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開源地理信息系統QGIS空間分析教程 版權信息
- ISBN：9787030689740
- 條形碼：9787030689740 ; 978-7-03-068974-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
開源地理信息系統QGIS空間分析教程 內容簡介
本教程面向大多數GIS專業及其相關專業讀者群體，突出“開源”和“應用分析”特色，以具體案例形式，介紹QGIS軟件的基本數據操作和空間分析功能，包括OGIS數據加載、瀏覽、專題地圖制作、打印輸出：QGIS空間配準、柵格矢量化、實體生成、GPS連接等數據采集和編輯操作；QGIS空間緩沖區和泰森多邊形分析；QGIS熱力圖表達和核密度分析；“PostGIS+QGIS”關系數據庫建庫及空間SQL分析；PostGIS空間網絡拓撲處理與可達性分析；PostGIS綜合空間分析應用。 本書可以作為高校地理信息科學、人文地理、區域經濟、城市規劃相關專業的本科生、研究生教材和自學用書，亦可作為中學地理教師GIS培訓和教學參考用書及相關領域專業人員工作參考用書。
開源地理信息系統QGIS空間分析教程 目錄
目錄
前言
第1章 GIS的基本概念與QGIS軟件簡介 1
1.1 地理信息系統的概念和組成 1
1.2 地理空間信息及其空間數據模型 3
1.3 大地測量系統和坐標系 6
1.4 GIS軟件與軟件運行環境設置 8
1.4.1 QGIS與Shapefiles數據格式簡介 8
1.4.2 QGIS軟件的下載與安裝 9
1.4.3 QGIS運行界面組成及其設定 12
1.4.4 QGIS加載數據 13
1.5 基于QGIS的矢量數據處理和編輯 15
第2章 QGIS數據符號化與專題地圖 20
2.1 專題地圖基礎知識 20
2.1.1 普通地圖、專題地圖與地理底圖 20
2.1.2 專題圖屬性表的數據處理 20
2.1.3 數據符號化 23
2.1.4 專題地圖制作過程 24
2.2 基于地理要素特征的符號化 25
2.2.1 單一要素符號化：以上海地理底圖為例 25
2.2.2 分類要素符號化：以土地利用為例 29
2.2.3 連續數值要素符號化：以夜間人口統計為例 30
2.2.4 統計圖示：以人口結構為例 32
2.3 外部統計數據的鏈接 34
2.3.1 屬性表鏈接 34
2.3.2 鏈接后的符號化 37
2.4 專題圖的排版與輸出 38
2.4.1 標注/注記 40
2.4.2 地圖整飾 42
2.4.3 打印輸出 47
第3章 QGIS空間數據采集：以區域優秀歷史建筑為例 49
3.1 影像資料的地理配準與矢量化 49
3.1.1 數字影像與地理配準的概述 49
3.1.2 研究區數據介紹 50
3.2 數字影像的地理配準 50
3.2.1 對地圖進行空間配準 50
3.2.2 基于航攝相片的地圖矢量化 56
3.3 創建優秀歷史建筑數據分布圖 59
3.3.1 通過地址文本資料獲得空間點數據 59
3.3.2 手機定位軟件獲取空間數據 61
3.3.3 疊加優秀歷史建筑圖層和其他圖層 67
3.4 小結 68
第4章 QGIS空間鄰近性分析：以城市商圈分析為例 69
4.1 空間鄰近性與城市商圈 69
4.1.1 點狀地物的空間鄰近性與商圈 69
4.1.2 數據說明 69
4.1.3 分析內容與方法 70
4.2 GIS數據的導入與制作 70
4.3 鄰近區域的制作與可視化 72
4.3.1 創建緩沖區 72
4.3.2 創建泰森多邊形 75
4.4 鄰近區域屬性的空間分析 76
4.4.1 基于人口柵格數據的商圈人口估算 77
4.4.2 商圈居住人口的估算 77
