《地统计分析》PPT课件.ppt
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1、第15章 ArcGIS地统计分析n n地统计分析方法是空间统计学的一个重要分支,地统计分析方法是空间统计学的一个重要分支,被广泛应用于许多领域。被广泛应用于许多领域。ArcGISArcGIS地统计分析功能地统计分析功能是借助于是借助于ArcGISArcGIS地统计分析模块(地统计分析模块(ArcGIS ArcGIS Geostatistical AnalystGeostatistical Analyst)来实现的。)来实现的。ArcGISArcGIS地统计地统计分析模块使得复杂的地统计方法可以在软件中轻分析模块使得复杂的地统计方法可以在软件中轻易实现。本章主要通过对地统计分析的概念介绍,易实现
2、。本章主要通过对地统计分析的概念介绍,逐步引导读者在逐步引导读者在ARCGISARCGIS中,如何应用地统计分中,如何应用地统计分析解决实际问题。析解决实际问题。10.1 ArcGIS地统计分析概述n n很长时间以来,地统计分析一直没能很好的很长时间以来,地统计分析一直没能很好的和和GISGIS分析模型紧密地结合在一起,而分析模型紧密地结合在一起,而ArcGISArcGIS地统计分析模块则在地统计学与地统计分析模块则在地统计学与GISGIS之间架起了之间架起了一座桥梁。一座桥梁。10.1.1 ArcGIS地统计分析模块介绍n nArcGISArcGIS地统计分析模块(地统计分析模块(ArcGI
3、S Geostatistical ArcGIS Geostatistical AnalystAnalyst)是一个完整的工具包,它带有为默认模型设)是一个完整的工具包,它带有为默认模型设计的稳定性参数。这样可以帮助初学者快速的掌握地统计的稳定性参数。这样可以帮助初学者快速的掌握地统计分析。计分析。10.1.2 地统计分析基础简介n n地统计(地统计(GeostatisticsGeostatistics)又称地质统计,也可以称为空)又称地质统计,也可以称为空间统计分析,其是统计学的一个分支。地统计于间统计分析,其是统计学的一个分支。地统计于2020世纪世纪5050年代初开始形成,年代初开始形成,
4、6060年代在法国著名统计学家年代在法国著名统计学家G.G.MatheronMatheron的大量理论研究工作基础上,形成一门新的统的大量理论研究工作基础上,形成一门新的统计学分支。计学分支。n n地统计学是以区域化变量理论(地统计学是以区域化变量理论(theory of regionalized theory of regionalized variablevariable)为基础,以变异函数()为基础,以变异函数(variogramvariogram)为基本工具)为基本工具来研究分布于空间,并呈现出一定的随机性和结构性的来研究分布于空间,并呈现出一定的随机性和结构性的自然现象的科学。自然现
5、象的科学。10.2 探索性数据分析工具n n探索性数据分析可以让用户更清楚地了解所探索性数据分析可以让用户更清楚地了解所用的探索性数据,包括数据的属性、分布以及用的探索性数据,包括数据的属性、分布以及空间数据的变异性和相关性,并以此来分析数空间数据的变异性和相关性,并以此来分析数据的变化趋势,从而利用已知的数据来推测拟据的变化趋势,从而利用已知的数据来推测拟合未知的数据。探索性数据分析也可以让用户合未知的数据。探索性数据分析也可以让用户更深入地认识研究对象,从而对与其数据相关更深入地认识研究对象,从而对与其数据相关的问题做出更好的分析与决策。的问题做出更好的分析与决策。n n探索性数据分析需要
6、借助于探索性数据分析需要借助于ArcGISArcGIS的探索性的探索性数据分析工具。数据分析工具。10.2.1 添加探索性数据分析工具n n通常,通常,ArcGISArcGIS的探索性数据分析模块并没有的探索性数据分析模块并没有打开,在默认界面上没有探索性数据分析工具,打开,在默认界面上没有探索性数据分析工具,需要手动添加。添加方法如下。需要手动添加。添加方法如下。n n(1 1)开启地统计分析扩展模块:单击)开启地统计分析扩展模块:单击ArcMAPArcMAP界面上界面上“工具工具”“扩展扩展”命令,弹命令,弹出出“扩展扩展”对话框,确保对话框,确保Geostatistical Analys
7、tGeostatistical Analyst的复选框被选中。的复选框被选中。n n(2 2)添加)添加Geostatistical AnalystGeostatistical Analyst工具条。选择工具条。选择ArcMAPArcMAP界面上的界面上的“视图视图”菜单菜单 “工具条工具条”命令,确保命令,确保Geostatistical AnalystGeostatistical Analyst工具条被选中。工具条被选中。之后,在之后,在ArcMAPArcMAP工具栏将出现工具栏将出现Geostatistical Geostatistical AnalystAnalyst工具条。工具条。1
