地理信息系统与空间分析基本概念课件

GIS空间分析方法空间分析方法李润奎李润奎资源与环境学院(教学楼217217)GIS空间分析方法李润奎2Dr.Roger Tomlinson,GISP,generally recognized as the Father of GIS,was known as a visionary geographer who conceived and developed GIS for use by the Canada Land Inventory.His pioneering work,beginning in the early1960s,changed the face of geography as a discipline and he was awarded an Order of Canada,which is Canadas highest civilian honor.Governments and scientists around the world turned to him to better understand the environment and changing patterns of land use,and to better manage urban development and the use of natural resources.Roger Tomlinson1933.11.17-2014.2.92Dr.Roger Tomlinson,GISP,ge3本讲的主要内容本讲的主要内容课程背景和其他相关课程课程背景和其他相关课程课程的安排和规则课程的安排和规则空间数据类型空间数据类型空间实体之间的关系空间实体之间的关系课程的内容以及基本知识课程的内容以及基本知识3本讲的主要内容课程背景和其他相关课程41.课程背景和其他相关课程课程背景和其他相关课程课程背景课程背景 课程沿革、商业背景、科学背景相关其他课程相关其他课程上学期：上学期：地理信息系统（A、B）、地理信息系统空间分析与建模（讨论课）、地理数学方法、地理基础统计、城市地理与城市规划、多元统计方法在地理学中的应用本学期：本学期：地理学中的空间分析方法、GIS环境应用模型、空间数据统计方法、城市经济与城市空间结构、网络地理信息系统、地理信息系统应用开发 41.课程背景和其他相关课程课程背景5562.课程的安排和规则课程的安排和规则本课程共分本课程共分16次课堂授课，次课堂授课，3次上机课，最后次上机课，最后一次考试一次考试期末考试为开卷考试期末考试为开卷考试教材和参考书教材和参考书周成虎，裴韬周成虎，裴韬 等等.地理信息系统空间分析原理地理信息系统空间分析原理.北京：科北京：科学出版社，学出版社，2011.王劲峰，廖一兰，刘鑫王劲峰，廖一兰，刘鑫.空间数据分析教程空间数据分析教程.北京：科学出北京：科学出版社，版社，2010.陈健飞等译陈健飞等译.地理信息系统导论地理信息系统导论.北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，2009.62.课程的安排和规则本课程共分16次课堂授课，3次上机课7本课程讲授的是时、空数据在本课程讲授的是时、空数据在GIS中的中的基本处理方法、思路以及在该领域内基本处理方法、思路以及在该领域内近年的研究进展。近年的研究进展。本课程所涉及的方法都是地学各领域本课程所涉及的方法都是地学各领域内常用的方法。掌握它们对提高今后内常用的方法。掌握它们对提高今后的科研能力和水平十分有益。的科研能力和水平十分有益。2.课程的安排和规则课程的安排和规则7本课程讲授的是时、空数据在GIS中的基本处理方法、思路以及JohnSnow绘制的伦敦地图，记录了1854年布罗德大街霍乱爆发事件时的病例聚集效应。