1、第21章 空间统计学软件包,汇报人：李庆君,本章概要,1、空间统计软件的必要性2、Meta建模的优势3、几款空间统计软件介绍,1. 空间统计软件的必要性,由于空间信息分析理论较为复杂，对于一般科研人员而言掌握难度大、耗费精力多。为此，世界各地的学者和研究机构及一些软件开发商已经研制了众多的空间分析软件包，这些软件包有的关注与某一类型的空间数据的分析，对空间数据分析在特定领域（如犯罪分析、公共卫生研究）的应用起到了极大的推动作用；有些则试图发展尽可能全面的空间分析功能，对空间分析理论和方法的研究和实践具有重要的意义。,2. 空间分析软件包的分类,空间分析理论来源于地理学和地质学。由于地理学和地质
2、学研究对象不同，所涉及的数据特点和分析方法不同，造成两大流派在软件功能、结构、风格上的不同。源于地质学的空间分析软件包一般均以地统计数据为主要研究对象。其空间分析方法以Kriging为代表，相关的软件也比较成熟，如GISlab等。地理学者所关注的空间现象主要包括点数据和多边形数据。他们研发的空间信息分析软件包多以空间相关性和空间异质性为其理论核心。,3.几款空间统计软件应用,3.1 GeoDa:空间统计分析软件,GeoDa是一个设计实现栅格数据探求性空间数据分析（ESDA）的软件工具集合体的最新成果。它向用户提供一个友好的和图示的界面用以描述空间数据分析，比如自相关性统计和异常值指示等。它基于
3、动态连接窗口技术，利用多张地图和统计图表来实现交互操作。,3.1.1 有关GeoDa,GeoDa主要支持的数据格式是ArcView的shape文件。当将文件导入软件后，用户可以利用菜单里9个菜单项进行各种分析。GeoDa软件菜单栏的每项菜单都具有特定功能，其中最重要的菜单项在工具条内都有相应的图标与菜单栏。Space菜单用来进行度量数据空间自相关性等探索性空间数据分析，包括Moran散点图及Morans I推断、二元散点图及Morans I推断、发生率的Moran散点图，局域Morans 显著性地图。,图 GeoDa 载入亚特兰大州数据截图,图 GeoDa 建立权重矩阵,图 GeoDa 以FI
4、PSNO为依赖变量进行Regression分析,图 Regression分析结果,3.2 CrimeStat,Crimestat软件由美国Ned Levine博士主持开发，由美国National Institute of Justice等机构资助。 CrimeStat软件包括5个部分：数据设置、空间描述、空间模型、犯罪旅行需求、和选项设置。CrimeStat软件输入项为事件发生的地点，在数据设置中可以指定主要文件、次要文件和参照文件等。,1.空间描述，用于描述点的空间分布特征，主要的指标包括平均中心、最近距离中心、标准偏移椭圆、Morans I、Moran相关图、平均方向等。 2.距离统计描述
5、，用于识别点空间分布是否具有聚集性，如最临近分析、线性最临近分析Ripley的K函数和距离矩阵演算等； 3、热点分析，用于寻找点集中分布区域，包括层次邻近分析、风险修正的层次邻近分析、STAC、K均值和局域Morans I 统计等统计分析形式。,3.2.1 CrimeStat空间分析的类别,3.2.2 CrimeStat空间分析的类别,4.单变量核密度估计，通常生成密度表面或事件发生频率的等值线； 5.双变量核密度估计，通常为事件发生频率与基准水平的比较 6.时空分析，分析点时空分布规律，包括计算Knox系数、Mantel系数，时空移动平均数和关联旅程分析等； 7.犯罪旅程分析，包括定标、估计
6、和绘制犯罪轨迹图。,CrimeStat案例一,-利用CrimeStat计算NNI（最临近距离统计）,图 CrimeStat中导入数据,图 NNI为0.81523 小于1 所以该区域呈聚集分布,CrimeStat案例二,-利用CrimeStat进行Ripleys K函数分析,图 CrimeStat进行Spatial description,图 Ripleys K函数分析结果展示,3.2.3 犯罪旅行需求,犯罪旅行需求是CrimeStat软件独有的专业特色功能，其是旅行需求理论在犯罪分析中的应用。1.旅行发生器，包含独立的旅行发生和旅行吸引力模型； 2.旅行分布，用于计算观测的旅行分布、模拟旅行分
