地理空間異常模式自適應探測方法研究

楊學習

1. 北京大學遙感與地理信息系統(tǒng)研究所, 北京 100871; 2. 中南大學地球科學與信息物理學院, 湖南 長沙 410083

地理空間異常模式探測旨在發(fā)現(xiàn)地理空間中“與眾不同”的實體或現(xiàn)象，為深入剖析地理現(xiàn)象或地理過程的特殊分布狀況、變化或發(fā)展規(guī)律提供重要的理論依據(jù)和實踐指導。隨著異常探測應用需求的越來越廣泛、深入，對異常探測的算法精度、智能化以及探測結(jié)果的可靠性要求越來越高。因而，一方面需要充分考慮地理空間數(shù)據(jù)自相關(guān)、異質(zhì)性、多尺度等特性；另一方面需要解決探測參數(shù)設置大多依賴主觀經(jīng)驗，以及探測結(jié)果有效性評價等問題。鑒于此，論文在既有研究的基礎上，結(jié)合空間認知、空間統(tǒng)計學、圖論等理論工具，深入系統(tǒng)地研究地理空間異常模式統(tǒng)計探測模型與方法。主要研究內(nèi)容如下：

(1) 充分考慮空間認知、領(lǐng)域知識對地理空間異常模式探測的重要指導作用，提出了地理空間異常模式研究的分類體系，在此基礎上，構(gòu)建了一個地理空間異常模式探測的新框架。從地理空間認知的角度深入剖析了地理空間異常模式的內(nèi)涵與特征，加深地理空間異常模式的認知理解，并探討了地理空間異常探測過程中需要解決的兩個關(guān)鍵問題，即地理空間鄰近關(guān)系表達和地理空間異常度量。

(2) 針對空間異常區(qū)域探測過程中區(qū)域形狀復雜以及異常判別參數(shù)設置等關(guān)鍵問題，提出了顧及專題屬性的面狀空間異常模式統(tǒng)計探測方法。具體包括：①基于多層次專題屬性約束的方法。該方法分別把空間距離和專題屬性距離賦值為Delaunay三角網(wǎng)邊的權(quán)重進行層次約束，根據(jù)集簇數(shù)目進行異常模式的統(tǒng)計判別。②基于空間掃描統(tǒng)計的方法。該方法自適應構(gòu)建空間鄰域，并發(fā)展了一種耦合空間-屬性的異常度量指標，采用空間掃描統(tǒng)計的策略獲取候選異常區(qū)域，并對空間異常區(qū)域的顯著性進行統(tǒng)計檢驗。所提方法被應用于檢測極端氣候事件、探測土壤重金屬污染潛在污染源和探究城市偏高房價影響因素。試驗結(jié)果表明，所提方法能夠自適應探測任意形狀的異常區(qū)域。

(3) 針對顧及多變量的地理空間異常探測過程中實體地理環(huán)境的復雜性、變量關(guān)系的非線性以及探測結(jié)果的顯著性判別等關(guān)鍵問題，提出了融合多變量特征的地理空間異常模式自適應探測方法。首先，采用地理環(huán)境相似性和地理加權(quán)回歸模型對多變量特征進行定性和定量描述，顧及空間數(shù)據(jù)分布特征發(fā)展了一種自適應的權(quán)重構(gòu)建機制。然后，在此基礎上，發(fā)展了一種基于地理環(huán)境相似性的顯著空間異常探測方法。最后，該方法應用于分析氣溫年平均數(shù)據(jù)與高程、土壤重金屬采樣數(shù)據(jù)與各影響因素距離、高程等變量的異常關(guān)系。試驗結(jié)果表明，該方法能夠探測更深層次的地理空間異常模式。

(4) 針對顧及多類別的地理空間異常探測過程中實體類別的差異、交叉強度的描述以及多尺度探測結(jié)果顯著性的評價等關(guān)鍵問題，提出了多類別交叉的地理空間異常統(tǒng)計探測方法。該方法從全局和局部視角對參考數(shù)據(jù)集的分布特征進行建模，分別采用模式重建和蒙特卡洛隨機模擬構(gòu)建空間交叉異常顯著性判別的非參數(shù)檢驗。進而，發(fā)展了一種空間交叉異常多尺度探測結(jié)果的有效性評價指標。所提方法被應用于分析城市金融設施與搶劫犯罪間的交叉異常。試驗結(jié)果表明，該方法可以在多個分析尺度上探測交叉異常模式，有效解決探測結(jié)果的誤判和漏判問題。