空间分析技术研究及应用综述.doc

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基于GIS空间分析技术研究及应用综述

摘要：

随着GIS在理论和软件研制水平上的不断提高，其应用范围不断扩大而GIS的空间分析功能也成为人们关注的热点。

本文对GIS空间分析技术在交通设计管理领域，城市规划领域，能源勘察评价领域，商业应用领域，道路交通管理，地形地貌分析，电网管理，医疗卫生，军事等领域的应用进行描述。

关键词：

GIS；空间分析；领域

1引言

空间分析是基于地理对象位置和形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。

空间信息可以分为空间位置、空间分布．空间形态、空间关系、空间质量、空间关联、空间对比、空间趋势、空间运动。

空间位置是借助于空间坐标系来传递的空间物体的个体定位信息；空间分布反映了同类空间事物的群体定位信息；空间形态是空间物体的几何特征，一些特征易于被视觉感受，如走向、连通性等，另一些特征则必须用数值来描述，如面积、周长、坡度；空间距离反映的是空间物体之间几何上的接近程度；空间方位是用方位描述两个物体之间的位置关系。

因此，空间分析是GIS的主要特征，也是评价GIS功能的主要指标之一。

2研究概况

空间分析的发展及在各行业中的应用空间分析源于60年代地理和区域科学的计量革命。

开始阶段是应用定量（主要是统计）分析手段分析点、线、面的空间分布模式，后来更多的是强调地理空间本身的特征、空间决策过程和复杂空间系统的时空演化过程分析。

实际上自有地图以来，人们就始终在自觉或不自觉地进行着各种类型的空间分析。

如在地图上量测地理要素之间的距离、方位、面积，乃至利用地图进行战术研究和战略决策等，都是人们利用地图进行空间分析的实例。

而后者实质上已属较高层次上的空间分析。

3研究内容

空间分析功能的实现方法是通过空间分析技术的集成。

长期以来，空间分析的模型和方法没有形成统一的体系结构，对空间分析的基本内容也没有形成被广泛认同的界定。

因此，空间分析领域的研究是相对落后的。

根据GIS处理对象界定空间分析的功能，有以下几方面：

（1）基于图的分析，主要有缓冲区分析、叠置分析、网络分析、复合分析、邻近分析及空间联结，这些方法以图形操作为主，在现有的GIS软件中已比较成熟。

（2）基于数据的分析，这部分的理论基础是空间统计学。

空间统汁学基于两个本惯似没：

任意距离的两点间的差值的数学期望为零；任意距离的两点间的差值的方差最小。

这里的任意距离指的是空间物体间的距离，由于空间物体又可分为点、线、面、体四类，而点与点之间的距离是最本质最简单的距离形式，因此空间统计学在这两个本质假设基础上，通过对样本点得出的经验变率函数的拟合得到真实的变率函数，以便做进一步分析。

（3）基于事件机理的分析，有些事件有其相应的机理提供公式构架，由环境信息提供初始边界条件，这样可直接利用前入总结的成果来描述事件。

在此基础上，根据需要再进行分析。

空间分析的目的是提取空间信息，而空间分析的对象是空间数据。

空间分析是在空间数据的基础上进行的，空间数据是描述地球表层（有一定厚度）一一定范围内的地理事物及其关系的数据，电可以是关于空间物体及其空间变量和属性的数据。

以空间物体为定义域，随空间物体的延展而变化的地理现象是空间变量；相反，不随空间物体的延展而变化的地理现象是空间物体的属性。

一般认为空间数据具有三大要素：

几何、属性和时间，从空间分析的角度出发，空间变量也是空间数据的要素之一，空间分析中的很多内容是针对空间变量的。

一个空间变量是定义于一个空间物体上的，我们完全可以根据变量的变化情况将物体分解。

[1]

