4.1 探索性空间统计分析

空间统计分析目录一、内容综述 (2)1. 背景介绍 (3)2. 研究目的与意义 (4)二、空间统计分析概述 (5)1. 空间统计分析定义 (6)2. 空间统计分析的发展与应用领域 (7)三、数据收集与预处理 (9)1. 数据来源 (10)2. 数据收集方法 (10)3. 数据预处理流程 (12)四、空间数据的可视化分析 (13)1. 空间数据可视化技术 (14)2. 可视化工具与平台选择 (15)3. 可视化分析结果解读 (17)五、空间数据的探索性统计分析 (18)1. 空间数据的描述性统计 (19)2. 空间数据的探索性方法 (20)3. 探索性结果分析与解释 (21)六、空间数据的定量统计分析 (23)1. 空间自相关分析 (24)2. 空间回归分析 (25)3. 空间插值分析 (26)4. 其他空间统计模型与方法 (27)七、空间统计分析的应用案例 (28)1. 城市规划与管理领域应用案例 (29)2. 生态环境保护领域应用案例 (31)3. 经济学领域应用案例 (31)4. 社会学领域应用案例 (33)八、空间统计分析的挑战与展望 (34)1. 技术挑战与解决方案 (35)2. 数据质量与可靠性问题探讨 (37)3. 未来发展趋势预测与展望 (38)九、结论与建议 (39)1. 研究总结与主要发现 (40)2. 政策建议与实施建议 (41)3. 研究不足与展望未来的研究方向 (42)一、内容综述空间统计分析是统计学的一个分支，其研究主要集中在地理空间数据和相关领域的数据分析和解释上。

随着全球定位系统、遥感技术、地理信息系统等技术的不断发展，海量的空间数据不断生成，空间统计分析的重要性愈加凸显。

本文档旨在全面介绍空间统计分析的基本概念、方法、应用及其发展趋势。

我们要明确什么是空间统计分析，空间统计分析结合了统计学与地理学，研究如何利用统计学方法分析带有空间属性的数据，揭示其内在的空间分布规律、空间关联关系以及空间演变趋势。

探索性空间统计分析的原理
探索性空间统计分析是一种用于研究地理空间数据模式、关联性和变异性的统计方法。

它的原理是基于地理空间数据的特殊性，考虑了空间自相关性和空间依赖性。

探索性空间统计分析的原理如下：
1. 空间自相关性：空间自相关性是指地理空间数据中相邻地区之间存在的相关性。

探索性空间统计分析通过计算地理空间数据点之间的距离，从而测量地理空间数据的自相关性。

2. 空间依赖性：空间依赖性是指地理空间数据的空间位置对于数据观测值的影响。

探索性空间统计分析通过使用空间权重矩阵，考虑了地理空间数据的空间依赖性。

空间权重矩阵描述了地理空间数据点之间的空间关系，可以用于计算空间依赖性的指标。

3. 空间模式：探索性空间统计分析旨在发现地理空间数据中的空间模式。

空间模式是指数据分布中的规律、趋势或聚集特征。

探索性空间统计分析通过分析空间自相关性和空间依赖性，可以检测并描述地理空间数据中的空间模式。

4. 统计指标：探索性空间统计分析使用一系列统计指标来描述地理空间数据的属性特征。

常见的统计指标包括Moran's I指数、Geary's C指数和Getis-Ord
G指数等。

这些指标测量了空间自相关性、空间依赖性和空间聚集程度等属性，有助于揭示地理空间数据的空间模式。

通过探索性空间统计分析，可以有效地发现地理空间数据中的空间模式和关联性，为进一步的地理空间分析提供基础。

第4章空间统计分析初步——第1节探索性空间统计分析探索性空间统计分析是空间统计分析的第一步，旨在揭示地理现象的空间分布模式和空间关联关系。

在进行探索性空间统计分析时，主要应用的方法包括空间自相关分析、扫描统计、点模式分析和基尼系数等。

空间自相关分析是用于评估地理现象是否呈现出空间聚集或空间离散的方法。

常用的空间自相关分析方法有Moran's I和Geary's C等。

Moran's I是一种广泛应用的空间自相关指标，它测量了地理现象在空间上的聚集或离散程度。

当Moran's I的值接近1时，表明地理现象呈现出正空间自相关，即相似的值聚集在一起；当Moran's I的值接近-1时，表明地理现象呈现出负空间自相关，即相似的值分散在一起；当Moran's I的值接近0时，表明地理现象呈现出随机分布。

