空间分析1介绍20070201v

空间分析课程铺垫中科院地理科学与资源研究所苏奋振sufz@空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第1页!本讲的主要内容引子GIS介绍空间对象与关系空间统计分析介绍本课程的基础与学习方法空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第2页!空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第3页!空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第4页!空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第5页!空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第6页!空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第7页!空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第8页!0地理信息系统0.1GIS的出现和发展历史20世纪60年代，制图，功能较为简单。20世纪70年代，由于计算机发展，土地信息系统，但分析能力弱。20世纪进入80年代，个人计算机发展，GIS全面发展。不少国家也建立了相关政府性和学术性的机构，如：美国的国家地理信息系统分析中心（NCGIA），英国的地理信息系统协会，中国的资源与环境信息系统国家重点实验室。出现商业软件，如：Arc/Info、MapInfo、Erdas、Idrisi等。GIS的应用也波及到城市规划、生态规划、土木管理等等领域。20世纪进入90年代，产业化的重要时期。国内也出现了如MapGIS、Geostar、Citystar、SuperMap等系统。目前向过程地理信息系统,时间地理信息系统,高维地理信息系统,综合地理信息系统,位置服务技术等方向发展.空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第9页!0地理信息系统0.2GIS系统组成空间数据空间数据是GIS的基础，是具有空间定位信息的自然、社会、人文、经济等方面的数据。空间数据的种类的种类繁多，可以是图形、图像、文本、表格、数字、声音等。GIS中的数据分为两种，其一是空间数据，其二是属性数据。空间数据是描述对象的空间位置、几何形态以及与其它对象的空间关系的数据。属性数据是指描述空间对象的属性的数据，如湖泊的平均深度、面积、盐度等。GIS中数据的质量(精度、完整性等)直接影响到GIS空间分析结果的可靠性。空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第10页!1.1空间对象3．空间目标的类型。按空间维进行分类，这样空间对象大致可分为四类：（1）0维空间对象.有位置无长度的对象，如：居民点、地图中的城市、地震的震中位置。（2）1维空间对象.有长度的对象，一般由两个或多个0维目标组成，如：道路、河流。（3）2维空间对象.有面积的空间对象，如土地使用的类型、湖泊。（4）3维空间对象.具有体积的空间对象，如地下的矿体、大坝、隧道等。根据空间对象的连续性进行分类：（1）连续型的空间对象.在空间中连续分布的对象，如：某区域的地球化学元素分布，大气污染物浓度、海水的盐度。（2）非连续性的空间对象.在空间中不连续分布的对象，如：城市中商业网点的分布，道路与河流，建筑物。空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第11页!数据是科研的基础素材,一项优秀的科研成果都毫无例外地使用数据分析技术数据类型的划分是按照数据的表现形式、相互之间的关系、存储方式等因素进行划分的。1.2空间数据空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第12页!1.2空间数据(1)空间结构性连续是指空间场的模型中，当空间两点之间的距离趋于0时，它们所对应的函数值也趋于0。换句话说，如果空间域函数连续的话．空间域也就是连续的、即随着空间位置的微小变化，其属性值也只发生微小变化，此时我们说空间场模型是具有完全的结构性。空间场模型中某点的属性值可由邻近点的属性值进行推断和近似的性质成为结构性。例如，在地势平缓的地区，表达地形的数字高程模型就可近似的视为具有结构性的空间场模型。(2)空间随机性与空间结构性完全相悖的是空间随机性。当空间上两点属性的相似性不与它们之间的距离存在关系时，我们认为该空间场模型具有完全的随机性。实际上，完全的结构性和纯白噪声的模型在现实中都是不存在的，空间场模型大多是在两种性质（空间结构性、空间随机性）之前达到某种平衡，只不过有些时候结构性处于主导地位，而有些时候随机性占据上风。通常空间自相关，来综合这两种性质。

