地理信息系统应用：第四讲 GIS应用方法-空间分析
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第四讲 GIS应用方法-空间分析
一、GIS空间分析
空间分析的概念，从不同的角度理解有不同的定义方式。 1）从侧重于空间实体的图形与属性交互查询角度看，空间分析是 以地理目标的空间关系为分析对象，从中获取派生的信息和新的 知识。包括以下内容：拓扑空间查询、缓冲区分析、叠置分析、 空间集合分析和地学分析。 2）从侧重于空间信息的提取及其传输角度看，空间分析是以地理 目标的位置和形态特征为分析对象，目的在于提取和传输空间信 息的空间数据分析技术。空间信息包括位置、分布、统计、关系、 关联、趋势和运动，对应的空间分析内容包括空间位置分析、分 布分析、形态分析、关系分析和相关分析等。
3）从侧重发展方向（决策支持）的角度看，空间分析对象 是以与决策支持有关的地理目标的空间信息及其形成机理， 主要强调相关数学建模及模型的管理与应用。空间分析可 理解为在对地理目标进行形态结构定义与分类的基础上， 对目标的空间关系和空间行为进行描述，为目标的空间查 询和空间相关分析提供参考，进一步为空间决策提供服务 的功能体系。该体系主要包括：空间数据挖掘、空间回归 分析、空间统计-机理模型、空间运筹模型等。
绝大多数GIS软件 平台都具备一定的 空间分析功能，空 间分析已成为地理 信息系统的核心功 能之一。 由表1可见ArcGIS 软件具有最为全面 的空间分析功能。
空间分析的数据特征
空间分析本质上是基于地理对象的位置和形态特征 的数据分析技术，必然受到空间数据表示形式的制 约和影响。
通常分为栅格模型和矢量模型，此外还有矢量栅格 一体化、三维数据模型、时空数据模型等。
GIS应用从早期的空间数据结构和计算机制图，逐步发展空间分 析功能。从基本的分析(“Where”,”What”,”How to”)，发展到高级的 分析（所处位置与周围环境关系及其动态模拟，如设施区位选址、 自然灾害预测等）。
空间分析正成为GIS应用关注的焦点，起到越来越重要的作用， 应用日益广泛。如环境污染监测模拟、城市规划与管理、洪水灾 害分析、智能交通指挥系统等。
7）系统仿真研究：针对复杂的地学问题，在对各系统要素之间的 相互关系与反馈机制分析的基础上，构造系统结构，建立描述系 统的数学模型，并以适当的计算方法与算法语言将数学模型转化 为计算机可以识别与运行的工作模型，通过模型的运行，对真实 系统进行模拟与仿真，从而达到揭示系统的运行机制与规律的目 的。
8）过程模拟与预算研究：通过对地理过程的模拟与拟合，定量 地揭示地理事物/现象随时间变化的规律，从而对其未来发展趋 势作出预测。如气候过程、水文过程、生物过程、地貌侵蚀过 程、生态－环境过程、经济过程等，常用回归分析法、马尔可 夫法、灰色建模法、系统动力学等；
9）空间扩散研究：定量地揭示各种地理现象在地理空间上的扩 散规律；
10）空间行为研究：主要是对人类活动的空间行为决策进行定量 的研究。譬如，资源利用与环境保护问题，产业布局的区位问 题，城乡区域规划问题等都属于空间行为研究的范畴，常用线 性规划、多目标规划、模型决策方法等；
11）地理系统优化调控研究：主要是运用系统控制论的有关原理 与方法，研究人－地相互作用的地理系统的优化调控问题，寻 求人口、资源、环境与社会经济协调发展的方法、途径与措施。
3）类型研究：主要是对地理事物的类型和各种地理区域进行定 量划分。譬如，运用模式识别方法、判别分析方法、聚类分析方 法等定量地研究土地类型、地带及自然区和经济区的划分问题；
4）网络分来自百度文库：主要针对具有线状分布特征的空间结构（如水系、 交通网络、行政区域等）进行定量分析，研究地理网络的可达性、 连通性、最优路径等；
当前最成熟、最实用的还是栅格模型和矢量模型两 种。
栅格数据特征 ◦ 基本单元——？ ◦ 空间位置表示——？ ◦ 分辨率——？ ◦ 属性——？ ◦ 存储（编码）方法——？ ◦ 应用优劣——？
