第四部分 空间分析基本原理和方法

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第一节 关于模型的一般知识
(5)仿真模型,这是通过计算机上运行的程序表达 的模型。物理模型和数学模型一般可以转化为仿真 模型,常见的有三维仿真模型。 (6)数学模型,是用的最多、最广的一种模型。它 是用字母、数字和其它数学符号构成的等式或不等 式,或用图表、图象、框图、数理逻辑来描述事物 的,它是真实系统的一种抽象,是研究和掌握系统 运动规律的有利工具,是分析、设计、预报、控制 实际系统的基础。
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第二节 GIS的空间分析模型
GIS支持的空间分析模型是多样的。它们支 持多种类型的空间分析需求。
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第二节 GIS的空间分析模型
一、GIS空间分析模型的概念 GIS空间分析模型是在GIS空间数据基础上 建立起来的模型,它是对现实世界科学体系 问题域抽象的空间概念模型,和广义的模型 概念既有区别,又相互联系。 GIS空间分析模型主要是数学模型。特点表 现在:
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4、模型求解:求解数学方程参数,绘制图形, 证明定理,进行逻辑运算等,一般利用计算机 完成。 5、模型分析:对上述结果进行数学上的分析, 给出预测或给出最优决策或控制。 6、模型检验:用实际现象、数据等检验模型 的合理性和适用性。 7、模型应用:如果检验结果符合要求,就可 实际应用;若检验结果不符合实际情况,还需 对模型进行修改、补充、假设、重新建模。
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第一节 关于模型的一般知识
四、模型的分类 模型可以分为两类,即形象模型和抽象模型。 前者包括直观模型、物理模型等,后者包括 思维模型、符号模型、数学模型和仿真模型 等。但这些模型之间是互相联系的,一个系 统中往往需要多种类型的模型。
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第一节 关于模型的一般知识
(1)直观模型,只供展览用的实物模型以及玩具、 照片等。通常是把原型的尺寸放大或缩小。 (2)物理模型,主要是直观模型的进一步改进,它 不仅可以显示原形的外形和特征,而且可以用来进 行模拟实验,间接地研究原形的外形的某些规律。 (3)思维模型,指通过人们对原型的反复认识,将 获取的知识以经验形式直接存储于大脑中,从而可 以根据思维或直觉作出相应的决策。专家系统中的 专家知识就是一种思维模型。 (4)符号模型,是在一些约定或假设下借助于专门 的符号、线条等,按一定形式组合起来描述原型。 地图就是一种典型的符号模型。
3、空间相关分析模型 用于研究物体位置和属性集成下的关系,尤其 是物体群(类)之间的关系。在这方面,目前研 究得最多的是空间统计学范畴的问题。统计上 的空间相关、覆盖分析就是考虑物体类之间相 关关系的分析。 4、预测、评价与决策模型 用于研究地理对象的动态发展,根据过去和现 在推断未来,根据已知推测未知,运用科学知 识和手段来估计地理对象的未来发展趋势,并 作出判断与评价,形成决策方案,用以指导行 动,以获得尽可能好的实践效果。
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第二节 GIS的空间分析模型
1、空间定位是空间分析模型特有的特性, 构成空间分析模型的空间目标(点、弧段、 网络、面域、复杂地物等)的多样性决定了 空间分析模型建立的复杂性。 2、空间关系也是空间分析模型的一个重要 特征,空间层次关系、相邻关系以及空间目 标的拓扑关系也决定了空间分析模型建立的 特殊性。
第四部分 空间分析基本原理和方法
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第十三章 空间信息分析模型
GIS的空间分析是GIS功能的重要体现。有 时可能按照提供空间分析能力的强弱对商业 GIS软件进行分类。 GIS的空间分析涉及矢量分析、栅格分析、 DEM分析等多种类型。 结合实际的应用,还可能结合应用分析模型 构成复杂的空间分析。 一般的商业GIS软件仅提供基本的空间分析 操作,它们是构成复杂空间分析的基础。
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第二节 GIS的空间分析模型
所谓回归模型方法,就是从一组地理要素 (现象)的数据出发,确定这些要素数据之间 的定量表述形式,即建立回归模型。 通过回归模型,根据一个或几个地理要素数 据来预测另一个要素的值。 这种回归模型就是一种预测模型。如一元回 归模型、多元线性回归模型等。
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第二节 GIS的空间分析模型