4.4.3 商圈緩沖區內的公交站數的計算 82
4.5 小結 84
第5章 QGIS空間集聚分析與距離計算：以城市旅游景點為例 85
5.1 空間集聚與空間距離的概念 85
5.1.1 點狀地物的集聚概念與旅游景點分析 85
5.1.2 距離的概念與計算方法 85
5.2 基礎數據準備與可視化 86
5.2.1 基礎數據來源 86
5.2.2 從地址信息獲取坐標數據 86
5.2.3 由坐標數據轉換成空間點數據 87
5.3 空間集聚的分析方法 89
5.3.1 基于Heatmap的空間集聚的專題圖 89
5.3.2 基于Kernel Density函數的核密度分析 91
5.4 空間距離的計算 97
5.4.1 計算離旅游景點*近地鐵站的距離 97
5.4.2 計算旅游景點到主干線的距離 101
5.5 小結 104
第6章 PostgreSQL與PostGIS地理數據庫構建：以城市土地利用為例 106
6.1 研究背景 106
6.2 數據庫基礎知識 106
6.2.1 數據庫概述 106
6.2.2 關系型數據庫的構成 107
6.2.3 關系型數據庫的設計原則：數據規范化 109
6.3 空間數據庫的構建 109
6.3.1 關系型數據庫的創建 109
6.3.2 空間數據庫的擴展 110
6.3.3 數據庫模式的建立 110
6.4 空間數據導入 111
6.4.1 主要源數據 112
6.4.2 工作環境建立 112
6.4.3 QGIS與PostGIS的連接 113
6.4.4 源數據及主要導入方法 113
6.4.5 基于DB Manager的源數據導入 115
6.4.6 csv文件導入 117
6.4.7 Shapefile文件導入 119
6.4.8 數據導入后的檢查 120
6.5 主鍵與外鍵的創建 122
6.5.1 使用pgAdmin4工具瀏覽數據列表 123
6.5.2 數據導入時的主鍵自動創建 124
6.5.3 利用pgAdmin4與SQL創建主鍵和外鍵 126
6.6 基于PostGIS的空間分析與統計 130
6.6.1 基于數據庫視圖的專題圖制作 130
6.6.2 屬性統計與空間分析案例 132
第7章 PostGIS網絡拓撲分析：以城市道路為例 140
7.1 研究背景 140
7.2 空間拓撲的概念 140
7.2.1 空間幾何屬性與空間拓撲屬性 140
7.2.2 基于QGIS的空間拓撲的構成要素 140
7.3 基礎數據導入與空間數據庫構建 141
7.3.1 基礎數據導入 141
7.3.2 空間數據多重幾何格式的分解 143
7.3.3 點（地鐵站）、線（道路）實體的銜接與路徑生成 144
7.3.4 不同實體（圖層）文件合并 145
7.4 創建專題拓撲模式 147
7.5 基于pgrouting插件的可達范圍計算 150
7.5.1 路徑距離與成本的計算 150
7.5.2 可到達路徑的搜索 153
7.5.3 可到達范圍的計算 154
7.5.4 可到達范圍的人口估算 156
第8章 PostGIS空間綜合應用分析：以城市災害影響評估為例 158
8.1 案例概況 158
8.1.1 背景與意義 158
8.1.2 分析內容 158
8.1.3 分析方法 159
8.2 空間數據庫的構建 159
8.2.1 數據源與作業環境 159
8.2.2 構建數據庫與導入數據 160
8.3 極端洪水淹沒情景 162
8.4 災害暴露特征 163
8.4.1 住宅建筑和人口暴露統計 163
8.4.2 公交線的洪水暴露與影響 164
8.4.3 便利店的洪水暴露及影響 170
8.5 災害避難行為的GIS時空模擬 172
8.5.1 災害避難模擬的數據說明 172
8.5.2 避難*短路徑的計算 172
8.5.3 行走軌跡點的計算 174
