1、土地信息系统,主讲人：齐跃普,第五章 土地信息处理与分析技术,第一节 坐标系与坐标变换第二节 图幅拼接与分割第三节 空间数据的开窗处理第四节 空间数据的编辑与管理第五节 土地信息的空间分析第六节 土地信息的空间查询,第一节 坐标系与坐标变换,一、坐标系 1.用户坐标系 地图采用的坐标系统，通常为笛卡尔直角坐标系，由用户选定，与设备无关，理论上是连续的，无限的。 2.规格化数据库坐标系 把各个要素多少、大小不等的分幅图的图形点坐标（浮点数）用整型数（两个字节）表示，并充满整个坐标系。 &nbs
2、p;3.设备坐标系 每种图形设备所具有的独特坐标系。,二、坐标系变换 1.设备坐标到用户坐标的变换（主要用于图形数字化过程。） 2.用户坐标到数据库坐标的变换（用于图形数据入库。） 3.数据库坐标到用户坐标的变换（用于空间数据检索。） 4.用户坐标到设备坐标的变换（用于图形显示或打印输出。） 5.数据库坐标与屏幕设备坐标间的相互变换（用于人机交互数据编辑和存贮。）,第二节 图幅拼接与分割,一、图幅的拼接
3、; 1.逻辑一致性的处理 两个相邻图幅的空间数据库在接合处可能出现逻辑裂缝。,2.识别和检索相邻图幅 将待拼接的图幅数据按图幅进行编号，十位数指示图幅横向顺序，个位数指示图幅的纵向顺序。,3.相邻图幅边界点坐标的匹配 采用追踪拼接法。,4.相同属性多边形公共边界的删除 当完成拼幅后，还需删除拼幅的公共边界，并对共同属性进行合并。,二、图幅的分割 &
4、nbsp; 图幅的分割类似于对图形进行开窗口处理，其实质是保留窗口内的点、线、面数据，除去窗口外的数据。下面简述一下点、线、面开窗口剪切方法。（1）点的窗口剪切设点的窗口坐标为：左下角坐标（Xmin，Ymin）和右上角坐标（Xmax，Ymax），则判断任一点p（Xp，Yp）是否在窗口内的条件为： &
5、nbsp; Xmin<Xp<Xmax， Ymin<Yp<Ymax，,（2）线段的开窗口剪切 线段的开窗口剪切有很多算法。这里介绍编码法，这种算法先用区域检查法有效识别可直接接受或予以舍弃的线段，然后进行舍弃或接受。,（3）面状要素开窗
6、口剪切 面状要素是由若干条有序折线封闭而成。因此，对多边形的剪切与对线段的剪切处理相同，只是剪切后，应把被剪切处的边界线段和窗口内线段组成封闭多边形，其属性保留原多边形的属性。,第三节 空间数据的开窗处理,开窗处理指用户以给定的空间范围（窗口），进行空间数据的提取，包括提取窗口内的空间实体及其属性。开窗处理包括正开窗和负开窗两种。窗口可以是任意多边形，窗口的范围为轮廓点儿坐标，可由键盘输入或光标在屏幕上确定。,a.原图,b.正开窗,c.负开窗,第四节 空间数据的编辑与管理,空间数据的编辑主要用来对输入的图形数据和属性数据进行检查、改错、更新及加工，以便得到净化的输入数
7、据，并在此基础上生成拓扑关系，作为实现系统功能的基础。空间数据的编辑实质上是空间数据的预处理，它是土地信息系统中不可缺少的功能之一。,一、空间数据的编辑 图形编辑是纠正数据采集错误的重要手段，其基本的功能要求是：具有友好的人机界面，即操作灵活、易于解释、响应迅速等；具有对几何数据和属性数据编码的修改功能；具有分层显示和窗口功能，便于用户的使用。,二、空间数据的更新 空间数据具有时间性，土地信息系统需具备更新能力，通过对空间数据的编辑，及时获取最新的数据信息，确保数据库的现时性。,三、空间数据的管理
8、空间数据管理包括图幅数据处理、数据格式转换、空间数据的内插、定位或定性检索、数据之间的边缘匹配和数据更新等。,1. 图幅数据的处理 图幅数据的处理是指图幅内x，y坐标数据的变换，包括数字化坐标数据的比例尺的变换，变形误差的消除，坐标的旋转和平移，投影类型转换。,2. 数据格式的转换 栅格数据和矢量数据之间的转换； 不同土地信息系统之间的数据格式转换。,3. 空间数据与属性数据的连接 空间数据和属性数据的连接是利用专用程序自动把属性数据
