前 言

空间分析与建模作为地理信息系统（geographical information system，GIS）的核心功

能，始终是评价地理信息系统能力与价值的关键标尺，其发展水平直接决定着 GIS在解决

复杂地理空间问题时的深度与广度。近年来，地球信息科学与技术已迎来前所未有的飞速

发展，人工智能、物联网、大数据等新兴技术的深度融合，极大地拓展了空间分析与建模

的研究视野、理论边界与方法体系。与此同时，社会经济对空间智能决策的迫切需求，也对

空间分析人才培养提出了更高、更新的要求。为了主动适应这一变革，持续提升教学内容

的先进性与时代性，帮助学生深入理解并掌握空间分析与地理建模的基本理论、前沿方法

与核心技术，有必要对原教材进行修订并建设为新形态教材。

本书是杨慧教授及其团队在持续十余年空间分析与建模教学、科研积累的基础上撰写

而成的，本次修订工作由中国矿业大学杨慧教授、河海大学苏红军教授共同组织，在继承主

体框架与核心内容的基础上，对原书进行了全面、系统的更新与完善，并积极推动新形态

教材建设：对各章节内容进行了优化重组与精炼提升，力求概念更清晰、逻辑更严密、体

系更完整；对核心概念、量算方法与模型算法进行了更深入的阐释与可视化表达；深化专

业领域应用和实验教学，重点增加了水文分析与模拟的理论知识，增补了水文分析模型的

实践操作指南；优化表达与呈现修订了书中部分插图、表格和数据，力求更清晰、准确地

反映空间现象与模型原理，同时更新了相关参考文献；删除了第 1版中第 8章“空间智能

计算”的内容；在纸质教材的基础上，配套建设了数字课程资源，包括知识图谱、微课视

频、章节测验和实验数据等，以支持线上线下混合式教学与自主探究学习。

本次参与修订人员包括：崔柳、张远、乔亦娜、吕青宙、范怀伟、姚月婧、刘宇航和

宋梦飞博士进行核心章节修订，胡君和徐伟萌负责特定新增水文章节的撰写与实验案例更

新，秦颖、武淑臻、蔡润、向家伟、乔森蔚、李培琳、肖思雨、姚通、徐洋、余东安、彭

梦军等硕士研究生为本书的资料收集、校对与图表完善做出了重要贡献。

本书在编写和修订过程中，广泛参考并引用了国内外大量专家学者的最新研究成果，在此表示最诚挚的敬意与感谢！本书的修订工作得到了江苏省学位与研究生教育教学改革课题重点课题（ JGKT24_B039）、江苏省学位与研究生教育教学改革课题一般课题（JGKT25_C018）、江苏省高等教育学会《江苏高教》重点课题（ 2024JSGJ10）和中国矿业大学教学研究项目重点子课题（ 2023ZDKT03_103）的持续资助，为修订工作的顺利开展提供了有力保障，在此一并致以衷心的感谢！

本书继续保持理论与实践紧密结合、基础与前沿并重的特色，主要面向高等院校地球信息科学与技术、地理信息科学、地质学、地理学、测绘工程、遥感科学与技术、城乡规划、资源与环境科学、环境科学、数据科学等专业本科生和研究生，作为“空间分析”或“空间分析与建模”课程的核心教材。同时，也可供相关领域从事科研、技术开发和应用的

工程技术人员作为重要参考书。

尽管我们力求精准、全面且前沿，但空间信息科学的发展日新月异，书中内容的取舍和表述方式难免存在不足甚至错误。诚挚地期盼各位同行专家、老师和同学在使用过程中不吝赐教，提出宝贵的批评与修改意见，这将是我们不断改进和完善的动力源泉。

编 者

2025年 3月

立足于当今社会、经济建设的需要，锐意创新，理论与实践相结合，学生容易接受，老师也容易操作。

本书是作者在多年从事地理信息系统、地球信息科学与技术教学及科研的基础上编写而成的。全书共8章，第1、2章探讨空间分析与建模的基本概念及基础知识；第3～6章主要介绍空间量测、表达变换、统计学分析及地形可视化分析；第7章主要介绍空间数据挖掘的基本内容及方法；第8章为空间分析建模实例应用。本书重点介绍空间分析与建模的基本原理及方法体系。