7、布、比较观测的与预报的旅行距离的分布； 3.模式划分，根据不同的起源- 目的地组合，划分五中不同旅行模式； 4.网络分配，估计可能的旅行线路，包括网络段的总容量，这个网络可以使用除距离之外的旅行时间、旅行速度或旅行花费来模拟。,3.3 WinBUGS和GeoBUGS,WinBUGS是在BUGS基础上开发面向对象交互式的Windows软件版本，BUGS软件最初于1989年由位于英国剑桥的生物统计学研究所研制的。WinBUGS可以方便地对许多常用和复杂模型（如层次模型、交叉设计模型、空间和事件作为随机效应的一般线性混合模型、潜变量模型、脆弱模型，因变量的测量误差，协变量、截尾数据）,3.3.1 W
8、inBUGS构建模型,WinBUGS软件中，构建模型是进行分析的最关键步骤。WinBUGS软件采用一种混合文档作为其文件格式。在一个混合文档中，可以包括文字、表格、公式、图表、图形等众多信息。模型同样是混合文档的一个部分，通过model这一关键字来区分。,3.3.2 GeoBUGS简介,GeoBUGS则是WinBUGS中一个特别的模块，可以产生和管理空间邻接矩阵、空间条件自回归模型的计算，并为计算的结果提供图形输出功能。,图 GeoBUGS 界面- 图片来自百度图片,3.4 SatScan：空间扫描软件,SatScan软件是一款用空间、时间或时空扫描统计量分析空间、时间和时空数据的免费软件，其
9、由哈佛大学公共医学院Martin Kulldorff博士开发。,3.4.1 SatScan应用,SatScan软件主要应用于以下几个方面： 1、实施疾病地理检测，探测疾病在空间、时空分布上的聚类，并检验它们是否具有统计显著性。 2、检验某种疾病在时间、空间、时空上是否服从随机分布； 3、计算某种疾病聚类警报的统计显著性； 4、为疾病爆发早起探测重复进行定期疾病检测等。,3.4.2 SatScan数据,在利用SatScan软件进行空间分析时，通常需要根据病例数据的空间分布概率模型选择输入以下格式的数据：病例数据、对照人群数据、人口数据、坐标数据、格网数据。这些文件都可以用记事本打开并编辑。除了需
10、要输入数据以外，还需要设置研究时段、时间精度、坐标类型和协变量等参数。,3.4.3 SatScan实例,利用SaTScan执行泊松模型分析,图 在SaTScan中打开泊松模型Session,图 执行结果,图 执行结果,3.4.3 SatScan数据分析,SatScan软件数据分析按照研究目的分为前瞻性分析和回顾性分析：前瞻性分析：其结果具有一定预测性，只涉及事件和时空分析，如时空重排扫描统计量；回顾性分析：是对已经发生的疾病数据进行研究，囊括了时间、空间和时空分析方法。,3.5 SSSI:空间抽样与统计推断软件,SSSI软件是由中国科学院地理科学与自愿研究所王劲峰主持开发的，是一种专业的空间抽
11、样和统计推断软件。该软件是基于空间抽样理论和超图SuperMapViewer类库开发的一个桌面软件，主要面向进行抽样调查、统计推断和空间数据分析的用户。,3.5.1 SSSI软件应用,1、对计划中的监测网络（农业、人口、经济、环境）计算最佳检测或抽样点分布和密度； 2、对已形成的监测网络（气象站）推荐最佳估值方法和网络改进建议； 3、对已形成的估计（区域污染指数、温室气体排放），评价其精度、可靠性（样点分布、密度、估值方法）； 4、基于Sandwich空间抽样理论对各报告单元进行高校抽样和并行报告。,3.5.2 SSSI软件抽样过程,抽样过程总共分为三个阶段：第一阶段是计算样本量或计算估值的先验精度；第二阶段是布设样本并调查样本值；第三阶段是统计推断和结果报告。,