8.5.4 QGIS的TimeManager的下載與安裝 177
8.5.5 基于TimeManager的避難模擬 178
參考文獻 182
前言
第1章 GIS的基本概念與QGIS軟件簡介 1
1.1 地理信息系統的概念和組成 1
1.2 地理空間信息及其空間數據模型 3
1.3 大地測量系統和坐標系 6
1.4 GIS軟件與軟件運行環境設置 8
1.4.1 QGIS與Shapefiles數據格式簡介 8
1.4.2 QGIS軟件的下載與安裝 9
1.4.3 QGIS運行界面組成及其設定 12
1.4.4 QGIS加載數據 13
1.5 基于QGIS的矢量數據處理和編輯 15
第2章 QGIS數據符號化與專題地圖 20
2.1 專題地圖基礎知識 20
2.1.1 普通地圖、專題地圖與地理底圖 20
2.1.2 專題圖屬性表的數據處理 20
2.1.3 數據符號化 23
2.1.4 專題地圖制作過程 24
2.2 基于地理要素特征的符號化 25
2.2.1 單一要素符號化：以上海地理底圖為例 25
2.2.2 分類要素符號化：以土地利用為例 29
2.2.3 連續數值要素符號化：以夜間人口統計為例 30
2.2.4 統計圖示：以人口結構為例 32
2.3 外部統計數據的鏈接 34
2.3.1 屬性表鏈接 34
2.3.2 鏈接后的符號化 37
2.4 專題圖的排版與輸出 38
2.4.1 標注/注記 40
2.4.2 地圖整飾 42
2.4.3 打印輸出 47
第3章 QGIS空間數據采集：以區域優秀歷史建筑為例 49
3.1 影像資料的地理配準與矢量化 49
3.1.1 數字影像與地理配準的概述 49
3.1.2 研究區數據介紹 50
3.2 數字影像的地理配準 50
3.2.1 對地圖進行空間配準 50
3.2.2 基于航攝相片的地圖矢量化 56
3.3 創建優秀歷史建筑數據分布圖 59
3.3.1 通過地址文本資料獲得空間點數據 59
3.3.2 手機定位軟件獲取空間數據 61
3.3.3 疊加優秀歷史建筑圖層和其他圖層 67
3.4 小結 68
第4章 QGIS空間鄰近性分析：以城市商圈分析為例 69
4.1 空間鄰近性與城市商圈 69
4.1.1 點狀地物的空間鄰近性與商圈 69
4.1.2 數據說明 69
4.1.3 分析內容與方法 70
4.2 GIS數據的導入與制作 70
4.3 鄰近區域的制作與可視化 72
4.3.1 創建緩沖區 72
4.3.2 創建泰森多邊形 75
4.4 鄰近區域屬性的空間分析 76
4.4.1 基于人口柵格數據的商圈人口估算 77
4.4.2 商圈居住人口的估算 77
4.4.3 商圈緩沖區內的公交站數的計算 82
4.5 小結 84
第5章 QGIS空間集聚分析與距離計算：以城市旅游景點為例 85
5.1 空間集聚與空間距離的概念 85
5.1.1 點狀地物的集聚概念與旅游景點分析 85
5.1.2 距離的概念與計算方法 85
5.2 基礎數據準備與可視化 86
5.2.1 基礎數據來源 86
5.2.2 從地址信息獲取坐標數據 86
5.2.3 由坐標數據轉換成空間點數據 87
5.3 空間集聚的分析方法 89
5.3.1 基于Heatmap的空間集聚的專題圖 89
5.3.2 基于Kernel Density函數的核密度分析 91
5.4 空間距離的計算 97
5.4.1 計算離旅游景點*近地鐵站的距離 97
5.4.2 計算旅游景點到主干線的距離 101
5.5 小結 104
第6章 PostgreSQL與PostGIS地理數據庫構建：以城市土地利用為例 106
6.1 研究背景 106
6.2 數據庫基礎知識 106
6.2.1 數據庫概述 106
6.2.2 關系型數據庫的構成 107
6.2.3 關系型數據庫的設計原則：數據規范化 109
