目录
1 Hello World: Introducing Spatial Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Applied Spatial Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Why Do We Use R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 ... In General? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 ... for Spatial Data Analysis? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 R and GIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.1 What is GIS? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.2 Service-Oriented Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.3 Further Reading on GIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Types of Spatial Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 Storage and Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6 Applied Spatial Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.7 R Spatial Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.7.1 Online Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.7.2 Layout of the Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Part I Handling Spatial Data in R
2 Classes for Spatial Data in R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Classes and Methods in R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Spatial Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4 SpatialPoints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4.1 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.2 Data Frames for Spatial Point Data . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5 SpatialLines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
X Contents
2.6 SpatialPolygons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.6.1 SpatialPolygonsDataFrame Objects . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.6.2 Holes and Ring Direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.7 SpatialGrid and SpatialPixel Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3 Visualising Spatial Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.1 The Traditional Plot System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.1.1 Plotting Points, Lines, Polygons, and Grids . . . . . . . . . . . 58
3.1.2 Axes and Layout Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.1.3 Degrees in Axes Labels and Reference Grid . . . . . . . . . . . 64
3.1.4 Plot Size, Plotting Area, Map Scale,
and Multiple Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1.5 Plotting Attributes and Map Legends . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2 Trellis/Lattice Plots with spplot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.1 A Straight Trellis Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.2 Plotting Points, Lines, Polygons, and Grids . . . . . . . . . . . 70
3.2.3 Adding Reference and Layout Elements to Plots . . . . . . 72
3.2.4 Arranging Panel Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3 Interacting with Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.1 Interacting with Base Graphics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.2 Interacting with spplot and Lattice Plots . . . . . . . . . . . . 76
3.4 Colour Palettes and Class Intervals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.4.1 Colour Palettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.4.2 Class Intervals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4 Spatial Data Import and Export . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.1 Coordinate Reference Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.1.1 Using the EPSG List . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.1.2 PROJ.4 CRS Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.1.3 Projection and Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1.4 Degrees, Minutes, and Seconds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 Vector File Formats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.1 Using OGR Drivers in rgdal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.2 Other Import/Export Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3 Raster File Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.1 Using GDAL Drivers in rgdal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.3.2 Writing a Google Earth™ Image Overlay . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.3 Other Import/Export Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.4 Grass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4.1 Broad Street Cholera Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.5 Other Import/Export Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.5.1 Analysis and Visualisation Applications . . . . . . . . . . . . . . 108
4.5.2 TerraLib and aRT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.5.3 Other GIS and Web Mapping Systems . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.6 Installing rgdal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Contents XI
5 Further Methods for Handling Spatial Data . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.1 Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.2 Overlay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.3 Spatial Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.4 Checking Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.4.1 Dissolving Polygons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.4.2 Checking Hole Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.5 Combining Spatial Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.5.1 Combining Positional Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.5.2 Combining Attribute Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.6 Auxiliary Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6 Customising Spatial Data Classes and Methods . . . . . . . . . . . . 127
6.1 Programming with Classes and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.1.1 S3-Style Classes and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.1.2 S4-Style Classes and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.2 Animal Track Data in Package Trip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.2.1 Generic and Constructor Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.2.2 Methods for Trip Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.3 Multi-Point Data: SpatialMultiPoints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.4 Hexagonal Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.5 Spatio-Temporal Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.6 Analysing Spatial Monte Carlo Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.7 Processing Massive Grids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Part II Analysing Spatial Data
7 Spatial Point Pattern Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.2 Packages for the Analysis of Spatial Point Patterns . . . . . . . . . . 156
7.3 Preliminary Analysis of a Point Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.3.1 Complete Spatial Randomness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.3.2 G Function: Distance to the Nearest Event . . . . . . . . . . . 161
7.3.3 F Function: Distance from a Point
to the Nearest Event . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.4 Statistical Analysis of Spatial Point Processes . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.4.1 Homogeneous Poisson Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.4.2 Inhomogeneous Poisson Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.4.3 Estimation of the Intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.4.4 Likelihood of an Inhomogeneous Poisson Process . . . . . . 168