空间分析技术的应用非常广泛，具体应用领域包括城市规划与管理，厂址选择，水污染监测，洪水灾害分析，道路交通管理，地形地貌分析，电网管理，医疗卫生，军事等领域。

3.1交通设计管理领域

3.1.1GIS空间分析与铁路线路评价指标的量化

GIS系统的空间分析方法非常适用于处理铁路线路设计所需地形、地质、地物、水文等各种数据。

利用基于地理信息系统的铁路工程勘测设计空间数据库和地理信息系统强大的空间分析能力，量化影响选线设计的各种因素，比如地质条件、与其他设施配合程度，环境影响程度等。

从铁路选线的实际需要出发，只需进行3种空间分析即可满足要求，即缓冲区分析、空间叠置分析、距离求算。

在交互式铁路选线设计时，是以铁路线路中心线表示的线性模型作为研究对象，在进行铁路选线影响分析前，首先需要进行铁路线路带状缓冲区分析。

铁路线路由多个顶点的多义线表示，简单的方法是对组成多义线的每条直线段进行缓冲区分析，然后通过叠置分析的合并操作获取整条线路的缓冲区。

把铁路带状缓冲区分别与不良地质地段面积、各种耕地占用面积、各类建筑设施拆迁面积进行空间叠置分析，由各自叠加面积的加权和得到相应指标值，来分别体现地质条件、占用耕地情况、拆迁情况等技术指标对线路的影响[2]。

3.1.2空间分析方法在航线设计和航路监视中的应用

航线设计的内容是要能够判别航线附近有无低于安全水深点、有无孤立危险物、有否穿越安全等深线、有否穿过某些危险区，除此以外还应判驯有否穿越陆地，以防止用户的误操作；航路监视的主要内容有判断船舶是否偏航、是否到达转向点、是者结合的方法来实现。

在航线设计时充分考虑偏航极限范围内有无不适合的点（包括水深点、孤立危险物等），线（包括等深线），面（包括危险区、禁航区、陆地等）。

而在航路监视时，则可以判断表示本船的点是否包含在偏航极限的范围内，这样就能及时地对偏离航线的船舶给出预警；同时还可以进行在以本船为中心，一定距离（如2nmile～3nmile）为半径的圆形区域内，实时地（或周期性地）监控有无危险点、线、面进入的判断和报警。

穿越安全等深线、是否穿越危险区等。

［5］

3.1.3交通地理信息空间分析

交通地理信息空间分析是对交通网及其地理背景要素的位置、图形和分布等的分析，目的在于提取、挖掘在交通设施的规划、开发、经营管理及灾害防治中所需的信息和知识．信息传统的人工分析方法，存在资料数据散乱，其分析应用繁琐、费时、费力和获取信息非常有限等弊端．与传统的人工方法相比，计算机及在其基础上发展起来的GIS和GIS．T（交通地理信息系统）等新技术、新方法为交通地理信息的实时采集、一体化存储、深层次知识挖掘和分析应用等提供了先进、适用、有效的方法和技术条件．GIS-T在功能层次上可分为交通信息的存储与查询系统（数据库系统）、具有空间分析功能的交通管理系统和具有空间分析及决策支持功能的交通决策支持系统3类．从GIS-T的分类可以看出：

交通地理信息的空间分析功能是高层次GIS-T应具备的功能。

[7]

3.2城市规划领域

3.2.1基于GIS的城市人防工程空间分析模型的建立与实现

为提高城市人防工程的管理水平，利用地理信息系统技术（GIS）的空间分析功能，首先在分析城市人防工程的实体一关系模型（E—R模型）的基础上，根据GIS空间分析的特点，提出了基于空间分析的城市人防工程的数据库结构；其次，根据城市人防工程规划、管理和施工的需要。

建立了城市人防工程设备的承载力、辐射范围缓冲图、人口疏散隐蔽路线最佳路径、地下人防工程3维分析等几种空间分析模型，并对各种模型的表示内容和实现方法进行了阐述，从而实现了城市人防工程的可视化和动态化管理。

[3]

3.2.2空问分析在数字城市中的应用

通过空间分析，有利于认识空间现象和空间过程的规律机制，实现空间现象和空间过程的预测预报，支持空间过程的调控与决策。

例如，通过城市扩张现象的空间分析，了解城市扩张的历史过程与时空规律，预测其未来趋势，研究其调控措施，为城市可持续发展服务。

空间分析的主要方法有：

（1）基于地图的空间图形分析，如UGIS中缓冲区分析、叠加分析、TIN；

（2）空间动力学分析，有城市扩张模型、空间选择行为模型、空间价格竞争模型等；

（3）空间信息分析，是指根据数据或统计方法建立的模型，如空间聚类、空间自相关、回归模型等。

[10]

