ArcGis数据分类(ClassBreaksDefinition)
文章转载自：Arcgis数据分类那些事儿
数据分类、地图分级（Classification）通常用于Choropleth Map（面量图）的制作中，是专题制图中最初，也是最基本的一个步骤。没有进行过分类的地图，很难让人理解其表意。比如，以中共十八大的各省代表人数为例。假若为每一个省（港澳台除外）单独设色，会是这样的效果（注：每张地图点击都可以看大图的，不再说明）：
（图1 单一设色分类）
这样的地图让人不明其意，不知道各个省的代表人数到底几何。因为人眼分辨差异（类别数）的能力是有限的（多于7个类别就有点难了吧）。倘若为之分类，就可以极大地简化数据，显现出数据的空间分布特征、模式，更便于人们使用和分析。
所谓数据分类，就是将数据按照大小排列，并以一定的方法（主观、客观的或统计的，等等），将某一部分归为一类，这样每一个数据都有自己的类别，且仅属于一类。数据分类看似是一个很简单的东西，一般我们做图时选择往往随便选个分类，可能连分类方法都不去看，再找个顺眼的颜色，也不知道这些颜色因何而配的（我也不知道），确定显示觉得ok就行了，不ok就再改改，直到满足你的审美为止。最终可能看上去漂亮，但也就只剩看上去还行了，而缺乏基本的分类依据。比如，各个分类方法的原理是什么？什么分类方法适用于什么数据？ArcGIS为什么选择了Natural Breaks作为默认分类法？这些都是简单的操作背后值得思考的问题。
数据说明
本文将以刚刚胜利结束的中共十八大中各省参会代表人数为数据源，讨论数据分类的问题。本届会议各省代表共计1556人，以下是分布直方图：
（图2 数据分布直方图）
为什么用这个数据？一直觉得，不管是学习还是工作，使用的数据一定要真实，最好还有时效性。真实是一个首要条件。学习中，如果数据真实，才会让自己产生更多的兴趣，有折腾的动力；工作中，只有数据真实，你的工作才有点用处，不然再怎么努力也是自欺欺人。另外，全国各省的矢量数据还是比较容易获得的，这样关联起来就成了本文所用的数据了。至于数据分布是否合适，这就是天命了，该怎么样就怎么样。
常用的分类方法
以ArcGIS提供的六种分类方法为例：Defined Interval、Equal Interval、Quantile、Standard Deviation、Natural Breaks(Jenks)、Geometry Interval（Geometry Interval是Esri自己开发的一种分类法，资料太少，这个就先不讨论），介绍下各种方法的原理、实现以及用途，以前文数据为例。
Defined Interval
定义间隔分类。定义一个间隔，比如0～100的数据，定义10为间隔，那么10，20…就是断点，分类数由间隔大小决定。
（图3 Defined Interval分类图，Interval=15）
用Defined Interval分类，提供的信息不多，只能看出不同的省份落在了不同的区间而已，而这个区间的大小没有太大的实际意义。
Equal Interval
等距分类。定义一个分类数，比如0～100的数据，分为4类，那么间隔就是25。间隔定了，那就和定义间隔分类的原理一致了。
等距分类和上面的定义间隔分类原理简单，易于计算。比较适合用在温度、成绩和百分比等范围、间隔都为人熟知的数据。但是这两种分类法可能会有“空类”（定义间隔也是的），比如0～100的数据，大部分都在0～50中，剩下的几个在90～100。如果你再按10为间隔去分类，那将会有4个空类！
（图4 Equal Interval分类图）
同样，Equal Interval分类提供的信息也不多。
Quantile
等量分类。又叫分位数分类，每一类的数目一样，这样就不会出现空类了。等量分类适合用于线性分布的数据，比如排名数据。但它不考虑数值大小，很可能将两个大小相近的值分到不同的类别中，也可能数据一样的数据，却分在不同的类中。
（图5 Quantile分类图）
Quantile分类，每一类中的数目是相同的，也就是每一种颜色的省份个数一样，但它忽视了省份之间人数的差异。
Standard Deviation
标准差分类。显然适合正态分布的数据，用于表现与均值相异的程度。但涉及一点点统计知识，普通用户可能不好理解。
（图6 Standard Deviation分类，Interval=1std）
Standard Deviation分类可以看出黄色的省份人数适中（均值），而绿色就偏少了，红色最多。另外，这种分类法的图例与一般的不一样，原因是显而易见的。
Natural Breaks(Jenks)
自然断点分类。一般来说，分类的原则就是差不多的放在一起，分成若干类。统计上可以用方差来衡量，通过计算每类的方差，再计算这些方差之和，用方差和的大小来比较分类的好坏。因而需要计算各种分类的方差和，其值最小的就是最优的分类结果（但并不唯一）。这也是自然断点分类法的原理。另外，当你去看数据的分布时，可以比较明显的发现断裂之处（可以参看前文直方图），这些断裂之处和Natural Breaks方法算出来也是一致的。因而这种分类法很“自然”。
那Jenks又是谁？简单介绍下：
George F. Jenks (1916-1996)，美国制图学家，生于纽约。41年本科毕业后加入陆军航空队，退伍后进入雪城大学深造，在Richard Harrison指导下学习制图。49年博士毕业后获堪萨斯大学教职，设计并执教制图学课程至退休。Jenks发明的Natural Breaks分类法是最常用的数据分类法，也是ArcGIS中的默认分类法。
Natural Breaks算法又有两种：
（1）Jenks-Caspall algorithm(1971)，是Jenks和Caspall发明的算法。原理就如前所述，实现的时候要将每种分类情况都计算一遍，找到方差和最小的那一种，计算量极大。n个数分成k类，就要从n-1个数中找k-1个组合，这个数目是很惊人的。数据量较大时，如果分类又多，以当时的计算机水平根本不能穷举各种可能性。所以当时计算的得到的自然断点是看“运气”的！当然也有一些经验得来的评价指标。
（2）Fisher-Jenks algorithm(1977)，Fisher(1958)发明了一种算法提高计算效率，不需要进行穷举（暂时还没看明白，文献也很少。等我弄明白了，再另写吧）。Jenks将这种方法引入到数据分类中。但后来者几乎只知道Jenks而不知Fisher了，难道是学地理的数学都太差的缘故: P。ArcGIS也是以这个算法为基础改进的，就是说还要更快！开源软件中也有些实现了，后面再说。
（图7 Natural Breaks分类图）
