把项目需要用的基础知识补上,项目主要使用栅格数据进行后续处理

概论

地理信息系统(Geographic Information System 或 Geo-Information System, 简称 GIS)

地理数据的三个基本组成:

  • 空间位置:经纬度坐标;平面坐标;相邻、包含等相对位置关系
  • 属性数据
  • 时域数据

可以把地理数据理解为:空间 + 属性 + 时间

地理信息的四个空间特征:

  • 空间相关性:距离越近的地理事物,通常相关性越大
  • 空间区域性:地理现象具有区域差异
  • 空间多样性:分析结果必须结合具体位置来解释
  • 空间层次性:同一区域上的地理对象具有多重属性

GIS 的三个基本特征:

  • 数据具有空间定位特征:空间位置特征是地理数据所特有的
  • 空间关系处理复杂:相邻、相交、包含、连接、距离
  • 具有海量数据管理能力

地理空间数学基础

地球空间参考

地球表面的几何模型分成四类

  • 地球自然表面:实际的山地、平原、海底、高原...

    复杂,难以建立简单数学模型

  • 大地水准面:假设海水完全静止,并向大陆内部延伸形成一个连续、闭合、与重力方向处处正交的重力等位面。包围的形体称为大地体,比真实地球表面平滑很多,但仍然存在不规则起伏

  • 地球椭球:大地体整体上接近旋转椭球,通常使用一个规则的旋转椭球近似地球

椭球定位:有参考椭球还不够,还需要确定这个椭球到底怎样放置在真实地球内部

类型 典型坐标系
地心坐标系(中国) CGCS2000 中国现行国家大地坐标系
地心坐标系(GPS) WGS-84 GPS / 全球导航中仍广泛使用

空间数据投影

按照构成方法,可以把地图投影分为几何投影和非几何投影

高斯—克吕格投影

简称“高斯投影”,在投影分类中,该投影是==横轴等角切圆柱投影==

是我国基本比例尺地形图的重要数学基础

高斯投影的中央经线和赤道为互相垂直的直线

为了控制变形,把全球按经度分成投影带

带名 数量 起始位置
6°带 全球 60 带 从 0 度子午线起
3°带 全球 120 带 从东经 1 ̊30'分起

范围越窄,离中央经线越近,投影变形越容易控制

UTM 投影

属于==横轴等角割圆柱投影==,它和高斯—克吕格投影都属于横轴墨卡托体系

同样采用 6°分带,自西经 180 ̊由西向东每隔 6 ̊一个编号

与高斯投影的重要区别之一

  • 高斯中央经线长度比 = 1
  • UTM 中央经线长度比 = 0.9996

UTM 是国际比较通用的地图投影,主要用于全球自 84 ̊N-80 ̊S 之间地区的制图

空间尺度

GIS 空间分析中的尺度分成四种:观测尺度 + 比例尺 + 分辨率 + 操作尺度

  • 观测尺度:指研究区域的大小或空间范围
  • 比例尺:表示图上长度与实际地面长度之间的比例
  • 分辨率:能够分辨的最小空间细节
  • 操作尺度:对空间数据进行处理和分析时采用的尺度

比例尺越大 → 地物显示得越大、越详细

详细只是显示得更大,原始影像并没有凭空增加信息

一张 1080p 照片放大 ≠ 变成 4K

可以这么理解,拍照时像素已经固定,放大只是影响画面大小,无法提升像素

地理格图

按照一定数学规则对地球表面进行划分形成的格网

空间区域框架可以包括:

  • 自然区域框架
  • 行政区域框架
  • 自然—行政综合区域框架
  • 地理格网区域框架

其中国家基础地形图主要采用地理格网区域框架

两种主要地理格网:

名称 实现 优点 缺点
经纬坐标格网 按照经纬度划分 适合全球和大区域,格网位置不随地图投影改变 不同纬度处实际格网面积不一致,高纬度格网实际面积较小
直角坐标格网 按照平面XY坐标划分 实地格网大小比较均匀,适合局部区域 格网位置受到所采用地图投影的影响,不利于直接进行全球统一拼接

除了规则格网,还可以把地理空间划成各种区域多边形

格网是规则划分空间;区域多边形是依据自然、社会或管理需要划分空间

空间数据模型

地理空间与空间抽象

地理空间主要指地球表面及近地表空间

GIS 不可能把现实世界原封不动放进计算机,必须经过:观察 → 选择 → 简化 → 抽象 → 编码

空间实体:对现实世界中的复杂地理事物和现象进行简化、抽象后得到的对象

特征 回答的问题
空间位置 在哪里?什么形状?多大?
属性 是什么?有什么性质?
时间 什么时候?怎样变化?
空间关系 与其他对象有什么关系?

