《空间数据分析技术》课件

空间数据分析技术课程概述课程目标掌握空间数据分析基本理论与技术主要内容涵盖空间统计、网络分析、插值技术学习方法第一章空间数据分析基础空间数据的概念空间数据的特点描述地理空间中实体位置、形空间依赖性、异质性、尺度敏状及属性的数据感性空间数据分析的意义空间数据的类型矢量数据栅格数据属性数据点、线、面几何要素表示地理实体规则网格单元构成的数据集描述空间实体特征的信息精确描述边界和位置关系适合表示连续变化的现象与空间位置相关联空间数据的来源遥感影像卫星和航空影像提供地表覆盖信息数据GPS高精度位置数据采集地理信息系统数据现有GIS数据库和地图数字化统计数据普查、调查的地理关联数据空间数据的特性空间依赖性相近位置的要素相似性高空间异质性地理过程在空间上的变异性空间尺度效应不同分析尺度得到不同结果空间数据分析的基本步骤问题定义明确分析目标和研究问题数据收集获取相关空间和属性数据数据预处理清洗、转换和标准化空间分析应用适当的方法和模型结果解释评估分析结果并提出建议第二章空间数据预处理数据清洗坐标系转换识别和处理错误、异常值和缺在不同参考系统间转换空间数失值据投影变换将球面数据映射到平面表示空间数据的质量控制一致性检查验证拓扑关系和逻辑规则完整性检查评估数据是否存在缺失要素或属性准确性评估测量位置和属性精度空间插值技术反距离加权法克里金法样条函数法基于距离加权的确定性利用变异函数的最优线用分段多项式函数拟合插值性无偏估计光滑表面第三章空间统计分析描述性统计空间数据的分布特征和摘要指标推断性统计样本数据推断总体特征空间自相关测量空间相关性和依赖程度空间自相关分析指数系数统计量Morans IGearys CGetis-Ord G全局空间自相关度量，-1到1之间测量邻近区域的差异性，0到2识别高值或低值聚类空间回归分析模型类型特点适用场景普通最小二乘法不考虑空间效应空间自相关弱空间滞后模型包含因变量空间滞后项空间溢出效应空间误差模型考虑误差项空间相关未观测变量空间相关空间异质性分析地理加权回归多尺度地理加权回归考虑空间位置的局部回归允许不同变量使用不同带宽•不同位置有不同参数估计•优化各变量空间尺度•捕捉空间非平稳性•减少过度拟合•反映局部关系变化•提高模型解释力第四章空间模式分析线模式分析分析线要素的空间配置点模式分析研究点事件空间分布特征面模式分析探索区域单元的空间关系点模式分析方法线模式分析方法500m15min

3.2km缓冲区分析网络分析路径分析沿线要素创建影响区域基于拓扑关系的连通性分析求解最优路线和流量分配面模式分析方法多边形叠加分析泰森多边形分析通过图层叠加发现空间关系划分空间影响区域空间聚类分析识别相似区域的分组第五章空间插值与表面分析数字高程模型地表高程的数字表示坡度和坡向分析表面倾斜度和方向计算可视域分析确定观察点可见范围数字高程模型（）的生DEM成方法地形图数字化从等高线图提取高程信息立体测量利用重叠影像的视差计算高程雷达干涉测量分析雷达相位差异获取高程坡度和坡向分析坡度计算方法坡向计算方法应用案例测量表面倾斜程度，通常以角度或百分比确定表面倾斜的方向，通常以方位角表示水土保持、农业规划、滑坡风险评估表示可视域分析第六章空间网络分析网络数据结构节点和连接的拓扑表示最短路径分析寻找网络中最优连接路径服务区分析确定设施可达范围网络数据结构节点和边拓扑关系表示网络中的交叉点和连接段描述节点间的连通性和邻接性权重和阻抗反映通过网络边的成本最短路径分析算法算法名称特点适用场景Dijkstra算法广泛使用，高效单源无负权最短路径A*算法启发式搜索有估计信息的路径Floyd-Warshall算法计算全网络多源最短路径服务区分析缓冲区法网络分析法基于欧氏距离的简单圆形服务区基于实际路网的服务区划分•计算简单•考虑实际道路连通性•不考虑实际路径•反映真实可达范围•适合初步分析•支持多种阻抗因素应用案例医院急救覆盖范围评估第七章空间叠加分析矢量叠加分析基于几何运算的多图层交互栅格叠加分析基于像元值运算的叠加处理矢量栅格混合叠加不同数据模型间的转换和叠加矢量叠加分析方法相交合并擦除提取两个或多个图层共有的部分结合多个图层的几何和属性信息从一个图层中移除另一图层覆盖部分栅格叠加分析方法代数运算逻辑运算统计运算像元值的加减乘除运算基于条件判断的叠加多栅格层的统计分析•加权叠加•布尔运算（与、或、非）•最大值、最小值•归一化指数计算•条件表达式•平均值、标准差•差值分析•阈值分类•众数、中位数矢量栅格混合叠加矢量转栅格将点线面要素转换为栅格单元栅格转矢量将栅格数据转换为矢量几何混合叠加分析结合两种数据模型的优势适用于土地适宜性评价、环境风险分析、资源规划等领域第八章空间聚类分析聚类DBSCAN基于密度的空间聚类方法聚类K-means基于距离的分割聚类算法层次聚类构建聚类层次结构的方法聚类算法K-means原理步骤12将数据点分配到k个簇，最小选择初始中心点，分配、更新化簇内距离平方和中心、