第三节地理信息系统的空间分析功能地理信息系统区别于其它管理信息系统的最主要特征，就是其具有管理地理空间数据，并能按照其在实际空间的相对位置关系对之进行处理分析的能力。其对地理空间数据的这种处理分析功能，组成了地理信息系统实际应用的主要方面。此处拟对GIS中常用的空间分析功能作概括性介绍，有关空间分析方法及其在ArcView中应用的细节，将作为本书的重点内容在第八章“空间分析导论”及其以后的章节中陆续介绍。一、数字地面模型1、数字地面模型数字地面模型（DigitalTerrainModel，简称DTM），通常定义为描述地面特征空间分布的有序数值阵列。其坐标空间用X，Y或经、纬度来定义，地面特征可以是地貌、土壤、土地利用、土地权属等等。DTM可以是每三个坐标值为一组元的散点结构，也可以是整体的数字阵列，或由多项式或富里叶级数所确定的曲面方程。数字地面模型是对区域地理空间数字描述的基本形式和基本手段之一，是进行地理空间分析的基础数据。2、数字高程模型（DigitalElevationModel，简称DEM）将数字地面模型的地面特征用于描述地面高程，这时的DTM被称为“数字高程模型”，简称DEM。数字高程模型是建立各种数字地形模型的基础，通过DEM，可以方便地获得地表的各种特征参数，其应用可遍及整个地学领域。在测绘中其可用于绘制等高线、坡度图、坡向图、立体透视图、立体景观图，并应用于制作正射影像图、立体匹配片、立体地形模型及地图的修测；在各种工程中可用于体积和面积的计算、各种剖面图的绘制及线路的设计；军事上可用于导航（包括导弹及飞机的导航）、通讯、作战任务的计划等；遥感中可作为分类的辅助数据；在环境与规划中可用于地现状的分析、各种规划及洪水险情预报等。二、空间统计分析空间统计分析即以空间地理实体为对象，就其形状、分布、空间相互关系而进行的统计分析。空间统计分析在动、植物分布及生物种群研究，景观生态学，环境保护等领域有广泛的用途。如在景观生态学及相关研究中，常用的多样性指数（如丰富度、均匀度、优势度等），镶嵌度指数（如集聚度），距离指数（如最小距离指数、连接度指数等），生境破碎化指数等，都可以通过对地理空间数据的坐标和属性数据，进行诸如空间自相关分析、变异矩和相关分析、波谱分析、空间趋势面分析及空间插值方法得到。三、空间叠置分析空间叠加就是将两个或多个图层以相同的空间位置重叠在一起，经过图形和属性运算，产生新的空间区域的过程。叠加的每幅图层称为一个叠置层，每个叠置层带有一个将用于综合运算的属性，一个叠置层反映了某一方面的专题信息。叠加中的图形运算的复杂程度视数据结构的不同而有所不同。栅格数据由于已是对空间的规则划分，所以没有空间图形的运算，因为各个栅格的位置、大小对叠置层都应该是一致的。相比之下，失量图的叠加就要复杂得多，这种复杂性来源于对空间6
6 第三节 地理信息系统的空间分析功能 地理信息系统区别于其它管理信息系统的最主要特征，就是其具有管理地理空间数 据，并能按照其在实际空间的相对位置关系对之进行处理分析的能力。其对地理空间 数据的这种处理分析功能，组成了地理信息系统实际应用的主要方面。 此处拟对 GIS 中常用的空间分析功能作概括性介绍，有关空间分析方法及其在 ArcView 中应用的细节，将作为本书的重点内容在第八章“空间分析导论”及其以后 的章节中陆续介绍。 一、数字地面模型 1、数字地面模型 数字地面模型（Digital Terrain Model，简称 DTM），通常定义为描述地面特征空 间分布的有序数值阵列。其坐标空间用 X，Y 或经、纬度来定义，地面特征可以是地 貌、土壤、土地利用、土地权属等等。DTM 可以是每三个坐标值为一组元的散点结 构，也可以是整体的数字阵列，或由多项式或富里叶级数所确定的曲面方程。 