空间数据分析模型
空间分析4空间分析的数据模型田永中
二、对土地利用数据按像元中心法进行栅格编码
操作步骤： 在Arctoolbox中，打开overlay的identity工具对话框 Input coverage分别输入point100、point500、point1000 ，identity coverage 输入lad502323矢量文件，其它采用默认值，点击ok. 在Arctoolbox中，打开feature to raster工具对话框 分别将上一步生成的三个点文件按100米、500米、1000米的分辨率进行栅格 转换，转换所采用的字段为ld502323-ID 将三个栅格文件的属性表输出为.dbf文件，并用Excel打开
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ArcGIS中的几种主要数据格式
Shapefile文件
文件的创建 文件的特征
Coverage文件
文件的创建 文件的特征
Geodatabase文件
文件的创建 文件的特征
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空间数据坐标转换
空间坐标：一定的空间参考系统下，能够反映数据在地表的真实空 间位置关系的坐标。
实例—上海市行政区划数据的制作
背景与目的 数据及要求 实习步骤
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三、数据比较（列表）、并编写实习报告
1、同一分辨率下两种编码方法中的各类土地面积差异 2、同一编码方法下不同分辨下各类土地面积的差异 3、图形比较 附土地利用分类系统
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空间数据处理
数据裁切
矢量数据的裁切
> Analysis tools > Extract > Clip
空间坐标的转换—栅格数据
实习目的 掌握空间坐标的调节与转换方法。 实习内容 将一幅扫描生成的北碚地图调整到正确的空间坐标系统之下。 实习步骤
常见的空间数据逻辑模型
空间数据逻辑模型是地理信息系统（GIS）中的核心部分，它描述了空间实体及其之间的关系。
选择适当的逻辑模型对于有效地组织、存储、管理和查询空间数据至关重要。
以下是几种常见的空间数据逻辑模型：矢量模型：点、线和多边形：这是最基本的矢量数据模型，其中点代表位置，线由一系列的点组成，而多边形则是由闭合的线形成。
这种模型非常适合表示离散的空间特征，如建筑物、道路和行政区划。
拓扑关系：在更复杂的矢量模型中，除了几何形状外，还会考虑空间对象之间的拓扑关系，如相邻、相交和包含等。
这种拓扑信息可以增强空间分析的能力。
栅格模型：像元/网格：栅格模型将空间划分为规则的网格或像元，每个像元都有一个与之关联的值，如高程、温度或土壤类型。
这种模型特别适合于表示连续的空间现象，如地形、气候和某些类型的遥感数据。
面向对象模型：对象和类：面向对象模型将现实世界中的实体表示为对象，这些对象具有属性（如颜色、形状）和方法（如计算面积、查找相邻对象）。
相关的对象可以被组织成类，从而形成一个分类体系。
继承和封装：通过使用面向对象编程的概念，如继承和封装，这种模型可以更有效地组织和管理复杂的空间数据。
网络模型：节点和边：网络模型主要用于表示和分析由节点（如交叉口、城市）和边（如道路、输电线路）组成的网络结构。
这种模型在交通规划、公共设施布局和物流分析等领域非常有用。
时空模型：时间维度：时空模型在传统的空间数据模型上增加了一个时间维度，用于表示和分析空间现象随时间的变化。
这对于环境监测、城市规划和历史研究等应用非常重要。
三维模型：立体表达：三维模型使用X、Y和Z三个坐标来定义空间对象的位置和形状，从而能够更真实地表示现实世界中的三维结构，如建筑物、地形和地下设施。
混合模型：综合应用：混合模型结合了上述两种或多种模型的优点，以适应特定的应用需求。
例如，一个系统可能同时使用矢量和栅格数据来表示不同类型的空间信息。
随着技术的进步和应用需求的增加，未来可能会出现更多创新的空间数据逻辑模型。
9空间分析模型
◆ 面的缓冲区
– All areas within 500 meters of a wetlands area.