空间数据概念模型

5 种主要概念模型:

  1. 对象模型
  2. 场模型
  3. 网络模型
  4. 时空模型
  5. 多维模型

最基础的是:对象观点 + 场观点,网络、时空、多维模型可以看成针对特定问题进一步发展的模型

对象模型

基本思想:把地理空间看成一个容器,其中分布着一个个独立的地理对象

基本对象类型:==点、线、面、体==

每个对象具有自己的:

  • 几何形态
  • 属性
  • 与其他对象的关系

适合具有较明确边界、可以看成独立个体的地理现象

同一个现实对象可以根据研究目的抽象成不同几何类型

例如建筑物:

  • 导航地图 → 点
  • 二维地图 → 面
  • 三维场景 → 体

最终取决于建模目的和尺度

场模型

基本思想:把地理现象看成在空间中连续变化的变量

地形高程,可以用:

  • 离散高程点
  • 规则格网
  • 等高线
对象模型 场模型
强调独立实体 强调连续现象
“这里有哪些东西?” “这里的值是多少?”
通常有明确边界 边界不一定明确
建筑、道路、地块 高程、温度、污染
点、线、面、体 连续函数/采样场

网络模型

主要描述:通过路径连接起来的离散地理对象,以及它们之间的连通关系

网络主要由==节点和连接节点的线==两部分组成:

网络模型从几何结构上可以看成对象模型的一个特殊情况

对象模型强调“实体”,网络模型强调“实体之间的交互和连通”

常用于:

  • 路径选择
  • 设施布局优化
  • 资源分配
  • 空间相互作用分析

时空模型

核心三个要素:空间 + 时间 + 属性

时空模型典型形式

  • 序列快照
  • 时空棱柱:主要表达随时间移动的对象轨迹,离散型时空模型
  • 时空立方体:XY表示空间,T表示时间,组合成三维立方体,连续型时空模型

时空模型的优势:

  • 历史状态重建
  • 时空变化跟踪
  • 发展趋势预测

多维数据模型

数据维度超过二维的空间数据模型


概念模型的选择:根据要解决的问题和应用目的选择

  • 明确、独立、边界清楚 → 对象模型
  • 连续变化 → 场模型
  • 强调连通和交互 → 网络模型
  • 强调随时间变化 → 时空模型
  • 涉及三个及以上维度 → 多维模型

空间数据逻辑模型

概念模型解决现实世界应该怎样理解,逻辑模型进一步解决这些实体、属性和关系应该怎样组织

逻辑模型是概念模型 → 物理模型之间的桥梁

逻辑模型设计的三个核心内容:

  • 实体属性建模:同一实体因为建模目的不同,需要保留的属性也不同
  • 实体关系建模:关系包括一般关系、空间关系、拓扑关系
  • 实体行为建模:可以做什么、如何变化、受到什么规则约束

逻辑模型 = 属性 + 关系 + 行为

面向对象技术的核心是:

  • 对象 Object:具体的实体,具有属性 + 方法,对象是类的实例
  • 类 Class:具有相同属性和方法的一组对象的抽象

面向对象的几个重要概念:

  • 分类 Classification:把相似对象归成类
  • 概括 Generalization:多个类继续往上抽象
  • 继承 Inheritance:概括建立了上下级类关系以后,子类获得父类属性和方法
  • 联合 Association:把同一类中的多个具体对象组合成新的集合对象 [同类 → 集合]
  • 聚集 Aggregation:不同类组成更大的对象 [不同类 → 复杂对象]

空间数据与空间关系

空间数据的 4 种主要类型

  • 几何图形数据:来源于地图和实测几何数据,点是最基本的矢量元素
  • 像素数据:主要来源于遥感,基本单位是像元 Pixel
  • 属性数据:描述地理对象性质
  • 元数据:关于数据的数据 [来源、时间、分辨率、比例尺等信息]

空间关系主要分成三类:

  • 拓扑关系
  • 顺序关系
  • 度量关系

拓扑关系的核心思想:图形发生缩放、旋转、拉伸,只要没有断裂,某些空间关系仍保持不变

主要包含:

  • 邻接关系
  • 关联关系
  • 包含关系
  • 连通关系

拓扑关系的主要作用:

