[GIS教程] 7 空间数据查询与空间度量

【背景】

1. 在地理信息系统中，为进行深层次分析，往往需要查询定位空间对象，并用一些简单的量测值对地理分布或现象进行描述。
2. 对空间对象进行查询和度量是地理信息系统最为基本的功能之一，空间分析始于空间数据查询与度量

空间查询

【空间查询】从空间数据库中找出所有满足属性约束条件和空间约束条件的地理对象。

【查询方式】

1. 通过属性查图形
2. 通过图形查属性

【查询过程】

1. 直接显示数据库中的数据及所含信息；
2. 通过一些逻辑运算完成一定约束条件下的查询；
3. 根据数据库中现有的数据模型，进行有机的组合构造出复合模型，模拟现实世界的一些系统和现象的结构、功能，来回答一些“复杂”的问题，预测一些事务的发生、发展的动态趋势。

【空间查询在GIS中所处的地位】

1. GIS最基本的功能之一
   虽然查询的方式有差异，但空间查询功能是各类GIS 软件的必备功能。
2. GIS空间分析的起始点
   GIS的空间分析，一般都是以各类查询为基础的，即使在分析的各个阶段，也伴随着大量所需的查询。
3. GIS区别于其他数字制图软件的基本特征
   GIS的空间查询的方式是与所构建的空间数据库密切相关的，空间查询可以不改变原有的数据集，但复杂的查询的结果往往具有新的知识发现。

【空间查询的方式、内容与结果】

空间属性查询

【定义】给定一个条件，查找满足该条件的空间对象分布或进行相应的统计分析
【方式】

1. 查找
2. SQL查询
3. 扩展SQL查询

空间图形查询

【定义】给定一个点活一个几何图形，检索出该图形范围内的空间对象以及相应的属性
【方式】

1. 点查询
2. 规则图形查询
3. 多边形查询

空间关系查询

通过空间关系查询和定位空间实体是地理数据库不同于一般数据库的功能之一

拓扑关系查询

【查询类型】

1. 邻接关系查询
   包括点与点、线与线、面与面邻接关系查询，还可以涉及与某个节点临接的线状地物和面状地物信息的查询
   【例子】查询江苏省比邻的省份
2. 包含关系查询
   查询某一面状地物所包含的某一类地物，或者查询包含某一地物的面状地物。被包含的地物可以使点状地物、线状地物或面状地物
   【例子】查询陕西省包含的城市
3. 关联关系查询
   空间不同元素之间拓扑关系的查询，可以查询与某点状地物相关联的线状地物的信息，也可以查询与线状地物关联的面状地物的信息
   【例子】黄河某段经过的省份

缓冲区查询

【缓冲区查询】

1. 是根据数据库中的点线面地理实体，自动建立一定宽度范围的多边形，表征特定地理实体对邻域的影响范围
2. 是不破坏原有空间目标的关系，只检索缓冲区范围内涉及到的空间目标

【例子】确定某珍贵药材的生长区域,其生长环境包括：生长与河谷两侧500m内，喜阳，降雨量550~680mm
【步骤】

1. 根据原始DEM数据提取阳坡；
2. 提取河谷数据，根据需要提取河谷500m缓冲区；
3. 由降雨数据，获取降雨量550~680mm的区域

空间度量

距离量算

【距离】描述了实体或事物之间的远近或亲疏程度
【距离量算】

1. 是GIS基本功能
2. 距离的量算与度量空间的介质有关，一般分匀质空间和非匀质空间距离量算

【非匀质空间距离量算】

1. 非匀质空间距离的量算：此时的距离称为函数距离
2. 函数距离不仅仅是表达式上的变化，而且还有研究区域上的变化

方位量算

【方位量算】

1. 方位是描述两个物体之间位置关系的另一种度量 ；
2. 定量描述精确地给出空间目标之间的方向，用于方位角、象限角等比率表示

线状物体的量算

【长度】线状地物对象最基本的形态参数之一就是长度

1. 矢量数据
   线表示为坐标对 或 序列–>坐标对距离之和
2. 栅格数据
   线状地物的长度就是累加地物骨架线通过的格网数目，骨架线通常采用8方向连接，当连接方向为对角线方向时，还要乘上square(2)

分数维数

几何分形最基本的研究对象是几何物体的形态，根据欧氏几何理论，几何物体可以区分为零维、一维、二维、三维等，但是整数表示的维数往往不能充分反映几何物体的某些特性。

不同步长测量同一曲线，随着步长的变化，曲线长度也发生变化，但变化率并不相等，这一特性是受曲线的一个参数所控制的，这个参数就是用分数表示的曲线的维数——分数维，又称H—B维（Hausdorff-Besicovitch），同时分数维的大小描述了物体的复杂程度。

曲率与弯曲度

【曲率】在数学分析中，线状物体的曲率定义为曲线切线方向角相对于弧长的变化率

【弯曲度】是描述曲线弯曲程度的参数，定义为曲线长度与曲线两端点定义的线段长度之比

在实际应用中，弯曲度主要用来反映曲线的迂回特性，在交通网络中，曲线的弯曲度越小越好，弯曲度可以衡量交通的便利性。

面状物体的量算

面积

面积是面状地物最基本的参数

1. 矢量结构下
   面状地物以其轮廓边界弧段构成的多边形表示。梯形法是进行多边形面积量算的主要方法之一

2. 栅格结构
   栅格方式表示的面状物体，其面积可以直接通过栅格计数来获取，边界上的象元的面积，根据边界线的走向予以分配

周长

【周长】可以通过围绕多边形的相互连接的线段，即封闭绘图模型来进行计算

1. 矢量结构下
   计算周长是使用距离公式计算每条线段长度，然后进行累加

2. 栅格结构下
   必须对格网单元集合外部的周长单独地识别，周长由格网单元分辨率乘以格网单元地总数来确定

形状

1. 矢量结构下：对于矢量表示的多边形，通常使用的凸度公式为：
   

   

2. 栅格结构下：对于用栅格表示的多边形，凸度公式的一般形式是：

【例子】

质心

【质心】是描述地理对象空间分布的一个重要指标
质心通常定义为一个多边形或面的几何中心。

【平均中心或重心】在某些情况下，质心描述的是分布中心，也称为平均中心或重心，如果考虑其他一些因素的话，可以赋予权重系数，称为【加权平均中心】

最大内切圆

【最大内切圆】在空间项目选址等空间决策过程具有重要作用，如地图上多边形内点状符号的自动设置定位的关键问题就是要找出该多边形的最大内切圆。

最小外接圆

【最小外接圆】可应用与平面点集的分布形态分析，如一个医院的选址就应当保证所有具居民区到该医院的距离尽可能短，这个医院的最优位置就是点集（居民区的集合）的最小外接圆圆心

最小凸包

所谓凸包是数据点的自然极限边界，为包含所有数据点的最小凸多边形，连接任意两点的线段必须完全位于该凸多边形中，同时区域的面积也达到最小值。最小凸包在概括多边形形状方面有很重要的作用，如提取散点数据的边界