柵格數(shù)據(jù)分析

1、1空間分析柵格數(shù)據(jù)分析空間分析概述柵格數(shù)據(jù)分析空間分析概述空間分析空間分析是基于地理對象的位置和形態(tài)的空間數(shù)據(jù)的分析技術(shù)，其目的在于提取和傳輸空間信息?？臻g分析是地理信息系統(tǒng)的主要特征?？臻g分析能力（特別是對空間隱含信息的提取和傳輸能力）是地理信息系統(tǒng)區(qū)別與一般信息系統(tǒng)的主要方面，也是評價一個地理信息系統(tǒng)成功與否的一個主要指標(biāo)。傳統(tǒng)的地圖學(xué)中的地圖應(yīng)用就是一種空間分析。在現(xiàn)代GIS領(lǐng)域，空間分析是指利用計(jì)算機(jī)分析、獲取和傳輸空間信息。人口密度圖 空間分析對于空間分析的具體研究對象，目前還沒有一個一致的定義。根據(jù)空間分析作用的數(shù)據(jù)性質(zhì)的不同，把空間分析分為：基于空間圖形數(shù)據(jù)的分析運(yùn)算；基于非空間

2、屬性的數(shù)據(jù)運(yùn)算；空間和非空間數(shù)據(jù)的聯(lián)合運(yùn)算?？臻g分析賴以進(jìn)行的基礎(chǔ)是地理空間數(shù)據(jù)庫，其運(yùn)用的手段包括各種幾何的邏輯運(yùn)算、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，代數(shù)運(yùn)算等數(shù)學(xué)手段。空間分析的主要內(nèi)容空間位置：借助于空間坐標(biāo)系傳遞空間對象的定位信息，是空間對象表述的研究基礎(chǔ)，即投影與轉(zhuǎn)換理論?？臻g分布：同類空間對象的群體定位信息，包括分布、趨勢、對比等內(nèi)容?？臻g形態(tài)：空間對象的幾何形態(tài)空間距離：空間物體的接近程度空間關(guān)系：空間對象的相關(guān)關(guān)系，包括拓?fù)洹⒎轿?、相似、相關(guān)等?？臻g分析的步驟確定分析目的和評價標(biāo)準(zhǔn)收集、輸入空間和屬性數(shù)據(jù) 進(jìn)行空間位置的處理和分析 獲得簡要分析結(jié)果（包括地圖和表格） 解釋和評價結(jié)果 以專題地圖，

3、文字報(bào)表形式作為正式結(jié)果，供決策用。 空間分析技術(shù)發(fā)展各種地圖應(yīng)用（醫(yī)學(xué)應(yīng)用）定量分析空間對象的分布模式地理空間本身特征、空間決策過程、時空演化過程等數(shù)字地圖改變了地圖的應(yīng)用方式，展示了更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和更為靈活的應(yīng)用方式空間分析是GIS區(qū)別與其他信息系統(tǒng)的標(biāo)志，是GIS技術(shù)的一個主要發(fā)展方向：管理型向分析決策型轉(zhuǎn)變。柵格數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析環(huán)境局部運(yùn)算鄰域運(yùn)算分帶運(yùn)算距離量測運(yùn)算其他柵格運(yùn)算柵格數(shù)據(jù)分析柵格數(shù)據(jù)模型使用一種覆蓋空間規(guī)則格網(wǎng)，其每個格網(wǎng)像元值對應(yīng)于該像元位置的空間現(xiàn)象的特征。柵格數(shù)據(jù)分析能在單個像元、像元組和整個格網(wǎng)像元的不同層次上進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)分析柵格數(shù)據(jù)分析在軟件特定的柵格數(shù)據(jù)

