地理分析方法论|地理探测器（Geo Detector）
目錄
1相關理論
1.1地理探測器概念
1.2地理探測器原理
1.2.1分異及因子探測
1.2.2交互作用探測
?1.2.3風險區探測
1.2.4生態探測
1.3地理探測器主流應用
2相關操作（Excel版本）
2.1地圖轉為表格
2.2地理探測器運行
2.3結果分析
2.3.1因子探測結果分析
2.3.2交互作用探測結果分析
2.3.3生態探測結果分析
2.3.4風險區探測結果分析
1相關理論
? ? ? 地理探測器是由中國科學院地理科學與資源研究所王勁峰研究員團隊在《Geographical Detectors-Based Health Risk Assessment and its Application in the Neural Tube Defects Study of the Heshun Region, China》一文中首次提出，解決了中國山西省和順縣新生兒神經管畸形地理環境影響發病因子分析，為環境健康研究提供新方法。如今，地理探測器已成為主流地理分析模型，廣泛應用至流行病研究、環境影響因子分析、植被變化驅動力分析等領域。
1.1地理探測器概念
? ? ? 地理探測器是探測空間分異性，以及揭示其背后驅動力的一組統計學方法。其核心思想是基于這樣的假設：如果某個自變量對某個因變量有重要影響，那么自變量和因變量的空間分布應該具有相似性。地理探測器擅長分析類型量，而對于順序量、比值量或間隔量，只要進行適當的離散化，也可以利用地理探測器對其進行統計分析。即地理探測器既可以探測數值型數據，也可以探測定性數據，這正是地理探測器的一大優勢。地理探測器的另一個獨特優勢是探測兩因子交互作用于因變量。交互作用一般的識別方法是在回歸模型中增加兩因子的乘積項，檢驗其統計顯著性。然而，兩因子交互作用不一定就是相乘關系。地理探測器通過分別計算和比較各單因子q值及兩因子疊加后的?q?值，可以判斷兩因子是否存在交互作用，以及交互作用的強弱、方向、線性還是非線性等。兩因子疊加既包括相乘關系，也包括其他關系，只要有關系，就能檢驗出來。
? ? ? 地理探測器現有Excel、R語言、QGIS插件三種版本形式，均可在GeoDetector網站下載（Welcome to visit GeoDetector Website）。
1.2地理探測器原理
? ? ? 空間分異性是地理現象的基本特點之一。地理探測器是探測和利用空間分異性的工具。地理探測器包括4個探測器：分異及因子探測、交互作用探測、風險區探測、生態探測。
1.2.1分異及因子探測
? ? ? 探測Y的空間分異性；以及探測某因子X多大程度上解釋了屬性Y?的空間分異。用q值度量，表達式為：
（式中：h = 1, …, L為變量Y或因子X的分層（Strata），即分類或分區；Nh和N分別為層h?和全區的單元數；?σh2和?σ2?分別是層h和全區的Y值的方差。SSW和SST分別為層內方差之和（Within Sum ofSquares）和全區總方差（Total Sum of Squares）。q的值域為[0, 1]，值越大說明Y的空間分異性越明顯；如果分層是由自變量X生成的，則q值越大表示自變量X對屬性Y的解釋力越強，反之則越弱。極端情況下，q值為1表明因子X完全控制了Y?的空間分布，q值為0則表明因子X與Y沒有任何關系，q值表示X解釋了100×q%的Y。）
? ? ? q值的一個簡單變換滿足非中心F分布：
?（式中：λ為非中心參數；為層h的均值。根據式（3），可以查表或者使用地理探測器軟件來檢驗q值是否顯著。）
1.2.2交互作用探測
? ? ? 識別不同風險因子Xs之間的交互作用，即評估因子X1和X2共同作用時是否會增加或減弱對因變量Y的解釋力，或這些因子對Y的影響是相互獨立的。評估的方法是首先分別計算兩種因子X1和X2對Y的q值：q(X1)和q(X2)，并且計算它們交互（疊加變量X1和X2兩個圖層相切所形成的新的多邊形分布，圖2）時的q值：q(X1∩X2)，并對q(X1)、q(X2)與q(X1∩X2)進行比較。兩個因子之間的關系可分為以下幾類。
?
1.2.3風險區探測
? ? ? 用于判斷兩個子區域間的屬性均值是否有顯著的差別，用t統計量來檢驗：
（式中：表示子區域?h內的屬性均值，如發病率或流行率；nh為子區域h內樣本數量，?Var表示方差。統計量t近似地服從Student's t分布，其中自由度的計算方法為式（5））
?
? ? ? 零假設H0：
? ? ? 如果在置信水平α下拒絕H0，則認為兩個子區域間的屬性均 值存在著明顯的差異。?
