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1、南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授第六讲第六讲 GIS空间分析空间分析南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授GIS空间分析空间分析数据变换图形分析综合属性分析DTM与三维分析影象或栅格分析数学/逻辑运算单变量分级分析多变量统计分析三维几何参数计算空间拟合和内插分析坡度、坡向分析剖面与通视性分析流域与分水线分析几何参数查询由图形查询属性由属性查询图形空间关系查询矢量栅格数据相互转换增强分析滤波分析叠置分析分类分析空间综合查询分析拓扑与属性联合分析网络分析路径分析资源
2、分配网流量模拟旋转、投影变换、裁剪、符号化点与多边形叠置线与多边形叠置多边形与多边形叠置叠置分析南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授6.1 空间查询与量算空间查询与量算 一、空间查询一、空间查询图形与属性互查：属性查图形：属性查询，对应指向图形 图形查属性：检索被选实体，查询实体属性南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（一）几何参数查询（一）几何参数查询 点的位置坐标 两点的距离 线目标的长度 面状目标的周长或面积（二）空间定位查询（二）空间定位查询给定一个点或一
3、个几何图形，检索出该图形范围内的空间对象以及相应的属性 按点查询 按矩形查询 按圆查询 按多边形查询南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（三）空间关系查询（三）空间关系查询 邻接查询：多边形邻接查询；线与线邻接查询 包含关系查询 穿越查询 落入查询 缓冲区查询南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省
4、重点实验室 盛业华教授盛业华教授（四）（四）SQL查询查询 由属性查找相应的图形Select 需显示的属性项From 属性表Where 条件 or 条件 and 条件南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授扩展的扩展的SQL查询：查询：将SQL的属性查询和空间关系的图形条件组合在一起进行查询如：查询三峡地区长江流域人口大于50万的县或市 Select*From 县或市 Where 县或市.人口50万 And Cross(河流.名称=
5、“长江”)空间关系谓词：相邻：Adjacent；包含：Contain;穿过：Cross;在之内：Inside；缓冲区：Buffer南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授二、二、空间量算空间量算（一）几何量算（一）几何量算1 线的长度线的长度矢量数据结构中：栅格数据结构中：长度地物骨架线穿过的格网数目2 面状目标的面积面状目标的面积南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（二）形状量算（二）形状量算形状系数r P：地物周长；A：面积 r1为膨胀型伸长度qL/dSE（三）质
6、心量算（三）质心量算南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（四）距离量算（四）距离量算欧氏距离：计算两点的直线距离非欧式距离（两点之间存在障碍或阻力）曼哈顿距离：k=1时南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授6.2 属性分析属性分析一、数学计算一、数学计算属性数据的加、减、乘、除等。如：由人口数和面积计算人口密度。人口区域ID面积人口密度5011000.510021800.56803701.14754900.836052000.3南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验
7、室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授二、逻辑计算二、逻辑计算 “AND”、“OR”、“XOR”、“NOT”等逻辑运算符，用于查询中的属性运算、推理与分类A B NOT A A AND B A OR BA XOR BB NOT A1100101000111000111001101001南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授AABAANDBAORBBANOT(AORB）BAA/BBAAXORBBA(AANDB)ORCBCAAAND(BORC)BCAA/(BORC)BCA(AXOR.B)XORCBC南京师范大
8、学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授三、单变量分级分析三、单变量分级分析以单个属性作为依据，将属性数据划分成若干个类别如：土壤厚度按一定区间进行再分类土壤厚度土壤厚度(m)类别类别代码代码0.20薄层薄层10.200.40较薄较薄20.400.60中厚中厚30.600.80较厚较厚40.80厚层厚层5南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（一）常规统计分析平均值 算术平均数 加权平均数众数中位数总和最大、最小值标准差频数峰度系数南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范
