第五章 空间数据查询与分析本章主要讲述了空间数据查询和空间数据分析以及数字地面模型的相关知识。

空间数据查询内容包括空间数据查询的含义，各种查询方式、查询结果的显示方式；空间数据查询应用。

空间数据分析的内容包括空间数据分析基础即空间几何量算；空间数据分析方法即缓冲区分析、叠加分析、空间数据再分类、网络分析、空间插值、统计分类分析；，空间数据分析的应用。

在本章的第三节介绍了数字地面模型（DTM）和数字高程模型(DEM)的概念，DEM的数据的采集及表示方法，DEM的应用及地形分析。

第一节 空间数据查询空间数据的查询是地理信息系统的一项重要功能，查询是用户与系统交流的途径，它可以向人们提供与地理空间、时间空间相关的空间数据，或者是与其关联的属性数据。

目前大多数成熟的商品化地理信息系统软件的查询功能都能完美地实现对空间实体的简单查找，如根据鼠标所指的空间位置，系统可查找出该位置的空间实体和空间范围（由若干个空间实体组成）以及它们的属性，并显示出该空间对象的属性列表，并可以进行有关统计分析。

1 空间数据查询的含义空间数据查询首先是给出查询条件，然后系统经过空间量算，或在空间数据库和与其相联的属性数据库中快速检索返回满足条件的内容。

查询是GIS用户最经常使用的功能，用户提出的很大一部分问题都可以通过查询的方式解决，查询的方法和查询的范围在很大程度上决定了GIS的应用程度和应用水平。

通过数据查询可以定位空间对象，提取对象信息，为地理信息系统的高层次空间分析奠定基础。

GIS数据查询包含了图形和属性的双向查询以及基于时间要素的图形、属性联合查询。

2 空间数据查询的方式2．1 基于空间关系查询空间实体间存在着多种空间关系，包括拓扑、顺序、距离、方位等关系。

通过空间关系查询和定位空间实体是地理信息系统不同于一般数据库系统的功能之一。

用户往往希望地理信息系统提供一些更能直接计算空间实体关系的功能，如用户希望查询出满足如下条件的旅游景点：8687（1）在北京三环以外；（3）距离三环线不超过100公里；（3）景点选择区域是特定的多边形；整个查询过程涉及到了空间顺序方位关系：在北京三环以外，距离三环线不超过100公里 ；空间拓扑关系：特定的选择区域之内。

地理信息系统中简单的面、线、点相互关系的查询包括：（1）面面查询。

如与某个多边形相邻的多边形有哪些（与河北省相邻的省市有哪些）。

（2）面线查询。

如某个多边形的边界有哪些线（密云水库的边界）；（3）面点查询。

如某个多边形内有哪些点状地物（北京地区有哪些旅游景点）；（4）线面查询。

如某条线经过（穿过）的多边形有哪些，某条链的左、右多边形是哪些（京广铁路穿过那些省、市）；（5）线线查询。

如与某条河流相连的支流有哪些，某条道路跨过哪些河流；（6）线点查询。

如某条道路上有哪些桥梁，某条输电线上有哪些变电站；（7）点面查询。

如某个点落在哪个多边形内（泰山位于哪个省内）；（8）点线查询。

如某个结点由哪些线相交而成（经过郑州的铁路线）。

在实际的地理信息系统的中往往不是指对单一关系查询，而是数种关系的组合，还可能有属性信息的条件限制。

2．2 基于空间关系和属性特征查询1）基于属性数据的查询根据空间目标的属性数据来查询该目标的其他属性信息或者相应的图形信息。

GIS 中基于属性数据的查询包括两个方面的内容：一是由地物目标的某种属性数据（或者属性集合）查询该目标的其他属性信息；由地物目标的属性信息查询其对应的图形信息。

目前GIS 的地物属性数据库大多是以传统的关系数据库为基础的，地物的图形数据和属性数据是分开存贮的，图形和属性之间通过目标的ID 码进行关联，因此基于属性的GIS 查询可以通过关系数据库的SQL 语言进行查询。

