【原版闪电发货】地理空间分析原理崔铁军等
9787030479594
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江苏南京
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作者崔铁军
出版社科学出版社
ISBN9787030479594
出版时间2022-10
装帧平装
货号619641514994
上书时间2023-04-26
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商品参数
地理空间分析原理
曾用价
69.00
出版社
科学出版社
版次
1
出版时间
2016年05月
开本
16
作者
崔铁军 等
装帧
平装
页数
368
字数
450
ISBN编码
9787030479594
内容介绍
地理空间分析是地理信息科学理论和技术的重要内容之一，是近年来地理信息科学研究的热点，也是地理信息科学与技术发展较迅速的领域。本书全面介绍了地理空间分析的理论方法、空间分析过程，详细讨论了地理空间量测、空间关系分析、空间推理、叠置分析、缓冲区分析、网络分析、地形分析、空间统计分析、时空序列分析、空间智能分析、空间数据挖掘和辅助决策等技术方法。
目录
目录
前言
**章 绪论1
1.1地理空间分析概述1
1.2地理空间分析地位与作用12
1.3地理空间分析研究内容17
1.4与其他学科关系28
1.5本书主要内容29
第二章 地理学研究对象与问题31
2.1地理学研究对象与任务31
2.2地理要素相互联系34
2.3地理空间分布40
2.4地理时空过程56
第三章 地理空间量测66
3.1空间量测尺度66
3.2空间几何量测70
3.3空间形态量测79
3.4空间分布量测81
第四章 空间关系分析与推理86
4.1空间关系分析概论86
4.2距离关系87
4.3方位关系91
4.4拓扑关系98
4.5空间相似性107
4.6空间推理117
第五章 数字地形分析132
5.1地形形态计算132
5.2地形因子计算134
5.3地形特征分析140
5.4水文分析143
5.5淹没分析149
5.6通视分析156
第六章 叠置分析160
6.1叠置分析理论160
6.2矢量数据叠置分析162
6.3栅格数据叠置分析168
第七章 缓冲区分析174
7.1缓冲区分析概述174
7.2缓冲区分析的矢量方法175
7.3缓冲区分析的栅格方法185
7.4动态目标缓冲区188
7.5缓冲区分析的应用190
第八章 网络分析192
8.1网络分析概述192
8.2连通性分析196
8.3昀短路径199
8.4昀优路径203
8.5网络分析模型206
8.6流分析210
第九章 空间统计分析215
9.1基本统计量215
9.2确定性插值法217
9.3地统计插值法222
9.4探索性空间统计分析224
9.5层次统计分析234
9.6空间回归分析237
第十章 时空序列分析245
10.1地理时空概述245
10.2时空数据的性质252
10.3时空数据分析262
第十一章 空间数据挖掘276
11.1空间数据挖掘概述276
11.2空间聚类分析282
11.3空间关联挖掘286
11.4空间分类方法290
第十二章 空间智能分析296
12.1空间智能分析概述296
12.2基于人工神经网络的空间分析306
12.3基于元胞自动机的空间分析312
12.4基于智能体的空间分析322
12.5模糊空间分析326
第十三章 空间决策支持339
13.1决策与决策支持339
13.2空间决策支持系统345
主要参考文献356
在线试读
**章 绪论
地理空间分析是以地理学理论为基础、以数学建模为手段，以计算机为计算工具，以地理现象的位置和形态特征为对象，通过量算、插值、统计、建模、推理、模拟和推演等方法求解地理空间问题的理论、方法和技术。
1.1地理空间分析概述
1.1.1地理空间分析起源
1.地理空间认知