9、大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（二）多变量统计分析主成分分析主因子分析关键变量分析变量聚类分析数据类型繁多 模型构建困难 数据库负担 运算复杂特性：数据之间相互关联目的：简化数据南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（三）空间自相关分析 空间自相关分析是认识空间分布特征、选择适宜的空间尺度来完成空间分析的最常用的统计学方法。目前，普遍使用空间自相关系数Moran I指数：N为空间实体数目；xi、xj分别表示第i和第j个空间实体的属性值，是xi的平均值；Wijl表示空间实体i与j相邻，Wij0表示空间实体i与
10、j不相邻。I的值介于-l与1之间，I1表示空间自正相关，空间实体呈聚合分布；I-l表示空间自负相关，空间实体呈离散分布；I0则表示空间实体是随机分布的。Wij表示实体i与j的空间关系，它通过拓扑关系获得。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（四）回归分析 回归分析用于分析空间实体的两组属性或多组属性之间的相关关系，常见回归分析方程有线性回归、指数回归、对数回归、多元回归等。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（五）趋势分析 若实体的属性数据中，存贮了同一变量不同时
11、间的属性值，就能使用数学模型来模拟地理特征的空间分布与时间过程，根据空间对象时空分布的实测数据，找出空间对象随时间变化的规律，将未实测时刻的属性内插或预测出来。具体的方法如回归模型、时间序列模型等。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（六）层次分析技术基于地理区域，模拟人的思维方式，结合定量和定性方式进行空间数据分析的一种分析方法层次模型建立对要解决的问题，逐步进行分解，找出影响决策的各种变量因子专家打分，建立各因素对目标影响的权重关键 判断矩阵建立南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室
12、 盛业华教授盛业华教授判断矩阵 设目标问题Y，有m各影响因子xi，其中每两个因素xi和xj对Y影响的权之比为aij,可组成判断矩阵判断矩阵中的值可通过专家打分建立南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授特点：面向位置的特征，简单且效率高可在单个单元、单元组、不同单元层登上进行空间分析操作不排除矢量数据的分析方法，但算法不同6.3 栅格数据分析南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授一、局部运算栅格数据分析中的单个单元运算对应栅格单元运算，不涉及位置运算。不受邻域单元影响产
13、生新的栅格地图南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授局部运算算术运算三角函数对数幂U=f(A,B,)AABCUU南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授局部运算：概要统计数值型数据 最大值、最小值 平均值、总和 标准差、值域测度 多数：输入单元频率最高的单元值 少数：输入单元频率最低的单元值 种类：不同单元值的数目南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授局部运算：组合运算3212121233243242411
14、362454571:0-20%2:20%-40%3:40%北：1东：2南：3西：4组合代码组合代码坡度坡向坡度坡向13，322，332，241，252，461，473，1南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授ArcView中的局部运算南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授二、邻域运算设计一个中心点单元和一组环绕其单元的栅格数据分析技术邻域运算要素 中心点 邻域大小与类型 邻域运算函数邻域运算一般在单个图层上进行通过所确定的邻域类型扫描整个格网。南京师范大学地理信息科学
15、江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授邻域运算：邻域大小与类型南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授邻域运算函数统计：最大值、最小值 平均值、标准差 值域、总和、模、测度：多数、少数、种类、南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授ArcView中的邻域运算南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授邻域运算的应用：数据平滑南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学
16、地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授邻域运算应用：地形分析南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授三、邻近度分析计算与源单元（制定格网单元）的距离。同层格网 全局运算，扩展邻域运算距离种类 自然距离 成本距离南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授距离量算：计算规则1.414 Grid CellGrid Cell南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授自然距离量算例南京师范大学地理信息科学江苏省重
