1地理空间数据分析与GIS.

第一章地理空间数据分析与GIS2020/1/141GIS中存贮了海量数据，迫切需要高效、精确、科学地分析，找出数据所蕴涵的意义，进而了解事物的性质与规律，为科学决策提供必需的信息。(对数据“点石成金”)因此，GIS领域由原来重点关注数据库创建和系统开发建设，逐渐转向重点关注空间分析和空间建模。2020/1/142GIS的奠基人之一M.F.Goodchild曾指出：“地理信息系统真正的功能在于它利用空间分析技术，对空间数据的分析”。空间分析使GIS超越一般空间数据库、信息系统和地图制图系统，能挖掘出对科学决策具有指导意义的信息，从而解决复杂的地学应用问题，进行地学综合研究的技术系统。2020/1/143目前多数GIS的应用还局限于数据库型GIS层面上，没有充分利用和开发GIS的空间分析功能。因此，建立完善的空间数据分析理论和方法体系，集成先进的空间数据分析工具，增强GIS的空间分析能力，使数据库型GIS上升为分析型GIS，是GIS技术与应用的发展目标和趋势。2020/1/1441.1地理空间数据处理与建模1.2地理空间数据挖掘1.3GIS环境下的空间分析第1章地理空间数据分析与GIS2020/1/145第一节：简要回顾20世纪50年代以来地理空间数据处理与建模领域重要的技术方法--数量地理学、地理信息系统和地理计算；第二节：论述数据分析领域中迅速发展的新技术——数据挖掘；第三节：讨论GIS环境下空间分析的基本框架。2020/1/1461.1地理空间数据处理与建模地理空间数据分析：是地理学和地理信息科学领域的重要研究内容。通过研究地理空间数据及其相应分析理论、方法和技术，探索、证明地理要素之间的关系，揭示地理特征和过程的内在规律和机理，实现对地理空间信息的认知、解释、预测和调控。2020/1/1471.1地理空间数据处理与建模地理空间数据分析的发展：从对地理现象及其空间关系的文字记载，到利用数学概念和方法进行解释性描述；从传统统计学方法和数学模型对地理现象和过程的模拟，到基于地理信息系统的多维地理空间数据表达、管理、地理过程的动态模拟、可视化分析和决策支持；从空间数据挖掘技术到高性能计算技术支撑下的地理计算方法。数量地理学地理信息系统地理计算2020/1/1481.1地理空间数据处理与建模•1.1.1数量地理学•1.1.2地理信息系统•1.1.3地理计算2020/1/1491.1.1数量地理学数量地理学（QuantitativeGeography）又称计量地理学或地理数量方法，是应用数学思想方法和计算机技术进行地理学研究的科学。数量地理学是地理学领域中最先（上世纪50年代）采用数学原理方法来探讨地理数据分析处理与建模的学科2020/1/14101.1.1数量地理学•数量地理学的产生与发展•数量地理学与传统地理学的比较•数量地理学中地理数据分析模拟方法2020/1/1411数量地理学的发展阶段数量地理学发展初期阶段数量地理学发展中期阶段数量地理学日趋成熟阶段20世纪50年代末至60年代末20世纪60年代末至70年代20世纪70年代末至今把统计学方法引入地理学研究在地理学研究中应用多元统计方法和计算机技术地理学与运筹学、模糊数学、系统科学、GIS技术等结合2020/1/1412数量地理学与传统地理学的比较数学方法是人们进行数字运算和求解的工具，能以严密的逻辑和简洁的形式描述复杂的问题，表达极为丰富的实质性思想。对于现代地理学而言，数学方法不仅是应用地理学研究中进行预测、决策、规划及优化设计的工具，也是理论地理学研究中进行逻辑推理和理论演绎的手段。2020/1/1413数量地理学与传统地理学研究方法比较传统地理学方法数量地理学方法实地考察收集资料根据已有的概念体系条理化比较归纳、概括地理解释建立理论与法则观察实践先期模式资料筛选建立理论与法则反复检验成功建立模型提出假设失败传统地理学分析方法所采用的推理方式以经验归纳型综合为主，以观察材料和事实为基础，由直接的类推得出现实世界的结论，这一方法难以回避特殊情况或解释者的主观好恶问题。