4、上操作可從DEM, 衛(wèi)星影像和ASC文件等相同數(shù)據(jù)源導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析環(huán)境分析的區(qū)域范圍和輸出像元大小分析的區(qū)域范圍由最大最小的x,y坐標(biāo)定義的區(qū)域(特定格網(wǎng))格網(wǎng)的組合掩模格網(wǎng)輸出像元大小用戶可以自定義輸出像元的大小輸出像元大小等于或大于格網(wǎng)中最大的像元大小局部運(yùn)算是柵格數(shù)據(jù)分析的核心運(yùn)算是逐個像元的運(yùn)算由單個或多個輸入格網(wǎng)生成一個新的格網(wǎng)輸入單一格網(wǎng)，局部運(yùn)算以輸入格網(wǎng)像元值的數(shù)學(xué)函數(shù)計(jì)算輸出格網(wǎng)的每個像元值如浮點(diǎn)型格網(wǎng)轉(zhuǎn)換為整型格網(wǎng)（INTEGER功能）把用百分?jǐn)?shù)表示的格網(wǎng)轉(zhuǎn)換為用度數(shù)表示的格網(wǎng)（表達(dá)式slope-d=57.296*arctan(slope-p/100)）局部運(yùn)算單一格網(wǎng)的局部

5、運(yùn)算ArcView為局部運(yùn)算提供的Arithmetic（算術(shù)）, logarithmic（對數(shù)）, trigonometric（三角函數(shù)）, 和 power（冪） 函數(shù)坡度格網(wǎng)可用百分?jǐn)?shù)(a) 或度數(shù)(b)表示，局部運(yùn)算可用來進(jìn)行這兩種測度系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換重分類通過分類運(yùn)算創(chuàng)建一個新的柵格圖，也成為重編碼新創(chuàng)建的格網(wǎng)逐個像元的分配新值如農(nóng)田的柵格圖可以重新分類（編碼）已經(jīng)灌溉的賦值為1，沒有灌溉的賦2人口密度圖中重新分類： 密度在025每平方公里的賦值為1，其余為0重分類目的簡化柵格圖可以把連續(xù)的值轉(zhuǎn)化為少量離散的分類便于發(fā)現(xiàn)規(guī)律將比率值轉(zhuǎn)化為簡單的整數(shù)值在值域范圍內(nèi)柵格圖可以表示成獨(dú)立分類多個格網(wǎng)

6、的局部運(yùn)算涉及地圖的合成、疊加或添加運(yùn)算，也成為地圖的數(shù)學(xué)運(yùn)算如用平均統(tǒng)計(jì)量的局部運(yùn)算可從20個年平均降水量輸入格網(wǎng)計(jì)算一個年平均降水量格網(wǎng)柵格圖(d) 是(a, b, 和c) 三個柵格圖的均值運(yùn)算結(jié)果，空白柵格中沒有數(shù)據(jù)柵格圖(d) 是(a, b, 和c) 三個柵格圖的多數(shù)運(yùn)算結(jié)果，空白柵格中沒有數(shù)據(jù)combination （組合）運(yùn)算給每個輸入組合賦予一個唯一輸出值，假設(shè)坡度格網(wǎng)（a）有三個單元值（020%、20%40%和大于40% ），坡向格網(wǎng)（b）有四個單元值（北、東、南、西）。組合運(yùn)算生成的輸出格網(wǎng)（c）為每個坡度和坡向的組合值，如1代表坡度大于大于40% 和南坡，2代表坡度20%4

7、0%和南坡，其余類推。柵格圖(d)是組合編碼和其所代表的涵義局部運(yùn)算的應(yīng)用探測變化的研究利用組合運(yùn)算產(chǎn)生唯一組合來追蹤像元值的變化（如植被覆蓋變化）預(yù)測動物的適宜棲息環(huán)境Logit(p)=-6.5988+14.6189R和p=1/(1+e Logit(p) )P是狼群出現(xiàn)的概率；R為道路密度；局部運(yùn)算的應(yīng)用通用土壤流失方程式（USLE）A=RKLSCP A為土壤平均流失量；R為降雨強(qiáng)度；K為土壤可蝕性；L為坡長；S為坡度；C為耕作因素；P為水土保持措施因素誤差傳遞像元值的質(zhì)量與原始數(shù)據(jù)的精確性相關(guān)如由衛(wèi)星影像解譯得到的柵格數(shù)據(jù)評價方式與評價衛(wèi)星影像分類精度一樣鄰域運(yùn)算涉及中心點(diǎn)像元及其一組環(huán)繞

