空间分析与三维分析
空间分析
空间分析复习资料一、名词解释1、空间分析：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。
2、网络结构模型：在网络模型中，地物被抽象为链、节点等对象，同时要关注其间连通关系。
3、空间数据模型：是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供着基本方法。
4、叠置分析：将不同层的地物要素相重叠，使得一些要素或属性相叠加，从而获取新信息的方法。
包括合成叠置分析和统计叠置分析。
同义词：地图覆盖分析。
5、网络分析：是运筹学模型中的一个基本模型，它的根本目的是研究、策划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好，如一定资源的最佳分配，从一地到另一地的运输费用最低等。
6、栅格数据的聚类分析：栅格数据的聚类是根据设定的聚类条件对原有数据系统进行有选择的信息提取而建立新的栅格数据系统的方法。
7、数据高程模型：数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型。
数字地形模型是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。
8、坡度：坡度是地面高程的变化率的求解，因此，坡度变率表征了地表面高程相对于水平面变化的二阶导数。
9、坡向：实际应用中，由于所建立的DEM数据常常是按从南到北获取的，所以求出的坡向角度是与正北方向的夹角。
10、缓冲区分析：缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具之一。
邻近度描述了地理空间中两个地物距离相近的程度，其确实是空间分析的一个重要手段。
所谓缓冲区就是地理空间目标的一种影响范围或服务范围。
11、最佳路径分析：12、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，以便于其它空间现象的分布模式进行比较，它包括了空间内插和外推两种算法。
13、虚拟现实：由计算机生成的可与用户在视觉、听觉、触觉上实施交互，使用户有身临其境之感的人造环境。
它在测绘与地学领域中的应用可以看作地图认知功能在计算机信息时代的新扩展。
第六章三维数据的空间分析方法
第六章三维数据的空间分析方法三维数据的空间分析方法是地理信息系统中的重要内容之一、随着技术的发展和数据的积累，三维数据的空间分析在城市规划、建筑设计、环境监测等领域得到了广泛的应用。
本章将介绍三维数据的表示方法以及常用的空间分析方法。
一、三维数据的表示方法三维数据的表示方法主要有两种：体素法和表面法。
1.体素法：体素是三维空间中的一个像素，类似于二维空间中的像素。
体素法将三维空间划分为一系列的小立方体，每个立方体称为一个体素。
每个体素可以用一个数值来表示其属性，例如高度、温度等，这样就形成了一个三维数组。
体素法的优势是能够全面地表示三维数据的空间分布特征，但也存在数据量大、计算复杂的缺点。
2.表面法：表面法是用一个或多个表面来表示三维空间中的对象。
表面可以是多边形网格、三角网格等。
表面法常用于建筑设计、可视化等领域。
表面法的优势是数据量相对较小，计算相对简单，但不能很好地反映三维数据的内部特征。
1.空间插值：空间插值是根据已有数据点的属性值，推算未知位置的属性值。
常用的插值方法有反距离加权法、克里金插值法等。
空间插值在三维数据的空间分布分析中起到了至关重要的作用。
2.空间关系分析：空间关系分析是研究不同空间对象之间的关系，如接近、远离、相交等。
在三维数据的空间分析中，常用的空间关系分析方法有空间缓冲区分析、空间接近分析等。
3.可视化分析：可视化分析是通过图形展示三维数据的空间分布特征。
常用的可视化分析方法有三维透视图、等值线图等。
可视化分析能够直观地展示三维数据的分布规律，对于决策和规划具有重要的指导作用。
4.空间统计分析：空间统计分析是通过统计学方法研究三维数据的空间分布特征。
常用的空间统计分析方法有聚类分析、空间自相关分析等。
空间统计分析可以帮助我们理解三维数据的空间格局，并提取有用的信息。
