空间分析是GIS回答社会、经济和商业领域问题的主要体现

应用功能与软件 查询功能与应用 计算、统计与应用 空间分析与应用 常用软件介绍

查询功能与应用 本章主要问题： 什么是GIS的查询功能？查询方式有几种？ 怎样实现各种GIS的查询功能？ 查询功能主要应用在哪些方面？

由于GIS的数据库实现了对空间数据和属性数据的有效管理，使得空间特征与属性特征互相对应，使之可以进行多种方式的空间搜索从而实现GIS的查询功能，是GIS最基本、最常用的功能。它通过数据库对数据进行追踪、信息搜索、计算等提供位置信息和进行空间定位服务。GIS主要通过图形和属性之间互相提供线索的互查来实现查询的功能。因此，GIS的查询有两条途径。一种是通过属性特征来进行空间定位。另一种是根据空间位置来查询有关该空间实体的属性特征或者与该空间实体有某种联系的另一些空间实体。但是，现实问题却常常需要将二者交叉混合使用，才能达到目的。因此，由这两条查询途径可以有若干种查询方式。即图形查询、属性查询、单纯的空间查询、混合查询。

图形查询 这类查询是利用属性查图形，是回答在哪里的问题。其结果将用图形表示。因而，又称为空间查询。例如，查询全球人口大于500万的城市有哪些，它们分布在什么位置。其过程是通过功能键将用户意图告诉给数据库管理系统，然后，数据库管理系统根据指令在所能调动的数据范围内搜索和计算；完成后，再将结果通过数据向图形的转换告诉给显示系统；最后将所得出的结果用图形显示出来。通过这种查询可以提供空间定位服务。

查询举例分析 寻觅适宜住宅 新搂盘都分布在哪些地方？ 这个问题的已知属性是新楼盘。按楼盘年代的划分可以确定楼盘的新旧档次。 哪些地段的价格较合适？ 这个问题的已知属性是各楼盘的平均价格。同上方式，可以选出与价格相适应的楼盘及其地点来。 哪些小区距离学校近？ 那些小区生活方便？ 哪些小区周围的自然环境好？ 哪些楼盘可以去看？ 依此类推，上述问题也同样如法炮制地得出满足距离学校近、生活方便、周围环境好的楼盘分布地点。

如何利用软件进行查询 利用GIS软件进行查询通常有两种途径：通过属性表格；通过查询功能键“Query”来 选择条件。 1．利用属性表格查询空间特征：利用数据库管理系统中属性数据与空间数据的链接关系，选择一定的属性数据后，GIS软件工具将自动搜索与之对应的空间关系，然后将所得空间实体用图形显示出来。数据表格由“Table”管理功能来实现。如在ArcView中，利用表格查询空间图形如图9.1所示。

2．通过“Query”查询：是GIS最常用的查询途径。它是通过建立“与”、“或”、“大于”、“小于”等条件组合关系来查询空间实体的。由“Table里的Query”或“Query Builder”来实现。如在ArcView中，利用“Query”查询空间图形如图9.2所示。

属性查询 这类查询是已知图形查属性。是回答“是什么”的问题。查询过程是对属性数据的搜索。因而，又称为非空间查询。例如，利用世界地图查找中国境内的人口、国民生产总值（GDP）等。多数软件都将此工具设置为INFO功能键，让用户利用显示屏上的光标来在所显示的地图上采用一定的形状选择所要查询的地理范围或地物，借助数据库系统中的空间索引，快速检索出被选空间实体；然后根据数据库中空间数据和属性数据的链接关系，找出其属性表格。空间统计分析也往往在此基础上进行。按照已经知道的空间实体的类型，可以有以下一些查询方式。

按点查询 已知一个空间“点”的位置，利用数据库关系查询与其对应的属性。这个“点”可以是一个真正的“点”元素，也可以是该“点”所在的“线”或“面”元素。其根据是所选择的图层（主题）的对象类型。如所选择（在软件中表现为激活状态）的行政单位（“面”元素）中，点击一个行政单位区域内的任意一点，则利用“I”的功能，有关中国（China）的所有信息都自动得到显示（图9.3所示）。

按范围查询 是给定一个明确的空间范围，查询该区域范围内有关的空间实体及其属性（其实可以算 作一种混合查询）。这个空间范围是在数据库以外根据要求任意划定的（如图9.4所示）。它是通过利用图形来选择特征实现的（Select features using graphics）。这个任意范围的划定是由GIS软件中的绘图工具来完成的。可以是圆、巨型、多边型等多种范围划定方式。