1.2.4生態探測
? ? ? 用于比較兩因子X1和X2對屬性Y的空間分布的影響是否有顯著的差異，以F統計量來衡量：
（式中：NX1及NX2分別表示兩個因子X1和X2的樣本量；SSWX1和SSWX2分別表示由X1和X2形成的分層的層內方差之和；L1和L2分別表示變量X1和X2分層數目。）
? ? ? 零假設：
?
? ? ? 如果在α的顯著性水平上拒絕H0，這表明兩因子X1和X2對屬性Y的空間分布的影響存在著顯著的差異。?
1.3地理探測器主流應用
（1）新生兒神經管畸形空間變異的環境因子識別
（2）美國陸表切割度空間變異的主導因素探測
（3）中國縣域城市化空間變異的驅動力
（4）土壤抗生素殘留空間變異的因子分析
（5）植被變化特征影響因素分析
（6）NPP、NDVI等空間格局驅動力分析
? ? ? ? ......
2相關操作（Excel版本）
2.1地圖轉為表格
? ? ? 將研究區神經管畸形出生缺陷的發生、高程、土壤類型、流域分區等矢量數據導入ArcGIS軟件見圖1。通過要素轉點工具，將神經管畸形出生缺陷發生的村莊信息轉為點數據，提取村莊中心點，操作見圖2，結果見圖3。
圖1 導入研究區地圖數據
圖2 要素轉點操作
圖3 要素轉點結果
? ? ? 將高程、土壤類型、流域分區提取到中心點中。通過運行Analysis Tools—Overlay—Intersect工具實現。操作見圖4，結果見圖5。最后導出屬性表中的數據。
圖4 提取信息到中心點操作
圖5 提取信息到中心點結果
2.2地理探測器運行
? ? ? 打開集成到Excel中的地理探測器，導入地圖轉換的表格數據，讀取數據，設置X、Y變量，運行地理探測器，最終得到四個探測器的結果數據，分別呈現在Interaction_detector、Ecological_detector、Factor_detector、Risk_detector四個表格內。操作見圖6，結果見圖7。
圖6 地理探測器運行操作
圖7 地理探測器運行結果（交互作用探測結果）
2.3結果分析
2.3.1因子探測結果分析
? ? ? 因子探測結果為“factor_detector”表格內，見圖8。其內容有q、p兩個值表示。q表示每一個自變量在多大程度上解釋了因變量的空間分異，值越大說明該自變量對因變量的空間分異解釋程度越大。圖8中可見流域分區（region）因子q值最大，可以說明流域分區（region）這一因子與該區域空間分析關系最大。P值是顯著性檢驗的一個結果，本次實驗采用0.05進行顯著性檢驗。
圖8 因子探測結果
2.3.2交互作用探測結果分析
? ? ? 交互作用探測結果為“Interaction_detector”表格內，見圖7。交互作用探測評估因子X1和X2共同作用時是否會增加或減弱對因變量Y的解釋力，或這些因子對Y的影響是相互獨立的。評估的方法是首先分別計算兩種因子X1和X2對Y的q值：q(X1)和q(X2)，并且計算它們交互時的q值：q(X1 ∩ X2) ，并對 q(X1)、q(X2)與q(X1 ∩ X2) 進行比較。可以從圖7中看出，土壤類型因子（type）與流域分區（region）交互作用，對Y（神經管畸形出生缺陷的發生）的解釋力最大。相對于單個因素來看，土壤類型因子（type）與流域分區（region）交互作用比他們單獨作用解釋力增加。
2.3.3生態探測結果分析
? ? ? 生態探測結果為“Ecological_detector”表格內，見圖9。生態探測用于比較兩因子X1和X2對屬性Y的空間分布的影響是否有顯著的差異。圖9可以看出土壤類型因子（type）與流域分區（region）、土壤類型因子（type）與高程因子（level）對Y（神經管畸形出生缺陷的發生）的解釋力有顯著差異，流域分區（region）與高程因子（level）的解釋力沒有顯著差異。
圖9 生態探測結果
2.3.4風險區探測結果分析
? ? ? 風險區探測結果為“Risk_detector”表格內，見圖10。風險區探測結果用于判斷兩個子區域間的屬性均值是否有顯著的差別。表格1-3行內容表示不同土壤類型的神經管畸形出生缺陷的平均發生率。表格5-11行表示空間分異性是否顯著，“Y”表示具有顯著差異“N”表示不顯著差異。后面表格內容表示其余因子的平均發病率和顯著性檢驗。
圖10 風險區探測結果
【參考文獻】
[1] Wang JF, Li XH, Christakos G, Liao YL, Zhang T, Gu X & Zheng XY. 2010. Geographical detectors-based health risk assessment and its application in the neural tube defects study of the Heshun region, China. International Journal of Geographical Information Science 24(1): 107-127.
[2]王勁峰,徐成東.地理探測器:原理與展望[J].地理學報,2017,72(01):116-134.
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的地理分析方法论|地理探测器（Geo Detector）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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