新版白话空间统计(5):莫兰指数之计算详解

2024-03-07 05:10

本文主要是介绍新版白话空间统计(5):莫兰指数之计算详解,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

CSDN的被爬虫专用声明:虾神原创,公众号\知乎:虾神说D

转发、转载和爬虫,请主动保留此声明。

上次我们简单的介绍了一下学渣莫兰同学的逆袭之旅,梦想成为一个数学家的他最后阴差阳错的成为了一个统计学家,所以虾神不禁陷入沉思:

好了,不说数学了,我们今天继续来说莫兰指数。

我们先来看看莫兰指数的原理。

先看看下面这样一个属性数据的相关分析图,假设这是四个城市的房价数据——

当北京连续三个月上升的时候,石家庄也连续三个月上升,这样我们就可以认为(在本次分析中)北京和石家庄的房价是正相关的,所以我们记为1。

同样,北京上升的同时,太原连续三个月下降,就认为是负相关,记为-1。

北京上升,但是天津有升有降,那么这样就可以他们之间是不相关,记为0

类推,西安,正相关,记为1。

属性相关性的分析非常容易,那么到了空间自相关应该怎么办呢?虽然莫兰提出莫兰指数的时候,所谓的地理学第一定律还没有被发布(1950年,托布勒还在读大学,莫兰同学已经是牛津大学的讲师了),但是莫兰在随机概率的研究中发觉,空间分布对动物种群研究的重要性,所以开创性的在相关性研究中,加入了空间相邻的参数,如果加入空间关系,就会得到这样一个空间权重关系:

之后,四个城市之间的空间权重矩阵就应该是:

那么,最简单的对二者之间,做一个乘法,就得到这样一个值(与北京的空间自相关):

可以看见,空间关系就两种:相关 or 不相关,属性有三种:正、负、无,所以乘积就得到三种情况:

这就是莫兰指数的原理:属性与空间关系的乘积,得到最终的空间上的相关性。空间关系在自相关分析里面,起到的作用就是判定是否有关系,空间上不相关,那么属性再相关也没有用。

在这个例子里面,北京被认为与太原有临近关系,而他们的属性又正好是负相关,所以空间加权之后,就认为是空间负相关,再按照空间分布模式的规则,两个蹲在一起的,属性不相似,那就是所谓的离散关系。

而北京与石家庄在空间上也有临近关系,而且属性相似,为正相关,所以加权之后被计算为空间自相关,在自己身边有相似的伙伴,就是所谓的聚集模式。

下面我们来看看那莫兰当年给莫兰指数定义的计算公式:

好吧好吧,数学公式就不写了,有兴趣的同学见(以后可能会有的)黑话空间统计学算法篇里面的内容。我只是简单说说莫兰指数如何进行计算的基础过程:

第一件事就是计算出所有要素之间的空间关系,形成空间关系矩阵,不过用矩阵来进行存储的话,有足足50%+的浪费,所以所有的计算莫兰指数的软件,都用的稀疏矩阵来进行记录的,比如上面那个矩阵,记录的方式就是:


北京:天津、石家庄、太原

天津:北京、石家庄、太原

石家庄:北京、天津,太原

太原:北京、天津、石家庄

西安:(空)


然后以此对有关系的城市之间进行计算,因为莫兰指数计算的是截面数据,所以不可能会出现多个时间片段的数据,单个数值之间,怎么进行相关性对比呢?答案就是用属性值与平均数之间的差(离差)来进行判定。

总所周知,离差是衡量数据分布离散程度的一种非常有效的指标,所以莫兰在这里用每个要素与相邻要素的离差乘积,然后乘以空间关系系数,作为分子,然后用所有数据的离差平方和作为分母,计算出所有数据之间的离散程度来,接下去用总的要素数量除以所有空间关系权重的和,来作为总体系数权重,把二者相乘,就得到了结果,用公式表达就是:

好吧,我食言了……

从这个公式可以看出,每个要素会和与自身有空间临近关系的要素进行计算——没有临近关系,比如上面示例里面的西安,空间相关系数为0,结果自然都是0了。

从这个数学公式上面看来,莫兰同学当年的设计非常的精巧,虾神这种数学学渣到现在读到这个公式都觉得颇为惊艳,我们来感受一下这个公式的美:

假设所有的数值的平均数是10的话:

北京的数值是50

天津的数值是5

北京的离差就是40,而天津的离差就是-5,二者的乘积就是-200

那么如果:

北京的数值是50,

石家庄的数值是40,

北京的离差还是40,石家庄的离差就是30,二者离差的乘积就是1200

换一个更小的数值的话:

比如太原的数值是5

石家庄的数值是3

二者的离差就是-5和-7,得到的乘积就是35,还是正值。

那么从这个算法我们可以看见,两个值同时大于或者小于均值,就能得到正值,而被均值正好切开的两个值,就会得到负值——与参与计算的数值与均值偏离越大,得到的结果的绝对值就越大,所以空间上有关系的,而且有彼此接近的数值,表达成了聚集分布,而反之亦然。

