1、第七章第七章 空间查询与空间查询与空间分析空间分析 空间分析是地理信息系统的核心功能之一，它特有的空间分析是地理信息系统的核心功能之一，它特有的对地理信息（特别是隐含信息）的提取、表现和传输对地理信息（特别是隐含信息）的提取、表现和传输功能，是地理信息系统区别于一般信息系统的主要功功能，是地理信息系统区别于一般信息系统的主要功能特征能特征 空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术，其目的在提取和传输空间信息据分析技术，其目的在提取和传输空间信息 本章主要介绍本章主要介绍GISGIS中实现空间分析的基本功能，包括中实现空间分析的基本功
2、能，包括:空间查询与量算，缓冲区分析、叠加分析、路径分析、空间查询与量算，缓冲区分析、叠加分析、路径分析、空间统计分类分析等，并描述了相关的算法，以及其空间统计分类分析等，并描述了相关的算法，以及其中的计算公式中的计算公式1.1.空间查询空间查询2.2.叠置分析叠置分析3.3.缓冲区分析缓冲区分析4.4.网络分析网络分析5.5.三维空间分析三维空间分析6.6.空间统计分析空间统计分析本章重点与作业本章重点与作业本章内容：本章内容：空间查询是空间查询是GISGIS的最基本最常用的功能，也是区别的最基本最常用的功能，也是区别于其它数字制图系统的主要特征于其它数字制图系统的主要特征v1.1 1.1
3、几何参数查询几何参数查询v1.2 1.2 空间定位查询空间定位查询v1.3 1.3 空间关系查询空间关系查询v1.4 SQL1.4 SQL查询查询 1.1.空间查询空间查询 空间对象的几何参数查询功能主要是查询空间对象的空间对象的几何参数查询功能主要是查询空间对象的几何参数，主要包括几何参数，主要包括q点对象的位置坐标查询点对象的位置坐标查询q两点之间的距离查询、点到线之间最短距离查询两点之间的距离查询、点到线之间最短距离查询q线对象的长度、曲率、方向查询线对象的长度、曲率、方向查询q面对象的周长、面积等查询面对象的周长、面积等查询q体对象的表面积、体积等查询体对象的表面积、体积等查询q其中线
4、对象的长度、面对象的周长和面积是软件自动计算生成的，无需人工计算和编辑;计算方法在第五章介绍过v1.1 1.1 几何参数查询几何参数查询形状量测形状量测q如果认为一个标准的圆目标既非紧凑型也非膨胀型的，则可定义其形状系数据r 为 q其中，P为目标物周长，A为目标物面积q如果r1，目标物为膨胀型APr2ABcv1.2 1.2 空间定位查询空间定位查询 空间定位查询是指给定一个点或一个几何图形，检索空间定位查询是指给定一个点或一个几何图形，检索出该图形范围内的空间对象以及相关属性出该图形范围内的空间对象以及相关属性 1 1）按点查询）按点查询q 给定一个鼠标点位（在图形窗口中用鼠标左键点击），检索
5、给定一个鼠标点位（在图形窗口中用鼠标左键点击），检索出离它最近的空间对象，并显示它的属性出离它最近的空间对象，并显示它的属性 2 2）按矩形查询）按矩形查询q 给定一个矩形窗口，查询出该窗口内某一类地物的所有对象，给定一个矩形窗口，查询出该窗口内某一类地物的所有对象，如果需要可以显示每个对象的属性表如果需要可以显示每个对象的属性表q 有两种方式：包含在窗口内、包含或部分压盖；前者要进行有两种方式：包含在窗口内、包含或部分压盖；前者要进行对象完全落入窗口内的判断计算对象完全落入窗口内的判断计算 3 3）按圆查询）按圆查询 给定一个圆或椭圆，检索出该圆或椭圆内某一类或一层的空给定一个圆或椭圆，检索
6、出该圆或椭圆内某一类或一层的空间对象，过程与按矩形查询相似间对象，过程与按矩形查询相似 4 4）按多边形查询）按多边形查询q 用鼠标给定一个多边形，或者在图上选定一个多边形对象，用鼠标给定一个多边形，或者在图上选定一个多边形对象，检索出该多边形内某一类或一层的空间对象，过程与按矩形检索出该多边形内某一类或一层的空间对象，过程与按矩形查询相似，但是要复杂得多，主要涉及到点、线、面在多边查询相似，但是要复杂得多，主要涉及到点、线、面在多边形内的判断计算形内的判断计算v1.3 1.3 空间关系查询空间关系查询 空间关系查询包括空间拓扑关系查询和缓冲区查询空间关系查询包括空间拓扑关系查询和缓冲区查询；
