GIS空间分析原理与方法Word下载.docx

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1、逻辑模型：

由地理名词和逻辑运算符组成的

逻辑表达式表示；

2、物理模型：

由物理模拟过程表达；

3、数学模型：

由常数、参数、变量和函数关系等组成的数学表达式表示；

4、图像模型：

由某种图像或图像运算的集合表达，如各种专题地图。

专题分析模型在地理信息系统中的作用表现在以下几个方面：

1、地理信息系统的设计

任何地理信息系统都是为一定的应用目的而建立的，必须根据具体需要采用适用的分析模型指导地理信息系统总体设计。

主要包括：

①数据项的选择，数据的范围、精度、量测方法等，如果毫无选择地录入数据，只会使系统增加负担，降低效率，无法突出主要因素，甚至因为数据采集周期过长而失去意义；

数据结构应以最好地表示地理现象和易于模型实现为标准；

②硬件环境的选择，根据模型的输入、输出和运算方法选择经济实用的硬件支持；

③软件功能的选择，根据模型的管理和运行设计适用的软件功能。

2、地理信息系统的应用

目前地理信息系统技术的推广应用遇到了三个方面的困难：

①硬件环境特殊，不易配备；

②地理信息系统知识没有为许多用户掌握；

③缺乏足够的专题分析模型。

而最重要的因素在于地理信息系统是否具有实用价值，实用性则必须依靠正确地应用专题分析模型。

3、利于信息交流

模型是表达思维对自然界认识的工具，因此地理信息系统的各种分析模型则有利于完

105整准确地表达使用者对问题的认识和处理方法，既利于使用者与系统设计者之间的交流以发展系统功能，又利于使用者之间交流以增强系统的共享性。

二、地理信息系统模型化的一般方法

模型的建立过程可由下式表示：

XOY＝M

其中X表示某个体系，可以看作是地理系统中被主观选取的一个局部；

Y表示某种介体，具体讲就是某种模型化方法；

O代表Y对X产生的作用；

M是体系X通过介体Y产生的作用O所建立的模型。

分析模型按建立的方法主要有以下三种类型：

1、概念模型：

又称为逻辑模型，主要指通过观察、总结、提炼而得到的文字描述或逻辑表达式，常由此构成专家系统的知识库；

2、数学模型：

又称为理论模型，是应用数学分析方法建立的数学表达式，反映地理过程本质的物理规律，如区位模型（LocationModels）就是解决地理空间问题的很有价值的理论模型；

3、统计模型：

包括经验模型，是通过数理统计方法和大量观察实验得到的定量模型，具有简单实用的优点。

通常需综合各种方法：

概念模型比较灵活，可以引入许多模糊概念，适用范围很广，易于为多数人接受，但难以进行精确定量分析；

数学模型因果关系清楚，可以精确地反映系统内各要素之间的定量关系，易于用来对自然过程施加控制，但通常难以包括太多的要素，而常常是大大简化的理想情形，削弱了其实用性；

统计模型可以通过大量的实践建立，具有简单实用、适用性广、可以处理大量相关因素的特点，缺点是过程不清，一般是采用“黑箱”或“灰箱”方法建立的。

作为一般规则，首先应在实践中不断观察总结，形成愈来愈丰富的概念模型，在积累经验的基础上采用数理统计方法摸索统计规律；

最后上升到理论模型；

再采用综合方法建立实用的分析模型。

运用综合方法建立地理信息系统分析模型可采用以下步骤：

①系统描述与数据分析：

对模型所要分析的系统，选择可以描述系统的状态、与外部关系、随时间变化等方面的数据，构造该系统的数据体系。

②理论推导：

根据地理规律和系统的特点，进行理论推导，确定上面的数据体系中多因子之间的量纲关系，作为分析模型的基本框架；

③简化表达：

根据理论分析和具体应用要求，筛选去除相对影响较小和不重要的要素，或采用主成分分析法等数学方法简化表达形式，使模型接近实用；

④参数确定：

模型参数的确定可采用参数试验方法，或采用层次分析法（AHP）、专家打分法、确定模糊隶属度等方法。

形式和参数确定后，分析模型可在应用中完善。

由于理论和实践方面的原因，有时可采用递归模型。

递归模型便于导出地理系统在任一演变时期的状态和演变过程，在较短的间隔周期内可以作为线性问题处理，并且可以参照假设条件的变化随时间调整模型参数。

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第二节栅格数据分析的基本模式

栅格数据由于其自身数据结构的特点，在数据处理与分析中通常使用线性代数的二维数字矩阵分析法作为数据分析的数学基础。

因此，具有自动分析处理较为简单，而且分析处理模式化很强的特征。

一般来说，栅格数据的分析处理方法可以概括为聚类聚合分析、多层面复合叠置分析、窗口分析及追踪分析等几种基本的分析模型类型。

以下分别进行描述与讨论。

一、栅格数据的聚类、聚合分析栅格数据的聚类、聚合分析均是指将一个单一层面的栅格数据系统经某种变换而得到一个具有新含义的栅格数据系统的数据处理过程。

也有人将这种分析方法称之为栅格数据的单层面派生处理法。

1、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。

图6—1（a）为一个栅格数据系统样图，1、2、3、4为其中的四种类型要素，图6—1（b）为提取其中要素“2”的聚类结果。

图6-1聚类分析示意图

2、聚合分析

栅格数据的聚合分析是指根据空间分辨力和分类表，进行数据类型的合并或转换以实现空间地域的兼并。

空间聚合的结果往往将较复杂的类别转换为较简单的类别，并且常以较小比例尺的图形输出。

当从地点、地区到大区域的制图综合变换时常需要使用这种分析处理方法。

对于图6—1（a），如给定聚合的标准为1、2类合并为b，3、4类合并为a，则聚合后形成的栅格数据系统如图6—2（a）所示,如给定聚合的标准为2、3类合并为c，1、4类合并为d，则聚合后形成的栅格数据系统如图6—2（b）所示。