6.3 空間數據庫的構建 109
6.3.1 關系型數據庫的創建 109
6.3.2 空間數據庫的擴展 110
6.3.3 數據庫模式的建立 110
6.4 空間數據導入 111
6.4.1 主要源數據 112
6.4.2 工作環境建立 112
6.4.3 QGIS與PostGIS的連接 113
6.4.4 源數據及主要導入方法 113
6.4.5 基于DB Manager的源數據導入 115
6.4.6 csv文件導入 117
6.4.7 Shapefile文件導入 119
6.4.8 數據導入后的檢查 120
6.5 主鍵與外鍵的創建 122
6.5.1 使用pgAdmin4工具瀏覽數據列表 123
6.5.2 數據導入時的主鍵自動創建 124
6.5.3 利用pgAdmin4與SQL創建主鍵和外鍵 126
6.6 基于PostGIS的空間分析與統計 130
6.6.1 基于數據庫視圖的專題圖制作 130
6.6.2 屬性統計與空間分析案例 132
第7章 PostGIS網絡拓撲分析：以城市道路為例 140
7.1 研究背景 140
7.2 空間拓撲的概念 140
7.2.1 空間幾何屬性與空間拓撲屬性 140
7.2.2 基于QGIS的空間拓撲的構成要素 140
7.3 基礎數據導入與空間數據庫構建 141
7.3.1 基礎數據導入 141
7.3.2 空間數據多重幾何格式的分解 143
7.3.3 點（地鐵站）、線（道路）實體的銜接與路徑生成 144
7.3.4 不同實體（圖層）文件合并 145
7.4 創建專題拓撲模式 147
7.5 基于pgrouting插件的可達范圍計算 150
7.5.1 路徑距離與成本的計算 150
7.5.2 可到達路徑的搜索 153
7.5.3 可到達范圍的計算 154
7.5.4 可到達范圍的人口估算 156
第8章 PostGIS空間綜合應用分析：以城市災害影響評估為例 158
8.1 案例概況 158
8.1.1 背景與意義 158
8.1.2 分析內容 158
8.1.3 分析方法 159
8.2 空間數據庫的構建 159
8.2.1 數據源與作業環境 159
8.2.2 構建數據庫與導入數據 160
8.3 極端洪水淹沒情景 162
8.4 災害暴露特征 163
8.4.1 住宅建筑和人口暴露統計 163
8.4.2 公交線的洪水暴露與影響 164
8.4.3 便利店的洪水暴露及影響 170
8.5 災害避難行為的GIS時空模擬 172
8.5.1 災害避難模擬的數據說明 172
8.5.2 避難*短路徑的計算 172
8.5.3 行走軌跡點的計算 174
8.5.4 QGIS的TimeManager的下載與安裝 177
8.5.5 基于TimeManager的避難模擬 178
參考文獻 182
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開源地理信息系統QGIS空間分析教程 節選
第1章 GIS的基本概念與QGIS軟件簡介 1.1 地理信息系統的概念和組成 地理空間（geographical space）是指地球表面及近地表空間，即地球上大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈和土壤圈交互作用的區域。地理空間中的空間事物（簡稱地物，如山川、海洋等）或地理現象（如城市群、土地類型等）代表了現實世界。正如人們使用文字處理器在計算機上編寫文檔和處理文字一樣，人們也可以使用地理信息系統（geographic information system，GIS）應用程序在計算機上處理地理事物的空間信息。