22 空间分析的原理与方法-三维分析
GIS空间分析原理与方法
GIS空间分析原理与方法学院：资源与环境学院专业：地理信息系统班级：2011010班姓名：李松青学号：201101014GIS空间分析原理与方法地理信息系统是地理空间数据处理、分析的重要手段和平台。
在计算机软硬件的支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
地理信息系统的核心是功能是空间分析。
空间分析使GIS超越一般空间数据库、信息系统和地图制图系统，不仅能进行海量空间数据中隐藏的模式、关系和趋势，挖掘出对科学决策具有指导意义的信息，从而解决复杂的地学应用问题，进行地学综合研究。
以下是对本册内容的总结：第一章地理空间数据源分析与GIS本章简要回顾了20世纪50年代以来地理空间数据处理与建模领域，探讨了GIS 环境下空间分析的基本框架。
1.地理空间数据处理与建模1.1数量地理学讲述了数量地理学的发展、与传统地理学的比较及其地理分析模拟方法（地理系统分析，随机数学方法，地理系统数学模拟）。
1.2 地理信息系统主要介绍了GIS的概念与功能1.3 地理计算介绍了地理计算的概念与地理计算的模型和方法2.地理空间数据挖掘2.1 地理空间数据挖掘概述介绍了数据挖掘的概念、发展及其体系结构2.2 地理空间数据立方体介绍了数据立方体的基本思想与数据立方体概念所涉及的维度类型（非空间维度，空间-非空间维度，空间-空间维度），度量值（数值度量，空间度量）和成员属性2.3 联机分析处理技术介绍了OLAP概念以及与地理空间数据立方体的关系。
2.4 地理空间数据挖掘典型方法地理空间数据挖掘主要方法有：地理空间统计方法，地理空间聚类方法，地理空间关联分析，地理空间分类与预测分析，异常值分析3.GIS环境下的空间分析3.1 空间分析概念介绍了空间分析的概念与本质特征，空间分析的研究对象与目标3.2 空间分析的萌芽与发展介绍了空间分析的发展过程3.3 GIS与空间分析介绍了GIS与空间分析的关系以及地理信息系统未能大量引入专业空间分析模块的原因。
Arcgis第四章 空间分析
质心量算：它是描述地理目标空间分布的最有用的单一量算量
☆求取目标的重心位置，用于跟踪某些地理分布的变化，如人口重心的变化、 土地利用重心的迁移等 ☆对目标坐标值进行加权平均（ARCGIS中需要使用calculate geometry工具）
XG
• 形状量算
W X W
i i i i
i
YG
W Y W
☆ 缓冲区：空间对象在一定半径或一定条件下的邻域。 ☆ 缓冲区分析：指以点、线、面实体为基础，在其周 围建立一定宽度范围内的缓冲区多边形，用以分析 实体的邻近性或对周围的影响，从而实现空间数据 在水平方向得以扩展的空间分析方法
点的缓冲区
线的缓冲区
面的缓冲区
13
建立缓冲区的算法
• 缓冲区的种类 ☆点：圆形、三角形、矩形、环形。 ☆线：单侧、双侧对称、双侧不对称 ☆面：内侧、外侧 • 缓冲区的建立——中心线扩张法 主要包括：角平分线法 凸角圆弧法
定向网络（据ESRI）
连通性管理 网络属性（权重） 存在位置
非定向网络（据ESRI）
网络模式
Network Analyst扩展模块
几何网络分析工具 28
• 讨论
☆是否有所的空间网络都有分析的必
要性？
判断标准：网络中是否能够进行物质、
能量、信息的传输。
29
• 网络的基本组成
☆基本组成要素
链（Link）：网络中的管线，资源传输的通道，构成网络的骨 架。如街道、河流、水管等。 结点（Node）：链的端点或两（多）条链的交点。如道路叉 口、河流的交汇点等。 障碍（Barrier）：禁止网络中资源流动的点 。如道路网中 施工的路段、供水网络中的水阀等。 拐角点（Turn）：指网络中状态属性有阻力的结点 。如对拐 弯方向或时间有限制的路口。 中心（Center）：网络中接受或分配资源的结点。如水库、 商业中心、电站等。 站点（Stop）：在网络中资源增减的站点。如库房、汽车站 等。
《GIS空间分析原理与方法》考试复习资料
《GIS空间分析原理与方法》期末复习资料第一章地理空间数据分析与GIS1、什么是地理空间数据分析？它是通过研究地理空间数据及其相应分析理论、方法和技术，探索、证明地理要素之间的关系，揭示地理特征和过程的内在规律和机理，实现对地理空间信息的认知、解释、预测和调控。
2、什么是地理系统数学模拟？其模拟的一般过程是？建立地理系统数学模型的过程称为地理系统的数学模拟（简称地理模型）。
