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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。

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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。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、筹划一项网络工程如何按排，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。其基本思想则在于人类活动总是趋向于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置。这类问题在生产、社会、经济活动中不胜枚举，因此研究此类问题具有重大意义。

网络中的基本组成部分和属性如下：

(1)链(Links),网络中流动的管线，如街道，河流，水管等,其状态属性包括阻力(Impedence)和需求(Demand)。

(2)障碍(Barriers)，禁止网络中链上流动的点。

(3)拐角点(Turns)，出现在网络链中所有的分割结点上，状态属性有阻力，如拐弯的时间和限制(如不允许左拐)。

(4)中心(Centers)，是接受或分配资源的位置,如水库、商业中心、电站等,其状态属性包括资源容量,如总的资源量；阻力限额，如中心与链之间的最大距离或时间限制。

(5)站点(Stops)，在路径选择中资源增减的站点,如库房、汽车站等,其状态属性有要被运输的资源需求，如产品数。

网络中的状态属性有阻力和需求两项，实际的状态属性可通过空间属性和状态属性的转换，根据实际情况赋到网络属性表中。

1)路径分析

(1)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，当需求最佳路径时，读出路径的相关属性，求最佳路径。

(2)动态分段技术:给定一条路径由多段联系组成，要求标注出这条路上的公里点或要求定位某一公路上的某一点，标注出某条路上从某一公里数到另一公里数的路段。

(3)N条最佳路径分析:确定起点、终点，求代价较小的N�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。

(4)最短路径:确定起点、终点和所要经过的中间点、中间连线，求最短路径。

(5)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。

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(Geocode)。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。

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，一种是由分配中心向四周输出，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，为网络中的每一连接寻找最近的中心，以实现最佳的服务。还可以用来指定可能的区域。

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，以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。

缓冲区分析(Buffer Analysis)

缓冲区分析是针对点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度范围以内的缓冲区多边形。缓冲区的产生有三种情况：一是基于点要素的缓冲区，通常以点为圆心、以一定距离为半径的圆；二是基于线要素的缓冲区，通常是以线为中心轴线，距中心轴线一定距离的平行条带多边形；三是基于面要素多边形边界的缓冲区，向外或向内扩展一定距离以生成新的多边形。

缓冲区分析是地理信息系统重要的空间分析功能之一，它在交通、林业、资源管理、城市规划中有着广泛的应用。例如：湖泊和河流周围的保护区的定界,汽车服务区的选择,民宅区远离街道网络的缓冲区的建立等。

空间统计分析(Spacial Analysis)

1)常规统计分析

常规统计分析主要完成对数据集合的均值、总和、方差、频数、峰度系数等参数的统计分析。

2)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方法。目前,普遍使用空间自相关系数——

MoranI指数，其计算公式如下：

其中：N表示空间实体数目;xi表示空间实体的属性值;x是xi的平均值;Wij=1表示空间实体i与j相邻,Wij=0表示空间实体i与j不相邻I的值介于1与I之间，I=1表示空间自正相关，空间实体呈聚合分布；I=1表示空间自负相关，空间实体呈离散分布；I=0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。

3)回归分析

回归分析用于分析两组或多组变量之间的相关关系，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。

4)趋势分析

通过数学模型模拟地理特征的空间分布与时间过程，把地理要素时空分布的实测数据点之间的不足部分内插或预测出来。

5)专家打分模型

专家打分模型将相关的影响因素按其相对重要性排队，给出各因素所占的权重值；对每一要素内部进行进一步分析，按其内部的分类进行排队，按各类对结果的影响给分，从而得到该要素内各类别对结果的影响量，最后系统进行复合，得出排序结果，以表示对结果影响的优劣程度，作为决策的依据。

专家打分模型可分二步实现。第一步——打分：用户首先在每个feature的属性表里增加一个数据项，填入专家赋给的相应的分值；第二步——复合：调用加权符合程序，根据用户对各个feature给定的权重值进行叠加，得到最后的结果。

GIS空间分析方法是什么

指在GIS(地理信息系统）里实现分析空间数据，即从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、分布、形态、形成和演变等信息并进行分析。