8、像元常見鄰域包括四鄰域和八鄰域其他鄰域類型還有：圓形、環(huán)形、楔形鄰域類型x 是中心像元(i,j)(i,j)4-鄰接8-鄰接鄰域運(yùn)算在單一格網(wǎng)中進(jìn)行一般用鄰域內(nèi)的像元值與中心點(diǎn)的像元值作計(jì)算或僅用鄰域內(nèi)的像元值作計(jì)算，然后把結(jié)果賦給中心點(diǎn)輸出結(jié)果可為統(tǒng)計(jì)量，包括最大值、最小值、總和、平均值等。ArcView中的鄰域運(yùn)算Neighborhood Statistics(鄰域統(tǒng)計(jì)),用于計(jì)算格網(wǎng)或點(diǎn)狀要素的鄰域鄰域運(yùn)算的應(yīng)用用于簡化數(shù)據(jù)滑動平均法通常用3 x 3 或5 x 5 的模版做鄰域運(yùn)算，結(jié)果使圖像得到了平滑 如 1.56 是 (1 +2 +2 +1 +2 +2 +1 +2 +1) / 9的計(jì)算

9、結(jié)果(1 +2 +2 +1 +2 +2 +1 +2 +1) / 9(2 +2 +2 +2 +2 +2 +2 +1 +3) / 93 x 3模版 邊緣增強(qiáng)可用值域?yàn)V波，值域是所定義鄰域內(nèi)最大值和最小值之差的測度 如圖是 3 x 3模版的值域?yàn)V波處理，(a)是原圖，(b)是處理結(jié)果圖(200 100)(210 100)(210 100)平滑運(yùn)算采用基于多數(shù)的測度法，把頻率最高的像元值賦予中心像元，從而平滑圖像圖像(b)是 圖像(a)采用 3 x 3模版生成的平滑圖像。22鄰域運(yùn)算的應(yīng)用圖像處理平滑、銳化、邊緣增強(qiáng)、去除噪聲地形分析坡度、坡向、表面的曲率都是由其鄰域單元的高程值導(dǎo)出的銳化去噪平滑分帶

10、運(yùn)算用于處理相同數(shù)值或相似要素的單元組可用于單一格網(wǎng)或兩個格網(wǎng)單一格網(wǎng)：用于描述地帶的幾何要素如面積、周長、厚度和距心兩個格網(wǎng)：輸出格網(wǎng)是分帶格網(wǎng)中地帶對應(yīng)輸入格網(wǎng)值的統(tǒng)計(jì)量單一格網(wǎng)分帶：如圖的兩塊大面積濕地（地帶），包括面積（平方公里），周長和厚度（公里）以及質(zhì)心X兩個格網(wǎng):圖像 (c) 輸入格網(wǎng) (a)和 分帶格網(wǎng) (b)的運(yùn)算結(jié)果。 例如2.17 是地帶1對應(yīng)的輸入值 1, 1, 2, 2, 4, 3 平均值分帶運(yùn)算的應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)（單一格網(wǎng)）外形完整度的度量：與圓作比較，逼近100為圓，0為高度扭曲的形狀其中A為面積，P為周長比較目的描述性統(tǒng)計(jì)（兩個格網(wǎng)）比較不同質(zhì)地的土壤特征，分帶格

11、網(wǎng)：砂土、壤土和黏土輸入格網(wǎng)：坡度、坡向和高度，總結(jié)出三種土壤類型的坡度、坡向和高度特征距離量測運(yùn)算可稱為擴(kuò)展的鄰域運(yùn)算或全局運(yùn)算計(jì)算與源單元的距離，在同一格網(wǎng)中進(jìn)行節(jié)點(diǎn)為像元的中心，連接是把節(jié)點(diǎn)與其鄰接像元連接起來，距離是沿著各像元的連接計(jì)算的：橫向連接為1.0單元，斜向連接為1.4142單元距離量測運(yùn)算在柵格數(shù)據(jù)分析中的距離可以表達(dá)為自然或歐幾里的距離與成本距離自然距離：通過將兩個單元之間的鏈接累加并乘以單元的大小成本距離：以在單元之間移動的成本或阻抗來量測的距離自然距離用像元做量測單位，分為兩種情況：以連續(xù)距離對源像元建立緩沖，如此在整個格網(wǎng)上創(chuàng)建一系列波狀距離帶。對格網(wǎng)中的每個單元確定