7、空间关系查询有些是通过拓扑数据结构直接查询得空间关系查询有些是通过拓扑数据结构直接查询得到，有些是通过空间运算，特别是空间位置的关系到，有些是通过空间运算，特别是空间位置的关系运算得到。运算得到。q 邻接查询邻接查询 q 包含关系查询包含关系查询 q 穿越查询穿越查询 q 落入查询落入查询 q 缓冲区查询缓冲区查询 1 1）邻接查询邻接查询邻邻接查询接查询包括以下两种：包括以下两种：q 多边形邻接查询多边形邻接查询（多边形（多边形 弧段弧段 多边形）多边形）q 线与线的邻接查询线与线的邻接查询（线（线 弧段弧段 结点结点 弧段）弧段）2 2）包含关系查询包含关系查询q 查询某一个面状地物所包含
8、得某一类空间对象，被包含得查询某一个面状地物所包含得某一类空间对象，被包含得 对象可以是点状地物、线状地物或面装地物；查询过程与多对象可以是点状地物、线状地物或面装地物；查询过程与多边形定位查询一致边形定位查询一致 3 3）穿越查询穿越查询q 查询某一条公路和某一条河流所穿越的县市或乡镇查询某一条公路和某一条河流所穿越的县市或乡镇q 例如：查找京广线穿越的省份，过程：例如：查找京广线穿越的省份，过程：1 1）打开）打开china.tabchina.tab、province.tabprovince.tab和和rail.tabrail.tab2 2）打开）打开SQLSQL对话框，在条件文本框内键入
9、表达式：对话框，在条件文本框内键入表达式：PROVINCE.obj PROVINCE.obj Intersects(select obj from rail where name=Intersects(select obj from rail where name=京广线京广线)4 4）落入查询）落入查询q 属于了解某一空间对象落在那个空间对象内的情况属于了解某一空间对象落在那个空间对象内的情况q 例如，查询某一个国家等级控制点落在那个乡镇的地域范例如，查询某一个国家等级控制点落在那个乡镇的地域范围内；查询某个工厂落在城市的某个区内围内；查询某个工厂落在城市的某个区内q 涉及到点、线、面在多边
10、形内的判断计算涉及到点、线、面在多边形内的判断计算 5 5）缓冲区查询）缓冲区查询q 先作点、线或面的缓冲区，然后判断落入缓冲区内的地物先作点、线或面的缓冲区，然后判断落入缓冲区内的地物q 例如，了解某铁路沿线例如，了解某铁路沿线2020公里范围内的城镇；求一污染源公里范围内的城镇；求一污染源（烟囱污染、河流污染）所影响的区域地带（烟囱污染、河流污染）所影响的区域地带v1.4 SQL1.4 SQL查询查询 GISGIS的一个主要功能特色之一就是能够根据图形查询的一个主要功能特色之一就是能够根据图形查询到属性和根据属性条件查询到相应的图形到属性和根据属性条件查询到相应的图形 前面介绍的都是根据空
11、间图形查询空间关系及相应前面介绍的都是根据空间图形查询空间关系及相应的属性，这一部分介绍如何根据属性查找图形的属性，这一部分介绍如何根据属性查找图形 主要包括：主要包括：q 查找查找 q SQLSQL查询查询 q 扩展的扩展的SQLSQL查询查询 1）查找）查找q 是最简单的由属性查询图形的操作q 不需要SQL命令，在属性表给定一个属性值，就可以找到对应属性记录和空间图形（居中显示）2 2）SQLSQL查询查询q GISGIS软件通常支持标准的软件通常支持标准的SQLSQL查询语言，标准查询语言，标准SQLSQL查询语言是：查询语言是：Select Select 需显示的属性项需显示的属性项F
12、rom From 属性表属性表Where Where 条件条件or or 条件条件And And 条件条件q 进一步复杂的查询还可以进行嵌套进一步复杂的查询还可以进行嵌套，即即WhereWhere的条件中可以进一的条件中可以进一步嵌套步嵌套SelectSelect语句语句q 一般一般GISGIS提供了用户查询界面，即提供了用户查询界面，即SQLSQL语句输入对话框语句输入对话框 q 例如，在美国地图上查找例如，在美国地图上查找“pop_1980pop_1980”2000000 2000000 的州的州q 1）单击）单击【查询扩展查询扩展SQL查找查找】菜单项或查询工具条按钮，菜单项或查询工具条
13、按钮，弹出弹出“扩展扩展SQL查询查询”对话框对话框q 2）在）在“待查属性表待查属性表”编辑框中输入或在编辑框中输入或在“属性表列表属性表列表”下拉下拉框中选择框中选择“statess”；q 3）在）在“条件表达式条件表达式”编辑框中输入编辑框中输入“pop_19802000000”的的条件表达式条件表达式在中国省区图上选取在中国省区图上选取19901990年人口数在平均人口数以上的省区年人口数在平均人口数以上的省区 3）扩展的）扩展的SQL查询查询q 将将SQL的属性条件和空间关系的图形条件组合在一起形成扩的属性条件和空间关系的图形条件组合在一起形成扩展的展的 SQL查询语言查询语言q 空
