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  • 2020-04-16 16:49:09

     

    空间分析与GIS

    A.空间分析的概念

         内容

    空间分析,又称之地理空间分析(geospatial analysis),其概念一直存在不同提法,例如:地理信息分析、空间数据分析、空间统计与建模、地质统计学等等,大致表达的东西都是相同或相近。一般认为,至少存在4中相互联系的空间分析概念,分别是:空间数据操作、空间数据分析、空间统计分析和空间建模。
           空间数据操作:主要是指在GIS中基于空间对象几何特征,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,尤其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,研究数据中潜在的模式、异常等,为后续分析做准备,是所有空间分析过程中的首要环节。
           空间统计分析:使用统计的方法描述和解释空间数据的性质,以及数据对于统计模型是否典型或是否有所期望的。由于空间数据具有空间自相关性,这一特性违背了景点统计理论关于数据独立性的假设,因此需要发展专门用于空间数据分析的空间统计方法。
           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式,预测空间过程及结果。

         核心

    空间分析的核心在于“空间”,而“空间”的本质是“位置”。空间分析是把研究对象的地理空间位置作为重要变量的系统性应用,包括对研究对象的地理空间位置的描述、分析和预测。与空间位置有关的描述、关联和预测方法是空间分析区别于其他数据分析的一个重要特征。
           为了便于理解,可以把空间分析过程描述成如下含数据形式:    y = Fun(x)
           式中,x为待分析的地理空间数据,是具有空间结构特征的已知数据集;Fun(x)为空间分析方法,可以是理论思想、逻辑方法,也可以是已经工具化了的计算模型;y为输出的空间分析结果,揭示了研究对象的空间位置、空间形态、空间格局、空间关系与空间过程等空间特征,为解决特定空间问题提供信息和知识。
           如此一来,空间分析就可以理解为对空间数据进行各种处理计算,从中获得信息和知识的过程。通过空间分析,揭示地理空间数据中蕴含的格局、关系与趋势,以进行决策和未来规划。

         本质特征

    空间分析的本质特征,包括:
                   a. 探测空间数据中的模式;
                   b. 研究空间数据模式间的关系,建立相应的空间数据模型;
                   c. 理解适于所观察模式的处理过程; 
                   d. 预测和控制所发生的的地理空间事件    

    B.空间分析的对象与研究内容

    空间分析对象:地理空间实体,也就是地理空间实体所具有的空间特征,例如:空间位置、空间形态、空间关系(距离、方位、拓扑、相关场)、时空尺度等。
           空间分析方法和模型是针对空间实体的空间特征建立和开发的。空间分析的研究内容包括理论、方法与应用三个方面。

    空间分析理论:主要是指空间概念、空间描述方法、空间特征等基本理论问题,同时也包括基于空间思维的解决问题的方法论。空间极其特征的描述是地理信息科学的核心理论问题,当然也是空间分析的关键理论问题。
           空间分析方法:主要是指在空间分析理论的指导下,针对空间特征,面向空间问题,建立分析模拟模型,开发分析工具。主要包括:①基于图形及几何特征的分析方法,空间数据的量或集合操作,如长度、面积、形状的两侧,空间中心、重心的计算,叠加分析、缓冲区分析、网络分析等;②空间数据统计分析,如空间点模式分析、地统计分析;③空间模拟与建模,如空间回归模型、地理加权回归、地理模拟与计算模型等。
           空间分析应用:主要研究如何应用空间分析的理论和方法解决实际问题,重点是如何将复杂具体的实现问题抽象为空间问题,搭建模型、方法与应用之间的桥梁。

    C.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,已解决空间问题,具体包括以下几个方面。
           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,认识事件的本质规律,如住房价格中的地理邻居效应。
           预报:在认识、掌握事件发生的现状与规律的前提下,运用有关预测模型对未来的状况作出预测,如传染病的爆发,前端时间比较热的肺炎感染传播模型。
           调控:对地理空间发生的时间进行调控,如合理分配资源(租房用户需求大的地方,可以签较多的房东以获取房源这种)。

