空间数据处理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,空间分析与应用,1,教材：,秦昆主 编,GIS,空间分析理论与方法,(,第二版,),武汉,:,武汉大学出版社,2010.,2,主要内容：,一、学习目的和意义,二、该课程的主要内容,三、学习的方法,四、相关网站,3,一、学习目的和意义,1,、“空间分析”是,GIS,的核心。,2,、“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,GIS,的理论性的一个十分重要的突破口。,4,二、主要讲课内容,（,1,）空间分析的理论,:,介绍空间分析的一些理论问题，如空间关系理论、空间认知理论、空间推理理论，以及其它的相关理论。,（,2,）空间分析的方法,:,介绍空间分析的各种具体方法，如栅格数据的空间分析方法、矢量数据的空间分析方法、三维数据的空间分析方法、属性数据的空间统计分析方法等。,（,3,）空间分析的过程和应用,:,利用多种空间分析方法综合集成地解决具体问题的过程；介绍与此密切相关的空间决策支持技术，以及空间分析的各种应用。,5,三、学习方法,理论学习：,理论联系实际，理论指导实践；,算法学习：,弄懂算法，实际编程实现部分算法；,空间分析过程的学习：,针对具体问题，掌握综合利用空间分析的方法解决实际的具体问题的能力。,自主学习：,广泛查阅相关资料。,6,四、空间分析研究的,相关网站,7,：,中科院地理所王劲峰研究员的空间分析网站。,8,www.tiem.utk.edu/sada/index.shtml,，,美国田纳西州州立大学空间分析和决策支持主页。,9,www.ncgia.ucsb.edu,/,，美国国家地理信息与分析中心（美国加利福尼亚州立大学圣芭芭拉分校）：代表人物：,M.F.,GoodChild,。,10,sal.uamont.edu,/,，,美国阿肯色州州立大学的空间分析实验室。,11,www.udel.edu/FREC/spatlab,/,，美国特拉华州州立大学的空间分析实验室,12,narsal.ecology.uga.edu,/,，美国乔治亚州大学的自然资源空间分析实验室。,13,esa.snre.umich.edu,，美国密歇根州大学环境空间分析实验室。,14,www.uvm.edu/envnr/sal,/,，美国佛蒙特州州立大学的空间分析实验室。,15,csat.er.usgs.gov,，,Center for Spatial Analysis Technologies,United States Geological Survey(USGS),，美国国家地质局的空间分析技术实验室。,16,.,Internet,上还有很多空间分析的参考资料。,图书馆也有很多的关于空间分析的参考资料。,自主学习,积极学习,研究讨论,Work Hard On it!,The more you learn,the more youll get.,Learn,study,enjoy it like an expert,17,18,第一章 绪论,19,1.1,空间分析的概念,空间分析的定义还不统一，比较典型的有以下几种：,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),。,空间分析,是基于地理对象布局的地理数据分析技术,(,Hainning,1990),。,空间分析,是对于地理空间现象的定量研究，其常规能力是操纵空间数据使之成为不同的形式，并且提取其潜在的信息,(,Baily,1995;,Openshaw,1997),。,20,1.1,空间分析的概念,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),。,GIS,空间分析,是从一个或多个空间数据图层获取信息的过程。空间分析是集空间数据分析和空间模拟于一体的技术，通过,地理计算,和,空间表达,挖掘潜在空间信息，以解决实际问题,(,刘湘南等,2008),。,空间分析的定义还不统一，比较典型的有以下几种：,21,空间分析的本质特征：,空间分析的本质特征包括：,探测空间数据中的模式；,研究空间数据间的关系并建立相应的空间数据模型；,提高适合于所有观察模式处理过程的理解；,改进发生地理空间事件的预测能力和控制能力。,22,空间目标的特性：,空间目标是空间分析的具体研究对象。,空间目标具有空间位置、分布、形态、空间关系,(,距离、方位、拓扑、相关场,),等基本特征。,不同类型的空间目标具有不同的形态结构描述，对形态结构的分析称为,形态分析,。例如，可以将地理空间目标划分为点、线、面和体四大类要素，面具有面积、周长、形状等形态结构，线具有长度、方向等形态结构。,考虑到空间目标兼有,几何数据,和,属性数据,的描述，因此必须,联合几何数据和属性数据进行分析,。,23,不同空间数据类型的空间分析方法：,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、,属性数据的空间分析方法。,24,空间分析的根本目标：,空间分析的根本目标是：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。,25,1.2,空间分析的研究内容,空间分析是,GIS,的主要功能，是,GIS,的核心和灵魂。,在,GIS,的早期发展阶段，人们的注意力多集中于空间数据结构及计算机制图方面，空间分析的问题尚不尖锐。