1、005ArcGis缓冲区叠置网络分析实习五 ArcGIS的矢量分析（二）一、实习目的掌握基本的矢量分析方法，为选择合适的空间分析工具求解复杂的实际问题打下基础。二、实习内容1、掌握运用ArcGIS进行数据提取的4种方法及操作。2、了解缓冲区分析的基本原理，掌握缓冲区分析的基本操作。3、了解叠置分析的基本原理，掌握叠置分析中6种分析的操作过程。4、了解网络组成和建立，掌握基本的网络分析的功能和操作。三、实习相关知识3.1 ArcGIS数据提取在ArcGIS中可以使用数据裁剪、数据拆分、数据选择以及表格等工具将所需要的数据从原始数据层中提取出来，下面简单介绍一下每种工具的使用方法。3.1.1数据裁
2、剪（Clip）数据裁剪（Clip）是指将输入图层与剪切要素（Clip Features）重叠的要素提取出来，并形成一个新图层。在ArcGIS中，主要操作步骤如下（以项目区裁剪秭归县城主干道为例）：（1）在ArcMap窗口中，单击按钮，打开ArcToolbox窗口中，双击Analysis Tools中Extract下的Clip工具，打开如图5-1所示的Clip对话框：图5- 1（2）在Clip对话框中，在Input Feature中选择输入要素所在的图层；在Clip Feature 中选择裁剪要素；在Output Feature Class选择输出要素所在的图层信息；在XY Tolerance文
3、本框中输入误差容限值，选择容差值单位，单击OK按钮，完成要素的裁剪操作，结果如下5-2所示： 图5- 23.1.2数据拆分（Split）数据拆分（Split）是将输入要素拆分成几个输入要素。拆分字段（Split Fields）中每个唯一值（unique value）的边界就是拆分输入边界。输出要素类型的名称与拆分字段的名称一致。输出要素的类型将被保存在要素图层所在的工作目录中，在ArcGIS中，具体操作如下：（1）在ArcToolbox窗口中，双击Analysis Tools中Extract下的Split工具，打开如图5-3所示的Split对话框：图5- 3（2）在Split对话框中，在Inp
4、ut Feature中选择输入要素所在的图层；在Clip Feature 中选择裁剪要素；在Output Feature Class选择输出要素所在的图层信息；在Split Fields下拉列表框中选择拆分字段；在XY Tolerance文本框中输入误差容限值，选择容差值单位，单击OK按钮，完成要素的拆分操作。3.1.3选择（Select）选择（Select）工具从输入要素类型或输入要素图层中选择要素，并将其保存生成一个新的图层，输出要素可以根据SQL表达式选择而确定。在ArcGIS中，具体操作如下：（1）在ArcToolbox窗口中，双击Analysis Tools中Extract下的Sel
5、ect工具，打开如图5-4所示的Select对话框：图5- 4（2）在Select对话框中，在Input Feature中选择输入要素所在的图层；在Output Feature Class选择输出要素所在图层的工作空间和名称；单击按钮，弹出如图5-4所示的Query Builder对话框，在此对话框中，设置选择要素的SQL语句，单击OK按钮，完成要素的选择操作。结果如图5-5所示：图5- 53.1.4表格选择（Table Select）表格选择（Table Select）工具是从输入表或者表图层中提取选择要素，并保存在一个新的输出表中。在ArcGIS中，具体操作如下：（1）在ArcToolbo
6、x窗口中，双击Analysis Tools中Extract下的Table Select工具，打开如图5-6所示的Table Select对话框：图5- 6（2）在Table Select对话框中，在Input Feature中选择输入表；在Output Feature Class选择输出表的保存位置和名称；单击按钮，弹出Query Builder对话框，在此对话框中，设置选择要素的SQL语句，单击OK按钮，完成要素的表格选择操作。3.2矢量数据的缓冲区分析缓冲区分析是根据数据库的点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区域多边形实体，从而实现空间数据在水平方向得以扩展的信息分析方法。
