GIS空间分析- 引论

本科生专业核心课《GIS空间分析》第一讲空间分析与GIS课程简介该课程在本专业中的地位1学习本课程要达到的目的2课程的总体规划和设置3教材的章节安排4教学提纲第一节空间分析概述第二节空间分析的历史与发展第三节GIS环境下的空间分析第一节空间分析概述第一节空间分析概述一、空间分析的概念二、空间分析的对象与研究内容三、空间分析的目标四、DIKW模型与地理智慧五、空间分析与相关学科的关系引例—斯诺的霍乱病调查1854年8月到9月英国伦敦霍乱流行时，当局始终找不到发病的原因，后来医生约翰·斯诺（Johnsnow）参与调查他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比例尺地图上，标出了每个霍乱病死者的居住位置，得到了霍乱病死者居住分布图。引例—斯诺的霍乱病调查GIS空间分析简介Spatialanalysis一、空间分析的概念空间分析（SpatialAnalysis，SA）是地理学的精髓，是为解答地理空间问题而进行的数据分析与挖掘。空间分析相关概念：空间数据操作主要是指在GIS中基于空间对象集合特征进行的拓扑分析、叠加分析，距离、面积、路径计算，以及基于空间关系的空间查询等；对于属性数据则主要表现为地图可视化操作空间数据分析一般指空间数据的描述性和探索性分析技术和方法，特别是对于大规模数据集，通过将数据图形化或地图化的探索性分析技术，研究数据潜在的模式、异常等空间统计分析是用统计的方法描述和解释空间数据的性质空间建模主要是指依据某些理论和假设，建立模型描述空间现象的分布模型，预测空间过程及结果一、空间分析的概念空间分析是运用空间思维解决空间问题的方法论，是集空间数据分析和空间特征模型于一体的工具集，围绕研究问题的“空间”本质建立分析模型，通过地理计算和空间表达挖掘空间数据中潜在的空间特征模式，以解决空间问题特征：探测空间数据中的模式研究空间数据模式间的关系，建立相应的空间数据模型理解适于所观察的处理过程预测和控制所发生的地理空间事件基于GIS的空间分析是地理信息系统的核心功能之一，是地理信息系统区别于其他信息系统的主要特征之一。可以从以下3个角度来理解：按空间数据结构1矢量数据分析；栅格数据分析2一维、二维、三维和多维按分析对象的维数3空间查询分析；空间信息提取；空间综合分析；数据挖掘；模型构建；……按分析的复杂性一、空间分析的概念二、空间分析的对象与研究内容空间分析的研究对象是地理空间实体，进一步说，是地理空间实体所具有的空间特征空间分析的研究内容包括：空间分析理论空间分析方法空间分析应用明确目标准备数据分析数据获得结果评价结果修改过程输出结果GIS空间分析过程三、空间分析的目标空间分析的主要目标是揭示地理空间特征，以解决空间问题：认知。有效获取空间数据，并对其进行科学的组织描述，利用数据再现事物本身，如绘制风险图解释。理解和揭示地理空间数据的背景过程，认识时间的本质规律，如住房价格中的地理邻居效应预报。在认识、掌握时间发生现状与规律的前提下，运用有关预测模型对为例的状况作出预测，如传染病的爆发调控。对地理空间发生的事件进行调控，如合理分配资源。四、DIKW模型与地理智慧DIKW模型DIKW金字塔四、DIKW模型与地理智慧地理智慧，也可称空间智慧，可以解决与位置相关的复杂空间问题。地理可视化地理决策地理设计地理控制五、空间分析与相关学科的关系空间分析地球科学地理学城市与区域科学生态学地图学遥感数学计算机科学思想源泉第二节空间分析的历史与发展第二节空间分析的历史与发展一、地图分析二、计量地理学三、地理信息系统四、地理计算五、地理空间数据科学一、地图分析目的：揭示制图对象的时空特征及相互关系规律作用：获得各要素的分布规律利用地图分析揭示各要素的相互联系研究各要素的动态变化利用地图分析进行综合评价二、计量地理学计量地理学（QuantitativeGeography）又称数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。它试图以定量的精确判断来弥补定性文字描述的不足；以抽象的、反映本质的数学模型去刻画具体的、庞杂的各种地理现象；以对过程的模拟和预测来代替对现状的分析和说明；以合理的趋势推导和反馈机制分析来代替简单的因果关系分析。二、计量地理学计量地理学提供了理性的复杂方法以传递有关诸如行为、决策的确定性程度、综合研究精度等有用的信息，与定性研究方法结合共同构筑了地理学研究方法的科学体系。计量地理学是对地理学传统研究方法的发展和变革，反映了地理学向定量化、科学化发展的趋势，使地理学由一门对地表事物进行解释性描述的学科，转变为一门进行确定性解释的科学。二、计量地理学|产生与发展地理学是一门研究地球表层自然要素与人文要素相互作用关系及其时空规律的科学。作为一门古老的空间科学，地理学与数学有着不解之缘。在古代，地理学与数学之源泉科学——几何学，几乎都是研究地表的科学，如运用几何学原理和方法测算河流长度、山体高度、土地面积等。在近代地理学时期，经济学中的区位论被移植到地理学中，开辟了地理学运用分析数学之先河。