1、空间分析主讲：秦昆Email:时间和地点：星期一:1-2节(8:00-9:35),1-528;星期四:3-5节(9:50-10:35,10:40-11:25,11:30-12:15),1-528.授课对象：2010级遥感科学与技术(地理信息工程)本科生答疑地点：五号楼406(周二)武汉大学遥感信息工程学院遥感科学与技术本科生教案武汉大学遥感信息工程学院遥感科学与技术本科生教案(2013年年)2参考教材：秦昆等,GIS空间分析理论与方法(第二版),武汉:武汉大学出版社,2010.3主要内容：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4一、学习目的和意义一、学习目的
2、和意义5678一、学习目的和意义一、学习目的和意义2、“空间分析”是GIS领域理论性、技术性和应用性都很强的分支，是提升GIS的理论性的一个十分重要的突破口。1、“空间分析”是GIS的核心。9二、主要讲课内容二、主要讲课内容 （1）空间分析理论）空间分析理论: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，以及其它理论。（2）空间分析方法）空间分析方法: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、空间数据统计分析方法等。（3）空间分析建模）空间分析建模:介绍空间分析的过程建模、应用建模。10三、学习方法三、学习方
3、法理论学习：理论学习：理论联系实际，理论指导实践；算法学习：算法学习：弄懂算法，实际编程实现部分算法；软件操作：软件操作：ArcGIS,GeoDa,SPSS,SAS等；空间建模的学习：空间建模的学习：掌握综合利用空间分析方法构建空间分析模型，解决实际问题的能力；自主学习：自主学习：广泛查阅相关资料，自主学习。11四、空间分析研究的四、空间分析研究的网络资源网络资源 Michael Frank GoodChildhttp:/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）12Luc Anselin http:/geoplan.asu.edu
4、/,School of Geographical Sciences&Urban Planning,Arizona State UniversityGeoDa地理分析与计算研究中心地理分析与计算研究中心 http:/geodacenter.asu.edu13测绘遥感信息工程国家重点实验室将于2013年5月23-25日举行地理计算国际会议（GeoComputation 2013）。国际地理计算会议每两年举行一次，与GIScience国际会议同为国际地理信息科学领域的顶级国际会议。届时将邀请美国Luc Anselin院士，王少文教授，英国Paul Longley教授，微软亚洲研究院副院长赵峰博士（暂
5、定）和中国国防科技大学杨学军院士等做特邀报告，并将邀请李德仁院士，英国Michael Batty院士，美国Michael Goodchild院士等国际知名学者进行专题讨论（panel discussion)。Bob(Robert)Haininghttp:/www.geog.cam.ac.uk/people/haining/,Department of Geography,University of Cambridge,英国剑桥大学地理系英国剑桥大学地理系1415Daniel Griffithhttp:/www.utdallas.edu/dag054000/,School of economic
6、,political and policy sciences,The University of Texas at Dallas16http:/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。17http:/www.cigi.illinois.edu，美国伊利诺伊大学香槟分校的赛博信息基础设施与地理信息实验室王少文博士牵头的开创性科研项目CyberGIS获得美国国家自然科学基金(NSF)的资助。该项目将整合信息化基础设施(CyberInfrastrucre,CI)、空间分析、建模以及地理信息科学等领
7、域的知识，构建一个协作式软件框架，以满足多种不同应用需求。项目资助总经费达440万美元，是NSF近4年来在地理信息科学基础研究上投入最多的项目。王少文博士于2009年在International Journal of Geographical Information Science(IJGIS)发表的论文”A theoretical approach to the use of cyberinfrastructure in geographical analysis”被评为该期刊创刊25年以来最经典的25篇论文之一。该论文提出了地理空间分析中计算强度的理论和基于通用框架的表示方法，用于指导信息
8、化基础设施环境下地理空间分析应用。18哈佛大学地理分析中心：http:/www.gis.harvard.edu/icb/icb.dohttp:/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中心。The mission of CSAT is To accelerate the development of priority spatial data sets to assist in solving environment
9、al,planning and management problems。To foster the research,development,and sharing of spatial data collection,management,and analytical techniques To foster education and training in usage of spatial analysis technologies that will benefit our society.20http:/www.tiem.utk.edu/sada/index.shtml，美国田纳西州
10、州立大学空间分析和决策支持主页。http:/sal.uamont.edu/，美国阿肯色州州立大学的空间分析实验室。21http:/www.udel.edu/FREC/spatlab/，美国特拉华州州立大学的空间分析实验室The Spatial Analysis Lab conducts teaching and research programs integrating geographic information systems,remote sensing and spatial statistics for natural resource management.This Web sit
11、e is intended to support the free dissemination of spatial data and promote better understanding of natural resource management issues in the Mid-Atlantic region.23http:/narsal.ecology.uga.edu/，美国乔治亚州大学的自然资源空间分析实验室。2425http:/www.uvm.edu/envnr/sal/，美国佛蒙特州州立大学的空间分析实验室。http:/：中科院地理所王劲峰研究员的空间分析网站。http:/
12、 Hard On it!The more you learn,the more youll get.Learn studyenjoy it like an expert29“空间分析与应用空间分析与应用”第一次作业第一次作业题目：题目：跟踪访问空间分析的某一个研究组的研究工作，对该研究组的工作进行分析和总结。（研究组的网址请参考本章PPT）(3月月31号号前交给学习委员前交给学习委员(打印稿和电子版打印稿和电子版),学习委员学习委员收齐后交给收齐后交给助教助教)30第一章第一章 绪论绪论311.1 空间分析的概念u空间分析空间分析是基于地理对象的位置和形是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据
13、分析技术，其目的在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于提取和传输空间信息(郭仁忠郭仁忠,1997)。321.1 空间分析的概念空间分析的其它定义：u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)。u空间分析是基于地理对象布局的地理数据分析技术(Hainning,1990)。u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)。331.1 空间分析的概念uGIS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
