叠置分析(spatial overlay analysis)的应用

空间分析可以说是GIS系统的最重要的功能了。在若干种空间分析操作中,我们最常用的就是叠置分析(overlay analysis ,下文称overlay)。乃至于在《GIS Primer》中,overlay被称为任何GIS软件系统的基本必备功能。同时,任何软件也将空间分析定义为核心功能,其主要的难点在于数据量以及效率。这一节里,我们抛开具体的实现不谈,先请你了解一下overlay有哪些应用。

1.GIS系统的数据模型

首先我们要了解GIS中对现实世界的模型构建。简单的讲,GIS系统中,地理对象被按照专题类别分别划分为不同的“层(layer)”,比如国家基本比例尺地形图上就将地物要素划分为控制点、居民地、水系、植被、交通道路、地貌、境界、管线等8大类要素。不同的层在空间上相互重叠。如下图示:

“层”的方式,在GIS系统中有三个含义:

  • 层是GIS系统对现实世界的建模;
  • 层是GIS系统对数据的逻辑组织与管理方式;
  • 层是GIS系统对数据的物理存储方式,在采用空间数据库的系统中,层通常对应数据库表;

2)叠置分析的应用

介绍了GIS中“层”的概念,叠置分析的作用就是分析层与层之间的关系,或者生成新的图层:不仅生成几何图形的特定组合,而且融合多个图层的属性。比如说,查询类的:“每个县(图层A)各含有哪些湖泊(图层B)?”,数据处理类的:“将土地利用类型(图层A)赋值给行政区县(图层B)”,“将位于各个小区中的快递派送点赋予相应的地址编码”。总结一下,就是两个(多个)图层中的要素如果满足某种关系,那么就按照一定的规则综合两个(多个)图层的几何与属性数据,返回查询结果或者生成新的图层。

在解决空间有关的问题的时候,比如最佳位置选择与适应性建模等问题,需要首先确定涉及的要素,收集数据或者通过子步骤构建图层,通过多个图层的几何与属性叠置产生结果。举个例子,有三个图层:植被覆盖图层,洪水淹没图层、土壤类型图层,那么可以建立一种叠置分析方法,计算出那块土地适宜开发利用(比如植被为草地、不在淹没区、土壤类型为黏土)。

overlay通常与其他的空间分析结合使用,比如缓冲区分析、表面分析等以用来完成更复杂的空间分析应用。

看上去overlay似乎只与复杂的建模与地理分析有关,实际上,overlay的应用范围不止这些。不然,也不会被称为GIS系统的核心功能。有关overlay的更多的技术相关的内容,我在之后的博客会慢慢展开。要知道,geos的核心就是建立在overlay的基础上呢。

3) 叠置分析的基本构成

上面已经说到,overlay本身可以组合构成更复杂的overlay。那么overlay的基本构成是什么样的呢?

1.overlay的基本数据构成是两个图层。

2.overlay的基本操作为集合的布尔运算。如下图:

intersection

union

 

 

 

 

 

 

 

difference

sym-difference

 

 

 

 

 

 

 

 

如果令英格兰为A,箭头为B,

  • intersection\(= A\cap B\)
  • union \(= A\cup B\)
  • difference \(= A-B\)
  • sym-difference\( = A\cup B -A\cap B\)

除了上述布尔运算,ArcGIS还提供了其他类型的overlay操作,但是也可以由上述基本运算组合的方式得到:

Indentify: 结果的形状为A,但是属性进行了叠加。

 

Update: A.difference(B) + B

Erase:等同于difference ,但是ArcGIS的叫法为Erase,图略。


参考文献:

A General Polygon Clipping Library

An Overview of the Overlay Toolset:ArcGIS Desktop Help

Spatial Overlay

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