数字地面模型是对区域地理空间数字描述的基本形式和基本手段之一，是进行地理 空间分析的基础数据。 2、数字高程模型（Digital Elevation Model，简称 DEM） 将数字地面模型的地面特征用于描述地面高程，这时的 DTM 被称为“数字高程模 型”，简称 DEM。 数字高程模型是建立各种数字地形模型的基础，通过 DEM，可以方便地获得地表 的各种特征参数，其应用可遍及整个地学领域。在测绘中其可用于绘制等高线、坡度 图、坡向图、立体透视图、立体景观图，并应用于制作正射影像图、立体匹配片、立 体地形模型及地图的修测；在各种工程中可用于体积和面积的计算、各种剖面图的绘 制及线路的设计；军事上可用于导航（包括导弹及飞机的导航）、通讯、作战任务的 计划等；遥感中可作为分类的辅助数据；在环境与规划中可用于土地现状的分析、各 种规划及洪水险情预报等。 二、空间统计分析 空间统计分析即以空间地理实体为对象，就其形状、分布、空间相互关系而进行的 统计分析。空间统计分析在动、植物分布及生物种群研究，景观生态学，环境保护等 领域有广泛的用途。 如在景观生态学及相关研究中，常用的多样性指数（如丰富度、均匀度、优势度 等），镶嵌度指数（如集聚度），距离指数（如最小距离指数、连接度指数等），生 境破碎化指数等，都可以通过对地理空间数据的坐标和属性数据，进行诸如空间自相 关分析、变异矩和相关分析、波谱分析、空间趋势面分析及空间插值方法得到。 三、空间叠置分析 空间叠加就是将两个或多个图层以相同的空间位置重叠在一起，经过图形和属性 运算，产生新的空间区域的过程。叠加的每幅图层称为一个叠置层，每个叠置层带有 一个将用于综合运算的属性，一个叠置层反映了某一方面的专题信息。 叠加中的图形运算的复杂程度视数据结构的不同而有所不同。栅格数据由于已是 对空间的规则划分，所以没有空间图形的运算，因为各个栅格的位置、大小对叠置层 都应该是一致的。相比之下，矢量图的叠加就要复杂得多，这种复杂性来源于对空间
线划相交的判断与计算，以及空间对象拓扑结构的重建等。由于失量数据的图形精度高于栅格数据的精度，失量数据叠加的结果一般也优于栅格数据叠加的结果。空间实体有点、线、面三种基本类别，叠加运算一般是在面状数据层之间或点、线要素数据层对面状数据层进行的，极少数情况也涉及到点-线的叠加操作。四、缓冲区分析缓冲区是以某类图形元素（点、线或面）为基础拓展一定的宽度而形成的区域。缓冲区在实际工作中具有重要意义，如查找一个噪声点源的影响范围可以以该点源为中心建立一个缓冲区，缓冲区的半径即最远的影响距离；又如一个飞机场噪声的影响范围是以飞机跑道为基准向外扩展的范围；在城市建设中，常常涉及拓宽道路的问题，拓宽道路需要计算房屋拆迁量，这需先用现有道路边线向外扩展一定的宽度而形成一个缓冲带，将该缓冲带与有关建筑物的数据层进行对比分析（或叠加分析），即可计算出拆迁量。缓冲操作后形成一个或多个多边形区域，单独的缓冲区操作并没有太大的实际意义。缓冲区功能必须与其它的空间分析一起使用才能发挥应有的作用。如前面的道路扩建例子，如果没有房屋层数据，不利用叠加功能，那么拆迁量是无法计算的。因此，缓冲区操作应理解为为达到某种目的而进行的一系列空间分析中的一个部分，其数据可能来源于其他分析结果，其成果也将为进一步的分析提供数据。另外缓冲区操作可以是以矢量数据结构为基础进行的，也可以是以栅格数据结构为基础而进行。栅格数据的缓冲区操作具有相同的规律，只是运算更为简单，并且具有明显的扩展（见随后的介绍）特色。五、空间扩展（Spread）缓冲区的区域内部是同值的，没有远、近与强、弱之分。如一个人从某点出发，十分钟所能走的路程范围是以该点为中心的一个圆，在缓冲区操作中该圆的内部被认为具有一致的属性，这上述例子中，即为统一的“十分钟路程”区域。现假定要考察该区域内部的情况，如想知道每分钟向外行走的区域分布，此类问题就是所谓的空间扩展问题。