第一章地理空间数据分析与GIS

*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,王 红,hongwang,83787891,（严恺馆,319,）；,13601588348,河海大学水文院地理信息科学系,空间分析与建模,9/16/2024,1,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）,9/16/2024,2,第一章 空间数据分析与,GIS,9/16/2024,3,空间数据处理与建模发展历史,GIS,空间分析定义,空间分析的主要方法、步骤,空间分析一般模型,地理空间问题,9/16/2024,4,空间数据处理与建模发展历史,GIS,空间分析定义,空间分析的主要方法、步骤,空间分析一般模型,地理空间问题,9/16/2024,5,空间数据分析,是地理学和地理信息科学领域的重要研究内容，它通过研究地理空间数据及其相应分析理论、方法和技术，探索、证明地理要素之间的关系，揭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。,9/16/2024,6,数量地理学,（,Quantitative Geography,）,又称,计量地理学,。试图以定量的精确判断来弥补定性文字描述的不足；以抽象的、反映本质的数学模型去刻画具体的、庞杂的各种地理现象；以对过程的模拟和预测来代替对现状的分析和说明；以合理的趋势推导和反馈机制分析来代替简单的因果关系分析。,9/16/2024,7,图,1.1,数量地理学与传统地理学研究方法比较,9/16/2024,8,计量革命的直接成果是导致了,GIS,革命的到来,Johnston R J,，,1995,（英国著名地理学家）,9/16/2024,9,GIS,是客观现实世界抽象化的,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,9/16/2024,10,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，用以解决目前不能解决、甚至未知的空间问题的科学。,Openshaw,1999,（英地理学家）,应用计算机技术求解地理问题的理论、方法和过程。,Ress,（英地理学家）,9/16/2024,11,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,，凭借计算机工具对地理学问题进行定量或非定量分析的抽象概括和综合研究，解决海量、复杂数据集或数据库分析的复杂空间问题。,9/16/2024,12,包含的新的理论技术方法,:,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； 高性能计算服务系统提供动力,核心技术：,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。,9/16/2024,13,空间数据挖掘,是从地理空间数据库中挖掘时空系统中潜在的、有价值的信息、规律和知识的过程，包括空间模式与特征、空间与非空间数据之间的概要关系等。,图,1.2,地理空间数据挖掘体系结构,9/16/2024,14,空间数据分析与,GIS,空间数据处理与建模发展历史,GIS,空间分析定义,空间分析的主要方法、步骤,空间分析一般模型,地理空间问题,9/16/2024,15,以地理空间数据库为基础，应用逻辑运算、一般统计和地统计、图形与形态分析、数据挖掘等技术，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、形态、分布、格局以及过程等内容，以解决涉及地理空间的各种理论和实际问题。,9/16/2024,16,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，而且通过空间分析可以发现隐藏在空间数据之后的重要信息和一般规律，这是一般统计方法所不能胜任的。,9/16/2024,17,现有研究内容和体系,由于空间分析的应用领域含盖面极广，学科新兴，源于不同领域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,）。,9/16/2024,18,表,1,空间分析不同称谓的内容差别,王劲峰,2000 ,地理学报,9/16/2024,19,空间数据分析与,GIS,空间数据处理与建模发展历史,GIS,空间分析定义,空间分析的主要方法、步骤,空间分析一般模型,地理空间问题,9/16/2024,20,GIS,空间分析的一般方法,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,9/16/2024,21,空间统计分析,属性数据的一般统计方法,空间统计方法,景观格局分析,9/16/2024,22,步骤,1,.,明确分析目标和分析要求,规定了如何利用分析功能来解决问题，以及在满足什么条件的前提下解决问题。,以小学选址为例，要求,6,个,（,1,）小学与城市主干道的距离要大于,a,公里，小于,b,公里；（,2,）需远离闹市区、大型工业设施和工厂；（,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区，即坡度小于,d,度；（,5,）小学附近,e,米范围内不能有网吧、游戏厅等娱乐场所；（,6,）交通要相对便利，需要位于居民小区附近。,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。,9/16/2024,23,2.,准备空间分析的数据,收集空间数据，将与研究问题相关的属性数据添加到数据库中，并进行一些适当的调整和修改，如数据的格式、单位等，删除与研究无关的某些数据项。,3.,执行空间分析操作,4.,准备表格分析数据,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。某些问题需要对数据层的属性表进行修改和逻辑运算，以产生新的数据项或中介结果，来参与进一步的分析操作。,9/16/2024,24,5.,属性表分析,对准备好的表格分析数据进行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。这个结果通常是研究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究区域内满足已有要求的一个面区域。,9/16/2024,25,7.,评价和解释分析结果,通过这一步骤可以验证结果是否提供了可靠而又有实际应用意义的答案，并向用户解释结果产生的依据，以及过程和意义。,8.,修改分析过程,如果分析结果不能被接受，则需要对分析结果进行修改或添加某些条件和要求，使得结果可以被接受。如果分析存在某些局限性或缺点，则应返回前面步骤，补充适当的条件和要求后，重新得到分析结果。本例中，如果所得到的小学校址与已有的小学相距过近，则需添加条件“与已知小学相距大于,f,公里”。