地理空間數(shù)據(jù)分析與GIS.ppt

2020 2 12 1 王紅hongwang 83787891 嚴(yán)愷館319海大學(xué)水文院地理信息科學(xué)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(duì)空間數(shù)據(jù)的分析 M F Goodchild 美國(guó)地理信息與分析國(guó)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(xué)和地理信息科學(xué)領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容 它通過研究地理空間數(shù)據(jù)及其相應(yīng)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(jī)理 實(shí)現(xiàn)對(duì)地理空間信息的認(rèn)知 解釋 預(yù)測(cè)和調(diào)控 2020 2 12 7 數(shù)量地理學(xué) QuantitativeGeography 又稱計(jì)量地理學(xué) 試圖以定量的精確判斷來彌補(bǔ)定性文字描述的不足 以抽象的 反映本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型去刻畫具體的 龐雜的各種地理現(xiàn)象 以對(duì)過程的模擬和預(yù)測(cè)來代替對(duì)現(xiàn)狀的分析和說明 以合理的趨勢(shì)推導(dǎo)和反饋機(jī)制分析來代替簡(jiǎn)單的因果關(guān)系分析 2020 2 12 8 圖1 1數(shù)量地理學(xué)與傳統(tǒng)地理學(xué)研究方法比較 2020 2 12 9 計(jì)量革命的直接成果是導(dǎo)致了GIS革命的到來 JohnstonRJ 1995 英國(guó)著名地理學(xué)家 2020 2 12 10 GIS是客觀現(xiàn)實(shí)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(tái) 2020 2 12 11 計(jì)算地理學(xué) GeocomputationalGeography 地理計(jì)算本質(zhì)上是繼地理信息科學(xué)之后的革命 是一種高性能計(jì)算 用以解決目前不能解決 甚至未知的空間問題的科學(xué) Openshaw1999 英地理學(xué)家 應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)求解地理問題的理論 方法和過程 Ress 英地理學(xué)家 2020 2 12 12 地理計(jì)算模型與方法地理計(jì)算學(xué)是數(shù)量地理學(xué)向深層次的拓展 強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)模型與模擬實(shí)驗(yàn)并重的理念 憑借計(jì)算機(jī)工具對(duì)地理學(xué)問題進(jìn)行定量或非定量分析的抽象概括和綜合研究 解決海量 復(fù)雜數(shù)據(jù)集或數(shù)據(jù)庫分析的復(fù)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(jì)算技術(shù) CI 提供計(jì)算原理和計(jì)算工具 高性能計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)提供動(dòng)力核心技術(shù) 智能計(jì)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(dòng)機(jī) 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(shí)空系統(tǒng)中潛在的 有價(jià)值的信息 規(guī)律和知識(shí)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(yīng)用邏輯運(yùn)算 一般統(tǒng)計(jì)和地統(tǒng)計(jì) 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(shí)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(shí)際問題 2020 2 12 17 GIS空間分析不僅要分析實(shí)體的屬性數(shù)據(jù) 更要分析它們的空間位置 分布特點(diǎn)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(jì)方法所不能勝任的 2020 2 12 18 現(xiàn)有研究?jī)?nèi)容和體系 由于空間分析的應(yīng)用領(lǐng)域含蓋面極廣 學(xué)科新興 源于不同領(lǐng)域的分析方法內(nèi)涵和外延不同 對(duì)應(yīng)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(jì) spatialstatistics 地統(tǒng)計(jì) 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(xué)報(bào) 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(jì)分析 屬性數(shù)據(jù)的一般統(tǒng)計(jì)方法空間統(tǒng)計(jì)方法景觀格局分析 2020 2 12 23 步驟 1 明確分析目標(biāo)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(xué)選址為例 要求6個(gè) 1 小學(xué)與城市主干道的距離要大于a公里 小于b公里 2 需遠(yuǎn)離鬧市區(qū) 大型工業(yè)設(shè)施和工廠 3 小學(xué)的面積要有最小值c平方公里 4 小學(xué)有操場(chǎng) 故需建立在平整的地區(qū) 即坡度小于d度 5 小學(xué)附近e米范圍內(nèi)不能有網(wǎng)吧 游戲廳等娛樂場(chǎng)所 6 交通要相對(duì)便利 需要位于居民小區(qū)附近 這個(gè)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(zhǔn)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(jìn)行一些適當(dāng)?