地理空間數(shù)據(jù)分析與GIS.ppt

2020 2 12 1 王紅hongwang 83787891 嚴愷館319海大學水文院地理信息科學系 空間分析與建模 2020 2 12 2 地理信息系統(tǒng)真正的功能在于它利用空間分析技術(shù)對空間數(shù)據(jù)的分析 M F Goodchild 美國地理信息與分析國家中心 GIS的奠基人之一 2020 2 12 3 第一章空間數(shù)據(jù)分析與GIS 2020 2 12 4 空間數(shù)據(jù)處理與建模發(fā)展歷史GIS空間分析定義空間分析的主要方法 步驟空間分析一般模型地理空間問題 2020 2 12 5 空間數(shù)據(jù)處理與建模發(fā)展歷史GIS空間分析定義空間分析的主要方法 步驟空間分析一般模型地理空間問題 2020 2 12 6 空間數(shù)據(jù)分析是地理學和地理信息科學領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容 它通過研究地理空間數(shù)據(jù)及其相應分析理論 方法和技術(shù) 探索 證明地理要素之間的關(guān)系 揭示地理特征和過程的內(nèi)在規(guī)律和機理 實現(xiàn)對地理空間信息的認知 解釋 預測和調(diào)控 2020 2 12 7 數(shù)量地理學 QuantitativeGeography 又稱計量地理學 試圖以定量的精確判斷來彌補定性文字描述的不足 以抽象的 反映本質(zhì)的數(shù)學模型去刻畫具體的 龐雜的各種地理現(xiàn)象 以對過程的模擬和預測來代替對現(xiàn)狀的分析和說明 以合理的趨勢推導和反饋機制分析來代替簡單的因果關(guān)系分析 2020 2 12 8 圖1 1數(shù)量地理學與傳統(tǒng)地理學研究方法比較 2020 2 12 9 計量革命的直接成果是導致了GIS革命的到來 JohnstonRJ 1995 英國著名地理學家 2020 2 12 10 GIS是客觀現(xiàn)實世界抽象化的數(shù)字模型GIS是地理空間空間數(shù)據(jù)管理 顯示與制圖的集成工具GIS是地理空間數(shù)據(jù)分析模擬與可視化的技術(shù)平臺 2020 2 12 11 計算地理學 GeocomputationalGeography 地理計算本質(zhì)上是繼地理信息科學之后的革命 是一種高性能計算 用以解決目前不能解決 甚至未知的空間問題的科學 Openshaw1999 英地理學家 應用計算機技術(shù)求解地理問題的理論 方法和過程 Ress 英地理學家 2020 2 12 12 地理計算模型與方法地理計算學是數(shù)量地理學向深層次的拓展 強調(diào)數(shù)學模型與模擬實驗并重的理念 憑借計算機工具對地理學問題進行定量或非定量分析的抽象概括和綜合研究 解決海量 復雜數(shù)據(jù)集或數(shù)據(jù)庫分析的復雜空間問題 2020 2 12 13 包含的新的理論技術(shù)方法 GIS創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫 人工智能技術(shù) AI 和智能計算技術(shù) CI 提供計算原理和計算工具 高性能計算服務系統(tǒng)提供動力核心技術(shù) 智能計算技術(shù)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 NN 模糊邏輯模型 fuzzylogic 遺傳算法 GA 元胞自動機 CA 以及分形分析 fractalanalysis 等 2020 2 12 14 空間數(shù)據(jù)挖掘是從地理空間數(shù)據(jù)庫中挖掘時空系統(tǒng)中潛在的 有價值的信息 規(guī)律和知識的過程 包括空間模式與特征 空間與非空間數(shù)據(jù)之間的概要關(guān)系等 圖1 2地理空間數(shù)據(jù)挖掘體系結(jié)構(gòu) 2020 2 12 15 空間數(shù)據(jù)分析與GIS 空間數(shù)據(jù)處理與建模發(fā)展歷史GIS空間分析定義空間分析的主要方法 步驟空間分析一般模型地理空間問題 2020 2 12 16 以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ) 