17、点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授4.4 缓冲区分析缓冲区分析 一、定义一、定义缓冲区缓冲区：地理空间目标的一种影响范围或服务范围。从数学角度看：即给定一个空间对象或集合，确定它们的邻域，邻域的大小由邻域半径R决定。对象Oi的缓冲区定义为：Bi=x:d(x,Oi)R对象集合 O=Oi:i=1,2,n 的缓冲区南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（a）多点缓冲区（b）多线缓冲区（c）多面缓冲区（a）单点缓冲区（b）单线缓冲区（c）单面缓冲区南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理
18、信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授二、建立方法二、建立方法南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授1.角平分线法角平分线法算法：在轴线首尾点处，作轴线的垂线并按缓冲区半径R截出左右边线的起止点；在轴线的其他转折点上，用与该线所关联的前后两邻边距轴线的距离为R的两平行线的交点来生成缓冲区对应顶点南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授2.凸角圆弧法凸角圆弧法算法：在轴线首尾点处，作轴线的垂线并按缓冲区半径R截出左右边线的起止点；在轴线的其他转折点上，首先判断该点
19、的凸凹性，在凸侧用圆弧弥合，在凹侧则用前后两邻边平行线的交点生成对应顶点。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授3 几种特殊情况几种特殊情况（1）缓冲区发生重叠时的处理南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（2）特征要求缓冲区宽度不同时的处理南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（3)复杂图形缓冲区的内外标识 南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业
20、华教授（4)多级缓冲区 多级缓冲区内层缓冲区外层缓冲区南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（5)变宽缓冲区（6)其它缓冲区变换 点的不规则缓冲区（三角形、矩形）；线的双侧对称或不对称缓冲区、单侧缓冲区；面的内侧、外侧缓冲区等南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授三、应用举例三、应用举例 v确定拆迁区范围及区内建筑物状况v确定商业或服务中心的影响范围v预测灾害影响面积与损失评估v特殊保护区域的确定v环境污染源的污染空间确定v环境监测点的控制范围v微波接收站的影响与作用
21、范围南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授6.5 空间叠置（叠加）分析空间叠置（叠加）分析一、定义一、定义将同一地区、同一比例尺的两幅或两幅以上的图层重叠在一起，产生新的空间图形或空间位置上新的属性。或：叠加分析叠加分析是将有关主题层组成的数据层面，进行叠加产生一个新数据层面的操作，其结果综合了原来两层或多层要素所具有的属性。它包含了空间关系的比较和属性关系的比较。叠置后新的属性是原图形相应位置属性的函数：U=f(A,B,C，)南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授二
22、、矢量数据的叠置分析二、矢量数据的叠置分析基本方法：基本方法：将点、线、面要素数字化后，经处理形成具有拓扑结构的相应图层，然后和已存放在系统中的多边形进行点与面、线与面或面与面的叠置；最后对各个多边形或区域进行这些点或线段的自动计数或归属判别。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 点与面之间的包含分析点与面之间的包含分析(point-in-polygon)南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 线与面之间的包含分析线与面之间的包含分析(line-in-polygon
23、)先进行线与多边形边界的求交，并将线进行切割。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授多边形叠置多边形叠置(Polygon-on-polygon)多边形叠置的目的是通过区域多重属性的模拟：寻找和确定同时具有几种地理属性的分布区域；按照确定的地理指标，对叠置后产生的具有不同属性级的多边形进行重新分类或分级。其过程可分为几何求交过程和属性分配过程两步。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业
24、华教授盛业华教授 根据叠加结果最后欲保留空间特征的不同要求，一般的GIS软件都提供了三种类型的多边形叠加操作：逻辑并（union），叠置结果将输出不同范围的输入图层和叠置图层中所有多边形；逻辑交（intersection），叠置结果只输出不同范围的输入图层和叠置图层中公共区域内的多边形；裁剪（clip），叠置结果只输出叠置图层本身与输入图层中落入叠置图层范围内的部分 逻辑并保留输入图层和叠置图层的所有多边形裁剪以叠置图层为界，保留边界内两层中所有多边形逻辑交只保留输入图层和叠置图层中具有公共区域内的多边形输入图层输入图层叠置图层叠置图层叠置结果叠置结果南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南