一、缓冲区分析模型——应用
一、缓冲区分析模型——应用
道路扩建
二、叠置分析模型——起源
1.叠置的起源
+ =
二、叠置分析模型——定义
几何意义：居民点群
的最小外接圆的圆心。
四、网络分析模型——选择最佳区位
传染病医院选址
要求：离人口密集居 民区和公共场所一定 距离。
医院
地理意义：如果在n个
点群中设置一个点位， 那么应该力求使该点最 近点的距离最大。
几何意义：点群的最
大内切圆圆心。
四、网络分析模型——最佳服务范围
资源：学校 容量：1500个学生 限制： 保证所有学生 在10分钟之内到达学校
可查询任意区域内的河流长度
二、叠置分析模型——类型
◆多边形与多边形的叠置
—找到两个多边形要素的共同区域 —新多边形合并了两个数据层面的属性信息
1——商业区 2——工业区 A——稳定 B——不稳定
1 B 1B 1A A
2
城市功能分区图
+
工程地质图
2B
2A
商业区中地质结构稳定的地区
三、土地适宜性模型
爆管分析:管网中某一点出现故障后，分析应关闭的阀门及影响的
管段、用户区域等。
四、网络分析模型——爆管分析
事故段
故发生在管线结点6和10之间，则应关闭阀门1, 2, 4, 5, 8, 9, 13, 14, 15
四、网络分析模型——爆管分析
爆管发生的管段，需关闭的阀门及影响的用户
地理信息系统中的空间数据分析与建模
地理信息系统中的空间数据分析与建模地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是一种利用计算机软硬件系统对地理空间数据进行采集、储存、管理、分析和展示的技术。
在当今信息技术快速发展的背景下，GIS在各个领域都得到了广泛的应用。
其中，空间数据分析与建模是GIS的核心功能之一。
空间数据分析是GIS的基础，它利用地理信息系统的技术和工具，对地理空间数据进行处理和分析，揭示地理对象以及地理对象之间的关系和规律。
空间数据分析可以包括多方面的内容，比如地理特征提取、空间模式分析、路径分析等。
通过对空间数据进行分析，可以帮助我们深入了解地理现象的内在规律，从而为决策提供科学依据。
空间数据建模是GIS中的另一个重要环节，它是将现实世界中的地理对象抽象为计算机可识别的模型，以便进行数据管理、分析和可视化等操作。
在地理信息系统中，空间数据建模可以包括三维建模、地图建模、空间关系建模等。
通过空间数据建模，我们可以将复杂的地理现象转化为简洁的模型，使得地理数据的存储和处理更加高效和准确。
在GIS中，空间数据分析与建模的应用广泛涉及到各个领域。
在城市规划中，利用GIS技术可以对城市的用地分布、道路网络、人口密度等进行分析，优化城市规划方案。
在环境保护方面，GIS可以帮助监测和评估环境污染程度，为环境治理和保护提供可靠的数据支持。
在交通管理中，GIS可以进行交通流量分析、路线规划等，优化交通系统的布局和调控。
随着技术的不断进步，GIS的应用正在朝着更加复杂和智能化的方向发展。
例如，结合人工智能技术，可以对大规模的遥感影像数据进行自动分类和分析，实现高精度的土地利用和覆盖监测。
同时，与物联网技术结合，可以将传感器数据与空间数据进行融合，实现对现实世界的实时感知和分析。
然而，空间数据分析与建模中也存在一些挑战和难点。
首先，地理空间数据的处理和分析需要大量的计算资源和存储空间，尤其是针对海量和高分辨率的遥感影像数据，需要建立高效的算法和平台进行处理。
如何进行空间数据分析和建模
如何进行空间数据分析和建模引言:空间数据分析和建模是一项重要的技术，在许多领域中都具有广泛的应用。
通过对空间数据的分析和建模，可以帮助我们更好地理解和解决各种问题。
本文将简要介绍如何进行空间数据分析和建模的基本方法和步骤。
一、数据准备与预处理:进行空间数据分析和建模之前，首先需要准备好相关的数据。
这些数据可以来自各种渠道，如卫星遥感、地理信息系统（GIS）、测量仪器等。