根据作用的数据性质不同，可以分为：

1、基于空间图形数据的分析运算；

2、基于非空间属性的数据运算；

3、空间和非空间数据的联合运算。空间分析赖以进行的基础是地理空间数据库，其运用的手段包括各种几何的逻辑运算、数理统计分析，代数运算等数学手段，最终的目的是解决人们所涉及到地理空间的实际问题，提取和传输地理空间信息，特别是隐含信息，以辅助决策。

扩展资料

空间分析源于60年代地理学的计量革命，在开始阶段，主要是应用定量（主要是统计）分析手段用于分析点、线、面的空间分布模式。后来更多的是强调地理空间本身的特征、空间决策过程和复杂空间系统的时空演化过程分析。

实际上自有地图以来，人们就始终在自觉或不自觉地进行着各种类型的空间分析。如在地图上量测地理要素之间的距离、方位、面积，乃至利用地图进行战术研究和战略决策等，都是人们利用地图进行空间分析的实例，而后者实质上已属较高层次上的空间分析。

参考资料来源：百度百科-空间分析

参考资料来源：百度百科-GIS空间分析

GIS体系结构

1.ArcGIS的客户端

ArcGIS的客户端产品包括ArcView 8、ArcInfo Editor、ArcInfo Professional以及ArcIMS的客户端viewer（用于标准的浏览器，如：Microsoft 的IE、Netscape的Navigator中）等。其中：

ArcView 8：是ESRI的新一代桌面GIS产品。ArcView 8同ArcInfo 8、ArcSDE 8具备相同的核心技术，采用基于COM的体系结构，可以直接使用ArcInfo和ArcSDE所管理和生成的空间数据。ArcView 8提供了与ArcView 3.2相同的基本功能，同时又有显著的改进，如新的ArcCatalog数据浏览和管理的应用、动态投影、内置VBA用于客户化开发、一系列新的编辑工具、支持注记等。对于不需要高级的空间分析功能和对面向对象的空间数据进行交互定义修改的大量客户端应用，均可考虑采用ArcView 8作为其应用平台。其应用界面、开发环境、底层COM对象库等与高端的ArcInfo 8完全一致，可用内置的VBA或VB、VC++等开发平台对其进行二次开发，为系统投资的共享及系统升级和移植提供了有力的保障。

ArcInfo Editor: 该产品在ArcView 8的基础之上增加了对Coverage及Geodatabase空间数据的交互编辑功能，主要面向那些对空间数据交互编辑具有特别需求的应用。从功能强弱的角度看，是介乎ArcView 8和ArcInfo 8之间的产品。ArcInfo Editor与ArcView 8及ArcInfo 8同样具有相同的界面风格、开发环境和底层COM对象库。

ArcInfo Professional: 是ESRI的旗舰产品，其产品定位是专业化的AM/FM/GIS平台。ArcInfo Professional在ArcInfo Editor基础上又增加了对Geodatabase的结构定义和修改功能，增加了强大的空间分析功能，增加了对计算机辅助软件工程（CASE）工具的支持，可以方便、同时也是工程化地对空间数据模型进行定义和扩展。除了继续支持在7.X版本中提供的 AML、ODE、ODE FOR JAVA等开发环境外，在Windows NT和Windows 2000平台上还支持内置的VBA以及VB、VC++、Delphi等开发环境，对ArcInfo进行定制和二次开发。

以上三个客户端都有统一风格的桌面应用：ArcCatalog、ArcMap和ArcToolbox。其中：

ArcCatalog: 是一个集成化的空间数据管理器。用于空间数据的浏览，Geodatabase结构定义，数据导入导出，网络模型生成，对象关系和规则的定义、元数据的定义和编辑修改等。ArcCatalog支持大量的数据格式，包括：ESRI shapefiles, geodatabases, ArcSDE layers, ArcStorm layers, INFO tables, images, grids, TINs, CAD文件, 动态分段事件以及其它ESRI数据类型和文件等。