9、与空间实体数据连接起来，要求空间实体带有唯一的标识码即可。标识码可以用手工输入，也可由程序自动生成并与图形实体的坐标存储在一起。,实地调查数据地图,空间实体,关键字连接,手扶跟踪数字化,矢量化处理,自动扫描输入,检查、编辑,细化处理,变形纠正,建立多边形,线和连接点,属性数据,输入到文件,空间数据和属性数据连接,矢量多边形,建立矢量多边形数据库的过程,4. 空间数据的压缩处理 数据压缩是指从取得的数据集合S中抽出一个子集合A作为一个新的信息源，在规定的精度范围内最好地逼近原集合，而又取得最大的压缩比。
10、; 方法： 间隔点法、垂距法、Douglas-Peucher方法,5. 空间数据的统计与综合 空间数据统计与综合是一种基于属性数据的空间图形处理操作。,6. 数据更新 为了保持LIS中数据的时效性，应对LIS数据进行更新，即修改陈旧数据以新数据代替或补充。 空间实体更新的方法： 若变化程度不大，直接使用图形编辑的方法进行； 若变化区域面积较大
11、，则： （1）重新数字化已变化区域的空间实体； （2）显示整个区域的空间实体，对变化区域作负开窗处理； （3）对以上两种空间实体进行叠加处理。,第五节 土地信息的空间分析,一、空间分析概述 1.空间分析的概念 定义：空间分析是基于土地/地理空间对象的位置和形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。 空间分析是LIS/GIS系统的重要功能之
12、一,是LIS/GIS系统与计算机辅助绘图系统的主要区别。,2.空间分析的内容空间位置分析借助于空间坐标系传递空间对象的定位信息；空间分布分析同类空间对象的群体定位信息，包括分布、趋势、对比等内容；空间形态分析空间对象的几何形态；空间关系分析空间对象的相关关系，包括拓扑、方位、相似、相关等。,3.空间数据模型 土地信息系统不仅要完成管理大量复杂的土地数据的任务，更为重要的是要完成土地分析、评价、预测和辅助决策的任务，必须发展广泛的适用于土地信息系统的土地空间分析模型，这是土地信息系统走向实用的关键。
13、 土地信息分析模型：是用来描述土地系统中各个要素之问相互关系和客观规律的，它用信息的、语言的、数学的或其它表达形式，通常反映土地变化过程及其发展趋势或结果。土地信息分析模型也称为专题分析模型。,数字地形模型分析,空间变换分析,空间插值,基本图形分析,网络和仿真模型分析,二、主要的空间分析方法,图形量算包含分析直线段求交图形裁剪,基本图形分析：其它分析运算的基础,几何量算,形状量算,质心量算,距离量算,图形量算几何量算几何量算对点、线、面地物有不同含义： 点状地物（0维）：坐标； 线状地物（1维）：长度，曲率，方向； 面状地物（2维）
14、：面积，周长，形状，曲率等； 体状地物（3维）：体积，表面积等。,图形量算形状量算 面状地物形状量测的两个基本考虑：空间一致性问题，即有孔多边形和破碎多边形的处理；多边形边界特征描述问题。,度量空间一致性最常用的指标是欧拉函数，用来计算多边形的破碎程度和孔的数目。欧拉函数的结果是一个数，称为欧拉数。欧拉函数的计算公式为： 欧拉数=（孔数）-（碎片数-1）,多边形边界描述的问题，最常用的指标包括多边形长、短轴之比，周长面积比，面积长度比等。绝大多数指标是基于面积和周长的。通常认为圆形地物既非紧凑型也非膨胀型，则可定义其形状系数r
15、为： 其中P为地物周长，A为面积。如果r1为膨胀型。,图形量算质心量算 质心描述的是分布中心，而不是绝对几何中心。 平均中心或重心； 加权平均中心。 其中，Wi为第i个离散目标物权重，Xi，Yi为第i个离散目标物的坐标。,图形量算距离量算 考虑到阻力影响，计算的距离称为耗费距离。 欧氏距离： 耗费距离：,数字地形模型分析DTM（Digital Ter
16、rain Model）是通过地表点集的空间直角坐标（x，y，z）并使需要进一步伴随若干专题特征来表示地形表面的,它是构成地形、地理分析的基础。DEM（ Digital Elevation Model）是地表单元上高程的集合，是地貌形态的离散表示。DEM是构成DTM的基础，DTM的其他元素均有DEM导出，显然，DEM的质量好坏直接决定着DTM的精确性。,数字地形模型分析内容地貌类型的自动化分类；极值高程和最大高差； 相对高程和平均高程；坡度和坡向；求地表面积； 地表粗糙度；谷脊特征分析；形剖面分析；淹没损失估算；地形的立体显示。,DTM的数据采集数据源决定采集方法：（1）航空或航天遥感图像为数据