14、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)。刘湘南，黄方，王平.GIS空间分析.科学出版社，(第二版,2008)中国地质大学(北京)34空间目标的特性：空间目标是空间分析的具体研究对象。u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。u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。u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
15、和属性数据进行分析。35不同空间数据类型的空间分析方法：u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。36空间分析的根本目标：u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。371.2 空间分析的研究内容 u空间分析是GIS的主要功能，
16、是GIS的核心和灵魂。u在GIS的早期发展阶段，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。u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)。38n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：u空间分析的理论研究；u空间分析的方法研究；u空间分析建模与应用研究。3
17、9空间分析的理论研究：n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。u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。u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40空间分析的理论研究：u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。u空间分析的不确定性理论：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、
18、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。41n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：u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；u栅格数据的空间分析方法：栅格数据的聚类聚合分析、信息复合分析、追踪分析、窗口分析等；u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；u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。42空间分析建模与应用：空间分析建模与应用：研究空间分析的建模
19、过程与方法：研究空间分析的应用：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、气候变化领域等。431.3 空间分析的研究进展 u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)。u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。地理学的第一语言？地理学的第三语言？441
20、854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。空间分析（叠置分析）的魅力！45John Snowhttp:/www.ph.ucla.edu/epi/snow.html46计量革命与计量地理学：u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。
21、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。47地理学第一定律：空间相关性uTobler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，距离近的事物空间相关性大”。uCliff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.48集成了多
22、学科的技术和方法：u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。u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。49空间分析关键技术的变化：n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：u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。u由于分析过程受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
23、、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。u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。50u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。u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。u随着计算机网络技术的发展，网格技术、云计算等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
24、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。51计算密集性/数据密集型 空间分析：随着空间数据获取技术的提高，海量的地理空间数据不断产生，这使得空间分析技术应具备高效处理大容量地理空间数据的能力，解决所谓的“数据丰富而知识贫乏”问题。GIS高性能空间分析方法 并行空间分析方法521.4 空间分析与地理信息系统 u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。u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
25、系统。u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。53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。54地理信
26、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。55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。56n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
27、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。57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。581.5 空间分析与应用模
28、型 两种观点：（1）应用模型是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。59n观点（2）：空间分析与空间应用模型应区别开来u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
29、相结合的形式。u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。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。60n观点（2）：空间分析与空间应用模型应区别开来u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u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。61思考题思考题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？62Thanks!Questions?
