第1章_绪论_科硕

1、空间分析应用建模主讲：贾涛 博士、副教授Email: 时间：星期五: 3-5节(09:50-12:15)地点：3区 2-217武汉大学遥感信息工程学院硕士生教案武汉大学遥感信息工程学院硕士生教案21秦昆等，GIS空间分析理论与方法，P284: 9.1 空间分析与空间建模2王远飞，何洪林，空间数据分析方法，P209, 9.1 空间建模3ArcGIS的帮助系统和参考手册。4Robert Haining著，李建松,秦昆译. 空间数据分析理论与实践. 武汉大学出版社，20095朱长青，史文中. 空间分析建模与原理. 科学出版社, 2006.6韦玉春,陈锁忠，地理建模原理与方法，科学出版社, 2005.

2、7徐建华. 地理建模方法. 科学出版社, 2010其它相关书籍和文献。参考书参考书3第一章第一章 绪论绪论:空间分析与空间分析建模空间分析与空间分析建模41.1 空间分析概述空间分析概述1.2从空间分析到空间分析建模从空间分析到空间分析建模1.3 空间分析建模的方法空间分析建模的方法1.4 空间分析建模的概念模式空间分析建模的概念模式51.1 空间分析u空间分析是对数据的空间信息、属性信息或者二者共同信息的统计描述或说明 (Goodchild, 1987)。1.1.1空间分析的概念u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, 1997)。

3、uIn a more restricted sense, spatial analysis is the technique applied to structures at the human scale, most notably in the analysis of geographic data. (wiki 2015)。6Cartography and surveying;Biology;Landscape ecology; Epidemiology; Location allocation; Statistics; Economics; Geographic information

4、 system; Remote sensing; Computer science; Mathematics (fractals and scale invariance); Scientific modeling.Many disciplines contribute to the development of spatial analysis7不同空间数据类型的空间分析方法：u不同的空间数据类型具有各具特色的空间分析方法，GIS空间数据可以划分为矢量数据、栅格数据、三维数据、属性数据等数据类型，相应的有：矢量数据的空间分析方法、栅格数据的空间分析方法、三维数据的空间分析方法、属性数据的空间

5、分析方法。 8空间分析的根本目标：u空间分析的根本目标：建立有效的空间数据模型来表达地理实体的时空特性，发展面向应用的时空分析模拟方法，以数字方式动态地、全局地描述地理实体和地理现象的空间分布关系，从而反映地理实体的内在规律和变化趋势，GIS空间分析是对GIS空间数据的一种增值操作。 9n空间分析是GIS领域理论性、技术性和应用性都很强的分支。空间分析的研究内容应该从理论、方法和应用三个方面展开。空间分析的研究内容包括三大部分：u空间分析的理论研究；u空间分析的方法研究；u空间分析的应用研究。 1.1.2 空间分析的研究内容 10空间分析的理论研究：n空间分析的理论研究部分主要包括空间关系理论

6、、空间认知理论、空间推理理论、空间数据的不确定性分析理论等。u空间关系理论研究空间关系的语义问题、空间关系的描述、空间关系的表达、基于空间关系的分析等。u地理空间认知是指在在日常生活中，人类如何逐步理解地理空间，进行地理分析和决策，包括地理信息的知觉、编码、存储、以及和解码等一系列心理过程11空间分析的理论研究：u空间推理是指利用空间理论和人工智能技术对空间对象进行建模、描述和表示，并据此对空间对象间的空间关系进行定性或定量分析和处理的过程。1213n在空间分析的方法部分，考虑到不同的空间数据类型具有不同的空间分析模式和方法，分别包括：u矢量数据的空间分析方法：包含分析、缓冲区分析、叠置分析、