Natural Breaks分类可以很好地“物以类聚”，类别之间的差异明显，而类内部的差异是很小的，每一类之间都有一个明显的断裂之处。
比较与总结
从直观上看，这份数据用Standard Deviation和Natural Breaks分类的效果较好，它们两个都考虑了数据分布的统计特征。而Equal(Defined) Interval和Quantile，仅仅是两种相对主观的分类法，不管是类间的距离还是类的数目，在这里都没有明确的标准。不像温度这样的数据，长久以来大家都有默认的区间，比如以10度为区间。
这个比较还说明了一点，即相同的数据，用不同分类方法，所表现的效果是截然不同的，特别是偏度很大或很小的数据。idvsolutions曾撰文讨论过，可参考。
另外，如果要表示时序数据的时候，分类一定要确定，不能因为不同时刻不同数据有不同的分类。比如地图汇的这个气温变化例子，做得很好。不过有个小问题，就是图例的区间都是闭合且连续的。即上一个区间的终点和下一个区间的起点相同，那这个间断点到底应该属于哪一类呢？貌似地图汇暂时都是这样的处理。
分类的评价指标
GVF，The Goodness of Variance Fit，暂且叫“方差拟合优度”吧，公式如下：
（公式1 GVF）
其中，SDAM是the Sum of squared Deviations from the Array Mean，即原始数据的方差；SDCM是the Sum of squared Deviations about Class Mean，即每一类方差的和。显然，SDAM是一个常数，而SDCM与分类数k有关。
一定范围内，GVF越大，分类效果越好。SDCM越小，GVF越大，越接近于1。而SDCM随k的增大而大，当k等于n时，SDMC=0，GVF=1。也就是说k越大，GVF越大。但这显然不是说k越大分类效果越好，就如前文提到过的，人的眼睛能识别的类别是有限的，而且也见过了单一设色的效果，很糟糕。
那这个GVF怎么用，又有什么用呢？主要有两种用途：
（1）类数相同，比较方法的优劣
GVF可以用来比较不同的方法，在相同类数情况下，分类效果的优劣。比如，上述几个分类的GVF：
| 分类方法 | GVF |
| Defined Interval | 0.7203 |
| Equal Interval | 0.7128 |
| Quantile | 0.7271 |
| Natural Breaks | 0.8524 |
| Standard Deviation | 0.8137 |
（表1 GVF大小比较图；注：Standard Deviation类数肯定是奇数的，区间为1std时是5；其余分类数均为4）
可见，Natural Breaks明显优于别的分类法，而且任何数据都是这个结果，因为GVF中的SDCM就是Natural Breaks中类方差和嘛。既然Natural Breaks计算出的方差和（SDCM）是最小的，那GVF显然是最大的了。从这个角度来说，Natural Breaks是最优的分类法，ArcGIS将其作为默认分类法也是因为这个原因，有些地方将也称Natural Breaks为Optimal，都显示出了该方法的优越性。
（2）方法相同，比较类数的优劣
GVF还能用于比较一个方法，不同分类数的分类效果好坏。以k和GVF做图可得：
（图8 GVF变化图）
随着k的增大，GVF曲线变得越来越平缓。特别是在红线处（k=5），曲线变得基本平坦（之前起伏较大，之后起伏较小），k(5)也不是很大，所以可以分为5类。一般来说，GVF>0.7就可以接受了，当然越高越好，但一定要考虑k不能太大。显然，这是一个经验公式，但总比没有好吧。
不分类可以吗？
数据分类的缘起就是因为早年的制图技术不能实现唯一值设色，客观技术的制约导致了数据分类的需求。现在的技术已经完全可以实现，因而有人对数据分类的必要性提出过质疑。但我想数据分类还是必须的，原因前文已述。但如果真的不分类，如何才能更好地表达专题信息？
Prism Map（棱柱图），可以满足这一的需求：
（图9 单一棱柱图）
如果再加上自然断点分类，效果就更好了：
（图10 分类棱柱图）
但这不是专题制图的常规手段，比如ArcScene中不能加图例吧。Jenks说可以以Prism Map为标准来评价各种分类的效果，还提出了tabular error、overview error和boundary error三种指标。有兴趣的去翻论文吧: P
由此，可以想到地图投影的各种方法。没有一种投影是完美的，一种投影只能保持一种性质不变。反观数据分类，同样也没有一种分类是完美的，也需要根据不同的需求去选择。空间参考未来或许会归结为没有投影，仅存地理坐标系，所有的显示、分析都基于球面坐标。类似，数据可能也会不需要分类。
更高级的分类法
上述的各种分类法顶多考虑了数据在数轴上的分布，通过统计特征进行分类。而GIS中的数据都是具有空间位置的，如果将空间位置等考虑进去，那分类方法还有很多值得研究的地方。比如空间位置相邻，数值大小也相近，但自然断点分类后却在两个不同的类别中的两个要素，是不是可以考虑分为一类内？类似的分类法（考虑多指标）已经有人研究，目前还没有流行开来，但可以期待是GIS软件中会出现更多的分类方法。
GIS软件中的实现
总结一下各GIS软件中对分类法的实现也是蛮有意思的（以ArcGIS分类法为参考）：
| ArcGIS | SuperMap | MapGIS | QGIS | uDig | |
| Defined Interval | O | O | X | X | X |
| Equal Interval | O | O | O | O | O |
| Quantile | O | O | X | O | O |
| Standard Deviation | O | O | X | O | X |
| Natural Breaks | O | X | X | O | X |
| 其他 | Geometry Interval | 对数分段、开方分段 | 默认提供等距分段 | Pretty Breaks | Unique Values |
（表2 GIS软件分类法比较）
其中，各测试软件版本号为：ArcGIS 10.1、SuperMap Deskpro 6、MapGIS K9、QGIS 1.8、uDig 1.3.2。
各个厂商对分类的理解不一致的，ArcGIS 不再介绍；超图没有自然断点，另外提供了对数、开方分段；MapGIS默认给数据做等距分段，没有方法选择，只能手动修改；QGIS不提供Defined Interval，矢量支持Natural Breaks，还提供Pretty Breaks（貌似在R中见过）；uDig没有Defined Interval、Quantile以及Natural Breaks，但提供Unique Values（可这不就是不分类吗，这也算一种分类法Orz）。