数量地理学以理论演绎为主，整个研究过程经历了提出假设、建立模式、检验假设和建立理论四个步骤，符合感性－理性－实践这一认识的过程规律。2020/1/1414地理系统分析123随机数学方法地理系统数学模拟数量地理学中地理数据分析模拟方法2020/1/1415地理系统分析：指扬弃地理事物繁琐的枝节，抽象出地理事物在结构与功能上的主线，揭示地理事物动态演变的方向与强度，预测其状态变化和稳定性程度，将复杂、高级的地理系统简化为次一级简单的系统，进而探讨地理要素之间的数量关系。步骤：（1）列出所研究等级系统的要素清单；（2）根据地理系统的实际绘出各要素的联系框图；（3）再以定量方法研究系统要素之间的关系。地理系统分析2020/1/1416随机数学方法地理系统输入与输出之间一般具有随机性，数量地理学研究方法中随机数学占很大比重。（1）地理系统是多级、多元系统，在进行系统分析时，分析一组或几组地理要素之间的关系经常应用多元统计分析方法（多元线性回归、逐步回归、主成分分析、因子分析等）；（2）地理系统是具有空间范围和地域界线的系统，确定界线、进行地理区域的划分等（二级判别分析、多级判别、逐步判别等数学分类技术）；（3）在探讨地理系统结构、类型组合、空间关系时，常运用系统聚类分析方法；（4）分析地理系统的空间特性时，常用趋势面分析方法；（5）地理系统研究中十分重视系统目标、系统结构的研究，以使地理系统达到符合一定目标的最佳状态，常用运筹学方法；（6）模拟地理系统状态的转移规律时还包括马尔柯夫链、多元线性方程组、微分方程的应用等。2020/1/1417地理系统的数学模拟（简称地理模型）：建立地理系统数学模型的过程。地理系统数学模拟的一般过程：（1）从实际的地理系统或其要素出发，对空间状态、空间成分、空间相互作用进行分析，建立地理系统或要素的数学模型。（2）经验检查，若与实际情况不符，则要重新分析，修改模型；若大致相符，则选择计算方法，进行程序设计、程序调试和上机运算，从而输出模型解。（3）分析模型解，若模型解出错，则修改模型；若模型解正确，则对成果进行地理解释，提出切实可行的方案。可见，地理系统数学模拟过程是反复修改数学模型、调试和修改程序的过程。地理系统数学模拟2020/1/14181.1.2地理信息系统英国著名地理学家R.J.Johnston在1995年曾指出“计量革命的直接成果是导致了GIS革命的到来”。GIS起源于20世纪60年代，是对地理空间数据进行采集、存储、表达、更新、检索、管理、综合分析与输出的计算机应用技术系统。GIS是以应用为导向的空间信息技术，强调空间实体及其关系，注重空间分析与模拟，是重要的地理空间数据管理和分析工具。2020/1/1419GIS是客观现实世界抽象化的数字模型GIS是地理空间数据管理、显示与制图的集成工具GIS是地理空间数据分析模拟与可视化的技术平台2020/1/1420客观现实世界极其复杂，运用各种数据采集手段和量测工具，如野外调查、遥感技术等，获取有关客观世界的数据，把各种来源和类型的地理空间数据数字化，输入计算机，按一定的规则组织管理，构建客观现实世界的抽象化数字模型，即GIS。2020/1/1421空间数据管理GIS空间数据获取空间数据输入基于数学法则客观世界数据数据库客观世界的抽象化过程2020/1/14221.1.3地理计算随着计算机技术、数学方法的不断进步，空间数据分析处理方法论也随之革新，20世纪90年代，一门融合了计算机科学、地理学、地球信息科学（Geomatics）、信息科学、数学和统计学理论与方法的地理计算（GeoComputation）开始形成并逐渐发展起来，数量地理学进入全新的计算地理学（GeocomputationalGeography）时代，地理空间数据分析与建模有了一个新的技术平台。2020/1/14231.1.3地理计算1.地理计算的概念与内涵2.