    D.DIKW模型与地理智慧

           DIKW : ( data information knowledge wisdom ) 是一个基于数据、信息、知识及智慧之间关系的模型。
                           数据产生信息,信息创造知识,知识孕育智慧
           数据:原始材料(如:发生地震了,在哪儿?多少人遇难?经济停滞多久?)
           信息:加工处理后有逻辑的数据(发生地震了,在什么时候?在哪儿?多少人遇难?经济停滞多久?)
           知识:提炼信息之间的联系,行动的能力,完成当下任务(发生地震了,避震点可容纳多少人?经济恢复需要多久?)
           智慧:关心未来,具有预测能力(哪些地方即将发生地震了,避震点能分配给哪些人,能保证多大程度规避风险)

    地理智慧:可称为空间智慧。是空间数据-空间信息-空间知识-空间智慧这一数据分析链上的最高层次。通过空间分析可获得地理智慧,解决与位置相关的复杂空间问题。主要形式有地理可视化、地理决策、地理设计和地理控制。
           地理可视化:基于位置的数据展现与可视化的方法,以便于发现空间格局与分布规律。
           地理决策:基于地统计学和空间分析技术的计算机辅助决策方法。由于考虑了位置与空间关系因素,地理决策具有实现基于传统信息技术手段的辅助决策无法实现的能力。
           地理设计:以地理分析为基础,把地理环境因素引入全局考虑的设计。(三维地理使用得很普遍)
           地理控制:通过地理位置对客体施加影响,达到智慧控制客体活动和行为的目的,这是地理智慧应用的新方向。
           

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    目录

    一、实验名称

    二、实验准备

    1.实验原理

    2.实验背景

    3.实验目的:

    4.数据准备

    三、实验步骤


    文章数据免费下载

    一、实验名称

            栅格数据空间分析之可达性分析

    二、实验准备

    1.实验原理

            可达性用于测度区域内一点到最近旅游景点所花费的时间表征区内游客到景点的便利程度,有助于厘清旅游景点和交通网络之间的关系,计算公式如下:

    A_{i} = min(M_{i}T_{ij})

    式中:i、j 为示范区内的景点;Tij 为点i 在交通网络中通行最短的路线到达景点j 的通行时间;Mj 为景点j的权重,若只研究交通通达性则数值为1;Ai 为示范区内点i 的可达性。

            本研究基于交通路网测算示范区的可达性,测算方法是用1 km×1 km栅格网将原矢量底图栅格化,根据国家规定的不同路网的通行速度,并参考前人研究成果,高速铁路、普通铁路、高速、国道、省道、县道的速度分别设为250、100、100、80、60、40 km/h,计算路网通行时间,并赋予栅格相应的时间成本值,在此基础上对路网成本栅格图像采用最短成本加权距离,算出示范区内各点到景点的可达性。为了从整体上反映旅游景点可达性在行政单元区域层面的空间结构状态,更为直接地刻画区域内游客日常出游的便利程度,通过计算示范区县级单元内栅格景点可达性的均值来反映整个县级单元的景点可达性。

             式中:Rj为第j 个县级单元的整体景点可达性;Ai为县级单元第i 个网格的景点可达性;nj为落在第j 个县级单元范围内网格的总数。

            不同类别景点可达性分布频率和累计频率统计表计算。

    1 各时间段可达性分布频率 = 各时间段可达性面积/总面积

    2 累计频率 =各时间段可达性分布频率的和

    3 县域单元的整体可达性等级分布分别统计不同时间段的可达性的景点的个数

    2.实验背景

            现有一城市道路数据road.shp,和一所医院的位置数据hospital.shp。道路数据中记录了每一段路的长度(m),车辆行驶的平均时速(m/min)和所需的时间(min)。假设在没有道路的区域,人平均走路的速度是80m/min(field.shp)。求出在30分钟内可到达该医院的可达性范围。

    3.实验目的:

            掌握栅格数据的可达性分析方法

    4.数据准备

    1 road.shp:道路线要素数据

    2 hospital.shp:医院点要素数据

    3 field.shp:非道路面要素数据

    三、实验步骤

            1.新建ArcMap空白文档,导入以上数据,然后我们将road.shp、field.shp数据转为栅格数据,打开ArcToolBox工具箱,选择转换工具>转为栅格>折线转栅格,输入要素为road.shp,值字段选择speed,更改输出路径,点击确定即可输出。

     

     

     