5.空间模拟分析：空间模拟分析是通过模拟方法模拟三维数据的空间变化过程。
常用的空间模拟分析方法有蒙特卡洛模拟、细胞自动机模型等。
空间解析几何与立体几何的联系
空间解析几何与立体几何的联系空间解析几何和立体几何是数学中两个相互联系紧密的分支。
空间解析几何主要研究空间中点、直线、平面的性质及其相互关系，而立体几何则研究空间中的几何体的性质和相互关系。
本文将探讨空间解析几何与立体几何之间的联系以及它们在实际问题中的应用。
一、空间解析几何与立体几何的基本概念在开始讨论两者之间的联系前，我们先回顾一下空间解析几何和立体几何的基本概念。
空间解析几何中，我们研究的点通过坐标来表示，直线则可以表示为两点之间的所有点的集合。
平面则可以表示为某一点和该点的两个不共线向量生成的平面。
而立体几何中，我们研究的是在空间中存在的各种几何体，如球体、立方体、圆锥等。
立体几何研究的对象具有三维的特性，并且可以通过各种投影方法来进行描述和分析。
二、两者之间的联系虽然空间解析几何和立体几何是数学中的不同分支，但它们之间存在着密切的联系。
1. 位置关系的分析空间解析几何中，我们可以通过坐标系来分析点、直线、平面之间的位置关系，例如两直线是否平行、共面、相交等。
这种位置关系的分析在立体几何中同样适用。
例如，我们可以通过空间解析几何的方法来判断一个点是否在一个几何体内部或外部，或者两个几何体是否相交。
2. 空间投影的应用立体几何中的一个重要概念是投影，即将三维几何体投影到二维平面上。
而在空间解析几何中，我们研究的点、直线、平面都可以通过坐标来表示，因此可以将三维几何体的投影问题通过空间解析几何的方法进行研究。
例如，通过计算三维几何体在不同方向上的投影，我们可以得到几何体的截面图形，从而更好地理解几何体的形状和性质。
3. 各种几何体的性质分析在空间解析几何中，我们可以通过坐标方程来分析各种几何体的性质，如点的距离、直线的倾斜角度等。
类似地，在立体几何中，我们可以通过各种几何体的投影、相交等特性来分析几何体之间的关系及其性质。
通过两者之间的联系，我们可以更全面地认识和理解各种几何体的性质。
三、空间解析几何与立体几何在实际问题中的应用空间解析几何和立体几何不仅仅是一门学科，它们在实际问题中也有着广泛的应用。
地理信息系统基础：培训第六节空间分析(超图实训指导)
建立缓冲区（1）
鼠标右键选中某个（或几个）几何对象，在弹出的快捷 菜单中进行选择。
建立缓冲区（2）
• 在对话框中进行参数的设置
• 生成的缓冲区添加到地图窗口显示结果
2、叠加分析
什么是叠加分析？
– 在两个数据集之间进行的一系列的几何运算
SuperMap提供了五种叠加分析
– 裁剪分析 – 合并分析 – 擦除分析 – 求交分析 – 同一分析
求交分析
• 求交运算是求两个数据集的交集的操作。两个数据集中相交的部分 将被输出到结果数据集中，其余部分将被删除
同一分析
是对两个数据集进行相交运算。保留第一数据集的所有部分，去除 第二数据集中与第一个数据集没有重叠的部分
例：求青海省的湖泊分布情况
• 根据全国湖泊分布图、青海省行政区域图计算出青海省境内的湖泊 分布图
3.12
Green planning activities for tree planting Festival
空
间
分
析
主要内容
第一部分 第二部分 第三部分 第四部分
缓冲区分析 叠加分析 网络分析 三维分析
1、缓冲区分析
什么是缓冲区？
– 根据指定的距离在点、线和多边形实体的周围自动建立一定 宽度的区域范围。
点的次序是由TOUR自己决定的。因此旅行商分析的结果即包括所选 择的路径，也包括它所确定的最优的访问次序。
服务区分析
• 根据指定的服务中心点及服务范围分析服务中心点能够提供的服务 范围。
最近设施查找
查找与已知点（事件点）距离最近的设施点
网络分析参数设置
连通性参数设置 基本网络参数设置 设置网络障碍点 设置网络障碍边 设置中心点 设置交通规则 设置转向表 显示风格设置 指定分析区域
第九章 三维分析
第九章三维分析相当长的一段时间里，由于GIS理论方法及计算机软硬件技术所限，GIS以描述二维空间为主，同时发展了较为成熟的基于二维空间信息的分析方法。
但是将三维事物以二维的方式来表示，具有很大的局限性。
在以二维方式描述一些三维的自然现象时，不能精确地反映、分析和显示有关信息，致使大量的三维甚至多维空间信息无法加以充分利用。