14、间关系谓词通常有：空间关系谓词通常有：Ajacent、Contain、Cross、Inside、Buffer等等q 例如，例如，MapInfo提供的提供的扩展的扩展的SQL查询查询图形操作符：图形操作符：t Contains:第一个对象包含第二个对象的中心第一个对象包含第二个对象的中心t Contain Part:第一个对象包含第二个对象的一部分第一个对象包含第二个对象的一部分t Contain Entire:第一个对象包含整个第二个对象第一个对象包含整个第二个对象t Within:第一个对象的中心在第二个对象内第一个对象的中心在第二个对象内t Partly Within:第一个对象的一部分在
15、第二个对象内第一个对象的一部分在第二个对象内t Entirely Within:第一个对象的完全在第二个对象内第一个对象的完全在第二个对象内t Intersects:两个对象在某处相交两个对象在某处相交q 例如例如,查询三峡地区长江流域人口大于查询三峡地区长江流域人口大于5050万的县或市，扩展的万的县或市，扩展的SQLSQL空间查询语句为：空间查询语句为：Select Select*From From 县或市县或市 Where Where 县或市县或市人口人口5050万万 And CrossAnd Cross（河流（河流名称名称 =“长江长江”）2.2.叠置分析叠置分析 空间叠置是一种非常重
16、要的空间分析分析功能，在日空间叠置是一种非常重要的空间分析分析功能，在日常工作中我们需要了解诸如一个乡的森林覆盖面积、常工作中我们需要了解诸如一个乡的森林覆盖面积、一个县的公路里程数、一个区域内的河流密度、一个一个县的公路里程数、一个区域内的河流密度、一个区域内的中小学校数等一类的问题，空间叠置分析可区域内的中小学校数等一类的问题，空间叠置分析可以解决此类问题以解决此类问题 空间叠置至少涉及到两个图层、其中至少一个图层是空间叠置至少涉及到两个图层、其中至少一个图层是多边形图层（基本图层），另一个图层可以是点、线、多边形图层（基本图层），另一个图层可以是点、线、面面 空间叠置方法从数据类型来看可
17、以分为空间叠置方法从数据类型来看可以分为基于栅格数据基于栅格数据的叠置、基于矢量数据的叠置、基于矢量数据的叠置两种；从空间叠置对象的叠置两种；从空间叠置对象来看可以分为：来看可以分为：视觉信息叠加、点与多边形叠加、线视觉信息叠加、点与多边形叠加、线与多边形的叠置、多边形叠加、栅格图层叠加与多边形的叠置、多边形叠加、栅格图层叠加 1）空间逻辑运算的概念）空间逻辑运算的概念q假设欧氏空间的图层A、B为二值图像，或A、B为两个多边形，则存在以下布尔逻辑运算AB AB A-BAB (AB)-(AB)2）基于栅格的叠置分）基于栅格的叠置分析析q（A）不经过压缩）不经过压缩的的两个栅格图像叠置两个栅格图像
18、叠置分析非常简单和高分析非常简单和高效；设任意两个图效；设任意两个图层层Aij、Bij，要得到，要得到结果集结果集Cij，只要对，只要对每个栅格元素进行每个栅格元素进行逻辑运算逻辑运算q（B B）基于线性四叉树的两个基本块的逻）基于线性四叉树的两个基本块的逻辑运算辑运算MA(小)MA(大)（4）（3）（3）（4）（4）或（2）（1）（3）q（C）空间逻辑叠置运算实例）空间逻辑叠置运算实例t逻辑交运算：逻辑交运算：查询土壤厚度查询土壤厚度50cm的小麦地的小麦地t逻辑并运算：逻辑并运算：查询土壤厚度查询土壤厚度50cm，以及耕种，以及耕种小麦的土地小麦的土地t逻辑差运算：逻辑差运算：不生长在钙土
19、中的森林不生长在钙土中的森林q（D）基于栅格图层叠加的空间模拟）基于栅格图层叠加的空间模拟 t 空间模拟需要通过各种各样的方程将不同数据层面进行叠加空间模拟需要通过各种各样的方程将不同数据层面进行叠加运算，以揭示某种空间现象或空间过程运算，以揭示某种空间现象或空间过程t 例如例如,土壤侵蚀强度与土壤可蚀性，坡度，降雨侵蚀力等因素土壤侵蚀强度与土壤可蚀性，坡度，降雨侵蚀力等因素有关，可以根据多年统计的经验方程，把土壤可蚀性、坡度、有关，可以根据多年统计的经验方程，把土壤可蚀性、坡度、降雨侵蚀力作为数据层面输入，通过数学运算得到土壤侵蚀降雨侵蚀力作为数据层面输入，通过数学运算得到土壤侵蚀强度分布图