,9.,输出专题图和报表,9/16/2024,26,空间数据分析与,GIS,空间数据处理与建模发展历史,GIS,空间分析定义,空间分析的主要方法、步骤,空间分析一般模型,地理空间问题,9/16/2024,27,模型,是人类对事物的一种现象，是对现实世界的简化表达，是对客观世界中解决各种实际问题所依据的规律或过程的,抽象或模拟,，模型通常表达了某个系统的发展过程或发展结果。人们在正式建立实物或处理复杂的实际问题前，往往首先建立一个简化的模型，以便抓住问题的要害，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，易于把握研究问题的本质并实现研究目标。,9/16/2024,28,GIS,空间分析模型,是在,GIS,空间数据模型基础上建立起来的模型，是对现实世界科学体系问题与抽象的空间概念模型。构成空间分析模型的空间目标（点、弧段、网络、面域、复杂地物等）的多样性决定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标的拓扑关系也决定了空间分析模型建立的特殊性。,9/16/2024,29,空间分布分析模型（郭仁忠，,2001,）,空间分布参数的描述,，,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，反映现象的空间分布趋势；,空间聚合与分解，,反映空间对比与趋势。,9/16/2024,30,空间关系模型,拓扑空间关系,：,用来描述空间对象之间的相邻、保护和相交等空间关系；不考虑空间对象间的度量和方位特性。,顺序空间关系,：,描述空间对象之间在空间上的排序、方位等关系。,度量空间关系,：,描述空间对象之间的距离等关系。,9/16/2024,31,空间相关分析模型,预测、评价与决策模型,9/16/2024,32,空间数据分析与,GIS,空间数据处理与建模发展历史,GIS,空间分析定义,空间分析的主要方法、步骤,空间分析一般模型,地理空间问题,9/16/2024,33,GIS,对地学数据分析过程首先是面向基础数据库，以数据库为核心进行基础数据的展布与分析；然后与专业领域结合进行具体的分析，对底层的基础数据进行抽取，生成面向问题的数据库，再结合具体的领域模型实现特定的分析；最后通过,GIS,空间推理的地学数据分析，为地学决策服务。,在地理空间的认知基础上，对纷繁复杂的地理现象和地学过程进行定义和分类，将各种具体应用概括为一般性地理问题是,GIS,空间分析的前提。,9/16/2024,34,空间分布与格局,1.,空间分布类型,图,1.3,空间对象分布类型,9/16/2024,35,2.,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、自然灾害的空间分布、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、空间集聚度以及粗糙度,等指标进行,空间分布格局,的描述；通过,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；通过,趋势面分析,反映现象的空间分布趋势等。,9/16/2024,36,资源配置与规划,资源配置是在资源总量不足的背景条件下，将有限的资源重新进行时空分配，使稀缺的资源的功效最大化，从而保证社会经济和生态效益最优化,水资源时空配置、污染物排放时空优化、城市发展规划以及社会经济活动中诸如消防站点的分布、学校选址、商业服务设施分布、管网系统的布局、垃圾收集站点分布等很多问题都涉及对资源的配置和规划。,9/16/2024,37,图,1.4,资源配置与规划实例图,9/16/2024,38,空间关系与影响,对地理要素之间的空间关系进行分析，可以反映各要素之间的相互作用的性质、强度和方式，有助于从无序而复杂的空间要素格局中发现潜在的有序或规律；可以解释空间格局与空间过程相互作用的机理，进而阐明空间要素动态演替的方向、过程或扩展潜力；可以探索空间格局形成和发展的控制因素和基本驱动力。,9/16/2024,39,空间关系主要包括距离、方向、连通和拓扑等四类。空间相关关系分析一般基于,空间统计学。,空间相互影响模型是利用状态变量和影响因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，然后进行分析预测。它一般用于社会经济领域的问题，如旅行分配问题，目的地流入总量问题等。,9/16/2024,40,空间动态与过程,任何一种地理要素或现象，都伴随着复杂的时空过程，比如景观空间格局演变、河道洪水、地震、森林生长动态、林火蔓延等都是典型的地表空间过程。人们常常需要在对地理实体及其空间关系的简化和抽象的基础上，利用专业模型对地理现象的行为过程进行模拟，分析其驱动机制、重建其发展过程，并预测其发展变化趋势。,9/16/2024,41,1.,空间动态与过程的研究内容,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,对空间现象从一个分布状态到另一个分布状态变化的抽象和概括，可以看作是现实世界中地球表面特定位置上的属性或状态随其驱动力的时间变化的数学表达。常常表达成状态、过程、关系或流组成的三元组。,9/16/2024,42,图,1.5,空间动态模型的逻辑组成,9/16/2024,43,2.1,动力学方法与动力学过程模拟模型,过程研究的动力学方法假设系统运动的物理规律已知，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。这些模型常常是在系统运动初始条件与边界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一般在非语义空间单元上进行（网格单元或不规则三角形单元），模型输入数据一部分作为模型操作数据直接操作，另一部分则用于计算模型控制参数。一般来说，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。,9/16/2024,44,2.2,随机过程方法与随机过程模拟模型,一般用于事先不知道运动规律的过程，如土地利用变化等。因此，必须首先在不同的过程时间断面上进行状态观测，获得多时相的过程断面数据，再根据统计学与随机过程理论建立随机过程模型。随机过程模拟模型一般是不同时刻状态变量的联合分布函数，而且常常针对每个空间单元进行。计算模型控制参数所需数据集与模型操作数据集一般是相同的，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间断面上的状态数据。这类模型的操作单元常常是具有明确语义的区域。,9/16/2024,45,3. GIS,空间分布与动态建模,建立具有进行时空过程模拟分析能力的,GIS,是人们的重要目标。然而，目前大多数,GIS,系统不能支持多学科领域的动态过程计算模型，它只能为模型提供输入参数和显示输出结果。,集成,GIS,空间分析和空间动态建模困难很大，因为,（,1,）,GIS,记录、存储数据的格式与模型使用的数据格式存在差异；（,2,）,GIS,可视化表达大多不支持对模型结果交互式时空表现；（,3,）编写空间过程的动态模型是十分困难且花费时间的过程；（,4,）,GIS,很少能实现快速有效的模拟动态模型的开放系统模拟方法（如元胞自动机）,9/16/2024,46,本章结束,9/16/2024,47,