单纯空间实体的查询 这类查询是已经知道空间实体查询另一个（些）空间实体。其实是第二条途径的一种特例。一类是与按范围查询相类似，先划定范围，然后查询在该范围内的空间实体，所查询得到的空间实体可包括点、线、面等多种类型；另一类是利用空间实体之间的关系在已知实体的基础上查询相关实体。

给定范围的查询 方法如同上述的按范围查询类似。查询所划定范围内所涉及到的空际空间实体。例如，查询以地中海中心为圆心，以400公里为半径的覆盖区域（假如，地震发生在该中心区域，则周围400公里受影响的区域应该是如图9.5 所示的国家）。

实体空间关系的查询 这类查询主要是对空间实体之间相对空间位置（拓扑关系）的查询。这种拓扑关系包括邻接、包含、穿越以及缓冲（扩散）等多种方式。 邻接关系：临界关系是指空间实体之间的相连性。一般指多边形与多边形的邻接和线与线的邻接。在应用中主要用于区域和区域之间的接壤、线路与线路之间的连接关系。 包含关系：主要是指一个多边形区域内所包含的点、线、面等空间实体的情况。 穿越关系：主要是指某一个线实体与其它的线、面等相交的情况。如，最常用的是一条公路所穿越的省份、县和乡等行政区域。 缓冲（扩散）关系：主要是指距离一个明确实体一定距离范围内的空间实体情况。如， 假设城市铁路影响周围的居民距离是100米，则距离铁路两旁100米以内的居民都将受到铁路噪音的影响。他们的分布范围就是由铁路两旁100米所缓冲的区域。这其实是一种空间实体对一定距离范围影响的扩散范围的选定和查询。（注：这里的这种缓冲功能仅是显示满足条件的区域范围，可以通过功能键直接得到所需要的空间范围，没有重新生成新的空间实体，是一种初步和简单的空间缓冲分析。因此，尽管其功能键在空间分析中，但对于人文科学的人员来说，放在空间查询里更容易理解。）

混合查询 例子: 商业规划 包括本商业中心在内的一定区域范围内的交通情况如何？ 这个问题由三个子问题构成： 例子: 商业规划 包括本商业中心在内的一定区域范围内的交通情况如何？ 这个问题由三个子问题构成： a. 所选则的商业中心所辐射的范围？ b. 穿越这个区域范围的交通线路怎样？ c. 这些交通线路所能到达的区域？ 这些问题将依次进行： 所选则的商业中心所辐射的范围？在按照范围查询中利用确定缓冲地带的范围选择出本商业中心所辐射的区域； 穿越这个区域范围的交通线路怎样？利用实体的空间穿越关系查询与本区域有关的交通线路； 这些交通线路所能到达的区域？利用实体的空间邻接关系查询与这些交通线路有关的区域。 在得到上述这些信息后，就可以对本商业中心的覆盖区域与实际客户的分布区域进行比较，分析影响客户的交通以及其它因素。

查询功能的应用 政府管理 政府的日常管理工作集中在对所管理事物和部门的组织与协调。而这种组织与协调的工作所需要的空间分析、计算和统计的机会并不多，多数主要是在对信息的查询和显示的基础上进行的。因此，信息查询是政府日常管理事物中常用的功能。它一般与办公自动化一起对管理人员进行决策和采取措施提供信息分布查询、时时的空间数据和信息监测、以及为决策提供依据的信息分析等。这种查询服务一般是在特定的系统界面上完成的。也就是说，每一个部门有一套政府办公的特定的管理系统，在这个系统中，由于系统的使用权限、信息的保密性等原因，该系统往往为不同的管理人员设计具有不同权限的查询界面，地理信息的查询就成为在该界面信息查询的一部分。它往往利用了GIS商业软件的二次功能，将查询功能连接到本系统中，成为本系统的一部分；同时，查询界面也与原来的商业软件查询界面完全不同。

企业内部管理 在针对涉及空间位置的特定目标和生产流程管理中，地理信息系统提供空间位置的信息查询。主要用于对空间位置的监控。类似于上述政府管理中的信息监控系统。只不过，企业GIS注重的是微观空间信息。 社会上的应用 主要用来为公众提供服务的信息查询。如Internet GIS。在用户来说，操作很简单，而且不需要知道内部采用的是地理信息系统软件和技术，仅通过网络界面对所需要的信息进行查询。这类查询的应用需要开发人员进行大量的

