第五章-矢量数据的空间分析方法(课堂PPT).ppt

与栅格数据分析处理方法相比，矢量数据一般不存在模式化的分析处理方法，而表现为处理方法的多样性和复杂性。本章介绍其中几种最常见的矢量数据分析方法。第五章第五章 矢量数据空间分析方法矢量数据空间分析方法1/372/375.1 矢量数据矢量数据5.1.1 矢量数据模型矢量数据模型 用用x，y坐标和点、线、面等简单几何对象来表示空间要素的坐标和点、线、面等简单几何对象来表示空间要素的方式。方式。点对象可以代表水井、水准点或采石场。点对象可以代表水井、水准点或采石场。线对象可以代表道路、河流或行政区边界。线对象可以代表道路、河流或行政区边界。面对象可以代表菜地、水体或污水池。面对象可以代表菜地、水体或污水池。该概念属于数据结构领域，亦即数字数据文件结构和文件该概念属于数据结构领域，亦即数字数据文件结构和文件之间关系。之间关系。第五章第五章 矢量数据空间分析方法矢量数据空间分析方法3/375.1.2 5.1.2 矢量数据的几何对象矢量数据的几何对象 根据地图比例尺和概括指标，几何对象类根据地图比例尺和概括指标，几何对象类型分为：型分为：点点 线线 面面(1)(1)点点 点及其坐标是矢量数据模型的基本单元。点及其坐标是矢量数据模型的基本单元。5.1 矢量数据矢量数据4/37(2)线线 线是由两个端点线是由两个端点之间一系列标记线之间一系列标记线形态的点所构成。形态的点所构成。线要素可以与其线要素可以与其他线相交或相连，他线相交或相连，并形成网络。并形成网络。5.1 矢量数据矢量数据5/37(3)(3)面面 面要素由线定义。面要素由线定义。由一条或多条线包络而由一条或多条线包络而成。成。面要素可以是一个面要素可以是一个单独的区域，若干个邻单独的区域，若干个邻接区域接区域;可以在其他面可以在其他面要素内形成岛要素内形成岛;可彼此可彼此重叠并产生叠置区。重叠并产生叠置区。5.1 矢量数据矢量数据6/375.1.3 拓扑关系拓扑关系 几何对象的排列及其空间相互关系，是几几何对象的排列及其空间相互关系，是几何对象在弯曲或拉伸等变换下仍保持不变的一种何对象在弯曲或拉伸等变换下仍保持不变的一种性质。性质。5.1 矢量数据矢量数据7/375.1.4 拓扑数据结构拓扑数据结构5.1 矢量数据矢量数据(1)点状数据的拓扑关系点状数据的拓扑关系点要素点要素“点的清单点的清单”8/37(2)线状数据的拓扑关系线状数据的拓扑关系一条线段叫做一条弧段，由节点的连线组成。开始点称为始一条线段叫做一条弧段，由节点的连线组成。开始点称为始节点，结束点称为终节点。节点，结束点称为终节点。“弧段弧段-节点清单节点清单”列出了弧段列出了弧段-节点的关系节点的关系“弧段弧段-坐标清单坐标清单”显示组成每条弧段的显示组成每条弧段的x、y坐标坐标5.1 矢量数据矢量数据9/37(3)(3)面状数据的拓扑关系面状数据的拓扑关系“多边形多边形-弧段清单弧段清单”显示多边形与弧段之间的关显示多边形与弧段之间的关系系“左左/右多边形清单右多边形清单”显示弧段及其左多边形和右显示弧段及其左多边形和右多边形之间的关系。多边形之间的关系。5.1 矢量数据矢量数据10/37有利于数据文件的组织，并减少数据冗余。有利于数据文件的组织，并减少数据冗余。有助于数字地图的查错。有助于数字地图的查错。拓扑关系是某些类型拓扑关系是某些类型GIS分析的必要条件。分析的必要条件。拓扑关系可用于发觉未正确接合的线、未正拓扑关系可用于发觉未正确接合的线、未正确闭合的多边形，以及数字地图上的其他数确闭合的多边形，以及数字地图上的其他数字化错误。字化错误。5.1.5 5.1.5 拓扑关系的用途拓扑关系的用途5.1 矢量数据矢量数据5.2 矢量数据的包含分析 在包含分析的具体算法中，点与点，点与线的包含分析一般均可以分别通过先计算点到点，点到线之间的距离，然后利用最小距离阈值判断包含的结果。