《计量统计方法》PPT课件.ppt
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1、计量统计方法,胡碧松 博士/讲师2010-3-25,江西师范大学地理与环境学院研究生课程,课程公共邮箱:Username:Password:jxnugis2009主要用以存放本课程相关课件、文档资料等,课程作业提交:特殊情况提交打印稿或手写稿亦可,课程简介,计量统计方法是为地理科学专业硕士研究生开设的专业选修课,主要介绍基础的数学统计方法与前沿的数学模型在地理科学领域中的应用,课程内容包括数学方法和数学模型的理论知识和实践使用。本课程每周3节课,总计12周次,共计36课时,知识介绍与技能实践相结合,注重理论知识的理解和计算机技能的掌握。本课程的成绩以考查为主,课程后期每位同学完成两个以计算机操
2、作为主的大作业(10选2)。,课程总体目标,1.掌握发现和解决地理科学问题的能力;2.掌握经典数理统计方法的理论基础;3.掌握一些前沿数学模型的理论基础;4.掌握matlab/SPSS等数学软件的基础使用;5.掌握一些特殊数学模型专业软件的基础使用;6.终极目标 让同学们在硕士期间掌握些真才实学!,课程主要内容,1.计量地理学概述+经典数理统计方法(一)(3课时)2.经典数理统计方法(二)(3课时)3.经典数理统计方法(三)(3课时)4.空间统计分析(一)(3课时)5.空间统计分析(二)(3课时)6.空间统计分析(三)(3课时)7.网络分析(3课时)8.系统动力学(3课时)9.多智能体系统(3
3、课时)10.元胞自动机(3课时)11.SOM分类机(3课时)12.支持向量机(3课时),问题?,当你发现一个地理科学问题时,你想如何解决?当你需要解释一个地理科学现象时,你想怎么处理?当你拿到一大堆地理数据时,你想怎么分析才能迅速得到想要的结果?发现问题-分析问题-解决问题解释现象-定性解释-定量分析科学研究-分析数据-得出结论,方法+工具,。)#)和“渔”,每一种方法或模型都只是一条“鱼”,每一个实际问题只是一种特定的“鱼食”。有些“鱼”会吃好几种“鱼食”,即有些方法或模型可以解决好几种特定的实际问题,但是,没有任何一条“鱼”可以食遍天下各色之“鱼食”。因此,不如掌握“渔”,当遇见各色美味“
4、鱼食”时,钓出那条适合该“鱼食”的“鱼”即可。至此,“鱼食”即便摆脱了“鱼”,终究无法逃出“渔”的手掌心。,第一章 计量地理学概述,胡碧松 博士/讲师2010-3-25,主要内容,1.计量地理学的形成和发展2.计量地理学中的数学方法3.对计量地理学的评价4.计量地理学的应用,1.计量地理学的形成和发展,地理学的发展阶段地理学在中国战国前后的古希腊、古罗马时代开始萌芽,至今已有2000多年的发展历史。地理学的发展可划分为三个基本阶段:古代地理学,以记载地理知识为主体;近代地理学,对各种地理现象进行条理化归纳,并对它们之间的关系进行解释性描述;现代地理学,采用定性与定量相结合的方法,规范研究与实证
5、研究并举,解释各种地理现象的内在机制并预测其未来演变。,1 计量地理学的形成和发展,地理VS数学古代地理学和近代地理学中的数学方法限于定量地描述、记载和解释。现代地理学中运用数学方法,是为了深入地进行定量化研究,揭示地理现象发生、发展的内在机制及运动规律,从而为地理系统的预测及优化调控提供科学依据。,1 计量地理学的形成和发展,地理文科?理科?当地理在描述地理现象、解释地理问题时,定性占主导地位,则倾向于偏文科。当地理在分析地理过程、研究地理规律时,定量方法占主导地位,则倾向于偏理科。地理信息系统是地理科学与信息科学的完美结合,侧重中实际工程中的应用,此时的地理似乎又倾向于偏工科。,计量地理学
6、的发展阶段,第一阶段(20世纪50年代末期到60年代末期)把统计学方法引入地理学研究领域,构造一系列统计量来定量地描述地理要素的分布特征,应用各种概率分布函数、方差等简单的统计特征回归分析方法。分布中心、区域形状、地理要素分布的集中和离散程度等都有了定量指标,许多地理要素间的相关关系,也可以进行定量地表示。,计量地理学的发展阶段,第二阶段(20世纪60年代末期到70年代末期)多元统计分析方法和电子计算机技术在地理学研究中广泛应用。以电子计算机技术为手段,许多地理学家熟练地掌握了多元统计方法,具备了分析多因素、复杂结构和动态特征等复杂地理问题的能力。,计量地理学的发展阶段,第三阶段(20世纪70