John Snow绘制的伦敦地图，记录了1854年布罗德大街991010禽流感疫情可视化北京大学禽流感疫情可视化北京大学举例说明空间数据的类型以及空举例说明空间数据的类型以及空间关系。间关系。结合自己的学习和科研谈谈空间结合自己的学习和科研谈谈空间数据的转化思想在其中的应用。数据的转化思想在其中的应用。空间分析方法都有哪些，分别适空间分析方法都有哪些，分别适合什么空间数据类型。合什么空间数据类型。思考题思考题举例说明空间数据的类型以及空间关系。思考题13数据类型的划分是按照数数据类型的划分是按照数据的表现形式、相互之间据的表现形式、相互之间的关系、存储方式等因素的关系、存储方式等因素进行划分的。进行划分的。什么是空间数据什么是空间数据3 空间数据类型空间数据类型13数据类型的划分是按照数据的表现形式、相互之间的关系、存储14空间矢量数据（要素类型）空间矢量数据（要素类型）土地类型、道路、城区分布、行政边土地类型、道路、城区分布、行政边界、河流等等界、河流等等空间栅格数据空间栅格数据 DEM、遥感数据、各种图像、其它遥感数据、各种图像、其它数据转换得来数据转换得来 数据示例数据示例3 空间数据类型空间数据类型14空间矢量数据（要素类型）3 空间数据类型15空间网络数据空间网络数据 交通网络、管线网络、河网、血管网、交通网络、管线网络、河网、血管网、电网等电网等三维数据三维数据 三维矿体、三维地貌、建筑物三维矿体、三维地貌、建筑物3 空间数据类型空间数据类型15空间网络数据3 空间数据类型16空间连续场数据空间连续场数据 高程数据、地球化学元素含量、气象数据高程数据、地球化学元素含量、气象数据（气温、污染物浓度）、人口密度、社会（气温、污染物浓度）、人口密度、社会经济数据（人均收入和产值等）经济数据（人均收入和产值等）空间数据的混合类型空间数据的混合类型 台风的轨迹、冰川的分布台风的轨迹、冰川的分布3 空间数据类型空间数据类型16空间连续场数据3 空间数据类型空间数据之间的转换空间数据之间的转换空间场模空间场模型型空间要素空间要素模型模型格网模型格网模型 空间网络空间网络模型模型三维数据三维数据模型模型空间场模空间场模型型空间要素空间要素模型模型格网模型格网模型空间网络空间网络模型模型三维数据三维数据模型模型空间数据之间的转换空间场模型空间要素模型格网模型空间网络模型184 空间实体之间的关系空间实体之间的关系v空间拓扑关系v空间方位关系v空间相关v空间配置关系v空间互作用关系v空间传播关系v空间复杂关系184 空间实体之间的关系空间拓扑关系19空间拓扑关系空间拓扑关系七桥问题七桥问题4 空间实体之间的关系空间实体之间的关系19空间拓扑关系七桥问题4 空间实体之间的关系20空间方位关系空间方位关系 其含义包括：方向关系和位置其含义包括：方向关系和位置关系。关系。4 空间实体之间的关系空间实体之间的关系20空间方位关系4 空间实体之间的关系21空间相关空间相关 对于连续场空间相关可包括：地球化对于连续场空间相关可包括：地球化学元素的分布；人种的分布；气象因学元素的分布；人种的分布；气象因子的分布。子的分布。对于非连续场则表现为空间关联：全对于非连续场则表现为空间关联：全球气候变化；城市功能单元的形成。球气候变化；城市功能单元的形成。4 空间实体之间的关系空间实体之间的关系21空间相关4 空间实体之间的关系22空间配置关系空间配置关系 南水北调；交通流；电网、自来水网南水北调；交通流；电网、自来水网的平衡；的平衡；地球化学元素的分配。地球化学元素的分配。