点与面之间的包含分析，或者称为Point-Polygon分析，具有较为典型的意义。第五章第五章 矢量数据空间分析方法矢量数据空间分析方法11/37 点与面状物体之间的关系主要在于识别点是位于面域范围之内还是之外。当面状物体表示为多边形时，这种计算就归结为著名的“点在多边形中(PointinPolygon)”的识别问题。对于这个问题的成熟解算方法有两个:(1)一个是计算通过点的垂直线与多边形相交的交点的分布情况 P1，P3两点皆位于多边形内部，因为P1，P3两侧的交点数均为奇数。P2位于多边形外部，因为其两侧的交点数均为偶数。用交点分布的奇偶特性判别多边形与点的关系，其优点是计算简单，并且能够识别点是否位于多边形边界上，其缺点是当多边形有边与过点的垂线重合时就需要一些附加的判断。5.2 矢量数据的包含分析矢量数据的包含分析12/37(2)一个是计算点与多边形顶点连线的方向角之和 如果点与多边形顶点连线形成的方向角之和为360度，则点必位于多边形内，否则位于多边形外。一般地说角度计算比交点计算稍嫌复杂，且运用角度求和的方法不便于识别点是否位于多边形的边界上。5.2 矢量数据的包含分析矢量数据的包含分析13/37总结：在实际问题中，很多都要应用到GIS的包含分析功能。例如:确定某区域内矿井的个数，这是点与面之间的包含分析；确定某一县境内公路的类型以及不同级别道路的里程，是线与面之间的包含分析。分析的方法是：首先对这些矿井、公路要点、线要素数字化，经处理后形成具有拓扑关系的相应图层，然后和已经存放在系统中的多边形进行点与面、线与面的叠加，最后对这个多边形或区域进行这些点或线段的自动计数或归属判断。5.2 矢量数据的包含分析矢量数据的包含分析14/37 5.3 矢量数据的缓冲区分析 缓冲区分析是指根据数据库的点、线、面实体基础，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形实体，从而实现空间数据在其邻域得以扩展的信息分析方法。缓冲区分析法是地理信息系统最重要的和最基本的空间操作功能之一。例如，公共设施（商场、邮局、银行、医院等）的服务半径，大型水库建设引起的搬迁，都是一个邻近度的问题。城市的噪音污染源所影响的一定空间范围、交通线两侧所划定的绿化带，即可分别描述为点的缓冲区与线的缓冲区带。第五章第五章 矢量数据空间分析方法矢量数据空间分析方法15/37缓冲区分析基本思想：给定一个空间物体(的集合)，确定它(们)的某邻域，邻域的大小由邻域半径R决定。因此物体Oi的缓冲区的定义如下：即对象Oi的半径为R的缓冲区是全部距Oi的距离d小于等于R的点的集合，d一般是指最小欧氏距离。对于多个对象的集合 其半径为R的缓冲区是单个对象的缓冲区的并，即：5.3 矢量数据的缓冲区分析矢量数据的缓冲区分析16/37点缓冲线缓冲面缓冲5.3 矢量数据的缓冲区分析矢量数据的缓冲区分析17/37 另外还有一些特殊形态的缓冲区，如对点状物体而言，还可以生成三角形、矩形、圆形等特殊形态的缓冲区；对于线状物体还可以生成双侧对称、双侧不对称或单侧缓冲区；对于面状物体则可以生成内侧和外侧缓冲区。这些适合不同应用要求的缓冲区，尽管其形态各异，基本原理是一致的。5.3 矢量数据的缓冲区分析矢量数据的缓冲区分析18/37 缓冲区计算中的一个基本问题是平行线的计算，对于由折线表示的线状物体(以及面状物体的边界)，平行线是分段计算的，线段间的连接根据具体情况采用圆弧连接法或者直接连接。一般地说，外角以圆弧连接，内角直接连接，线段端点则以半圆封闭。5.3 矢量数据的缓冲区分析矢量数据的缓冲区分析19/37 对于简单情形(如图4.3所示的情形)，缓冲区是一个简单多边形，但当计算形状比较复杂的物体或者物体集合的缓冲区时，问题就要复杂得多。