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三、模型的表示方法 模型的表示方法有两种表示形式:一阶谓词逻 辑表示形式与关系表示形式。一般采用容易为 用户接受的关系表示方法。它将模型看成一个 虚关系,它的项由模型的输入项和输出项组成。 这个虚关系是模型输入项与输出项的笛卡尔乘 积的子集。这样,在创建模型时,就象创建关 系数据库中的关系一样。此外,还需定义关系 中各项的域值,以及输入项和输出项之间的关 系。
空间统计分析模型是GIS统计分析计算的重 要依据。 在GIS中存在多种类型和用途的分析模型。
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一、相关分析模型 相关分析模型就是用来分析研究各种地理要素 数据之间相互关系的一种有效手段。
地理数据库中各种地理要素数据之间的相关关 系,通常可以分为参数相关和非参数相关两大 类。其中,参数相关又可分为简单(两要素)线 性相关,多要素间的相关模型,非参数相关可 以分为顺序(等级)相关和二元分类相关。
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第二节 GIS的空间分析模型
在一般情况下,当两种要 素之间为线性相关时,就 要研究它们之间的相关程 度和相关方向。 所谓相关程度,指它们之 间的相关关系是否密切; 所谓相关方向,就是两种 要素之间相关的正负。相 关程度和相关方向,可以 用相关系数来衡量。
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(2)偏相关系数模型 当研究某一种要素对另 一种要素的影响或相 关程度,而把其它要 素的影响完全排除在 外,单独研究那两种 要素之间的相关系数 时,就要使用偏相关 分析方法,偏相关程 度用偏相关系数来衡 量。
达到极小。这实际上是在最小二乘法意义下的曲面拟合问题, 即根据观测值Zj(xj,yj)用回归分析方法求得一个回归曲面
而以对应于回归曲面的值 剩余值。
作为趋势值,以残差作为
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2、多项式趋势面的数学模型 在趋势面分析中,我们通常选择多项式作为回 归方程,因为任何一个函数在一个适当的范围 内总是可以用多项式来逼近,而且调整多项式 的次数可以使求得的回归方程适合问题的需要。 当某一地理现象的特征值在空间的分布为平面、 二次曲面即抛物曲面、三次曲面、四次曲面、 五次曲面或六次曲面时,可分别用一次多项式、 二次多项式、三次多项式、四次多项式、五次 多项式或六次多项式来拟合。多项式数学模型 中各项的排列顺序有一定规律,便于编程计算。
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三、空间分析模型的类型 GIS中空间分析模型的分类问题,目前研究的很 少。这里,把空间分析模型分为以下几种类型: 1、空间分布分析模型 用于研究地理对象的空间分布特征。主要包括:空 间分布参数的描述,如分布密度和均值、分布中 心、离散度等;空间分布检验,以确定分布类型; 空间聚类分析,反映分布的多中心特征并确定这 些中心;趋势面分析,反映现象的空间分布趋势; 空间聚合与分解,反映空间对比与趋势。 2、空间关系分析模型 用于研究基于地理对象的位置和属性特征的空间物 体之间的关系。包括距离、方向、连通和拓扑等 四种空间关系。其中,拓扑关系是研究得较多的 关系;距离是内容最丰富的一种关系;连通用于 描述基于视线的空间物体之间的通视性;方向反 17 映物体的方位。
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二、模型的特点 (1)模型在系统内的主要存储方式可以是程序式或 非程序式的。基于数据的模型表示和基于知识 的模型表示都可以作为模型的基本形态。 (2)在生成模型的过程中,采用定量建模和推理分 析相结合的技术。其中定量建模用于确定模型 的数学形态和有关参数。 (3)模型生成在人机交互中完成。在传统建模过程 中,人的作用和机器的作用是界限分明的,而 在模型生成技术中这种分界线是模糊的。 (4)模型生成应该是一个动态过程。模型的生成环 境发生变化时,所生成的模型也不会完全相同。
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第二节 GIS的空间分析模型
二、趋势面分析模型 在GIS的空间分析中,经常要研究某种现象的 空间分布特征与变化规律。
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趋势面分析,是用一个多项式对地理现象的空 间分布特征进行分析,用该多项式所代表的曲 面来逼近(或拟合)现象分布特征的趋势变化, 也就是用数学方法把观测值分解为两个部分: 趋势部分和偏差部分。 趋势部分反映区域性的总的变化,受大范围的 系统性因素的控制; 偏差部分反映局部范围的变化特点,受局部因 素和随机因素的控制。