20、强度分布图t 实例：实例：有一个森林地区融雪经验模型：有一个森林地区融雪经验模型：tM=M=（0.19T+0.17D0.19T+0.17D）t 式中，式中，M M是融雪速度（厘米是融雪速度（厘米/天），天），T T是空气温度，是空气温度，D D是露点温是露点温度度；根据此方程，使用该地区的气温和露点温度分布图层，根据此方程，使用该地区的气温和露点温度分布图层，就能计算该地区融雪速率分布图就能计算该地区融雪速率分布图t 计算过程是先分别把温度分布图乘以计算过程是先分别把温度分布图乘以0.190.19和露点温度分布图和露点温度分布图乘以乘以0.170.17，再把得到的结果相加，再把得到的结果相加
21、3）视觉信息叠加）视觉信息叠加q视觉信息叠加是将不同侧面的信息内容叠加显示在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：觉信息叠加包括以下几类：t点状图、线状图和面状图之间的叠加显示点状图、线状图和面状图之间的叠加显示t面状图区域边界之间或一个面状图与其他专题区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域边界之间的叠加t遥感影象与专题地图的叠加遥感影象与专题地图的叠加t专题地图与数
22、字高程模型（专题地图与数字高程模型（DEMDEM）叠加显示立体）叠加显示立体专题图专题图（DOM-TM30+1:25DOM-TM30+1:25万万DLG-DLG-水系）水系）4）点与多边形叠加）点与多边形叠加q 主要确定每个点状对象落在那个多边形内主要确定每个点状对象落在那个多边形内q 通过点在多边形内的判断来实现通过点在多边形内的判断来实现q 叠置结果：原有点的叠置结果：原有点的 属性、多边形标识和多边形（部分）属性属性、多边形标识和多边形（部分）属性q 例如例如，一个中国政区图（多边形）和一个全国矿产分布图（点），一个中国政区图（多边形）和一个全国矿产分布图（点），二者经叠加分析后，并且将
23、政区图多边形有关的属性信息加到矿产二者经叠加分析后，并且将政区图多边形有关的属性信息加到矿产的属性数据表中，然后通过属性查询，可以查询指定省有多少种矿的属性数据表中，然后通过属性查询，可以查询指定省有多少种矿产，产量有多少；而且可以查询，指定类型的矿产在哪些省里有分产，产量有多少；而且可以查询，指定类型的矿产在哪些省里有分布等信息布等信息 5）线与多边形的叠置）线与多边形的叠置q 线与多边形的叠置分析亦是将线的图层叠置在多边形的图层线与多边形的叠置分析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上，以确定一条线落在哪一个多边形内q 往往一个线目标跨越多个多边形，这时需要先
24、进行线与多边往往一个线目标跨越多个多边形，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，形成一个新的空间目形边界的求交，并将线目标进行切割，形成一个新的空间目标的结果集标的结果集q 实例实例1 1：如果线状图层为河流，叠加的结果是多边形将穿过它如果线状图层为河流，叠加的结果是多边形将穿过它的所有河流打断成弧段，可以查询任意多边形内的河流长度，的所有河流打断成弧段，可以查询任意多边形内的河流长度，进而计算它的河流密度等进而计算它的河流密度等q 实例实例2 2：如果线状图层为道路网，叠加的结果可以得到每个多如果线状图层为道路网，叠加的结果可以得到每个多边形内的道路网密度，内部的交通流量，
25、进入、离开各个多边形内的道路网密度，内部的交通流量，进入、离开各个多边形的交通量，相邻多边形之间的相互交通量边形的交通量，相邻多边形之间的相互交通量 6）多边形叠加）多边形叠加 q多边形叠加将两个或多个多边形图层进行叠加产生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素分割成新要素，新要素综合了原来两层或多层的属性属性q叠加过程可分为几何求交过程和属性分配过程两步叠加过程可分为几何求交过程和属性分配过程两步：几何求交过程首先求出所有多边形边界线的交点，几何求交过程