25、京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授6.6 网络分析网络分析一、基本概念一、基本概念网络：网络：一系列点状要素和线状要素相互连接构成的网状结构。形成物质、信息流通的通道。如：道路，管线等。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授网络分析的数学基础是：图论、运筹学通过研究网络的状态以及模拟和分析资源在网络上的流动和分配情况，对网络结构及其资源的优化问题进行研究。常见的网络分析问题有：路路径径选选择择：寻找网络上任意两点间或通过指定的一个起点、一个终点和若干个中间点的最短距离或花费最少的路线；资资源源分分配配：根
26、据需求按距离最近或花费最小原则寻找供应中心（资源分发或汇聚地）；网网流流量量分分析析：按照某种优化标准（如时间最少、费用最低、路程最短、运送量最大等）设计资源的运送方案。选择最佳布局中心的位置。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授二、网络的基本要素：二、网络的基本要素：南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息
27、科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授每种网络要素都有许多相联系的属性，如道路宽度、名称等。但在网络分析中非常重要的3个属性：阻碍强度（impedance）：指资源在网络中运移时所受阻力的大小，如花费的时间、费用等。它用于描述链、拐弯、资源中心、站点所具有的属性；资源需求量（resource demand）：指网络中与弧段和停靠点相联系资源的数量。如在供水网络中每条沟渠所载的水量；在城市网络中沿每条街道所住的学生数；在停靠站点装卸货物的件数等；资源容量（capacity）：指网络中心为了满足各弧段的需求，能够容纳或提供的资源总数量。如学校的容量指学校能注册的学生总数；停车场能停放机动车辆的
28、空间；水库的总容量。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授三、网络要素的属性表示1.链的属性表示南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授2.转弯的属性表示在网络结点，可能产生的转弯为:N Nmm2 2，南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授3.停靠站点、资源中心的属性表示这两种网络要素的属性有：阻碍强度和资
29、源需求量,其中正值表示装载，负值表示下卸。停靠站点属性表 资源中心属性表 南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授四、路径分析四、路径分析 IMPED=min IMPEDi(P1,P2)南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授简单网络的Dijkstra算法南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授五、资源分配五、资源分配 资源分配的目的：把所有连通链都分配到某一中心，并把中心的资源分配给这些链以满足其需求，也即满
30、足覆盖范围和服务对象数量，筛选出最佳布局和布局中心的位置。有2种情况：定位：已知需求源的分布，确定最合适的布局中心的位置；分配：确定需求源分别受哪个布局中心服务。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授把所有链弧分配到所有对应中心的操作应同时有序地进行，但发生下列情况之一时则应停止分配：沿路径的累计阻碍强度已达到最大允许阻碍限度；沿路径的累计资源需求量已达到中心的资源最大容量；网络中所有连通链均已分配到最近中心。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授南京师范大学地理信息
31、科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授6.7 数字地面模型与地形分析数字地面模型与地形分析 一、一、一、一、概念与作用概念与作用概念与作用概念与作用数字地面模型数字地面模型(Digital Terrain Model，DTM)：描述地面诸特性空间分布的有序数值阵列，可用二维区域上的一个有限项的向量序列表示，即：Kp=fk(up,vp)(k=1,2,3
32、,m;p=1,2,3,n)up,vp为二维坐标：经纬度坐标（B,L)，投影坐标（X,Y），矩阵行列号等。数字高程模型（DEM）：Elevation数字景观模型（DLM）：Landscape数字环境模型（DEM）：Environment南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授DTM的应用领域：的应用领域：空间分布对象的模拟及可视化表达；在国家地形数据库中存储数字地形图的高程数据；在道路等工程设计中计算挖填土石方量；显示三维地面景观；线路、坝址的自动选定，以及库容、淹没损失的计算；与遥感图像复合，以提高分类精度和进行图像几何畸变的校正；
33、地形因子（坡度、坡向、粗糙度等）的自动提取，进行地貌分析；地表形态的自动分类；不同地面的比较和统计分析；越野通视情况分析（为军事和土地景观规划等目的服务）。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授二、二、二、二、DTM DTM的数据采集的数据采集的数据采集的数据采集1、以航空或航天遥感图像为数据源由立体象对建立空间地形立体模型，量取高程数据 解析摄影测量 数字摄影测量主要工作：采样采样选择采样适应性采样先进采样法南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授2、以地形图为数据源