扫描统计是一种常用的空间聚类分析方法，用于寻找地理现象的热点区域和冷点区域。

扫描统计的基本思想是通过不断调整和扫描的空间窗口，在不同的空间尺度上计算地理现象的局部指标，并找出具有显著性的空间聚类区域。

常用的扫描统计方法有卡斯帕-多斯的方法和波尔兹曼-莫丘特的方法等。

通过扫描统计分析，可以确定地理现象的聚集程度，并找到聚集区域的中心。

点模式分析是用于评估地理现象的点空间分布模式的方法。

在点模式分析中，主要用到的指标有距离分布函数和聚类指数等。

距离分布函数是用于描述点之间的距离分布特征的函数，常用的距离分布函数有Ripley's K函数和Clark-Evans函数等。

聚类指数是用于衡量点空间分布中聚集程度的指标，常用的聚类指数有平均距离指数和个体隔离指数等。

通过点模式分析，可以确定地理现象的点分布模式是随机分布、聚集分布还是分散分布。

基尼系数是用于评估地理现象的空间不平等程度的指标。

基尼系数的取值范围为0到1，0表示完全平等，1表示完全不平等。

常用的基尼系数有基尼指数和基尼分位数等。

研究生课程探索性空间数据分析杜世宏北京大学遥感与GIS研究所提纲一、地统计基础二、探索性数据分析•地统计（Geostatistics）又称地质统计，是在法国著名统计学家Matheron大量理论研究的基础上逐渐形成的一门新的统计学分支。

它是以区域化变量为基础，借助变异函数，研究既具有随机性又具有结构性，或空间相关性和依赖性的自然现象的一门科学。

凡是与空间数据的结构性和随机性，或空间相关性和依赖性，或空间格局与变异有关的研究，并对这些数据进行最优无偏内插估计，或模拟这些数据的离散性、波动性时，皆可应用地统计学的理论与方法。

•地统计学与经典统计学的共同之处在于：它们都是在大量采样的基础上，通过对样本属性值的频率分布或均值、方差关系及其相应规则的分析，确定其空间分布格局与相关关系。

但地统计学区别于经典统计学的最大特点是：地统计学既考虑到样本值的大小，又重视样本空间位置及样本间的距离，弥补了经典统计学忽略空间方位的缺陷。

•地统计分析理论基础包括前提假设、区域化变量、变异分析和空间估值。

• 1. 前提假设–⑴随机过程。

与经典统计学相同的是，地统计学也是在大量样本的基础上，通过分析样本间的规律，探索其分布规律，并进行预测。

地统计学认为研究区域中的所有样本值都是随机过程的结果，即所有样本值都不是相互独立的，它们是遵循一定的内在规律的。

因此地统计学就是要揭示这种内在规律，并进行预测。

–⑵正态分布。

在统计学分析中，假设大量样本是服从正态分布的，地统计学也不例外。

在获得数据后首先应对数据进行分析，若不符合正态分布的假设，应对数据进行变换，转为符合正态分布的形式，并尽量选取可逆的变换形式。

• 1. 前提假设–（3）平稳性。

对于统计学而言，重复的观点是其理论基础。

统计学认为，从大量重复的观察中可以进行预测和估计，并可以了解估计的变化性和不确定性。

–对于大部分的空间数据而言，平稳性的假设是合理的。

其中包括两种平稳性：•一是均值平稳，即假设均值是不变的并且与位置无关；•另一类是与协方差函数有关的二阶平稳和与半变异函数有关的内蕴平稳。

探索性空间统计分析和地统计分析探索性空间统计分析（Exploratory Spatial Data Analysis，简称ESDA）和地统计分析（Geostatistical Analysis）是两种常用的空间数据分析方法。

