系和相互影响。
二、GIS空间分析的方法GIS空间分析方法包括空间查询、空间统计、空间插值和空间模型等。
1. 空间查询空间查询是根据特定的空间条件，在地理空间数据集中提取与条件匹配的数据信息。
常见的空间查询操作有点查询、线查询和面查询等。
2. 空间统计空间统计是通过对地理空间数据的属性信息进行统计和分析，揭示地理现象的空间分布和规律。
常见的空间统计方法有点密度分析、热力图和聚类分析等。
3. 空间插值空间插值是通过已知的有限样本点，推算未知位置处的属性值。
常见的空间插值方法有反距离加权插值法、克里金插值法和样条插值法等。
4. 空间模型空间模型是对地理现象和过程进行建模和模拟，从而预测和分析未来的空间变化。
常见的空间模型有流域模型、土地利用模型和城市增长模型等。
三、GIS空间分析的应用GIS空间分析在各个领域都有广泛的应用，如城市规划、环境保护、农业管理和风险评估等。
1. 城市规划GIS空间分析可以帮助城市规划师分析和评估不同用地类型之间的空间关系，进行最优用地布局和交通规划。
2. 环境保护GIS空间分析可以用于环境监测和评估，分析污染源的扩散范围和影响程度，制定环境保护措施和应急预案。
GIS空间分析
地理信息系统(GIS)具有很强的空间信息分析功能，这是区别于计算机地图制图系统的显著特征之一。
利用空间信息分析技术，通过对原始数据模型的观察和实验，用户可以获得新的经验和知识，并以此作为空间行为的决策依据。
空间信息分析的内涵极为丰富。
作为GIS的核心部分之一，空间信息分析在地理数据的应用中发挥着举足轻重的作用。
叠置分析(Overlay Analysis)覆盖叠置分析是将两层或多层地图要素进行叠加产生一个新要素层的操作，其结果将原来要素分割生成新的要素，新要素综合了原来两层或多层要素所具有的属性。
也就是说，覆盖叠置分析不仅生成了新的空间关系，还将输入数据层的属性联系起来产生了新的属性关系。
覆盖叠置分析是对新要素的属性按一定的数学模型进行计算分析，进而产生用户需要的结果或回答用户提出的问题。
1)多边形叠置这个过程是将两层中的多边形要素叠加，产生输出层中的新多边形要素，同时它们的属性也将联系起来，以满足建立分析模型的需要。
一般GIS软件都提供了三种多边形叠置：(1)多边形之和(UNION)：输出保留了两个输入的所有多边形。
(2)多边形之积(INTERSECT)：输出保留了两个输入的共同覆盖区域。
(3)多边形叠合(IDENTITY)：以一个输入的边界为准，而将另一个多边形与之相匹配，输出内容是第一个多边形区域内二个输入层所有多边形。
多边形叠置是个非常有用的分析功能，例如，人口普查区和校区图叠加，结果表示了每一学校及其对应的普查区，由此就可以查到作为校区新属性的重叠普查区的人口数。
2)点与多边形叠加点与多边形叠加，实质是计算包含关系。
叠加的结果是为每点产生一个新的属性。
例如，井位与规划区叠加，可找到包含每个井的区域。
3)线与多边形叠加将多边形要素层叠加到一个弧段层上，以确定每条弧段(全部或部分)落在哪个多边形内。
网络分析(Network Analysis)对地理网络(如交通网络)、城市基础设施网络(如各种网线、电力线、电话线、供排水管线等)进行地理分析和模型化,是地理信息系统中网络分析功能的主要目的。
地理信息系统应用：第四讲 GIS应用方法-空间分析
3）从侧重发展方向（决策支持）的角度看，空间分析对象 是以与决策支持有关的地理目标的空间信息及其形成机理， 主要强调相关数学建模及模型的管理与应用。空间分析可 理解为在对地理目标进行形态结构定义与分类的基础上， 对目标的空间关系和空间行为进行描述，为目标的空间查 询和空间相关分析提供参考，进一步为空间决策提供服务 的功能体系。该体系主要包括：空间数据挖掘、空间回归 分析、空间统计-机理模型、空间运筹模型等。
5）趋势面分析：运用适当的数学方法计算出一个空间曲面，并以 此空间曲面去拟合地理要素分布的空间形态，展示其空间分布规 律，常用回归分析方法等；