17、源（2）以地形图为数据源 （3）以地面实测记录为数据源（4）数字摄影测量方法（5）其它数据源,DTM的表示方法 主要有规则格网（GRID）表示法和不规则三角网(TIN , Triangulated Irregular Network)表示法（此外还有离散点表示法、等高线法和数学分块曲面表示法）。 （1）规则格网（GRID） 表示法结构简单、计算方便，但有时有大量冗余数据，不能精确表示地形的关键特征。,GIRD图示,（2）不规则三角网（TIN）,不规则三角网(TIN)利用采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，连接成相互连续的三角面。,数字地面
18、模型的应用（1）等高线绘制,（2）透视图的绘制,（3）渲染图的制作,（4）坡度坡向图的制作,（5）通视/可视域分析,DEM三维可视化,空 间 变 换 分 析 为了满足特定空间分析的需要，需对原始图层及其属性进行一系列的逻辑或代数运算，以产生新的具有特殊意义的地理图层及其属性，这个过程称为空间变换。,空 间 变 换 分 析内容,矢量数据的空间 变换分析,栅格数据的空间 变换分析,多边形叠置分析,包含分析,缓冲分析,叠置分析,空聚类间,空间聚合,空 间 变 换 分 析矢量数据一
19、、包含分析铅垂线算法,解决点、线、面之间是否存在直接联系的一种方法。例如确定某一矿区属于那个行政区，这是点与面之间的包含分析。通过著名的铅垂线算法来解决。,二、多边形叠置分析 叠加分析方法源于传统的透明材料叠加，即将来自不同的数据源的图纸绘于透明纸上，在透光桌上将其叠放在一起，然后用笔勾出感兴趣的部分（提取出感兴趣的信息）。地理信息系统的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。,叠加分析可以分为以下几类： 视觉信息叠加； 点与多边形叠加；
20、 线与多边形叠加； 多边形叠加； 栅格图层叠加。,1. 视觉信息叠加： 视觉信息叠加是将不同侧面的信息内容叠加显示在结果图件或屏幕上，以便研究者判断其相互空间关系，获得更为丰富的空间信息。,地理信息系统中视觉信息叠加包括以下几类： 点状图，线状图和面状图之间的叠加显示。 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叠加。 遥感影象与专题地图的叠加。 &
21、nbsp; 专题地图与数字高程模型（DEM）叠加显示立体专题图。 视觉信息叠加不产生新的数据层面，只是将多层信息复合显示，便于分析。,2. 点与多边形叠加 通过点与多边形叠加，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。通常不直接产生新数据层面，只是把属性信息叠加到原图层中，然后通过属性查询间接获得点与多边形叠加的需要信息。,3. 线与多边形叠加 线与
22、多边形的叠加，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。计算过程通常是计算线与多边形的交点，只要相交，就产生一个结点，将原线打断成一条条弧段，并将原线和多边形的属性信息一起赋给新弧段。 叠加的结果产生了一个新的数据层面，每条线被它穿过的多边形打断成新弧段图层，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。根据叠加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。,4. 多边形叠加 多边形叠加