地理空间分析起源于人类的地理空间认知。从本质上讲，地理空间分析是人类认知自然能力的一种延伸，它的思想在人类社会发展过程中起到了重要的作用。认知是一个人对他所生活世界的认识和了解的各个过程的总称，是概念形成、问题求解、语言描述、个性差异等有机联系的信息处理过程。人类通过对客观世界进行信息获取、存储、转换、分析和利用，认识、理解和掌握客观事物的本质特征与规律，并形成概念世界来描述和表达客观世界。空间认知是人们各种认知形式之一，主要研究人们怎样通过获取、处理、存储、传递和解译空间信息来认识自己赖以生存的环境，包括其中的诸事物、现象的相关位置、空间分布、依存关系，以及它们的变化和规律。地理空间认知是空间认知的一个方面，人类认知自己赖以生存的地理环境（主要指地球的四大圈层：岩石圈、水圈、大气圈和生物圈），包括位置、分布、关系、变化规律等。认知离不开分析，分析是人类认知的重要环节。同样，空间分析是空间认知的重要环节。人们对地理环境的认知也离不开地理空间分析。远古时代，人类祖先在地上用几根棍子和几块石头作标记，比划距离和方位寻找新的猎物。这些也可看做是昀原始、昀简单的地理空间分析，说明在人类社会早期，地理空间分析成为人类认知自然和改造自然过程中不可或缺的技能。
2.地图分析
从古到今，人类地理空间认知和分析的结果需要用语言表述，包括自然语言、文字和图形。用图形表示地理世界就有了地图。地图用简单的、抽象的地图符号描述复杂的地理现象。地图源于人类生活、生产实践活动。地图作为地理的特殊语言，自产生起便与地理空间分析结下不解之缘，而成为地理成果的重要表达形式。在地图上确定位置、描述人的活动线路和记载物产，便成为地图昀原始的功能。实际上自有地图以来，人们就始终在自觉或不自觉地进行着各种类型的空间分析。例如，在地图上量测地理要素之间的距离、方位、面积，乃至利用地图进行战术研究和战略决策等。传统地图的空间分析是人通过读、描、推、算等过程，多种感官交替使用，在地图上用“找”和“指”、“读”和“写”、“想”和“说”等方式进行的。通过空间分析，“哑图”变为“活图”，昀后，“地图”变成学生“脑图”，在人们头脑中形成完整的地理空间概念。人们利用地图通过对某地理事物地理位置的分析，可以得出该事物许多的地理空间特征和空间属性，从而为解决地理问题提供或明或暗的基础条件。地图在理解地理原理、探索地理规律、解决地理问题中扮演着重要的角色。人们不断提高地图的制作水平与精度，进而提高人们对地图所表达的空间信息的理解能力与解译能力，实质上就是进行空间分析的过程。地图分析非常著名的例子，就是著名的“斯诺的霍乱地图”，如图1.1所示。1854年8～9月，英国伦敦霍乱病流行，但是政府始终找不到患者的发病原因。琼·斯诺博士使用一张地图，解决从空间位置关系揭示发病根源、分析病例的空间分布规律及其是否与污染分布有关等诸如此类的问题。
3.计量地理
地理学家很早采用地理空间分析方法对各类地理学问题进行研究。地理环境是一个整体，各要素间是相互关联的。这里说的关联是指地理事物之间内在的必然联系。地理事象的空间关联可分为地理位置关联、交通和通信上的关联等，是通过人流、物流和信息流来实现的。在区域研究或行业生产发展中涉及大量的地理事象空间关联的分析。例如，将洋流分布图与世界渔场分布图对照进行空间分析，可以揭示洋流与世界主要渔场之间的关联；将等温线图与地形图对照分析，可以找到地形与气温间的某种关联。
地理空间分析概念的提出与飞跃式发展很大程度获益于20世纪20年代开始的数量地理学革命。马克思曾指出：“一种科学只有在成功地运用数学时，才算达到了真正完善的地步。”地理事象总是发生在一定的时间和空间。工业和农业区位选择经常涉及地理事象的空间关联。例如，气候与自然就具有一定空间关联，京津唐工业区就背靠山西煤炭工业基地，它们之间存在着紧密的空间关联。通过地理事象空间关联的分析，可以把握人流、物流和信息流等方面的地理信息。复杂的空间关联则需要采用多种数学手段，需借助数学通过确定相关系数、建立数据模型和空间模型来进行分析。20世纪60年代地理学兴起了计量革命，计量革命为地理学带来了新工具也带来了新思维，地理学中出现了计算地理学（geographimetrics），或称地理学的数学方法，引起了地理学的“计算革命”，对数学在地理学中的应用起到了普及和推动作用。