空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第13页!1.2空间数据2．空间要素模型空间要素模由点要素、线要素和面要素等三部分组成。这三种要素是二维空间对象的组成基元,目前GIS系统中数据组织的基本方式。（1）点要素点对象可以表达抽象为点的空间对象，如地震的震中，城市的位置等。除此而外，点要素可表达：注记点；内点；结点；节点。（2）线要素线要素可表达1维的空间对象，如道路、河流等。线状的空间对象具有以下空间性质：长度；弯曲度：方向性：水流，公路单向与双向。另外，线状要素还可表达线段、边界、链、弧段、网络等，多边线等。（3）面要素面要素也称为多边形要素，可表达面状的空间对象，如湖泊、岛屿、地块等。面状的空间对象具有面积、周长、形状等性质。基于要素的空间模型强调了个体现象，之间的关系：点—点、点—线、点—面、线—点、线—线、线—面、面—点、面—线、面—面等。这些拓扑分析的内容和方法是GIS空间分析研究的重要内容。空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第14页!1.2空间数据4．格网模型格网模型是将空间对象用一系列规则或不规则的小单元进行表示。格网模型可以表达连续型的空间对象，也可以表达离散的空间对象。在利用格网模型进行分析时，我们假设格网中的单个单元中的性质是均匀一致的。这样我们就可以将一个整体的空间对象划分为一系列大小一致或不一致的单元系统，从而形成化整为零的解决方案。格网单元通常以规则和不规则。规则格网的优势在于：(1)格网的表达方式简单，例如在正方形格网中每个单元用一对行、列号就可以进行表达和访问。此外，正方形网格还与矩阵的表达方式一致，因而便于表达和计算；便于对空间对象进行分割，而且栅格单元还具有可再分性，例如，三角形、正方形和正六边形的网格都可以进一步再分为同类的网格。虽然规则的格网模型具有上述优点，但对某些情况还不太适合，例如：对地形较为简单的区域采用规则网格表达则会产生大量的冗余数据，而在地形起伏非常剧烈的地区如果采用大小固定的单元则无法表现地形更为细致的特征，另外，规则的栅格还不适于表达诸如：山峰、坑洼、山脊、山谷等地形的关键特征。此时，采用不规则的格网系统可能会更加有效。空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第15页!1.2空间数据6．基于对象的数据模型前面数据模型一些不足表现在：首先，对于跨图层的空间数据的表达及处理能力较弱。当前这种以图层为单位组织数据的GIS系统中，同一图层内只涉及单一要素的简单查询是容易实现的，但涉及多图层要素的复杂查询与分析却十分困难。例如，如何在不同的图层中提取其次，不利于多时相空间数据的组织与管理。这种图层模式的GIS系统只适合处理单一时相的空间数据。对于空间实体的发展变化却难以处理。例如，如何提取不同时段（图层）内形状和大小都发生变化的湖泊或冰川。针对以图层为单元的数据模型的弱点，面向对象的数据模型表达现实的空间对象。这种模型以空间对象为单位，利用类似与面向对象程序设计中的类的概念来表达空间对象，这种数据模型比传统的图层数据模型更灵活、具有更多的内涵，可以更好地支持复杂的GIS应用。空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第16页!1.3空间关系拓扑关系：拓扑属性是指图形（研究对象）在连续变形的条件下，保持不变的整体性质。拓扑关系则是指空间对象之间的拓扑属性，具体的拓扑关系可包括：相邻、相交、包含等。空间相关：空间相关是指场对象模型中，空间两点值的大小与两点之间距离之间的关系服从Tobler地理学定律，即从统计角度上讲，空间两点之间的距离越近，其相似度就越高。空间关联：与空间相关不同，空间关联是指在空间上不连续的两个或多个对象，它们的属性存在着对应的关系。空间配置：某种资源在不同对象或对象不同部分的分配关系。这种关系在资源（淡水资源、电）的合理分配和使用问题中十分有用。空间过程关系：空间过程是指空间对象在空间和时间中所留下的轨迹，这种轨迹是时空要素的耦合，它反映了空间对象的属性的时空耦合关系。空间尺度：空间尺度是指观察者从高分辨率到低分辨率或从相反方向变化观察空间对象时所的呈现出的规律，那么空间对象在不同尺度上的关系就可被认为是空间尺度关系。空间对象所表现出的特征往往取决于观察的尺度。因此，空间尺度还被称为空间数据的“第四维”。空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第17页!空间相关对于连续场空间相关可包括：地球化学元素的分布；人种的分布；气象因子的分布。对于非连续场则表现为空间关联：地震的发生；城市功能单元的形成。1.3空间实体之间的关系空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第18页!空间互作用关系这种关系的特点是，空间实体之间存在明显的作用力。如：城镇的分布格局；天体的分布；元胞自动机；对弈关系（对抗性的体育运动、棋类）1.3空间实体之间的关系空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第19页!空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第20页!假定初始时刻的病例数为N0平均每病人每天可传染K个人（K一般为小数），平均每个病人可以直接感染他人的时间为L天。则在L天之内，病例数目的增长随时间t(单位天)的关系是：

N(t)=N0(1+K)t香港北京空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第21页!

空间统计分析研究的对象空间统计分析是针对各种类型空间数据之间的各种统计关系进行研究的一门课.2空间统计分析引论空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第22页!空间相关性是指空间随机变量之间大小与距离之间的一种消涨呼应关系.空间变量内部和空间变量之间都有可能存在空间相关性

2.1空间相关性分析空间邻近原理空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第23页!

