空间分析

空间分析

空间分析是基于地理对象的位置和形态的空间数据的分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。空间分析是地理信息系统的主要特征。空间分析能力（特别是对空间隐含信息的提取和传输能力）是地理信息系统区别与一般信息系统的主要方面，也是评价一个地理信息系统成功与否的一个主要指标。

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空间分析概论

空间分析

自从有了地图，人们就自觉或者不自觉地进行着各种类型的空间分析。比如，在地图上测量地理要素之间的距离、面积，以及利用地图进行战术研究和战略决策等。随着现代科学技术，尤其是计算机技术引入地图学和地理学，地理信息系统开始孕育、发展。以数字形式存在于计算机中的地图，向人们展示了更为广阔的应用领域。利用计算机分析地图、获取信息，支持空间决策，成为地理信息系统的重要研究内容，“空间分析”这个词汇也就成为了这一领域的一个专门术语。

空间分析是GIS的核心和灵魂，是GIS区别于一般的信息系统、CAD或者电子地图系统的主要标志之一。空间分析，配合空间数据的属性信息，能提供强大、丰富的空间数据查询功能。因此，空间分析在GIS中的地位不言而喻。

空间分析简介

空间分析

空间分析是为了解决地理空间问题而进行的数据分析与数据挖掘，是从GIS目标之间的空间关系中获取派生的信息和新的知识，是从一个或多个空间数据图层中获取信息的过程。空间分析通过地理计算和空间表达挖掘潜在的空间信息，其本质包括探测空间数据中的模式；研究数据间的关系并建立空间数据模型；使得空间数据更为直观表达出其潜在含义；改进地理空间事件的预测和控制能力。

空间分析主要通过空间数据和空间模型的联合分析来挖掘空间目标的潜在信息，而这些空间目标的基本信息，无非是其空间位置、分布、形态、距离、方位、拓扑关系等，其中距离、方位、拓扑关系组成了空间目标的空间关系，它是地理实体之间的空间特性，可以作为数据组织、查询、分析和推理的基础。通过将地理空间目标划分为点、线、面不同的类型，可以获得这些不同类型目标的形态结构。将空间目标的空间数据和属性数据结合起来，可以进行许多特定任务的空间计算与分析。

不少空间分析方法已经在GIS软件中实现，ArcGISToolsBox中就集成了大量的空间分析工具，例如空间信息分类、叠加、网络分析、领域分析、地统计分析等等，另外，还有一系列适应地理空间数据的高性能计算模型和方法，例如人工神经网络、模拟退火算法、遗传算法等等。但总的来说，在GIS软件中实现的专业空间分析模块还比较少，由于空间分析理论自身的不完善，也使得还没有比较全面、权威的软件包集成于GIS软件中。GIS软件与空间分析软件相结合的方式有两种，一种是高度耦合，一种是松散耦合。

空间分析

高度耦合结构即把空间分析模块嵌入到GIS软件包中，供用户直接从图形界面中选择各种功能，GIS中相关的数据直接可以参与到空间分析计算中，这种方式方便了用户，但代价是开发费用较高，实现周期长。也只有少数的大型GIS公司才会深入的涉足到高耦合结构GIS软件的设计与开发中，例如美国ESRI公司。

松耦合结构则是在相对独立的GIS软件和空间分析软件之间使用一个数据交换接口，GIS软件中的数据通过接口为空间分析软件提供基本的分析数据源，经空间分析软件计算出的结果通过接口以图形的方式显示在GIS软件中，实现这种架构方式相对容易，费用也相对较低，一般可以使用开源的GIS软件即可实现这种结构。

空间分析内容

空间分析

一般来说，空间分析包括以下的内容，这些功能在GIS平台软件（比如ESRI公司的ArcGIS，计算所的VegaGIS，中地公司的MAPGIS等）中都提供：

1.基于空间关系的查询

空间实体间存在着多种空间关系，包括拓扑、顺序、距离、方位等关系。通过空间关系查询和定位空间实体是地理信息系统不同于一般数据库系统的功能之一。如查询满足下列条件的城市：在京九线的东部，距离京九线不超过200公里，城市人口大于100万并且居民人均年收入超过1万。整个查询计算涉及了空间顺序方位关系(京九线东部),空间距离关系（距离京九线不超过200公里），甚至还有属性信息查询(城市人口大于100万并且居民人均年收入超过1万）。

2.空间量算

对于线状地物求长度、曲率、方向，对于面状地物求面积、周长、形状、曲率等；求几何体的质心；空间实体间的距离等。

3.缓冲区分析

邻近度描述了地理空间中两个地物距离相近的程度，其确定是空间分析的一个重要手段。交通沿线或河流沿线的地物有其独特的重要性，公共设施的服务半径，大型水库建设引起的搬迁，铁路、公路以及航运河道对其所穿过区域经济发展的重要性等，均是一个邻近度问题。缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具之一。所谓缓冲区就是地理空间目标的一种影响范围或服务范围。在建立缓冲区时，缓冲区的宽度并不一定是相同的，可以根据要素的不同属性特征，规定不同的缓冲区宽度，以形成可变宽度的缓冲区。例如，沿河流绘出的环境敏感区的宽度应根据河流的类型而定。这样就可根据河流属性表，确定不同类型的河流所对应的缓冲区宽度，以产生所需的缓冲区。

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4.叠加分析

大部分GIS软件是以分层的方式组织地理景观，将地理景观按主题分层提取，同一地区的整个数据层集表达了该地区地理景观的内容。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。叠加分析不仅包含空间关系的比较，还包含属性关系的比较。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、线与多边形叠加、多边形叠加、栅格图层叠加。

5.网络分析

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，是地理信息系统中网络分析功能的主要目的。定位与分配模型是根据需求点的空间分布，在一些候选点中选择给定数量的供应点以使预定的目标方程达到最佳结果。不同的目标方程就可以求得不同的结果。在运筹学的理论中，定位与分配模型常可用线性规划求得全局性的最佳结果。由于其计算量以及内存需求巨大，所以在实际应用中常用一些启发式算法(heuristicalgorithms)来逼近或求得最佳结果。在众多的启发算法中以下两个算法是常用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，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。

6.空间统计分类分析

多变量统计分析主要用于数据分类和综合评价。在大多数情况下，首先是将大量未经分类的数据输入信息系统数据库，然后要求用户建立具体的分类算法，以获得所需要的信息。分类评价中常用的几种数学方法有：主成分分析、层次分析、聚类分析、判别分析。

空间分析

GIS得以广泛应用的重要技术支撑之一就是空间统计与分析。例如，在区域环境质量现状评价工作中，可将地理信息与大气、土壤、水、噪声等环境要素的监测数据结合在一起，利用GIS软件的空间分析模块，对整个区域的环境质量现状进行客观、全面的评价，以反映出区域中受污染的程度以及空间分布情况。通过叠加分析，可以提取该区域内大气污染布图、噪声分布图;通过缓冲区分析，可显示污染源影响范围等。可以预见，在构建和谐社会的过程中，GIS和空间分析技术必将发挥越来越广泛和深刻的作用。