            2.接下来将面转为栅格,打开面转栅格工具,输入数据为field.shp,值字段为speed,更改输出路径,确定即可输出;

     

     

            3.接下来,我们创建耗时栅格,打开栅格计算器,输入 1.0/’road.shp’,更改输出路径,点击确定即可,同理处理field.shp;

     

     

            4.接着,我们需要将两个耗时栅格结合为一个,打开镶嵌至新栅格,输入要素为之前的两个耗时栅格,设置输出位置与数据名称,波段数为1,镶嵌运算符为minmum,点击确定即可;

     

             5.我们进行成本距离分析,打开成本距离工具,输入要素源数据为hospital.shp,成本距离为耗时栅格cost,更改输出路径与数据名称,点击确定输出,打开distance属性,更改分类类型为手动,分类数为2,分类阈值为10,适当调整颜色,点击确定,我们即可得到最终结果;

     

     

     


     

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    空间分析是基于空间数据的分析技术,它以地学原理为依托,通过分析算法,从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间形成和空间演变等信息。
  • 掌握分析数据分布特征及空间趋势的基本方法

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    一、实验名称

            地统计分析之探索性数据分析

     二、实验目的

            掌握分析数据分布特征及空间趋势的基本方法

     三、实验准备

           1. 数据准备

            Ca_Ozone_pts 臭氧采样点数据(单位:ppm)

            2.软件准备

            ArcGIS10.7

    四、实验步骤

            1.本次实验基于实验一,ArcGIS的地统计分析模块提供了许多探索性分析模块,如图,我们上次实验采用的是克里金内插法,因为克里金内插法要求数据符合正态分布,我们可以通过直方图工具来查看数据是否符合正态分布,若不符合,则内插后的结果将不准确,我们也可以通过直方图查看是否有离群值(在直方图的左右两侧出现较高的值);

       

          2.我们接着查看正态QQ图,它与直方图类似,都是为了判断数据是否符合正态分布,如果说这些点都在直线上,则表面符合正态分布,若是离直线比较远,则需要纠正,我们的数据基本合适,无需纠正;

            3.趋势分析,它是将我们的数据投影到东西、南北面上,根据投影点拟合出来一条曲线,通过这个图,我们可以看出,在东西向,曲线是个倒U型,说明我们的数据在东西向符合二次分布的趋势,这个参数是后面克里格内插的指导性参数,我们也可以通过旋转坐标系来查看图像;

            4.半变异函数,其中的参数步长,步长的大小都会影响到点之间的空间自相关性,步长比较合适的选择是,步长的大小*步长的数目=样区距离最远的采样点的距离的一半,加州距离最远的两个点的距离是120多公里,因此我们这里设置为60000,这样得到的结果,我们也可以查看在不同方向上它的空间自相关特征,即数据分布的各项异性;


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  • 基于系统分析和GIS空间分析技术的公交站点规划方法,适合大学生论文参考,
  • ArcGIS 网络分析2规划最佳路径

    实验数据:见个人资源《GIS空间分析教学数据》免费下载,仅供学习使用

    一、实验名称

    网络分析之规划最佳路径

    二、实验目的

    • 某公司班车需要接送员工上下班,已知停靠的站点,请使用网络分析提供一条考虑了最优排序且时间最少的路径,作为班车的固定路线。
    • 加深对网络分析的理论理解,强化软件操作能力

    三、实验准备

    • 道路.shp数据、网络数据集 道路_ND
    • 停靠点.shp数据

    四、实验步骤

    1、保证网络分析工具加载好的情况下,右击主菜单空白处,加载network analysis工具,并导入数据 道路_ND。

    2、点击网络分析工具,选择新建路径;

     

    3、加载停靠点.shp数据,符号化并标注要素;

    4、打开网络分析窗口,在停靠点上右击选择加载位置加载停靠点数据,并用名称排序,将目的地调整至最底部;

    5、点击network右边的路径属性窗口,选择分析设置,在“重新排序停靠点以查找最佳路径”打勾,只保留最后一个停靠点,其他设置默认,点击确定;点击求解按钮,即可求得最优路径;

     

    6、若某个区域出现了交通事故等问题,我们可以通过调整属性来重新规划路线;

    选择点障碍,用创建网络位置工具在阻碍处添加一个障碍点,然后重新求解,即可获得新的路径。

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