7、点、线、面矢量实体的缓冲区表示该矢量实体某种属性的影响范围，它是地理信息系统重要的和基本的空间操作功能之一。例如，城市的噪音污染源所影响的一定空间范围、交通线两侧所划定的绿化带，即可分别描述为点的缓冲区与线的缓冲带。而多边形面域的缓冲带有正缓冲区与负缓冲区之分，多边形外部为多边形正缓冲区，内部为负。在ArcGIS中建立缓冲区的方法是基于生成多边形（buffer wizard）来实现的，它是根据给定的缓冲区的距离，对点状、线状和面状要素的周围形成缓冲区多边形图层，完全是基于矢量结构，从操作对象、利用矢量操作方法建立缓冲区的过程到最后缓冲区的结果全部是矢量的数据。下面来介绍在ArcGIS中建立缓冲
8、区。对道路扩建所影像的建筑物的范围做分析：（1）对点文件邮箱的分布图road.shp进行分析操作，首先打开菜单Tools下的Customize选择Command标签，如图5-7所示：图5- 7（2）在弹出的Command对话框中（如图5-8）在左边的Categorie框中选择Tools，在出现右边的Command框中选择Buffer wizard，拖动其放置到工具栏上的空白处，出现如图5-9中所示的图标。图5- 8图5- 9（3）利用选择工具，选择要进行分析的road线状要素，然后点击图标，出现Buffer wizard对话框（如图5-10），选择要进行缓冲区分析的road文件，其中有选择要素
9、和未选择要素时在Use only the selected feature复选框前打勾（仅对已选择主题中的元素进行分析），点击下一步；图5- 10（4）这时打开的是缓冲区分析形式对话框，如图5-11所示，其中buffer wizard添加对话框有三种方式选择来进行确立不同种类的缓冲区： 1）At a specified distance是以一个给定的距离建立缓冲区（普通缓冲区）其单位可在buffer wizard对话框中Distance units中选择； 2）Base on a distance from an attribute 是以分析对象的属性值作为权值建立缓（属性权值缓冲区）； 3）
10、An multiple buffer rings是建立一个给定环个数和间距的分级缓冲区（分级缓冲区）。图5- 11（5）本次选择普通缓冲区，给定10米作为缓冲范围，在下面的选择单位选择Meters，如图5-11所示；（6）在Buffer Wizard 中Buffer output type（缓冲输出类型）中选择你要选择的融合各缓冲区重叠部分的方式；并选择要输出的缓冲区的存放目录，具体如下图5-12所示：图5- 12（7）最后一步单击下一步。结果如图5-13所示：图5- 13以上是线状要素的缓冲区的建立。而点状要素缓冲区的缓冲区类型与线缓冲区一样，同样存在着普通、分级、属性权值和独立缓冲区，且建
11、立步骤与点状要素一样，具体结果如图5-14所示几种结果： 图5- 14面状要素同样可以进场缓冲区操作，其中面状要素有的内缓冲区和外缓冲区之分，在ArcGIS中面状要素的缓冲区获得有以下四种：（1）inside and outside（内外缓冲区之和）（2）only outside（仅仅只有外缓冲区）（3）only inside（仅仅只有内缓冲区）（4）outside and include inside（外缓冲区与原图形之和） 图5- 15 原始面状要素 图5- 16 inside and outside 图5- 17 only outside 图5- 18 only inside图5- 19
12、 outside and include inside3.3叠置分析多边形叠置分析是指同一地区、同一比例尺、同一数学基础的两组或两组以上的多边形要素的数据文件进行叠置。参加叠置分析的两个图层应都是矢量数据结构。若需进行多层叠置，也是两两叠置后再与第三层叠置，依次类推。其中被叠置的多边形为本底多边形，用来叠置的多边形为上覆多边形，叠置后产生具有多重属性的新多边形。其基本的处理方法是，根据两组多边形边界的交点来建立具有多重属性的多边形或进行多边形范围内的属性特性的统计分析。叠置的目的是通过区域多重属性的模拟，寻找和确定同时具有几种地理属性的分布区域，按照确定的地理指标，对叠置后产生的具有不同属性的
13、多边形进行重新分类或分级；或者是计算一种要素（如土地利用）在另一种要素（如行政区域）的某个区域多边形范围内的分布状况和数量特征，提取某个区域范围内某种专题内容的数据。从原理上来说，叠置分析是对新要素的属性按一定的数学模型进行计算分析，其中往往涉及到逻辑交、逻辑并、逻辑差等的运算。根据操作要素的不同，叠置分析可以分成点与多边形叠加、线与多边形叠加、多边形与多边形叠加；在ArcGIS中数据的叠置分析主要分为6种，即擦除分析、一致性分析、交集分析、对称差分析、联合分析和数据更新分析。3.3.1擦除（Erase）擦除是指输入图层根据擦除图层的范围的大小，将擦除参照图层所覆盖的输入图层内的要素去除，最后