7、网络分析等；u栅格数据的空间分析方法：栅格数据的聚类聚合分析、信息复合分析、追踪分析、窗口分析等；u三维数据的空间分析方法：表面积计算、体积计算、坡度计算、坡向计算、剖面分析、可视性分析、谷脊特征分析、水文分析等；u属性数据的空间统计方法：空间自相关分析、空间局部估计、空间插值、探索性空间分析等。14空间分析的应用：空间分析的应用：研究空间分析的理论和方法在以下领域的应用：l卫生健康领域、水利领域、城市管理、地质灾害、地震灾害、交通领域、电力领域、环保领域、气候变化领域等。 15161.1.3 空间分析的研究进展 u空间分析在地理学研究中具有悠久的传统与历史。从某种意义上说，空间分析孕育了地理

8、学。在古代，人类出于生存和发展的需要，要学会分析周围地理事物的空间关系，因而始终在进行着各种类型的空间分析 (刘湘南等,2008)。u基于地图的分析：作为地理学第二语言的地图出现以后，人们就开始自觉或不自觉地进行各种类型的空间分析，如在地图上量测地理要素之间的距离、方位、面积，乃至利用地图进行战术研究和战略决策等。地理学的第一语言？地理学的第三语言？171854年8月到9月，英国伦敦霍乱病流行，但是政府始终找不到患者的发病原因。后来医生琼.斯诺博士在绘有霍乱流行地区所有道路、房屋、饮用水机井等内容的1:6500的城区地图上，标出了每个霍乱病死者的居住位置，从而得到了霍乱病死者居住位置的分布图。

9、基于空间分析的霍乱病患者发病原因分析：发病原因：死者饮用了利用布洛多斯托水泵吸出的井水。空间分析（叠置分析）的魅力！18计量革命与计量地理学：u现代“空间分析”概念的提出源于20世纪60年代地理与区域科学的计量革命，目前仍在发展的计量地理学方法是空间分析的重要内容。计量地理学从数理统计领域移植过来的统计分析方法占主导地位，包括相关分析、回归分析、聚类分析、因子分析等多元统计分析的内容。19地理学第一定律：空间相关性uTobler于1969年提出了描述地理现象空间相互作用的“地理学第一定律”：“任何事物都是空间相关的，距离近的事物空间相关性大” 。uCliff和ord在1973年出版的专著中揭示

10、了空间自相关的概念，使研究者能够从统计上评估数据的空间依赖性程度。Everything is related to every thing else, but near things are more related than distant things.20集成了多学科的技术和方法：u进入20世纪90年代以后，空间分析的发展和GIS的发展密切结合在一起。u地理信息系统把人们从过去繁重的手工操作中解脱出来，集成了多学科的最新技术和所能利用的空间分析方法，包括关系数据库管理、高效图形算法、插值、区划和网络分析等，为解决地理空间问题提供了便捷途径，使空间分析能力发生了质的飞跃。21空间分析关键技

11、术的变化：n在最近十多年的发展中，空间分析的关键技术发生了重要变化：u地理信息系统和遥感等新技术保证了空间数据的丰富环境，新的处理空间问题的分析模型和方法不断提出。u由于分析过程受不断增长的大量空间数据的驱动，从数据出发的探索性空间分析技术、可视化技术、空间数据挖掘技术、基于人工智能的空间分析技术等面向海量的空间数据分析方法受到重视，并且在最近几年得到了深入发展。u这些方法和技术对于大规模空间分析问题中的不精确性和不确定性有着较高的容许能力。22u新一代空间分析的主要目的是从现有数据的空间关系中挖掘新的信息。u探测性空间分析方法不仅可以揭示空间数据库中许多非直观的内容，如空间异常点、层次关系、

