《空间统计与建模》PPT课件.ppt

赵永河南大学 环境与规划学院Off room507 Tel 0378 2868833 2096Email zhaoy 2009年9月 空间统计与建模 搜索引擎 课程提纲 第一讲 概论 2节 第二讲 探索性空间数据分析 ESDA 4节 第三讲 空间点模式分析 4节 第四讲 网络分析 2节 第五讲 空间格数据分析 2节 第六讲 空间插值 地统计 2节 第七讲 空间回归 4节 第八讲 扫描统计量 2节 第九章 多水平模型 2节 第十讲 空间建模 4节 Somehistory Regression Galton Bartlett Miningengineers Krige1951 Matheron 60s Spatialmodels Whittle 1954 Forestry Mat rn 1960 Objectiveanalysis Grandin 1961 MorerecentworkCressie 1993 Stein 1999 参考教材 参考教材 JohnWiley Sons Inc 2003 LongmanGroupLimited1995 第一讲概论 一 什么是空间统计二 空间统计VS 经典统计三 为什么要用空间统计四 空间 属性数据的类型五 空间统计分析方法与框架六 空间统计陷阱七 模型分类八 空间统计工具 一 什么是空间统计 what Aretheyrandomlydistributed Identifying HotSpots 空间数据spatialdata SpatialData Suchdatacanbethestructureofbiologicalcells thedistributionofplantsandanimalsinageographicregion theoccurrenceofdiseasesinacountyorstate economicdataindifferentadministrativedistricts climatedatasuchastemperatureorprecipitationovergeographicregions andthedistributionofgalaxiesinspace Spatialdataoftenarenotindependent Temperatureandprecipitationmeasurementsattwolocationsthatare10kmapartwillbemoresimilarthansuchmeasurementsattwolocationsthatare1000kmoreven100kmapart Infectiousdiseasesoftenoccurinspatialclusters Oneregionofacountrymayencounterhundredsofcaseswhileanotherregionmayencounteronlyveryfewcases Ifthereisanadditionaltemporalcomponent wespeakofspatio temporaldata zek P W H rdle andJ Symanzik SpatialStatistics inStatisticalMethodsforBiostatisticsandRelatedFields 2007 Springer p 285 304 LiuandBrown 1999 时空数据 spatio temporaldata 示例 空间数据 spatialdata Throughoutthisclass wewillbedealingwithatwo dimensionalareaofinterest andnotthespatio temporaldata butonlythespatialdata Statistics thescienceofuncertainty attemptstomodelorderindisorder Cressie 1991 p 1 统计Statistics SpatialStatistics SpatialData StatisticsDefinition Adistinctionmaybemadebetweenspatialstatisticsandstatisticsingeneral Themostobviousdifferenceisthatspatialstatisticsareusedtoanalyzedatawhichhaveaspatiallocation Spatialstatisticsgiveexplicitconsiderationtospatialpropertiessuchaslocation spatialpatterns spatialarrangement distance etc Thisspatialdimensiontendstomakespatialstatisticsmorecomplexthanordinarynon spatialstatistics 空间统计SpatialStatistics Theyareexploratorytoolsthathelpyoumeasurespatialprocesses spatialdistributions andspatialrelationships Therearealotofdifferenttypesofspatialstatistics buttheyarealldesignedtoexaminespatialpatternsandprocesses 空间模式 spatialpattern 是一个静态概念 它所显示的仅仅是地理对象在给定时间的分布情况 空间过程 spatialprocess 是一个动态概念 它所描述和说明的是地理对象的分布情况是如何形成的 以及如何随时间推移而变化的 通过对空间模式 spatialpattern 的识别和描述 进而力图对引起观测模式的空间过程 spatialprocess 予以理解和建模 地理空间分析 原理 技术与工具 p 47DeSmithetal 著 杜培军等译 空间分析 SpatialAnalysis 空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术 其目的在于提取和传输空间信息 郭仁忠Theprocessofexaminingthelocations attributes andrelationshipsoffeaturesinspatialdatathroughoverlayandotheranalyticaltechniquesinordertoaddressaquestionorgainusefulknowledge Spatialanalysisextractsorcreatesnewinformationfromspatialdata ESRI GIS字典 空间数据分析与传统统计分析主要有两大差异 1 空间数据间并非独立 而是在维空间中具有某种空间相关性 且在不同的空间分辨率下呈现不同之相关程度 2 地球只有一个 大多数空间问题仅有一组 空间分布不规则的 观测值 而无重复观测数据 因此 空间现象的了解与描述是极为复杂的 而传统方法 尤其是建立在独立样本上的统计方法 不适合分析空间数据 二 空间统计VS 经典统计 二 空间统计VS 经典统计 经典统计 独立性 随机性假设空间统计 自相关 依赖性 异质性 地理学第一定律 FLG everythingisrelatedtoeverythingelse butnearthingsaremorerelatedthandistantthings Tobler 1970 空间统计的基本思想 