GIS在地圖制圖中的數(shù)據(jù)處理與分析方法探討

中圖分類號(hào)：P283 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）13-0145-04

Abstract：ThispaperaimstodiscussthedataprocesingandanalysismethodsofGISincartographywithspecialaention totheapplicationandcomparisonofspatialinterpolation，bufernalysisandothertechnologies.Throughempiricalanalysis，this papercoletedmeteorologicalobservationdataofacityfrom2O10to2O20，andusedinversedistanceweightingmethodand Krigingethdforspatialinterpolation，whileimplementingbferanalysistoasesstheenvironmentalimpactofmeteoological data.TheresultsshowthattheKrigingmethodissuperiortotheinversedistanceweightingmethodintemsof spatial interpoltionaccuracyanddataintegrity，andalsogetshigherscoresintermsofuserexperienceandmapaccuracy.Itsanalysis spedisrelativelyslowandmaybelimitedinreal-timeaplications.Theresearchresultsprovidetheoreticalbasisandpractical guidance for the selection of GIS data analysis methods.

Keywords：GIS; cartography；spatial interpolation; buffer analysis; data processing

隨著地理信息技術(shù)的快速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（GIS）在地圖制圖中扮演著愈發(fā)重要的角色。GIS不僅支持對(duì)復(fù)雜地理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，還具備強(qiáng)大的空間分析能力，使得用戶能夠在多維空間中挖掘出潛在的地理模式。地圖制圖不再是簡(jiǎn)單的靜態(tài)展示，而是通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理和分析，提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的地理信息。本文將重點(diǎn)探討GIS在地圖制圖中的數(shù)據(jù)處理與分析方法，分析其在數(shù)據(jù)預(yù)處理、集成與融合，以及清洗等環(huán)節(jié)的應(yīng)用，以期為GIS技術(shù)在地圖制圖中的實(shí)踐提供理論支持和方法指導(dǎo)。

1GIS概述與數(shù)據(jù)處理

1.1GIS的基本概念及應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)（GIS）是一種集成硬件、軟件和數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，主要用于捕獲、存儲(chǔ)、管理、分析和可視化地理信息。GIS的核心在于其能夠?qū)⒖臻g數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)相結(jié)合，為復(fù)雜的地理問題提供解決方案。在城市規(guī)劃中，

GIS幫助規(guī)劃者有效評(píng)估土地利用、交通流和公共設(shè)施的布局，從而優(yōu)化城市發(fā)展。在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，GIS通過實(shí)時(shí)分析地理數(shù)據(jù)，監(jiān)控生態(tài)環(huán)境變化，支持可持續(xù)發(fā)展決策。GIS在災(zāi)害管理、資源管理和公共衛(wèi)生領(lǐng)域同樣發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。圖1為利用GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)流程分析。

1.2地圖制圖中的數(shù)據(jù)處理

地圖制圖過程中的數(shù)據(jù)處理是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量地圖的基礎(chǔ)。該過程一般包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)集成與融合和數(shù)據(jù)清洗幾個(gè)主要步驟。數(shù)據(jù)收集通常涉及多種來源，包括遙感影像、地形測(cè)繪數(shù)據(jù)及其他地理信息。收集后的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行預(yù)處理，包括格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一及數(shù)據(jù)格式規(guī)范化，確保數(shù)據(jù)在GIS中的兼容性。數(shù)據(jù)集成與融合則通過將來自不同來源的數(shù)據(jù)整合為一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，以支持后續(xù)的分析工作。數(shù)據(jù)清洗主要通過識(shí)別和處理數(shù)據(jù)中的異常值、缺失值和冗余信息，確保后續(xù)分析的準(zhǔn)確性和可靠性。

在地圖制圖中，數(shù)據(jù)處理的有效性直接影響最終制圖效果。經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)可以支持多種空間分析，如緩沖區(qū)分析、疊加分析等，為地理現(xiàn)象的研究提供可靠基礎(chǔ)。

2地圖制圖中的空間分析方法

2.1空間分析的理論基礎(chǔ)

2.1.1 緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)分析是空間分析的一種基本方法，它通過在目標(biāo)地理對(duì)象周圍創(chuàng)建緩沖區(qū)，以評(píng)估該對(duì)象對(duì)周圍環(huán)境的影響。此方法廣泛應(yīng)用于環(huán)境影響評(píng)估、設(shè)施選址等領(lǐng)域。分析公園周圍的緩沖區(qū)可以幫助規(guī)劃者評(píng)估對(duì)居民的服務(wù)范圍及其影響。緩沖區(qū)的大小和形狀可以根據(jù)研究需求進(jìn)行調(diào)整，從而為決策提供靈活的支持。

