地理探测器的空间分层模型研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 郭建刚 |
| 答辩日期 | 2022-12 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 王劲峰 ; 柏延臣 |
| 关键词 | 地理探测器 空间分层异质性 模型选择 空间分层 显著性检验 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 空间数据具有空间自相关性、空间分层异质性（简称空间分异性）等特征，不符合传统非空间统计理论中独立同分布的假设。针对空间数据的这两种特征，空间统计学已发展出许多与之相关的理论方法。20 世纪60 年代，基于空间自相关性的空间统计学开始兴起，目前已经发展形成了一系列的空间自相关度量指标、热点探测方法和插值推断模型，其理论与方法日趋成熟。近十年来，基于空间分异性理论的空间统计方法得以发展。空间分异性的主要思想是通过分层认识自然、社会经济现象，具有普适性。这里的“层”表示分层的结果，既可以是类别如土地利用类型，也可以是地理区划。在统计学层面，分异性主要表现为地学属性在层内较层间更相似。目前，基于空间自相关理论与空间分异性理论的空间统计分析方法，对于人们认识和解释自然、社会经济活动等发挥着重要的作用。地理探测器模型是空间分异性分析方法中的核心方法，用于度量研究对象的空间分异性，揭示其背后的驱动因子。自2010 年被提出以来，地理探测器已经被广泛应用于自然地理学、人文地理学、地质学、生态与环境科学及公共健康等领域，相关理论也在应用探索中不断完善。地理探测器模型无线性假设，结果具有明确的物理含义。在应用中，当被解释变量为连续型数据时需要进行分层，而不同的分层方案对地理探测器模型的计算结果具有显著的影响，从而使得计算结果存在不确定性。目前，连续变量的分层方案通常借助先验知识或者聚类、分类及分区算法实现，缺乏统一的、指导性的分层方法体系。同时，由于分层方法的多样性，不同分层方法需要借助不同软件工具实现，缺乏集成多个常用分层算法的“傻瓜式”运行的软件工具包。针对以上在地理探测器模型应用过程中存在的问题，本论文开展了以下几个方面的研究工作：（1）借助于地理区划中多层级划分的思想，构建空间分层方法体系，绘制典型方法的关系图，形成典型方法的特征表。首先，基于研究的具体任务将分层方法分为两大类，即非监督分层方法和监督分层方法；其次，基于目标函数或准则，将非监督方法分为单准则方法、多准则方法两大类；再次，根据单准则方法是否为多元分析，将其细化为单变量分层和聚类分析；最后，将多准则方法依据目标的优先级分为多目标优化问题和空间约束聚类。对于每个类别下的代表性方法，重点总结了方法的特征及部分方法之间的进化关系，进而形成方法关系图。对代表性方法，根据输入数据、输入参数、稳健性、任意形状、可伸缩性及相关软件包，总结了各类方法的特征和实现工具，从而便于用户根据自己的研究需求和研究特色聚焦于某一个或某一类方法。（2）基于模型选择理论中的样本内部（In-sample）预测误差，构建地理探测器模型的泛化误差表达式。该表达式主要由地理探测器 值和分层层数组成，很好地统一了分层中模型的训练精度（1 ）和复杂度（分层层数），并以此表达式作为优化目标函数，结合递归算法、贪心算法及交叉验证构建自动分层方案。以京津冀县域尺度的全年PM2.5 浓度与自然社会经济因子之间的相关关系分析为例，证明该方法在解释力以及分层层数两个层面均优于现有的通过对简单的分层方法组合，以 值最大来选择方法和分层层数的研究方法。该案例发现，在京津冀地区，县域尺度的PM2.5 的空间分布格局与自然因素即地表起伏度、平均降水、温度、相对湿度和平均风速的空间分布格局比较相近；社会经济因素中除人口密度外，与人均GDP、第二产业占比和能源消耗的空间关联较弱。（3）提出了基于显著性检验的分层方案。主要的研究分为两部分：第一，从地理探测器中的风险探测器出发，以层间的均值在给定的显著性水平下是否存在显著的差异为准则，构建了基于显著性差异的自动分层算法。与基于选择性理论的方法相比，在理论层面，该方法假设数据服从独立正态分布，层数由给定的显著性水平所确定；在京津冀县域尺度的全年PM2.5 的浓度与社会经济因子之间相关关系的案例中，尽管得到的结果与基于选择理论的方法的结果相类似，但是在分层层数和间断点的选择上存在差异。第二，对现有的空间约束分层中需要输入分层层数的做法，提出了改进策略。结合现有的空间约束层次聚类算法以及源于置换分析的线性统计量（linear statistic），根据分层变量本身的特征自动确定最佳的地理分区，并通过模拟分析实验对该方法进验证。结果表明，对于同一组数据，当空间分布模式为随机分布或者空间负相关时，地理分区数目明显少于其为空间自相关时的分区数目，表明该方法对于探索地理区划的格局具有重要的意义。（4）基于QGIS 平台，开发了能够实现自动空间分层的地理探测器插件工具箱—Geographical detector toolbox（GDT）。GDT 中集成了十二种经典的分层方法以及两种由本论文提出的针对地理探测器模型的自动分层方法。GDT 的优势在于借助QGIS 平台本身的空间数据输入、数据预处理、可视化等功能，可实现在单一平台下从原始数据的载入、预处理及地理探测器模型结果输出的全过程。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 111 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199848]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 郭建刚. 地理探测器的空间分层模型研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。