地理空間數(shù)據(jù)分析與

地理空間數(shù)據(jù)分析與1第1頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四

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（美國地理信息與分析國家中心，GIS的奠基人之一）2023/4/52第2頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四第一章空間數(shù)據(jù)分析與GIS

2023/4/53第3頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四

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2023/4/54第4頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四

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2023/4/55第5頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四

空間數(shù)據(jù)分析是地理學(xué)和地理信息科學(xué)領(lǐng)域的重要研究內(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。2023/4/56第6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四

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)制分析來代替簡單的因果關(guān)系分析。2023/4/57第7頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四圖1.1數(shù)量地理學(xué)與傳統(tǒng)地理學(xué)研究方法比較2023/4/58第8頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四

計(jì)量革命的直接成果是導(dǎo)致了GIS革命的到來

—JohnstonRJ，1995（英國著名地理學(xué)家）2023/4/59第9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四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)2023/4/510第10頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四計(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)?！狾penshaw1999（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?！猂ess（英地理學(xué)家）

2023/4/511第11頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四地理計(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。

2023/4/512第12頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四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。2023/4/513第13頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四空間數(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)2023/4/514第14頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四空間數(shù)據(jù)分析與GIS

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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2023/4/515第15頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四以地理空間數(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。2023/4/516第16頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四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。2023/4/517第17頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四現(xiàn)有研究內(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）。

2023/4/518第18頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四表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)》2023/4/519第19頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四空間數(shù)據(jù)分析與GIS

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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2023/4/520第20頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四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2023/4/521第21頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四空間統(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2023/4/522第22頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四步驟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。2023/4/523第23頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四2.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。2023/4/524第24頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四5.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。2023/4/525第25頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四7.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2023/4/526第26頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四空間數(shù)據(jù)分析與GIS

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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2023/4/527第27頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四模型是人類對(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)。2023/4/528第28頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四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?？臻g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。2023/4/529第29頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四空間分布分析模型（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)。2023/4/530第30頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四空間關(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。2023/4/531第31頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四空間相關(guān)分析模型預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)與決策模型2023/4/532第32頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四空間數(shù)據(jù)分析與GIS

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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2023/4/533第33頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四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。2023/4/534第34頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四空間分布與格局1.空間分布類型圖1.3空間對(duì)象分布類型2023/4/535第35頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四2.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。2023/4/536第36頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四資源配置與規(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。2023/4/537第37頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四圖1.4資源配置與規(guī)劃實(shí)例圖2023/4/538第38頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四空間關(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。2023/4/539第39頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四空間關(guān)系主要包括距離、方向、連通和拓?fù)涞人念??？臻g相關(guān)關(guān)系分析一般基于空間統(tǒng)計(jì)學(xué)?？臻g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。2023/4/540第40頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四空間動(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)。2023/4/541第41頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四

1.空間動(dòng)態(tài)與過程的研究內(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。2023/4/542第42頁，共47頁，2023年，2月20日，星期四圖1.5空間動(dòng)態(tài)模型的邏輯組成2023/4/543第