23、是GIS最常用的功能之一。多边形叠加将两个或多个多边形图层进行叠加产生一个新多边形图层的操作，其结果将原来多边形要素分割成新要素，新要素综合了原来两层或多层的属性。,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：,小结：,定义,步骤,分类,同一地区、同一比例尺的两种或两种以上专题要素进行叠置，形成具有二重或多重属性的相交多边形集合。,(1)对原始多边形数据形成拓扑关系;(2)多层多边形数据空间叠置，形成新层;(3)对新层中的多边形重新进行拓扑组建;(4)剔除多余多边形，提取感兴趣的部分。,视觉信息叠加； 点与多边形叠加；
24、 线与多边形叠加； 多边形叠加； 栅格图层叠加。,三、缓冲区分析 缓冲区是根据点、线、面地理实体，建立起周围一定宽度范围内的扩展距离图，缓冲区的作用是用来限定所需处理的专题数据的空间范围，一般认为缓冲区以内的信息均是与构成缓冲区的核心实体相关的，及邻接或关联关系，而缓冲区以外的数据与分析无关。,分析步骤： 1. 构建缓冲区多边形图； 2. 进行叠加分析； 3. 消除边界重叠
25、。,缓冲区的分类：点缓冲区线缓冲区面缓冲区,缓冲区边界叠加问题：,缓冲区分析图示,空 间 变 换 分 析栅格数据一、叠置分析 栅格叠置分析与多边形叠置分析一样，是求两组或两组以上空间图形的交集，但是多边形叠置分析得到的是合成多边形，而栅格叠置分析得到的是合成数据串，这些合成的数据文件是进一步进行空间聚类或聚合的依据。,内容： 类型叠置 将两组或两组以上的土地编码数据，求它们的交集，以建立新的数据文件，根据分析任务，设置命令，得到最后的类型叠置结果。 统计叠置 将
26、区域界线(政区、自然区域或经济区域等)，与专题数字地图叠置，建立的合成数据串，作出各区专门内容的数量统计。 动态分析 将同一种要素在不同时期的两组属性数据叠置，建立合成数据串，它们之差就是该要素在该时段内的变化，在土地利用动态监测中，常要使用这种分析方法。,栅 格 叠 置 示 意 图,二、空间聚类 根据预先设定的聚类条件，从栅格数据中将所有符合标准的区域输出在图上，不符合条件的区域为空白。在空间聚类中常用的是逻辑运算。其逻辑设定条件可以按照需要的属性条件设定，也可按照空间要素的几何条件
27、设定。,一幅某乡土地利用现状图，空间聚类条件： E=（属性=“水域” 面积1公顷水域邻接居民地）,三、空间聚合 根据空间分辨力和分类表，进行数据类别的合并或转换，以实现空间地域的兼并。空间聚合的结果是将较复杂的类别转换为较简单的类别，大多数以小比例尺图形输出。 当从地点、地区、大区域的转换时，常要使用这种方法。,网络和仿真模型分析 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
28、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安排，并使其运行效果最好。其基本思想则在于人类活动总是趋于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置。,一、网络数据结构 网络数据结构的基本组成部分和属性如下： 1）链（Link） 网络中流动的管线，其状态属性包括阻力和需求。 2）结点（Node） 网络中链的结点，其状态属性包括阻力和需求等。结点中又有下面几种特殊的类型。 障碍（Barrier），禁止网络中链上流动的
29、点。 拐点（Turn），出现在网络链中的分割结点上，状态属性有阻力。 中心（Center），是接受或分配资源的位置，。 站点（Stop），在路径选择中资源增减的结点。,二、主要网络分析功能 1 .路径分析 2 .计算最短路径的Dijkstra算法 3 .资源分配,1. 路径分析 1）静态求最佳路径：在给定每条链上的属性后，求最佳路径。 2）N条
30、最佳路径分析：确定起点或终点，求代价最小的N条路径，因为在实践中最佳路径的选择只是理想情况，由于种种因素而要选择近似最优路径。 3）最短路径或最低耗费路径：确定起点、终点和要经过的中间点、中间连线，求最短路径或最小耗费路径。 4）动态最佳路径分析：实际网络中权值是随权值关系式变化的，可能还会临时出现一些障碍点，需要动态的计算最佳路径。,2. 资源分配 资源分配网络模型由中心点（分配中心或收集中心）及其属性和网络组成。分配有两种形式，一种是由分配中心向四周分配，另一种是由