34、 手工方法：手扶跟踪数字化仪采集 扫描数字化仪采集3、以地面实测资料为数据源全站仪经纬仪水准仪GPS接收机地面近景数字摄影测量4、其他数据源LIDAR（激光雷达）INSAR（干涉差分雷达）南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授三、三、DTM的表示与转换的表示与转换用用数数学学定定义义的的表表面面或或点点、线线、影影像像都都可可用用来来表表示示DTM：数学分块曲面模型数学分块曲面模型随机分布模型随机分布模型 等值线模型等值线模型 规则格网（规则格网（Grid）模型模型 不规则三角网（不规则三角网（TIN）模型模型 南京师范大学地理信
35、息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授数学分块曲面模型数学分块曲面模型 把地面分成若干个块，每块用一个数学函数，以连续的三维函数高平滑度地表示复杂曲面，并使函数曲面通过离散采样点。这种DTM不太适合于制图，但广泛用于复杂表面模拟的机助设计系统。Z=f(x,y,g)随机分布模型随机分布模型 南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授等值线模型等值线模型主要用于表示高程，但也可以用来表示其他等值线，采用矢量表示。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室
36、盛业华教授盛业华教授规则格网模型规则格网模型通常是正方形，也可以是矩形、三角形、正六边形等。把区域空间切分为规格的格网单元，每个格网单元对应一个数值（高程或其它属性），由此形成一个矩阵。DTM=Hij i=1,2,m-1,m;j=1,2,n-1,n其中每个格网的值可有两种解释：各格网单元的数值代表整个格网单元的高程值 格网单元的值是网格中心点的高程或该网格单元 的平均高程值南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授格网DEM南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授不规则三角
37、网（不规则三角网（TIN）模型）模型不规则三角网不规则三角网(Triangulated Irregular Network,TIN):是DTM的一种表示方法，它利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点作为三角形的顶点，连接成相互连续的三角面，以此作为对地形的表达。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授不同模型DTM间的转换 南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业
38、华教授盛业华教授TIN的构网三角网应符合一定的结构条件即尽可能保证每个三角形是锐角三角形或三边长度近似相等，以避免出现过大的钝角或过小的锐角。13568497Delaunay三角网满足最小角最大化的最佳三角形条件；任意三个离散点构成的Delaunay三角形的外接圆中不包括其它离散点；同时，由于Delaunay网与Voronoi多边形具有对偶性，一旦离散点集的平面坐标固定不变，所连接的三角网具有唯一性，不随其始点的不同而变化。2南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授5660827856606682457873607269716570
39、60626738885666？这点的值是多少？五、空间拟合和内插五、空间拟合和内插南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授根据有限的离散点数据找出地面特征的整体变化规律或计算出任意位置的地面特征，其中前者就是空间拟合问题，后者是空间内插问题。DTM空间内插单点移面内插分块内插趋势面拟合内插傅立叶级数内插多次多项式内插二元样条函数内插特殊曲面内插多层叠加插值面函数内插最小二乘配置法内插有限元法（加权残差法）内插孔斯曲面内插B样条曲面内插贝塞尔曲面内插剖分内插移动拟合法加权平均法Kriging内插法多项式内插多项式拟合内插南京师范大学地
40、理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授分块区域内插剖分内插单点移面内插南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授常用插值方法简介1、二元多项式拟合确定了系数后即可根据待内插点的坐标求出其高程缺点：缺点：拟合曲面不通过所有数据点，而是取得最靠近数据点的光滑曲面。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授2、二元样条函数内插(a)(b)南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业
41、华教授3、移动拟合法内插单点移面内插方法，对每一个待定点，取一个多项式曲面来拟合该点附近的地形表面。取待定点为坐标原点，并用以其为圆心一定半径圆内的数据点亚确定函数的待定系数。坐标原点在待定点处，则x=x-xp,y=y-yp对圆内所有数据点进行计算，可确定系数南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授4、加权平均内插法取内插区域内点的加权平均值作为待定点的高程最简单的方法：距离倒数权加权内插线性插值南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授五、五、基于基于DTM的地形分析的地
42、形分析以规则格网DTM为例讨论三维地形分析，其算法思想也基本适用于TIN 南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（一）、三维几何参数计算（一）、三维几何参数计算表面积采用Simpson法 近似计算：南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授体积南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（二）、地形因子的自动提取（二）、地形因子的自动提取1、坡度和坡向分析坡度：水平面与地形表面之间夹角的正切值；坡向：坡面法线在水平