2）基于图形数据的查询基于图形的查询是可视化的查询，用户通过在屏幕上选取地物目标来查询其对应的图形和属性信息。

它包括两种方式：区域查询和点选查询。

区域查询包括矩形区域、圆形区域和任意多边形区域查询。

用户通过在屏幕上指定一个区域来查询其中的地物目标的信息，可自行定义是否只有当目标全部落入指定区域才认为该目标被选中，如图5-1所示。

点选查询指用户通过直接在屏幕上选取地物目标的整体(点状地物)或者局部(线状和面状地物)来查询其信息。

为方便用户进行图形选取，系统在设计时一般考虑到，点选查询要设置合适的选取图5-1区域查询示意图捕捉范围，区域查询要注意目标与查询区域边界相交时的处理。

基于图形数据的查询包括两个方面的内容：1）由屏幕显示的地物目标查询该目标的属性信息。

如在屏幕上选取住宅，要查询其相关属性，是通过其ID码在属性数据库中查询它对应的属性数据（如层高，面积等）。

2）由地物目标查询该目标其他部分的图形信息。

3）由地物目标查询与其相关目标的图形信息。

基于图形的查询是为方便用户输入查询条件而设计成可视化空间查询的，其实在GIS中仍然要翻译成形式化的SQL语言。

查询过程是：通过屏幕捕捉获取目标的坐标信息，根据坐标信息在图形库中查询对应的图形及其ID，再通过ID在属性库中找出相应的属性。

3）图形与属性的混合查询图形与属性的混合查询是指查询条件同时包括了图形方面的内容和属性方面的内容，查询结果集应该同时满足这两个方面的要求。

例如查询在屏幕上指定矩形区域内的建筑面积在120平米以上，业主职业为教师的住宅。

这一查询是图形与属性的混合查询，查询条件包含了三个条件：坐标范围限制在所选区域、建筑面积120米以上，业主职业是教师。

查询的结果可以是图形的屏幕显示或者属性的报表显示。

混合查询中有两个方面是比较重要的。

一是查询条件的分离。

查询的条件要分离为对图形查询和属性查询，在相应的图形数据和属性数据库中查询，然后将其结果求交集作为输出结果；二是查询的优化。

对于多条件的混合查询，经过分析可以按某种顺序，逐层查询，后一个条件查询是在前一个条件查询得出的结果中进行查询，最后得出的结果为满足所有条件的查询结构。

各查询条件的先后顺序优化很重要，它关系到系统的计算量，直接表现在查询速度快慢上，但不影响查询结果。

2．3 模糊查询模糊查询指的是限定需要查询的数据项的部分内容，查询所有数据项中具有该内容的数据库记录，GIS中的模糊查询与其他的数据库的模糊查询是相通的，只是具有了空间数据的特性。

对于属性数据的模糊查询，完全等同于一般意义的数据库模糊查询；空间数据的模糊查询在于通过目标图形上某一点的（点选）或者某一部分确定整个目标。

由于地物目标的空间特性和计算机环境决定了用户不可能通过点选，完整选取线状和面状目标，而只能通过区域选取的方式进行图形的查询。

模糊查询具有一定的模糊性或者概括性,这种模糊性往往导致查询结果是一个目标集合。

模糊查询是快速获取具有某种特性的数据集的快速方法。

例如，小区GIS数据库每一个住户代码编号为六位，前两位是楼号，第三位是单元号，后三位是门牌号，如果想找1号楼上户主是的信息，可引入下列模糊查询语句：select * from yezhu.db where fh like '01*'2．4 自然语言空间查询所谓自然语言查询就是在GIS的数据查询中引入人类使用的自然语言(区别于程序语言和数据库SQL语言)，可以使查询更轻松自如。