4 空间实体之间的关系空间实体之间的关系22空间配置关系4 空间实体之间的关系23空间互作用关系空间互作用关系 这种关系的特点是，空间实体之间存这种关系的特点是，空间实体之间存在明显的作用力。在明显的作用力。如：城镇的分布格局；天体的分布；如：城镇的分布格局；天体的分布；元胞自动机；对弈关系（对抗性的体元胞自动机；对弈关系（对抗性的体育运动、棋类）育运动、棋类）4 空间实体之间的关系空间实体之间的关系23空间互作用关系4 空间实体之间的关系围棋的布局围棋的布局岛链部署岛链部署围棋的布局岛链部署25空间传播空间传播 空间传播与空间互作用的区别在于：空间传播与空间互作用的区别在于：空间传播过程中，空间实体的性质发空间传播过程中，空间实体的性质发生了变化。生了变化。如：流行病的传播（如：流行病的传播（SARS的传播）；的传播）；洪水的演进；热带风暴的预报；火灾洪水的演进；热带风暴的预报；火灾的控制。的控制。4 空间实体之间的关系空间实体之间的关系25空间传播4 空间实体之间的关系地理信息系统与空间分析基本概念课件地理信息系统与空间分析基本概念课件假假定定初初始始时时刻刻的的病病例例数数为为N0，平平均均每每病病人人每每天天可可传传染染K个个人人（K一一般般为为小小数数），平平均均每每个个病病人人可可以以直直接接感感染染他他人人的的时时间间为为L天天。则则在在L天天之之内内，病病例例数数目目的的增增长长随随时间时间t(单位天单位天)的关系是：的关系是：N(t)=N0(1+K)t香港香港北京北京假定初始时刻的病例数为N0，平均每病人每天可传染K个人（K29当疫情在当疫情在40天之前采取措施是控制疫天之前采取措施是控制疫情的最佳时机，而且越早越好。情的最佳时机，而且越早越好。4月月20日采取措施已经是亡羊补牢。日采取措施已经是亡羊补牢。(北京大学物理学院，北京大学物理学院，王正行王正行；叶沿林叶沿林等，等，2003。)29当疫情在40天之前采取措施是控制疫情的最佳时机，而且越早30空间复杂关系空间复杂关系 空间实体之间大多存在着多种空间关空间实体之间大多存在着多种空间关系的复合叠加。系的复合叠加。4 空间实体之间的关系空间实体之间的关系30空间复杂关系4 空间实体之间的关系315 课程的研究内容课程的研究内容本课程的组织是按照不同空间数据本课程的组织是按照不同空间数据类型的分析方法，以及对空间现象类型的分析方法，以及对空间现象认识的层次进行组织的。认识的层次进行组织的。本课程从表面上看是对各种类型的本课程从表面上看是对各种类型的数据进行处理，但实质上是在发现数据进行处理，但实质上是在发现空间实体之间的关系进而探究形成空间实体之间的关系进而探究形成这种关系的原因。这种关系的原因。315 课程的研究内容本课程的组织是按照不同空间数据类型的32矢量空间数据分析矢量空间数据分析栅格数据分析栅格数据分析基于基于DEMDEM和和TINTIN的三维空间分析的三维空间分析点模式分析点模式分析网络数据的分析网络数据的分析地质统计学原理地质统计学原理空间数据挖掘基本理论空间数据挖掘基本理论空间采样理论空间采样理论 5 课程的研究内容课程的研究内容32矢量空间数据分析5 课程的研究内容33课程理论基础GISGISGISGIS时空数据分析时空数据分析时空数据分析时空数据分析信号处理理论信号处理理论信号处理理论信号处理理论GISGISGISGIS基础理论基础理论基础理论基础理论误差理论误差理论误差理论误差理论计算方法和编程能力计算方法和编程能力计算方法和编程能力计算方法和编程能力概率统计概率统计概率统计概率统计随机过程随机过程随机过程随机过程矩阵论矩阵论矩阵论矩阵论人工智能人工智能人工智能人工智能33课程理论基础GIS时空数据分析信号处理理论GIS基础理论34GISGIS的矢量数据分析的矢量数据分析拓扑分析（包含、交叉、分离）拓扑分析（包含、交叉、分离）空间叠加空间叠加缓冲分析缓冲分析网络分析网络分析矢量数据分析34GIS的矢量数据分析矢量数据分析35缓冲区分析叠加分析网络分析35缓冲区分析叠加分析网络分析36v下列表述错误的是：（A A）矢量数据结构紧凑、冗余度低，有利于网络和）矢量数据结构紧凑、冗余度低，有利于网络和拓扑分析。