7、年代末期开始到80年代末期)系统理论、系统分析方法、系统优化方法、系统调控方法等被引进地理学研究领域,促进了运筹学中的规划方法、决策方法、网络分析方法,以及数学物理方法、模糊数学方法、分形几何学方法、非线性分析方法等一系列现代数学方法的形成。同时GIS技术的发展为其提供了先进的技术手段支持。,计量地理学的发展阶段,第四阶段(20世纪90年代初至今)按照英国著名地理学家、里兹大学S.奥彭肖(S.Openshaw)教授的提法,90年代初进入计算地理学时代。得益于计算机技术与计算理论和方法的巨大发展和3S技术在获取大容量、整体性地理数据信息中的成功应用,以向量或并行处理器为基础的超级计算机为工具,对
8、“整体”、“大容量”资料所表征的地理问题实施高性能计算,探索构筑新的地理学理论和应用模型。,计量地理学的发展阶段,除继续应用20世纪80年代中叶以来在地理学模型研究中成功引入的突变、自组织、混沌、分支、分形等模型外,地理计算学又成功地引入了神经网络(neural network)、遗传算法模型(genetic programming)、元胞自动机(cellar automata)、模式参数随机取样模型(random sampling of model parameter)、模糊逻辑模型(fuzzy logic)、改进了的地理加权回归(geographically weighted regres
9、sion)等先进方法。,2 计量地理学中的数学方法,经过40多年的发展,计量地理学不断完善、不断成熟。目前,计量地理学中的数学方法,已经涉及到数学及其相关学科的各个领域。它不但继承了现代地理学中计量运动的成果,而且还吸收了40多年以来数学、系统理论、系统分析方法、计算机科学、现代计算理论及计算方法等领域内的有关成果,其内容十分丰富而广泛。,2 计量地理学中的数学方法,鱼,鱼食,Where is“渔”?,2 计量地理学中的数学方法,2 计量地理学中的数学方法,2 计量地理学中的数学方法,3 对计量地理学的评价,对于计量地理学,产生了三种观点:“反定量化”反对地理学定量化研究,认为地理现象十分复杂
10、,不能用简单的数学方法来解释,对数学方法采取拒绝和否定态度。代表人物:史密斯(D.Smith)、奥格登(P.Ogden)等。,3 对计量地理学的评价,“定量化”推崇地理学定量化,认为数学方法不仅是一种分析技术,而且能够导出普遍性规律,能够解决地理学传统研究方法所不能解决的理论问题。代表人物如克里斯塔勒(W.Christaller)、帮吉(W.Bunge)乔莱(R.Chorley)、哈格特(P.Haggett)等。,3 对计量地理学的评价,“非定量化”认为数学方法只是地理学研究方法之一,只能用来研究地理要素之间的数量关系和地理事物的空间格局,不能用来描述和解释地理规律,不能导出地理学理论,但其观
11、点摇摆不定。,3 对计量地理学的评价,华东师大徐建华教授的观点:世界上的任何事物都可以用数值来度量。在现代地理学中,传统方法是数学方法的基础,数学方法是传统方法的重要补充。数学方法是人们进行数学运算和求解的工具,能以严密的逻辑和简洁的形式描述复杂的问题、表述丰富的实质性思想。地理学研究中,数学方法有其局限性。现代地理学中数学方法的形成和发展与计算机应用技术密切相关。,我顶,4 计量地理学的应用,分布型分析对地理要素的分布特征及规律进行定量分析。相互关系分析对地理要素、地理事物之间的相互关系进行定量分析。分类研究对地理事物的类型和各种地理区域进行定量划分。网络分析对水系、交通网络、行政区划、经济