随着GIS技术以及计算机软硬件技术的进一步发展，三维空间分析技术逐步走向成熟。
三维空间分析相比二维分析，更注重对第三维信息的分析。
其中第三维信息不只是地形高程信息，已经逐步扩展到其它更多研究领域，如降雨量、气温等。
ArcGIS具有一个能为三维可视化、三维分析以及表面生成提供高级分析功能的扩展模块3D Analyst，可以用它来创建动态三维模型和交互式地图，从而更好地实现地理数据的可视化和分析处理。
利用三维分析扩展模块可以进行三维视线分析和创建表面模型（如TIN）。
任何ArcGIS 的标准数据格式，不论二维数据还是三维数据都可通过属性值以三维形式来显示。
例如，可以把平面二维图形突出显示成三维结构、线生成墙、点生成线。
因此，不用创建新的数据就可以建立高度交互性和可操作性的场景。
如果是具有三维坐标的数据，利用该模块可以把数据准确地放置在三维空间中。
ArcScene是ArcGIS三维分析模块3D Analyst所提供的一个三维场景工具，它可以更加高效地管理三维GIS数据、进行三维分析、创建三维要素以及建立具有三维场景属性的图层。
此外，还可以利用ArcGlobe模型从全球的角度显示数据，无缝、快速地得到无限量的虚拟地理信息。
ArcGlobe能够智能化地处理栅格、矢量和地形数据集，从区域尺度到全球尺度来显示数据，超越了传统的二维制图。
利用交互式制图工具，可以在任何比例尺下进行数据筛选、查询和分析，或者把比例尺放大到合适的程度来显示感兴趣区域的高分辨率空间数据，例如航空相片的细节。
本章主要介绍如何利用ArcGIS三维分析模块进行创建表面、进行各种表面分析及在ArcScene中数据的三维可视化。
空间分析
有关DEM的基本概念
• DTM（Digital Terrain Model）——数字地面模型 是利用一个任意坐标系中大量选择的已知x、y、z 的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，或 者说，DTM就是地形表面形态属性信息的数字表 达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字 描述。地形表面形态的属性信息一般包括高程、 坡度、坡向等。 • 当数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高 程模型（DEM，Digital Elevation Model），所以 说DEM是DTM的一个子集。由于传统的地理信息 系统的数据结构都是二维的，数字高程模型的建 立是对二维空间信息描述的一个很好的补充。
• 载入的方法如下： • 点击【FILE】菜单下的【Extension】（扩 展模块）命令； • 单击“ArcView3D Analysis”模块和Spatial Analyst分析模块的复选框，然后点击对话 框的OK按钮确认，则可装入该模块。 • ArcView的空间分析模块装入以后，则发现 下拉式菜单会增加“Surface”和“Analysis” 两个菜单项，“Theme”菜单下也会多增加 几项功能。
坡向Aspect
• 坡向定义为坡面法线在水平面上的投影与 正北方向的夹角。在Arcview中Aspect表示 每个栅格与它相邻的栅格之间沿坡面向下 最陡的方向。在输出的坡向数据中，坡向 值有如下规定：正北方向为0度，正东方向 为90度，以次类推。
基于Dem提取坡向
• 1．在视图目录表中添加dem并激活它。 • 2．从【Surface】菜单中选择【Derive Aspect】命令。 • 3． 显示并激活生成的坡向主题Aspect of Dem。
基于DEM提取坡度
• 1．添加Dem数据并激活它。 • 2．从【Surface】菜单中选择【Derive Slope】命令。 • 3． 生成新的坡度主题slope of Dem。 • 4． 双击左边的图例，在弹出的Legend Editor对话框中可重新调整坡度分级。
如何进行地下空间三维建模与分析
如何进行地下空间三维建模与分析在现代城市化的进程中，城市的地下空间成为一个不可忽视的重要领域。
地下空间的合理开发和利用，对于缓解城市交通压力、优化资源配置、提升城市品质具有重要意义。