拓扑分析。（B B）数字化后地图错误的表现形式包括伪节点、悬）数字化后地图错误的表现形式包括伪节点、悬挂节点、碎屑多边形和不正规多边形等挂节点、碎屑多边形和不正规多边形等4 4种情形。种情形。（C C）矢量数据和栅格数据都可进行空间叠加运算，）矢量数据和栅格数据都可进行空间叠加运算，且它们之间能够相互转化。且它们之间能够相互转化。（D D）两点之间的最优路径实际上是两点之间曼哈顿）两点之间的最优路径实际上是两点之间曼哈顿距离最短的路径。距离最短的路径。（E E）栅格数据的数据结构简单，便于空间分析和地）栅格数据的数据结构简单，便于空间分析和地表模拟，数据存储量较小，投影转换比较简单。表模拟，数据存储量较小，投影转换比较简单。矢量数据分析矢量数据分析36下列表述错误的是：矢量数据分析37栅格数据分析栅格数据分析主要内容：主要内容：栅格数据的分类（监督分类和栅格数据的分类（监督分类和非监督分类）非监督分类）地图代数地图代数栅格矢量混合操作栅格矢量混合操作37栅格数据分析主要内容：38栅格数据分析栅格数据分析38栅格数据分析39栅格数据分析栅格数据分析39栅格数据分析401.局部运算局部运算2.邻域计算邻域计算3.区域运算区域运算4.全局运算全局运算栅格数据分析栅格数据分析401.局部运算栅格数据分析41 下面给出一个地图代数的例子。有一个森林地区融下面给出一个地图代数的例子。有一个森林地区融雪经验模型：雪经验模型：M=0.19T+0.17D 式中，式中，M是融雪速度（厘米是融雪速度（厘米/天），天），T是空气温度，是空气温度，D是露点温度。是露点温度。根据此方程，使用该地区的气温和露点温度分布图根据此方程，使用该地区的气温和露点温度分布图层，就能计算该地区融雪速率分布图。计算过程是先层，就能计算该地区融雪速率分布图。计算过程是先分别把温度分布图乘以分别把温度分布图乘以0.19和露点温度分布图乘以和露点温度分布图乘以0.17，再把得到的结果相加。需要说明的是地图代数，再把得到的结果相加。需要说明的是地图代数在形式和概念上都比较简单，使用起来方便灵活。在形式和概念上都比较简单，使用起来方便灵活。栅格数据分析栅格数据分析41 下面给出一个地图代数的例子。有一个森林地区融雪经验42基于DEMDEM和TINTIN的三维空间分析主要内容：主要内容：数字地形分析（坡度、坡向分析；土方数字地形分析（坡度、坡向分析；土方计算；剖面分析；脊线及沟谷分析、等计算；剖面分析；脊线及沟谷分析、等值线绘制等值线绘制等）TIN的构建和存储模型的构建和存储模型三维叠加分析三维叠加分析 42基于DEM和TIN的三维空间分析主要内容：43基本概念：基本概念：数字地面模型数字地面模型(DTM)(DTM)和数字高程模和数字高程模型型(DEM)(DEM)不规则三角网不规则三角网(TIN)(TIN)基于DEMDEM和TINTIN的三维空间分析43基于DEM和TIN的三维空间分析44基于DEMDEM和TINTIN的三维空间分析44基于DEM和TIN的三维空间分析45DEM数据数据计算坡度计算坡度基于DEMDEM和TINTIN的三维空间分析45DEM数据计算坡度基于DEM和TIN的三维空间分析46由由TINTIN和遥感数据合成的三维立体图和遥感数据合成的三维立体图基于DEMDEM和TINTIN的三维空间分析46由TIN和遥感数据合成的三维立体图基于DEM和TIN的三47预习建议：预习建议：熟悉熟悉ARC/INFOARC/INFO或或ArcViewArcView的使用。