地理系统数学模拟的一般过程是：①从实际的地理系统或其要素出发，对空间状态、空间成分、空间相互作用进行分析，建立地理系统或要素的数学模型；②经验检查，若与实际情况不符，则要重新分析，修改模型；若大致相符，则选择计算方法，进行程序设计、程序调试和上机运算，从而输出模型解；③分析模型解，若模型解出错，则修改模型；若模型解正确，则对成果进行地理解释，提出切实可行的方案。
3、地理空间数据挖掘的体系结构？地理空间数据挖掘是数据挖掘的一个研究分支，其实质是从地理空间数据库中挖掘时空系统中潜在的、有价值的信息、规律和知识的过程，包括空间模式与特征、空间与非空间数据之间的概要关系等。
地理空间数据挖掘的体系结构由以下四部分组成：（1）图形用户界面（交互式挖掘）；（2）挖掘模块集合；（3）数据库和知识库（空间、非空间数据库和相关概念）；（4）空间数据库服务器（如ESRI/Oracle SDE，ArcGIS以及其他空间数据库引擎）。
4、什么是地理空间数据立方体？地理空间数据立方体是一个面向对象的、集成的、以时间为变量的、持续采集空间与非空间数据的多维数据集合，组织和汇总成一个由一组维度和度量值定义的多维结构，用以支持地理空间数据挖掘技术和决策支持过程。
5、地理空间统计模型的分为几类，它们的定义分别是什么？地理空间统计模型大致可分为三类：地统计、格网空间模型和空间点分布形态。
（1）地统计：是以区域化变量理论为基础，以变差函数为主要工具，研究空间分布上既具有随机性又具有结构性的自然现象的科学。
三维问题有限元分析(包括轴对称问题)
空间问题简介
工程实际中的很多问题难于简化为平面问题，如受任意 空间载荷作用的任意形状几何体，受对称于轴线载荷作 用的回转体,这类问题经典弹性力学往往无能为力。在 FEM中，空间问题只要求0阶连续，因此构造单元方便
➢空间问题的主要困难： （1）离散化不直观；————（网格自动生成） （2）分割的单元数量多，未知量的数目剧增。— ——— （对某些问题简化）——— ——— （轴对称问题） ➢空间分析的优点
p
s
C
(6-16)
e 1
e 1
式中
F e ——单元上集中力等效结点载荷列向量；
p
F e ——单元上表面力等效结点载荷列向量；
S
F e ——单元上体积力等效结点载荷列向量；
F e
——单元结点载荷列向量。
C
等效结点力公式为 Fe NTF p
式中
Fe SSeNTpSds
Fe VeNTpvdV
如同平面等参单元一样，需要通过雅克比矩阵来实现，由偏导法则
N i N xi x N yi y N zi z
同理可得
N i , N i
写成矩阵
Ni
x
y
z
Ni x
Ni x
Ni
x
y
z
Ni y
J
Ni y
Ni
x
y
z
Ni z
ui vi wi
(6-18)
式中
xi、yi、zi——结点i的坐标； ui、vi、wi——结点i沿x、y、z方向的位移； Ni——对应于i结点的形状函数。
在自然坐标系（局部坐标系）中，各结点的形状函数可写成如
下形式， 对于8个顶角结点（ i＝1，2，……，8）
5-3 4、空间分析的原理与方法
如图5-29
（二）空间缓冲区分析模型
缓冲区分析的三要素 在进行空间缓冲区分析时，通常要将研究的问题抽象 为以下三类要素（如要作道路对周围村子的噪音影响范围和 强度） ①主体 （道路，不同等级影响强度不同）
表示分析的主要目标，一般分为点源、线源和面源三种类。
②邻近对象（周围的村子） 表示受主体影响的客体，例如行政界线变更时所涉及的居民 区、森林遭砍伐时所影响的水土流失范围等。 ③对象的作用条件(影响强度，随距离减弱) 表示主体对邻近对象施加作用的影响条件或强度。
企业；
（3）同现有永久性建筑物图叠置，显示在范围内应禁止的永久性建筑物。
实例4
已知一伐木公司，获准在某林区采伐，为防止水土流失，规定不得在河 流周围 1km 内采伐林木。另外，为便于运输，决定将采伐区定在道路周围 5km 之内。请找出符合上述条件的采伐区，输出森林采伐图。
解题过程
首先要以区域的道路分布
概念：研究网络中资源和信息的流向就是网络跟 踪的过程。
如：在点污染研究中，可以跟踪污染物从污染源开始，
沿河流向下游扩散的过程。 在电网应用中，可以根据不同开关的开、关状态， 确定电力的流向。
习题：
1、解释缓冲区分析和叠合分析的概念，并举例 说明这两种空间分析方法的用途？ 2、讨论从数字高程模型（DEM）中可派生出哪 些数字地形数据？
应用：空间插值、气象实测
网络分析功能
1、路径分析
2、确定最近设施
3、创建服务区域 4、网络跟踪
1、路径分析 (PathFinding)