12、时域变化及空间交互模型，还可以揭示用传统地图不能辨明的数据模式和趋势。u随着计算机网络技术的发展，网格技术、云计算等正在对空间分析产生深远的影响。可以实现数据信息和各种资源的高度共享，为空间分析提供了在统一环境下工作的可能，使一个系统的知识可以容易地转移到另一个系统，实现数据与知识的共享，系统之间硬件资源的互操作也变得非常方便。231.1.4 空间分析是GIS的核心u空间分析是地理信息系统的核心和灵魂。空间分析是地理信息系统的主要特征，是评价一个地理信息系统的主要指标之一。u一个地理信息系统如果不提供空间数据的分析处理功能，实际上它就退化为一个地理数据库。相反，一个地理数据库，如果加强了空间数

13、据的分析处理功能，它就升格为一个地理信息系统。u地理信息系统必将向着能够提供丰富、全面的空间分析功能的智能GIS方向发展。24空间分析是GIS的核心 在过去的几十年里，国内外GIS的发展主要是靠“应用驱动”和“技术导引”的。随着GIS的理论、方法和应用的发展，研究者们开始重视GIS中的理论问题的分析和研究，地理信息系统(GISystem)已经从注重技术发展成理论与技术并重的地理信息科学(GIScience)，并逐步向地理信息服务(GIService)发展(李德仁, 邵振峰, 2008)。空间分析在GIS的发展历程中具有重要地位，空间分析是地理信息系统领域的理论性和技术性都很强的分支，是提升GI

14、S的理论性的一个十分重要的突破口。25地理信息系统(GIS)是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间和地理分布有关的数据的计算机空间信息系统。五个动词反映了GIS的基本功能，空间分析是GIS的核心。空间数据的采集、存储和管理是为空间分析提供数据基础，空间数据的描述是空间分析结果的表达。26空间分析是GIS的核心功能 GIS的基本功能包括：空间数据采集与编辑、空间数据处理与变换、空间数据存储与管理、空间数据分析、空间数据输出与显示、GIS二次开发。27n在GIS的六大基本功能中，空间分析是GIS的核心功能。空间数据的采集和

15、编辑、空间数据的存储与管理，以及空间数据的处理与变换都是为空间分析提供数据准备，是为了更好地实现空间分析而服务的。空间分析则是对经过数据预处理的空间数据的深层次分析和处理。空间数据的输出与显示是空间分析结果的表达。GIS二次开发是根据用户的需求对空间分析功能进行重组。28空间分析的理论性和技术性 随着GIS的发展，大家逐步开始重视GIS的理论基础的研究，提升GIS作为一门独立学科的理论基础。空间分析是地理信息系统领域的理论性和技术性都很强的分支。一个比喻：理论性和技术性就相当于一个人的两条腿，二者必须平衡，否则就成为跛腿，难以正常行走。GIS的正常发展需要既发展技术，也发展理论，而空间分析是一

16、个重要的突破口。291.2 从空间分析到空间分析建模 建立有效的空间分析模型，为建立有效的空间分析模型，为GIS提供更多更强大的功提供更多更强大的功能，已成为当前能，已成为当前GIS研究和应用中十分重要的任务。研究和应用中十分重要的任务。空间分析研究和应用的关键在于空间分析模型的建立。空间分析只有走向空间建模，解决各个行业中与空间位空间分析只有走向空间建模，解决各个行业中与空间位置有关的问题，才能发挥其最大效能。置有关的问题，才能发挥其最大效能。空间图形分析和空间数据分析是空间建模和分析的基础30空间分析建模与相关概念空间分析建模与相关概念空间分析建模：空间分析建模：运用GIS空间分析方法建立

17、数学模型的过程。空间建模：空间建模：基于GIS的空间问题分析和决策过程就是一个通过建立模型产生期望信息的过程，即所谓的空间建模，又可以解释为一切与空间位置相关的模型的建立。地理建模：地理建模：地理模型就是指真实的地理对象（地理过程、地理系统）的模仿物，它可以借助实物、逻辑符号、图形、表格、文字、数学公式及计算机软件来表示。地理建模就是指地理模型的构建。311.3 空间建模的方法空间建模的方法模型：模型：由于现实世界的复杂性，人们往往抽象出其中的本质特征对现实世界进行简化，形成能够反应现实世界规律的模型。模型是现实世界的表达，模型的使用有助于理解、描述和预测世界中事物的发生、发展联系，是普遍使用