20世纪20-30年代，地理学研究中统计方法开始萌芽，主要是一般的数理统计，进行地理要素的统计概括和相关关系探讨。二、计量地理学|发展阶段计量地理学发展初期阶段计量地理学发展中期阶段计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技术等结合传统地理学方法计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二、计量地理学三、地理信息系统GISGIS什么是GIS？GeographicInformationSystem三、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。三、地理信息系统GIS由哪几部分组成？GIS计算机软硬件系统用户空间数据应用模型三、地理信息系统结果显示数据分析和处理数据存储和编辑数据采集输入Phase1GIS的功能有哪些？Phase2Phase3Phase4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三、地理信息系统空间数据管理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三、地理信息系统三、地理信息系统辅助决策地图制图环境评价资源调查区域规划国土、灾害监测GISGIS主要应用于哪些领域？四、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学（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。四、地理计算|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（TheCenterofComputationalGeography）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GeoComputation命名这个新的学科，StanOpenshaw因此被称为“地理计算之父”。此后，许多学者纷纷从不同角度对地理计算的定义与内容框架进行设计，并论证其作为一个学科的必要性和合理性。四、地理计算|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。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。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。”四、地理计算|定义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。四、地理计算地理计算试图回归计量革命时代的地理分析和建模，吸收了新的计算机科学成果，如高性能计算，模式识别、分类、预测与模型技术，知识挖掘，可视化等一系列计算方法和工具，建立地理模型并分析复杂的、具有不确定性的地理问题，从而丰富了地理学的研究。GeoComputation不仅仅是计算机在地理信息领域中的应用，关键是可以辅助进行地理研究，从而获得基于数据驱动的地理信息管理和地理信息分析。四、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。地理计算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。四、地理计算|模型与方法GeoComputation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：GIS为之创建数据库；人工智能技术（ArtificialIntelligence，AI）和智能计算技术（ComputationalIntelligence，CI）为之提供计算原理和计算工具；高性能计算服务系统为之提供动力。四、地理计算|模型与方法智能计算技术中的神经网络模型（NeuralNetwork，NN）、模糊逻辑模型（FuzzyLogic）、遗传算法模型（GeneticAlgorithm，GA）、元胞自动机模型（CellularAutomata，CA）以及分形分析（FractalAnalysis）等不断被引入并成为地理计算的核心。高性能计算（High-PerformanceComputing）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。五、地理空间数据科学大数据概念的诞生与发展，导致数据密集型科学与发现这个命题的提出。五、地理空间数据科学五、地理空间数据科学五、地理空间数据科学五、地理空间数据科学五、地理空间数据科学五、地理空间数据科学五、地理空间数据科学五、地理空间数据科学五、地理空间数据科学五、地理空间数据科学第三节GIS环境下的空间分析第三节GIS环境下的空间分析一、GIS的发展特征二、GIS空间分析的主要方式三、空间分析软件工具四、空间分析过程与PPDAC模型一、GIS的发展特征全球化二、GIS空间分析的主要方式考虑到GIS