为邮递员设计最佳投递路线，该路线应是投递
时的最短路线，并选择最有效率的投递顺序？
条件：城市街道的网络线层面S-fran
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，具有一定的局限性。
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，成为GIS空间分析的重要内容，成为传统二维分析理论与方法的有益补充。
三维空间分析相比二维分析，更注重对第三维信息的分析。
基于高程信息的三维分析主要包括三维几何参数计算、地形因子提取、地表类型分类、通视性分析、地形剖面图绘制、地形三维可视化等。
第三维信息也可以是如降雨量、温度等，进一步扩展了三维分析的应用领域。
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。
3D Analyst扩展模块的核心是ArcScene应用，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。
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。
本章主要介绍如何利用ArcGIS三维分析模块进行创建表面、表面分析及在ArcScene 中数据的三维可视化。
此外，还包括数据转换的介绍，包括二维要素三维化、将栅格数据转换为矢量数据以及将TIN表面数据转换为矢量要素数据。
最后，设计了多个实例与练习帮助读者掌握常用的ArcGIS三维分析的理论与方法。
9.1 创建表面具有空间连续特征的地理要素，其值的表示可以借鉴三维坐标系统X、Y、Z中的Z坐标，一般通称为Z值。
GIS分析 第7章 三维分析
❖实际应用中一般用来计算土石方量（填、挖方）
DEM的应用:可视化分析—表面面积和体积
洪水淹没分析
❖可交互式改变洪 水的高度
❖水体积计算 ❖淹没表面积计算
DEM的应用:可视化分析—填挖方分析
3.3.3填挖方分析
❖通过分析比较两个表面模型前后的变化， 还可以计算填埋及挖掘土石方量；
Aspect
DEM的应用—坡向提取
7
7
70
52
75
50
75
45
60
6
75
60
6
75
90 100
5
80
80
70
104 70
55 5
65
75 75
490
80
61
4
60
94
90
3
57
48
80
3
55
80
12 05
70
53 70
70
2
1
50
66
50
60
1
0
90 0
1
2
3 45 4
655
640 575
8
295
TU
DEM的应用—等值线
DEM的应用—等值线
石河子市DEM及其等值线
1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350
DEM的应用—可视化分析
3.3基于DEM的可视化分析
用地面实测记 录生成DEM
GIS空间分析原理与方法空间平滑和空间插值
实验4 空间平滑和空间插值—xxxxxxx xxx 一、实验目的空间平滑和空间插值。
空间平滑和空间插值关系密切，它们都可以用于显示空间分布态式及空间分布趋势，二者还共享某些算法（如核密度估计法Find/Replace All）。
二、实验准备1、数据准备：1.钦州市乡镇地名的点图层qztai2.qzcnty位研究区内6个县的边界图层。
2、软件准备：ArcGIS DeskTop 9.3三、实验内容及步骤3.1准备数据在Arccatalog中配置数据。
13.2添加数据在Arcmap中添加数据。
233.3、基于移动搜索法的空间平滑在arctoolbox 里进行计算距离矩阵:效果图：3.4 将TAI 语地名连接到距离矩阵4操作如下：3.5提取窗口内的距离矩阵操作如下：5那些距离值为0的点为圆心：3.5计算窗口内TAI 语地名的比重操作如下：6这里，Cnt_INPUT_为列名Count_INPUT_FID的简写。
所得比值为窗口内傣族地名数占所有地名数的比重。
783.6绘制TAI 语地名比重图加载数据，然后进行操作如下：操作如下：910四、实验总结11原文已完。
下文为附加文档，如不需要，下载后可以编辑删除，谢谢！施工组织设计本施工组织设计是本着“一流的质量、一流的工期、科学管理”来进行编制的。
编制时，我公司技术发展部、质检科以及项目部经过精心研究、合理组织、充分利用先进工艺，特制定本施工组织设计。
一、工程概况：西夏建材城生活区27#、30#住宅楼位于银川市新市区，橡胶厂对面。