计算、统计与应用 地理信息系统中的统计功能与计算类似，也主要是对一定空间实体的属性数据进行统计分析。 直接进行的方法主要有： 统计图表分析：将一定空间范围内的某些属性数据绘制成柱状、扇型、折线等常用图表。利用比较各区域这些图形的形状来判断它们在空间分布上的状况。这种功能可以用来进行同一个区域范围内不同因素分布之间的比较，也可以进行同一种因素在不同区域内分布情况的比较。 密度分析：计算一定空间实体上（内）具有某种属性特征对象的分布密度。主要用于对该实体内对象发生频数的计算。 简单的统计计算：加和（Sum）、数数（Count）、平均（Mean）、最大值（Maximum）、最小值（Minimum）、排序（Range）、方差（Variance）和标准偏差（Standard deviation）的计算。 间接进行的方法主要有：层次分析、聚类分析、判别分析等。它们仅是利用了分布对象的空间位置、范围对属性数据进行通常的层次分析、聚类分析、判别分析等。 GIS中的统计分析与纯粹的统计分析所不同的是，在GIS软件中所进行的统计分析是可以与其对应的空间实体、空间位置和范围联系在一起的。也就是，这里的统计是对所选择的空间范围、实体或对象内的属性进行分析的。因此，又称为空间统计。

空间分析与应用 本章主要问题： 空间分析在该应用领域主要有几种方式？ 各种空间分析实现的途径及其应用领域如何？

与前述空间计算完全不同的是，这里，空间分析的对象主要是空间数据。它是通过对空间数据的分析算法，获取有关地理现象的空间位置、空间分布格局、空间形态和空间演变形态等信息。由于空间查询和空间分析都要或多或少地用到对空间数据的计算，它们经常在功能上，尤其在数据库内部运行上是交叉的。因此，有人也将空间查询的一些内容作为空间分析的部分。但是，由于在人文社会科学领域里，用户注重的是界面操作的方式。因此，这里将通过对空间数据加工所得出的新的空间数据或信息的过程与空间查询分开论述。以便于用户在设计分析模型时，能对新生成的空间数据及其格式考虑得更周到一些。 GIS的空间分析功能有很多种，尽管目前这些功能在本领域的应用并不广泛，但大多数功能或多或少都能在一定程度上为用户的分析工作带来方便。目前在本领域通常用的功能有：空间叠加（叠合）分析、缓冲区分析、空间分类分析、空间网络分析、曲面分析等。

空间叠加分析 （Spatial Overlay Analysis） 是指在统一空间参照系统的条件下，将同一个空间范围（地区）的多个图层进行两两叠置以在该范围内产生多重属性特征的方法。不论各图层来源于同一个原始数据（同一张地图），还是来源于不同的原始数据，由于每个图层的数字化形式都是独立存在的。它们都有各自在数字化过程中的误差系统和存储格式。GIS通常用矢量和栅格两种数据结构形式。因而，叠加过程就分为对矢量图层的叠加和栅格图层的叠加。对这些不同图层的空间叠加就相当于进行空间数据的集成。因此，在GIS中，地图叠加的过程就是对空间数据集成的过程；同时，又是生成新图层和新的空间的过程。

空间叠加的模型 由于每一个图层都只代表一种空间实体，多个图层的叠加所生成的新图层就意味着所有被叠加图层的信息的综合。随着空间实体种类特征的不同，信息综合的方式亦各有差别。 点与多边形的叠加: 是指一个表示点图层上的某一些点落在另一个表示多边形图层的某一些多边形内的叠合（如图10.1中c所示）。 线与多边形的叠加:是指一个表示线图层上的某一些线段落在或交叉在另一个表示多边形图层的某一些多边形的叠合（如图10.1中 b所示）。 多边形与多边形的叠加: 是指两个表示多边形线图层上某一些多边形相互交叉或包容而生成新的更多的多边形的 过程（如图10.1中 a 所示）。

空间分类分析 空间分类是指根据空间实体的属性特征对其进行类型划分和显示的过程。由于它着重显示的是类型的信息。因而，是查询时候的重要显示手段。GIS在类型划分和显示上有两种方式：分类和重新分类。简单的分类仅是显示属性数据的数值级别，不对数据今年性计算或改变空间特征。因而，属于查询功能的应用。重新分类是对栅格数据格式的空间和属性数据重新赋值，利用布尔图象显示分类结果。在数据库管理系统的运行过程中，内部所进行的是布尔运算（Bollean Operator）或权重运算（Weighting operator）。其中，布尔运算从原始图象中产生出的双码图象（图象仅包含0和1的数值）和权重运算从原始属性数据中产生等级数值都对进一步的空间分析提供了方便。因而，它属于一种空间分析。