计量地理学利用数学工具深入研究地区自然、社会、经济、人口等过程的各种数学模型，阐明地域现象的空间分布结构规律与模式，进行有关地理结构和地理组织的演绎。由于兼容并蓄了系统论、控制论、信息论、决策论等学科的内容和方法，从而丰富和加强了地理空间分析的理论基础。将定量（主要是统计）分析手段应用于分析点、线、面的空间分布模式，强调地理空间本身的特征、空间决策过程和复杂空间系统的时空演化过程分析。空间分析理论和方法体系在这一时期也相继建立。1970年，Tobler提出了著名的地理学**定律，即“Everythingisrelatedtoeverythingelse，butnearthingsaremorerelatedtoeachother”（任何事物都相关，只是相近的事物关联更紧密）。1969年，美国俄亥俄州州立大学出版国际理论性刊物《地理分析》，一系列重要的数量地理学研究成果均发表在该杂志上。20世纪70年代以后，数量地理学的理论日趋完善，奠定了现代空间分析的理论基础。
图1.1著名的“斯诺的霍乱地图”
4.地理信息系统
完全依靠人工计算，故只能对少数要素进行统计，严格地说只能称为“统计地理学”。20世纪60年代后，在电子计算机技术推动下，加拿大科学家RogerTomlinson首次提出“地理信息系统”（GIS）术语。地理空间分析作为GIS的核心部分之一，也是区别于计算机地图制图系统的显著特征之一。早期的GIS强调的是简单的空间查询，空间分析功能很弱或根本没有，随着GIS的发展，用户需要更多更复杂的空间分析功能，出现了多种空间分析技术，如缓冲区分析、路径分析、叠加分析、地形分析、聚类分析、空间回归分析和空间相关分析等。空间分析成为地理信息系统的核心功能，这就促进了GIS空间分析技术的发展。根据分析的数据性质不同，可以分为：①基于空间图形数据的分析运算；②基于非空间属性的数据运算；③空间和非空间数据的联合运算。利用GIS分析功能，对地理空间数据进行分析，解决复杂的变动地学应用问题，逐步形成了地理空间分析的理论和技术方法。
5.地理计算
遥感技术和GIS作为地理空间分析的有效工具带来了地理学的大发展，但地理空间数据量大和地理问题复杂，使得地理空间分析的计算陷于困境，计量革命昀初的辉煌在20世纪70年代末变得黯然失色。分析方法的缺失使得遥感技术与GIS技术的应用越来越困难，在这种情况下，20世纪90年代初，地理学家们提出需要把地理信息系统学科发展为地理信息科学。然而，地理信息科学的核心内容是什么呢？1996年英国利兹大学StanOpenshaw等主导展开**次地理计算学术会议，这次会议宣告了计算地理学作为地理学基础学科的诞生。它带来的科学思想，深刻影响着地理学及相关学科。计算地理学是信息时代地理学的标志。经过近十年的发展，计算地理学的内容基本上明确为空间数据挖掘（含图形、图像处理）、空间运筹、地理数值模拟、地理非数值模拟、地理计算平台软件工程和地理计算模式等（王铮，2011）。地理计算成为地理空间分析的核心内容，主要研究地理空间分析的方法学问题，包括算法、建模和计算体系。
近年来，大数据越来越多地被用来描述正在到来的信息爆炸的时代，急剧增长的地理空间数据已经成为大数据流的重要组成部分，空间大数据的发展将会有效化解地理信息领域长期存在的数据瓶颈问题。地球本身作为一个开放的复杂巨系统，涉及要素众多，时空变化剧烈，建模过程非常复杂。伴随着高性能计算机等硬件技术的发展及云计算和移动计算等软件技术的发展，海量地理空间数据分析、空间建模和空间优化等核心问题有待进一步研究。
1.1.2地理空间数据
人们在认识自然和改造自然活动中，长期以来用语言、文字、地图等手段表示描述自然现象和人文社会文化的发生和演变的空间位置、形状、大小范围及其分布特征等方面的地理信息（图1.2）。随着计算机技术和信息科学的引入，人们不得不将连续的以模拟方式存在于地理空间的空间物体离散化，用数字（数据）描述地球表面的地理信息，使计算机能够识别、存储和处理地理实体。空间物体离散化的基本任务就是将以图形模拟的空间物体表示成计算机能够接受的数字形式（数字化）。地理空间数据是指用来表示地理空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据，它可以用来描述来自现实世界的目标，具有定位、定性、时间和空间关系等特性。
