[理学]第一章地理空间数据分析与GISppt课件

1、王王 红红8378789183787891严恺馆严恺馆319319；0158834801588348河海大学水文院地理信息科学系河海大学水文院地理信息科学系 地理信息系统真正的功能在于它利用空间分析技术对空间数据的分析 M. F. Goodchild 美国地理信息与分析国家中心，GIS的奠基人之一第一章 空间数据分析与GIS 空间数据处置与建模开展历史 GIS空间分析定义 空间分析的主要方法、步骤 空间分析普通模型 地理空间问题 空间数据处置与建模开展历史 GIS空间分析定义 空间分析的主要方法、步骤 空间分析普通模型 地理空间问题

2、空间数据分析是地理学和地理信息科学领域的重要研讨内容，它经过研讨地理空间数据及其相应分析实际、方法和技术，探求、证明地理要素之间的关系，提示地理特征和过程的内在规律和机理，实现对地理空间信息的认知、解释、预测和调控。 数量地理学Quantitative Geography 又称计量地理学。试图以定量的准确判别来弥补定性文字描画的缺乏；以笼统的、反映本质的数学模型去描写详细的、庞杂的各种地理景象；以对过程的模拟和预测来替代对现状的分析和阐明；以合理的趋势推导和反响机制分析来替代简单的因果关系分析。图1.1 数量地理学与传统地理学研讨方法比较 计量革命的直接成果是导致了GIS革命的到来 Johns

3、ton R J，1995 英国著名地理学家GIS是客观现实世界笼统化的数字模型GIS是地理空间空间数据管理、显示与制图的集成工具GIS是地理空间数据分析模拟与可视化的技术平台计算地理学Geocomputational Geography 地理计算本质上是继地理信息科学之后的革命，是一种高性能计算，用以处理目前不能处理、甚至未知的空间问题的科学。Openshaw 1999 英地理学家 运用计算机技术求解地理问题的实际、方法和过程。Ress 英地理学家地理计算模型与方法 地理计算学是数量地理学向深层次的拓展，强调数学模型与模拟实验并重的理念，凭仗计算机工具对地理学问题进展定量或非定量分析的笼统概括

4、和综合研讨，处理海量、复杂数据集或数据库分析的复杂空间问题。 包含的新的实际技术方法: GIS创建数据库； 人工智能技术AI和智能计算技术CI提供计算原理和计算工具； 高性能计算效力系统提供动力中心技术： 智能计算技术中神经网络模型NN、模糊逻辑模型fuzzy logic，遗传算法GA、元胞自动机CA以及分形分析fractal analysis等。空间数据发掘 是从地理空间数据库中发掘时空系统中潜在的、有价值的信息、规律和知识的过程，包括空间方式与特征、空间与非空间数据之间的概要关系等。图1.2 地理空间数据发掘体系构造空间数据分析与GIS 空间数据处置与建模开展历史 GIS空间分析定义 空间

5、分析的主要方法、步骤 空间分析普通模型 地理空间问题以地理空间数据库为根底，运用逻辑运算、普通统计和地统计、图形与形状分析、数据发掘等技术，提取隐含在空间数据内部的与空间信息有关的知识和规律，包括位置、形状、分布、格局以及过程等内容，以处理涉及地理空间的各种实际和实践问题。GIS空间分析不仅要分析实体的属性数据，更要分析它们的空间位置、分布特点和空间关系等与地理空间分析有关的信息，即空间分析的结果依赖于地理事件的空间分布特征，而且经过空间分析可以发现隐藏在空间数据之后的重要信息和普通规律，这是普通统计方法所不能胜任的。现有研讨内容和体系 由于空间分析的运用领域含盖面极广，学科新兴，源于不同领域

6、的分析方法内涵和外延不同，对应不同的称谓，有空间分析spatial analysis、空间数据分析spatial data analysis、空间统计spatial statistics、地统计geostatistics。 表表1 空间分析不同称谓的内容差别空间分析不同称谓的内容差别王劲峰 2000 空间数据分析与GIS 空间数据处置与建模开展历史 GIS空间分析定义 空间分析的主要方法、步骤 空间分析普通模型 地理空间问题GIS空间分析的普通方法空间查询和检索空间量算空间插值叠置分析缓冲区分析网络分析数字高程分析空间统计分析属性数据的普通统计方法空间统计方法景观格局分析步骤1.明确分析目的和

7、分析要求 规定了如何利用分析功能来处理问题，以及在满足什么条件的前提下处理问题。 以小学选址为例，要求6个1小学与城市主干道的间隔要大于a公里，小于b公里；2需远离闹市区、大型工业设备和工厂；3小学的面积要有最小值c平方公里；4小学有操场，故需建立在平整的地域，即坡度小于d度；5小学附近e米范围内不能有网吧、游戏厅等文娱场所；6交通要相对便利，需求位于居民小区附近。 这个例子可以涉及缓冲区分析、空间量算、空间查询、叠置分析等一系列空间分析方法。2. 预备空间分析的数据 搜集空间数据，将与研讨问题相关的属性数据添加到数据库中，并进展一些适当的调整和修正，如数据的格式、单位等，删除与研讨无关的某些

8、数据项。3. 执行空间分析操作4. 预备表格分析数据 有些空间分析问题涉及大量的属性数据，而GIS的每个数据层又有属性表。某些问题需求对数据层的属性表进展修正和逻辑运算，以产生新的数据项或中介结果，来参与进一步的分析操作。5. 属性表分析 对预备好的表格分析数据进展逻辑表达式运算和算术表达式运算，根据步骤1中的分析要求来确定不同的表格分析运算方法。在GIS分析中，属性表分析的结果是对应于空间位置的。6. 获得分析结果 执行了步骤3和5的分析操作后，得到分析结果。这个结果通常是研讨者可以识别和认知的模型或数据。在本例中，所得的分析结果为在该研讨区域内满足已有要求的一个面区域。7. 评价和解释分析