26、首先求出所有多边形边界线的交点，再根据这些交点重新进行多边形拓扑运算，对新生再根据这些交点重新进行多边形拓扑运算，对新生成的拓扑多边形图层的每个对象赋一多边形唯一标成的拓扑多边形图层的每个对象赋一多边形唯一标识码识码；生成一个与新多边形对象一一对应的属性表生成一个与新多边形对象一一对应的属性表q 属性分配过程：属性分配过程：1 1）最典型的方法是将输入图层对象的）最典型的方法是将输入图层对象的属性拷贝到新对象的属性表中，或把输入图层对象的属性拷贝到新对象的属性表中，或把输入图层对象的标识作为外键，直接关联到输入图层的属性表，这种标识作为外键，直接关联到输入图层的属性表，这种属性分配方法的理论假
27、设是多边形对象内属性是均质属性分配方法的理论假设是多边形对象内属性是均质的，将它们分割后，属性不变；的，将它们分割后，属性不变；2 2）结合多种统计方法）结合多种统计方法为新多边形赋属性值为新多边形赋属性值q 应用：应用：多边形叠加完成后，根据新图层的属性表可以多边形叠加完成后，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样可以进行各种空间分析和查询操作 多边形叠加分析 q 由于矢量结构的有限精度原因，几何对象不可能完全匹配，叠加结果可能会出现一些碎屑多边形（Silver Polygon），通
28、常可以设定一模糊容限以消除它 叠加生成碎屑多边形 T2 时刻多边形 多边形叠加结果 T1 时刻多边形 缓冲区分析的概念与缓冲区查询的概念不完全相同缓冲区分析的概念与缓冲区查询的概念不完全相同 缓冲区查询缓冲区查询是不破坏原有空间目标的关系，只是检索是不破坏原有空间目标的关系，只是检索得到该缓冲区范围内涉及到的空间目标得到该缓冲区范围内涉及到的空间目标 缓冲区分析缓冲区分析则不同，它是对一组或一类地物按缓冲的则不同，它是对一组或一类地物按缓冲的距离条件，建立缓冲区多边形图，然后将这一个图层距离条件，建立缓冲区多边形图，然后将这一个图层与需要进行缓冲区分析的图层进行叠置分析，得到所与需要进行缓冲区
29、分析的图层进行叠置分析，得到所需要的结果需要的结果 应用，应用，林业方面要求距河流一定范围内禁止砍伐树木林业方面要求距河流一定范围内禁止砍伐树木的地带，城市道路扩建时，需要求缓冲区内的建筑物的地带，城市道路扩建时，需要求缓冲区内的建筑物 缓冲区分析涉及两步操作：缓冲区分析涉及两步操作：q第一步是建立缓冲区图层第一步是建立缓冲区图层q第二步是进行叠置分析第二步是进行叠置分析3.3.缓冲区分析缓冲区分析1 1）点缓冲区）点缓冲区q 选择一组点状地物，或一类点状地物或一层点状地物，选择一组点状地物，或一类点状地物或一层点状地物，根据给定的缓冲区距离，形成缓冲区多边形图层根据给定的缓冲区距离，形成缓冲
30、区多边形图层q 例如，例如，距城镇地区距离小于距城镇地区距离小于1010公里的村庄（人口）；公里的村庄（人口）；受点源污染的居民区；学校、医院服务区的界定受点源污染的居民区；学校、医院服务区的界定2 2）线缓冲区）线缓冲区 q 选择一类或一层的线状空间地物，按给定的缓冲距离，形成选择一类或一层的线状空间地物，按给定的缓冲距离，形成线缓冲区多边形线缓冲区多边形q 例如，例如，求某河流的受益区域的面积；求沿某公路可能形成的求某河流的受益区域的面积；求沿某公路可能形成的工业走廊；河流保护区的定界工业走廊；河流保护区的定界3 3）面缓冲区）面缓冲区 q 选择一类或一层面状地物，按给定的缓冲区距离，形成
31、缓冲选择一类或一层面状地物，按给定的缓冲区距离，形成缓冲区多边形区多边形q 面缓冲区有外缓冲区和内缓冲区之分，外缓冲区仅在面状地面缓冲区有外缓冲区和内缓冲区之分，外缓冲区仅在面状地物的外围形成缓冲区，内缓冲区则在面状地物的内侧形成缓物的外围形成缓冲区，内缓冲区则在面状地物的内侧形成缓冲区冲区；当然也可以在面状地物的边界两侧均形成缓冲区当然也可以在面状地物的边界两侧均形成缓冲区q 例如例如，可以用在湖泊保护区的定界；动植物种群保护区确定，可以用在湖泊保护区的定界；动植物种群保护区确定q 某种动物需要依附于湖泊生成，为了选择该类动物的保护区，某种动物需要依附于湖泊生成，为了选择该类动物的保护区，需