对于空间数据的准备，主要包括数据收集、数据清洗和数据预处理。
数据收集是获取空间数据的第一步，可以通过传感器的记录、采样、GPS定位等方式进行。
在数据收集过程中，需要注意数据的时空分辨率以及数据的精确性和可靠性。
数据清洗是指对收集到的原始数据进行删除、过滤、修正等操作，去除错误、重复、不完整或无效的数据。
数据清洗的目的是提高数据的质量和准确性，为后续的分析和建模工作做好准备。
数据预处理是对数据进行转换、标准化和规范化等处理，以便更好地适应分析和建模的需求。
数据预处理的步骤包括数据格式转换、数据集成、特征选择和特征变换等。
二、空间数据分析方法:空间数据分析是对空间数据进行处理和统计，以获得有关空间分布和空间关系的信息。
常用的空间数据分析方法包括地理插值、空间聚类、空间关联和空间回归等。
地理插值是一种用于估计和预测未知位置的空间数据的方法。
它利用已知位置的数据点的值，推断未知位置的数据值。
常用的地理插值方法包括反距离加权插值、克里金插值和样条插值等。
空间聚类是将空间数据划分为不同的类别或簇的过程。
它根据空间数据的相似性来确定数据点之间的关系。
常用的空间聚类方法包括层次聚类、K均值聚类和DBSCAN等。
空间关联分析是研究空间数据之间的关系的方法。
它可以用来发现空间数据之间的相关性、相似性和依赖性。
常用的空间关联分析方法包括空间自相关、Hotspot分析和空间回归等。
空间回归是利用空间数据进行回归分析的方法。
它考虑了空间数据之间的空间依赖性和空间异质性。
空间数据分析模型
第7 章空间数据分析模型7.1 空间数据 按照空间数据的维数划分，空间数据有四种基本类型：点数据、线数据、面数据和体数据。
点是零维的。
从理论上讲，点数据可以是以单独地物目标的抽象表达，也可以是地理单元的抽象表达。
这类点数据种类很多，如水深点、高程点、道路交叉点、一座城市、一个区域。
线数据是一维的。
某些地物可能具有一定宽度，例如道路或河流，但其路线和相对长度是主要特征，也可以把它抽象为线。
其他的线数据，有不可见的行政区划界，水陆分界的岸线，或物质运输或思想传播的路线等。
面数据是二维的，指的是某种类型的地理实体或现象的区域范围。
国家、气候类型和植被特征等，均属于面数据之列。
真实的地物通常是三维的，体数据更能表现出地理实体的特征。
一般而言，体数据被想象为从某一基准展开的向上下延伸的数，如相对于海水面的陆地或水域。
在理论上，体数据可以是相当抽象的，如地理上的密度系指单位面积上某种现象的许多单元分布。
在实际工作中常常根据研究的需要，将同一数据置于不同类别中。
例如，北京市可以看作一个点（区别于天津），或者看作一个面（特殊行政区，区别于相邻地区），或者看作包括了人口的“体”。
7.2 空间数据分析 空间数据分析涉及到空间数据的各个方面，与此有关的内容至少包括四个领域。
1）空间数据处理。
空间数据处理的概念常出现在地理信息系统中，通常指的是空间分析。
就涉及的内容而言，空间数据处理更多的偏重于空间位置及其关系的分析和管理。
2）空间数据分析。
空间数据分析是描述性和探索性的，通过对大量的复杂数据的处理来实现。
在各种空间分析中，空间数据分析是重要的组成部分。
空间数据分析更多的偏重于具有空间信息的属性数据的分析。
3）空间统计分析。
使用统计方法解释空间数据，分析数据在统计上是否是“典型”的，或“期望”的。
与统计学类似，空间统计分析与空间数据分析的内容往往是交叉的。
4）空间模型。
空间模型涉及到模型构建和空间预测。
空间数据模型
对三角网，表达各三角形的顶点位置和属性、顶点与三 角形的连接关系、三角形的连接关系，就可得到TIN的 逻辑数据模型。
3.4.5 面向对象数据模型
面向对象数据模型应用面向对象方法描述空间实体及其 相互关系，特别适合于采用对象模型抽象和建模的空间 实体的表达。 面向对象技术的核心是对象（object）和类（class）。