空间分类实现的途径

空间分类的应用

网络分析 网络分析的应用 网络分析是通过网络联系而进行的点和点之间的联系路径、方向、距离等的 关系，用来解决最短路径、最优配置、以及满足一定条件的路径选择等问题。主 要用于交通线网络、城市管线网络、流域水系网络等的模拟、分析和监控管理。 (1)最短路径问题:常用在交通、消防、信息传输、救灾抢险等方面选择最短或最 优路径中。主要解决资源在网络移动中最优路线的选择问题。如，选择一条从居 住地到医院花费时间最少的路线。 (2)推销员问题:不言而喻，这种分析模式主要是用于需要到达多个目标点的最优 路径的选择。尽管最初从推销员的应用例子而来，但同时也是GIS空间分析中最 常用的一种方法。如，现场人员经常在各种管线的修理时巡视路线和顺序的选择 方面的应用。 (3)定位—配置模型:定位—配置模型可以用来在供给方和需求方之间确定最优选 择的服务中心。与此同时，可以根据供给方的服务范围、需求方的分布，确定新 或取消过剩的服务中心（供给方）。 (4)路径追踪:主要用于对物资、人员、服务、和信息等在网络流动线路的追踪， 以了解所观察对象的流同情况。如，污水排放的追踪，以帮助判断某一污染源的 流动路线，为排除有关区域的险情提供依据；有线电视系统中费用交纳的追踪， 利用查询功能找出费用空缺，追踪线缆路线，找出欠费用户。

北京市主要道路形成的网络

经过网络分析得出的时间费用分类

根据交通时间的地区分类

曲面分析 等高线模型的原理:等高线模型是用高程值的集合表示曲面特征。其中的每一条等高线对应一个已知的高程值。这样一来，一系列的更高线集合和它们的高程值就构成了曲面高程模型. 利用这种高程模型可以比较方便地进行曲面上某一个方向的坡度和坡向计算，其所有显示图形可以用来进行目视分析，并可以允许其它分析结果叠加在该曲面上。它们是曲面分析最常用的功能。

等高线模型的建立 在GIS中，等高线的高程值是由一组属性数据决定的。软件根据所选择的一个域的属性数据，自动生成某一个区域的等高线轮廓（contours），并显示出相应图形。在此基础上，软件利用所得到的等高线数据在坡度和坡向计算功能的帮助下，分别得到该区域中的坡度和坡向分布数据及图形；利用曲面数据绘制剖面图形进行目视分析。在ArcView中，它们都在三维空间分析模块（3D Analyst）或空间分析模块（Spatial Analyst）中实现。

等高线模型的应用 坡度和坡向 坡度是指单位面积内高程数据（高度）变化的程度。常 用“度”或“百分比表示。坡向是指单位地形面的朝向。常用相 对于北方的角度表示。它们是曲面分析中最重要的应用功 能。两者结合可以对所选择的区域地形的选择进行分析。 坡度的单独使用，可以用来比较地面元素沿该曲面一个 方向的流动情况。如果所选的“高程”数据是地面的海拔高 度，则可以利用坡度分析调查山区的流水汇集情况；如果所 选择的“高程”数据是人均收入，则可以利用坡度分析了解该 区域范围内人口的流动情况 。

形成等值线所使用的点的分布

9类（Class9）地区内的等值线与坡度

以上海为中心以GDP为高程数值所形成的等值线

对坡度的分类

目视分析 应用地面高程所形成的曲面没有重叠信息。因而，所描述的 表面起伏特征非常直观，很容易进行目视分析。这种分析过程 是根据曲面特征绘制某一个剖面，通过对剖面的分析来了解表 面起伏特征的。 这种剖面图主要有两种应用方式：一种是通过剖面的起 伏变化了解某一沿线高程数据的变化；另一种是通过剖面上 从各种角度目视的暴露点和遮蔽点的分析来了解资源或信息 通过该剖面的传输情况。第一种方式主要作为三维高程分析 的补充，可以对人文科学的数据进行分析；第二种主要用来 对无线电信号的传输、山区工程设施的可视性和隐蔽性布局 的分析。如果无线信号发射和接收装置的高度太低，就会被 凸其的山坡所阻挡；一些保密设施需要建在比较低凹的地 方，以利用周围山体作屏障；滑雪设施需要建设在比较明显 的地方，才能让游客容易看到。