8、0.2.2 Histogram(直方图)n nHistogramHistogram(直方图)指对采样数据按一定的(直方图)指对采样数据按一定的分级方案进行分级,统计采样点落入各个级别分级方案进行分级,统计采样点落入各个级别中的个数或占总采样数的百分比,并通过条带中的个数或占总采样数的百分比,并通过条带图或柱状图表现出来。直方图可以直观的反映图或柱状图表现出来。直方图可以直观的反映采样数据分布特征与规律。采样数据分布特征与规律。10.2.3 正态QQPlot分布图)和普通QQPlot分布图n nQQPlotQQPlot分布图是分布图是可以将现有数据的分布与标可以将现有数据的分布与标准正态分布对比
9、,从而来分析和评价现有数据。准正态分布对比,从而来分析和评价现有数据。其是利用分布的分位数而作出的图形,如果数其是利用分布的分位数而作出的图形,如果数据图形越接近一条直线,则它越接近于服从正据图形越接近一条直线,则它越接近于服从正态分布。态分布。n n1 1Normal QQPlotNormal QQPlot分布图(正态分布图(正态QQPlotQQPlot分布图分布图)n n2 2General QQPlotGeneral QQPlot分布图(普通分布图(普通QQPlotQQPlot分布分布图)图)10.2.4 Trend Analysis(趋势分析)n n趋势分析可以利用样点数据生成以数据某
10、一趋势分析可以利用样点数据生成以数据某一属性值为高度的三维透视图,从而帮助用户从属性值为高度的三维透视图,从而帮助用户从不同视角分析采样数据集的全局趋势。不同视角分析采样数据集的全局趋势。n n样点的位置由样点的位置由X X、Y Y和和Z3Z3个值来决定。个值来决定。X X、Y Y确定样点平面坐标,确定样点平面坐标,Z Z值则是样点数据的某一属值则是样点数据的某一属性值。三维透视图中的每个黑线就代表了样点性值。三维透视图中的每个黑线就代表了样点的位置和高度,位置就是样点的位置和高度,位置就是样点X X、Y Y平面坐标,平面坐标,高度即样点数据的某一属性值的大小。高度即样点数据的某一属性值的大小
11、。10.2.5 Voronoi Map(Voronoi地图)n nVoronoiVoronoi地图是由样点以及样点周围的一系列地图是由样点以及样点周围的一系列多边形所组成。多边形生成的要求就是多边形多边形所组成。多边形生成的要求就是多边形内任何位置距这一样点的距离都,比该多边形内任何位置距这一样点的距离都,比该多边形到其他样点的距离要近。到其他样点的距离要近。Voronoi Voronoi 多边形生成之多边形生成之后,相邻的点就被定义为其后,相邻的点就被定义为其VoronoiVoronoi多边形,与多边形,与选择样点的选择样点的VoronoiVoronoi多边形具有公共边的其他样多边形具有公共
12、边的其他样点。点。n n 10.2.6 Semivariogram/Covariance Cloud(半变异/协方差函数云)n n半变异协方差函数云表示的是数据集中所半变异协方差函数云表示的是数据集中所有样点对的理论半变异值和协方差,并把它们有样点对的理论半变异值和协方差,并把它们用两点间距离的函数来表示,用此函数作图来用两点间距离的函数来表示,用此函数作图来表示。表示。10.2.7 Crosscovariance Cloud(正交协方差函数云)n n正交协方差函数云表示的是两个数据集中所正交协方差函数云表示的是两个数据集中所有样点对的理论正交协方差,并把它们用两点有样点对的理论正交协方差,并
13、把它们用两点间距离的函数来表示。间距离的函数来表示。10.3 探索性数据分析n n对于一组模式未知的数据,可以有很多方法来处对于一组模式未知的数据,可以有很多方法来处理,当数据偏离严格假定所描述的理想模型,古典理,当数据偏离严格假定所描述的理想模型,古典统计技术可能不适用。探索性数据分析技术统计技术可能不适用。探索性数据分析技术新新开发的稳健、高效的数据分析方法,可以让用户更开发的稳健、高效的数据分析方法,可以让用户更全面地了自己使用的数据。可以借助其来查看数据全面地了自己使用的数据。可以借助其来查看数据是否服从正态分布,是否存在某种趋势效应、各向是否服从正态分布,是否存在某种趋势效应、各向异