GIS即人們通過對各種各樣的地理現象的觀察抽象、綜合取舍、編碼和簡化，將其以數據形式存入計算機內進行操作處理，從而達到對現實世界規律進行再認識和分析決策目的的計算機系統（湯國安等，2019）。 如圖1-1所示，GIS是由計算機系統、地理空間信息和數據處理功能組成的，可以實現地理空間信息的存儲、檢索、分析和可視化。 圖1-1 GIS的組成 圖1-2使用具體事例說明了GIS的概念。地物的地理空間信息可劃分為空間信息與屬性信息兩部分，分別通過空間數據和屬性數據來進行描述，其數據一般以文件形式或數據庫的形式存儲。通常而言，空間信息以點狀、線狀和面狀三種空間實體類型進行描述。點狀地物例子：便利店可以用點來表示，坐標值（緯度和經度）描述其所處的地理空間位置，屬性數據描述店鋪名稱和所有者等非空間信息，空間數據和屬性數據間使用**的標識碼（在本例子中是店鋪編號）相關聯。線狀地物例子：公共汽車路線可以用線來表示，其空間數據描述線路的形狀和位置，屬性數據則描述每條線路的相關說明信息，如線路名、運營公司、公交車站等。面狀地物例子：城市的區劃可用多邊形表示，描述其形狀和位置，屬性數據可以是區劃名稱、面積、土地利用類別、人口數量等。 圖1-2 GIS的概念 將地理空間信息數據儲存在計算機內的目的是利用GIS對地物進行檢索與分析，并通過地圖展現，實現信息的空間可視化，例如，可以把店鋪和人口分布的“兩張”空間數據圖層進行“疊加”（即GIS中的空間疊置分析），將商店的信息與周邊人口的信息融為一體，再通過檢索與分析，就可以得到一個關于商圈的范圍、規模及人口結構等全新信息的結果。 用戶在使用GIS軟件時，可以首先啟動GIS的數字背景地圖（又稱為底圖），然后將研究對象的地理空間數據添加到GIS中，通過創建專題地圖及進行空間分析等方式得到期望的結果。近年來，在區域研究，特別是區域政策研究領域中，GIS的重要性更加突出。GIS所具備的數據可視化和空間分析功能對區域研究的再度興起起到了很大的作用。在地理科學和計算機科學的帶動下，GIS的功能逐漸完善，成為自然和人文社會科學領域*為重要的分析工具之一。 1.2 地理空間信息及其空間數據模型 地理空間信息是由地物的空間位置及其屬性信息來定義的。地理空間信息定量地描述現實世界的地物。然而這并不是忠實地表現現實世界，而是對現實世界的抽象表現。圖1-3是地理空間信息中抽象化概念的示意。 這里所說的抽象化意味著理想化和簡單化。首先，定量描述地球的真實形狀，需要復雜的測量和計算。在這種情況下，如果將地球形狀理想化為“橢球體”，測量和計算就可以在不破壞研究對象本質的情況下容易很多。其次，無視現實世界中如建筑物等地物的細節，只取其粗略的輪廓，即地物的簡單化。經過理想化和簡單化的處理，以簡潔的地理空間信息結構，在普通計算機上快速地計算、分析與顯示復雜的現實世界的空間信息。 在實際應用中，地理空間信息是通過地理空間數據模型實現的。具體地說，地理空間數據模型由空間數據結構和屬性數據結構構成。例如，圖1-4中所示的靜安寺的數據模型中，空間數據結構表示建筑物的位置和形狀，而屬性數據結構可以連接寺院的歷史、建筑物的構造和名稱，以及對外營業時間等。 圖1-3 地理空間信息的抽象化 換言之，通常的GIS數據是空間數據和屬性數據的綜合體，包括空間特征、屬性特征。其中，空間特征用來說明“在哪里”“鄰近哪個目標”，它描述事物或現象的地理位置及空間相互關系，故又稱幾何特征和拓撲特征。例如，靜安寺院內的建筑物的位置及形狀，院內建筑物與參觀者通道的位置關系，寺院與地鐵車站的鄰近關系等。而屬性特征用來說明“是什么”“叫什么”，如寺院建筑物的名稱、歷史及各類設施的介紹等。 圖1-4 地理空間信息模型示意圖 空間數據結構一般是指支持上述地理空間信息模型的計算機數據結構。空間數據結構可以分為基于矢量的數據結構（vector data structure）和基于柵格的數據結構（raster data structure）兩種基本類型。 