2.1.2 疊加分析

疊加分析則是通過將多個(gè)空間數(shù)據(jù)圖層疊加，揭示地理特征之間的相互關(guān)系。這種方法適用于土地利用變化分析、生態(tài)保護(hù)和資源管理等領(lǐng)域。通過疊加不同圖層，分析者能夠識(shí)別特定區(qū)域內(nèi)的資源分布及潛在問題，從而為決策提供數(shù)據(jù)支持。疊加分析能夠有效整合多種因素，提高分析的全面性和準(zhǔn)確性。

2.1.3 熱力圖分析

熱力圖分析是一種通過可視化手段展示數(shù)據(jù)密度和強(qiáng)度的分析方法，適用于識(shí)別熱點(diǎn)區(qū)域。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，熱力圖能夠清晰地反映出特定現(xiàn)象的空間分布特征，廣泛應(yīng)用于交通流量分析、公共衛(wèi)生研究和市場(chǎng)分析等領(lǐng)域。熱力圖的直觀性使得決策者能夠快速識(shí)別問題區(qū)域，并制定相應(yīng)策略。

2.2 主要空間分析方法的比較

在GIS應(yīng)用中，不同的空間分析方法具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適用的場(chǎng)景也有所不同。緩沖區(qū)分析以其簡(jiǎn)單直觀的特性，適用于初步評(píng)估和快速分析。其局限在于無法處理復(fù)雜的空間關(guān)系，特別是當(dāng)影響因素多樣化時(shí)，單一的緩沖區(qū)分析可能無法提供全面的信息。疊加分析則具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)整合能力，能夠通過多圖層的疊加，揭示復(fù)雜的空間關(guān)系，適合深入分析和研究。但其計(jì)算過程較為復(fù)雜，對(duì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性要求較高，操作不當(dāng)可能導(dǎo)致結(jié)果偏差。熱力圖分析提供了直觀的可視化效果，能夠快速識(shí)別熱點(diǎn)和冷點(diǎn)，適合在大數(shù)據(jù)環(huán)境中應(yīng)用。其結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于高質(zhì)量的數(shù)據(jù)輸入，若數(shù)據(jù)存在偏差或缺失，熱力圖的效果將大打折扣。

3 公式原理

3.1 空間插值公式

空間插值是GIS分析中的重要環(huán)節(jié)，其核心在于從已知數(shù)據(jù)點(diǎn)推斷未知數(shù)據(jù)點(diǎn)的值。2種常用的插值方法為反距離加權(quán)法（IDW）和克里金法。

3.1.1 反距離加權(quán)法（IDW）

反距離加權(quán)法是一種基于空間點(diǎn)的距離和權(quán)重進(jìn)行插值的方法，其基本公式如下

式中： Z （ x ） 是待估計(jì)點(diǎn)的值， 是已知點(diǎn)的值， 是待估計(jì)點(diǎn)與已知點(diǎn)的距離， ?p 是權(quán)重參數(shù)（通常為正整數(shù)， p 越大，近零點(diǎn)的影響越大）。

3.1.2 克里金法

克里金法是一種基于統(tǒng)計(jì)理論的插值方法，能夠考慮數(shù)據(jù)的空間變異性。其基本公式為 （20號(hào)式中： 是克里金權(quán)重，滿足約束條件 且通過最小化均方誤差來求解權(quán)重。

3.2 緩沖區(qū)分析公式

緩沖區(qū)分析的主要目的是創(chuàng)建一個(gè)以目標(biāo)要素為中心的區(qū)域，以便評(píng)估其對(duì)周圍環(huán)境的影響。緩沖區(qū)的計(jì)算通常涉及到以下公式

式中： B 表示緩沖區(qū)， P 是空間中的點(diǎn)， o 是目標(biāo)要素的位置， d （ P ， O ） 是點(diǎn) P 到點(diǎn) o 的距離， ， r 是緩沖區(qū)的半徑。

4模擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)旨在通過模擬仿真，深入探討GIS在地圖制圖中數(shù)據(jù)處理與分析方法的有效性與實(shí)用性。具體內(nèi)容包括使用反距離加權(quán)法（IDW）和克里金法進(jìn)行空間插值，評(píng)估不同插值方法對(duì)氣象數(shù)據(jù)的處理效果。同時(shí)，通過緩沖區(qū)分析，考察氣象觀測(cè)點(diǎn)對(duì)周邊環(huán)境的影響，為后續(xù)的地圖制圖提供科學(xué)依據(jù)。

4.2實(shí)驗(yàn)步驟

4.2.1數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理

本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來源于某城市的氣象觀測(cè)站，具體包括溫度、降水量、濕度等信息。這些數(shù)據(jù)涵蓋了2010—2020年的日常氣象記錄，提供了豐富的氣象信息，便于后續(xù)分析。本研究使用的數(shù)據(jù)集是公開的，具有較高的可獲取性和代表性，確保了研究的可靠性。