参考
主要参考了Thematic Cartography and Geovisualization和Cartography: Thematic Map Design，以及若干文献，就不逐一列出了。
代码
我用C#实现了上述提到的分类法，其中Natural Breaks比较“暴力”（穷举），没有用到Fisher的算法，只能有时间再研究了。
| 123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220221222223224225226227228229230231232233234235236237238239240241242243244245246247248249250251252253254255256257258259260261262263264265266267268269270271272273274275276277278279280281282283284285286287288289290291292293294295296297298299300301302303304305306307308309310311312313314315316317318319320 |
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
namespace Classification
{
//------------------------ COMMON METHOD
public static class ClassUtil
{
public const double TOLERANCE = 1E-5;
public enum Distance
{
One,
Half,
Quarter,
}
public static double SquareDeviation(IEnumerable<double> vals)
{
var mean = vals.Sum() / vals.Count();
return vals.Sum(v => (v - mean) * (v - mean)) / vals.Count();
}
public static double StandardDeviation(IEnumerable<double> vals)
{
return Math.Sqrt(SquareDeviation(vals));
}
public static void GetBreaksDetail(double[] vals, double[] breaks, out int[,] range, out double[,] legend)
{
var ord_vals = vals.OrderBy(v => v).ToArray();
var min = ord_vals[0];
var max = ord_vals[ord_vals.Length - 1];
var k = breaks.Length + 1;
range = new int[k, 2];
legend = new double[k, 2];
range[0, 0] = 0;
range[k - 1, 1] = ord_vals.Length - 1;
legend[0, 0] = min;
legend[k - 1, 1] = max;
for (var i = 1; i < k; i++)
{
var _break = breaks[i - 1];
double[] nearest_vals = null;
int[] nearest_indexes = null;
findNearestVals(ord_vals, _break, out nearest_indexes, out nearest_vals);
range[i - 1, 1] = nearest_indexes[0];
range[i, 0] = nearest_indexes[1];
legend[i - 1, 1] = nearest_vals[0];
legend[i, 0] = nearest_vals[1];
}
}
private static void findNearestVals(double[] vals, double obj, out int[] nearest_indexes, out double[] nearest_vals)
{
nearest_indexes = new int[2];
nearest_vals = new double[2];
for (var i = 0; i < vals.Length; i++) // pre class end
{
if (vals[i] - obj >= 0)
{
nearest_indexes[0] = i - 1;
nearest_vals[0] = vals[i - 1];
break;
}
}
for (var i = vals.Length - 1; i >= 0; i--) // current class begin
{
if (vals[i] - obj == 0)
{
nearest_indexes[1] = i;
nearest_vals[1] = vals[i];
break;
}
else
if (vals[i] - obj < 0)
{
nearest_indexes[1] = i + 1;
nearest_vals[1] = vals[i + 1];
break;
}
}
}
public static double GVF(double[] vals, int[,] range) // goodness of viriance fit
{
var SDAM = ClassUtil.SquareDeviation(vals); // the sum of squared deviations from the array mean
var SDCM = 0.0d; // the sum of squared deviations between classes
var val_list = vals.OrderBy(v => v).ToList();
for (var i = 0; i < range.GetUpperBound(0) + 1; i++)
{
var class_vals = val_list.GetRange(range[i, 0], range[i, 1] - range[i, 0] + 1);