而地下空间的规划与建设，离不开地下空间三维建模与分析的支持与应用。
地下空间三维建模是指通过将地下空间的各种要素进行数字化的方式，构建出真实、精确、可视的三维地下模型。
它是地下空间规划与管理的基础，也是进行地下空间分析的前提。
那么，如何进行地下空间三维建模与分析呢？首先，进行地下空间三维建模需要获取地下空间的数据。
地下空间数据的获取可以通过多种方式实现，例如激光雷达技术、地下探测雷达技术等。
这些技术可以快速获取地下的地质、地貌、建筑等数据，为后续的建模工作提供了基础。
其次，进行地下空间三维建模要选择合适的建模方法。
地下空间复杂多变，不同类型的地下空间需要采用不同的建模方法。
例如，对于地下交通系统，可以采用比例缩小法将地下道路、通道等要素进行模型构建；对于地下管线系统，可以采用节点连接法来建模。
通过选择合适的建模方法，可以更好地还原地下空间的真实情况。
另外，进行地下空间三维建模需要注意数据的准确性和完整性。
地下空间的建模数据应尽可能准确地反映出实际情况，以保证建模结果的可信度。
同时，建模过程中要充分考虑地下空间的各种要素，包括地质、地下设施、地下水等，以确保建模结果的完整性。
完成地下空间三维建模后，接下来就是进行地下空间分析。
地下空间的分析可以从多个角度进行，比如交通分析、设施规划分析、水文地质分析等。
这些分析可以帮助我们深入了解地下空间的特点和潜力，为地下空间的规划与管理提供科学的依据。
在交通分析方面，可以利用地下空间三维模型进行模拟和预测，评估地下交通系统的通行能力和效率。
通过分析交通流量、堵塞情况等指标，可以为地下交通系统的优化设计提供依据。
在设施规划分析方面，可以利用地下空间三维模型进行布局优化。
通过分析地下空间的结构特点和地下设施的分布情况，可以合理规划地下商业、停车场等设施，提升地下空间的利用效率。
空间数据三维可视化及三维分析
空间数据三维可视化及三维分析空间数据的三维可视化及分析是指将空间数据（如地理、地球物理、气象、遥感等数据）转化为具有三维结构的图形，以便进行更深入的分析和理解。
本文将介绍三维可视化和分析的相关原理、技术和应用。
一、三维可视化的原理和技术三维可视化是指将空间数据通过计算机技术和图形学的方法转化为具有三维结构和深度感的图像。
其原理和技术主要包括以下几个方面：1.数据获取和预处理：空间数据的获取包括地理测量、遥感影像获取等，预处理则包括数据校正、投影转换、无效数据处理等。
这些步骤是获取高质量、准确的空间数据的基础。
2.空间数据模型：空间数据常使用的模型包括栅格模型和矢量模型，栅格模型是将地理空间数据划分为规则的栅格单元，矢量模型则是通过点、线、面等图元来表示地理空间对象。
栅格模型适用于连续数据，如遥感影像，矢量模型适用于离散、不规则数据，如地理要素。
3.三维数据呈现：三维数据的呈现主要通过图形渲染技术来实现，包括三维图元的建模和投影、光照和阴影效果的处理等。
同时，还可以应用贴图技术和纹理映射等技术实现真实感渲染，提升可视化效果。
4.交互和导航：通过交互技术和用户界面实现对三维模型的控制和导航。
用户可以通过鼠标、触控屏等方式对模型进行缩放、旋转、平移等操作，以获得更好的观察角度和空间感。
5.动态三维可视化：除了静态的三维图像，还可以通过时间维度来展示动态场景的演变过程，如气象变化、城市发展等。
通过动态可视化，可以更好地理解和分析空间数据的变化规律和趋势。
二、三维空间数据分析的应用三维空间数据分析是在三维可视化基础上，进一步对空间数据进行量化、模拟、预测等分析和推理。
以下是几个常见的应用案例：1.地震监测与预测：通过地震监测仪器获取的地震数据可以进行三维可视化，以便更好地理解地震带、地震发生的空间分布、震源深度等，进而对发生地震的原因和机制进行分析和预测。
2.3D城市规划与建模：借助三维可视化和分析技术，可以对城市的地形、建筑物、道路等进行建模和分析，为城市规划和土地利用提供支持。
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数字地面模型是描述地面诸特性空间分布的有序数 值阵列，所记地面特性是高程z，它的空间分布由x,y 水平坐标系统来描述
数字地面模型可以包括除高程以外的诸如地价、土地权属、
土壤类型、岩层深度以及土地利用等其他地面特性信息的数
字数据.