ArcMap: 是集空间数据显示、编辑、查询检索、统计、报表生成、空间分析和高级制图等众多功能于一体的桌面应用平台。ArcMap提供面向对象的类似CAD的空间数据编辑工具，全面支持空间数据的可视化交互操作。ArcMap提供了所见即所得的符号编辑器，令使用者可以随心所欲地生成任意复杂的点线面符号。ArcMap进一步拓展了ESRI强大的空间数据直接读取能力，多种格式的数据无需进行转换或利用中间交换格式即可动态地直接使用。ArcMap支持的确空间数据格式包括：ArcInfo coverages, ESRI shapefiles, ArcSDE layers, map libraries, ArcStorm layers, DXF and DWG, DGN, 大量的图像格式, GRIDs、TIN，等等。ArcMap还支持空间数据的动态投影（on-the-fly projection）。

ArcToolbox: 是用于空间数据格式转换、叠加处理、缓冲区生成、坐标转换等的集成化“工具箱”。ArcToolbox以树形结构方式组织了120多个不同的空间数据处理工具，并且都是以菜单驱动的方式提供出来，这为我们以一种确定的、轻松的方式去完成哪怕是很复杂的工作提供了前所未有的方便。

2.ArcGIS的服务器端

GIS的企业化和网络化特征，随着近年来社会信息化的长足发展变得日益鲜明起来。ESRI充分把握了这一发展趋势，在ArcGIS系列中提供了两大服务器端产品：ArcSDE 和ArcIMS，以满足GIS的企业化和网络化需求。

ArcSDE：是ESRI的空间数据库引擎，用于对海量空间数据及其属性数据的管理和驱动，为并发访问的多客户端提供快速、安全的数据服务。ArcSDE支持工业标准的DBMS平台（如：ORACLE、SQL Server、DB2、Informix等），同时引入了其独有的异步缓冲机制和协同操作机制，使得空间数据服务的响应效率空前提高，真正起到了“引擎”的作用，而非仅仅是提供一种空间数据存储方式而已。另外，ArcSDE具有丰富的客户端可供用户选用，如：ArcInfo、ArcView、ArcIMS、MapObjects、ArcExplorer、ArcSDE CAD Client等。同时，还提供了开放的API应用编程接口供用户或开发商开发自己的客户端应用或产品。

ArcIMS: 是ESRI的第二代Web GIS产品。用户的空间数据和应用可通过ArcIMS在Intranet/Internet环境中进行发布和共享。ArcIMS提供用户在服务器端可选的影像方式或矢量数据流方式进行数据发布。客户端用户通过工业标准的通用浏览器即可对ArcIMS服务站点进行访问和交互操作。ArcIMS支持包括Servlet、ColdFusion、ASP等多种Web Server端技术，同时开发了有望成为未来Internet环境中GIS通用语言的ArcXML，为空间数据跨厂商、跨平台的广泛交流和共享打下了坚实的基础。

3.ArcGIS的功能扩展

除了ArcGIS系列中各个产品的核心部分以外，ArcGIS还有大量的功能扩展模块供用户根据实际应用的需求进行选择。这些扩展模块包括：

3D：为用户提供三维数据的生成、显示、编辑和分析功能。它集中了Arc/Info 7.X的TIN模块的强大功能和ArcView 3.x的3D扩展模块的易用性。在3D扩展模块中，还提供了一个独立的三维景观生成、显示和飞行的应用程序，可方便地对地上、空中和地下的各种（矢量、栅格和影像）空间要素进行三维叠加、透视观察、旋转飞行等。

Spatial: 提供对栅格数据的转换、显示、处理和分析功能。集成了Arc/Info 7.X的GRID模块的强大功能和ArcView 3.x的Spatial扩展模块的易用性。可完成矢量数据到栅格数据的转换、点密度图生成、连续表面生成、坡度坡向及光照模型生成、等高线生成、邻近及区域分析、栅格分类及显示等功能。

GeoStatistical: 是GIS界第一个空间统计软件包，提供空间离散数据的统计表面生成、结果预测误差评估等。所有操作均以菜单驱动的方式完成，十分直观方便。