2.2空间插值问题

空间插值：利用空间上随机采样点上的随机变量值重建连续的空间随机场的过程。空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第24页!空间插值的主要分类：最近邻法(NearestNeighbor)算术平均值(ArithmeticMean)距离反比法(InverseDistance)高次曲面插值(Multiquadric)多项式插值(Polynomial)样条插值(SplineSurface)克里格插值(Kriging)张量有限差分(TensionFiniteDifferenceMethod)

2.2空间插值问题空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第25页!数据挖掘与传统统计分析之间的区别与联系:区别数据挖掘实施之前没有既定的假设模型,而传统的统计方法则必须以假设为前提进行计算联系数据挖掘也采用统计方法.

3.1数据挖掘和知识发现空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第26页!

空间数据本身蕴涵着丰富的尺度信息:不同尺度下空间数据所表现的结构和特征可能相同,也可能不同.3.2空间数据的多尺度分析空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第27页!空间回归所研究的主要内容为:随机变量随空间位置而变化的规律.这些变化规律有线性的,也有非线性的.3.3空间回归和空间预测空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第28页!趋势和剩余剩余e空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第29页!3.8空间分析不确定性分析3.5空间分析网络分析3.6空间分析图谱分析3更多的空间分析3.7空间分析元胞分析空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第30页!该课程理论基础GIS时空数据分析信号处理理论GIS基础理论误差理论计算方法和编程能力概率统计随机过程矩阵论人工智能空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第31页!对数据统计分析作用的认识是一种工具是一种艺术是一种手段空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第32页!空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第33页!空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第34页!空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第35页!空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第36页!空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第37页!空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第38页!0地理信息系统0.2GIS系统组成主要包括：计算机硬件、计算机软件系统、地理数据、系统的管理和操作人员。软件系统分为五个部分：(1)数据输入（预处理）模块将地图、野外数据、航空像片、遥感图像、文本资料等通过人工录入或数字化转换为数字形式，键盘\扫描仪\平板数字化仪等等。数据转换\预处理。(2)数据管理GIS的空间数据库中主要存贮有空间数据、专题数据以及多媒体数据等。数据库定义、管理、维护、通讯等功能,存贮和管理空间数据、专题数据、拓扑关系数据，能数据压缩、数据转换、空间查询等（位置查询、属性查询、拓扑查询）等功能。(3)空间分析包括：拓扑分析、地形分析、叠置分析、缓冲区分折、网络分析等。(4)结果输出.以用户形式（如报表、地图等），通过网络、屏幕、打印机、绘图机、磁盘等给用户。(5)扩展应用模块.应用于某种特定领域,如交通拥堵、城市地下管线管理系统等。二次开发实现的。空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第39页!1.1空间对象1.空间对象的定义空间对象是GIS空间分析的客体，它们是现实世界中客观存在的实体或现象。人们能够感知空间对象的存在是因为其具有多重的属性，如，空间位置、发生时间、大小、颜色、质地、位置等等。Gis的主要功能之一是对空间对象的描述,通过对其属性进行定性或定量得以实现。GIS空间分析的宗旨就是分析空间对象的性质、发现其时空分布的规律和原因。2.空间对象的属性空间对象的属性众多，但大致可分为两类，其一是空间要素属性；其二是非空间要素属性，也称为描述属性。空间要素属性是指与空间（时间）位置相关的属性，主要包括：空间对象的位置、事件发生的时间、大小、形状、速度。描述属性则是指与空间位置无关或无直接关系的属性：如颜色、大小、质地等等。空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第40页!1.1空间对象4空间对象的表达对空间对象的表达是通过对其属性进行刻画而实现的。在GIS中，考虑到对空间数据的存储、管理、计算的可行性，对空间对象的表达通常需要考虑如下几个方面：位置：通常用坐标值的形式(或其他方式)给出空间对象的空间位置。编码：用于区别不同的对象，有时同一个实体在不同的时间具有不同的编码，如上行和下行的火车。编码通常包括分类码和识别码。分类码标识实体所属的类别，识别码对每个实体进行标识，是唯一的，用于区别不同的实体。