應用邏輯運算 一般統(tǒng)計和地統(tǒng)計 圖形與形態(tài)分析 數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù) 提取隱含在空間數(shù)據(jù)內(nèi)部的與空間信息有關(guān)的知識和規(guī)律 包括位置 形態(tài) 分布 格局以及過程等內(nèi)容 以解決涉及地理空間的各種理論和實際問題 2020 2 12 17 GIS空間分析不僅要分析實體的屬性數(shù)據(jù) 更要分析它們的空間位置 分布特點和空間關(guān)系等與地理空間分析有關(guān)的信息 即空間分析的結(jié)果依賴于地理事件的空間分布特征 而且通過空間分析可以發(fā)現(xiàn)隱藏在空間數(shù)據(jù)之后的重要信息和一般規(guī)律 這是一般統(tǒng)計方法所不能勝任的 2020 2 12 18 現(xiàn)有研究內(nèi)容和體系 由于空間分析的應用領(lǐng)域含蓋面極廣 學科新興 源于不同領(lǐng)域的分析方法內(nèi)涵和外延不同 對應不同的稱謂 有空間分析 spatialanalysis 空間數(shù)據(jù)分析 spatialdataanalysis 空間統(tǒng)計 spatialstatistics 地統(tǒng)計 geostatistics 2020 2 12 19 表1空間分析不同稱謂的內(nèi)容差別 王勁峰2000 地理學報 2020 2 12 20 空間數(shù)據(jù)分析與GIS 空間數(shù)據(jù)處理與建模發(fā)展歷史GIS空間分析定義空間分析的主要方法 步驟空間分析一般模型地理空間問題 2020 2 12 21 GIS空間分析的一般方法 空間查詢和檢索空間量算空間插值疊置分析緩沖區(qū)分析網(wǎng)絡(luò)分析數(shù)字高程分析 2020 2 12 22 空間統(tǒng)計分析 屬性數(shù)據(jù)的一般統(tǒng)計方法空間統(tǒng)計方法景觀格局分析 2020 2 12 23 步驟 1 明確分析目標和分析要求規(guī)定了如何利用分析功能來解決問題 以及在滿足什么條件的前提下解決問題 以小學選址為例 要求6個 1 小學與城市主干道的距離要大于a公里 小于b公里 2 需遠離鬧市區(qū) 大型工業(yè)設(shè)施和工廠 3 小學的面積要有最小值c平方公里 4 小學有操場 故需建立在平整的地區(qū) 即坡度小于d度 5 小學附近e米范圍內(nèi)不能有網(wǎng)吧 游戲廳等娛樂場所 6 交通要相對便利 需要位于居民小區(qū)附近 這個例子可以涉及緩沖區(qū)分析 空間量算 空間查詢 疊置分析等一系列空間分析方法 2020 2 12 24 2 準備空間分析的數(shù)據(jù)收集空間數(shù)據(jù) 將與研究問題相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)庫中 并進行一些適當?shù)恼{(diào)整和修改 如數(shù)據(jù)的格式 單位等 刪除與研究無關(guān)的某些數(shù)據(jù)項 3 執(zhí)行空間分析操作4 準備表格分析數(shù)據(jù)有些空間分析問題涉及大量的屬性數(shù)據(jù) 而GIS的每個數(shù)據(jù)層又有屬性表 某些問題需要對數(shù)據(jù)層的屬性表進行修改和邏輯運算 以產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)項或中介結(jié)果 來參與進一步的分析操作 2020 2 12 25 5 屬性表分析對準備好的表格分析數(shù)據(jù)進行邏輯表達式運算和算術(shù)表達式運算 根據(jù)步驟1中的分析要求來確定不同的表格分析運算方法 在GIS分析中 屬性表分析的結(jié)果是對應于空間位置的 6 獲得分析結(jié)果執(zhí)行了步驟3和5的分析操作后 得到分析結(jié)果 這個結(jié)果通常是研究者可以識別和認知的模型或數(shù)據(jù) 在本例中 所得的分析結(jié)果為在該研究區(qū)域內(nèi)滿足已有要求的一個面區(qū)域 2020 2 12 26 7 