32、要设置面缓冲区，并作叠置分析；然后结合植被情况最终需要设置面缓冲区，并作叠置分析；然后结合植被情况最终选定保护区选定保护区(某种动物生成环境离湖泊不能大于某种动物生成环境离湖泊不能大于5 5公里的森林公里的森林区区)4 4）缓冲区的建立）缓冲区的建立 q 建立点缓冲区仅是以点状地物为圆心，以缓冲区距离为半径建立点缓冲区仅是以点状地物为圆心，以缓冲区距离为半径绘圆即可绘圆即可q 线状地物和面状地物的缓冲区的建立也是以线状地物或面状线状地物和面状地物的缓冲区的建立也是以线状地物或面状地物的边线为参考线，作它们的平行线，再考虑端点圆弧，地物的边线为参考线，作它们的平行线，再考虑端点圆弧，即可建立缓冲
33、区即可建立缓冲区q 实际处理中要复杂得多，因为当定位中心线比较复杂时，缓实际处理中要复杂得多，因为当定位中心线比较复杂时，缓冲区之间往往出现重叠而彼此相交，需要进行特殊处理来求冲区之间往往出现重叠而彼此相交，需要进行特殊处理来求得合理的缓冲区，方法是得合理的缓冲区，方法是t在作参考线的平行线时，考虑各种情况，自动切断彼此相在作参考线的平行线时，考虑各种情况，自动切断彼此相交的弧段交的弧段t通过叠置的缓冲区多边形进行合并，并清除缓冲区通过叠置的缓冲区多边形进行合并，并清除缓冲区内的相内的相交弧段交弧段 4.4.网络分析网络分析v4.1 4.1 网络分析概述网络分析概述 在城市交通规划与管理、地下
34、管网（如给排水、煤在城市交通规划与管理、地下管网（如给排水、煤气）的管理和维护，以及电力、通讯、有线电视等气）的管理和维护，以及电力、通讯、有线电视等部门，需要应用部门，需要应用GISGIS技术进行相应的系统分析、管理技术进行相应的系统分析、管理与维护与维护 这些应用部门的一个共同点，就是其基础研究数据这些应用部门的一个共同点，就是其基础研究数据是由点和线组成的网状数据是由点和线组成的网状数据 要全面地描述网状事物以及其它们的相互关系和内要全面地描述网状事物以及其它们的相互关系和内在联系，就必须利用基于此类网状数据所进行的一在联系，就必须利用基于此类网状数据所进行的一类空间分析技术类空间分析技
35、术网络分析网络分析 网络分析的数学定义：网络分析的数学定义：网络分析的基础是图论和运网络分析的基础是图论和运筹学，它通过研究网络的状态以及模拟和分析资源筹学，它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在网络上的流动和分配情况，对网络结构及其资源等的优化问题进行研究，它包括：等的优化问题进行研究，它包括：q 最佳路径、资源分配、结点或弧段的游历（旅行推销员问最佳路径、资源分配、结点或弧段的游历（旅行推销员问题、中国邮递员问题）以及最小连通树，最大（小）流等题、中国邮递员问题）以及最小连通树，最大（小）流等问题问题 网络分析的网络分析的GISGIS定义：定义
36、：网络分析则是依据网络拓扑关网络分析则是依据网络拓扑关系（邻接和连通关系），通过考察网络元素的空间系（邻接和连通关系），通过考察网络元素的空间及属性数据，以数学理论模型为基础，对网络的性及属性数据，以数学理论模型为基础，对网络的性能特征进行多方面的一种分析计算能特征进行多方面的一种分析计算 应用：应用：网络分析在电子导航、交通旅游、城市规划管网络分析在电子导航、交通旅游、城市规划管理以及电力、通讯等各种管网管线的布局设计中发挥理以及电力、通讯等各种管网管线的布局设计中发挥了重要的作用了重要的作用 网络实例：网络实例：q 铁路、公路铁路、公路q 电力网、电讯网电力网、电讯网q 煤气管网煤气管网q
37、 各种服务网络各种服务网络q 航空网络航空网络q 街道网络街道网络为什么要使用网络分析？为什么要使用网络分析？q从甲地到乙地的最短路径是什么？从甲地到乙地的最短路径是什么？q如何设定一个服务中心？如何设定一个服务中心？q特定位置的服务中心的服务范围？特定位置的服务中心的服务范围？q从一个位置到另一个位置的通行程度如何？从一个位置到另一个位置的通行程度如何？q从出发地到目的地，有多少条可行路线？从出发地到目的地，有多少条可行路线？q如何在街道图上定位一个发生的事件？如何在街道图上定位一个发生的事件？网络类型网络类型q平面网络：平面网络：除节点外，网络链不相交，如公路网除节点外，网络链不相交，如公
38、路网q非平面网络：非平面网络：网络链可相交，如航空网络网络链可相交，如航空网络网络层次网络层次q精细尺度网络，如街道网络精细尺度网络，如街道网络q中尺度网络，如交通规划中尺度网络，如交通规划q粗尺度网络，如高速公路网粗尺度网络，如高速公路网 网络数据结构网络数据结构q 具有图的结构具有图的结构t 结点/结点集：图中任意两条线段交点t 边/边集：图中的任意一条边（弧段）t 图：有限结点和边的集合t 网络：有向图q 具有一般地理数据的内容具有一般地理数据的内容t 拓扑关系、空间数据、属性数据结点网络中分布的中间点、交点等，弧段交点链连接节点并具有运输能力的线段（弧段）地理网络的特殊要素地理网络的特