12、與其最近的源像元的自然距離距離量測運(yùn)算河網(wǎng)的連續(xù)距離舉例成本距離用經(jīng)由每個像元的成本或阻抗作為距離單位需要另一個格網(wǎng)來定義經(jīng)過每個像元的成本或阻抗，每個像元的成本常常是幾個不同成本之和。如：管線建設(shè)成本包括建設(shè)和運(yùn)作成本以及環(huán)境影響的潛在成本。成本運(yùn)算的目標(biāo)是尋找一條最小累計(jì)成本的路徑。距離量測運(yùn)算使用有兩個源單元（a）的格網(wǎng)和成本格網(wǎng)（b），每個鏈接的成本距離（c）和從每個單元到源單元的最小累積成本距離（a）（b）（c）（d）步驟一、搜索與源單元鄰接的像元，把這些像元放在激活集合中，計(jì)算每個單元的成本值，成本價值排列如下：1.0、1.5、1.5、2.0、2.8、4.2步驟二、選擇最低成本值的

13、單元，搜索其鄰接單元，計(jì)算該單元與其鄰接單元的成本值（最低成本值加上鄰接成本），并與原結(jié)果比較，選擇最小值賦給該單元作為其最小成本值。排列成本價值。步驟三、成本為1.5的兩個單元被選中，并搜索其鄰域，計(jì)算最低成本，排列成本值最小累計(jì)成本格網(wǎng)生成（a）（b）（c）配置格網(wǎng)距離量測運(yùn)算的應(yīng)用自然距離的應(yīng)用明尼蘇達(dá)西北部大沙丘鶴潛在棲息地的柵格模型，應(yīng)用30m分辨率的TM遙感圖像建立植被專題圖，量測植被、道路、建筑物、農(nóng)田等的連續(xù)距離帶，將適宜棲息植被分為理想、較理想、勉強(qiáng)和不適宜幾類成本距離模型的應(yīng)用用于道路和管線的定點(diǎn)分析，從成本格網(wǎng)尋找最低累積成本路徑。Hepner建立了阻抗格網(wǎng)的氣體擴(kuò)散模型

14、其他分析運(yùn)算聚類、聚合分析指將一個單一層面的柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)經(jīng)某種變換而得到一個具有新含義的柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程，也稱為柵格數(shù)據(jù)的單層面派生處理法。柵格數(shù)據(jù)的聚類聚合分析處理法在數(shù)字地形模型及遙感圖象處理中的應(yīng)用是十分普遍的。 聚類分析柵格數(shù)據(jù)的聚類是根據(jù)設(shè)定的聚類條件對原有數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行有選擇的信息提取而建立新的柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)的方法。 柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)樣圖 提取要素“2”的聚類結(jié)果圖 柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)樣圖中1、2、3、4為其中的四種類型要素，聚類結(jié)果圖為提取其中要素“2”的聚類結(jié)果。 其他分析運(yùn)算聚合分析柵格數(shù)據(jù)的聚合分析是指根據(jù)空間分辨力和分類表，進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的合并或轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)空間地域的兼并?？臻g聚

15、合的結(jié)果往往將較復(fù)雜的類別轉(zhuǎn)換為較簡單的類別，并且常以較小比例尺的圖形輸出。當(dāng)從地點(diǎn)、地區(qū)到大區(qū)域的制圖綜合變換時常需要使用這種分析處理方法。 如給定聚合的標(biāo)準(zhǔn)為1、2類合并為b，3、4類合并為a，則聚合后形成的柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)如圖所示 柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)樣圖 聚合后形成的柵格數(shù)據(jù)圖 其他分析運(yùn)算追蹤分析對于特定的柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)，由某一個或多個起點(diǎn)，按照一定的追蹤線索進(jìn)行追蹤目標(biāo)或者追蹤軌跡信息提取的空間分析方法。 647102520191681215212534221511172432302721121425313932251472029323323211232026282520161342023231812994171817128323 柵格所記錄的是地面點(diǎn)的海拔高程值，根據(jù)地面水流必然向最大坡度方向流動的基本追蹤線索，可以得出在以上兩個點(diǎn)位地面水流的基本軌跡。 追蹤分析法在利用數(shù)字高程模型自動提取等高線、污染源的追蹤分析等