本工程由宁夏燕宝房地产开发有限公司开发，银川市规划建筑设计院设计。
本工程耐火等级二级，屋面防水等级三级，地震防烈度为8度，设计使用年限50年。
本工程建筑面积:27#楼3824.75m2;30#楼3824.75 m2。
室内地坪±0.00以绝对标高1110.5 m为准，总长27#楼47.28m；30#楼47.28 m。
总宽27#楼14.26m；30#楼14.26 m。
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1三维建模
1.2数字高程模型(DEM)
1. DEM表示方法：通常用矩阵表示、广义的DEM可包 括等高线，三角网等。 这里我们特指DEM是由地表矩阵单元（格网）构成的 高程矩阵。其数据组织类似于图像栅格数据，只是每个 像元的值是高程值。
DEM表示方法
格网DEM
三角网DEM
等高线DEM
设置光滑度：它决定了等值线的平滑程度，为1时，表 示用一段弧线来拟合等值线的拐角；为2时，表示用两 段弧线来拟合等值线的拐角，依此类推。光滑度不能为 零，值越大，弧越光滑，但花费的时间会越多。
1三维建模
1三维建模
3 . 从DEM数据集提取等值线：
（1）提取所有等值线 根据指定等高距生成所有的等值线。
1. TIN：是采用不规则三角形拟合地表表示DTM的技术。 TIN模型利用采样点取得的离散数据，按照优化组合的 原则，把这些离散点连接成相互连续的三角面。
不规则三角网(TIN)
1三维建模
在TIN模型中，三角面的形状和大小取决于不规则分布 的样点，或节点的位置和密度。
地形起伏变化越复杂，采样点的密度越大。地势变化平 缓，采样点的密度越小。 TIN中三角面较密集的地方，表示坡度较陡；反之，坡 度较缓。 任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不 在顶点上，其高程值可以通过线性插值的方法得到。
2.1地形三维可视化
2.1地形三维可视化
2.2 三维窗口基本操作
三维数据显示在三维窗口中后，可以进行三维地图基本 操作 ：
放大/缩小 自由缩放 平移 升降场景
水平旋转场景
垂直旋转场景 环游 绕X、Y轴旋转
2.3 淹没模拟
三维淹没功能可以动态的模拟洪水淹没的情景，也可以 指定一个洪水淹没的高程进行淹没演示。
3. 三维窗口
用来浏览三维场景、进行动态飞行浏览、淹没演示、控 制图层、设置属性等三维操作的工作窗口。 注意 在SuperMap Deskpro 5中，一次只能打开一个三 维窗口浏览三维场景。
2.1地形三维可视化
4. 三维图层与三维场景三维图层与三维场景
三维图层的概念与地图中的图层概念相类似。 一个三维图层对应一个数据集，而一个或多个三维图层 按照某种顺序叠放在一起，显示在一个三维窗口中，就 可以成为一个三维场景。 三维场景可以对二维点\三维点、二维线\三维线、面、 文本、DEM、Grid、TIN、影像数据进行三维实时浏览， 并且可以设置并存储背景色、光源、雾化等场景的效果。
操作方式：点击菜单项【三维】－>【淹没设置】、 【淹没演示】； 如果动态的显示淹没情景，需要设置时间间隔（毫秒） 和高程分层；如果指定高程进行洪水淹没，需要指定淹 没高程；也可以根据需要设置水色。
2.4 三维渲染细节
可以将三维模型按照点、线和实体三种级别进行显示。
操作方式：点击菜单项【三维】－>【渲染细节级别】 －>【点】、【线】、【实体】。如图10.22、10.23、 10.24所示。
TIN的生成方法
2. TIN的生成方法：
首先取其中任一点P，在其余各点中寻找与此点 距离最近的点P2，连接P1P2构成第一边。 然后在其余所有点中寻找与这条边最近的点， 找到后即构成第一个三角形。 再以这个三角形新生成的两边为底边分别寻找 距它们最近的点构成第二个、第三个三角形，依此类推， 直到把所有的点全部连入三角网中。
§5.8空间距离的量算
§5.9空间分析模型
三维分析
三维分析
三维分析是在三维建模和三维可视化的基础上进行的一 系列分析。
如格网DEM生成三维正射影像、剖面分析、可视域分 析和填挖方分析等。
三维分析
学习目标:
1三维建模 1.1 三维数据集
1.2 数字高程模型(DEM)
1.3 不规则三角网(TIN) 1.4 等高线
（3）三角网方法（TIN）
对有限个离散点，每三个邻近点联接成三角形，每 个三角形代表一个局部平面，再根据每个平面方程，可 计算各格网点高程，生成DEM。 （4）曲面拟合 根据有限个离散点的高程、采用多项式或样条函数 求得拟合公式，再逐一计算各点的高程，可得到拟合的 DEM。 （5）等值线插值 根据各局部等值线上的高程点，通过插值公式计算 各点的高程，得到DEM。