39、殊要素3人10人5人学校8路公共汽车起点站8路公共汽车终点站6人路径站点中心拐点障碍点段q 站点站点t 网络中物流的装、卸位置，但不一定在网络结点上t 如公交路线的汽车站、邮政网络的邮筒等q 中心中心t 网络中具有集中或分散资源的结点t 如公交系统的汽车总站、水系中的水库、街道网络中的学校、小区等q 障碍点障碍点t 网络中限制资源流通的点，如河流的闸门q 拐点拐点t 网络中物流方向发生改变的点t 有方向控制q 段段t 弧或弧的一部分t 由起点和终点，可通过百分比形式衡量q 路径路径t 具有属性的有序弧段的集合，表示一线型特征t 如公交系统中边家村到黄雁村路段q 路径系统路径系统t 路径和段的集
40、合，常用来管理具有相同属性的多个线形特征t 如城市公交系统中的行车路线t 路径系统要使用统一的度量标准q 阻抗阻抗t 资源在网络中运动的阻力大小，用时间、成本等衡量t 与链的长度、方向、属性、结点类型有关t 不同类型的阻抗要具有统一的量纲t 适用对象 链（弧段、段）结点（拐点）q 资源需求量资源需求量t 网络链或结点能收集的或可提供给某一中心的资源量t 弧段、结点t 如水网中水管的供水量、沿街道学生分布3人10人5人学校q 资源容量资源容量t 中心为满足各弧段要求而能提供的资源总量，或从一中心流向（接收）另一中心的资源总量，如水库容量、学校最大学生数等t 中心点：最大容量、服务范围、服务延迟数
41、等t 站点：资源需求量（上、下）q 事件事件t 路径系统中某一路径的分段属性t 属性由用户定义，用路径的度量表示t 类型点事件：与一个位置对应，一个度量线事件：区段，两个度量连续事件GISGIS中常用的网络分析问题中常用的网络分析问题 q 1 1）路径分析路径分析 t路径分析是路径分析是GISGIS中最基本的功能，其核心是对最佳路中最基本的功能，其核心是对最佳路径径和最短路径和最短路径的求解的求解t例如，例如，救弧护车需要了解从医院到病人家里走哪条路救弧护车需要了解从医院到病人家里走哪条路最快，旅客往往要在众多的航线中找到费用最小的中最快，旅客往往要在众多的航线中找到费用最小的中转方案转方案t
42、从网络模型角度看，从网络模型角度看，最佳路径的求解就是在指定网络最佳路径的求解就是在指定网络的两结点间找一条阻抗强度最小的路径的两结点间找一条阻抗强度最小的路径，最常用的方，最常用的方法是法是DijkstraDijkstra算法算法GISGIS中常用的网络分析问题中常用的网络分析问题 q 2 2）资源分配）资源分配t资源分配也称定位与分配问题，它包括了目标选址和资源分配也称定位与分配问题，它包括了目标选址和将需求按最近（这里的远近是按加权距离来确定的）将需求按最近（这里的远近是按加权距离来确定的）原则寻找的供应中心（资源发散或汇集地）两个问题原则寻找的供应中心（资源发散或汇集地）两个问题t例如
43、，例如，资源分配能为城市中的每条街道上学生确定最资源分配能为城市中的每条街道上学生确定最近的学校，为水库提供其供水区，物流的货物供应点近的学校，为水库提供其供水区，物流的货物供应点问题问题GISGIS中常用的网络分析问题中常用的网络分析问题 q 3 3）连通分析）连通分析t 人们常常需要知道从某一结点或边出发能够到达的全部结点人们常常需要知道从某一结点或边出发能够到达的全部结点或边或边，这一类问题称为连通分量求解这一类问题称为连通分量求解；t 例如，例如，当地震发生时，救灾指挥部需要知道，把所有被破坏当地震发生时，救灾指挥部需要知道，把所有被破坏的公路和桥梁考虑在内，救灾物资能否从集散地发送到
44、每个的公路和桥梁考虑在内，救灾物资能否从集散地发送到每个居民点，如果不能到达，就要采取特殊方式运送货物（直升居民点，如果不能到达，就要采取特殊方式运送货物（直升机）机）t 另一类连通分析间题是最少费用连通方案的求解，即在耗费另一类连通分析间题是最少费用连通方案的求解，即在耗费最小的情况下使得全部结点相互连通最小的情况下使得全部结点相互连通；t 例如，例如，公路部门拟修建足够数量的公路，使某县的公路部门拟修建足够数量的公路，使某县的5 5个镇直个镇直接或间接地相互连接，如何使费用最少？接或间接地相互连接，如何使费用最少？GISGIS中常用的网络分析问题中常用的网络分析问题 q 4 4）流分析）流