18、的认识现实世界的方法和工具。321.3 空间建模的方法空间建模的方法模型的分类：模型的分类：模型的类型根据分类方法而不同，根据GIS空间分析建模的目的，可分为以特征为主的描述模型（descriptive model）和提供辅助决策信息和解决方案为目的的过程模型（process model）两类；根据使用的方法可分为随机模型和确定性模型；根据逻辑可分为归纳模型和演绎模型等。 33描述模型：描述模型：这是一类用描述方法研究区域中的实体类型、特征、相互之间的空间关系和实体属性特征的模型。一般用描述模型回答“是什么”这类简单地理问题，或者描述某类形象存在的环境条件。描述模型不仅能够使用单一的地图图层数

19、据，而且能够综合使用多个地图图层描述空间联系，表示不同条件下的空间关系或空间模式。描述模型的使用有助于识别空间关系、空间模式，增进我们理解地理过程的能力。有时描述模型指的就是GIS的数据模型。34过程模型：过程模型：运用数学分析方法建立表达式，模拟地理现象的形成过程的模型称为过程模型，也叫处理模型。过程模型适合于回答“应当如何”之类的地理问题。过程模型根据描述模型所建立起来的对象间的关系，分析其相互作用并提供决策方案。需要运用多种分析方法进行空间运算，并从中产生描述模型所不包括的新的信息。35过程模型的类型：过程模型的类型很多，用于解决各种各样的实际问题一些典型的过程模型包括：适宜性模型或评价

20、模型：农业应用、城市化选址等；如在最好的地方建立一所新的学校、居民区等。距离模型：基于距离的量测、影响区的分析、路径优化和运行路线调度、从出发点到目的地的最佳路径选择等。比较分析模型：对于地理要素的空间分布特征的动态变化进行比较分析。水文建模：流向分析、流域分析、河网提取等；表面建模：地表特征分析、污染程度分析等； 36373839建模方法建模方法:主要有3 种：（1）机理分析法：通过分析过程的运动规律，运用已知的定律、定理和原理，在长期工程实践中得到的实用的工业过程经验模型；（2）测试法：利用输入输出数据所提供的信息来建立过程的数学模型；（3）智能建模方法：空间建模方法与非空间问题建模方法的

21、发展非常相似，同样是由确定性模型的研究到与模糊逻辑、神经网络、遗传算法、小波分析等人工智能技术相结合的建模方法，只是空间数据具有其模糊性、不确定性，这就更加迫切地需要与人工智能技术相结合，以提高空间数据分析和空间问题模拟的准确度。 40空间分析功能与各种领域专用模型的结合途径：空间分析功能与各种领域专用模型的结合途径：（1）GIS 环境内二次开发语言的空间分析建模法；（2）基于GIS 外部松散耦合式的空间分析建模法；（3）混合型的空间分析建模法; （4）插件技术的空间分析建模法；（5）基于面向目标的图形语言建模法，简称图解建模41图解建模法：图解建模属于基于面向目标的图形语言建模法。ArcGIS 空间分析的模型就是在模型生成器(Model Builder)完成建立的一种图解模型，它是ArcGIS提供的构造地理工作流和脚本的图形化建模工具，可以将数据和空间处理工具连接起来处理复杂的GIS 任务，并且可以使多人共享方法和流程，多人可以使用相同的模型来处理相似的任务。42图解建模法：在Model Builder中输入数据、输出数据和相应的空间处理工具以直观的图形语言表示，它们按有序的步骤连接起来，使用户对模型的组成及执行过程的认识更加简单，并且对模型进行修改和纠错更加容易。43建立通用的空间建模还比较困难：建立通用的空间建模