,随着,GIS,的发展，对,GIS,空间数据结构的研究已相对成熟，计算机制图也早已达到了实用化水平，实用的,GIS,软件以及实际的,GIS,系统已有许多成功的实例，因此系统的空间分析功能就成为人们倍加关注的焦点，,GIS,的发展已经,从数据库型,GIS,进入分析型,GIS,阶段,(,郭仁忠,2001),。,26,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：,空间分析的理论研究；,空间分析的方法研究；,空间分析的应用研究。,27,空间分析的理论研究：,空间分析的理论研究部分主要包括,空间关系理论,、,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。,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。,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。,28,空间分析的理论研究：,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。,空间分析的不确定性分析理论：,GIS,空间分析过程中涉及到很多不确定性问题，需要利用概率理论、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,(,承继成等,2004;,史文中,2005),。,29,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：,矢量数据的空间分析方法，,包括包含分析、缓冲区分析、叠置分析、网络分析等；,栅格数据的空间分析方法，,包括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；,三维数据的空间分析方法，,包括表面积计算、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；,属性数据的空间统计方法，,包括空间自相关分析、空间局部估计、空间插值、探索性空间分析等。,30,空间分析的应用：,在空间分析的应用部分，主要研究空间分析的理论和方法在以下领域的应用：,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,等。,31,1.3,空间分析的研究进展,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：,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。,32,1854,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。,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水的井水。,政府根据琼,.,斯诺博士的要求摘下了这种水井的泵，禁止使用该水泵吸水，从此以后，新的霍乱病人就没有再出现了。,33,叠置分析：,在这个例子中，通过将绘有霍乱病流行地区所有道路、房屋、饮用水机井等内容的城区地图与霍乱病死者位置的信息进行叠置，从而揭示了患者的居住地与饮用水井之间的空间位置关系，揭示了霍乱病的发病原因。,基于空间分析的霍乱病患者发病原因分析：,34,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,，目前仍然在发展的,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。,35,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”。指出：,“任何事物都是空间相关的，距离近的事物的空间相关性大”,，这一定律的提出使得,地理现象的空间相关性和异质性特征,在研究中得到重视。,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。,统计学家,Ripley,于,1981,年对,空间点分布模式,进行了卓有成效的研究和总结，提出了,测度空间点模式的,K,函数方法,。,OpenShaw,等对空间数据中的,可塑面积单元问题,进行了深入的探讨。该问题的本质是,空间尺度变化对于变量统计结果以及变量之间相关性的影响,。36,集成了多学科的技术和方法：,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。,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,。,37,空间分析关键技术的变化：,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：,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。,由于分析过程受到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的分析方法,受到重视，并且在最近几年得到了深入发展。,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。