31、四周向收集中心分配。资源分配的应用包括消防站点分布和求援区划分、学校选址、垃圾收集站点分布，停水停电对区域的社会、经济影响估计等。,1）负荷设计 负荷设计可用于估计排水系统在暴雨期间是否溢流，输电系统是否超载等。2）时间和距离估算 时间和距离估算除用于交通时间和交通距离分析外，还可模拟水、电等资源或能量在网络上的距离损耗。,空间插值一、空间插值的概念和理论 空间插值常用于将离
32、散点的测量数据转换为连续的数据曲面，以便与其它空间现象的分布模式进行比较，它包括了空间内插和外推两种算法。空间内插算法是一种通过已知点的数据推求同一区域其它未知点数据的计算方法；空间外推算法则是通过已知区域的数据，推求其它区域数据的方法。,在以下几种情况下必须作空间插值： 1）现有的离散曲面的分辨率，象元大小或方向与所要求的不符，需要重新插值。例如将一个扫描影象（航空像片、遥感影象）从一种分辨率或方向转换到另一种分辨率或方向的影象。 2）现有的连续曲面的数据模型与所需的数据模型不符，需要重新插值。如将一个连续的曲面从一种空间切分方式变为另
33、一种空间切分方式，从TIN到栅格、栅格到TIN或矢量多边形到栅格。 3）现有的数据不能完全覆盖所要求的区域范围，需要插值。如将离散的采样点数据内插为连续的数据表面。,二、空间插值的数据源 连续表面空间插值的数据源包括： 摄影测量得到的正射航片或卫星影象； 卫星或航天飞机的扫描影象； 野外测量采样数据，采样点随机分布或有规律的线性分布（沿剖面线或沿等高线）； 数字化的多边形图、等值线图。,空间插值的数据通常是复杂空间变化有限的采样点的测量数据，这些已知的测量数据称为“硬数据”。如果采样点数据比较少的
34、情况下，可以根据已知的导致某种空间变化的自然过程或现象的信息机理，辅助进行空间插值，这种已知的信息机理，称为“软信息”。,采样点的空间位置：,三、空间插值方法 空间插值方法可以分为整体插值和局部插值方法两类。整体插值方法用研究区所有采样点的数据进行全区特征拟合；局部插值方法是仅仅用邻近的数据点来估计未知点的值。,（1）整体插值方法 1）边界内插方法 边界内插方法假设任何重要的变化发生在边界上，边界内的变化是均匀的，同质的，即在各方向都是相同的。这种概念模型经常用于土壤和景观制图，可以通过定义“均质的”
35、土壤单元、景观图斑，来表达其它的土壤、景观特征属性。,2）趋势面分析 理论基础：某种地理属性在空间的连续变化，可以用一个平滑的数学平面加以描述。,思路：先用已知采样点数据拟合出一个平滑的数学平面方程，再根据该方程计算无测量值的点上的数据。 定义：只根据采样点的属性数据与地理坐标的关系，进行多元回归分析得到平滑数学平面方程的方法，称为趋势面分析。它的理论假设是地理坐标（x,y）是独立变量，属性值Z也是独立变量且是正态分布的，同样回归误差也是与位置无关的独立变量。,3）变换函数插值 根据一个或多个空间参量
36、的经验方程进行整体空间插值，也是经常使用的空间插值方法，这种经验方程称为变换函数。,（2）局部插值方法 局部插值方法只使用邻近的数据点来估计未知点的值，包括几个步骤： 1）定义一个邻域或搜索范围； 2）搜索落在此邻域范围的数据点； 3）选择表达这有限个点的空间变化的数学函数； 4）为落在规则格网单元上的数据点赋值。重复这个步骤直到格网上的所有点赋值完毕。 使用局部插值方法需要注意的几个方面是：所使用的插值函数；邻域的大小、形状和方向；数据点的个数；数据点的分布方式是规则的还是不规则的。,1）最近邻点法：泰森多边形方法；2）移动平均插值方法：距离倒数插值；3）样条函数插值方法；4）空间自协方差最佳插值方法：克里金插值。,第六节 土地信息的空间查询,空间信息查询是对土地信息系统所描述的空间实体及其空间信息进行访问，从众多的空间实体中挑选出满足用户要求的空间实体及其相应的属性。 分为： 基于空间关系特征的查询； 基于属性特征的查询； 基于空间关系和属性特征的查询。,