14、得到剩余的输入图层的结果。从数学的空间逻辑运算的角度来说，即A-AB（，A为输入图层，B为擦除图层），具体表现如图5-20、5-21和5-22所示：图5- 20 多边形与多边形图5- 21 线与多边形图5- 22 点与多边形在ArcGIS中实现以上的操作，具体的步骤如下： 在ArcMap主界面上点击按钮，打开ArcToolbox工具箱，在ArcToolbox中选择Analyst Tools，打开后选择Overlay中的Erase选项，双击打开Erase对话框，如图5-24所示，在Erase操作的对话框中填入输入图层（Input Features），擦除参照（Erase Feature），输出图
15、层（Output Feature Class）和容限值及单位，在右下角的环境设置（Environments）中，可以对输入输出数据的参数进行设置。点击OK，进行操作，得到的结果如图5-26所示：数据更新分析交集分析一致性分析擦除分析对称差分析联合分析分析工具FEN 图5- 23图5- 24图5- 25 原始数据情况图5- 26 擦除后结果3.3.2一致性分析（Identity）一致性分析是用于判断两个输入图层的几何一致性，输出数据层中保留了输入数据层和一致性图层的所有信息。通过判别要素类与输入点、线或多边形要素进行叠加，可以生成一个新的图层，新的图层中的所有要素和属性以及判别的多边形中的叠加要
16、素和属性将被复制到新的图层中。在ArcGIS中的具体操作如下：在ArcToolbox中选择Analyst Tools，打开后选择Overlay中Identity操作对话框中的 Identity选项，打开其对话框，如图5-27所示，然后填入输入图层（Input features），识别参照图层（Erase feature），输出图层（Output Feature Class）和选择需要连接过去的属性字段，在右下角的环境设置（Environments）中，可以对输入输出数据的参数进行设置。点击OK，结果如图5-29所示：图5- 27注：ALL是全部属性都连接；NO_FID指的是所有的属性中处理FI
17、D将被复制到输出到新的要素类中；ONLY_FID只有FID这个属性将被显示到输出的新要素类中。图5- 28图5- 29同样对线状输入图层和点状输入图层在识别叠置操作后也能得到类似于图5-23的结果，这里就不再重复列出来了。要注意的是在ArcGIS中这个识别的图层必须是多边形图层。3.3.3交集分析（Intersect）交集分析是得到两个图层的交集部分，并且原图层的所有属性将同时在得到的新的图层上显示出来。在数学运算上表现如，（A，B分别是进行交集的两个图层）。由于点、线、面三种要素都有可能获得交集所以它们的交集的情形有七种，现举例如图5-30所示：图5- 30 点、线、面操作的几种类型交集分析
18、在ArcGIS中的实现如下（以多边形为例）：从ArcToolbox中选择Analyst Tools，打开后选择Overlay中的 Intersect选项，打开其对话框，如图5-31所示：图5- 31然后逐个输入要进行相交的图层（Input features），按右边的“加号”来将图层添加进来，在中间“Features”组合框内的就是要进行相交操作的图层列表，输入要输出的文件的路径和名称（Output Feature Class），同时在下方的属性字段中选择要进行连接的属性字段（Join Attributes）或全部，输出文件的类型，也可以对环境参数进行相关的设置，单击OK进行交集操作，输出结果
19、如图5-34。 图5- 32 输入图层1 图5- 33输入图层2 图5- 34 一致性分析结果 图5- 35 结果的属性值情况图在此之中要注意的是，同时当输入几个图层是不同维数时（例如线和多边形，点和多边形，点和线），输出的结果的几何类型也就会是输入图层的最低维数据的几何形态。3.3.4联合分析（Union）联合分析是通过把两个图层的区域范围联合起来而保持来自输入地图和叠加地图的所有地图要素。在布尔运算上用的是or关键字，即输入图层or叠加图层，因此输出的图层应该对应于输入图层或叠加图层或两者的叠加的范围。同时在图层合并的同时要求两个图层的几何特性必须全部是多边形。联合分析将原来的多边形要素分