  • 稳定表达逻辑关系
  • 支持空间查询
  • 可以重建和分析空间实体
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flowchart TD
A["两个空间对象"] --> B{"有没有公共位置?"}

B -- "没有" --> C["相离Disjoint"]

B -- "有" --> D{"几何是否完全相同?"}

D -- "是" --> E["重合"]

D -- "否" --> F{"是否只接触边界?"}

F -- "是" --> G["邻接 Touches"]

F -- "否" --> H{"一个对象是否完全位于另一个内部?"}

H -- "是" --> I["包含 Contains / Within"]

H -- "否" --> J{"具体是哪种相交?"}

J -- "线穿过线 / 面" --> K["穿过 Crosses"]

J -- "两个面部分重叠" --> L["重叠 Overlaps"]

空间数据结构

矢量数据结构

矢量数据结构直接记录地理实体的空间坐标及其关系,分为:实体数据结构、拓扑数据结构

实体数据结构:编码容易、数字化简单、数据组织直观;但容易数据冗余,可能产生缝隙或重叠,并且没有明确拓扑关系

拓扑数据结构:点相互独立 → 点组成线 → 线组成面,同时显式记录它们之间的空间关系,具有拓扑编辑功能

可以用于:

  • 检查数字化错误
  • 判断多边形是否闭合
  • 自动构建多边形
  • 建立邻接关系
  • 建立空间数据库

栅格数据结构

栅格数据结构把整个地理空间划分成:规则排列的栅格单元 Cell

每个栅格单元:

  • 行列号决定位置
  • 单元值表示属性

矢量与栅格的融合和转换

矢量 栅格
核心 坐标 格子
位置 明显 隐含
属性 相对隐含 明显
精度 高 受像元大小影响
数据量 通常较小 通常较大
拓扑 强 弱
叠置分析 较复杂 简单
数学模拟 较复杂 简单
遥感结合 较弱 很自然
图形质量 高 较低

GIS 基本空间分析

叠置分析 Overlay Analysis

把两个或多个空间图层叠在一起,产生一个新的空间图层,同时建立新的空间关系和属性关系

矢量叠置

  • 点 + 多边形:通常是把多边形属性添加到点上,因此最核心的空间关系是包含关系

  • 线 + 多边形:计算线与多边形边界的交点;把原来的线切成多段;判断每段属于哪个多边形;给这些线段添加对应多边形属性

  • 多边形 + 多边形:最经典、最常用的矢量叠置

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    边界求交
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    原多边形被重新分割
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    形成新多边形
    ↓
    重新建立拓扑
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    继承两个图层的属性

多边形叠置的重要问题:破碎多边形。理论上两个图层的边界相同,但实际数字化位置存在微小差异,重叠后可能会产生很多细小、没有实际地理意义的多边形

处理方式包括:

  • 模糊容差
  • 最小制图单元

容差需要考虑,太大可能删掉真正的小对象;太小又无法消除碎屑

栅格叠置

位置相同的像元之间直接进行计算

几种核心方式:

  • 布尔逻辑
  • 重分类
  • 数学运算复合

所以栅格更适合做多因素综合分析,因为所有图层都变成统一格网后,可以逐像元直接计算

相对于矢量多边形叠置:

  • 数据结构简单
  • 运算方便
  • 不产生碎屑多边形

缓冲区分析 Buffer Analysis

围绕一个地理对象建立一定距离或影响范围的区域

矢量缓冲区

  • 点缓冲:圆形范围
  • 线缓冲:可以是双侧对称、双侧不对称、单侧
  • 面缓冲:可以是向外缓冲、向内缓冲、内外同时缓冲

缓冲距离本身也可以由属性控制

栅格缓冲区

矢量 Buffer 常形成:区域内相同、区域外不同的离散范围

现实中的很多影响是随着距离逐渐衰减

栅格可以建立连续的距离表面,每个像元保存距最近目标有多远

关键概念:成本距离 Cost Distance

现实空间并不均质,所以不能只看欧氏距离,给不同区域设置不同移动/传播成本,形成成本距离缓冲区

窗口分析

核心思想:一个像元不仅由自己决定,还受到周围像元影响

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根据周围像元计算中心像元的新值,再把窗口逐格移动,最后产生新的栅格图层

网络分析 Network Analysis

线相互连接 + 资源在线上流动

矢量网络分析

  • 链 Link:资源流动的通道
  • 障碍 Barrier:禁止或阻碍通过的位置
  • 拐角点:描述转向时产生的时间、费用、限制
  • 结点 Node:网络中不同链之间的连接点
  • 中心 Center:资源发出或接收的位置
  • 站点 Stop:路径分析中途需要经过或处理资源的位置