矢量数据特征 ◦ 基本单元—— ◦ 空间位置表达—— ◦ 精确度分析—— ◦ 属性（编码）—— ◦ 存储—— ◦ 应用优劣——
5）趋势面分析：运用适当的数学方法计算出一个空间曲面，并以 此空间曲面去拟合地理要素分布的空间形态，展示其空间分布规 律，常用回归分析方法等；
6）空间相互作用分析：主要是定量分析各种“地理流”在不同区 域之间“流动”的方向和强度。譬如，运用线性规划方法研究区 域内的人口流动问题、产业布局及其优化问题等；
2.基于GIS的空间分析
传统的空间 分析方法
计算机新技术
数理统计分析 其他数学 物理方法
GIS软件平台
GIS空间分析
但不是所有GIS平台都具有 空间分析功能或扩展接口， GIS平台也不是具有所有的空间分析功能。
GIS为空间分析提供了良好支撑平台；空间分析也因为 有了GIS而真正得以实用。
GIS集成了多学科的最新技术，如关系数据库、高效图形算法、 插值、网络分析、矩阵与向量以及区划等，为GIS空间分析提供了 坚实的理论和强大的工具。
五、三维空间分析
• 等高线法 • DEM法 • 三角网法
数字地形模型分析
空间分析应用范围
1）分布型分析：主要针对地理要素的分布特征及规律进行定量 分析。譬如运用平均值、方差、标准差、变异系数、峰度、偏度 等统计量描述地理要素的分布特征，运用概率函数研究地理要素 的分布规律，等；
2）相互关系分析：主要针对地理要素、地理事物之间的相关关 系进行定量分析。譬如，运用统计相关分析方法定量地揭示地理 要素之间的相关程度，运用灰色关联分析方法揭示地理事物之间 相互联系的密切程度，运用回归分析给出地理要素之间相关关系 的定量表达式，等；
二、栅格数据分析模式
1）聚类、聚合分析 常见遥感数字图像信息提取地类
2）复合分析 3）追踪分析 4）窗口分析 5）统计与量算
三、矢量数据分析方法
1）矢量数据量算 2）包含分析 3）缓冲区分析 4）多边形叠置分析 5）网络分析 6）泰森多边形分析
核心是拓扑关系。
四、空间统计分析与插值
相关性分析 回归分析 时间序列分析 聚类分析 主成份分析 趋势面分析 克立格插值估计
一、GIS空间分析
空间分析的概念，从不同的角度理解有不同的定义方式。 1）从侧重于空间实体的图形与属性交互查询角度看，空间分析是 以地理目标的空间关系为分析对象，从中获取派生的信息和新的 知识。包括以下内容：拓扑空间查询、缓冲区分析、叠置分析、 空间集合分析和地学分析。 2）从侧重于空间信息的提取及其传输角度看，空间分析是以地理 目标的位置和形态特征为分析对象，目的在于提取和传输空间信 息的空间数据分析技术。空间信息包括位置、分布、统计、关系、 关联、趋势和运动，对应的空间分析内容包括空间位置分析、分 布分析、形态分析、关系分析和相关分析等。
3）从侧重发展方向（决策支持）的角度看，空间分析对象 是以与决策支持有关的地理目标的空间信息及其形成机理， 主要强调相关数学建模及模型的管理与应用。空间分析可 理解为在对地理目标进行形态结构定义与分类的基础上， 对目标的空间关系和空间行为进行描述，为目标的空间查 询和空间相关分析提供参考，进一步为空间决策提供服务 的功能体系。该体系主要包括：空间数据挖掘、空间回归 分析、空间统计-机理模型、空间运筹模型等。
绝大多数GIS软件 平台都具备一定的 空间分析功能，空 间分析已成为地理 信息系统的核心功 能之一。 由表1可见ArcGIS 软件具有最为全面 的空间分析功能。
空间分析的数据特征
空间分析本质上是基于地理对象的位置和形态特征 的数据分析技术，必然受到空间数据表示形式的制 约和影响。
通常分为栅格模型和矢量模型，此外还有矢量栅格 一体化、三维数据模型、时空数据模型等。
GIS应用从早期的空间数据结构和计算机制图，逐步发展空间分 析功能。从基本的分析(“Where”,”What”,”How to”)，发展到高级的 分析（所处位置与周围环境关系及其动态模拟，如设施区位选址、 自然灾害预测等）。