在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗。這一過程涉及識(shí)別和剔除數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤值、異常值及不一致的記錄。通過統(tǒng)計(jì)分析和可視化方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步審查，確定哪些數(shù)據(jù)點(diǎn)需要修正或刪除。針對(duì)缺失值的處理，采用均值填充法和插值法，以確保數(shù)據(jù)集的完整性。均值填充法適用于那些缺失值較少且數(shù)據(jù)分布相對(duì)均勻的情況，而插值法則通過已知數(shù)據(jù)點(diǎn)來推測(cè)缺失值，適合于數(shù)據(jù)變化平滑的情況。

數(shù)據(jù)清洗和缺失值處理完成后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除量綱的影響，確保不同指標(biāo)間的可比性。在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，形成了一個(gè)結(jié)構(gòu)化且一致的數(shù)據(jù)集，能夠有效支持空間分析和建模。經(jīng)過初步篩選和處理后的數(shù)據(jù)集，為后續(xù)的空間分析提供了可靠的基礎(chǔ)，確保了分析結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。

4.2.2 分析方法應(yīng)用

完成數(shù)據(jù)預(yù)處理后，進(jìn)入了空間分析階段。本階段主要采用了3種分析方法，分別為反距離加權(quán)法（IDW）克里金法和緩沖區(qū)分析，以全面評(píng)估氣象數(shù)據(jù)的空間特征。

使用反距離加權(quán)法進(jìn)行插值分析。IDW方法基于“近者較遠(yuǎn)者\(yùn)"的原則，距離預(yù)測(cè)點(diǎn)越近的已知數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響越大。在插值過程中，為每個(gè)觀測(cè)站分配了權(quán)重，并計(jì)算每個(gè)未知點(diǎn)的屬性值。這種方法具有直觀性和易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，適用于本次實(shí)驗(yàn)的氣象數(shù)據(jù)插值。

采用克里金法進(jìn)行更為復(fù)雜的插值分析。克里金法是一種基于隨機(jī)過程的統(tǒng)計(jì)方法，通過構(gòu)建半變異函數(shù)來描述數(shù)據(jù)點(diǎn)間的空間相關(guān)性。該方法能夠在數(shù)據(jù)分布不均勻時(shí)提供較為準(zhǔn)確的估計(jì)，因此在氣象數(shù)據(jù)插值中具有重要的應(yīng)用價(jià)值?？死锝鸱ǖ膽?yīng)用能夠更深人地理解氣象數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)。

實(shí)施緩沖區(qū)分析，以評(píng)估氣象數(shù)據(jù)在不同距離內(nèi)的環(huán)境影響。圍繞氣象觀測(cè)站的具體位置，建立500、 的緩沖區(qū)，通過分析不同緩沖區(qū)內(nèi)的環(huán)境特征，評(píng)估氣象因素對(duì)周邊環(huán)境的影響。這一分析方法有助于識(shí)別氣象數(shù)據(jù)在空間上的分布特征及其對(duì)環(huán)境的具體影響，為后續(xù)研究提供了重要的信息。

4.2.3 可視化輸出

在本實(shí)驗(yàn)中，采用多種可視化技術(shù)對(duì)氣象數(shù)據(jù)的插值結(jié)果及緩沖區(qū)分析進(jìn)行了展示，從而提供更直觀的信息支持。對(duì)于反距離加權(quán)法（IDW）和克里金法的插值結(jié)果，生成了多幅熱力圖。這些熱力圖通過色彩的漸變效果，清晰展示了不同區(qū)域的氣象變量分布。在溫度熱力圖中，紅色區(qū)域表示高溫，而藍(lán)色區(qū)域則表示低溫。通過對(duì)比不同時(shí)間段的熱力圖，可以直觀地觀察到溫度變化趨勢(shì)，以及城市熱島效應(yīng)的區(qū)域特征。

克里金插值的結(jié)果通過等值線圖形式呈現(xiàn)。等值線圖利用連續(xù)的線條連接相同值的點(diǎn)，從而清晰地描繪出氣象數(shù)據(jù)的空間分布特征。這種方式特別適合于顯示氣象變量的變化，例如降水量的分布，可以有效反映出降水的集中區(qū)域及其邊界，便于城市管理者針對(duì)性地采取措施。

在緩沖區(qū)分析部分，為了直觀展示氣象觀測(cè)站對(duì)周邊環(huán)境的影響，圍繞觀測(cè)站的位置繪制了不同半徑的緩沖區(qū)。這些緩沖區(qū)通過不同的顏色和透明度進(jìn)行區(qū)分，使得每個(gè)緩沖區(qū)的影響范圍一目了然。 5 0 0 m 緩沖區(qū)可能顯示為淺綠色， 1 0 0 0 m 緩沖區(qū)為深綠色，而 2 0 0 0 m 緩沖區(qū)則為深藍(lán)色。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