数字地面模型与空间分析、三维分析
数字地面模型（DTM）是地形表面形态属性信息的数 字表达，是有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。 数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型 （Digital Elevation Model，简称DEM）。 高程是地理空间中的第三维坐标。DEM通常用地表 规则网格单元构成的高程矩阵表示，广义的DEM还包括 等高线、三角网等所有表达地面高程的数字表示。在地理 信息系统中，DEM是建立DTM的基础数据，其它的地形 要素可由DEM直接或间接导出，称为“派生数据”，如 坡度、坡向。
•可视性分析 •谷脊线分析 •水文分析
表面积计算
C
A
B h3 h1 h2 B’ D C’
h4
a
A’
D’
剖面分析
(h0,vn+1)
P1
vn (xk’,vk’)
P4
P(xP,yP,zP)
Z
Δy
v2 (hk,yk) v1 O(xO,yO,z (h0,vO) h1 0) Δx h2 (a)
P3
P2 hm (hm+1,v0) O h1 h2 h3 (b) hm P3
坡度的几何表达
(i-1,j-1)
(i,j-1)
(i-1,j) (i,j)
(i-1,j+1) (i,j+1)
(i+1,j-1)
(i+1,j) (i+1,j+1)
Z 2 Z 2 1/ 2 tana [( ) ( ) ] x y
zi 1, j zi 1, j zi , j 1 zi , j 1 z z ( ) ( ) y 2 y x 2 x
2
S Wr e
易产生滑坡的坡度(g0)
环境因子组合三：临空面与岩性对滑 坡的影响。
一般情况下，临空面l 越高滑坡危险度就越大， 但临空面对滑坡的影响与岩性有关，所以对 不同的岩性加权（Wr）应不同
S Wr e
( l 0 l ) 0.5477 L
2
S Ws Wr e
研究区精细滑坡危险度的空间分布图
研究区滑坡危险度分级图
低危险度 中危险度
高危险度 极高危险度
统计检验
Байду номын сангаас
X 0 T S n
式中，X是已观测到滑坡地段的模糊危险度的平 均值，0 是整个地区的模糊危险度的平均值，S 是已观测到滑坡地段的模糊危险度的标准方差， n 是已观测到的滑坡个数。现有的205个滑坡地 段的平均模糊值是2.05，标准方差为0.62，而整 个地区的平均值是1.67。计算所得的T值是8.75， 此值远远大于检验水平为0.05的临界值2.6。由 此可见，我们有充分的理由推翻无差异假设。即， 计算所得的滑坡模糊值可用来反映滑坡的危险度。
数字地面模型及其应用
先求mKED(u)，再求R(u)，ZKED(u)=m(u)+R(u)
直接求ZKED(u)
n (u ) KED m (u ) R (u u ) u0KED (u ) u1KED (u ) y (u ) 0 m m n(1u ) KED (u ) 1 1,...... (u ) 求m(u) n m 1 n (u ) KED m (u ) y (u ) y (u ) 1
2
环境组合四：坡形与岩性对滑坡 的影响
六种坡形对滑坡的影响程度不一样，所以加权 （Ws）也不一样。平坡（0类坡）和凹坡（1 类坡）为0.1，上凹下凸坡（2类坡）为0.3， 直线坡（3类坡）为0.5，凸坡（4类坡）为0.7， 上凸下凹坡（5类坡）滑坡危险度最大，为1。
|h|0.5477 H
地区滑坡危险度的空间分布
精细滑坡评价方法的实施技术路线
环境因子组合一：坡度与岩层倾角之差和坡向 与岩层倾向之差对滑坡的影响。 当坡面坡度(v)小于岩层倾角(v0)时，危险度为 零。当坡度等于或略大于岩层的倾角时，滑坡危 险度大。随着坡度与倾角的角度差增大到一定程 度时(D)，滑坡的危险度又逐渐减小。这种关系 同时还受岩层倾向a0与坡向a之差的影响，随着 这种差距的增大危险度减小。