例：图a给出了一个河网缓冲区的例子，从图中可以看到，河网不同部位的缓冲区相互重叠，使得最后的缓冲区不能以简单多边形表示。对于此类情况，必须计算出所有的重叠，通过一系列判断而产生一个复杂多边形(含有洞的多边形)或多边形集合表示的缓冲区。5.3 矢量数据的缓冲区分析矢量数据的缓冲区分析20/375.4 矢量数据的叠置分析 过去由于计算机运算速度慢和算法的原因，一般认为矢量叠置分析效率低，因而过去许多系统采用栅格的叠置分析算法。但是现在随着计算机的发展和算法的改进，矢量叠置分析的效率大为提高，这样的效率用户完全可以接受。矢量叠置分析涉及到点与多边形的叠置、线与多边形的叠置、多边形与多边形的叠置。第五章第五章 矢量数据空间分析方法矢量数据空间分析方法21/37（1）点与多边形的叠置 点与多边形的叠置，实际上是计算多边形对点的包含关系。将一个含有点的图层叠加上另一个含有多边形的图层上，以确定每个点落在哪个多边形内。点与多边形的叠置是通过点在多边形内的判别完成的，它通常是得到一张新的属性表，该属性表除了原有的属性以外，还含有落在那个多边形的目标标识。如果必要还可以在多边形的属性表中提取一些附加属性。5.4 矢量数据的叠置分析矢量数据的叠置分析22/37 通过点与多边形叠置，可以计算出每个多边形类型里有多少个点，不但要区分点是否在多边形内，还要描述在多边形内部的点的属性信息。例如将油井与行政区划叠置可以得到除油井本身的属性如井位、井深、出油量等外，还可以得到行政区划的目标标识，行政区名称，行政区首长姓名等。5.4 矢量数据的叠置分析矢量数据的叠置分析23/37（2）线与多边形的叠置-情况1 线与多边形的叠置分析与上面类似，亦是将线的图层叠置在多边形的图层上，以确定一条线落在哪一个多边形内。线与多边形的叠置，是比较线上坐标与多边形坐标的关系，判断线是否落在多边形内。5.4 矢量数据的叠置分析矢量数据的叠置分析24/37（2）线与多边形的叠置-情况2 一个线往往跨越多个多边形，这时需要先进行线与多边形边界的求交，并将线目标进行切割，叠置的结果，形成一个新的空间目标的结果集，同时产生一个相应的属性数据表记录原线和多边形的属性信息。如图所示线状目标1与多边形B和C的边界相交，因而将它分切成两个目标。5.4 矢量数据的叠置分析矢量数据的叠置分析25/37 建立起线状目标的属性表，(可能与原来的属性表不能一一对应)，包含原来线状目标的属性和被叠置的面状目标的属性。根据叠置的结果可以确定每条弧段落在哪个多边形内，可以查询指定多边形内指定线穿过的长度。这样的操作就能够回答每个县所包含的公路里程等问题。如果线状图层为河流，叠置的结果是多边形将穿过它的所有河流分割成弧段，可以查询多边形内的河流长度，进而计算它的河流密度。5.4 矢量数据的叠置分析矢量数据的叠置分析26/373、多边形与多边形的叠置 多边形叠置分析也称为Polygon-on-polygon叠置，它是指同一地区、同一比例尺的两组或两组以上的多边形要素的数据文件进行叠置。参加叠置分析的两个图层应都是矢量数据结构。若需进行多层叠置，也是两两叠置后再与第三层叠置，依次类推。其中被叠置的多边形为本底多边形，用来叠置的多边形为上覆多边形，叠置后产生具有多重属性的新多边形。多边形与多边形的叠置比前面两种叠置要复杂得多。它需要将两层多边形的边界全部进行边界求交的运算和切割。然后根据切割的弧段重建拓扑关系，最后判断新叠置的多边形分别落在原始多边形层的哪个多边形内，建立起叠置多边形与原多边形的关系，如果必要再抽取属性。5.4 矢量数据的叠置分析矢量数据的叠置分析27/37 其基本的处理方法是：根据两组多边形边界的交点来建立具有多重属性的多边形或进行多边形范围内的属性特性的统计分析。其中，前者叫做地图内容的合成叠置，如左图。后者称为地图内容的统计叠置，如右图。