的使用。阅读大纲中的参考文献。阅读大纲中的参考文献。基于DEMDEM和TINTIN的三维空间分析47预习建议：基于DEM和TIN的三维空间分析48长江三峡滑坡危险性分析-示例48长江三峡滑坡危险性分析-示例49以象元以象元为单为单位位 数数 字字 图图f(E)模糊推理模糊推理环环条条 件件(地形地形,水文水文.)滑坡形成滑坡形成与与 周周 围环围环条条关关家家 获获以以为为 主的地主的地模糊滑坡模糊滑坡区划图区划图(代表各地代表各地产产 生滑坡的可能性生滑坡的可能性)以象元为单位的数字图以象元为单位的数字图S=f(E)模糊推理模糊推理环境条件（地形、岩性、水文环境条件（地形、岩性、水文）滑坡形成滑坡形成与周围环境条件间的关系与周围环境条件间的关系G.I.S./R.S.专家知识专家知识,统计方法统计方法以以GISGIS、人工智能为主的地学运算方法、人工智能为主的地学运算方法模糊滑坡区划图模糊滑坡区划图代表各地产生滑坡的可能性代表各地产生滑坡的可能性长江三峡滑坡危险性分析49以象元为单位数字图f(E)模糊推理环条件(地形,水长江三峡滑坡危险性分析长江三峡滑坡危险性分析长江三峡滑坡危险性分析51长江三峡滑坡危险性分析51长江三峡滑坡危险性分析52网络数据的分析主要内容：主要内容：1、路径分析（最短路径、最佳路径、路径分析（最短路径、最佳路径、动态最佳路径分析）、动态最佳路径分析）2、资源分配（负荷设计、资源分配（负荷设计，资源优化），资源优化）52网络数据的分析主要内容：53网络数据的分析53网络数据的分析54点模式的分析主要内容：主要内容：1.1.点过程的各种模型（泊松过程、更新点过程的各种模型（泊松过程、更新过程、高斯过程）过程、高斯过程）2.2.如何区分丛聚模式和噪声如何区分丛聚模式和噪声3.3.如何判断点模式是否含有丛聚模式如何判断点模式是否含有丛聚模式54点模式的分析主要内容：55震级大于6级的强震分布55震级大于6级的强震分布56在随机过程的研究中，在随机过程的研究中，可以表示为可以表示为，其中，其中，为进行观测的时间间隔，为进行观测的时间间隔，而为时而为时间发生率。因此泊松过程可以表示为：间发生率。因此泊松过程可以表示为：泊松过程需要满足的条件：泊松过程需要满足的条件：独立性独立性：事件可以在过程中任一个时间段落内：事件可以在过程中任一个时间段落内发生，不受相邻段落中事件的影响；发生，不受相邻段落中事件的影响；平稳性平稳性：在一个时间段内，事件发生的概率与：在一个时间段内，事件发生的概率与段落的时间（段落的时间（）的大小成正比，而与它在）的大小成正比，而与它在整个过程中的位置无关；整个过程中的位置无关；不重复性不重复性：多个事件同时在一个段落内发生的：多个事件同时在一个段落内发生的概率很小。概率很小。点过程数据的分析56在随机过程的研究中，可以表示为，其中，为进行57空间插值原理地质统计学是利用空间变量的自相关特征研究空间随机场性质的一种统计理论。它分为三个部分：（1）结构分析理论（2）克立格插值理论（插值理论）（3）条件模拟理论57空间插值原理地质统计学是利用空间变量的自相关特征研究空间58地质统计学的核心概念：空间自相关。空间两个随机变量的相关性大小可以用协方差空间两个随机变量的相关性大小可以用协方差函数衡量，函数衡量，协方差是指两个随机变量协方差是指两个随机变量X X，Y Y的的二阶混合中心矩：二阶混合中心矩：空间插值原理58地质统计学的核心概念：空间自相关。空间插值原理59v空间随机变量Z(x)的两点x和x+h处两个随机变量z(x)和z(x+h)的二阶混合中心矩，称为自协方差函数或简称协方差函数。