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第二节 GIS的空间分析模型
二、GIS空间分析模型的作用 1、空间分析模型是联系GIS应用系统与专业 领域的纽带,必须以广泛、深入的专业研究为 基础; 2、空间分析模型是综合利用GIS中大量数据 的工具,数据的综合分析和应用主要通过模型 来实现; 3、空间分析模型是分析型和辅助决策型GIS 区别于管理型GIS的一个重要特征,是解决空 间分析和辅助决策问题的核心。
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五、模型生成的一般步骤 模型的描述方式和模型的生成关系密切。不同 的描述方式有不同的建模步骤,下面是模型生 成的一般步骤。 1、建模准备:了解所分析的问题的实际背景, 弄清建立模型的目的,掌握所分析的对象的各 种信息。 2、模型假设:对所研究的问题进行必要的简 化,并用明确的语言对模型作出假设,即用语 言对模型予以描述。 3、模型建立:利用适当的数学工具建立各种 量之间的关系,给出具体的数学结构。
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第十四章 空间查询与统计方法
空间查询与统计分析,一般是基于空间图形的 属性进行的,查询统计的结果以图形或报表的 形式显示和输出。 查询统计一般是根据一些数学模型进行的。 图形查询还涉及一些图形操作的计算。 图形查询统计分析是GIS的重要分析内容之一。
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第一节 GIS常用的空间统计分析模型
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(3)复相关系数模型 以上都是在把其它要素的影响完全排除在外的 情况下研究两种要素之间的相关关系。但是实 际上,GIS的空间分析中,一种要素的变化往往 要受到多种要素的综合影响,这时就需要采用 复相关分析方法。所谓复相关,就是研究几种 地理要素同时与某一种要素之间的相关关系, 度量复相关程度的指标是复相关系数。
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三、预测模型 GIS地理数据库的数据除了反映各种自然和人文要素 (现象)的空间分布特征和相互关系外,还能反映地理 要素的动态发展规律,并用于预测分析。
这种预测分析是建立在现象间因果关系的基础上的, 即某些现象作为原因,另一种现象作为结果,原因与 结果的关系可以用确定的函数来描述,函数中的参数 能说明这种因果关系的本质。 预测模型常用于判断结果随原因的变化而变化的方向 和程度,用于推断随时间发生变化的大小。
四、聚类模型 聚类分析是根据多种地学要素对地理实体进行划 分类别的方法,对不同的要素划分类别往往反映不 同目标的等级序列,如土地分等定级、水土流失强 度分级等。 聚类分析的步骤一般是根据实体间的相似程度, 逐步合并若干类别,其相似程度由距离或相似系数 定义。进行类别合并的准则是使得类间差异最大, 而类内差异最小。如最短距离聚类模型、模糊聚类 模型、模糊多元统计分析模型、相似聚类等。
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第一节 关于模型的一般知识
模型是人们对认识问题抽象表达的结果,了 解模型的相关知识,有利于很好的建立和使 用模型。
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第一节 关于模型的一般知识
一、模型的概念 模型将系统的各个要素,通过适当的筛选, 用一定的表现规则所描述出来的简明映象, 是对客观地理世界的某一客观事物的抽象和 概括。
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3、包括坐标、高程、属性以及时序特征的空 间数据极其庞大,大量的空间数据通常用图形 的方式来表示,这样,由空间数据构成的空间 分析模型也具有了可视化的图形特征。 4、空间分析模型不是一个独立的模型实体, 它和广义模型中抽象模型的定义是交叉的。 GIS要求完全精确地表达地理环境间复杂的空 间关系,因而常使用数学模型,此外,仿真模 型和符号模型也在GIS中得到了很好的应用。
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第二节 GIS的空间分析模型
原理 设Zj(xj,yj)表示所分析现象的特征值,即 观测值。 趋势面分析就是把观测值Z的变化分解成两 个部分,即: Zj(xj,yj)=f(xj,yj)+σj 式中:f(xj,yj)为趋势值,σj为剩余值。
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可以用回归方法求得趋势值和剩余值,即根据已知数据Z的 一个回归方程f(x,y),使得
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