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图6-2栅格数据的聚合

栅格数据的聚类聚合分析处理法在数字地形模型及遥感图象处理中的应用是十分普遍的。

例如，由数字高程模型转换为数字高程分级模型便是空间数据的聚合，而从遥感数字图象信息中提取其一地物的方法则是栅格数据的聚类。

二、栅格数据的信息复合分析

能够极为便利地进行同地区多层面空间信息的自动复合叠置分析，是栅格数据一个最为突出的优点。

正因为如此，栅格数据常被用来进行区域适应性评价、资源开发利用、规划等多因素分析研究工作。

在数字遥感图象处理工作中，利用该方法可以实现不同波段遥感信息的自动合成处理；

还可以利用不同时间的数据信息进行某类现象动态变化的分析和预测。

因此该方法在计算机地学制图与分析中具有重要的意义。

信息复合模型（overlay）包

括两类，即简单的视觉信息复合和较为复杂的叠加分类模型。

1、视觉信息复合视觉信息复合是将不同专题的内容叠加显示在结果图件上，以便系统使用者判断不同专题地理实体的相互空间关系，获得更为丰富的信息。

地理信息系统中视觉信息复合包括以下几类：

（1）面状图、线状图和点状图之间的复合；

（2）面状图区域边界之间或一个面状图与其他专题区域边界之间的复合；

（3）遥感影像与专题地图的复合；

（4）专题地图与数字高程模型复合显示立体专题图；

（5）遥感影像与DEM复合生成真三维地物景观。

2、叠加分类模型

简单视觉信息复合之后，参加复合的平面之间没发生任何逻辑关系，仍保留原来的数据结构；

叠加分类模型则根据参加复合的数据平面各类别的空间关系重新划分空间区域，使每个空间区域内各空间点的属性组合一致。

叠加结果生成新的数据平面，该平面图形数据记录了重新划分的区域，而属性数据库结构中则包含了原来的几个参加复合的数据平面

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的属性数据库中所有的数据项。

叠加分类模型用于多要素综合分类以划分最小地理景观单元，进一步可进行综合评价以确定各景观单元的等级序列。

以下按复合运算方法的不同进行分类讨论。

（1）逻辑判断复合法

设有A、B、C三个层面的栅格数据系统，一般可以用布尔逻辑算子以及运算结果的文氏图（见图6-3）表示其一般的运算思路和关系。

图6-3布尔逻辑算子文氏图

从而得到新的栅格数据

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（2）数学运算复合法

是指不同层面的栅格数据逐网格按一定的数学法则进行运算系统的方法。

其主要类型有以下几种:

1）算术运算指两层以上的对应网格值经加、减运算，而得到新的栅格数据系统的方法。

这种复合分析法具有很大的应用范围。

图6-4给出了该方法在栅格数据编辑中的应用例证。

2）函数运算指两个以上层面的栅格数据系统以某种函数关系作为复合分析的依据进行逐网格运算，从而得到新的栅格数据系统的过程。

这种复合叠置分析方法被广泛地应用到地学综合分析、环境质量评价、遥感数字图像处理等领域中。

例如利用土壤侵蚀通用方程式计算土壤侵蚀量时，就可利用多层面栅格数据的函数运算复合分析法进行自动处理。

一个地区土壤侵蚀量的大小是降雨（R）、植被覆度（C）、坡度（S）、坡长（L）、土壤抗蚀性（SR）等因素的函数。

可写成

E＝F（R，C，S，L，SR⋯）逐网格的复合分析运算如图6-5所示。

类似这种分析方法在地学综合分析中具有十分广泛的应用前景。

只要得到对于某项事物关系及发展变化的函数关系式，便可运用以上方法完成各种人工难以完成的极其复杂的分析运算。

这也是目前信息自动复合叠置分析法受到广泛应用的原因。

值得注意是，信息的复合法只是处理地学信息的一种手段，而其中各层面信息关系模式的建立对分析工作的完成及分析质量的优劣具有决定性作用。

这往往需要经过大量的试验研究，而计算机自动复合分析法的出现也为获得这种关系模式创造了有利的条件。

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图6-5土壤侵蚀多因子函数运算复合分析示意图

三、栅格数据的追踪分析所谓栅格数据的追踪分析是指，对于特定的栅格数据系统，由某一个或多个起点，按照一定的追踪线索进行追踪目标或者追踪轨迹信息提取的空间分析方法。

如图6-6所示例，栅格所记录的是地面点的海拔高程值，根据地面水流必然向最大坡度方向流动的基本追踪线索，可以得出在以上两个点位地面水流的基本轨迹。

此外，追踪分析法在扫描图件的矢量化、利用数字高程模型自动提取等高线、污染源的追踪分析等方面都发挥着十分重要的作用。

四、栅格数据的窗口分析地学信息除了在不同层面的因素之间存在着一定的制约关系之外,还表现在空间上存在着一定的关联性。

对于栅格数据所描述的某项地学要素，其中的（I，J）栅格往往会影响其

周围栅格的属性特征。

准确而有效地反映这种事物空间上联系的特点