WaldoTobler bornin1930 receivingaplaqueforhiscontributionstogeography OntheeventofhisNovember2000birthday http en wikipedia org wiki Waldo R Tobler Tobler W R 1970 AcomputermoviesimulatingurbangrowthintheDetroitregion EconomicGeography 46 2 234 240 FLG的一般性 自然地理 人文地理 社会经济 空间自相关是普遍存在的 否则地理分析便没有多大意义 经典统计 独立空间自相关的存在 使得经典统计学所要求的样本独立性假设不满足 如果地理学从根本上值得研究 必然是因为地理现象在空间上的变化不是随机的 经典统计 随机 三 为什么要用空间统计 Why 一句话 尽可能地利用已知信息 可以借助空间统计更好地理解地理现象 或许学习空间统计最重要的原因是我们不仅仅想知道问题 怎么样 更想知道 哪里怎么样 空间统计学可以帮助我们准确地判断具体地理模式的原因 JohnSnow的霍乱地图 当发现某种病仅仅发生在靠近河流的村庄时 河流中的寄生物可能是病源 空间统计学可以帮助我们处理大的复杂数据集 这是GIS经常面对的事情 三 为什么要用空间统计 四 空间 属性数据的类型 空间数据的类型点数据 PointData 线数据 LineData Network 面数据 ArealData 地统计数据 GeostatisticalData 来源 http ua t u tokyo ac jp okabelab freesat FreeSAT FreeSpatialAnalysisTools 2 属性数据的类型 属性 Attribute 与空间数据库中一个独立对象 记录 关联的数据项 属性已成为描述一个位置任何可记录特征或性质的术语 名义 Nominal 量次序 Ordinal 量间隔 Interval 量比率 Ratio 量 StevensS S OntheTheoryofScalesofMeasurement J Science 1946 103 2684 677 680 名义 Nominal 量定性数据 如 一个城市的名字 知道其名称 但不知道各名义量之间的次序 次序 Ordinal 量定性数据 且有等级顺序 如 事故发生危险程度的级别由大到小被标为1 2 3 知道其次序 但不知道各次序量之间的差别 间隔 Interval 量按间隔表示的定量数据 没有真零值 如 温度 除了具有次序量的特点外 间隔量相互之间还可以比较大小 并且它们之间的差值大小是有意义的 比率 Ratio 量除了具有间隔量的特点外 其初始零值有意义 如 身高定量数据 且有真零值 Nominal 相异性 和 Ordinal 序 和 Interval 加减 和 Ratio 乘除 和 Nominal和Ordinal统称为分类的 categorical 或定性的 qualitative 属性 Interval和Ratio统称为定量的 quantitative 或数值的 numerical 属性 GIS属性数据量测尺度示例 五 空间统计分析方法与框架 AfterMackay Oldford 2000 ScientificMethod StatisticalMethodandtheSpeedofLight StatisticalScience 2000 15 3 254 278 deSmithetal 著 杜培军等 译 地理空间分析 原理 技术与软件工具 第二版 电子工业出版社 2009 3 p 41 空间数据分析方法 PPDAC 空间数据分析框架 VEM 可视化 探索性分析 模型构建 属性数据 空间数据 数据库 图示 模式描述 假设检验 GIS数据库管理系统 统计软件 六 空间统计陷阱 地理学第一定律 everythingisrelatedtoeverythingelse butnearthingsaremorerelatedthandistantthings Tobler 1970 1 空间自相关 Spatialautocorrelation GenerallytruewithdiscretedataDefinitelytruewithcontinuousdata 空间自相关破坏了经典统计当中的样本独立性假设 来源LongleyP A M F Goodchild D J Maguire D W Rhind GeographicInformationSystemsandScience M 2nded JohnWiley Sons 2005 p 89 2 可变面元问题 MAUP 随面积单元 单元格或 定义的 同而变化的问题 就是所谓的可变面元问题 ModifiableArealUunitProblem MAUP MAUP 古老但依然没有解决的顽疾 可变面元问题 MAUP 尺度效应 Scaleeffect 当空间数据经聚合而改变其单元面积的大小 形状和方向时 分析结果也随之变化的现象 区划效应 Zoningeffect 给定尺度下不同的单元组合方式导致分析结果产生变化的现象 x 均值 n 9 x 9 33 n 3 x 10 5 5 15 10 10 5 15 5 n 8 88 x 8 47 n 3 可变面元问题 MAUP 尺度效应 O Sullivan Unwin 2003 p 31 可变面元问题 MAUP 区划效应 3 边界效应 边界效应 edgeeffect 指分析中由于实体向一个或多个边界近似时出现的误差 Cansomeonegivemeaconcisedefinitionoftheboundaryproblem Whichoftheseboundariesare correct andwhy Howcanweimprovetheboundaries 建立警戒区 guardarea 第二种方法是把方型研究区看作是环面 torus 这样 靠近边界上的事件可以看作是对面靠近边界的事件点的近邻 因而 顶部边界与底部边界融合 左边界与右边界融合 第三种方法是针对具体检验统计量的分布理论 获取有限样本校正 边界效应的改进方法 至少有如下三种 七 模型分类 动态 静态 根据有无时间维度连续 离散 根据时空连续性解析 模拟 根据求解方式随机 确定 根据采用的数学方法非空间 准空间 空间 显式 模型非空间 如 时间序列准空间 考虑空间异质性 如 spatialeconometrics空间模型 明确考虑空间位置 相互作用 八 空间统计工具 ArcGISGeoDaWinBUGS GeoBUGSCrimeStatSpaceStatRLimitedfunctionalityavailableinexistingstatisticalsoftwaressuchasS Plus SAS Matlab 与GIS的松 紧整合 独立于GIS软件 Y itemisavailablewithoutchargebutmayrequireregistrationormaybefreeforacademicusersonly 来源 相关软件 S Plusisproducedbyacommercialcompany Insightful butthereisalsoanOpenSourceequivalentcalledR TheComprehensiveRArchiveNetworkwebsite http cran at r project org providesfreedownloadsofthebasesystempluscontributedpackagesforWindows MacsandLinuxplatforms Thereareseveralpackagesandprojectsdeali