空间分析应用建模第一讲概述讲解课件

1、空间分析应用建模第一讲概述讲解课件空间分析应用建模第一讲概述讲解课件课程名称：空间分析应用建模学时： 36授课时间：2-18周；周四（1-2节）地点：2-117授课方式：分专题讲授考核方式： 待定联系Email： ych授课教师： 余长慧 秦昆课程名称：空间分析应用建模31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

2、, 2006.6韦玉春,陈锁忠. 地理建模原理与方法，科学出版社, 2005.7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51秦昆等，GIS空间分析理论与方法，P284: 9课程内容概述-空间分析与空间分析建模空间分析工具图解建模方法用于决策支持的空间分析探索性空间数据分析方法空间统计建模地统计建模专题空间分析应用建模卫生健康交通电力环境等课程内容概述-空间分析与空间分析建模空间分析应用建模1概述：空间分析与空间分析建模Basic Concepts of Spatial Analysis And Spatial Modeling空间分析应用建模1概述：空间分析与

3、空间分析建模空间分析与空间分析建模空间分析概述从空间分析到空间分析建模空间分析建模的方法空间分析建模的概念模式空间分析与空间分析建模空间分析概述1 空间分析概述 空间分析的概念空间分析的分类空间分析的研究内容与研究进展空间分析是GIS的核心1 空间分析概述 空间分析的概念What is spatial analysis？Or even spatial data analysis?spatial modeling?Does it help to define/classify them?Or does it make more sense just to understand what we a

4、re doing?Here a first historical exampleWhat is The Broad Street PumpCholera outbreak in Soho / London, England 1854Dr. Snow and his theory of contaminated water in wells Monitored the epidemic by interviews Leads to the pump at Broad Street Removal of the handle saved an unknown number of liveFind

5、more at:/epi/snow.htmlOr in:Tufte, E.R. 1997. Visual ExplanationsThe Broad Street PumpCholera oSnows MapSnow mapped the monitored cases and could determine the location of the well closest to these casesThis was genius-like!Snow as the pioneer of modern epidemiology which uses spatial analysis to a

6、high degreeSnows MapSnow mapped the moniDefining Spatial Analysis?Longley et al. 2005: Spatial analysis is a set of methods whose results change when the locations of the objects being analyzed changePerspective: Analytical toolset that takes into account the spatial frameDefining Spatial Analysis?L

7、ongGoodchild, 1988: “The true value of GIS lies in their ability to analyze spatial data using the techniques of spatial analysis. Spatial analysis provides the valueadded products from existing datasets”Perspective: Gaining valuable products from spatial data?Defining Spatial Analysis?Goodchild, 19

8、88: “The true valGoodchild (et al.) 1987/1992: (SDA) is a set of techniques devised to support a spatial perspective on data. To distinguish it from other forms of analysis, it might be defined as a set of techniques whose results are dependent on the locations of the objects or events being analyze

9、d, requiring access to both the locations and the attributes of objects.Perspective:Techniques using Locational and attribute informationDefining Spatial Analysis?Goodchild (et al.) 1987/1992: Haining 1994: SDA is a body of methods and techniques for analyzing events at a variety of spatial scales,

10、the results of which depend upon the spatial arrangement of theevents.Perspective: Techniques that address scale and spatial patterns?Defining Spatial Analysis?Haining 1994: SDA is a body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)。15Defining Spatial Analysis?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，

11、其Defining Spatial Analysis?We stop here! You will find many other definitions in different contextsAltogether we might say: Spatial analysis has something to do with deriving information from data using the spatial context of the problem and the data (e.g. their distributions or patterns)It is exact

12、ly this - space - which makes it differentMaybe we understand more if we look at some taxonomies of operators for spatial analysis such asDefining Spatial Analysis?We s空间分析类别 Based on Classes of TechniquesLongley et al. 2001: Tried to classify relevant techniques of spatial analysis based on concept