对象是指地理空间的实体或现象，是系统的基本单位。 如多边形地图上的一个结点或一条弧段是对象，一条河流 或一个宗地也是一个对象。 一个对象是由描述该对象状态的一组数据和表达它的行为 的一组操作（方法）组成的。 例如，河流的坐标数据描述了它的位置和形状，而河流的 变迁则表达了它的行为。每个对象都有一个惟一的标识号 （Object－ID）作为识别标志。
主要优点在于
二、不规则镶嵌数据模型
不规则镶嵌数据结构是指用来进行镶嵌的小面块具 有不规则的形状或边界。 最典型的不规则镶嵌数据模型有Voronoi图（也称作 Thiessen多边形）和不规则三角网（Triangular Irregular Network，简称TIN）模型。 当用有限离散的观测 样点来表示某地理现 象的空间分布规律时， 适合于采用不规则镶 嵌数据模型。
逻辑数据模型 Logical Data Model
中间层 数据结构对数据进行组织
物理数据模型 Physical Data Model
最底层
空间数据库
物理数据模型是概念 数据模型在计算机内 部具体的存储形式和 操作机制，即在物理 磁盘上如何存放和存
数据模型与数据结构
信息系统中：
数据模型：对客观实体及其关系的认识和数学描述。 目的是揭示客观实体的本质特征，并对它进行抽象化表达，使 之转化为计算机能够接受、处理的数据。 空间数据模型：对地理空间实体及其关系的描述。 即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数 据逻辑结构形式。 对空间数据而言，则是地理实体的空间排列方式和相互关系的 抽象描述。
第五章地理信息系统-空间数据模型分析
4.基于要素的空间分析 4.1空间关系的基本概念
(5）线——面关系 线面相邻：线是面的部分或全部边界； 线面相交：一条线部分或全部穿过一个面 线面相离：线与面相互隔离 线面包含：一条线完全落入一个面里 线面不存在重合关系 6）面—面关系 面面相邻：两个面至少有段共同的边界； 面面相交：一个面与另一个面部分相交 面面相离：两个面完全不相交 面面包含：一面完全被另外一个面包含 面面重合：两个面的边界完全相同
4.基于要素的空间分析 4.1空间关系的基本概念
4.基于要素的空间分析 4.1空间关系的基本概念
(1)点——点关系 相合：两个点坐标重合 分离：两个点不在同一个位置； 点与点不存在邻接、相交和包含关系 (2)点——线关系 点线相邻：一个点恰好落线的端点； 点线相交：点在线上 点线相离：点为在线上 点线包含：等同于点线相交 点线不存在重合
在边数从3到N的规则覆盖（Regular Tesselations）中， 方格、三角形和六角形是空间数据处理中最常用的。三 角形是最基本的不可再分的单元，根据角度和边长的不 同，可以取不同的形状，方格、三角形和六角形可完整 地铺满一个平面 。
1. 场模型 1.2栅格数据模型
三角形
四边形
基于栅格的空间 模型把空间看作 像元（Pixel） 的划分 （Tessellatio n），每个像元 都与分类或者标 识所包含的现象 的一个记录有关。
2. 要素模型 2.1欧氏空间和欧氏空间中的三类地物要素
(一)点对象
点是有特定的位置，维数为零的物体 。
(二)线对象
线对象是GIS中非常常用的维度为1的空间组分，表示对象和它们边界 的空间属性，由一系列坐标表示，并有实体长度和方向性特征。
(三)面对象
面状实体也称为多边形，是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。 通常在数据库中由一封闭曲线加内点来表示，并有面积范围、周长等 特征。
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第7 章空间数据分析模型
7.1 空间数据
按照空间数据的维数划分，空间数据有四种基本类型：点数据、线数据、面数据和体数据。
点是零维的。
从理论上讲，点数据可以是以单独地物目标的抽象表达，也可以是地理单元的抽象表达。