DEM和DTM的应用
4）土地管理：用于土地利用现状的分析、 合理规划
5）灾情监控应用：洪水险情预报、滑坡与 泥石流监测、土壤侵蚀等；
6）在军事上的应用：可用于导航及导弹制 导、作战电子沙盘等；
Ew洪水位
D淹没水深
Eg地面高程
辽河流域DEM
辽河流域1960年洪水模拟结果
实例：三峡地区滑坡危险性分析
规则格网模型的优缺点：
优点：
可以很容易地用计算机进行处理
缺点：
在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余； 在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂 地形的突变现象；
2）等高线模型
等高线通常可以用二维的链表来存 储。另外的一种方法是用图来表示 等高线的拓扑关系，将等高线之间 的区域表示成图的节点，用边表示 等高线本身。
S e
| v v 0 |0.5477 D
2
cosa a0
环境因子组合二：坡度与岩性 对滑坡的影响。
一般情况下，坡度越大滑坡危险度就 越大，但坡度g对滑坡的影响与岩性 有关。所以对不同的岩性加权（Wr） 应不同.
( g 0 g ) 0.5477 G
2、坡向分析
坡向——变化比率最大值的方向。坡向按 从正北方向起算的角度测量。
z f ( x, y ) 切平面方程： z Ax By C f（x0 , y0）x f（x0 , y0）y C x y 坡向：
＝arctan A / B) （
•表面积计算 •体积计算
•剖面分析
TIN的存储方式
TIN和格网DEM：
不规则三角网数字高程由连续的三角面组成，三角面的 形状和大小取决于不规则分布的测点，或节点的位置和密 度。不规则三角网与高程矩阵方法不同之处是随地形起伏 变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置， 因而它能够避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征 点如山脊、山谷线、地形变化线等表示数字高程特征。 TIN的数据存储方式比格网DEM复杂，它不仅要存储 每个点的高程，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关 系，三角形及邻接三角形等关系。TIN模型在概念上类似 于多边形网络的矢量拓扑结构，只是TIN模型不需要定义 “岛”和“洞”的拓扑关系。
Ú
Ú 乾溪口
X (
X ( X ( X ( X X( ( X (
X X ( ( X (
Ú
Ú Ú
Ú
Ú
Ú
Ú
Ú
Ú
Ú
Ú
Ú
Ú
Ú
Ú
滑坡危险度精细评价方法的基本思路
家 获 从专家获取的知识
模糊滑坡区划图 模糊滑坡 区划图
滑坡形成 与 周 围环 条 关 滑坡形成与周围环境条件间的关系
S <= f E()E ) f (
2） 图形方法
点模式 不规则三角网、规则栅格等；也可以有选择性 地采样，采集山峰、洼坑、隘口、边界等重要 特征点。
线模式 等高线、山脊线、谷底线及坡度变换线等。
3 DEM的主要表示模型
规则格网模型 等高线模型 不规则三角网模型
1）规则格网模型
规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、 三角形等规则网格。规则网格将区域空间切 分为规则的格网单元，每个格网单元对应一 个数值。数学上可以表示为一个矩阵，在计 算机实现中则是一个二维数组。每个格网单 元或数组的一个元素，对应一个高程值.
4、 DEM的产生方法
地面测量 现有地图数字化 空间传感器 利用全球定位系统GPS，结合雷达和激 光测高仪等进行数据采集。