杨慧，博士生导师，教授，中国矿业大学资源与地球科学学院地球信息科学系系主任、人工智能研究院大数据研究中心副主任，国际数字地球学会中国国家委员会虚拟地理环境专业委员会委员，中国矿物岩石地球化学学会大数据与数字地球科学专业委员会委员，江苏省遥感与地理信息系统学会理事，中国计算机学会高级会员，校级优秀青年骨干教师。

目 ???录

第1章　导论1

1.1　空间分析与建模1

1.1.1　发展概况1

1.1.2　相关学科3

1.1.3　国内的专业领域4

1.2　空间分析5

1.2.1　空间分析的定义5

1.2.2　空间分析的研究内容6

1.2.3　空间分析的功能和分类6

1.3　地理模型7

1.3.1　地理模型的相关概念7

1.3.2　地理模型的构建原则8

1.3.3　地理模型的功能与分类9

章节测验11

第2章　空间分析与建模基础12

2.1　空间实体及空间关系12

2.1.1　空间实体及描述12

2.1.2　实体的空间特征13

2.1.3　实体的时间特征14

2.1.4　实体的属性特征15

2.1.5　实体的空间关系16

2.2 ?空间数据结构17

2.2.1 ?栅格数据结构18

2.2.2 ?矢量数据结构18

2.2.3 ?矢栅一体化数据结构19

2.3 ?地球体20

2.3.1 ?地球的自然表面20

2.3.2 ?地球的物理表面21

2.3.3 ?地球的数学表面22

2.3.4　地球上点的高程23

2.4　地图投影24

2.4.1　地图投影的产生和定义24

2.4.2 ?地图投影的变形25

2.4.3 ?地图投影的分类27

2.4.4 ?常见的地图投影32

2.5 ?坐标系统和时间系统37

2.5.1 ?坐标系统38

2.5.2　常用坐标系39

2.5.3 ?时间系统43

章节测验46

第3章　空间量测与表达变换47

3.1 ?空间量测尺度47

3.1.1 ?空间维度47

3.1.2 ?分数维度48

3.1.3 ?属性数据的量测尺度49

3.2 ?空间几何度量49

3.2.1 ?位置50

3.2.2 ?中心51

3.2.3 ?重心51

3.2.4 ?距离52

3.2.5 ?长度53

3.2.6 ?面积54

3.2.7 ?体积55

3.3 ?空间形态度量56

3.3.1 ?方向56

3.3.2 ?曲率和弯曲度57

3.3.3 ?破碎度和完整性58

3.4 ?空间分布度量59

3.4.1 ?点模式的空间分布59

3.4.2 ?线模式的空间分布62

3.4.3 ?区域模式的空间分布63

3.5 ?空间表达变换64

3.5.1 ?空间数据格式转换64

3.5.2 ?空间量测尺度转换74

3.5.3 ?地理空间坐标转换77

章节测验80

第4章　空间几何关系分析81

4.1 ?叠置分析81

4.1.1　叠置分析类别81

4.1.2　矢量叠置分析84

4.1.3 ?栅格叠置分析87

4.2 ?邻近度分析93

4.2.1　缓冲区分析93

4.2.2　泰森多边形分析100

4.3 ?网络分析103

4.3.1　网络分析概念103

4.3.2　路径分析104

4.3.3　连通性分析108

4.3.4　资源分配分析111

4.3.5　流分析116

4.3.6　动态分段技术119

4.3.7　地址匹配121

章节测验123

第5章　空间统计分析124

5.1 ?空间统计分析的理论基础124

5.1.1 ?空间统计分析124

5.1.2　理论假设124

5.1.3　常用统计量128

5.2 ?确定性插值法130

5.2.1　反距离加权插值法130

5.2.2　全局多项式插值法132

5.2.3　局部多项式插值法133

5.2.4　径向基函数插值法134

5.3 ?地统计插值法137

5.3.1　克里金法137