ArcPress: 提供地图输出的栅格化转换，可将大数据量地图输出时对输出设备端内存的需求降至最低。

4.ArcGIS的公共组件库

ArcGIS完全基于工业标准的组件对象模型技术进行构建。而ArcObjects则正是用于构造ArcGIS系列平台的一个COM组件对象库。有了ArcObjects，ArcGIS中的各个不同的产品就有了共同的基础部件和工业标准的接口，这对于ArcGIS自身的定制和扩展以及ArcGIS与其它系统和平台之间的连接或融合起到了致关重要的作用。正因为ArcObjects，我们才能说ArcGIS是现今最开放、最易于扩展的GIS平台。ArcObjects COM组件对象库中定义并实现了1800多个在GIS应用中涉及到的空间数据对象，供用户和开发商客户化定制、扩展或构造不同应用领域的GIS应用。

GIS的几种主要数据模型

两种典型的GIS数据模型

1、拓扑关系数据模型

拓扑关系数据模型以拓扑关系为基础组织和存储各个几何要素，其特点是以点、线、面间的拓扑连接关系为中心，它们的坐标存贮具有依赖关系。该模型的主要优点是数据结构紧凑，拓扑关系明晰，系统中预先存储的拓扑关系可以有效提高系统在拓扑查询和网络分析方面的效率，但也有不足：

对单个地理实体的操作效率不高。由于拓扑数据模型面向的是整个空间区域，强调的是各几何要素之间的连接关系，在另一方面对具有完整、独立意义的地理实体作为个体存在的事实没有足够的重视，因此增加、删除、修改某一地理实体时，将会牵涉到一系列文件和关系数据库表格，这样不仅使程序管理工作变得复杂，而且会降低系统的执行效率。

难以表达复杂的地理实体。由于拓扑关系组织的要求，一个完整的简单实体在拓扑关系模型中有时需要被分解为多个几何要素（比如一条公路本是一个完整的实体，但为了记录其拓扑邻接信息，只有对其在与其它公路实体邻接的地方进行分段，这样一个完整的实体就被分成多个几何要素。所有的实体都进行如此处理，所以我们说拓扑数据模型是面向整个区域、面向不被分割的几何要素的，而不是面向用户眼中的地理实体）。复杂地理实体由多个简单实体组合而成，自然也常常被分解，拓扑数据模型的整体组织特性注定了它不可能有效地表达这一由多个独立实体构成的有机集合体。

难以实现快速查询和复杂的空间分析。由于在拓扑数据模型中，地理实体被分解为点、线、面基本几何要素存储在不同的文件和关系表中，因而凡涉及到独立地理实体的操作、查询和分析都将花费较多的CPU时间，在大区域的复杂空间分析方面表现尤为明显。

局部更新困难，系统难于维护与扩充。由于地理空间的数据组织和存储是以基本几何要素（点、弧段和多边形）为单元进行的，系统中存储的复杂拓扑关系是GIS工作的数据基础，当局部一些实体发生变动时，整层拓扑关系将不得不随之重建，这样的系统牵一发而动全身，在维护和扩充方面需要更多的精力，并且容易出错。

值得说明的是，拓扑关系数据模型也能以面向对象的方式实现，但此时面向的对象是不被其它要素从中间分割的几何要素，往往是一个独立地理实体的一部分，而不是一个完整的、独立的地理实体。这一点是拓扑关系数据模型与下一节面向实体数据模型本质不同的重要表现之一。

2、面向实体的数据模型

里称为“面向实体”，是为了强调这种数据模型是以单个空间地理实体为数据组织和存储的基本单位的。

与上述拓扑模型相反，该模型以独立、完整、具有地理意义的实体为基本单位对地理空间进行表达。在具体组织和存储时，可将实体的坐标数据和属性数据（如建立了部分拓扑，拓扑关系也放在表中保存）分别存放在文件系统和关系数据库中，也可以将二者统一存放在关系数据库中（可以将坐标数据和属性数据放在同一个表中，也可以将二者分成两个表，ESRI公司SDE的存贮模式是分成四个表格，它还增加了一个Layers表和一个空间索引表。Layers表位于服务器端，用于层的管理和维护；空间索引表（服务器端）采用网格索引，用于实体的快速搜索）。