6）空间相互作用分析：主要是定量分析各种“地理流”在不同区 域之间“流动”的方向和强度。譬如，运用线性规划方法研究区 域内的人口流动问题、产业布局及其优化问题等；
GIS应用从早期的空间数据结构和计算机制图，逐步发展空间分 析功能。从基本的分析(“Where”,”What”,”How to”)，发展到高级的 分析（所处位置与周围环境关系及其动态模拟，如设施区位选址、 自然灾害预测等）。
空间分析正成为GIS应用关注的焦点，起到越来越重要的作用， 应用日益广泛。如环境污染监测模拟、城市规划与管理、洪水灾 害分析、智能交通指挥系统等。
第四讲 GIS应用方法-析的概念，从不同的角度理解有不同的定义方式。 1）从侧重于空间实体的图形与属性交互查询角度看，空间分析是 以地理目标的空间关系为分析对象，从中获取派生的信息和新的 知识。包括以下内容：拓扑空间查询、缓冲区分析、叠置分析、 空间集合分析和地学分析。 2）从侧重于空间信息的提取及其传输角度看，空间分析是以地理 目标的位置和形态特征为分析对象，目的在于提取和传输空间信 息的空间数据分析技术。空间信息包括位置、分布、统计、关系、 关联、趋势和运动，对应的空间分析内容包括空间位置分析、分 布分析、形态分析、关系分析和相关分析等。
GIS空间分析4
第四章空间分布空间聚类分析第一节概述聚类分析是一种数字分类方法。
对分类对象间的关系用某些相似性度量进行刻划，根据相似性度量进行分类。
也有称群分析、簇群分析、簇分析、点群分析、丝分析等，在1975年(苏州)概率统计会上，决定使用聚类分析这一名称。
从数学角度来看，聚类分析是在一个大的对称矩阵中探索诸元素间相关关系的一种数学分类方法。
一．两种不同的模式识别(有无训练集)有训练集:如判别分析，在已知样本分类的情况下设计判别函数。
这些已知分类的样本称为训练集，也称为有人管理或有教师的分类法。
无训练集:如聚类分析，在设计分类器时，所选用的样本预先不知所属的类别，需要根据样本间的距离或其它相似性的程度来自动地进行分类，也称为无人管理的分类。
二．聚类分析的两种类型根据分类对象不同，分为Q型(Q-mode)和R型(R-mode)。
Q型−对样品进行分类。
即把不同的物体(如岩石标本、样品等物种或人种)进行比较，目的是要确定不同物体之间的关系，从而将物体进行归类分群。
R型−对变量进行分类。
即属于同一物种的各种属性，即各类变量(如岩石厚度、岩石成分及各种化验观测数据)进行比较，目的是要不同变量之间的关系，从而对变量进行分类。
三．两种不同的聚类方法(步骤)根据聚类的方法，分为系统聚类法和分解法两种。
系统聚类法(Hierachical Clustering Methods)是从少到多的聚类法，开始各个样本都各自为一类，以后逐步归并，直至全部样本变成一类。
分解法则相反，开始时全部样本为一类，以后分解，直至各个样本自成一类。
系统聚类法又包括几种不同的方法。
这里主要介绍系统聚类法。
聚类分析的结果一般通过聚类图(谱系图、枝状图)反映。
例，在煤田地质勘探过程中，有时煤系含有多个煤层，如果标志层不明显，只用宏观的标志进行煤层对比较为困难，这时就可用聚类分析进行煤层的数字分类，从而达到对比煤层的目的。
做法是在一个煤田或勘探区内，选择若干个煤钻孔，对所有煤层进行工业分析、光谱分析等取得一批实验观测数据(如下表)。
利用GIS软件进行地理空间分析的教程
利用GIS软件进行地理空间分析的教程GIS（地理信息系统）软件是一款强大的工具，可用于进行地理空间分析。
地理空间分析是利用地理信息和位置数据进行研究、可视化和预测的过程。
在本教程中，我们将介绍一些常见的地理空间分析技术和如何使用GIS软件进行这些分析。
第一章：GIS软件简介首先我们将介绍GIS软件的基本概念和功能。
GIS软件可以处理、存储、分析和可视化地理数据，它可以帮助人们更好地理解地理现象和问题。
常见的GIS软件包括ArcGIS、QGIS和Google Earth等。
第二章：地图投影和坐标系统在进行地理空间分析之前，我们需要了解地图投影和地理坐标系统。
地图投影是将地球的曲面投影到平面上的过程，而地理坐标系统则是在地图上标识位置的方式。