不规则三角网(TIN)
不规则三角网(TIN)
演示：
1三维建模
4. TIN模型转换生成三维DEM模型
操作方式：点击菜单项【分析】－>【三维建模】－> 【TIN数据集－>DEM数据集】弹出的对话框中进行相 应设置 。
1三维建模
参数设置:
设置TIN属性：通过TIN转换后的DEM数据集中保留的 源TIN数据集的属性，包括高程值、坡度值和坡向值三 种； 设置分辨率：指生成的DEM栅格数据集中，每个格子 （像元）代表的实际大小，系统默认是生成结果为 500*500的栅格数目计算的分辨率。
不规则三角网(TIN)
3.生成TIN数据集
可将多种类型的数据生成三维TIN模型，主要是二维点、 线数据生成TIN，三维点、线数据生成TIN。
设置高程字段：
设置重采样距离：系统默认值是0.0表示不进行重采样。 设置重采样距离为50，表示每隔50米距离采一个样点 进行插值计算，这样生成的TIN就会比较疏。注意只有 在线数据集生成TIN时该参数才有效； 缩放比例：设置三维模型的高程与原始高程数据的比例， 如设置为1，表示三维模型高程与原始高程点高程数据 是1:1的关系，如果设置为2，则表示三维模型高程与原 始高程点高程数据是2:1的关系，即进行了高程数据的 拉伸。
1三维建模
3. 数字地面模型（DTM）（Digital Terrain Model)
是利用一个任意坐标场中大量选择的已知（x,y,z)的坐 标点对连续地面的一个简单的统计表示。（书P108） 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。 DTM就是地表单元上地形参数的集合。
地理信息系统基础
Geographical Information System
WWW . SDJTU .
第五章 空间分析的原理与方法
教学内容
§5.1空间数据查询 §5.2空间统计分析 §5.3数字地面模型分析 §5.4空间叠加分析
§5.5空间缓冲区分析
§5.6泰森多边形分析 §5.7空间网络分析
操作方式：点击菜单项【分析】－>【栅格分析】－> 【表面分析】－>【提取所有等值线】。
（2）提取指定高程的等值线
提取指定高程的等值线，生成线数据集。
操作方式：点击菜单项【分析】－>【栅格分析】－> 【表面分析】－>【提取指定等值线】 （3）点选提取等值线
2 三维可视化
2三维可视化
当地形模型中的属性信息是高程属性就成为DEM。 地形模型不仅包含高程属性，还包含其它的地表形态属 性，如坡度、坡向等。 高程模型又叫地形模型。 通常DTM可由DEM生成。
1三维建模
传统的地理信息系统的数据结构都是二维的，高程是地 理空间中的第三维坐标，建立数字高程模型是一个必要 的补充。
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 。
1三维建模
1.4等高线
1. 等高线：等值线是连接相同数值所形成的曲线。 地理学上常见的等值线如等高线、等温线等。
1三维建模
2 . 从TIN数据集提取等值线：
1、点击菜单项【分析】－>【三维建模】－>【TIN数 据集－>等值线】弹出的对话框中进行相应设置。 设置参数： 等高距：每条等高线之间的距离值，其距离单位与数据 集单位相一致；
格网DEM表示示意图:
100 270 300 150 250 280 320 540 240 430 120 290 320 160 280 300 120 180 260 270
111 190 210 180 260 280 160 200 240 280
180 280 320 360 380 400 460 480 500 520 200 260 280 300 320 340 360 380 400 430 300 320 340 360 380 290 280 270 260 240 350 360 380 320 340 500 510 520 530 540
4. 线数据转换为DEM数据
（1）操作方式：点击菜单项【分析】－>【栅格分析】 －>【内插表面】－>【线－>DEM】弹出的对话框中进 行参数的设置。 参数设置：设置表示高程的字段，设置垂直拉伸系数 （默认是1，不拉伸），设置图像精度即图像分辨率。
1三维建模
1.3不规则三角网（TIN，Triangulated Irregular Network)
2.1地形三维可视化 2.2 三维窗口基本操作