面向实体的数据模型在具体实现时采用的是完全面向对象的软件开发方法，每个对象（独立的地理实体）不仅具有自己独立的属性（含坐标数据），而且具有自己的行为（操作），能够自己完成一些操作。虽然面向实体的数据模型在内部组织上可以按照拓扑关系进行，但是作者这里所说的模型强调对象的坐标存贮之间（尤其是面与线的坐标存贮）不具有依赖关系，这是它与拓扑关系模型的本质不同点。该模型能够很好地克服拓扑关系数据模型的几个缺点，具有实体管理、修改方便，查询检索、空间分析容易的优点，更重要的是它能够方便地构造用户需要的任何复杂地理实体，而且这种模式符合人们看待客观世界的思维习惯，便于用户理解和接受。同时，面向实体的数据模型自然地具有系统维护和扩充方便的优点。

这种模型是当今流行GIS软件采用的最新数据模型，但也有一些缺点：

拓扑关系需临时构建。由于面向实体的数据模型是以地理实体为中心的，并未以拓扑关系为基础组织、存储地理实体，表达地理空间，因此拓扑关系并不是一开始就存在，而是在需要时才临时导出各种拓扑关系，这需要消耗一定的系统资源。也许有观点认为，以实体为单位组织数据时，也可以将拓扑关系一开始就保存在实体的属性表中，拓扑关系并不一定是临时构建出来的。但仔细分析便可发现，这种方案对由多个几何要素组成的实体（如一条组成要素不同的河流）不可行，因为拓扑关系不能有效准确地记录。实际上这种方案只对由一个几何要素组成的实体适用，但其本质上仍是拓扑关系数据模型，其缺点表征与上面2.1节描述的完全相同，因而不是真正的面向实体数据模型。

动态分段、网络分析效率降低。在结点---弧段---多边形拓扑关系链中，显式的拓扑表有四个：结点---弧段表，弧段---结点表，弧段---多边形表和多边形---弧段表。有了这四个关系表，我们就能直接查找任意结点、弧段和多边形的拓扑属性，便于进行动态分段和网络分析等其它与拓扑关系有关的拓扑分析，基于拓扑数据模型的GIS可以很方便地做到这一点。但由于将四个拓扑表全部存贮会使系统的空间开销成倍增大，因此一些软件只存贮其中2个（如早期的System 9版本）或将弧段—结点、弧段—多边形表合二为一（Arc/Info 8.0以前版本），被隐含的表可由显示存在的表导出。即便这样，基于拓扑数据模型的GIS在涉及拓扑关系的查询和分析上仍然有较高的效率，而面向实体的数据模型由于要根据需要临时构建拓扑关系，自然会使拓扑查询和分析的效率降低。当然构建好的拓扑关系可存放起来，供以后使用。

实体间的公共点和公共边重复存贮。由于面向实体的数据模型是以地理实体为基本单位进行数据组织和空间表达的，对每一个地理实体都进行完整存贮（存贮到点一级），在存贮坐标时是各对象独立存贮，不再依赖其它对象，那么就必然会导致实体间共有的公共点和公共边重复存贮。

难以将管理、分析和处理定位到几何要素一级。几何要素是指点、弧段和多边形等简单图形，有时构成同一实体的各个几何要素之属性差别较大（例如组成一块宗地的各边之面积不一样，某一交通闭合环路的组成道路类型不一样等），需要在地理实体的下一级---几何要素一级上进行处理，拓扑数据模型可以直接进行处理，而面向实体的数据模型则需要首先对相关地理实体进行定位、分解，因而降低系统在这方面的性能。从本质上分析，我们不难得到，由于该种模型认为组成同一实体的几何要素之属性相同，因而忽略了几何要素间的属性差异，从而导致在系统存贮和处理机制上难以定位到几何要素一级。

难以实现跨图层的拓扑查询和分析。如果这个问题放在拓扑关系模型中，则比较容易解决，因为各个要素的邻接要素已事先存在，不仅已经是分层的，而且具有实际的地理属性，因此只要顺藤摸瓜查找邻接要素并取得其地理属性即可。但对于面向实体的数据模型，则不能有效地解决，因为临时生成拓扑关系时其中的几何要素一般属于同一层，不可能自动生成跨图层的地理属性，必须做进一步的处理方才有可能解决。显然，这种方法的效率不高。