9、结果 经过这一步骤可以验证结果能否提供了可靠而又有实践应意图义的答案，并向用户解释结果产生的根据，以及过程和意义。8. 修正分析过程 假设分析结果不能被接受，那么需求对分析结果进展修正或添加某些条件和要求，使得结果可以被接受。假设分析存在某些局限性或缺陷，那么应前往前面步骤，补充适当的条件和要求后，重新得到分析结果。本例中，假设所得到的小学校址与已有的小学相距过近，那么需添加条件“与知小学相距大于f公里。9. 输出专题图和报表空间数据分析与GIS 空间数据处置与建模开展历史 GIS空间分析定义 空间分析的主要方法、步骤 空间分析普通模型 地理空间问题模型是人类对事物的一种景象，是对现实世界的简

10、化表达，是对客观世界中处理各种实践问题所根据的规律或过程的笼统或模拟，模型通常表达了某个系统的开展过程或开展结果。人们在正式建立实物或处置复杂的实践问题前，往往首先建立一个简化的模型，以便抓住问题的关键，剔除与问题无关的非本质的东西，从而使模型比实物更简单明了，易于把握研讨问题的本质并实现研讨目的。GIS空间分析模型是在GIS空间数据模型根底上建立起来的模型，是对现实世界科学体系问题与笼统的空间概念模型。构成空间分析模型的空间目的点、弧段、网络、面域、复杂地物等的多样性决议了空间分析模型建立的复杂性。空间层次关系、相邻关系以及空间目的的拓扑关系也决议了空间分析模型建立的特殊性。空间分布分析模型

11、郭仁忠，2001空间分布参数的描画，如分布密度和均值、分布中心、离散度等；空间聚类分析，反映分布的多中心特征并确定这些中心；空间分布检验，以确定分布类型；趋势面分析，反映景象的空间分布趋势；空间聚合与分解，反映空间对比与趋势。空间关系模型拓扑空间关系：用来描画空间对象之间的相邻、维护和相交等空间关系；不思索空间对象间的度量和方位特性。顺序空间关系：描画空间对象之间在空间上的排序、方位等关系。度量空间关系：描画空间对象之间的间隔等关系。空间相关分析模型预测、评价与决策模型空间数据分析与GIS 空间数据处置与建模开展历史 GIS空间分析定义 空间分析的主要方法、步骤 空间分析普通模型 地理空间问题

12、GIS对地学数据分析过程首先是面向根底数据库，以数据库为中心进展根底数据的展布与分析；然后与专业领域结合进展详细的分析，对底层的根底数据进展抽取，生成面向问题的数据库，再结合详细的领域模型实现特定的分析；最后经过GIS空间推理的地学数据分析，为地学决策效力。在地理空间的认知根底上，对纷繁复杂的地理景象和地学过程进展定义和分类，将各种详细运用概括为普通性地理问题是GIS空间分析的前提。图图1.3 空间对象分布类型空间对象分布类型2. 空间分布分析 典型的空间分布问题包括生物物种的空间分布、自然灾祸的空间分布、犯罪的空间分布、疾病的空间分布等。 在GIS中，通常采用分布密度、均值、分布中心、离散度

13、、空间集聚度以及粗糙度等目的进展空间分布格局的描画；经过空间分布检验来确定地理对象的聚集、分散、均匀、随机等分布类型；用空间聚类分析方法反映分布的多中心特征并确定这些中心；经过趋势面分析反映景象的空间分布趋势等。图1.4 资源配置与规划实例图 空间关系主要包括间隔、方向、连通和拓扑等四类。空间相关关系分析普通基于空间统计学。 空间相互影响模型是利用形状变量和影响要素之间的关系类比建立数学模型，并用实测数据回归获得参数，然后进展分析预测。它普通用于社会经济领域的问题，如游览分配问题，目的地流入总量问题等。 1. 空间动态与过程的研讨内容 时空数据的分类、时间量测、基于时间的平化和综合、变化的统计

14、分析、时空叠加、时间序列分析以及预测分析等。 2. 空间动态模型 对空间景象从一个分布形状到另一个分布形状变化的笼统和概括，可以看作是现实世界中地球外表特定位置上的属性或形状随其驱动力的时间变化的数学表达。经常表达成形状、过程、关系或流组成的三元组。图1.5 空间动态模型的逻辑组成2.1 动力学方法与动力学过程模拟模型 过程研讨的动力学方法假设系统运动的物理规律知，根据过程物理规律可以建立过程模拟的数学模型，即动力学过程模拟模型。这些模型经常是在系统运动初始条件与边境条件约束条件下的一组偏微分方程组。动力学过程模拟模型的建立与解算普通在非语义空间单元上进展网格单元或不规那么三角形单元，模型输入

15、数据一部分作为模型操作数据直接操作，另一部分那么用于计算模型控制参数。普通来说，这类模型常涉及三维建模，如三维气候过程模拟模型、三维泥沙数学模型等。2.2 随机过程方法与随机过程模拟模型 普通用于事先不知道运动规律的过程，如土地利用变化等。因此，必需首先在不同的过程时延续面上进展形状观测，获得多时相的过程断面数据，再根据统计学与随机过程实际建立随机过程模型。随机过程模拟模型普通是不同时辰形状变量的结合分布函数，而且经常针对每个空间单元进展。计算模型控制参数所需数据集与模型操作数据集普通是一样的，模型输出数据是基于条件分布或其他统计分析方法产生的新的时延续面上的形状数据。这类模型的操作单元经常是具有明确语义的区域。3