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(xiàng) 3 執(zhí)行空間分析操作4 準(zhǔn)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(gè)數(shù)據(jù)層又有屬性表 某些問題需要對(duì)數(shù)據(jù)層的屬性表進(jìn)行修改和邏輯運(yùn)算 以產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)項(xiàng)或中介結(jié)果 來參與進(jìn)一步的分析操作 2020 2 12 25 5 屬性表分析對(duì)準(zhǔn)備好的表格分析數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯表達(dá)式運(yùn)算和算術(shù)表達(dá)式運(yùn)算 根據(jù)步驟1中的分析要求來確定不同的表格分析運(yùn)算方法 在GIS分析中 屬性表分析的結(jié)果是對(duì)應(yīng)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(gè)結(jié)果通常是研究者可以識(shí)別和認(rèn)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(gè)面區(qū)域 2020 2 12 26 7 評(píng)價(jià)和解釋分析結(jié)果通過這一步驟可以驗(yàn)證結(jié)果是否提供了可靠而又有實(shí)際應(yīng)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(duì)分析結(jié)果進(jìn)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(diǎn) 則應(yīng)返回前面步驟 補(bǔ)充適當(dāng)?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(xué)校址與已有的小學(xué)相距過近 則需添加條件 與已知小學(xué)相距大于f公里 9 輸出專題圖和報(bào)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(duì)事物的一種現(xiàn)象 是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的簡(jiǎn)化表達(dá) 是對(duì)客觀世界中解決各種實(shí)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(dá)了某個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展過程或發(fā)展結(jié)果 人們?cè)谡浇?shí)物或處理復(fù)雜的實(shí)際問題前 往往首先建立一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)物更簡(jiǎn)單明了 易于把握研究問題的本質(zhì)并實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo) 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(duì)現(xiàn)實(shí)世界科學(xué)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(biāo) 點(diǎn) 弧段 網(wǎng)絡(luò) 面域 復(fù)雜地物等 的多樣性決定了空間分析模型建立的復(fù)雜性 空間層次關(guān)系 相鄰關(guān)系以及空間目標(biāo)的拓?fù)潢P(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(yàn) 以確定分布類型 趨勢(shì)面分析 反映現(xiàn)象的空間分布趨勢(shì) 空間聚合與分解 反映空間對(duì)比與趨勢(shì) 2020 2 12 31 空間關(guān)系模型拓?fù)淇臻g關(guān)系 用來描述空間對(duì)象之間的相鄰 保護(hù)和相交等空間關(guān)系 不考慮空間對(duì)象間的度量和方位特性 順序空間關(guān)系 描述空間對(duì)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(duì)象之間的距離等關(guān)系 2020 2 12 32 空間相關(guān)分析模型預(yù)測(cè) 評(píng)價(jià)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(duì)地學(xué)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(jìn)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(jìn)行具體的分析 對(duì)底層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)特定的分析 最后通過GIS空間推理的地學(xué)數(shù)據(jù)分析 為地學(xué)決策服務(wù) 在地理空間的認(rèn)知基礎(chǔ)上 對(duì)紛繁復(fù)雜的地理現(xiàn)象和地學(xué)過程進(jìn)行定義和分類 