13、ual frameworksPerspective: Analytical toolset for querying, measuring, transforming, describing, optimizing and hypothesis-testing空间分析类别 Based on Classes of Te空间分析分类 Based on Conceptual ModelsBurrough and McDonnell 1998: Divide spatial operations in two different categories -depending on the concept

14、ual model (which was not only successful)Entities: Attribute operations, Distance/location operations, Operations using built-in spatial topologyFields: Interpolation, Terrain analysis, Spatial filtering, etc.空间分析分类 Based on Conceptual Mo空间分析分类 Based on the Data ModelTomlin 1990:made efforts to codi

15、fy analysis (map algebra for rasters)identified four basic classes of operationsdefined an associated language termed cartographic modeling (basis for command syntax in many GIS packages)空间分析分类 Based on the Data Mode空间分析分类As you can see there are (as expected) many different approaches to build a ta

16、xonomyone based on category of technique, one based on the conceptual modelone based on the data model usedWhat most of them have in common is: They include most of the (functional) operations in a GIS, somehow空间分析分类As you can see there areExample 1: Exploring &DescribingFire scares in forests Total

17、 portion of burned area, classes Mean and median size of patches & std. deviation of patch size Shape (compactness) of patches (circularity: M = 4*area / perim2) Comparing burned with non-burnt areas Comparison with properties of other gaps/patches (harvested or blow-down) Distance to other burnt pa

18、tchesExample 1: Exploring &DescribExample 2: Explaining theOccurrenceTrying to explain the occurrence of forest fires by analyzing and exploring the available dataFormulating Hypotheses (fuel, climatic condidtions, land use, traffic) and data neededSampling (autocorrelation)Significant variables for

19、 regression analysis?Evaluation of predictionsExample 2: Explaining theOccu空间分析的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。 23空间分析的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- 空间分析的研究内容 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包括三大部分：空间分析的理论研究；空间分析的

20、方法研究；空间分析的应用研究。 24- 空间分析的研究内容 空间分析是GIS领域理论性、技空间分析的理论研究空间关系理论：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25空间分析的理论研究空间关系理论：27空间分析的理论研究地理空间认知指在日常生活中，人类如何逐步理解地理空间，包括位置、分布、关系、变化和规律等；如何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地理空间二分法26现实世界认知过程 （龚健雅，2001）空间分析的理论研究地理空间认知28现实世界认知过程 （龚健雅空间认知三层模型空间认知三层模型空间分析的理论研究空间推理指利用空

21、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。28空间分析的理论研究空间推理30空间分析的理论研究空间分析的不确定性理论：GIS空间分析过程中涉及的很多不确定性问题，要利用概率理论、模糊理论、粗糙集理论、云模型理论等理论和方法研究和解决GIS空间分析过程中的不确定性问题 。 29空间分析的理论研究空间分析的不确定性理论：31空间分析的方法研究矢量数据的空间分析方法：包含分析、缓冲区分析、叠置分析、网络分析等；30空间分析的方法研究矢量数据的空间分析方法：32空间分析的方法研究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

22、析、追踪分析、窗口分析等；31空间分析的方法研究栅格数据的空间分析方法：33空间分析的方法研究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；32空间分析的方法研究三维数据的空间分析方法：34空间分析的方法研究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。33空间分析的方法研究属性数据的空间统计方法：35空间分析的应用研究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 34空间分析的应用研究卫生健康领域36- 空间分析的研究进展 空间分析在地理学研究中具有悠

23、久的传统与历史从某种意义上说，空间分析孕育了地理学。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)。基于地图的分析：地图（地理学第二语言）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。35地理学的第一语言？地理学的第三语言？- 空间分析的研究进展 空间分析在地理学研究中具有悠36地理学第一定律：空间相关性Tobler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

24、相关性大” 。Cliff和ord在1973年出版的专著中揭示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.38地理学第一定律：空间相关性Everything is r371854年8月到9月，英国伦敦霍乱病流行，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。基于空间分析的