43、面的投影与正北方向的夹角法线交线坡度坡向南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授坡度i-1,j-1i,j-1i+1,j-1i-1,ji-1,j+1i,ji,j+1i+1,ji+1,j+1坡向南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授2、地表粗糙度反映地表的起伏变化和侵蚀程度的指标，一般定义为地表单元的曲面面积与其在水平面上的投影面积之比。xzyi,ji+1,ji,j+1i+1,j+1南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授
44、盛业华教授3、高程变异分析平均高程：格网4个顶点的高程平均值相对高程：格网平均高程与研究区最低点高程之差高程变异V：格网顶点高程的标准差与平均值之比南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授4、谷脊特征分析、谷脊特征分析谷：地势相对最低点的集合脊：地势相对最高点的集合谷、脊线是汇水区提取的依据（1）当（zi，j-1zi，j）（zi，j+1zi，j）0时 若zi，j+1zi，j，则VR（i，j）=1 若zi，j+1zi，j，则VR（i，j）=1（2）当（zi-1，jzi，j）（zi+1，jzi，j）0时 若zi+1，jzi，j，则VR（
45、i，j）=1 若zi+1，jzi，j，则VR（i，j）=1在其他情况下，VR（i，j）=0其中VR（i，j）=-1 表示谷点 1 表示脊点 0 表示其他点i-1,j-1i,j-1i+1,j-1i-1,ji-1,j+1i,ji,j+1i+1,ji+1,j+1南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（三）、地表地貌形态的自动分类（三）、地表地貌形态的自动分类DTM计算地有形态要素H、H、坡度、坡向等拟定地形分类决策表地形自动分类南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（四）、
46、地形剖面图的绘制（四）、地形剖面图的绘制1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 nm87654321i2,j2i1,j1i2,j2dxdy南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授地形剖面图南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授（五）（五）通视性分析通视性分析通视问题可以分为五类：已知一个或一组观察点，找出某一地形的可见区域；欲观察到某一区域的全部地形表面，计算最少观察点数量；在观察点数量一定的前提下，计算能获得的最大观察区域；以最小代价建造观察塔，要求全部区域可见；在
47、给定建造代价的前提下，求最大可见区。通视分析一般有两种情况：v视点与待判定点之间的可视性（Intervisibility）；v根据已知视点计算可视域(Viewshed)，即视点能可视的地形表面区域集合。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授可视域分析问题 点对区域的通视分析可在点对点通视分析算法的基础上扩展。判定点P沿DTM数据边缘顺时针移动，逐点检查视点至P点的直线上的点是否通视。点对点通视问题 南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授考虑视点高度及地物高度的两点通视
48、问题视点V视线判定点PhVhP南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授6.7 空间问题建模空间问题建模一、地学模型类型一、地学模型类型理论模型混合模型经验模型类别类别类别类别理论依据理论依据理论依据理论依据应用领域应用领域应用领域应用领域模型模型模型模型理论物理或化学原理地表流水运动方程混合半经验性资源分配运输方程经验启发式或统计关系土壤侵蚀统计、回归南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授基于统计关系的经验模型（数据驱动模型）模型中变量权重值根据已知空间数据统计分析得出
49、；方法有逻辑回归、证据权重、神经网络等。基于启发式的经验模型（知识驱动模型）模型中的变量权重通过专家经验评判给出；方法有模糊逻辑、贝叶斯判别、专家系统中的推理逻辑等。基于GIS的模型分析方法的最常见形式，是针对不同输入数据层的某种函数的叠加运算输出数据层f（2个或多个输入数据层）南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授二、建模方法二、建模方法六个步骤：表达问题：达到的最终目的是什么？问题的分解：具体的控制目标现象及其相互作用的模型表达需要什么样的数据寻找并建立数据集数据集中包含什么内容从中能找到什么联系进行空间分析（利用GIS基本分
50、析工具）检查模型的结果模型的某些标准或规则是否需要修改若修改则返回执行分析，得出结果南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授例如：学校选址表述目标：为小学校寻找一个最佳位置问题的分解：附近有充足的活动设施离开现有学校地形平坦合适的土地利用类别寻找数据活动设施分布图（栅格）现有学校分布图（栅格）数字地面模型（栅格）土地利用图（栅格）4.空间分析距离分析、坡度计算、重分类、加权代数和5.计算结果及分析南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授学校最佳位置紧邻活动设施活动设施分布