二章空间数据.ppt
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1、,第二章 空间数据,21 基本概念,22 数据的基本特性,23 数据的尺度,24 空间数据的基本特性,25 空间抽样,26 空间数据的表示,主要内容:,第二章 空间数据,21 基本概念,一、地理空间和分析空间,地理空间:人类赖于生存的地球表层具有一定厚度的连续空间域, 是一个空心的椭球体。,分析空间:数据处理的空间(2D,2.5D,3D),可以用二维实数空间R2或三维实数空间R3来定量描述。,空间分析的目的是提取空间信息,而空间分析的对象是空间数据。空间数据是描述地球表层(有一定厚度)一定范围内的地理事物及其关系的数据。,地理空间,分析空间,二、空间物体与空间实体,空间物体(Spatial O
2、bject):具有特定的位置和形态特征并具有地理意义的地理空间的物体,是数字表示的物体。,空间实体(Spatial Entity) :地理空间中客观存在的物体。,一般地说,空间物体是根据分析应用的需要对空间实体进行的抽象表示,第二章 空间数据,21 基本概念,三、空间物体的维数与延展度 空间物体的维数:随应用环境而定,取决于分析空间的维数 空间物体的延展度:反映了空间物体的空间延展特性。,空间物体的维数和延展度构成了对空间物体的几何特征的概括与描述,是对空间物体以数字表示的坐标串的补充,可以用来进行空间分析运算、语法正确性的检验、数据正确性的检验。,第二章 空间数据,21 基本概念,四、空间变
3、量和空间物体的属性,空间变量:随着空间物体的延展而变化的地理现象(变量)。是对作为其定义域的空间物体的局部描述。如:河流的深度,水流的速度,水面宽度等。,空间物体的属性:空间物体的几何特征,不随空间物体延展性而变化的量。对空间物体全局的描述。如:河流的名称、长度。区域面积等。,第二章 空间数据,21 基本概念,22 数据的基本特性,2、信息,信息是现实世界在人们头脑中的反映。它以文字、数据、符号、声音、图象等形式记录下来,进行传递和处理,为人们的生产,建设,管理等提供依据。,第二章 空间数据,1、数据,指输入到计算机并能被计算机进行处理的数字、文字、符号、声音、图象等符号。 数据是对客观现象的
4、表示,数据本身并没有意义。数据的格式往往和具体的计算机系统有关,随载荷它的物理设备的形式而改变。 数据不是事物本身有,因为: 1)数据只能从有限的方面去描述事物。 2)数据存在各种误差。,数据是信息的表达、载体,信息是数据的内涵,是形与质的关系。,4、数据的基本特性,1)选择性:侧面的取舍、存在方式的选择。 2)可靠性(正确性):任何描述是相对精确的, 3)时间性:体现了data的现势性 4)完备性:空间、时间、主题的完备性。 5)详细性:指数据的分辨率,也就是可描述最细微差异的程度及最微小物体的大小。详细性的对偶是综合性。,22 数据的基本特性,第二章 空间数据,f7,第二章 空间数据,23
5、 数据的尺度,一、尺度:比较事物的标准,1、名义尺度(Nominal):描述事物名义上的差异,往往是质的差异。 如人可以按民族分为汉、回、臧、蒙古等。 注:名义尺度不能排序,也不分等级,只区分事物的异同。 2、有序尺度(Ordinal):表示事物的等级和次序概念,这种等级或次序比名义尺 度稍具“量”的色彩。如社会经济条件可分为好、中、差。 注:可以反映事物的异同,但可以对数据进行排序,次序具有反对称性和传递性。 3、间隔尺度(Interval):可以定量的描述事物间差异的大小。 注:可以表示事物的异同,也可以排序、分等级。 4、比率尺度(Ratio):可以明确描述事物间的比率关系。 注:具有I
6、nterval描述事物的差异的一切能力,是Interval的一种特殊情况。,AA,AB,BC,则AC,各种数据测量尺度以及其制图表现,第二章 空间数据,23 数据的尺度,二、四个尺度的关系,1)量的概念不断增强 N O I R 2)可以互相转化,但顺序相反。 R I O N 3)Nominal和Ordinal是定性描述,不能施以直接的数值运算,但可以施以间接的数值分析。 Interval和Ratio是定量描述,可同等对待。 4)尺度差别不是事物本质的差异,而是人们对事物考察角度的差异。,增强,转换方向,第二章 空间数据,23 数据的尺度,24 空间数据的基本特性,一、抽样性,二、概括性 是地图