迭代优化优缺点3简单高效，但需预设k值且对初始值敏感聚类算法DBSCANεMinPts密度定义算法流程邻域半径和最小点数确定密度阈值识别核心点、边界点和噪声点On²参数选择通过k-距离图辅助确定最佳参数层次聚类凝聚式层次聚类分裂式层次聚类聚类结果评价自下而上合并最相似的簇自上而下分割差异最大的簇内部和外部评价指标•单连接法•二分K-means•轮廓系数•全连接法•基于密度分裂•Calinski-Harabasz指数•平均连接法•Rand指数•Ward方法第九章空间插值技术确定性插值法地统计学插值法插值结果评价基于数学函数的插值方法考虑空间结构的随机过程方法精度验证和方法比较确定性插值法地统计学插值法普通克里金法简单克里金法协同克里金法假设数据具有未知但恒假设数据具有已知恒定利用辅助变量提高插值定均值均值精度通用克里金法结合趋势面和随机残差插值结果评价方法交叉验证均方根误差留一法或k折验证评估插值性能计算预测值与实际值偏差的平方和均值残差空间分布决定系数分析误差的空间模式评估模型解释数据变异性的程度第十章时空数据分析时空数据特征时间、空间和属性三维融合时空数据模型表示动态地理现象的数据结构时空分析方法3揭示时空演变规律的计算方法时空数据特征T X,Y时间维度空间维度描述地理现象的动态变化过程记录地理位置和空间关系Z属性维度表征地理要素的特征和性质时空数据模型快照模型基于对象的时空数据模型事件序列模型不同时间点的空间数据序列跟踪对象身份及其变化以事件和状态转换为核心•实现简单•记录对象生命周期•记录变化事件•数据冗余大•维护版本和变化•存储效率高•时态连续性差•支持对象历史查询•支持事件推理时空分析方法时空插值时空聚类估计未知时空位置的属性值识别时空中相似行为模式时空关联规则挖掘时空轨迹分析发现时空事件间的关联模式研究移动对象的行为特征第十一章空间数据挖掘空间关联规则挖掘发现空间要素间的关联关系空间分类基于空间特征的类别预测空间异常检测识别偏离正常模式的空间现象空间关联规则挖掘算法算法Apriori FP-Growth基于频繁项集的关联规则挖掘基于频繁模式树的高效挖掘空间关联规则表示A→B[s%,c%]表达支持度和置信度空间分类方法空间决策树考虑空间关系的决策树分类空间支持向量机融合空间特征的SVM分类器空间神经网络卷积神经网络处理空间数据空间异常检测空间离群点检测空间热点检测空间异常模式识别识别与周围显著不同的位置发现异常高值区域聚集检测不寻常的空间分布模式第十二章遥感影像分析变化检测遥感影像分类分析多时相影像差异遥感影像预处理识别地物类型和覆盖消除几何和辐射畸变遥感影像预处理辐射校正消除传感器和大气影响几何校正建立影像与地理坐标对应关系大气校正消除大气散射和吸收影响去噪增强提高影像质量和可解释性遥感影像分类方法监督分类非监督分类基于已知样本训练分类器根据光谱特征自动聚类2深度学习分类面向对象分类利用深度神经网络提取特征分类将影像分割为同质对象后分类变化检测技术差值法比值法主成分分析法计算两时相影像的像素差值计算两时相影像的像素比值多时相影像组合进行主成分变换•直接减法•比值图像•提取变化信息•归一化差值•归一化比值•减少数据冗余•简单快速•减小光照影响•突出主要变化第十三章空间决策支持系统空间敏感性分析评估参数变化对结果的影响多准则决策分析综合多种空间因素进行评价情景分析模拟不同条件下的空间发展情景多准则决策分析方法方法名称特点应用场景层次分析法成对比较、一致性检因素权重确定验TOPSIS方法基于理想解和负理想多方案优劣排序解模糊综合评价法处理不确定性和模糊不精确空间决策性空间敏感性分析参数敏感性分析评估参数变化对模型输出的影响模型结构敏感性分析测试不同模型结构的稳定性空间尺度敏感性分析研究分析单元大小对结果的影响情景分析情景设计构建不同假设条件下的可能情景情景模拟利用模型预测不同情景下的结果结果评估3比较和评价不同情景的优劣第十四章空间数据可视化专题地图设计三维可视化动态可视化有效传达空间信息的静态地图立体表现空间数据的结构和关系展示时空变化过程的动态表现专题地图设计原则图层设计合理安排地图元素的层次和顺序符号设计选择直观易懂的地图符号表达信息配色方案使用科学合理的色彩表达数据特征三维可视化技术数字高程模型可视化三维城市模型可视化虚拟现实技术三维展示地形起伏和地表特征立体展示城市建筑和基础设施沉浸式体验空间数据和环境动态可视化方法时间序列动画交互式可视化连续展示不同时间点的空间变化允许用户操作和探索数据可视化Web GIS基于网络的地理数据共享和展示课程总结技术发展趋势大数据、云计算、人工智能融合应用主要内容回顾从基础概念到高级分析的系统学习应用前景智慧城市、精准农业、环境监测等领域参考文献与学习资源教材推荐相关软件工具在线学习平台•《空间数据分析导论》•ArcGIS•ESRI学习中心•《地理信息系统原理》•QGIS•地理空间学院•《空间统计学》•GeoDa•MOOC平台GIS课程•R空间包。