原文地址：deciphering-spatial-dependence-unlocking-patterns-in-geographical-data-through-advanced

2024 年 4 月 9 日

简介

空间自相关分析是用于衡量和分析一组空间数据点在地理空间中相关程度的统计方法。该技术是空间分析和地理信息系统 (GIS) 的组成部分，可深入了解数据的空间结构、识别模式并支持生态学、流行病学、城市规划和环境科学等各个学科的决策过程。

背景

空间自相关分析是一种统计方法，用于测量和分析空间数据点在空间中的相关程度。这种分析在地理学、生态学、经济学和公共卫生等多个领域都非常重要，因为数据点的空间排列会影响数据的解释和意义。

以下是空间自相关的工作原理及其重要性：

• 空间自相关的概念： 当某一地点的变量值与附近地点的变量值相似时，就会出现空间自相关现象，其程度超过变量在空间中随机分布时的预期。这可以表明一些模式，如相似值聚集在一起的聚类模式，或相似值相邻的分散模式。
• 正自相关和负自相关： 正自相关发生在相似值比较接近的情况下，会导致聚类模式。另一方面，当不同的值相邻时，就会出现负自相关，从而形成分散模式。
• 测量： Moran's I、Geary's C 和 Getis-Ord G* 统计量等工具通常用于量化空间自相关性。例如，Moran's I 的测量范围从 -1 （完全分散）到 +1 （理想聚类），0 表示随机分布。
• 显著性检验： 必须确定观察到的空间自相关是否具有统计意义。通常采用置换检验或蒙特卡罗模拟来评估观察到的模式是否可能是偶然出现的。
• 应用： 了解空间自相关性有助于揭示空间数据模式、趋势和异常。例如，流行病学可以识别疾病爆发的集群。在环境科学中，它可用于检测污染集中区域或生物多样性。
• 挑战：分析空间自相关性需要仔细考虑规模和分区（可修改的面积单位问题，MAUP），因为结果会因数据的汇总或分区方式不同而有很大差异。

总之，空间自相关分析是了解地理分布数据中固有的空间结构和模式的有力工具，使研究人员和专业人员能够根据数据的空间特征做出更明智的决策。

空间自相关分析

空间自相关分析的精髓在于它能够量化附近或相邻地点相互影响的程度。传统的统计方法假定观测值之间是独立的，而空间自相关分析则不同，它承认并利用了地理数据固有的空间依赖性。这种依赖性意味着在一个地点观测到的数值很可能与附近地点的数值相似，托布勒的地理学第一定律通常概括了这一概念： "任何事物都与其他事物相关，但近处的事物比远处的事物更相关"。

空间自相关分析的核心是两个关键指标：空间自相关系数（如 Moran's I 和 Geary's C）和空间权重矩阵。莫兰 I 是一种广泛使用的统计量，用于衡量数据集的整体空间自相关性，表明存在聚类或离散现象。莫兰 I 值为正数，表明相似的数值聚集在一起（正自相关），而负值则表明不相似的数值相邻（负自相关）。另一方面，Geary's C 侧重于相邻值之间的差异，为空间关系提供了一个细致入微的视角。

空间权重矩阵在定义数据集中各个地点之间的关系方面起着至关重要的作用。它代表了数据的空间结构，决定了一个观测值的影响力如何随距离的增加而减小。矩阵中权重的选择会对分析结果产生重大影响，因此是分析过程中的关键步骤。典型的加权方案包括二元邻接（相邻地点的权重设为 1，否则设为 0）、基于距离的权重（随距离递减）和 k 近邻（权重基于最近的 k 个地点）。

应用空间自相关分析包括几个步骤，首先是收集和准备空间参考数据。然后选择适当的空间权重矩阵，接着计算空间自相关统计量。高级空间分析还可能涉及局部空间关联指标（LISA），该指标可对空间自相关性进行局部评估，识别热点、冷点和空间异常值。

在实践中，空间自相关分析有助于发现空间数据中隐藏的模式和关系。例如，城市规划有助于识别高犯罪率集群或城市衰败区域，从而便于采取有针对性的干预措施。在环境科学中，它被用来检测污染热点或了解生态学中物种的分布。公共卫生官员利用空间自相关来识别疾病爆发群，从而改善资源分配和应对策略。

空间自相关分析尽管有其优势，但也面临着挑战，主要与规模和可修改面积单位问题（MAUP）有关。空间尺度和分区边界的选择会对结果产生重大影响，因此有必要在分析过程中进行仔细考虑和稳健性检查。