將各種具體應(yīng)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(duì)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(zāi)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(biāo)進(jìn)行空間分布格局的描述 通過空間分布檢驗(yàn)來確定地理對(duì)象的聚集 分散 均勻 隨機(jī)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(shì)面分析反映現(xiàn)象的空間分布趨勢(shì)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(jìn)行時(shí)空分配 使稀缺的資源的功效最大化 從而保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益最優(yōu)化水資源時(shí)空配置 污染物排放時(shí)空優(yōu)化 城市發(fā)展規(guī)劃以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中諸如消防站點(diǎn)的分布 學(xué)校選址 商業(yè)服務(wù)設(shè)施分布 管網(wǎng)系統(tǒng)的布局 垃圾收集站點(diǎn)分布等很多問題都涉及對(duì)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(shí)例圖 2020 2 12 39 空間關(guān)系與影響對(duì)地理要素之間的空間關(guān)系進(jìn)行分析 可以反映各要素之間的相互作用的性質(zhì) 強(qiáng)度和方式 有助于從無序而復(fù)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(jī)理 進(jìn)而闡明空間要素動(dòng)態(tài)演替的方向 過程或擴(kuò)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(dòng)力 2020 2 12 40 空間關(guān)系主要包括距離 方向 連通和拓?fù)涞人念?空間相關(guān)關(guān)系分析一般基于空間統(tǒng)計(jì)學(xué) 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(xué)模型 并用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸獲得參數(shù) 然后進(jìn)行分析預(yù)測(cè) 它一般用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(dòng)態(tài)與過程任何一種地理要素或現(xiàn)象 都伴隨著復(fù)雜的時(shí)空過程 比如景觀空間格局演變 河道洪水 地震 森林生長(zhǎng)動(dòng)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(duì)地理實(shí)體及其空間關(guān)系的簡(jiǎn)化和抽象的基礎(chǔ)上 利用專業(yè)模型對(duì)地理現(xiàn)象的行為過程進(jìn)行模擬 分析其驅(qū)動(dòng)機(jī)制 重建其發(fā)展過程 并預(yù)測(cè)其發(fā)展變化趨勢(shì) 2020 2 12 42 1 空間動(dòng)態(tài)與過程的研究?jī)?nèi)容時(shí)空數(shù)據(jù)的分類 時(shí)間量測(cè) 基于時(shí)間的平化和綜合 變化的統(tǒng)計(jì)分析 時(shí)空疊加 時(shí)間序列分析以及預(yù)測(cè)分析等 2 空間動(dòng)態(tài)模型對(duì)空間現(xiàn)象從一個(gè)分布狀態(tài)到另一個(gè)分布狀態(tài)變化的抽象和概括 可以看作是現(xiàn)實(shí)世界中地球表面特定位置上的屬性或狀態(tài)隨其驅(qū)動(dòng)力的時(shí)間變化的數(shù)學(xué)表達(dá) 常常表達(dá)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(dòng)態(tài)模型的邏輯組成 2020 2 12 44 2 1動(dòng)力學(xué)方法與動(dòng)力學(xué)過程模擬模型過程研究的動(dòng)力學(xué)方法假設(shè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(xué)模型 即動(dòng)力學(xué)過程模擬模型 這些模型常常是在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)初始條件與邊界條件約束條件下的一組偏微分方程組 動(dòng)力學(xué)過程模擬模型的建立與解算一般在非語義空間單元上進(jìn)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(jì)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(xué)模型等 2020 2 12 45 2 2隨機(jī)過程方法與隨機(jī)過程模擬模型一般用于事先不知道運(yùn)動(dòng)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(shí)間斷面上進(jìn)行狀態(tài)觀測(cè) 獲得多時(shí)相的過程斷面數(shù)據(jù) 再根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)與隨機(jī)過程理論建立隨機(jī)過程模型 隨機(jī)過程模擬模型一般是不同時(shí)刻狀態(tài)變量的聯(lián)合分布函數(shù) 而且常常針對(duì)每個(gè)空間單元進(jìn)行 計(jì)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(jì)分析方法產(chǎn)生的新的時(shí)間斷面上的狀態(tài)數(shù)據(jù) 這類模型的操作單