Phần I – Giới thiệu công cụ Spatial Statistics trong ArcGIS

 I.   Tổng quan về thống kê không gian với GIS

Thống kê không gian – Spatial Statistics – là một tập hợp các kỹ thuật khám phá nhằm mô tả và mô hình hóa các phân bố không gian, các mô hình, quá trình và các mối quan hệ không gian. Trong khi có sự tương tự giữa thống kê không gian và thống kê truyền thống (phi không gian) về các khái niệm và mục tiêu, thì các phương pháp thống kê không gian chỉ đặc biệt được phát triển cho phân tích dữ liệu không gian. Không giống như các phương pháp thống kê phi không gian truyền thống, thống kê không gian tích hợp trực tiếp yếu tố không gian (tính lân cận, tính khu vực, tính kết nối hoặc/và các quan hệ không gian khác) vào trong các công thức tính toán.

Phân tích thống kê không gian thường được sử dụng trong phân tích cấu trúc không gian đô thị, phân tích địa lý kinh tế, phân tích mô hình bầu cử, phân tích bán lẻ, phân tích tội phạm, dịch tễ học, phân tích tai nạn giao thông, và nhân khẩu...

Trong thống kê không gian, thông tin về vị trí không gian đóng một vai trò rất quan trọng và do vậy, việc lồng ghép GIS với spatial statistics đang ngày càng được chú trọng phát triển. Các phần mềm thống kê không gian trước đây như SpaceStat, R-stat… thường sử dụng các công cụ ngoài để tính toán và chuẩn bị các biến mang thông tin không gian trước khi áp dụng kỹ thuật phân tích thống kê. Với công cụ quản lý tích hợp dữ liệu địa lý và hỗ trợ hiển thị, các hệ thống GIS hiện đại cung cấp nền tảng mạnh mẽ cho phân tích không gian tích hợp. Và trong xu thế đó, phần mềm ArcGIS của hãng ESRI  phiên bản 10.x được trang bị các công cụ lập bản đồ, tích hợp và tạo các biến dữ liệu không gian cũng như tính toán các chỉ số thống kê không gian và mô hình mối quan hệ không gian nhằm khám phá và diễn giải cấu trúc và các quá trình địa không gian.

II.   Công cụ spatial statistics trong ArcGIS

Bộ công cụ phân tích thống kê không gian trong phần mềm ArcGIS for Desktop cho phép phân tích các phân bố không gian, các mô hình, các quá trình, và các mối quan hệ trong không gian. Bộ công cụ Spatial Statistics được tổ chức trong ArcToolbox, bao gồm các nhóm công cụ thống kê không gian như sau:

-       Measuring Geographic Distributions: nhóm công cụ này giúp trả lời câu hỏi như: Ở đâu là trung tâm? Hình dạng và chiều hướng như thế nào? Độ phân tán của các đối tượng như thế nào?

-       Analyzing Patterns: giúp đánh giá các đối tượng, hoặc các giá trị liên kết với đối tượng, có tập trung thành nhóm, hay phân tán, hay ngẫu nhiên về phân bố không gian.

Trong đó, đáng lưu ý là các công cụ đánh giá tính tự tương quan không gian của dữ liệu, bao gồm:

•        Spatial Autocorrelation (Morans I): đo lường sự tự tương quan không gian dựa trên vị trí và giá trị thuộc tính của đối tượng sử dụng thống kê Global Moran’s I

•        Incremental Spatial Autocorrelation: đo lường sự tượng quan không gian cho một chuỗi các khoảng cách và tùy chọn tạo đồ thị line giữa các khoảng cách đó và giá trị z-score tương ứng.

-       Mapping Clusters: Bộ công cụ này có thể được sử dụng để xác định các cụm điểm nóng/ điểm lạnh có ý nghĩa thống kê, hoặc các đối tượng outlier về không gian. Ngoài ra, còn có công cụ để phân tích xác định nhóm các đối tượng có các đặc tính tương tự nhau.

-       Modeling Spatial Relationships: Bộ công cụ này mô hình hóa mối quan hệ dữ liệu sử dụng các kỹ thuật phân tích hồi quy hoặc xây dựng các ma trận trọng số không gian.

•        Generate Spatial Weights Matrix: tạo ra file dữ liệu ma trận các trọng số không gian để thể hiện các mối quan hệ không gian giữa các đối tượng trong tập dữ liệu.

•        Exploratory Regression: đánh giá tất cả các kết hợp của các biến giải thích đầu vào nhằm tìm kiếm các mô hình hồi quy OLS phù hợp.

•        Ordinary Least Squares: tiến hành phân tích hồi quy tuyến tính toàn cầu để mô hình hóa biến phụ thuộc dựa trên một tập hợp các biến giải thích.

•       Geographically Weighted Regression: tiến hành phân tích hồi quy tuyến tính cục bộ (địa phương) để mô hình hóa các mối quan hệ thay đổi theo không gian.

Chi tiết về các công cụ Spatial Statistics trong ArcGIS có thể tham khảo tại đây.

III.    Công cụ spatial statistics trong nghiên cứu không gian đô thị

Với bộ công cụ Spatial Statistics của ArcGIS, việc nghiên cứu không gian đô thị có thể bắt đầu từ việc lập bản đồ phân bố các nhóm đối tượng đặc trưng của đô thị như hạ tầng giao thông, đất đai, nhà ở, dân cư… tiến tới phân tích các hình mẫu (pattern) không gian đô thị thông qua các chỉ số tự tương quan không gian, khoanh vùng những khu tập trung, lượng hóa các đặc tính phân bố không gian và lập mô hình mối quan hệ không gian giữa các đối tượng và quá trình địa lý… Các công cụ thường được sử dụng có thể phân thành 2 nhóm chính gồm:

(1) các phân tích mô tả thống kê không gian, gồm các chỉ số thống kê mô tả như Chỉ số Moran (I), chỉ số Getis-Ord (Gi*)… nhằm lượng hóa hình mẫu không gian đô thị, khoanh vùng những khu tập trung (hot spot hoặc cold spot); và

(2)  mô hình hóa các mối quan hệ không gian sử dụng phân tích hồi quy không gian (như hồi quy trễ không gian và hồi quy tự tương quan…) nhằm hiểu rõ hoặc kiểm định mối quan hệ, các yếu tố nhân quả cũng như dự đoán các hiện tượng địa lý cần quan tâm…

Chi tiết về lý thuyết, quy trình thực hiện và kết quả áp dụng kỹ thuật phân tích thống kê không gian trên nền GIS trong nghiên cứu cấu trúc không gian đô thị Hà Nội sẽ được trình bày trong phần II & III tiếp theo của loạt bài này… 

             (Tư vấn GeoViệt, 2015)