SDCM += ClassUtil.SquareDeviation(class_vals);
}
var GVF = 1 - SDCM / SDAM;
return GVF;
}
public static void PrintLegend(double[,] legend, String method)
{
Console.WriteLine(method);
for (var i = 0; i < legend.GetUpperBound(0) + 1; i++)
{
Console.WriteLine(String.Format("{0}~{1}", legend[i, 0], legend[i, 1]));
}
}
public static void PrintGVF(double[] vals, int[,] range)
{
Console.WriteLine("GVF: " + ClassUtil.GVF(vals, range));
}
}
//------------------------ DEFINED INTERVAL
public static class DefinedInterval
{
public static double[] GetBreaks(double[] vals, double interval)
{
var ord_vals = vals.OrderBy(v => v).ToArray();
var min = ord_vals[0];
var max = ord_vals[ord_vals.Length - 1];
var range = max - min;
var result = new List<double>();
var _break = min;
while (max - (_break + interval) > ClassUtil.TOLERANCE) // the last class interval may be different(arcgis is the first class)
{
_break += interval;
result.Add(_break);
}
return result.ToArray();
}
}
//------------------------ EQUAL INTERVAL
public static class EqualInterval
{
public static double[] GetBreaks(double[] vals, int count)
{
var result = new List<double>();
var ord_vals = vals.OrderBy(v => v).ToArray();
var min = ord_vals[0];
var max = ord_vals[ord_vals.Length - 1];
var interval = (max - min) / count;
var _break = min;
while (max - (_break + interval) > ClassUtil.TOLERANCE)
{
_break += interval;
result.Add(_break);
}
return result.ToArray();
}
}
//------------------------ QUANTILE
public static class Quantile
{
public static double[] GetBreaks(double[] vals, int count)
{
var result = new List<double>();
var ord_vals = vals.OrderBy(v => v).ToArray();
var min = ord_vals[0];
var max = ord_vals[ord_vals.Length - 1];
var class_count = (int)(ord_vals.Length / count);
var _break = min;
for (var i = 1; i < count; i++)
{
_break = ord_vals[i * class_count];
result.Add(_break);
}
return result.ToArray();
}
}
// STANDARD DEVIATION
public static class StandardDeviation
{
public static double[] GetBreaks(double[] vals, ClassUtil.Distance distance)
{
var result = new List<double>();
var ord_vals = vals.OrderBy(v => v).ToArray();
var mean = ord_vals.Sum() / ord_vals.Length;
var min = ord_vals[0];
var max = ord_vals[ord_vals.Length - 1];
var std = ClassUtil.StandardDeviation(vals);
var dist = 0.0d;
switch (distance)
{
case ClassUtil.Distance.One:
dist = std;
break;
case ClassUtil.Distance.Half:
dist = std / 2;
break;
case ClassUtil.Distance.Quarter:
dist = std / 4;
break;
default:
break;
}
var _break = mean - dist / 2;
result.Add(_break);
while (_break - dist - min > ClassUtil.TOLERANCE)
{
_break -= dist;
result.Add(_break);
}
result.Reverse();
_break = mean + dist / 2;
result.Add(_break);
while (max - (_break + dist) > ClassUtil.TOLERANCE)
{
_break += dist;
result.Add(_break);
}
return result.ToArray();
}
}
// NATURAL BREAKS
public static class NaturalBreaks