它们的目标都是通过统计方法来描述和分析地理现象及其空间分布规律，但在方法和应用上存在一些区别。

首先，探索性空间统计分析是一种通过可视化和统计方法来探索和描述空间数据的分析方法。

它主要关注地理现象的空间分布特征，以及空间相邻性和空间自相关性等空间关联性质。

ESDA通常包括一系列的分析步骤，如制作空间点图、计算空间变量的描述统计指标、绘制空间变量的直方图和箱线图等。

其中最重要的是通过制作空间点图来可视化空间分布特征，以便于进一步分析和解释。

其次，地统计分析是一种基于统计和概率方法来模拟和揭示地理现象的空间变异性的分析方法。

它主要关注地理现象在空间上的变异程度、空间趋势以及随机性等方面。

地统计分析通常基于经验半变异函数，通过计算样点之间的空间自相关性来揭示空间变异性的模式。

在地统计分析中最常用的模型是半变异函数模型，通过拟合半变异函数来估计空间自相关的程度和范围。

此外，地统计分析还可用于插值、空间预测和决策支持等方面的应用。

ESDA和地统计分析在应用上有一些区别。

ESDA更适用于对空间数据进行初步的探索和分析，通过可视化和描述统计的方法来了解空间数据的基本特征和分布规律，进而为后续的分析和建模奠定基础。

而地统计分析则更适合于模拟和预测地理现象的空间变异性，通过拟合空间模型来揭示地理现象的空间趋势和变异程度。

地统计分析较为复杂，需要有一定的空间统计知识和数据处理技巧。

总之，探索性空间统计分析和地统计分析是两种常用的空间数据分析方法，它们通过统计方法来描述和分析地理现象及其空间分布规律。

ESDA 注重空间数据的可视化和描述统计，而地统计分析则注重空间变异性的建模和推断。

两种方法在应用上有所区别，但在实际分析中常常可以相互补充和结合使用，以提高对空间数据的理解和解释能力。

空间统计方法概述空间计量探索性空间分析截面数据空间计量模型地理加权回归模型空间面板计量模型一、探索性空间分析：1.探索性空间分析步骤1）对空间单元进行配对和采样，建立起空间权重矩阵。

2）计算空间自相关系数，包括全域空间自相关系数、局域空间自相关系数。

3）空间自相关系数的显著性检验。

2.空间权重矩阵1）空间权重矩阵是一种与被解释变量及被解释变量的空间自回归过程相联系的矩阵，用符号W表示。

2）空间权重矩阵的设定可依据观测对象的地理空间关联或者经济联系来设定权值，W ij衡量地理联系的方法通常有邻近标准和距离标准，按照此种方法确定的W ij为二进制的邻近空间权值矩阵，表示其中的任一元素，采用邻近标准或距离标准。

3）邻近空间矩阵相关概念分为一阶邻近和高阶邻近，在一阶邻近中，当两个地区有共同边界时才会发生空间关联，用1表示，否则用0表示。

邻近规则有线性相邻、车相邻、象相邻、和王后相邻。

邻近空间矩阵对称且计算简单，适用于测算地理空间效应的影响。

4）距离空间矩阵相关概念此方法是假定空间相互作用的强度是决定于地区间的质心距离或者区域行政中心所在地之间的距离。

不同的权值指标随着距离d ij的定义而变化，其取值取决于选定的函数形式，有距离的倒数或倒数的平方、欧式距离等。

空间自相关测度点数据基于密度的方法样方计数法核密度估计基于距离的方法最近邻指数、G-函数、F-函数K-函数、M-函数面数据全局H指数、Moran’s IGeary C、广义G统计量局域局部Moran’s I、局部Geary C局部G统计量、Moran散点图3.空间数据1）空间数据的特征A．观测对象并不独立，所以具有空间依赖性。

B．空间异质性，表示数据的不平稳性。

C．可塑面积单元问题，表示因面积单元的定义不同而导致数据分析结果的不同。

D．空间数据的不确定性，来源于测量上、数据表示方法上、数据分析方法上的不确定性。

2）点数据点数据是零维的，可以是单独对象目标的抽象表达，也可以是地理单元的抽象表达。

空间数据的探索性分析空间数据的探索性分析随着数据获取技术的迅猛发展，空间数据正以指数式增长，从而使得空间数据的处理和研究显得尤为突出。

因此，有必要对空间数据进行探索性分析。

1.1空间自相关分析空间自相关分析是指邻近空间区域单位上某变量的同一属性值之间的相关程度，主要用空间自相关系数进行度量并检验区域单位的这一属性值在空间区域上是否具有高高相邻，低低相邻或者高低间错分布，即有无聚集性。

若相邻区域间同一属性值表现出相同或相似的相关程度，即属性值在空间区域上呈现高（低）的地方邻近区域也高（低），则称为空间正相关；若相邻区域间同一属性值表现出不同的相关程度，即属性值在空间区域上呈现高（低）的地方邻近区域低（高），则称为空间负相关；若相邻区域间同一属性值不表现任何依赖关系，即呈随机分布，则称为空间不相关。

空间自相关分析分为全局空间自相关分析和局部空间自相关分析，全局自相关分析是从整个研究区域内探测变量在空间分布上的聚集性；局域空间自相关分析是从特定局部区域内探测变量在空间分布上的聚集性，并能够得出具体的聚集类型及聚集区域位置，常用的方法有Moran's I 、Gear's C 、Getis 、Morans 散点图等。

1.1.1全局空间自相关分析全局空间自相关分析主要用Moran's I 系数来反映属性变量在整个研究区域范围内的空间聚集程度。

首先，全局Moran's I 统计法假定研究对象之间不存在任何空间相关性，然后通过Z-score 得分检验来验证假设是否成立。

Moran's I 系数公式如下：I =n ∑∑w ij (x i ?x?)(x j ?x?)n j=1n i=1(∑∑w ij n j=1n i=1)∑(x ix?)2n i=1 其中，n 表示研究对象空间的区域数；x i 表示第i 个区域内的属性值（如发病率），x j 表示第j 个区域内的属性值，x?表示所研究区域的属性值的平均值（如平均发病率）；w ij 表示空间权重矩阵，一般为对称矩阵，其中w ij =0。