7、数据处理的一种手段,是对地理物体的化简和综合。,三、多态性 1)同样地物在不同情况下的形态差异。河流的单、双线表示。 2)不同地物占据同样的空间位置。如社会经济人文数据与自然环境数据在空间位置上的重叠,长江与省界、县界相重叠。,空间物体以连续的模拟方式存在于地理空间,为了能以数字的方式对其进行描述,必须将其离散化,即以有限的抽样数据表述无限的连续物体。,空间数据的自身特性构成了空间分析的条件和任务,用采样点 描述原始曲线,综合前,综合后,第二章 空间数据,四、空间性,指空间物体的位置、形态及由此产生的系列特性。,五、时态性 空间事物随时间而变化的特性。,24 空间数据的基本特性,第二章 空间数
8、据,25 空间数据预处理,我们得到的数据往往有缺失,需要进行补充,使其完备。空间数据的完备化,包括空间插值和缺值处理技术。插值和缺值技术的区别在于前者主要依据抽样点之间的几何关系和关联信息进行补值,后者根据先验知识或最大似然原理进行补值,1、 空间数据的缺值处理,插值方法补充缺值: (1)在同一时刻不同地点的数据中出现数据丢失,则可利用空间上的相关性,采用一定的插值方法补充完整; (2)在不同时刻同一地点数据中出现数据丢失,可以使用时间序列分析的方法来补充数据完整。,1、 空间数据的缺值处理,缺值问题处理: (1)对模型的参数进行估计 (2)对丢失的数据进行估计 具体方法: 排除那些数据不完整
9、的单元;重新估计缺值单元权重;替代缺值单元,1、 空间数据的缺值处理,缺值问题处理分类: 1.基于完整记录单元的方法 当某些单元没有记录时,权宜之计就是暂时将之抛开,而仅用完整单元的数据进行以后的计算;(记录删除法) 2.基于替代的方法 以某种数据替代丢失单元的数据,而随后使用对待完整数据的标准方法对此进行分析。(均值取代) 3.权重方法 对于每种数据的产生,各个数据都有其特定的权重,如果某个数据缺失,我们可以重新计算权重。(成对数据删除法) 4.基于模型的方法 对缺失数据单元应用一定的模型(回归,EM算法等),通过计算模型参数,进而估计缺失值。,1、 空间数据的缺值处理,缺值问题处理分类:
10、4.基于模型的方法 对缺失数据单元应用一定的模型(回归,EM算法等),通过计算模型参数,进而估计缺失值。 (1)回归方法:从完全数据集中回归拟合出目标变量计算式(用其他变量回归关系),并由此式计算目标量缺失值。 (2)期望最大化法:假定多变量符合一定的数学连续分布函数,通过均值取代及求出现概率最大化不断反复过程,达到收敛时为止,插值最优。,2、 空间数据插值,空间插值是在未采样点估计一个变量值的过程。Tobler地理定律约定在空间上接近的测点比那些远远分开的测点更相似。,2、 空间数据插值,常用插值方法: 1.最近邻法 核心思想:插值点的变量值与距离它最近的测点的变量值相同,在具体的插值过程中
11、,就是将距待估点最近的测点的变量值赋给待估点,作为待估点的变量值。 特点:插值点的变量值与距离它最近的测点的变量值相同;与空间位置有关,而不需要知道样本点发生的统计规律。 适用情况:较普遍使用,特别在较小区域,变量空间变异性不明显;不需要先验条件,简单,效率高。但受样本点位置影响,会产生不光滑表面,2、空间数据插值,2.算术平均值 假设变量值在给定的区域内是个常数,因而可以据此区域内所有测值的平均值来估计插值点的变量值。 特点: 主观性的区域选择影响到插值结果,可采用专家系统方法纠正 适用情况: 算法比较简单,容易实现。但只考虑算术平均,没有顾及更细微的空间因素,在实际应用中效果不一定理想。,
12、2、 空间数据插值,3.距离反比法 属于距离权重系数方法系列,一个原则就是给予距离近的点的权重大于距离远的点的权重。 特点:受权重函数选择的影响 适用情况: 简便易行,可为变量值变化大的数据集提供合理的结果;此外,很少出现没法解释的结果,但受非均匀分布数据点的影响较大,有冗余,预测功能差。,2、 空间数据插值,4.多项式插值 经典插值方法,使用代数多项式或三角多项式作为全局方程式来拟合研究区域;要求已知点数至少大于未知系数个数。 适用情况: 已知点的变量值和坐标数据,再给定多项式的表达式,可估计出所有插值点的变量值,光滑较好。但纯数学函数有时不能客观反应地学规律。,2、 空间数据插值,5.高次
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