評價和解釋分析結(jié)果通過這一步驟可以驗證結(jié)果是否提供了可靠而又有實際應用意義的答案 并向用戶解釋結(jié)果產(chǎn)生的依據(jù) 以及過程和意義 8 修改分析過程如果分析結(jié)果不能被接受 則需要對分析結(jié)果進行修改或添加某些條件和要求 使得結(jié)果可以被接受 如果分析存在某些局限性或缺點 則應返回前面步驟 補充適當?shù)臈l件和要求后 重新得到分析結(jié)果 本例中 如果所得到的小學校址與已有的小學相距過近 則需添加條件 與已知小學相距大于f公里 9 輸出專題圖和報表 2020 2 12 27 空間數(shù)據(jù)分析與GIS 空間數(shù)據(jù)處理與建模發(fā)展歷史GIS空間分析定義空間分析的主要方法 步驟空間分析一般模型地理空間問題 2020 2 12 28 模型是人類對事物的一種現(xiàn)象 是對現(xiàn)實世界的簡化表達 是對客觀世界中解決各種實際問題所依據(jù)的規(guī)律或過程的抽象或模擬 模型通常表達了某個系統(tǒng)的發(fā)展過程或發(fā)展結(jié)果 人們在正式建立實物或處理復雜的實際問題前 往往首先建立一個簡化的模型 以便抓住問題的要害 剔除與問題無關(guān)的非本質(zhì)的東西 從而使模型比實物更簡單明了 易于把握研究問題的本質(zhì)并實現(xiàn)研究目標 2020 2 12 29 GIS空間分析模型是在GIS空間數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上建立起來的模型 是對現(xiàn)實世界科學體系問題與抽象的空間概念模型 構(gòu)成空間分析模型的空間目標 點 弧段 網(wǎng)絡(luò) 面域 復雜地物等 的多樣性決定了空間分析模型建立的復雜性 空間層次關(guān)系 相鄰關(guān)系以及空間目標的拓撲關(guān)系也決定了空間分析模型建立的特殊性 2020 2 12 30 空間分布分析模型 郭仁忠 2001 空間分布參數(shù)的描述 如分布密度和均值 分布中心 離散度等 空間聚類分析 反映分布的多中心特征并確定這些中心 空間分布檢驗 以確定分布類型 趨勢面分析 反映現(xiàn)象的空間分布趨勢 空間聚合與分解 反映空間對比與趨勢 2020 2 12 31 空間關(guān)系模型拓撲空間關(guān)系 用來描述空間對象之間的相鄰 保護和相交等空間關(guān)系 不考慮空間對象間的度量和方位特性 順序空間關(guān)系 描述空間對象之間在空間上的排序 方位等關(guān)系 度量空間關(guān)系 描述空間對象之間的距離等關(guān)系 2020 2 12 32 空間相關(guān)分析模型預測 評價與決策模型 2020 2 12 33 空間數(shù)據(jù)分析與GIS 空間數(shù)據(jù)處理與建模發(fā)展歷史GIS空間分析定義空間分析的主要方法 步驟空間分析一般模型地理空間問題 2020 2 12 34 GIS對地學數(shù)據(jù)分析過程首先是面向基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫 以數(shù)據(jù)庫為核心進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的展布與分析 然后與專業(yè)領(lǐng)域結(jié)合進行具體的分析 對底層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行抽取 生成面向問題的數(shù)據(jù)庫 再結(jié)合具體的領(lǐng)域模型實現(xiàn)特定的分析 最后通過GIS空間推理的地學數(shù)據(jù)分析 為地學決策服務 在地理空間的認知基礎(chǔ)上 對紛繁復雜的地理現(xiàn)象和地學過程進行定義和分類 將各種具體應用概括為一般性地理問題是GIS空間分析的前提 2020 2 12 35 空間分布與格局1 空間分布類型圖1 3空間對象分布類型 2020 2 12 36 2 空間分布分析典型的空間分布問題包括生物物種的空間分布 自然災害的空間分布 犯罪的空間分布 疾病的空間分布等 在GIS中 通常采用分布密度 均值 分布中心 離散度 空間集聚度以及粗糙度等指標進行空間分布格局的描述 通過空間分布檢驗來確定地理對象的聚集 分散 均勻 隨機等分布類型 