25、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水的井水。空间分析（叠置分析）的魅力！391854年8月到9月，英国伦敦霍乱病流行，医生琼.斯诺博- 空间分析的研究进展 计量革命与计量地理学：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。38- 空间分析的研究进展 计量革命与计量地理学：4- 空间分析的研究进展 集成多学科的技术和方法20世纪90年代以后，空间分析的发展和GIS的发展

26、密切结合在一起。GIS集成了多学科的最新技术和所能利用的空间分析方法，使空间分析能力发生了质的飞跃关系数据库管理高效图形算法插值区划网络分析等39- 空间分析的研究进展 集成多学科的技术和方法4空间分析关键技术的变化 地理信息系统和遥感等新技术保证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。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。40空间分析关键技术的变化 地理信息系统和遥感等新技术保证空间数空间分析关键技术的变化 新一代空间分析：从数据的空间关系中挖掘新的信息

27、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、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。网格技术、云计算等对空间分析产生深远的影响。数据信息和各种资源的高度共享41空间分析关键技术的变化 新一代空间分析：43-空间分析是GIS的核心42空间分析是GIS的核心和灵魂空间分析是GIS的主要特征是评价一个GIS系统的主要指标之一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。-空间分析是GIS的核心44空间分析是GIS的核心43GIS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

28、供数据基础，空间数据的描述是空间分析结果的表达。45GIS的基本功能，空间分析是GIS的核心。空间数据的采集44GIS的发展“应用驱动”“技术导引”空间分析在GIS的发展历程中具有重要地位，是GIS领域理论性和技术性很强的分支，是提升GIS的理论性的一个十分重要的突破口。46GIS的发展空间分析在GIS的发展历程中具有重要地位，是45空间分析是GIS理论发展的一个重要突破口47空间分析是GIS理论发展的一个重要突破口2 从空间分析到空间分析建模 空间建模基本概念空间分析与空间分析建模 2 从空间分析到空间分析建模 空间建模基本概念what about Spatial Modeling ?Mod

29、eling per se is one of the most overloaded terms anywhereReason enough to think about what exactly we think of by referring to spatial modelingGenerally, a model is a (simplified) description of reality (static reproduction, conceptual description)Modeling can (or should) be considered as a process

30、what about Spatial Modeling ?Modeling Process and its ComponentsPrior to carrying out the modeling process it is helpful to find answers to four questions (DeMers 1,5):What is the model to tell us (explaining, predicting relationships or consequences / evaluating situations for resource uses,)? Or s

31、imply: Do we understand what the problem is?What type of data do I need?How to create a design to put the model together?How to apply existing tools, carefully and appropriately to derive meaningful models?Validation and verification as important steps are touched laterModeling Process and its Compo

32、What is GIS Modeling? GIS Modeling is a PROCESS Need of a way to “think spatially” How to represent (abstract) our world in a GIS? What are the visible or functional patterns What are the spatial relationships between representations in the geographic space? What can these relationships tell us and

33、how can we combine/measure/examine them to derive meaningful models? As always, a structure is helpful!What is GIS Modeling? GIS ModeWhat is a Spatial ModelSpatial models (at some places GIS models) might describe basic properties and processes for a set of spatial features (Bolstad 13 you have hear

34、d about this) The aim is to study spatial objects or phenomena in the real worldAs you can imagine we also find dozens of definitions and many different classification schemes - we will look at three of themWhat is a Spatial ModelSpatialSpatial and GIS Models I(Bolstad)Cartographic models:temporally

35、 static, combined spatial datasets, operations and functions for problem-solvingSpatio-temporal modelsdynamics in space and time, time-driven processesNetwork models:modeling of resources (flow, accumulation) as limited to networksSpatial and GIS Models I(BolsCartographic Models（制图模型）Ranking and Wei