类型：指明该对象属于哪一种类型，或由哪些对象的类型组成。行为：指明该空间对象可以具有哪些行为和功能。属性：指明该空间对象所对应的非空间信息．如道路的宽度、路面质量、车流量、交通规则等。说明：用于说明与空间对象相关的数据的来源、质量等相关的信息。关系：与其它对象之间关系的信息。空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第41页!1.2空间数据1空间场模型空间场用以描述空间上连续分布的对象。空间上连续分布的含义并非要求空间对象本身一定连续，而是要求空间对象的支撑是连续的区间。在上式中，x表示空间位置，f为可度量的映射。该式表示了从空间域到值域的映射。空间上连续分布的含义为：x的取值为连续的代数区间。如在一维空间中，f的定义域为闭区间或开区间；在二维空间中f的取值为封闭的区域，如此类推。可用空间场模型表达的空间对象较多，例如，空气中污染物的浓度、海水的温度、土壤的水分含量等。根据应用的不同，场可以表现为二维或三维空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第42页!1.2空间数据(3)空间自相关空间自相关性是指，从统计规律上讲，距离近的事物之间的联系性强于距离远的事物之间的联系性，换句话说，相近者相似。空间自相关的强弱反映了空间场中结构性和随机性的程度对比。实际上，空间两点相关性的强弱还与它们之间的距离存在一种函数关系，这种函数关系可以用变差函数或协方差函数来衡量（详细的内容可参照第五章的内容）。从变差函数和协方差函数的各参数中，我们不仅可以分析空间随机场的连续性，而且还可以分析其粗糙度。在一般情况下，空间两点的空间相关性不仅随距离的大小而变化，而且还与两点之间构成矢量的方向有关。如果空间场中的空间自相关性与方向无关，则称之为各向同性场。各向同性在实际研究中是不多见的，大部分的空间场模型都是各向异性的。例如，在有风的情况下，由某个烟囱中散发出的污染物的空间分布就是各向异性的，其中，与风向的一致的方向上，污染物的分布具有较强的空间相关性；而在与风向垂直的方向上，污染物的空间相关性相对较弱。空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第43页!1.2空间数据3.空间网络模型网络关系是空间对象之间的一种特殊空间关系，不同的空间对象通过网络进行连接，实现了诸如人口、资源、能量、信息之间的交流和配分，如：城市交通网、河网、电网和城市的地下管网等等。网络模型包含了五种要素，它们分别是：网络边(Link)、节点(Node)、站点(Station)、中心(Center)和转向点(Turn)（这些概念将在第五章中详细的介绍）。由于空间网络模型对空间对象以及它们之间的连接方式和作用关系进行了抽象，因而十分适合表达空间对象之间的空间配置和优化等关系。GIS的网络分析研究包括以下一些问题：网络追踪(Trace)、最优路径选择(PathFinding)、资源分配(Allocate)、地址编码与匹配、选址和分区分析、空间相互作用和引力模型等。空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第44页!1.2空间数据5．三维数据模型空间三维数据模型是用于表达真实世界中的三维空间对象。现实世界中的许多三维空间对象，如：建筑物、地形地貌、土壤和水体中污染物的空间分布等等，是很难用二维数据模型进行表达的。由于三维数据模型所表达的空间对象三维空间中的对象，因而，其表达方式较二维模型更复杂。不过与二维的数据模型类似，三维数据模型也有矢量和栅格的结构之分。三维的栅格结构使用空间索引系统，它将空间对象分割为小单元，称为体元或体元素。三维的矢量结构可以用多种数据结构进行实现，较常使用的是具有拓扑关系的三维边界表示法和八叉树表示法。三维数据模型成为表达真实空间对象的基础，进而实现对空间对象的三维分析。这些问题包括：空间对象的三维可视化（包括可视性分析、旋转、飞行、漫游、剖面分析等），土方计算、地形分析（剖面分析、坡向分析、坡度计算、曲率计算）、三维模拟（洪水模拟、矿山资源计算）等。空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第45页!1.3空间关系空间实体之间存在复杂的空间关系，主要可包括：距离关系、方位关系、拓扑关系、空间相关、空间关联、空间配置、空间过程、空间尺度等。距离关系：指空间对象之间的空间距离。在不同性质的空间内就有不同性质的空间距离，如欧氏距离、曼哈顿距离、明氏距离，旅行时间距离等。对两个点空间对象之间的距离很好定义，而点对象与线（面）对象、线（面）对象与线（面）对象之间的距离有多种定义方法，如：可定义为两个对象之间最近两点之间的距离。方位关系：方位关系的度量建立在距离关系的基础上，具体指两对象之间距离所形成的方位角。空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第46页!1.3空间关系空间互作用关系空间传播关系空间复杂关系空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第47页!空间配置关系南水北调；交通流；电网、自来水网的平衡；地球化学元素的分配。1.3空间实体之间的关系空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第48页!空间传播空间传播与空间互作用的区别在于，空间传播过程中，空间实体的性质发生了变化。如：流行病的传播（SARS的传播）；洪水的演进；热带风暴的预报；火灾的控制。1.3空间实体之间的关系空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第49页!空间分析1介绍20070201v共62页，您现在浏览的是第50页!空间复杂关系