14、性等。异性等。n n探索性数据分析主要利用探索性数据分析主要利用ArcGIS ArcGIS 提供的工具和插提供的工具和插值方法,可以确定统计数据属性,探测数据分布、值方法,可以确定统计数据属性,探测数据分布、全局和局部异常值、寻求全局的变化趋势、研究空全局和局部异常值、寻求全局的变化趋势、研究空间自相关和理解多种数据集之间相关性。间自相关和理解多种数据集之间相关性。10.3.1 检验数据分布n n在地统计分析中,克里格方法建立在一定的假设在地统计分析中,克里格方法建立在一定的假设基础上,其在一定程度上要求所有数据值具有相同基础上,其在一定程度上要求所有数据值具有相同的变异性。另外,普通克里格法
15、、简单克里格法和的变异性。另外,普通克里格法、简单克里格法和泛克里格法等都假设数据服从正态分布。如果数据泛克里格法等都假设数据服从正态分布。如果数据不服从正态分布,需要进行一定的数据变换,从而不服从正态分布,需要进行一定的数据变换,从而使其服从正态分布。因此,在进行地统计分析前,使其服从正态分布。因此,在进行地统计分析前,检验数据分布特征,了解和认识数据具有非常重要检验数据分布特征,了解和认识数据具有非常重要的意义。数据的检验可以通过直方图和正态的意义。数据的检验可以通过直方图和正态QQPlotQQPlot分布图完成。分布图完成。n n1 1通过直方图检验数据分布通过直方图检验数据分布n n2
16、 2通过通过QQplotQQplot图检验数据分布图检验数据分布10.3.2 寻找数据离群值n n在一组平行测定数据中,有时会出现个别值与在一组平行测定数据中,有时会出现个别值与其他值相差较远,这种值叫离群值。数据离群值其他值相差较远,这种值叫离群值。数据离群值分为全局离群值和局部离群值两大类。全局离群分为全局离群值和局部离群值两大类。全局离群值是指对于数据集中所有点来讲,具有很高或很值是指对于数据集中所有点来讲,具有很高或很低的值的观测样点。局部离群值对于整个数据集低的值的观测样点。局部离群值对于整个数据集来讲,观测样点的值处于正常范围,但与其相邻来讲,观测样点的值处于正常范围,但与其相邻测
17、量点比较,它又偏高或偏低。测量点比较,它又偏高或偏低。n n1 1利用直方图查找离群值利用直方图查找离群值n n2 2利用半变异利用半变异/协方差函数云识别离群值协方差函数云识别离群值n n3 3利用利用VoronoiVoronoi图查找局部离群值图查找局部离群值10.3.3 全局趋势分析n n全局趋势分析可以通过全局趋势分析可以通过Trend AnalysisTrend Analysis(趋势分趋势分析析)工具来实现。地物的空间趋势反映了空间物工具来实现。地物的空间趋势反映了空间物体在空间区域上变化的主体特征。体在空间区域上变化的主体特征。n n趋势面分析主要依靠空间样点数据,通过数学趋势面
18、分析主要依靠空间样点数据,通过数学的方法来拟合一个空间曲面,从而大致反映其空的方法来拟合一个空间曲面,从而大致反映其空间分布的变化情况。值得注意的是一个表面主要间分布的变化情况。值得注意的是一个表面主要是由确定的全局趋势和随机的变异误差来共同确是由确定的全局趋势和随机的变异误差来共同确定的。而趋势面分析则会忽略这种局部的变异,定的。而趋势面分析则会忽略这种局部的变异,只揭示其空间物体变化的总体规律。只揭示其空间物体变化的总体规律。10.3.4 空间自相关及方向变异n n地理空间自相关是指时间序列相邻数值间的相地理空间自相关是指时间序列相邻数值间的相关关系。大部分的地理现象都具有空间相关特性,关
19、关系。大部分的地理现象都具有空间相关特性,即距离越近的两事物越相似。地理研究对象普遍即距离越近的两事物越相似。地理研究对象普遍存在的变量间的关系中,确定性的是函数关系,存在的变量间的关系中,确定性的是函数关系,非确定性的是相关关系。如果存在空间自相关,非确定性的是相关关系。如果存在空间自相关,那么该变量本身存在某种数学模型。半变异那么该变量本身存在某种数学模型。半变异/协协方差函数云图就是这种关系的定量化表示。方差函数云图就是这种关系的定量化表示。10.3.5 多数据集协变分析n n世界上的事务不会孤立存在,它们都是处于世界上的事务不会孤立存在,它们都是处于广泛联系之中的,并相互制约和相互影响
20、。变广泛联系之中的,并相互制约和相互影响。变分析主要通过分析多因素(数据集)关联特征,分析主要通过分析多因素(数据集)关联特征,在地统计空间分析中可以有效利用这种相关特在地统计空间分析中可以有效利用这种相关特征增强建模效果,如协同克里格插值分析。征增强建模效果,如协同克里格插值分析。10.4 空间确定性插值n n对采样数据进行分析,并对采样区地理特征认识之后,对采样数据进行分析,并对采样区地理特征认识之后,便要选择合适的空间内插方法来创建表面。插值方法按便要选择合适的空间内插方法来创建表面。插值方法按其实现的数学原理可以分为两类,一类是确定性插值方其实现的数学原理可以分为两类,一类是确定性插值
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