,38,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,。,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。,随着计算机网络技术的发展，互联网下的新计算技术,网格技术,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。,39,1.4,空间分析,与,地理信息系统,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。,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，如果加强了空间数据的分析处理功能，它就升格为一个地理信息系统。,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,。,40,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,GIS,的理论性的一个十分重要的突破口。,41,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,。,42,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。,43,GIS,的基本功能：,（,1,）空间数据采集与编辑,。利用手扶跟踪数字化仪、扫描数字化仪、键盘输入或文件读取等方式采集并输入空间数据，并对输入的空间数据进行拓扑编辑、拓扑关系建立、图幅接边、数据分层、地理编码、投影变换、坐标系统转换、属性编辑等操作处理，使之符合空间数据存储和建库的要求。,（,2,）空间数据存储与管理,。空间数据具有空间特征、抽象特征、非结构化特征、空间关系特征和海量数据等特征，空间地物一般抽象成点、线、面和体等地理要素，空间数据的存储涉及到地理要素,(,点、线、面、体,),的位置、空间关系和属性数据的构造和组织等。主要由特定的数据模型或数据结构来描述构造和组织的方式，由数据库管理系统,(DBMS),进行管理。,44,GIS,的基本功能：,（,3,）空间数据处理和变换。,包括数据变换、数据重构和数据抽取。,数据变换,指数据从一种数学状态转换为另一种数学状态，包括投影变换、辐射纠正、比例尺缩放、误差改正和处理等。,数据重构,指数据从一种几何形态转换为另一种几何形态，包括数据拼接、数据截取、数据压缩和结构转换。,数据抽取,指对数据从全集到子集的条件提取，包括类型选择、窗口提取、布尔提取和空间内插。,45,GIS,的基本功能：,（,4,）空间数据分析。,利用一种或多种空间分析方法,(,缓冲区分析、叠置分析、网络分析、剖面分析等,),对空间数据库中的数据进行处理和分析，提取出有用信息。,46,GIS,的基本功能：,（,5,）空间数据输出与显示。,将,GIS,的原始数据，经过系统分析、转换、重组后以某种用户可以理解的方式提交给用户。,GIS,的输出方式可以是地图、表格、决策方案、模拟结果显示等。,当前,GIS,可以支持纸质信息产品和虚拟现实和仿真产品等。,（,6,）,GIS,二次开发。,由于不同的应用领域、不同的用户对,GIS,有不同的要求，一套,GIS,产品不可能提供用户所需要的所有功能，现在的,GIS,产品都提供了二次开发功能，提供二次开发的接口或者是专门的组件产品。用户可以根据自己的需要在,GIS,产品的基础上实现灵活的二次开发。,47,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,扩展,。,48,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，而空间分析是一个重要的突破口。,49,1.5,空间分析与应用模型,两种观点：,一种观点认为：,应用模型是空间分析不可或缺的一部分，是,GIS,的重要组成部分。,GIS,可以输入、存储、操作、管理空间数据，并以图形等直观形式表达输出结果，但它本身缺少强大的空间分析能力。空间模型对空间数据进行精确地模型运算，但其结果常常需要通过,GIS,来表达。,GIS,和空间分析模型在功能上的互补是,GIS,与空间模型结合的主要动力。,50,另一种观点：,空间分析与空间应用模型应区别开来,在地学研究中往往涉及很复杂的分析过程，这些过程尚不能完全用数学和算法来描述。,GIS,应用模型具有复杂性，,GIS,所需要处理的问题可能是相当复杂的，且往往存在人为因素的干预与影响，很难用数学方法全面、准确、定量地加以描述，所以,GIS,应用模型时常采用定量和定性相结合的形式。,在地理学、环境科学、农林、规划、石油、地质等涉及空间数据处理的学科领域都需要进行空间分析，这些分析都是基于共同的原理和方法。但是，各个学科使用这些共同的方法去解决自己独特的问题，建立或辅助建立自己的专门化的空间应用模型。即对于专业模型来说，由于,GIS,应用领域的不同，不可能建立通用的、包罗一切的专业模型，专业模型只能通过用户自己创建。,51,另一种观点：,空间分析与空间应用模型应区别开来,空间分析,是基本的、解决一般问题的理论和方法空间模型是复杂,(,合,),的、解决专门问题的理论和方法,例如，对于,设施选址问题,：,一个工厂的选址与一个水库的选址遵循的是完全不同的原则，需要的支持信息也大相径庭，但是在这两个不同的应用模型中，可能需要采用一些相同的空间分析工具去处理不同的数据。