12、区域等的空间结构进行定量分析。,4 计量地理学的应用,趋势面分析做出地理要素的趋势等值线图,展示所要分析的地理要素的空间分布规律。空间相互作用分析定量分析各种“地理流”在不同区域之间流动的方向和强度。系统仿真研究对复杂地理系统的各种系统要素之间的相互关系与反馈机制进行分析,对真实系统进行模拟仿真,从而揭示其运行机制与规律。,4 计量地理学的应用,过程模拟与预测研究:通过对地理过程的模拟与拟合,定量地揭示地理事物、地理现象随时间变化的规律,预测其未来发展趋势。空间扩散研究:定量地揭示各种地理现象,包括自然现象、经济现象、社会现象、文化现象、技术现象在地理空间的扩散规律。空间行为研究:主要是对人类
13、活动的空间行为决策进行定量的研究。,4 计量地理学的应用,地理系统优化调控研究:运用系统控制论的有关原理与方法,研究人地相互作用的地理系统的优化调控问题,寻找人口、资源、环境与社会经济协调发展的方法、途径与措施。地理系统的复杂性研究:地理系统是高度复杂的巨系统,其复杂系统研究已经引起了国际地理学界的高度重视。,第二章 经典数理统计方法(一),胡碧松 博士/讲师2010-3-25,1 相关分析,相关分析(correlation analysis)是对自然界和社会中的两种或多种现象是否相关进行分析的方法。相关分析的任务,是揭示地理要素之间相互关系的密切程度。而地理要素之间相互关系密切程度的测定,主
14、要是通过对相关系数的计算与检验来完成的。,1 相关分析,相关关系的类型:,1.1 两要素之间的相关分析,相关系数的计算定义:其中,和 为两要素的平均值。,说明:-1=1,大于0时正相关,小于0时负相关。的绝对值越接近于1,两要素的关系越密切;越接近于0,两要素的关系越不密切。,(1.1),1.1 两要素之间的相关分析,相关系数的计算 简化:相关系数的计算公式则为:,(1.2),1.1 两要素之间的相关分析,相关分析实例,表1.1 伦敦的月平均气温与降水量,资料来源:,1.1 两要素之间的相关分析,相关分析实例根据表1.1中的数据,我们可以利用公式(1.1),计算伦敦市月平均气温(t)与降水量(
15、p)之间的相关系数为计算结果表明,伦敦市的月平均气温(t)与降水量(p)之间呈负相关,即异向相关。,1.1 两要素之间的相关分析,利用SPSS软件做二元变量相关分析例:计算伦敦市月平均气温(t)与降水量(p)之间的相关系数1)打开SPSS软件,选择File-Open-Data导入数据。,1.1 两要素之间的相关分析,2)选择Analyze-Correlate-Bivariate进行二元变量相关分析。3)导入月平均气温(t)与降水量(p)这两个计算的变量。,1.1 两要素之间的相关分析,三种相关系数:两种显著性检验类型:,1.1 两要素之间的相关分析,计算结果Pearson相关系数为-0.489
16、,表明月平均气温(t)与降水量(p)之间呈负相关关系。,1.1 两要素之间的相关分析,例:计算要素之间的相关系数矩阵,1.1 两要素之间的相关分析,例:Analyze-Correlate-Bivariate,1.1 两要素之间的相关分析,例2:,1.1 两要素之间的相关分析,例:表1.2 相关系数矩阵,1.2 偏相关分析,偏相关系数的定义:在多要素所构成的地理系统中,先不考虑其他要素的影响,而单独研究两个要素之间的相互关系的密切程度,这称为偏相关。用以度量偏相关程度的统计量,称为偏相关系数。,1.2 偏相关分析,单独分析两个变量之间的相关关系时,往往由于第三个变量的影响,导致其相关系数不能真实
17、的反映这两个变量之间的线性相关程度。偏相关分析是考虑两个变量之间的相关关系时,考虑其它自变量的影响,把其它自变量当做常数,再计算这两个变量的相关系数。变量X、Y、Z之间有着关系,假设Z保持不变,再计算X和Y之间的相关系数,这个系数rxy.z就是一级偏相关系数。同理,当保持不变的自变量数量为两个或三个时,称之为二级或三级偏相关系数。,1.2 偏相关分析,偏相关系数的计算公式:3个要素的偏相关系数,1.2 偏相关分析,偏相关系数的计算公式:4个要素的偏相关系数,1.2 偏相关分析,例:对于某4个地理要素x1,x2,x3,x4的23个样本数据,经过计算得到了如下的单相关系数矩阵:,利用公式计算一级偏
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