基于矢量的數據結構通過記錄實體坐標及其關系，通過點、線、面來表示地理實體的位置、長度、形狀和面積等空間屬性。如圖1-5所示，學校和醫院用點（point）、道路用線（line）、行政區域用面（polygon）三種類型的矢量數據來表示。基于矢量的數據結構是一種高效的圖形數據結構，可對復雜數據以*小的數據冗余進行存儲，具有數據精度高、存儲空間小等特點（湯國安等，2019）。 圖1-5 柵格數據和矢量數據示意圖 基于柵格的數據結構以規則柵格陣列及柵格單元上的數值來表示連續的空間場數據，如地面高程、降水、氣溫和人口分布等。如圖1-5所示，將人口分布的計算值儲存在柵格陣列中，這樣人口分布就以連續性的地理分布形式顯示其空間格局特征。柵格數據的優點是數據結構簡單、數學模擬方便。其缺點是數據量大；難以建立實體間的拓撲關系；通過改變分辨率減少數據量時，精度和信息量同時受損等（湯國安等，2019）。 不同數據圖層的疊加（overlay）是GIS實現數據可視化與空間分析的重要手段。通常將具有同一屬性的空間數據歸納為一個空間數據，如圖1-5中的點（學校、醫院）、線（道路）、面（行政區域）及柵格（人口分布）分別以4種空間數據來表示。如圖1-6所示，將這些柵格數據文件和矢量數據文件在GIS的數據圖層面板（layer panel）中疊加顯示，從而使得具有不同性質的地理現象直觀地融匯于一張地圖中，實現了數據可視化的效果。 由于不同數據的疊加是在相同的坐標系中的相同位置進行的。這樣的疊加又為實現不同地物的空間鄰近性分析提供了必要的條件。如圖1-6所示，將學校、醫院的點分別與道路數據及人口密度數據進行疊加，可以分析出學校周邊、醫院周邊的人口密度，這對確定學校和醫院的設施規模十分重要。同時，可以利用道路信息計算抵達學校及醫院的*短路徑和時間。上述便是人們常說的GIS空間分析。 圖1-6 矢量數據與柵格數據的疊加 1.3 大地測量系統和坐標系 在將地理空間信息納入GIS時，用戶首先要面對的是大地測量系統和坐標系的選擇。也就是說，地球上地物的位置是以怎樣的基準來確定的，實物之間的距離是怎樣測量的，三維地表又是如何表現在二維地圖上的。這些問題的回答需要關于地球大地測量系統和坐標系的基礎知識。 眾所周知，地球上地物的位置是由緯度和經度決定的。另外，緯度和經度雖然是以大地測量系統為基準測量的，但實際上迄今為止各國都采用了各種各樣的獨立（不同）的大地測量系統。圖1-7說明了大地測量系統的變更產生的位置偏差現象。基于上海地方坐標系統的全球定位系統（global positioning system，GPS）測量的實際點位均在圖1-8附近的主要道路上，而按坐標疊置到基于西安坐標系統的地圖上卻出現了明顯的偏差，有些點甚至落入了黃浦江。 圖1-7 GPS實測點與國家標準地形圖匹配狀況 之所以會出現上述偏差，是因為不同的地圖采用了不同的坐標系。一個完整的地理坐標系包含兩個要素：一是采用的基準地球橢球的參數；二是基于基準地球橢球坐標系。坐標系是用數值決定地球表面地物位置的系統，分為地理坐標系和平面投影坐標系。地理坐標系可以利用緯度和經度來**地標記世界上所有地物的位置。但是，僅緯度和經度不能滿足日常生活需要。例如，通過緯度和經度的概念很難把握“距離”的印象。另外，如果將圓形地球表面的距離表現在平面地圖上，必然會產生“扭曲”。為了將失真降到*低限度，使用投影坐標系。投影坐標系的圖像如圖1-8所示，在地表局部垂直平面上投影地形可以抑制投影中心部分的圖形失真。在多個垂直平面上連續投影，產生投影坐標系的地圖。在投影坐標系地圖中，物體的位置用（x，y）坐標表示，物體間的距離也可以用坐標求出。中國常用的地圖投影方法和適用范圍見表1-1。
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