地理计算模型与方法2020/1/14241.地理计算的概念与内涵20世纪90年代中期，英国著名地理学家，里兹大学计算地理研究中心StanOpenshaw教授认为空间数据挖掘已成为数量地理学中一个重要分支，并以地理计算命名这个新的学科。StanOpenshaw因此被称为“地理计算之父”。2020/1/1425地理计算的各种定义Openshaw在2000年进一步深化对于地理计算的理解，认为：地理计算是一种高性能计算，用以解决目前不能解决的、甚至未知的空间问题的科学。具有三方面特点：（1）是强调地理主题；（2）对现存问题承认有新的或更好的解决办法，且可以解决以前不能解决的问题；（3）地理计算需要独特的思考方式，由于基于海量计算代替残缺的知识或理论的过程，故能够增强机器的智能。英国里兹大学著名地理学家Rees等提议将地理计算定义为：应用计算技术求解地理问题的理论、方法和过程。2020/1/1426Gahegan在1999年发表的论文中细致地谈到“…地理计算关注利用一系列方法的工具箱丰富地理模拟和分析大量高度复杂的、非确定性的问题…这是人类有意识的努力去探索地理学与计算机科学之间的关联。这是一个真正的对于数量地理学家的技术，也是计算机科学家进行计算性应用的丰富源泉。”Conclelis（1998）采用相对简洁的定义：地理计算是应用数学计算方法与技术来描述空间特征、解释地理现象、解决地理问题。Openshaw和Abrahart（2000）认为：地理计算是一门新兴的交叉学科，它是在科学方法的整体范围内利用各种不同类型的地理数据发展相关的地理工具和模型。2003年8月，我国亚运村地理学术沙龙谈到“虚拟地理实验室”建设，认为地理计算既不是数量地理学，也不是GIS，而是智能计算在地理学中的精确应用，是强大的高性能计算，其理论驱动是科学。2020/1/1427地理计算定义（广义、狭义）广义：地理计算是以计算机方法为基本科学工具的处理地理信息和分析地理现象的地理学分支，它包括地理信息处理与管理、地理数据挖掘、地理过程建模模拟以及支持这些处理与分析的软件工程和计算体系研究，如地理信息系统、地理决策支持系统和空间网格体系。它是地理信息科学的另一种说法，外延包括数量地理学、遥感、地理信息系统、建模模拟和计算体系。狭义：地理计算是地理信息科学的核心内容之一，主要研究地理信息科学的方法学问题，包括算法、建模和计算体系。我们主张一般情况下采用狭义定义。地理计算的内容除了建模、算法之外，还有一般方法学问题。2020/1/14282.地理计算模型与方法地理计算的目标：是将地理学领域的知识引入计算机工具，设计合适的地理数据挖掘和知识发现操作，研发时空尺度上的集群算法，获得超越目前软件、硬件能力的地理数据分析方法，用可视化和虚拟现实的手段实现地理问题的理解与交流。计算地理学是数量地理学向深层次的拓展，强调数学模型与模拟实验并重的理念，凭借计算机工具对地理学问题进行定量或非定量分析的抽象概括和综合研究，解决海量、复杂数据集或数据库分析的复杂空间问题。2020/1/1429地理计算学包含丰富的模型和方法体系，不仅采纳了传统的数量地理学理论与模型还涉及一系列新的理论技术方法：（1）GIS：创建数据库；（2）人工智能技术（AI）和智能计算技术（CI）：提供计算原理和计算工具；智能计算技术：神经网络模型（NN）、模糊逻辑模型、遗传算法模型（GA）、元胞自动机模型（CA）以及分形分析等（3）高性能计算服务系统：提供动力。高性能计算：是利用超级计算机对大容量资料、需要进行实时分析与控制的系统以及那些复杂而又不能用其他手段来处理的现实世界所实施的计算。2020/1/14301.1地理空间数据处理与建模1.2地理空间数据挖掘1.3GIS环境下的空间分析第1章地理空间数据分析与GIS2020/1/14311.2地理空间数据挖掘产生背景：（1）人类正被数据淹没（数据丰富）◆空间科学技术的发展，获得了大量对地观测数据。◆数据库技术的成熟与应用普及，