通过简单而意义直接的自然语言来表88达数据查询的要求。

在GIS中很多地理方面的概念是模糊的，而空间数据查询语言中使用的概念往往都是精确的。

自然语言的空间查询的关键在于自然语言的计算机解译以及向计算机查询的转换。

2．5 超文本查询超文本方式查询是一种基于IE浏览器的查询。

在浏览器里面，可以把图形、图像、字符等皆当作文本，并设置一些“热连接”（Hotlink），“热点”可以是文本、图形或者其部分等。

用户用鼠标点击“热点”后，浏览器可以弹出说明信息、播放声音、完成某项工作等，这些信息往往都是与该目标相关联的信息，从而达到“查询”的目的。

但超文本查询只能预先设置好，用户不能实时构建自己要求的各种查询。

2．6 符号查询地物在GIS中都是以一定的符号系统表示的，系统应该提供根据地物符号来进行查询的功能。

符号查询是根据地物在系统中的符号表现形式来查询地物的信息，实质是通过用户指定某种符号，在符号库中查询其代表的地物类型，在属性库中查询该地物的属性信息或者图形信息。

3 查询结果的显示方式空间数据查询不仅能给出查询到的数据，还应以最有效的方式将空间数据显示给用户。

对于查询到的地理现象的属性数据，能以表格、统计图表的形式显示，或根据用户的要求来确定。

空间数据的最佳表示方式是地图，因而，空间数据查询的结果最好以专题地图的形式表示出来。

为了方便查询结果的显示，Max（1991，1994）在基于扩展SQL 的查询语言中增加了图形表示语言，作为对查询结果显示的表示。

查询结果的显示有六个环境参数：（1）显示方式。

有5种显示方式用语，对多次查询结果进行运算：刷新、覆盖、清除、相交和强调。

（2）图形表示。

用于选定符号、图案、色彩等。

（3）绘图比例尺。

确定地图显示的比例尺（内容和符号不随比例尺变化）。

（4）显示窗口。

确定屏幕上显示窗口的尺寸。

（5）相关的空间要素。

显示相关的空间数据，使查询结果更容易理解。

（6）查询内容的检查。

检查多次查询后的结果。

通过选择这些环境参数可以把查询结果以用户选择的不同的形式显示出来，但距离把查询结果以丰富多彩的专题地图显示出来的目标还相差很远。

4 GIS的空间查询实例1）上海市水环境污染源调查地理信息系统，实现了污染源属性和空间数据双向查询功能，实现模糊查询、大户查询、任意空间地域查询和地图要素查询。

部份查询窗口见图5-2和图5-3所示。

89图5-2 年污水量地图显示图5-3 数据查询结果表格显示2）北京派的伟业开发的农田地理信息系统实现的信息查询功能包括属性数据查询、空间数据查询和专题查询。

（1）属性查询主要是根据地图查询属性，如查询北京地区各县、区主要农作物的播种面积、产量及历史变化、灌溉水平、化肥用量、机械化水平等；（2）空间查询可以实现自由放大、缩小、漫游等空间查询，可以量测不同区域的周长、面积；（3）专题查询可以进行色彩专题、图案专题、点密度专题、表专题和比例专题的查询。

如产量水平、复种指数、土壤肥力、作物灌溉比例等专题图的查询和分析。

第二节 空间数据分析空间数据分析是GIS区别于其他信息系统的重要特征之一，也是GIS中难点和重点，它通过空间量算研究空间中点、线、面的几何属性，以及它们之间的相互几何关系，再通过基于几何的空间关系分析，揭示地理特征和过程的内在规律和机理，获取新的地理9091信息，最终的目的是解决人们所涉及到地理空间的实际问题，提取和传输地理空间信息，特别是隐含信息，以辅助决策。

本节介绍GIS 中实现空间分析的基本功能，包括空间几何量算，缓冲区分析、叠加分析、网络分析、空间插值、统计分类分析等。