20、割成新要素，新要素综合了原来两层或多层的属性。多边形图层合并的结果通常就是把一个多边形按另一个多边形的空间格局分布几何求交而划分成多个多边形，同时进行属性分配过程将输入图层对象的属性拷贝到新对象的属性表中，或把输入图层对象的标识作为外键，直接关联到输入图层的属性表中。联合分析从数学角度来表示就是x（A,B为输入的两个图层）。在ArcGIS中实现联合分析的操作如下：从ArcToolbox中选择Analyst Tools，打开后选择Overlay中Union操作对话框中的 Identity选项，打开其对话框，如图5-36所示，然后逐个输入要进行合并的图层（Input Features），按右边的“
21、加号”来将图层添加进来，在中间“Features”组合框内的就是要进行合并操作的图层列表，输入要输出的文件的路径和名称（Output Features），同时在下方的属性字段中选择要进行连接的属性字段（Join Attributes）或全部，输出文件的类型，也可以对环境参数进行相关的设置，单击OK进行合并操作，输出结果如图5-39所示。图5- 36 图5- 37 输入要合并的图层1 图5- 38输入要合并的图层2图5- 39 输出的结果图层从理想状态上来说，矢量的图层合并操作可以应用于各种形式矢量图形进行合并，而不应该仅仅局限于多边形与多边形、线与线、点与点之间都可以进行合并操作，而不同维数的
22、例如点与线、点与面、线与面在目前的文件格式，操作形式，理论实现上还没有能力将他们作为同一大类的要素形态而在一起进行研究，故而只能对同维形态进行图层合并如点与点、线与线以及面与面，在现实中最常用的是多边形与多边形的合并分析。3.3.5数据更新分析（Update）数据更新指首先对输入的图层和修正图层进行几何相交的计算，然后输入的图层被修正图层覆盖的那一部分的属性将被修正图层而代替。而且而且两个图层均是多边形要素的话，那么两者将进行合并，并且重叠部分将被修正图层所代替，而输入图层的那一部分将被擦去。其主要是利用空间格局分布关系来对空间实体的属性进行重新赋值，可以将一定区域内事物的属性进行集体操作赋值
23、，从地学意义上来说建立了空间框架格局关系和属性值之间的一个间接的联系。在ArcGIS中实现数据更新的操作是：从ArcToolbox中选择Analyst Tools，打开后选择Overlay中的Update选项，打开其对话框，如图5-40所示，输入要进行操作的输入图层（Input Features），同时在下面输入数据更新图层（Update Feature），输入要输出的文件的路径和名称（Output Feature Class），在下面的边界（Borders）上可以选择在两个图形相交的地方是否有边界的存在，也可以对容错量和环境参数进行相关的设置，单击OK进行交集操作，操作过程和输出结果如图5-
24、43所示。图5- 40 图5- 41 输入图层 图5- 42更新图层 图5- 43 结果图3.3.6对称差分析（Symmetrical difference）在矢量的叠置分析中也有为了获得两个图层去掉它们之间的公共部分，而只需要剩下的部分，同时对原有图层的空间上的分布也进行一定区域内的调整，新生成的图层的属性也是综合两者的属性而产生的。利用数学的空间逻辑运算的方式表示就是：（A,B为输入的两个图层）。图解表示如图5-44所示：图5- 44注：在ArcGIS中，在对称差值操作时，无论是输入图层或差值图层都必须是多边形图层，虽然在理论上，点和线与其依然可以进行此类叠置分析，但从层面的角度来考虑，不
25、同维数的几何形态如线和多边形进行均匀差值的叠置分析，最后会得到同一层面内会存在不同的几何形态如一部分是多边形而另一部分是线的情况，即一种层面出现两种形态，故而在ArcGIS规定了只能对多边形进行此类操作。在ArcGIS中操作过程如下所示：从Arctoolbox中选择Analyst Tools，打开后选择Overlay中的Symmetrical Difference选项，打开其对话框，如图5-45所示，输入要进行操作的输入图层（Input Features），同时在下面输入参照的差值图层（Update Features），输入要输出的文件的路径和名称（Output Feature Class），