1.地理实体的数据描述
1）地理现实世界
地理学是研究地球表面自然和人文社会现象及发展规律的科学。人们借助于外感官，探讨地球表面众多现象、过程、特征及人类和自然环境的相互关系在空间及时间上的分布。地理现实世界是复杂多样的，要正确地认识、掌握与应用这种广泛而复杂的现象，需要进行去粗取精、去伪存真的加工，这就要求对地理环境进行科学的认识。对于复杂对象的认识是一个从感性认识到理性认识的一个抽象过程。对于同一客观世界，不同社会部门或学科领域的人群，往往在所关心的问题、研究的对象等方面存在着差异，这就会产生不同的环境映象。
2）地理现实世界抽象表达
人类自从有了语言就学会了抽象表达。人类借助于外感官了解外面的地理现象，在认识过程中，从感性认识上升到理性认识，把所感知的事物的共同本质特点抽象出来，加以概括，就成为概念。在概念层次的世界充满了复杂的形状、样式、细节。人类在表达概念的过程中形成语言，包括自然语言、文字和图形。用图形表示地理世界就有了地图。地图用简单的、抽象的地图符号描述复杂的地理现象。地图在抽象概括表达过程中以两种观点描述现实世界。
（1）场的观点。地理现象在空间上是连续的充满地球表层空间的。地球表面的任何一点都处于三维空间，如果包含时间，是四维空间离散世界，如大气污染、大气降水、地表温度、土壤湿度及空气与水的流动速度和方向等。基于场的思想是把地理空间的事物和现象作为连续的变量来看待，借助物理学中场的概念表示一类具有共同属性值的地理实体或者地理目标的集合，根据应用的不同，场可以表现为二维或三维。一个二维场就是在二维空间中任何已知的点上，都有一个表现这一现象的值；而一个三维场就是在三维空间中对于任何位置来说都有一个值。一些现象，如空气污染物在空间中本质上讲是三维的。基于场模型在地理空间上任意给定的空间位置都对应一个**的属性值。根据这种属性分布的表示方法，基于场模型可分为图斑模型、等值线模型和选样模型。
图斑模型是将一个地理空间划分成一些简单的连通域，每个区域用一个简单的数学函数表示一种主要属性的变化。根据表示地理现象的不同，可以对应不同类型的属性函数。比较简单的情况，每个区域中的属性函数值保持一个常数。图斑模型常常被用于描述土壤类型、土地利用现状、植被及生物的空间分布。除了单一属性值，还有多属性值的情况。
等值线模型经常被视为由一系列等值线组成，一条等值线就是地面上所有具有相同属性值的点的有序集合。用一组等值线将地理空间划分成一些区域，每个区域中的属性值的变化是相邻的两条等值线的连续插值。等值线模型常表示等高线、等温线、大气压、地下水位线等。
选样模型是以有限的抽样数据表达地球表面无限的连续现象，地理现象在地理空间上任何一点属性值是通过有限个点的属性值插值计算的。按采样点分为无规律的离散点和规则格网点。
（2）对象观点。地球表层空间被散布的各种对象所填充，对象之间具有明确的边界，每一个对象都有一系列的属性。基于对象的思想是采用面向实体的构模方法，将地球表面的现
图1.2地理实体的描述
实世界抽象为点、线、面、体的基本单元，每个基本单元表示为一个实体对象。每个实体对象的几何位置和形态用矢量坐标表示。每个实体对象均赋以**的标志来表示，并用属性表表示实体对象的质量和数量特征。
几何数据是描述空间对象的空间形态特征，用来描述空间实体的位置、形状、大小的信息，也称位置数据、定位数据。一般用经纬度、坐标表达。
属性数据是描述空间对象的质量和数量特性，表明其“是什么”，又称非几何数据，一般通过代码给予表达。属性数据对地理要素进行语义定义。它包括各个地理单元中社会、经济或其他专题数据，是对地理单元（实体）专题内容的广泛、深刻的描述。如对象的类别、等级、名称、数量等。
关系数据是描述各个不同空间实体之间的关系（如邻接、关联、包含、连通、接近度）信息，一般通过拓扑关系表达。