空间扩展是从一个或多个目标点开始逐步向外移动并同时计算某些变量的过程，适用于评定随距离而累加的现象。如以上例子中，向外行走累计的是时间，该值随距离的增大而增大。扩展功能的突出特点是对每一步的评价函数的累计值都进行了记录，常见的评价函数为距离求和、时间求和（累计），其间也考虑到限制因素。六、网络分析对地理网络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。这类问题在生产、社会、经济活动中不胜枚举，因此研究此类问题也具有重大意义。所谓网络（Network），是指线状要素相互联接所形成的一个线状模式，如道路网、管线网、电力网、河流网等。网络的作用是将资源从一个位置移动到另外一个位置。资源在运送过程中会产生消耗、堵塞、减缓等现象，这表明网络系统中必须有一个合理的体制，使得资源能够顺利地流动
7 线划相交的判断与计算，以及空间对象拓扑结构的重建等。由于矢量数据的图形精度 高于栅格数据的精度，矢量数据叠加的结果一般也优于栅格数据叠加的结果。 空间实体有点、线、面三种基本类别，叠加运算一般是在面状数据层之间或点、线 要素数据层对面状数据层进行的，极少数情况也涉及到点-线的叠加操作。 四、缓冲区分析 缓冲区是以某类图形元素（点、线或面）为基础拓展一定的宽度而形成的区域。 缓冲区在实际工作中具有重要意义，如查找一个噪声点源的影响范围可以以该点源为 中心建立一个缓冲区，缓冲区的半径即最远的影响距离；又如一个飞机场噪声的影响 范围是以飞机跑道为基准向外扩展的范围；在城市建设中，常常涉及拓宽道路的问 题，拓宽道路需要计算房屋拆迁量，这需先用现有道路边线向外扩展一定的宽度而形 成一个缓冲带，将该缓冲带与有关建筑物的数据层进行对比分析（或叠加分析），即 可计算出拆迁量。 缓冲操作后形成一个或多个多边形区域，单独的缓冲区操作并没有太大的实际意 义。缓冲区功能必须与其它的空间分析一起使用才能发挥应有的作用。如前面的道路 扩建例子，如果没有房屋层数据，不利用叠加功能，那么拆迁量是无法计算的。因 此，缓冲区操作应理解为为达到某种目的而进行的一系列空间分析中的一个部分，其 数据可能来源于其他分析结果，其成果也将为进一步的分析提供数据。 另外缓冲区操作可以是以矢量数据结构为基础进行的，也可以是以栅格数据结构为 基础而进行。栅格数据的缓冲区操作具有相同的规律，只是运算更为简单，并且具有 明显的扩展（见随后的介绍）特色。 五、空间扩展（Spread） 缓冲区的区域内部是同值的，没有远、近与强、弱之分。如一个人从某点出发，十 分钟所能走的路程范围是以该点为中心的一个圆，在缓冲区操作中该圆的内部被认为 具有一致的属性，这上述例子中，即为统一的“十分钟路程”区域。现假定要考察该 区域内部的情况，如想知道每分钟向外行走的区域分布，此类问题就是所谓的空间扩 展问题。 空间扩展是从一个或多个目标点开始逐步向外移动并同时计算某些变量的过程，适 用于评定随距离而累加的现象。如以上例子中，向外行走累计的是时间，该值随距离 的增大而增大。 扩展功能的突出特点是对每一步的评价函数的累计值都进行了记录，常见的评价函 数为距离求和、时间求和（累计），其间也考虑到限制因素。 六、网络分析 对地理网络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。这类问题在生产、社会、经济活动中不胜枚举，因此研究此 类问题也具有重大意义。 所谓网络（Network），是指线状要素相互联接所形成的一个线状模式，如道路网、 管线网、电力网、河流网等。网络的作用是将资源从一个位置移动到另外一个位置。资 源在运送过程中会产生消耗、堵塞、减缓等现象，这表明网络系统中必须有一个合理的 体制，使得资源能够顺利地流动