这类点数据种类很多，如水深点、高程点、道路交叉点、一座城市、一个区域。
线数据是一维的。
某些地物可能具有一定宽度，例如道路或河流，但其路线和相对长度是主要特征，也可以把它抽象为线。
其他的线数据，有不可见的行政区划界，水陆分界的岸线，或物质运输或思想传播的路线等。
面数据是二维的，指的是某种类型的地理实体或现象的区域范围。
国家、气候类型和植被特征等，均属于面数据之列。
真实的地物通常是三维的，体数据更能表现出地理实体的特征。
一般而言，体数据被想象为从某一基准展开的向上下延伸的数，如相对于海水面的陆地或水域。
在理论上，体数据可以是相当抽象的，如地理上的密度系指单位面积上某种现象的许多单元分布。
在实际工作中常常根据研究的需要，将同一数据置于不同类别中。
例如，北京市可以看作一个点（区别于天津），或者看作一个面（特殊行政区，区别于相邻地区），或者看作包括了人口的“体”。
7.2 空间数据分析
空间数据分析涉及到空间数据的各个方面，与此有关的内容至少包括四个领域。
1）空间数据处理。
空间数据处理的概念常出现在地理信息系统中，通常指的是空间分析。
就涉及的内容而言，空间数据处理更多的偏重于空间位置及其关系的分析和管理。
2）空间数据分析。
空间数据分析是描述性和探索性的，通过对大量的复杂数据的处理来实现。
在各种空间分析中，空间数据分析是重要的组成部分。
空间数据分析更多的偏重于具有空间信息的属性数据的分析。
3）空间统计分析。
使用统计方法解释空间数据，分析数据在统计上是否是“典型”的，或“期望”的。
与统计学类似，空间统计分析与空间数据分析的内容往往是交叉的。
4）空间模型。
空间模型涉及到模型构建和空间预测。
在人文地理中，模型用来预测不同地方的人流和物流，以便进行区位的优化。
在自然地理学中，模型可能是模拟自然过程的空间分异与随时间的变化过程。
空间数据分析和空间统计分析是建立空间模型的基础。
7.3 空间数据分析的一些基本问题
空间数据不仅有其空间的定位特性，而且具有空间关系的连接属性。
这些属性主要表现为空间自相关特点和与之相伴随的可变区域单位问题、尺度和边界效应。
传统的统计学方法在对数据进行处理时有一些基本的假设，大多都要求“样本是随机的”，但空间数据可能不一定能满足有关假设，因此，空间数据的分析就有其特殊性（David,2003）。
7.3.1 空间自相关
空间自相关是空间位置上越靠近，事物或现象就越相似，即事物或现象具有对空间位置的依赖关系。
如气温、湿度等的空间分布均体现了与海陆距离、海拔高程等的相关性。
如果没有空间自相关，地理事物或地理现象的分布将是随意的，地理学中的空间分异规律就不能体现出来。
空间自相关性使得传统的统计学方法不能直接用于分析地理现象的空间特征。
因为传统的统计学方法的基本假设就是独立性和随机性。
为了分析具有空间自相关性的地理现象，需要对传统的统计学方法进行改进与发展，空间统计学就应运而生了。
如果我们想确定某个位置测定的属性值是否合适，自相关分析将帮助我们记述已知的观测位置在多大程度上是有用的。
自相关有三种：正自相关，负自相关和无相关（零自相关）。
正自相关是最常见的，指的是附近的观察值很可能是彼此相似的；负自相关较少见，指的是附近的观察值很可能是彼此不同的；零自相关指的是无法辨别空间效应，观察值在空间上似乎是随机变化的。
区分这三种自相关是统计方法正确应用的前提。
7.3.2 可变区域单位问题
空间数据处理中存在的一个重要问题是空间范围对空间分析的影响。
大区域的数据可能来自小区域详细数据的统计汇总。
以国家级人口普查数据的统计汇总为例，人口调查以户为单位进行，而产生的人口调查报告中的数据则是不同区域层次人口数据汇总统计的结果。
汇总单位与所研究的现象没有任何关系，但是汇总单位影响着由基层单位产生的统计结果。
统计汇总的区域层次不同，统计结果间的关系也就不同，这就产生了可变区域单位问题（modifiable areal unit problem，MAUP）。