45、分析t 所谓流，就是资源在结点间的传输；流分析的问题主要是按照所谓流，就是资源在结点间的传输；流分析的问题主要是按照某种优化标准（时间最少、费用最低、路程最短或运送量最大某种优化标准（时间最少、费用最低、路程最短或运送量最大等）设计资源的运送方案等）设计资源的运送方案t 为了实施流分析，就要根据最优化标准的不同为了实施流分析，就要根据最优化标准的不同扩充网络模型扩充网络模型t 例如：例如：把把结点结点分为发货中心和收货中心，分别代表资源运送的分为发货中心和收货中心，分别代表资源运送的起始点和目标点；这时发货中心的容量就代表待运送资源量，起始点和目标点；这时发货中心的容量就代表待运送资源量，收货
46、中心的容量就代表它所需要的资源量；收货中心的容量就代表它所需要的资源量；t 弧段弧段的相关数据也要扩充，如果最优化标准是运送量最大，就的相关数据也要扩充，如果最优化标准是运送量最大，就要设定边的传输能力；如果目标是使费用最低，则要为边设定要设定边的传输能力；如果目标是使费用最低，则要为边设定传输费用等传输费用等t 网络流理论是它的计算基础网络流理论是它的计算基础t 实例：实例：物流管理信息系统物流管理信息系统v4.2 4.2 最佳路径分析最佳路径分析“最佳路径最佳路径”中的中的“佳佳”包含很多含义，它不仅可以包含很多含义，它不仅可以指一般地理意义上的距离最短，还可以是时间最短、指一般地理意义上
47、的距离最短，还可以是时间最短、费用最少、线路利用率最高等标准；但是无论引申为费用最少、线路利用率最高等标准；但是无论引申为何种判断标准，其核心实现方法都是最短路径算法何种判断标准，其核心实现方法都是最短路径算法1 1）路径分析的分类）路径分析的分类q 静态求最佳路径：静态求最佳路径：在给定每条链上的属性后，求最佳路径在给定每条链上的属性后，求最佳路径q N N条最佳路径分析：条最佳路径分析：确定起点或终点，求代价最小的确定起点或终点，求代价最小的N N条路径，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而要
48、选择近似最优路径q 最短路径或最低耗费路径：最短路径或最低耗费路径：确定起点、终点和要经过的中间确定起点、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点、中间连线，求最短路径或最小耗费路径q 动态最佳路径分析：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，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可能还会临时出现一些障碍点，需要动态的计算最佳路径（临时改变障碍）（临时改变障碍）2）计算最短路径的计算最短路径的Dijkstra算法算法(戴克斯徒拉）戴克斯徒拉）q 求最短路径的基本思路求最短路径的基本思路t 设欧氏空间的任意三点x，y
49、，z，令d(x,y)为x-y的距离，则有d(x，y)d(x，z)+d(z，y)t 令dk为结点vi(v1)到vj的最短距离，wij为vi到vj的权值，对于(vi，vj)不属于边的结点对时，令wij，显然d10dk dj+wjk，k，j=2，3，pt 当且仅当(vj，vk)在v1到vk的最短路径上时，等式成立；假设dk是v1到vk的最短路径、该路径最后一弧段为(vj，vk)，由局部与整体的关系，路径的前一段v1到vj也必为v1到vj的最短路径，则d10dkmin(dj+wjk)k，j=2，3，p；kjt 上式是最短路径方程，直接求解此方程比较困难t 可以采用Dijkstra算法，它是一个按路径长
50、度递 增的次序产生最短路径的算法v1vkvjvkvj2vj1vj3v1 2）计算最短路径的计算最短路径的Dijkstra算法算法(戴克斯徒拉）戴克斯徒拉）q 为了进行网络最短路径分析，需要将网络转换成有向图为了进行网络最短路径分析，需要将网络转换成有向图；无论是计无论是计算最短路径还是最佳路径，其算法都是一致的，不同之处在于有向算最短路径还是最佳路径，其算法都是一致的，不同之处在于有向图中每条弧的权值设置图中每条弧的权值设置q DijkstraDijkstra算法可以用于计算从有向图中任意一个节点到其它节点的算法可以用于计算从有向图中任意一个节点到其它节点的最短路径最短路径q 第一：第一：用带
