GIS空间分析原理 · 考点可视化

动手拖一拖、点一点,把抽象步骤变成看得见的画面。

Douglas-Peucker 线压缩

拖动“限差”,观察哪些点被保留。橙色圈是当前最大偏差点。

答题要点:① 首尾连基线 → ② 找离基线最远的点 → ③ 偏差大于限差:保留并以它为界一分为二;小于等于限差:舍弃中间点 → ④ 对每段递归,直到没有点超限。限差越大,压缩越狠,形状越失真。

Dijkstra 最短路径

点“下一步”,每步先贪心选最近点,再松弛邻居。起点为 A。

答题要点:① 初始化:起点距离 0,其余 ∞,分出已定集 X 与未定集 M → ② 贪心选择:从 M 中取距离最小的点入 X → ③ 路径松弛:以它为中转,更新 M 中邻点的暂存距离 → ④ 循环直到 M 为空。图中粗线是已形成的最短路径树。

缓冲区分析

缓冲区是目标周围按距离划出的邻域。切换目标类型,调整半径。

答题要点:缓冲区是基于拓扑关系的距离邻域分析。点:圆弧步进拟合出圆;线:转角处用凸角圆弧补足等宽性(图中拐角圆润的原因),也可用角平分线法;面:沿边界向外(内)扩展。生成边界后再做范围内统计。

最小凸包

点击画布加点,凸包会实时更新。像一根橡皮筋套住所有图钉。

答题要点:从坐标极限点(如 y 最小点)出发,按顺时针或逆时针方向逐点包裹,每次选转角最外侧的点,回到起点闭合。凸包上的点都是“最外圈”的点,内部点一定不在凸包上。

空间点模式:聚集还是分散

生成三种分布,看最邻近指数 R 怎么变。

答题要点:最邻近指数 R = 实际平均最邻近距离 ÷ 随机分布下的期望距离。R<1 聚集,R≈1 随机,R>1 趋向均匀。它属于基于距离的方法(还有 G、F、K 函数);基于密度的有样方计数与核密度估计。

地图代数:局部、邻域、区域

先搞懂栅格:把地面切成整齐的小方格(像元),每格存一个数(高程、降雨、土地类型……)。一张图层就是一张“数字表格”,所以图层之间能做“代数”。三种运算只需要问一句:这个格子的结果,由谁决定?

先选运算类型,再选具体算法;邻域请点击任意格子查看 3×3 窗口。

答题要点:局部(Local):输出只由各图层同一位置的像元计算;邻域(Focal):由指定窗口内的像元集合计算;区域(Zonal):由另一个分区图层限定的同区像元集合计算。

空间拓扑关系:4I 与 9I

选一种位置关系,再切换 4I / 9I,看交集矩阵怎么变。

AB
答题要点:拓扑关系与度量、方向无关。4I 比较两个面的内部和边界,得到 2×2=4 个交集;9I 再加入外部,得到 3×3=9 个交集,能描述更细的关系(尤其点、线、面之间)。格子里 1 表示有交集,0 表示无。

概念速记

空间分析:基于地理对象位置和形态特征的数据分析技术,是 GIS 区别于普通数据库和制图系统的核心标志。

做什么新信息例子
查询检索已有数据无查学区内有哪些学校
分析用数学工具加工空间与语义信息派生新数据缓冲区、叠置
挖掘结合地学专业知识与复杂模型,从海量数据中“淘金”隐含的深层规律犯罪热点与路灯的关联

方法体系:空间查询、量算、插值、叠置、缓冲区、网络分析、DEM 分析、空间统计。

拓扑关系:与度量和方向无关,橡皮膜拉伸扭曲后不变(相交、包含、相接)。4I:内部+边界,2×2=4 个交集;9I:再加外部,3×3=9 个交集;另有 V9I 等扩展。交互见“拓扑 4I/9I”标签。

距离:闵可夫斯基距离,q=1 曼哈顿,q=2 欧氏,q→∞ 切比雪夫;实体间有最近、最大、中心距离;球面用大圆弧长。

算法速记

算法步骤
Douglas-Peucker首尾连基线→找最大偏差点→大于限差则保留并一分为二,否则舍弃中间点→递归
最小凸包(卷包裹)从极限点出发,顺或逆时针包裹成外壳
Weiler-Atherton 裁剪求交点并标入点、出点→从未追踪的入点出发沿主多边形走→遇交点跳到另一多边形→回到起点闭合
矢量叠加包含分析→求交切割→拓扑重建→建立联系表→属性综合
TIN 生长最近两点为初始基线→在一侧找张角最大(或空外接圆)的第三点成三角形→新边作新基线向外扩展→直到覆盖所有点
Delaunay任意三角形的外接圆内不含其他点;另有逐点插入(Watson)、LOP 对角线交换优化
Dijkstra起点 0、其余 ∞→从暂存点选最近的变确定点→松弛:新点距离+边长<暂存距离才更新→循环至全部确定(已确定点不再改)
Floyd求任意两点间最短路径,逐个试中转点
推销员 TSP每点恰好一次并回到起点,总路程最短
选址总路程最小点(兼顾所有人);最大路程极小点(最远的点也尽量近)
缓冲区点:圆弧步进拟合;线:角平分线法、凸角圆弧法(外侧缺口补圆弧,内侧去重,保证等宽性)

统计与建模

地图代数:局部(同一位置)、邻域(周围窗口)、区域(同一分区);栅格叠加如逻辑并 C=A∪B。

ESDA 探索性空间数据分析:箱线图、中值分析、空间自相关(用散点图判断正或负关联)。

类别方法判断
基于密度(聚集性)样方计数、核密度估计样方:点数方差均值比>1 聚集,约 1 随机,<1 均匀
基于距离(分散性)最邻近指数 NNI、G、F、K 函数R=实际距离÷期望距离;<1 聚集,约 1 随机,>1 均匀

空间聚类:基本思想是“物以类聚”,事先不知道类别,按相似性把空间对象分成若干簇。基本准则:簇内尽量相似(近),簇间尽量相异(远)。

准则看什么怎么做
距离准则对象之间或类与类之间的距离距离近的归为一类;如每点先自成一类,反复合并距离最近的两类
离差(方差)准则类内各点到类中心的离差平方和使类内离差平方和尽量小;如合并后离差平方和增加最少的两类先合并

课件清单只列了这两个准则的名称,具体做法以老师 PPT 为准。

空间分析一般步骤(建模概念模式):口诀:问题→拆问题→要数据→做分析→验结果→用结果。

步骤做什么超市选址例子
① 明确问题说清目标和约束选一个服务居民最多的位置
② 分解问题拆成可操作的子问题靠近居民区、远离竞争店、交通方便
③ 收集数据准备所需数据居民点、竞争店、路网
④ 实施空间分析用具体的空间分析方法缓冲区、叠置、网络分析
⑤ 结果检验判断结果是否合理和实际情况对比
⑥ 应用分析结果用结果支持决策给出选址建议

ModelBuilder 图解建模三要素:工具(地理处理)、变量(数据或值)、连接符(执行方向)。

易错清单