36、ghting of criteriaCartographic Models（制图模型）RankiSpatio-temporal ModelsSpatio-temporal ModelsSpatial and GIS Models II(Goodchild 2003)Data models:Entities and fields as conceptual models Static modeling:taking inputs to transform them into outputs using sets of tools and functionsDynamic modeling:ite

37、rative, sets of initial conditions, apply transformations to obtain a series of predictions at time intervalsSpatial and GIS Models II(GooSpatial and GIS Models III(DeMers 2005)Based on purposedescriptive - passive, description of the study areaprescriptive - active, imposing best solution Based on

38、methodologystochastic - based on statistical probabilitiesdeterministic - based on known functional linkages and interactionsBased on logicinductive - general models based on ind. datadeductive - from general to specific using known factors and relationshipsSpatial and GIS Models III(DeWhat do Spati

39、al Models Do?Using spatial dataMaking use of combined functional capabilities such as analytical tools for spatial and non-spatial computation, GIS and programming languagesThe focus is on the meaning of the model -modeling is more than just applying analytical toolsRepresenting meaningful features,

40、 events and processes in geographical spaceWhat do Spatial Models Do?Usin57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图形分析空间数据分析59空间分析研究和应用的关键在于空间分析模型的建立58空间建模：为一切与空间位置相关的模型的建立地理建模：指地理模型的构建地理模型指真实的地理对象（地理过程、地理系统）的模仿物，可借助实物、逻辑符号、图形、表格、文字、数学公式及计算机软件来表示。空间建模基本概念60空间建模：为一切与空间位置相关的模型的建立地理建模：指地59空间分析模型的特征空间定位特性：构成空间分析模型的空间

41、目标(点、弧段、网络、复杂地物等)的多样性决定了空间分析模型建立的复杂性；空间关系特征：空间层次关系、相邻关系及空间目标的拓扑关系也决定了空间分析模型的特殊性；包括笛卡尔坐标、高程、属性以及时序特征的空间数据极其庞大，大量的数据构成的空间分析模型也具有可视化的图形特征；空间分析模型不是一个独立的模型实体，它与广义模型中的抽象模型的定义是交叉的。GIS要求完全精确地表达地理环境间复杂的空间关系，因而常用数学模型。 61空间分析模型的特征空间定位特性：构成空间分析模型的空间目3 空间建模的方法空间分析的概念空间分析的分类空间分析的研究内容与研究进展空间分析是GIS的核心3 空间建模的方法空间分析的

42、概念61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，是普遍使用的认识现实世界的方法和工具。63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62模型的分类：根据GIS空间分析建模的目的，分为以特征为主的描述模型（descriptive model）提供辅助决策信息和解决方案为目的的过程模型（process model）根据使用的方法分为随机模型确定性模型；根据逻辑分为归纳模型演绎模型等64模型的分类：63描述模型用描述方法研究区域中的实体类

43、型、特征、相互之间的空间关系和实体属性特征的模型。一般描述模型回答“是什么”的简单地理问题，或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。65描述模型用描述方法研究区域中的实体类型、特征、相互之间的64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。描述模型：建立对象间的关系过程模型：分析其相互

44、作用并提供决策方案要运用多种分析方法进行空间运算，从中产生描述模型所不包括的新的信息。66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65 典型的过程模型：适宜性模型或评价模型：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；67 典型的过程模型：66建模方法机理分析法：通过分析过程的运动规律，运用已知的定律、定理和原理，在

45、长期工程实践中得到的实用的工业过程经验模型；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；智能建模方法：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。 68建模方法机理分析法：通过分析过程的运动规律，运用已知的定67空间分析功能与各种领域专用模型的结合途径：GIS 环境内二次开发语言的空间分析建模法；基于GIS 外部松散耦合式的空间分析建模法；混合型的空间分析建模法; 插件技术的空间分析建模法；基于面向目标的图形语言建模法，简称图解建模69空间分析功能与各种领域专用模型的结合途径：68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 的模