如果在特定的研究中指定了不同的空间单位，观察到的格局和关系可能有很大的差异。
这个问题可以参考图7.1。
图中使用了横向和纵向两种不同的汇总方法，形成了两种不同的回归分析结果，由此说明汇总单位对回归方程和确定系数的影响是很明显，回归关系通过汇总得到了加强。
事实上，利用同样的数据通过不同的汇总方式可以使得相关系数在-1和1之间任意变化。
由汇总单位产生的影响有两个。
第一个影响与分析的空间范围和汇总效应有关。
汇总之后的平均值更接近于回归线，使得散点图的结果更接近于线性，导致相关系数增加。
一般通过汇总往往产生更好的拟合结果。
第二个影响是不同汇总方法得到的结果实质上是不同的。
图7.1可变区域单位问题
7.3.3 生态学谬误
可变区域单位问题与更一般的统计问题——生态学谬误相联系。
当特定汇总层次的观察值之间的统计关系假定可以接受，然后在更细的层次接受同样关系的时候，就产生了这个问题。
例如，在国家这个层次上，我们可能看到收入和犯罪之间有强烈的关系，即低收入往往伴随着高犯罪。
但是，如果我们据此认为低收入的人更可能干坏事，那就犯了生态学谬误的错误。
事实上，对于这样的数据，有效的精确的说法是：低收入国家倾向于经历较高的犯罪。
是什么导致了这些观察到的现象，可能有很大的差异：有可能是低收入地区治安很差，夜贼很多；或者是这些地区的人经常酗酒；或者根本就与收入没有关系。
重要的是，高层次汇总数据中出现的关系应该在底层汇总
数据中重现并得到解释。
这个问题很普遍。
如果你关注新闻，在每天的日常生活或媒体中都可以发现生态学谬误。
犯罪率和死刑，枪支控制与关押率，车祸与车速限制等。
不幸的是，生态学谬误在学术界也不少见。
这个问题经常发生，其根本的原因可能是为了简化解释。
事实上，特别在人文地理中，事情很少这么简单。
生态学谬误和可变区域单位问题都要注意的是：统计关系会随着汇总层次而发生变化。
7.3.4 空间尺度
进行空间分析时，必须考虑空间尺度问题。
不同对象的表现需要的不同尺度，例如，在大陆尺度，城市用点来表示。
在区域尺度，城市用面来表示。
在局部尺度，城市成为复杂的点、线、面和网络的集合体。
研究对象的空间尺度影响空间分析。
因此，应当选定正确的或合适的空间尺度。
7.3.5 空间非均一性和边界效应
区分空间分析与传统统计分析的重要标志是空间的不均一性。
例如，搜集到城区犯罪位置的数据，并用点在地图上标绘出来，就能可视化地表示犯罪的空间分布规律。
在居住区和工作密集的地方，犯罪会有明显的聚集性，在公园或道路的交叉口，可能会出现空缺。
这些聚集或空缺只是城市内部不均一性的一个结果。
类似的问题是考虑疾病发生率的时候，必须考虑从事高风险工作的人所在的位置。
目前，处理这些问题的方法还很少。
边界效应是不均一问题的一个特殊类型。
边界效应问题是指在研究区的中心位置，各个方向上的观察值相接近；在研究区的边界，只有研究区内的观察值才是相接近的。
因此，确定适当的边界才可能反映数据的真实性。
7.4 空间数据的关系
空间数据中蕴涵了丰富的信息，本章仅考虑空间数据的位置属性所能提供的信息。
重要的空间概念是：距离（distance）、邻接（adjacency）和交互（interaction），与此密切相关的术语是近邻（neighborhood）。
在空间数据分析中，我们不仅对属性数据的均值、方差等进行分析，也对空间上相联系的实体的分布进行分析。
空间分布指的是空间实体之间的关系，可以通过距离、邻接和交互分析，获得对空间关系的认识。
7.4.1 距离
在空间数据中，距离是空间实体间的直线距离或球面距离。
空间数据中的距离不同于数学上的距离（数学上的距离值两个变量/样本之间的距离，参阅模糊数学一章）。
在小的地区（小尺度的研究），可以忽略地球曲率的影响，通常使用欧氏距离。
对于空间上的两个点i，j，其坐标分别为(x i，y i)，(x j，y j)，那么两点之间的直线距离为：。