26、同时在下方的属性字段中选择要进行连接的属性字段（Join Attributes）或全部，还有容错量，也可以对环境参数进行相关的设置，单击OK进行交集操作，输出结果如图5-48所示。图5- 45 图5- 46 输入图层 图5- 47更新图层图5- 48同时在操作输出图层的同时对原有图层的属性值字段也进行了操作，将差值图层的属性添加在了输入图层的后面，并给与了赋零操作。而原有的差值图层添加到输入图层的一部分图形只保留了原有的差值图层的属性，而其他的属性为零。在叠置分析中最常见的误差是破碎多边形，也就是在两个输入地图的相关或共同边界，相交的地方会出现非常细小的多边形区域。这时就需要设置一定的容错量来
27、消除这种细小多边形，即上述各个对话框中的容错量（Cluster Tolerance）。另外，在ArcGIS中除了shapefile之外，也可以对GeoDatabse里面的要素和coverage进行叠置分析，操作基本上一致。要注意的是必须安装ArcGIS Workstation，才能对coverage格式的进行叠置分析。3.4网络分析空间数据的网络分析是对地理网络，城市基础设施网络（如各种网线，电缆线，电力线，电话线，供水线，排水管道等）进行地理化和模型化，基于它们本身在空间上的拓扑关系、内在联系、跨度等属性和性质来进行空间分析，通过满足必要的条件得到合理的结果。网络分析的理论基础是图论和运筹学
28、，它是从运筹学的角度来研究，统筹，策划一类具有网络拓扑性质的工程如何安排各个要素的运行使其能充分发挥其作用或达到所预想的目标，如资源的最佳分配，最短路径的寻找，地址的查询匹配等，而在此之中所采用的是基于数学图论理论的方法，即利用统筹学建立模型，再利用其网络本身的空间关系，采用数学的方法来实现这个模型，最终得到结果，从而指导现实和应用，故而对网络分析的研究在空间分析中占有着极其重要的意义。以下将从网络的组成和建立、网络分析的预处理、网络分析的基本功能和操作三个方面来介绍。3.4.1网络的组成和建立网络是现实世界中，由链和结点组成的、带有环路，并伴随着一系列支配网络中流动之约束条件的线网图形。网络
29、中的基本组成部分和属性如下：1）线状要素链网络中流动的管线，包括有形物体如街道，河流，水管，电缆线等，无形物体如无线电通讯网络等，其状态属性包括阻力和需求2）点状要素（1） 障碍，禁止网络中链上流动的点；（2） 拐角点，出现在网络链中所有的分割结点上状态属性的阻力，如拐弯的时间和限制（如不允许左拐）；（3） 中心，是接受或分配资源的位置，如水库，商业中心、电站等。其状态属性包括资源容量，如总的资源量，阻力限额，如中心与链之间的最大距离或时间限制；（4） 站点，在路径选择中资源增减的站点，如库房、汽车站等其状态属性有要被运输的资源需求，如产品数。网络中的状态属性有阻力和需求两项，可通过空间属性和
30、状态属性的转换，根据实际情况赋到网络属性表中。一般情况下，网络是通过将内在的线，点等要素在相应的位置绘出后，然后根据他们的空间位置以及各种属性特征从而建立它们的拓扑关系，使得它们能成为网络分析中的基础部分，基于其能进行一定的网络空间分析和操作。而在ArcGIS网络分析中涉及的网络是由一系列要素类别组成的，可以度量并能图形表达的网络，又称之为几何网络。图形的特征可以在网络上表现出来，同时也可以在同一个网络中表示出如运输线、闸门、保险丝与变压器等不同性质的数据。一个几何网络包含了线段与交点的连结信息且定义出部分规则，如：哪一个类别的线段可以连至某一特定类别的交点，或某两个类别的线段必须连至哪一个类
31、别的交点。一个整的几何网络必须首先建立一个空的空间图形网络然后再加入其各个属性特征值，一旦网络数据被建立起来，全部数据被存放在地理数据库中，由数据库的生命循环周期来维持其运作。当使用者使用或编辑其部分或全部图形属性特征数据时，都将以原先的地理数据库中调出其已经定义好的连接规则和相互关系为基础。在ArcGIS中建立的几何网络的格式是GeoDataBase，将其全部的数据和组成部分封装在一个文件中，如何在ArcGIS中建立几何网络并定义连结规则及定义图层特征类别间关联的相关信息，具体内容与操作如下：3.4.1.1Geodatabase概述地理数据库（Geodatabase）是为了更好的管理和使用地理要素数据，而按照一定的模型和规则组合起来的存储空间数据和属性数据的容器，地理数据库是按照层次型的数据对象来组织地理数据的，这些数据对象包括对象类（Object Classes）、要素类（Feature Classes）和要素数据集（feature dataset）。对象类（Object Classes）是指存储非空间数据的表格。在Geodatabase中，对象类是一种特殊的类，它没有空间特征，如：某块地的主人。在“地块”和“主人”之间，可以定义某种关系。要素类（F