5.3.2　普通克里金法138

5.3.3　其他克里金法139

5.4 ?探索性空间数据分析143

5.4.1　可视化探索分析143

5.4.2　空间自相关148

5.4.3　空间变异描述152

5.5 ?空间回归分析156

5.5.1　回归分析模型157

5.5.2　空间自回归模型159

5.5.3　地理加权回归模型160

章节测验162

第6章　地形可视化分析163

6.1 ?数字地形模型163

6.1.1　DEM的表示方法163

6.1.2　DEM的构建168

6.1.3　DEM的分类170

6.1.4　DEM之间的转换173

6.2 ?数字地形分析176

6.2.1 ?地形因子分析176

6.2.2 ?地形特征提取181

6.2.3 ?地形统计分析184

6.2.4 ?地学模型分析185

6.3 ?三维可视化186

6.3.1 ?三维数据模型186

6.3.2 ?可视化工具及平台189

6.3.3 ?三维场景制作流程193

6.4 ?可视化分析194

6.4.1 ?剖面分析195

6.4.2 ?通视分析195

6.4.3 ?其他可视化分析198

6.5 ?水文分析与模拟198

6.5.1 ?水文分析概述199

6.5.2 ?数据预处理200

6.5.3 ?流向及流量分析204

6.5.4 ?河网分析208

6.5.5 ?流域分割212

章节测验214

第7章　空间数据挖掘215

7.1 ?空间数据挖掘概述215

7.1.1 ?空间数据挖掘的步骤215

7.1.2 ?空间数据挖掘的任务216

7.1.3 ?空间数据挖掘的知识类型217

7.1.4 ?空间数据挖掘方法219

7.2 ?空间聚类219

7.2.1 ?聚类统计量219

7.2.2 ?聚类算法分类222

7.2.3 ?聚类分析算法223

7.3 ?空间关联分析226

7.3.1 ?空间关联规则227

7.3.2 ?Apriori算法229

7.3.3 ?关联规则的其他算法230

7.4 ?分类与预测235

7.4.1 ?分类与预测的基本概念235

7.4.2 ?决策树方法241

7.4.3 ?支持向量机245

7.4.4 ?贝叶斯网络249

7.4.5 ?近邻分类方法251

7.5 ?异常值分析252

7.5.1 ?异常值的定义252

7.5.2 ?异常点数据检测算法253

7.5.3 ?异常值挖掘算法255

章节测验258

第8章 ?空间分析建模实例应用259

8.1 ?空间分析常用工具259

8.1.1 ?叠加分析工具259

8.1.2　缓冲区分析工具262

8.1.3 ?网络分析工具263

8.1.4 ?重分类工具264

8.1.5 ?表面分析工具265

8.2 ?选址分析265

8.2.1 ?实验目的及准备265

8.2.2 ?实验内容及步骤265

8.3 ?适宜性分析271

8.3.1 ?实验目的及准备271

8.3.2 ?实验内容及步骤271

8.4 ?网络分析281

8.4.1 ?实验目的及准备281

8.4.2 ?实验内容及步骤282

8.5 ?山顶点的提取285

8.5.1 ?实验目的及准备285

8.5.2 ?实验内容及步骤286

8.6 ?三维可视性分析289

8.6.1 ?实验目的及准备289

8.6.2 ?实验内容及步骤290

8.7 ?水文分析应用294

8.7.1 ?DEM数据预处理294

8.7.2 ?水流方向与汇流累积量301

8.7.3 ?河网提取与分析305

8.7.4 ?流域划分实现311

8.7.5 ?水文应用实例316

8.8 ?模型生成器建模329

8.8.1 ?基本概念及模型类型329

8.8.2 ?模型形成过程329

8.8.3 ?实例建模330

章节测验333

参考文献334