第一，空間插值誤差（RMSE）?？臻g插值誤差（RMSE）是用于評(píng)估插值結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值之間差異的指標(biāo)。通過計(jì)算不同插值方法的RMSE，可以直觀了解哪種方法在數(shù)據(jù)擬合上更具優(yōu)勢(shì)。不同插值方法的RMSE比較見表2。

克里金法的RMSE為1.8，明顯低于反距離加權(quán)法的2.5。這表明克里金法在插值過程中能夠更準(zhǔn)確地捕捉數(shù)據(jù)的空間變化，適合用于需要高精度預(yù)測(cè)的場(chǎng)景。

第二，分析速度。分析速度是評(píng)估GIS工具在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)效率的關(guān)鍵指標(biāo)。不同的插值方法在計(jì)算時(shí)間上的差異直接影響分析的實(shí)用性。不同插值方法的處理速度見表3。

根據(jù)表3，緩沖區(qū)分析的處理速度最快，僅需 而克里金法和反距離加權(quán)法的處理時(shí)間分別為25s和 雖然克里金法在精度上表現(xiàn)優(yōu)異，但其較長(zhǎng)的處理時(shí)間可能限制其在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的可行性。

第三，數(shù)據(jù)完整性。數(shù)據(jù)完整性指數(shù)據(jù)集中缺失值的處理效果，對(duì)于確保分析結(jié)果的可靠性至關(guān)重要。缺失值的比例能夠反映數(shù)據(jù)預(yù)處理的有效性。數(shù)據(jù)完整性評(píng)估見表4。

表4顯示，克里金法的缺失值比例為 3 % ，低于反距離加權(quán)法的 5 % 。結(jié)果表明克里金法在缺失值處理上更為有效，能夠提高數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)的完整性直接影響到后續(xù)分析的可靠性，因此在選擇分析方法時(shí)，需優(yōu)先考慮其對(duì)缺失值的處理能力。

第四，制圖效果評(píng)價(jià)。制圖效果評(píng)價(jià)通過用戶評(píng)分來反映生成地圖的視覺清晰度和信息傳達(dá)效果，是評(píng)估地圖質(zhì)量的重要指標(biāo)。制圖效果評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。

根據(jù)表5，克里金法的用戶評(píng)分為4.8分，明顯高于反距離加權(quán)法的4.2分。這表明克里金法在生成地圖的視覺效果和信息傳遞方面表現(xiàn)更優(yōu)，能夠更好地滿足用戶需求。緩沖區(qū)分析的評(píng)分為4.5分，表明其在空間分析中同樣具有良好的效果，能夠有效地傳達(dá)空間關(guān)系。

第五，地圖精確度。地圖精確度是評(píng)估地圖信息真實(shí)性的重要指標(biāo)，通常通過比較生成地圖與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的一致性來衡量。地圖精確度評(píng)估見表

表6顯示，克里金法的地圖準(zhǔn)確率為 9 2 % ，高于反距離加權(quán)法的 8 8 % 。這進(jìn)一步驗(yàn)證了克里金法在地圖制圖中的優(yōu)勢(shì)，表明其生成的地圖更能反映真實(shí)的地理現(xiàn)象。緩沖區(qū)分析因其性質(zhì)不適用準(zhǔn)確率評(píng)估，但其在其他方面的有效性仍然為GIS分析提供了重要支持

6結(jié)論

本文深入探討了GIS在地圖制圖中的數(shù)據(jù)處理與分析方法，通過實(shí)證分析驗(yàn)證了不同空間分析技術(shù)的有效性和適用性。研究結(jié)果表明，克里金法在空間插值中表現(xiàn)出更低的RMSE和更高的準(zhǔn)確率，說明其在處理復(fù)雜地理數(shù)據(jù)時(shí)具有優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)完整性指標(biāo)顯示，克里金法的缺失值處理效果優(yōu)于反距離加權(quán)法，這為數(shù)據(jù)的可靠性提供了保障。在分析速度方面，雖然反距離加權(quán)法的處理速度更快，但其準(zhǔn)確性和用戶評(píng)分相對(duì)較低，提示在某些實(shí)時(shí)需求場(chǎng)景中可能需要權(quán)衡速度與精度的關(guān)系。緩沖區(qū)分析作為一種有效的空間分析手段，雖未提供具體的數(shù)值比較，但其用戶評(píng)分表明在環(huán)境影響評(píng)估中具有重要價(jià)值?？傮w而言，研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了在選擇GIS數(shù)據(jù)處理與分析方法時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體需求和應(yīng)用場(chǎng)景綜合考慮不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

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