高值周边聚集高值或者低值周边聚集低值,都计算为正——表示为聚集,而高低值相互交错,那么就会计算为负,表示为离散。如果有正有负,相互抵消为0,那么就表达为随机。

而公式中的分子部分,是通过方差进行归一化,因此最终该指数的值将落在 -1.0 到 +1.0 的区间内。

这就是可怕的数学家啊……天地为炉,造化为工,阴阳为炭,万物为铜

读懂了这个公式之后,给一张纸一支笔,就能够手算了,不过十个八个要素,咬咬牙能算出,但是给你180个要素来计算,估计你就要抓瞎了,所以最简单的方式,就是用现成的工具来实现,比如ArcGIS,所以下一章,我们看看在ArcGIS里面,如何利用现成的工具来进行莫兰指数的计算。

(待续未完)

CSDN的被爬虫专用声明:虾神原创,公众号\知乎:虾神说D

转发、转载和爬虫,请主动保留此声明。

这篇关于新版白话空间统计(5):莫兰指数之计算详解的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/782455

相关文章

Python ZIP文件操作技巧详解

《PythonZIP文件操作技巧详解》在数据处理和系统开发中,ZIP文件操作是开发者必须掌握的核心技能,Python标准库提供的zipfile模块以简洁的API和跨平台特性,成为处理ZIP文件的首选... 目录一、ZIP文件操作基础三板斧1.1 创建压缩包1.2 解压操作1.3 文件遍历与信息获取二、进阶技

一文详解Java异常处理你都了解哪些知识

《一文详解Java异常处理你都了解哪些知识》:本文主要介绍Java异常处理的相关资料,包括异常的分类、捕获和处理异常的语法、常见的异常类型以及自定义异常的实现,文中通过代码介绍的非常详细,需要的朋... 目录前言一、什么是异常二、异常的分类2.1 受检异常2.2 非受检异常三、异常处理的语法3.1 try-

Java中的@SneakyThrows注解用法详解

《Java中的@SneakyThrows注解用法详解》:本文主要介绍Java中的@SneakyThrows注解用法的相关资料,Lombok的@SneakyThrows注解简化了Java方法中的异常... 目录前言一、@SneakyThrows 简介1.1 什么是 Lombok?二、@SneakyThrows

Java中字符串转时间与时间转字符串的操作详解

《Java中字符串转时间与时间转字符串的操作详解》Java的java.time包提供了强大的日期和时间处理功能,通过DateTimeFormatter可以轻松地在日期时间对象和字符串之间进行转换,下面... 目录一、字符串转时间(一)使用预定义格式(二)自定义格式二、时间转字符串(一)使用预定义格式(二)自

Redis Pipeline(管道) 详解

《RedisPipeline(管道)详解》Pipeline管道是Redis提供的一种批量执行命令的机制,通过将多个命令一次性发送到服务器并统一接收响应,减少网络往返次数(RTT),显著提升执行效率... 目录Redis Pipeline 详解1. Pipeline 的核心概念2. 工作原理与性能提升3. 核

Python正则表达式语法及re模块中的常用函数详解

《Python正则表达式语法及re模块中的常用函数详解》这篇文章主要给大家介绍了关于Python正则表达式语法及re模块中常用函数的相关资料,正则表达式是一种强大的字符串处理工具,可以用于匹配、切分、... 目录概念、作用和步骤语法re模块中的常用函数总结 概念、作用和步骤概念: 本身也是一个字符串,其中

Nginx location匹配模式与规则详解

《Nginxlocation匹配模式与规则详解》:本文主要介绍Nginxlocation匹配模式与规则,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录一、环境二、匹配模式1. 精准模式2. 前缀模式(不继续匹配正则)3. 前缀模式(继续匹配正则)4. 正则模式(大

Android实现在线预览office文档的示例详解

《Android实现在线预览office文档的示例详解》在移动端展示在线Office文档(如Word、Excel、PPT)是一项常见需求,这篇文章为大家重点介绍了两种方案的实现方法,希望对大家有一定的... 目录一、项目概述二、相关技术知识三、实现思路3.1 方案一:WebView + Office Onl

Java实现优雅日期处理的方案详解

《Java实现优雅日期处理的方案详解》在我们的日常工作中,需要经常处理各种格式,各种类似的的日期或者时间,下面我们就来看看如何使用java处理这样的日期问题吧,感兴趣的小伙伴可以跟随小编一起学习一下... 目录前言一、日期的坑1.1 日期格式化陷阱1.2 时区转换二、优雅方案的进阶之路2.1 线程安全重构2

Java中的JSONObject详解

《Java中的JSONObject详解》:本文主要介绍Java中的JSONObject详解,需要的朋友可以参考下... Java中的jsONObject详解一、引言在Java开发中,处理JSON数据是一种常见的需求。JSONObject是处理JSON对象的一个非常有用的类,它提供了一系列的API来操作J