5.4 矢量数据的叠置分析矢量数据的叠置分析28/37 合成叠置的目的，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。或者按照确定的地理目标，对叠置后产生的具有不同属性多边形进行重新分类或分级，因此叠置的结果为新的多边形数据文件。5.4 矢量数据的叠置分析矢量数据的叠置分析29/37 统计叠置的目的，是准确地计算一种要素（如土地利用）在另一种要素（如行政区域）的某个区域多边形范围内的分布状况和数量特征（包括拥有的类型数、各类型的面积以及所占总面积的百分比等），或提取某个区域范围内某种专题内容的数据。多边形叠置完成后，根据新图层的属性表可以查询原图层的属性信息，新生成的图层和其它图层一样可以进行各种空间分析和查询操作。5.4 矢量数据的叠置分析矢量数据的叠置分析30/375.5 矢量数据的网络分析1、网络分析的基本方法（1）路径分析：路径分析是GIS中最基本的功能之一，其核心是对最佳路径的求解。从网络模型的角度看，最佳路径的求解就是在指定网络的两个结点之间找一条阻抗强度最小的路径。一般情况下，可分为如下四种：第五章第五章 矢量数据空间分析方法矢量数据空间分析方法31/37a、静态求最佳路径：由用户确定权值关系后，即给定每条弧段的属性，当要求最佳路径时，读出路径的相关属性，求最佳路径。b、N条最佳路径分析：确定起点、终点，求代价较小的几条路径，因为在实践中往往仅求出最佳路径并不能满足要求，可能因为某种因素不走最佳路径，而走近似最佳路径。c、最短路径：确定起点、终点和所要经过的中间连线，求最短路径。d、动态最佳路径分析：实际网络分析中权值是随着权值关系式变化的，而且可能会临时出现一些障碍点，所以往往需要动态地计算最佳路径。5.5 矢量数据的网络分析矢量数据的网络分析32/37（2）地址匹配 地址匹配实质是对地理位置的查询，它涉及到地址的编码。地址匹配与其它网络分析功能结合起来，可以满足实际工作中非常复杂的分析要求。所需输入的数据，包括地址表和含地址范围的街道网络及待查询地址的属性值。5.5 矢量数据的网络分析矢量数据的网络分析33/37（3）资源分配 资源分配网络模型由中心点（分配中心）及其状态属性和网络组成。分配有两种方式，（1）一种是由分配中心向四周输出，（2）另一种是由四周向中心集中。这种分配功能可以解决资源的有效流动和合理分配。其在地理网络中的应用与区位论中的中心地理论类似。在资源分配模型中，研究区可以是机能区，根据网络流的阻力等来研究中心的吸引区，为网络中的每一链接寻找最近的中心，以实现最佳的服务。资源分配模型可用来计算中心地的等时区、等交通距离区、等费用距离区等。可用来进行城镇中心、商业中心或港口等地的吸引范围分析，用来寻找区域中最近的商业中心，进行各种区划和港口腹地的模拟等。5.5 矢量数据的网络分析矢量数据的网络分析34/37 2、路径算法 边最优游历方案的实质是给定一个边集合和一个结点，使之由指定结点出发至少经过每条边一次而回到起始结点，称之为中国邮递员问题。结点最优游历方案的实质是给定一个起始结点、一个终止结点和若干中间结点，求解最优路径，使得由起始出发不重复遍历所有中间结点并到达终点，也称推销员问题。5.5 矢量数据的网络分析矢量数据的网络分析35/3736/375.5 矢量数据的网络分析矢量数据的网络分析（1）最短路径算法 所谓最短路径，是指在网络D(V，A)中，找出从起点vs出发到终点ve的累计行程最短的路径。代表算法有：单源点间最短路径的“戴克斯徒拉”算法 多点对间最短路径算法：“戴克斯徒拉”、“弗洛伊德”算法37/375.5 矢量数据的网络分析矢量数据的网络分析（2）次最短路径算法 仅次于最短路径的次短路径算法。（3）最佳路径算法 根据不同需求计算一定条件下的最佳路径，如计算：最大可靠性路径和最大容量路径等。相关算法较多，如：贪心算法、启发式算法、退火算法、局部搜索等。