R语言在空间数据分析中的应用与挑战

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本章《空间数据介绍》首先阐述了空间数据分析的广泛含义,它不仅涉及地图制作和地理信息的呈现,而且深入探讨了一系列复杂的问题,如疾病发生率的空间分布及其可能的影响因素、环境污染的识别、空气质量影响人群健康及其居住地等。这些问题需要通过统计推断来解析,揭示潜在的空间过程。 空间数据无处不在,从日常天气预报到专业地图制作,再到科学研究中的环境监测,都包含了空间数据。理解这些数据的关键在于区分不同类型的空间数据,如矢量数据(如地图上的点、线、面)、栅格数据(像是卫星图像)以及时空数据等,并掌握它们的存储和显示方法。此外,对产生观测数据的理论背景和过程的理解至关重要,因为这关系到如何正确解读和分析数据。 R语言被选择进行空间数据分析,因为它是专为统计计算和绘图设计的开源工具,基于S语言,具有高度灵活性和强大的功能。R语言的优势在于它的易用性和扩展性,即使没有编程经验的人也能快速上手。R提供了丰富的示例和函数库,使得处理和分析空间数据变得直观和高效。学习者可以通过阅读本书,了解R在空间数据分析中的应用,以及如何利用R的生态系统获取和处理空间数据,例如利用GIS(地理信息系统)的功能,或者通过CRAN(Comprehensive R Archive Network)获取相关的包和数据集。 本章还将深入讨论R与GIS的关系,强调R作为统计分析工具在空间数据处理中的优势,以及如何结合GIS技术进行更深入的空间分析。同时,对于存储和显示空间数据的挑战,如大数据处理、数据可视化和地图制作,也会有所涉及。通过学习这一章,读者不仅能掌握空间数据分析的基本概念和技术,还能实际操作R语言进行实践,从而在各自领域中应用空间数据分析的成果。
2022-12-24 上传
- 1 - 空间数据分析报告 —使用 Moran's Moran's Moran's Moran's I I I I 统计法实现空间自相关的测度 1 1 1 1、实验目的 (1)理解空间自相关的概念和测度方法。 (2)熟悉 ArcGIS 的基本操作,用 Moran's I 统计法实现空间自相关的测度。 2 2 2 2、实验原理 2.1 2.1 2.1 2.1 空间自相关 空间自相关的概念来自于时间序列的自相关,所描述的是在空间域中位置 S 上的变量与其邻近位置 Sj 上同一变量的相关性。对于任何空间变量(属性)Z, 空间自相关测度的是 Z 的近邻值对于 Z 相似或不相似的程度。如果紧邻位置上 相互间的数值接近, 我们说空间模式表现出的是正空间自相关;如果相互间的数 值不接近,我们说空间模式表现出的是负空间自相关。 2.2 2.2 2.2 2.2 空间随机性 如果任意位置上观测的属性值不依赖于近邻位置上的属性值, 我们说空间过 程是随机的。 Hanning 则从完全独立性的角度提出更为严格的定义,对于连续空间变量 Y, 若下式成立,则是空间独立的: 式中,n 为研究区域中面积单元的数量。若变量时类型数据,则空间独立性 的定义改写成 式中,a,b 是变量的两个可能的类型,i j。 2.3 2.3 2.3 2.3 Moran's Moran's Moran's Moran's I I I I 统计 Moran's I 统计量是基于邻近面积单元上变量值的比较。 如果研究区域中邻近 面积单元具有相似的值, 统计指示正的空间自相关;若邻近面积单元具有不相似 的值,则表示可能存在强的负空间相关。 - 2 - 设研究区域中存在 n 个面积单元,第 i 个单位上的观测值记为 yi,观测变量 在 n 个单位中的均值记为 y ,则 Moran's I 定义为 = = = = = = n i n j ij n i n j ij n i W W n I 1 1 1 1 j i 1 2 i ) y - )(y y - (y ) y - (y 式中,等号右边第二项 = = n 1 i n 1 j j i ij ) y - )(y y - (y W 类似于方差,是最重要的项, 事 实上这是一个协方差, 邻接矩阵 W 和 ) y - )(y y - (y j i 的乘积相当于规定 ) y - )(y y - (y j i 对邻接的单元进行计算,于是 I 值的大小决定于 i 和 j 单元中的变量值对于均值 的偏离符号,若在相邻的位置上,yi 和 yj 是同号的,则 I 为正;yi 和 yj 是异号的, 则 I 为负。在形式上 Moran's I 与协变异图 { }{ } u ˆ - ) Z(s u ˆ - ) Z(s N(h) 1 (h) C ˆ j i = 相联 系。 Moran's I 指数的变化范围为(-1,1) 。如果空间过程是不相关的,则 I 的期望 接近于 0,当 I 取负值时,一般表示负自相关,I 取正值,则表示正的自相关。 用 I 指数推断空间模式还必须与随机模式中的 I 指数作比较。 通过使用 Moran's I 工具, 会返回 Moran's I Index 值以及 Z Score 值。 如果 Z score 值小于-1.96 获大于 1.96, 那么返回的统计结果就是可采信值。 如果 Z score 为正且大于 1.96 ,则分布为聚集的;如果 Z score 为负且小于-1.96,则分布为 离散的;其他情况可以看作随机分布。 3 3 3 3、实验准备 3.1 3.1 3.1 3.1 实验环境 本实验在 Windows 7 的操作系统环境中进行,使用 ArcGis 9.3 软件。 3.2 3.2 3.2 3.2 实验数据 此次实习提供的数据为以湖北省为目标区域的 bount.dbf 文件。.dbf 数据中 包括第一产业增加值,第二产业增加值万元,小学在校学生数,医院、卫生院床 位数,乡村人口万人,油料产量,城乡居民储蓄存款余额,棉花产量,地方财政 一般预算收入,年末总人口(万人),粮食产量,普通中学在校生数,肉类总产量, 规模以上工业总产值现价(万元)等属性,作为分析的对象。 - 3 - 4 4 4 4、实验步骤 本报告用 Moran's I 检验湖北省各区域规模以上工业总产值现价(万元)的空 间分布的空间自相关性。 (1 1 1 1)Feature Feature Feature Feature to to to to Points Points Points Points 对于线类要素和多边形要素,程序会计算要素的几何中心点,然后对几何中 心点进行分析。这就会造成有些要素的几何中心点不在几何要素内部,如果想达 到此目的,需要先用 Fea