不同的地图投影和坐标系统对地理空间分析有重要的影响。
第三章：地图数据采集与处理地理空间分析的第一步是采集和处理地图数据。
通过使用GPS设备、航空遥感和卫星图像等工具，可以收集到各种类型的地理数据，包括地形、建筑物、道路和土地利用等。
然后，可以使用GIS软件对这些数据进行处理和清洗，以便进行进一步的分析。
第四章：空间查询和数据查询地理空间分析的核心是空间查询和数据查询。
空间查询是通过在地图上绘制特定范围的区域来找到符合特定条件的要素，例如，在一个城市中找到所有的公园。
数据查询是通过指定特定的属性条件来查找符合要求的数据记录，例如，查找特定类型的建筑物或土地利用。
第五章：空间分析和空间统计使用GIS软件进行地理空间分析还包括空间分析和空间统计。
空间分析是通过对地理数据的空间关系进行计算和分析，以研究地理现象和模式。
常见的空间分析技术包括缓冲区分析、交互分析和网络分析等。
空间统计是利用统计方法来研究地理现象的空间分布和相关性。
第六章：地理可视化和地图制图地理空间分析的结果通常需要以地图或其他可视化形式进行展示和传达。
使用GIS软件可以创建各种类型的地图，包括点线面地图、等值线地图和热力图等。
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曲面。如地形、气温、土壤N含量…
常见的空间插值方法
– – – – IDW（逆距离权重） Spine(样条) Trend（趋势面） Kriging （克里金）
4.4 案例分析
闽东南沿海城市热环境动态监测研究 研究方法：空间分析方法（空间统计分析、空间插值、 叠加分析、缓冲区分析、空间量算和查询）
概念：根据地理对象点、线、面的空间特性，自
动建立对象周围一定距离的区域范围（缓冲区 域），以分析该对象对缓冲区内邻近对象的影响 程度。 类型：点缓冲区、线缓冲区、面缓冲区
4.3 空间分析——叠加分析
概念：在统一空间参照系下将2个或多个图层叠 合（叠合运算）以产生多重属性特征或建立地 理对象之间的空间对应关系。 类型：点、面叠合；线、面叠合；面、面叠合
4.1 空间分析的定义
基于空间数据 以地学原理为依托 获取地理对象新的空间信息
– 位置 – 分布 – 形态 – 形成 – 演变...
4.2 空间分析的重要性
GIS与MIS的区别？GIS=属性数据的MIS+空间数据的MIS
GIS的本质特征？ GIS = GIS软件 + 空间分析 GIS的趋势？GIS智能化= GIS的空间分析+……
4.3 空间分析的类型
产生式分析
– 缓冲区(Buffer)分析 – 叠加(Overlay)分析 – 网络(Network)分析 – 空间统计(ESDA) 分析 – 空间插值（Interpolation）
咨询式分析
– 空间量算(几何、形状、质心、距离) – 空间数据查询（属性、空间）
4.3 空间分析——缓冲区分析
A C 1 2
A1 A2 C2 C1 B1 C4
B
3 4
B3 B4
A1 A2 C2 C1 B1 C4
B3 B4
几种不同的空间叠加方式
4.3 空间分析——网络分析
1.网络的概念：指一系列相互联结的线状要 素的集合，其通常具有一定的流通功能。 如：交通网——车流、人流 管网——水流、煤气流、热流 电网——电流 因特网Internet——信息流 2.主要网络分析的功能：选择最优路径、资 源调配、确定最近设施
引例——斯诺的霍乱病调查
斯诺博士分析了 这张分布图，马 上想到霍乱病源 之所在——死者 住家都集中于饮 用“布洛多斯托” 井水的地方及周 围。
霍乱病死者居住分布图(John Snow, 1854)
引例——斯诺的霍乱病调查
根据斯诺博士的分析和请示，当
局于9月8日摘下了这个水井的泵， 禁止使用该水泵吸水，从这天以
研究区城市建成区热环境格局
离建成区距离（km） 0-2 2-4 4-6 栅格数 面积百分比 28 37 36 区域热环境质量指 数
29510
38599 37557
3.822
4.019 3.721
0-6
105666
100
3.916
研究区海岸带热环境格局