代码

为了创建一个涵盖空间自相关分析的综合 Python 示例，我将生成一个合成数据集，执行特征工程，运行分析，调整超参数，并将结果可视化。这段代码将使用 geopandas（用于空间数据处理）、pyproj（用于投影）、libpysal（用于空间分析工具）和 matplotlib（用于绘图）等库。

import geopandas as gpd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import libpysal as ps
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.model_selection import train_test_split
from esda.moran import Moran, Moran_Local
# Generate synthetic spatial dataset
np.random.seed(42)
n_points = 100
x = np.random.uniform(0, 100, n_points)
y = np.random.uniform(0, 100, n_points)
values = np.random.randn(n_points)
gdf = gpd.GeoDataFrame({'value': values}, geometry=gpd.points_from_xy(x, y))
# Feature Engineering: Standardize the feature
scaler = StandardScaler()
gdf['standardized_value'] = scaler.fit_transform(gdf[['value']])
# Construct spatial weight matrix
w = ps.weights.DistanceBand.from_dataframe(gdf, threshold=20, binary=True, silence_warnings=True)
w.transform = 'r'
# Moran's I for global spatial autocorrelation
mi = Moran(gdf['standardized_value'], w)
print(f"Global Moran's I: {mi.I}, p-value: {mi.p_sim}")
# Local Moran's I
local_mi = Moran_Local(gdf['standardized_value'], w)
# Hyperparameter tuning (threshold for spatial weights)
thresholds = [10, 20, 30, 40, 50]
best_i = -1
best_threshold = None
for threshold in thresholds:
    w_temp = ps.weights.DistanceBand.from_dataframe(gdf, threshold=threshold, binary=True, silence_warnings=True)
    mi_temp = Moran(gdf['standardized_value'], w_temp)
    if mi_temp.I > best_i:
        best_i = mi_temp.I
        best_threshold = threshold
print(f"Best threshold: {best_threshold} with Moran's I: {best_i}")
# Plotting
f, ax = plt.subplots(1, 2, figsize=(12, 6))
# Global Moran's I plot
gdf.plot(column='standardized_value', cmap='coolwarm', legend=True, ax=ax[0])
ax[0].set_title('Standardized Values')
# Local Moran's I plot
lisa_cluster = local_mi.q
gdf.assign(cl=lisa_cluster).plot(column='cl', categorical=True, cmap='Set1', legend=True, ax=ax[1])
ax[1].set_title("Local Moran's I Clusters")
plt.tight_layout()
plt.show()
# Results and Interpretations
print(f"Interpretation:\n- Global Moran's I indicates {'positive' if mi.I > 0 else 'negative'} spatial autocorrelation.")
print("This suggests that similar values are")
print("clustered together" if mi.I > 0 else "dispersed.")
print("\n- Local Moran's I helps to identify hotspots and coldspots, indicating areas of significant local clustering.")

运行此代码需要安装 geopandas、libpysal 和 matplotlib 库。你可以调整合成数据集、创建空间权重矩阵的方法和超参数，以更好地满足特定分析需求或探索空间自相关性的不同方面。

上图显示了合成空间数据集的一个样本。这些点分布在一个空间平面上，它们的颜色代表与每个位置相关的值，使用颜色梯度，暖色和冷色分别对应较高和较低的值。这种可视化方式有助于理解数据集中数值的空间分布。

上传的图片显示了两幅描述空间数据分析结果的图。

在空间分析中，这些模式可以很好地说明问题。例如，在流行病学研究中，热点可能表示疾病病例集中，而冷点则表示发病率低的地区。

Global Moran's I: 0.07162332867018495, p-value: 0.047
Best threshold: 20 with Moran's I: 0.07162332867018495

释义 空间自相关性对于了解影响变量分布的潜在空间过程至关重要。通过本地莫兰 I 发现的具有统计意义的聚类或异常值的存在，可以推测出造成所观察到的空间模式的过程。例如，如果分析的是收入或住房价格等经济数据，那么聚类可能表明经济相似的地区，这可能是由于分区法律或获得便利设施等各种因素造成的。

解释结果的一个重要方面是分析所使用的规模和分区单位。可修 改空间单位问题（MAUP）可能会影响结果，因为改变空间单位的规模或边界会导致对空间 自相关程度得出不同的结论。

因此，虽然这些模式提供了有价值的信息，但它们只是更广泛分析的一部分，应考虑其他数据、背景信息和规模效应的可能性。这些结果可用于指导进一步的研究。在解释这些结果时应谨慎，考虑到生态谬误的可能性，即从地区级数据得出个体级过程的结论。

结论

总之，空间自相关分析是空间分析师的有力工具，能让人更深入地了解地理数据中固有的空间模式和过程。它在各个领域的应用凸显了其多功能性和重要性，有助于从空间分布变量的复杂相互作用中提取有意义的见解。随着空间数据的可用性和多样性不断增加，空间自相关分析在促进知情决策和政策制定方面的作用也将不断增强，这凸显了它在空间科学领域的重要意义。