栅格网络分析

传统矢量网络需要显式维护:

  • 点
  • 线
  • 拓扑
  • 阻强
  • 几何关系

当网络发生大量动态变化时维护这些拓扑关系会很复杂

栅格具有属性明显、位置隐含的特点

格网之间的邻接关系天然存在,因此可以利用地图代数 + 栅格连通关系进行网络路径计算

把网络看成一个具有距离刻度的连通管系统,资源从起点扩散,最早到达终点的轨迹对应最短路径


网络的三个重要属性

  1. 阻强:走过这段网络需要付出的代价,最优路径就是找最小损失
  2. 资源容量:一个中心最多能够提供或容纳多少资源
  3. 资源需求量:网络中对象对资源的需求量

四类主要网络分析应用:

  • 路径分析:静态路径 vs 动态路径
  • 资源分配:哪些地区应该由哪个服务中心负责,让资源配置和服务范围尽可能合理
  • 最佳选址
  • 地址匹配:把文字地址转换为网络中的地理位置

DEM 与数字地形分析

基本概念

DEM:Digital Elevation Model,数字高程模型

通过有限的地形高程数据,对地形曲面进行数字化模拟

数学上可以把地形看成

$$ H=f(x,y) $$
DEM 实际上是:有限采样点 + 某种连接/内插规则 → 逼近连续地形表面

规则格网 DEM 因为结构简单、算法清晰,是实际应用最广泛的形式之一

地形属性:

  1. 地形曲面参数:具有明确数学定义,可以直接从 DEM 计算,例如坡度、坡向、曲率
  2. 地形形态特征:描述地貌形态
  3. 地形统计特征:对一定区域中的地形进行统计描述
  4. 复合地形属性:在基本地形参数基础上结合应用模型构建综合指标

DEM 建立本质上就是把真实连续地形 → 抽象成计算机可以处理的有限数字表面

数字地形分析

基本地形因子包括:

  • 坡度
  • 坡向
  • 曲率

坡度 Slope

核心计算思想是求:X/Y 方向高程变化率$f_x, f_y$

$$ Slope=\arctan\sqrt{f_x^2+f_y^2} $$
Slope 本质上就是一种基于 DEM 的邻域/窗口分析

坡向 Aspect

地形表面该点法向量在水平面上的投影,与正北方向之间的夹角

曲率 Curvature

剖面曲率:沿最大坡降方向,坡面怎样弯 [竖着看坡面怎么弯] [可以类比滑雪,顺着下坡走,坡怎么弯]

平面曲率:水平方向上的弯曲程度 [沿等高线方向看它怎么弯] [从天上看,左右怎么弯]

GIS 空间统计分析

空间统计概述

空间统计既考虑属性值,又考虑空间位置和距离

经典统计往往假设:不同观测值彼此独立,但地理现象通常不是这样,具有空间依赖性 / 空间自相关

空间统计主要分析内容

内容 回答的问题
基本统计 数据总体什么样?
探索性分析 有没有异常、趋势、空间相关?
空间插值 没采样的地方是多少?
空间分类 能不能把区域归成若干类型?
空间回归 各因素之间有什么空间关系?

探索性数据分析

基本分析工具

直方图 Histogram

把数值划分成多个区间

作用:

  • 看数据分布形态
  • 看集中范围
  • 找异常值
  • 初步判断是否近似正态

QQ Plot

正态 QQ 图主要回答数据是否接近正态分布?

如果点大致排列成一条直线 → 数据比较接近正态分布

如果有少量点明显偏离可能存在异常值

普通 QQ 图用于比较两个数据集的分布是否相似

半变异函数 Semivariogram

描述样点之间的差异怎样随着距离增加而变化

与协方差刚好大致相反,距离越近 → 协方差越大

四个概念:

  1. 块金值 Nugget

    理论上距离 = 0 → 差异也应 = 0,但由于测量误差,使得非常接近的两个点仍然存在差异

    这个起始差异就是块金值

  2. 基台值 Sill

    随着距离增加,半变异值逐渐增加,到一定程度后趋于稳定,这个稳定值就是基台值

  3. 偏基台值 Partial Sill

    $$ \text{Partial Sill}=\text{Sill}-\text{Nugget} $$
  4. 变程 Range

    从起点增加到基台时对应的距离,表示空间相关性能够作用多远