7.4.5 Second-Order Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.5 Some Applications in Spatial Epidemiology . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.5.1 Case–Control Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.5.2 Binary Regression Estimator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
XII Contents
7.5.3 Binary Regression Using Generalised
Additive Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.5.4 Point Source Pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.5.5 Accounting for Confounding and Covariates . . . . . . . . . . 186
7.6 Further Methods for the Analysis of Point Patterns . . . . . . . . . . 190
8 Interpolation and Geostatistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
8.2 Exploratory Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
8.3 Non-Geostatistical Interpolation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8.3.1 Inverse Distance Weighted Interpolation. . . . . . . . . . . . . . 193
8.3.2 Linear Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
8.4 Estimating Spatial Correlation: The Variogram . . . . . . . . . . . . . . 195
8.4.1 Exploratory Variogram Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.4.2 Cutoff, Lag Width, Direction Dependence . . . . . . . . . . . . 200
8.4.3 Variogram Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.4.4 Anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.4.5 Multivariable Variogram Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.4.6 Residual Variogram Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.5 Spatial Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
8.5.1 Universal, Ordinary, and Simple Kriging . . . . . . . . . . . . . 209
8.5.2 Multivariable Prediction: Cokriging . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8.5.3 Collocated Cokriging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.5.4 Cokriging Contrasts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8.5.5 Kriging in a Local Neighbourhood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8.5.6 Change of Support: Block Kriging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.5.7 Stratifying the Domain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
8.5.8 Trend Functions and their Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.5.9 Non-Linear Transforms of the Response Variable . . . . . . 218
8.5.10 Singular Matrix Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
8.6 Model Diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
8.6.1 Cross Validation Residuals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.6.2 Cross Validation z-Scores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.6.3 Multivariable Cross Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.6.4 Limitations to Cross Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.7 Geostatistical Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
8.7.1 Sequential Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
8.7.2 Non-Linear Spatial Aggregation and Block Averages . . . 229
8.7.3 Multivariable and Indicator Simulation . . . . . . . . . . . . . . . 230
8.8 Model-Based Geostatistics and Bayesian Approaches . . . . . . . . . 230
8.9 Monitoring Network Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
8.10 Other R Packages for Interpolation and Geostatistics . . . . . . . . . 233
8.10.1 Non-Geostatistical Interpolation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
8.10.2 spatial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
8.10.3 RandomFields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.10.4 geoR and geoRglm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.10.5 fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Contents XIII
9 Areal Data and Spatial Autocorrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.2 Spatial Neighbours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9.2.1 Neighbour Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
9.2.2 Creating Contiguity Neighbours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.2.3 Creating Graph-Based Neighbours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
9.2.4 Distance-Based Neighbours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.2.5 Higher-Order Neighbours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
9.2.6 Grid Neighbours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
9.3 Spatial Weights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
9.3.1 Spatial Weights Styles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
9.3.2 General Spatial Weights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
9.3.3 Importing, Converting, and Exporting Spatial
Neighbours and Weights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
9.3.4 Using Weights to Simulate Spatial Autocorrelation . . . . 257
9.3.5 Manipulating Spatial Weights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
9.4 Spatial Autocorrelation: Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
9.4.1 Global Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
9.4.2 Local Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
10 Modelling Areal Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
10.2 Spatial Statistics Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
10.2.1 Simultaneous Autoregressive Models . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
10.2.2 Conditional Autoregressive Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
10.2.3 Fitting Spatial Regression Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
10.3 Mixed-Effects Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
10.4 Spatial Econometrics Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
10.5 Other Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
10.5.1 GAM, GEE, GLMM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
10.5.2 Moran Eigenvectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
10.5.3 Geographically Weighted Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
11 Disease Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
11.2 Statistical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
11.2.1 Poisson-Gamma Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
11.2.2 Log-Normal Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
11.2.3 Marshall’s Global EB Estimator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
11.3 Spatially Structured Statistical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
11.4 Bayesian Hierarchical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
11.4.1 The Poisson-Gamma Model Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . 322
11.4.2 Spatial Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
11.5 Detection of Clusters of Disease . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
11.5.1 Testing the Homogeneity of the Relative Risks . . . . . . . . 333
11.5.2 Moran’s I Test of Spatial Autocorrelation . . . . . . . . . . . . 335
XIV Contents
11.5.3 Tango’s Test of General Clustering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
11.5.4 Detection of the Location of a Cluster . . . . . . . . . . . . . . . 337
11.5.5 Geographical Analysis Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
11.5.6 Kulldorff’s Statistic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
11.5.7 Stone’s Test for Localised Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
11.6 Other Topics in Disease Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
Afterword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
R and Package Versions Used . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
Data Sets Used . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
Subject Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
Functions Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
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发表于 2013-2-15 17:26:19