空间分析正成为GIS应用关注的焦点，起到越来越重要的作用， 应用日益广泛。如环境污染监测模拟、城市规划与管理、洪水灾 害分析、智能交通指挥系统等。
7）系统仿真研究：针对复杂的地学问题，在对各系统要素之间的 相互关系与反馈机制分析的基础上，构造系统结构，建立描述系 统的数学模型，并以适当的计算方法与算法语言将数学模型转化 为计算机可以识别与运行的工作模型，通过模型的运行，对真实 系统进行模拟与仿真，从而达到揭示系统的运行机制与规律的目 的。
8）过程模拟与预算研究：通过对地理过程的模拟与拟合，定量 地揭示地理事物/现象随时间变化的规律，从而对其未来发展趋 势作出预测。如气候过程、水文过程、生物过程、地貌侵蚀过 程、生态－环境过程、经济过程等，常用回归分析法、马尔可 夫法、灰色建模法、系统动力学等；
9）空间扩散研究：定量地揭示各种地理现象在地理空间上的扩 散规律；
10）空间行为研究：主要是对人类活动的空间行为决策进行定量 的研究。譬如，资源利用与环境保护问题，产业布局的区位问 题，城乡区域规划问题等都属于空间行为研究的范畴，常用线 性规划、多目标规划、模型决策方法等；
11）地理系统优化调控研究：主要是运用系统控制论的有关原理 与方法，研究人－地相互作用的地理系统的优化调控问题，寻 求人口、资源、环境与社会经济协调发展的方法、途径与措施。
3）类型研究：主要是对地理事物的类型和各种地理区域进行定 量划分。譬如，运用模式识别方法、判别分析方法、聚类分析方 法等定量地研究土地类型、地带及自然区和经济区的划分问题；
4）网络分来自百度文库：主要针对具有线状分布特征的空间结构（如水系、 交通网络、行政区域等）进行定量分析，研究地理网络的可达性、 连通性、最优路径等；
当前最成熟、最实用的还是栅格模型和矢量模型两 种。
栅格数据特征 ◦ 基本单元——？ ◦ 空间位置表示——？ ◦ 分辨率——？ ◦ 属性——？ ◦ 存储（编码）方法——？ ◦ 应用优劣——？
矢量数据特征 ◦ 基本单元—— ◦ 空间位置表达—— ◦ 精确度分析—— ◦ 属性（编码）—— ◦ 存储—— ◦ 应用优劣——
5）趋势面分析：运用适当的数学方法计算出一个空间曲面，并以 此空间曲面去拟合地理要素分布的空间形态，展示其空间分布规 律，常用回归分析方法等；
6）空间相互作用分析：主要是定量分析各种“地理流”在不同区 域之间“流动”的方向和强度。譬如，运用线性规划方法研究区 域内的人口流动问题、产业布局及其优化问题等；
2.基于GIS的空间分析
传统的空间 分析方法
计算机新技术
数理统计分析 其他数学 物理方法
GIS软件平台
GIS空间分析
但不是所有GIS平台都具有 空间分析功能或扩展接口， GIS平台也不是具有所有的空间分析功能。
GIS为空间分析提供了良好支撑平台；空间分析也因为 有了GIS而真正得以实用。
GIS集成了多学科的最新技术，如关系数据库、高效图形算法、 插值、网络分析、矩阵与向量以及区划等，为GIS空间分析提供了 坚实的理论和强大的工具。
五、三维空间分析
• 等高线法 • DEM法 • 三角网法
数字地形模型分析
空间分析应用范围
1）分布型分析：主要针对地理要素的分布特征及规律进行定量 分析。譬如运用平均值、方差、标准差、变异系数、峰度、偏度 等统计量描述地理要素的分布特征，运用概率函数研究地理要素 的分布规律，等；
2）相互关系分析：主要针对地理要素、地理事物之间的相关关 系进行定量分析。譬如，运用统计相关分析方法定量地揭示地理 要素之间的相关程度，运用灰色关联分析方法揭示地理事物之间 相互联系的密切程度，运用回归分析给出地理要素之间相关关系 的定量表达式，等；
二、栅格数据分析模式
1）聚类、聚合分析 常见遥感数字图像信息提取地类
2）复合分析 3）追踪分析 4）窗口分析 5）统计与量算
三、矢量数据分析方法
1）矢量数据量算 2）包含分析 3）缓冲区分析 4）多边形叠置分析 5）网络分析 6）泰森多边形分析
核心是拓扑关系。
四、空间统计分析与插值
相关性分析 回归分析 时间序列分析 聚类分析 主成份分析 趋势面分析 克立格插值估计