用空間聚類分析方法反映分布的多中心特征并確定這些中心 通過趨勢面分析反映現(xiàn)象的空間分布趨勢等 2020 2 12 37 資源配置與規(guī)劃資源配置是在資源總量不足的背景條件下 將有限的資源重新進行時空分配 使稀缺的資源的功效最大化 從而保證社會經(jīng)濟和生態(tài)效益最優(yōu)化水資源時空配置 污染物排放時空優(yōu)化 城市發(fā)展規(guī)劃以及社會經(jīng)濟活動中諸如消防站點的分布 學校選址 商業(yè)服務設(shè)施分布 管網(wǎng)系統(tǒng)的布局 垃圾收集站點分布等很多問題都涉及對資源的配置和規(guī)劃 2020 2 12 38 圖1 4資源配置與規(guī)劃實例圖 2020 2 12 39 空間關(guān)系與影響對地理要素之間的空間關(guān)系進行分析 可以反映各要素之間的相互作用的性質(zhì) 強度和方式 有助于從無序而復雜的空間要素格局中發(fā)現(xiàn)潛在的有序或規(guī)律 可以解釋空間格局與空間過程相互作用的機理 進而闡明空間要素動態(tài)演替的方向 過程或擴展?jié)摿?可以探索空間格局形成和發(fā)展的控制因素和基本驅(qū)動力 2020 2 12 40 空間關(guān)系主要包括距離 方向 連通和拓撲等四類 空間相關(guān)關(guān)系分析一般基于空間統(tǒng)計學 空間相互影響模型是利用狀態(tài)變量和影響因素之間的關(guān)系類比建立數(shù)學模型 并用實測數(shù)據(jù)回歸獲得參數(shù) 然后進行分析預測 它一般用于社會經(jīng)濟領(lǐng)域的問題 如旅行分配問題 目的地流入總量問題等 2020 2 12 41 空間動態(tài)與過程任何一種地理要素或現(xiàn)象 都伴隨著復雜的時空過程 比如景觀空間格局演變 河道洪水 地震 森林生長動態(tài) 林火蔓延等都是典型的地表空間過程 人們常常需要在對地理實體及其空間關(guān)系的簡化和抽象的基礎(chǔ)上 利用專業(yè)模型對地理現(xiàn)象的行為過程進行模擬 分析其驅(qū)動機制 重建其發(fā)展過程 并預測其發(fā)展變化趨勢 2020 2 12 42 1 空間動態(tài)與過程的研究內(nèi)容時空數(shù)據(jù)的分類 時間量測 基于時間的平化和綜合 變化的統(tǒng)計分析 時空疊加 時間序列分析以及預測分析等 2 空間動態(tài)模型對空間現(xiàn)象從一個分布狀態(tài)到另一個分布狀態(tài)變化的抽象和概括 可以看作是現(xiàn)實世界中地球表面特定位置上的屬性或狀態(tài)隨其驅(qū)動力的時間變化的數(shù)學表達 常常表達成狀態(tài) 過程 關(guān)系或流組成的三元組 2020 2 12 43 圖1 5空間動態(tài)模型的邏輯組成 2020 2 12 44 2 1動力學方法與動力學過程模擬模型過程研究的動力學方法假設(shè)系統(tǒng)運動的物理規(guī)律已知 根據(jù)過程物理規(guī)律可以建立過程模擬的數(shù)學模型 即動力學過程模擬模型 這些模型常常是在系統(tǒng)運動初始條件與邊界條件約束條件下的一組偏微分方程組 動力學過程模擬模型的建立與解算一般在非語義空間單元上進行 網(wǎng)格單元或不規(guī)則三角形單元 模型輸入數(shù)據(jù)一部分作為模型操作數(shù)據(jù)直接操作 另一部分則用于計算模型控制參數(shù) 一般來說 這類模型常涉及三維建模 如三維氣候過程模擬模型 三維泥沙數(shù)學模型等 2020 2 12 45 2 2隨機過程方法與隨機過程模擬模型一般用于事先不知道運動規(guī)律的過程 如土地利用變化等 因此 必須首先在不同的過程時間斷面上進行狀態(tài)觀測 獲得多時相的過程斷面數(shù)據(jù) 再根據(jù)統(tǒng)計學與隨機過程理論建立隨機過程模型 隨機過程模擬模型一般是不同時刻狀態(tài)變量的聯(lián)合分布函數(shù) 而且常常針對每個空間單元進行 計算模型控制參數(shù)所需數(shù)據(jù)集與模型操作數(shù)據(jù)集一般是相同的 模型輸出數(shù)據(jù)是基于條件分布或其他統(tǒng)計分析方法產(chǎn)生的新的時間斷面上的狀態(tài)數(shù)據(jù) 這類模型的操作單