,52,思考题,1.,简述空间分析与,GIS,的关系？简述空间分析在,GIS,中的地位和作用？,2.,简述空间分析的概念？,3.,简述空间分析的研究进展？,4.,简述空间分析的主要研究内容？,5.,简述空间分析与应用模型的关系？,53,参考文献,柏延臣,李新,冯学智,.1999.,空间数据分析与空间模型,.,地理研究,18(22):185-190承继成,郭华东,史文中,等,.2004.,遥感数据的不确定性问题,北京,:,科学出版社,龚健雅,.2001,.,地理信息系统基础,.,北京,:,科学出版社,宫辉力,李京,陈秀万,肖劲峰,.2000.,地理信息系统的模型库研究,.,地学前缘,7(S0):17-22,郭仁忠,.1997.,空间分析,.,武汉,:,测绘科技大学出版社,郭仁忠,.2001.,空间分析,(,第二版,),.,北京,:,高等教育出版社,李德仁,邵振峰,.2008.,信息化测绘的本质是服务,.,测绘通报,(5):1-4,李建松,.2006.,地理信息系统原理,.,武汉,:,武汉大学出版社,黎夏,刘凯,.2006.,GIS,与空间分析,原理与方法,.,北京,:,科学出版社,刘湘南,黄方,王平,佟志军,.2008.,GIS,空间分析原理与方法,.,北京,:,科学出版社,刘湘南,黄方,王平,.,2008.GIS,空间分析原理与方法,(,第二版,).,北京,:,科学出版社,刘亚彬,刘大有,.2000.,空间推理与地理信息系统综述,.,软件学报,11(12):1598-1506,Michael J,M,Goodchild,M,F,Longley,P A,著,.2009.,杜培军,张海荣,冷海龙,等译,.,地理空间分析,原理、技术与软件工具,(,第二版,),.,北京,:,电子工业出版社,孟鲁闽,白建军,.,1999.GIS,应用管理模型研究,.,测绘通报,(8):16-17,史文中,.2005.,空间数据与空间分析不确定性原理,.,北京,:,科学出版社,汤国安,杨昕,.,2006.ArcGIS,地理信息系统空间分析实验教程,.,北京,:,科学出版社,王晓明,刘瑜,张晶,.2005.,地理空间认知综述,.,地理与地理信息科学,21(6):1-10,王远飞,何洪林,.2007.,空间数据分析方法,.,北京,:,科学出版社,王铮,吴兵,.,2003.GridGIS,基于网格计算的地理信息系统,.,计算机工程,29(4):38-40,王喜,王大中,王萌,.2006.,地理信息技术发展的新方向,网格,GIS,初探,.,测绘与地理空间信息,29(4):43-46,54,王桥,吴纪桃,.,1997.GIS,中的应用模型及其管理研究,.,测绘学报,26(3):280-283,王劲峰,李连发,葛咏,时陪中,关元秀,柏延臣,王智勇,Haining,Robert,.2000.,地理信息空间分析的理论体系探讨,.,地理学报,55(1):92-1032,杨驰,.,2006.GIS,空间分析建模构想,.,测绘通报,(11):22-25,赵金萍,王家同,邵永聪,李婧,刘庆峰,.2006.,飞行人员心理旋转能力测验的练习效应,.,第四军医大学学报,27(4):341-343,张成才,秦昆,卢艳,孙喜梅,.,2004.GIS,空间分析理论与方法,武汉,:,武汉大学出版社,张治国,.2007.,生态学空间分析原理与技术,.,北京,:,科学出版社,朱长青,史文中,.2006.,空间分析建模与原理,.,北京,:,科学出版社,Bailey T C,Gatrell,A C,.1995.,Interactive Spatial Data Analysis,.New,York:John,Wiley&Sons Inc,Goodchild,M F.1987.A Spatial Analytical Perspective of Geographical Information System.,International Journal of Geographical Information Systems,1(4):327-334,Goodchild,M F.1994.Spatial Analysis Using GIS,NCGIA,Haining,R,.1990.,Spatial Data Analysis in the Social and Environmental Science.,Cambridge University Press,Haining,R.1990.Spatial data,analysis:Theory,and practice,.,Cambridge:Cambridge,University Press,Lloyd R.1997.Spatial Cognition-Geographic Environments,.,Dordecht,:,Kluwer,Academic Publishers,Openshaw,S,Openshaw,C.,1997.,Artificail,Intelligence in Geography,.,Chichester,UK,:John Wiley&Sons Inc,Ripley B D.1981.Spatial Statistics,.New,York:John,Wiley&Sons,Unwin,D.1981.Introductory Spatial Analysis,.London:,Mwthuen,55,