除了这三个基本信息外，地理实体变化也是一个很重要的特征。时间特征在基础数据中用资料说明和作业时间来反映，描述地理数据的几何数据随时间各自独立变化，时间因素赋予地图要素动态性质，时间因素也是评价空间数据质量的重要因素。
（3）地理现实世界数字表达
为了使计算机能够识别、存储和处理地理现象，人们把地理实体数字化，表示成计算机能够接受的数字形式。数据是地理信息表达的一种形式，可以是数字、文字、图形、图像和声音等多种形式。由于人们对地理现实世界的描述只能抽象表达，所以用数据描述地理世界只能在抽象表达基础上用有限的对象描述，而不能也没有必要全面、详尽、保真地复制地理现象本身。用数据世界描述地理世界有两种形式：①基于场的观点，表达连续现象的栅格数据；②基于对象观点，表达地理离散现象的矢量数据（图1.3）。
图1.3地理实体的数据描述
矢量数据就是在直角坐标系中，用X、Y坐标表示地图图形或地理实体的位置和形状的数据。通过记录实体坐标及其关系，尽可能精确地表现点、线、多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。这种数据组织方式能昀好地逼近地理实体的空间分布特征，数据精度高，数据存储的冗余度低，便于进行地理实体的网络分析。
栅格数据就是按栅格阵列单元的行和列排列的有不同“值”的数据集。栅格结构是用大小相等、分布均匀、紧密相连的像元（网格单元）阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，是昀简单、昀直观的空间数据结构，它将地球表面划分为大小、均匀、紧密相邻的网格阵列。每一个单元（像素）的位置由它的行列号定义，所表示的实体位置隐含在栅格行列位置中，数据组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性或指向其属性的指针。点实体由一个栅格像元来表示；线实体由一定方向上连接成串的相邻栅格像元表示；面实体（区域）由具有相同属性的相邻栅格像元的块集合来表示。
2.地理空间数据的特征
地理空间数据代表了现实世界地理实体或现象在信息世界的映射，是地理空间抽象的数字描述和离散表达。地理空间数据是描述地球表面一定范围（地理圈、地理空间）内地理事物（地理实体）的位置、形态、数量、质量、分布特征、相互关系和变化规律的数据。地理空间数据作为数据的一类除具有空间特征、属性特征和时间特征三个基本特征外，还具备抽样性、时序性、详细性与概括性、专题性与选择性、多态性、不确定性、可靠性与完备性等特点。这些特点构成了地理空间数据与其他数据的差别。
1.1.3地理空间分析的定义
地理空间分析是对地理空间现象的定量研究。地理空间物体和现象是空间分析的具体研究对象。空间物体具有空间位置、分布、形态、空间关系（距离、方位、拓扑、相似和相关）等基本特征，其中空间关系是地理实体之间存在的与空间特征有关的关系，是空间数据组织、查询、分析和推理的基础。不同类型的地理实体具有不同的形态结构描述，例如，可以将地理实体划分为点、线、面和体四大要素，面具有面积、周长、形状等形态结构，如具有长度、方向等形态结构。地理空间分析还处于不断发展过程中，目前尚无一个公认的统一定义，已有定义都是基于不同的侧重点及各自的应用领域，或侧重于地理学，或侧重于测绘学，或侧重于信息学，分别对空间分析的内涵进行阐释。地理空间分析的定义可以分成两个部分：一部分是传统意义上的地理空间分析，即以地图为基础的地理空间分析叫做空间图形分析，空间图形分析的产生及发展与地图科学及地图制图技术发展息息相关；另一部分是现代意义上的地理空间分析，即以地理空间数据为基础的地理空间分析叫做空间数据分析，因为它是GIS的重要组成部分，所以又叫做GIS空间分析。
1.空间图形分析
地图上包含着空间现象诸多的数量特征和质量特征，以及现象间的联系，甚至在一张地图上，也表达出现象的发展变化。人们通过分析地图可以获得地球表面一定范围的空间表象及其联系和随时间推移的变化，从而可以得出相应的空间量度（坐标、长度、面积、高度和体积等）。
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