离海岸线距离（km） 0-4 4-8 8-12 0-12 栅格数 60825 33906 27288 122019 面积百分 比 50 28 22 100 区域热环境质量指 数 3.917 3.922 3.895 3.911
均方根预测误差
均方根预测误差
4.4 案例分析——空间插值
福建省2007年平均气温图
4.4 案例分析——叠加分析
研究区2001-2007年 热环境综合评价图
4.4 案例分析——缓冲区分析、空间查询与量算
Ij Ti Ai Sj
i 1
6
式中：Ij为区域的热环境质量指数；Ti为第i级热环境质量等级量值；Ai 为第i级所占土地面积；Sj为第j个区域的土地面积。
基台对协同克里格插值的影响
0.71
0.7 0.69 0.68 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
基台
块金对协同克里格插值的影响
0.8
0.76 0.72 0.68 0.64 0 0.15 0.3 0.45
块金
变 异 函 数 参 数 对 协 同 克 里 格 插 值 的 影 响 变异函数模型及拟合曲线
4.3 空间分析——空间统计分析
空间变量筛选
– 寻找一组相互独立的变量,使多变量数据得到简化 – 常用方法: 主成分分析,主因子分析,关键变量分析...
空间变量聚类
– 将一组数据或变量按性质上的亲疏程度进行分类 – 欧氏距离 dij = [
(xik - xjk)2 ]1/2
空间自相关
k=1
4.3 空间分析——空间插值
第4章 GIS空间分析
Chapter 4 Spatial Analysis
jq 2010.8
内容纲要
空间分析的含义 空间分析的重要性 空间分析的类型 案例分析
引例——斯诺的霍乱病调查
1854年8月到9月英国伦敦霍乱流行时，当局始终找不到
发病的原因，后来医生约翰· 斯诺(John Snow) 参与调查。 他在绘有霍乱流行地区所有道路、房屋、饮用水机井等内 容的1：6500比例尺地图上，标出了每个霍乱病死者的居 住位置，得到了霍乱病死者居住分布图。
4 案例分析——缓冲区分析、空间查询与量算
研究区主要流域热环境格局
流域 离河流距离 （km） 0-2 闽江 2-4 4-6 0-6 0-2 木兰 溪 2-4 4-6 0-6 0-2 晋江 2-4 4-6 0-6 0-2 九龙 江 2-4 4-6 0-6 栅格 数 4537 3343 2538 10418 6672 6536 6415 19623 6772 6141 5682 18595 3837 3391 2768 9996 面积百分 比 44 32 24 100 34 33 33 100 36 33 31 100 38 34 28 100 区域热环境质量 指数 4.140 3.736 3.532 3.807 4.627 4.426 4.256 4.447 3.790 3.386 2.965 3.459 4.873 4.824 4.615 4.785
后，新的霍乱病患者就再也没有
出现了。 在这个例子中，患者的居住地与 饮用水井之间的空间位置关系提 示了霍乱病的发病根源。
4.1 空间分析的定义
空间分析是GIS中最核心、最重要的概念 之一。但人们对空间分析的具体理解有不同。
郭仁忠（2001）认为空间分析是基于地理对象的位置 和形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传 输空间信息。 邬伦（2003）提出空间分析是指GIS中一切用以提取 地理空间信息乃至时空分布、组合、联系和发展的知识 的、涉及空间位置要素和空间关系的分析。 王劲峰（2006）提出空间分析是指分析具有空间坐标 或相对位置的数据和过程的理论和方法。
闽东南沿海城市的地理位置及其MODIS合成影像
2 1 3
1 遥感信息 2 气象和社会经析
4.4 案例分析——空间统计分析
4.4 案例分析——空间统计分析
空 间 趋 势 面 分 析
最优模型及参数：
☞高斯模型 ☞块金=0.2 ☞基台=3.5 ☞方向=60°