地理空间数据分析与GIS

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1、王 红 83787891（严恺馆319）；13601588348河海大学水文院地理信息科学系*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）2018/8/102第一章 空间数据分析与GIS Date3 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Date4 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Date5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

2、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。Date6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 。Date7图1.1 数量地理学与传统地理学研究方法比较Date8计量革命的直接成果是导致了GIS革命的到来Johnston R J

3、，1995 （英国著名地理学家 ）Date9GIS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Date10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）Date11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

4、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。Date12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。Date13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

5、1.2 地理空间数据挖掘体系结构Date14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Date15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。Date16GIS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

6、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。Date17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）。 Date18表1 空间分析不同称谓的内容差别王劲峰 2000 地理学报Date19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

7、空间问题Date20GIS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Date21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Date22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

8、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。 Date232. 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。Date245. 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

9、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。Date257. 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

10、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Date26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Date27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

11、更简单明了，易于把握研究问 题的本质并实现研究目标。Date28GIS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。Date29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

12、与分解，反映空间对比与趋势。Date30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 。Date31空间相关分析模型预测、评价与决策模型Date32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Date33GIS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

13、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。Date34空间分布与格局空间分布与格局1. 空间分布类型图1.3 空间对象分布类型 Date352. 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

14、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。Date36资源配置与规划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。Date37图1.4 资源配置与规划实例图Date38空间关系与影响空间关系与影响对

15、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。Date39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。Date40空间动态与过程空间

16、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。Date411. 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。 Date42图1.5 空间动态模型的逻辑组成Date432.1 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