空间插值原理59空间随机变量Z(x)的两点x和x+h处两个随机变量z(60v计算下列两组随机变量对之间的协方差：1,2,3;3,5,10,1,2,3;3,4,5,v计算距离间隔为1的条件下随机变量2,3,5,4,3,4的自协方差。7/32/3空间插值原理60计算下列两组随机变量对之间的协方差：7/32/3空间插值61hC(h)地质统计学原理自协方差函数61hC(h)地质统计学原理自协方差函数空间插值计空间插值计算算空间插值计算63地质统计学原理预习建议：预习建议：v复习概率统计、线性代数和复习概率统计、线性代数和随机过程的有关概念和理论。随机过程的有关概念和理论。v阅读大纲中的参考文献。阅读大纲中的参考文献。v熟悉熟悉SurferSurfer软件。软件。63地质统计学原理预习建议：64空间数据挖掘基本理论 空间数据挖掘是指利用空间统计、人工智能、机器学习、关联分析、可视化分析等技术从空间数据库中发现知识的过程。64空间数据挖掘基本理论 空间数据挖掘是指利用65 数据挖掘是现代信息社会的产物，其目的是为了解决当前空间数据的指数级数增长的趋势与数据处理方法不足之间的矛盾。基本问题：“求同存异”空间数据挖掘基本理论65 数据挖掘是现代信息社会的产物，其目的是66空间采样理论空间采样理论研究的是在保证估计质量的前提下合理设置采样方案的理论。其基本概念为：估计误差估计方差66空间采样理论空间采样理论研究的是在保证估计质量的前提下合67估计误差是指实测值与真实值之间的误差。若实测值为：真实值为：则估计误差为：空间采样理论67估计误差是指实测值与真实值之间的误差。空间采样理论68空间采样理论v估计方差估计方差是指估计误差的离散程度68空间采样理论估计方差是指估计误差的离散程度69估计方差估计方差网度网度(m)投资投资(百万元百万元)501002003003001030100空间采样理论不同采样密度下的估计方差变化趋势不同采样密度下的估计方差变化趋势69估计方差网度(m)投资(百万元)501002003003704 空间分析的思路 空间数据空间数据 空间分析方法空间分析方法 空间关系空间关系 空间预测问题问题704 空间分析的思路 空间数据 空间分析方法 空间关系空间数据类型空间数据类型空间数据类型空间数据类型空间关系空间关系空间关系空间关系可采用的空间分析方法可采用的空间分析方法可采用的空间分析方法可采用的空间分析方法空空间要素模型要素模型距离关系、方位距离关系、方位关系关系最最邻近理近理论、聚、聚类分析、空分析、空间分分类、空、空间决决策策树分析分析拓扑关系拓扑关系拓扑分析拓扑分析空空间关关联关关联规则归纳格网模型格网模型距离关系、方位距离关系、方位关系关系最最邻近理近理论、聚、聚类分析、空分析、空间分分类、空、空间决决策策树分析、数字地形分析分析、数字地形分析拓扑关系拓扑关系地地图代数代数空空间相关相关结构分析、相关分析构分析、相关分析空空间关关联关关联规则归纳空空间配置配置空空间优化化空空间过程程时空空统计、动力学模力学模拟、元胞自、元胞自动机机空空间尺度尺度波波谱分析、地分析、地图代数代数空空间场模型模型空空间相关相关结构分析、相关分析、空构分析、相关分析、空间插插值空空间过程程时空空统计、动力学模力学模拟三三维数据模型数据模型空空间相关相关结构分析、三构分析、三维分析分析空空间尺度尺度波波谱分析分析空空间网网络模型模型 空空间配置配置空空间优化化空间数据类型空间关系可采用的空间分析方法空间要素模型距离关系72本讲小结空间数据的种类及其性质空间数据的种类及其性质空间实体之间的关系空间实体之间的关系空间数据、空间关系和空间分析之空间数据、空间关系和空间分析之间的关系间的关系 重点理解并思考所介绍的概念重点理解并思考所介绍的概念72本讲小结空间数据的种类及其性质