3.2.3基于GIS的城市地下管线空间分析模型的建立与实现

为提高城市地下管线的管理水平，利用地理信息系统技术（GIS）的空间分析功能，首先在分析地下管线的的实体一关系模型（E—R模型）的基础上，根据GIS空间分析的特点，提出了基于空间分析的城市地下管线的数据库结构；其次，根据城市管线规划、管理和施工的需要，建立了城市地下管线的纵断面、横断面、最佳路径、地下管线三维分析等几种空间分析模型，并对各种模型的表示内容和实现方法进行了阐述．从而实现了城市地下管线的可视化和动态化管理。

[6]

3.3能源勘察评价领域

3.3.1利用GIS的空间分析功能进行油气储层综合评价

探讨油气储层地质信息的特点及利用地理信息系统GIS（Geographica1InformationSystem）进行储层评价的优越性，通过储层综合评价数据库的建立，以GIS的空间数据分析为手段，利用GIS的特征提取与特征合并功能，提取隐含在地质、地球物理及测试等数据中的判别有利储层的特征信息。

通过GIS的拓扑叠加功能分析各储层综合评价因素的相关性，对研究区进行储层综合评价。

[8]

3.3.2基于GIS空间分析进行多源信息成矿预测

GIS空问分析在区域地质多源信息综合分析中，具有十分重要的作用。

GIS空间的分析特征及应用于区域地质找矿的主要有两种方法，即统计分析和叠加分析。

结合兰坪盆地的区域地质特征，选取了遥感线性体密度异常、频度异常、遥感环形影像异常、地球化学异常、地球物理异常、地质异常及已知矿床（点）的分布等七种控矿因素作为多源成矿预测的空间信息数据源。

在此基础上，利用了GIS的空间分析功能进行多源信息的综合分析，预洲龃三级成矿有利的区域。

[9]

3.4商业应用领域

3.4.1基于GIS空问分析的物流配送模型研究及应用

物流配送是将物资商品从供货点通过运输工具配送到需求点的地理空间位置的转移过程，因而在物流配送过程中，运用GIS技术可以对供货点、需求点、交通线路等的地理信息进行提取、加工、分析，选择配送对象，确定运输路线，为物流配送决策服务，从而实现企业物流管理的可视化、动态化，提高物流管理的水平和效益。

Voronoi图在物流配送中的应用在市场竞争日益激烈的形势下，目前各大连锁超市公司为了赢得客户，占领市场，都开展了零售商品送货上门服务这项业务．该如何从这些超市向客户供货？

对于某一具体的超市，它该向哪些客户送货？

在市场的经济活动中总是追求所花成本最小，进而追求利润的最大化，同样对于连锁超市公司也不例外，在向客户配送零售商品的过程中，也要进行合理的规划按排，使得配送成本最小．因为在配送过程中，零售商品配送成本是和商品的空间运送距离成正相关的，因而应用Voronoi图模型恰能解决超市该向谁送货的问题．从Voronoi图的性质可以知道，对于某离散点的Voronoi图内的任意一点q到该离散点的距离小于到其它任意离散点的距离．所以如果用Voronoi图对地理空间进行划分，根据Voronoi图的第2条性质，则对于某一具体超市pi来说，落入pi的Voronoi图内的客户就是该超市的零售商品所应配送的对象．[4]

3.4.2基于优化理论和GIS空间分析技术的公交站点规划方法

针对交通规划的特点和目标，介绍一种基于最优化原理和GIS空问分析方法的交通站点规划方法．该方法依据乘客总出行时间最短确定单个线路上的站点个数，结合GIS缓冲区分析和叠合分析，在路线上做站点设置的适宜性分析，确定站点的位置，从而提供一种交通规划的方法．由于公共交通设施网络涉及诸多因素，但考虑这么多的因素建立起的模型必然很复杂，而且难以求解．经分析取舍，考虑了主要的影响因子，建立了一个用于解决交通站点规划问题的方法．该方法主要基于最优化理论和GIS适宜性分析技术，首先通过建立一个优化数学模型Ⅲ确定交通站点的总数目，同时从这个数学模型得到各影响因子和站点个数之间关系的函数表达式，该表达式说明什么地方适宜建站点，从而为GIS