{
public static double[] GetBreaks(double[] vals, int count)
{
var group_vals = vals.OrderBy(v => v).GroupBy(v => v).ToDictionary(g => g.Key, g => g.ToArray());
var n = group_vals.Keys.Count;
var k = count;
var all_breaks = getAllBreaks(n - 1, k - 1); // combination
var min_sum_sqd = double.MaxValue;
int[] optimal_breaks = null;
foreach (var breaks in all_breaks)
{
var break_positions = new List<int>();
break_positions.Add(0);
break_positions.AddRange(breaks);
break_positions.Add(n);
var sum_sqd = 0.0d;
for (var i = 0; i < break_positions.Count - 1; i++)
{
var begin = break_positions[i];
var gap = break_positions[i + 1] - begin;
var class_vals = new List<double>();
for (var j = 0; j < gap; j++)
{
var key_index = begin + j;
var key = group_vals.Keys.ElementAt(key_index);
var key_vals = group_vals[key];
class_vals.AddRange(key_vals);
}
sum_sqd += ClassUtil.SquareDeviation(class_vals.ToArray());
}
if (sum_sqd < min_sum_sqd) // ignore the same min_sum_sqd
{
min_sum_sqd = sum_sqd;
optimal_breaks = breaks;
}
}
var result = new List<double>();
foreach (var _break in optimal_breaks)
{
result.Add(group_vals.Keys.ElementAt(_break));
}
return result.ToArray();
}
private static List<int[]> getAllBreaks(int n, int k)
{
var r = new int[k + 1];
var rs = new List<int[]>();
combination(n, k, r, rs);
return rs;
}
private static void combination(int n, int k, int[] r, List<int[]> rs)
{
for (var i = n; i >= k; i--)
{
r[k] = i;
if (k > 1)
{
combination(i - 1, k - 1, r, rs);
}
else
{
rs.Add(r.Skip(1).ToArray());
}
}
}
}
}
|
这是测试数据。
| 12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152 |
using System;
namespace Classification
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
var con18 = new double[] { 56, 64, 41, 39, 69, 46, 38, 26, 62, 68, 50, 62, 63, 37, 70, 42, 63, 40, 30, 28, 75, 42, 43, 73, 72, 48, 28, 42, 47, 50, 42 };
//var vals = new List<double> { 1, 2, 3, 70, 80, 90, 200, 210, 220 };
var breaks_defined_interval = DefinedInterval.GetBreaks(con18, 15);
int[,] range_defined_interval = null;
double[,] legend_defined_interval = null;
ClassUtil.GetBreaksDetail(con18, breaks_defined_interval, out range_defined_interval, out legend_defined_interval);
ClassUtil.PrintLegend(legend_defined_interval, "Defined Interval");
ClassUtil.PrintGVF(con18, range_defined_interval);
Console.WriteLine();
var breaks_equal_interval = EqualInterval.GetBreaks(con18, 4);
int[,] range_equal_interval = null;
double[,] legend_equal_interval = null;
ClassUtil.GetBreaksDetail(con18, breaks_equal_interval, out range_equal_interval, out legend_equal_interval);
ClassUtil.PrintLegend(legend_equal_interval, "Equal Interval");
ClassUtil.PrintGVF(con18, range_equal_interval);
Console.WriteLine();
var breaks_natural_breaks = NaturalBreaks.GetBreaks(con18, 4);
int[,] range_natural_breaks = null;
double[,] legend_natural_breaks = null;
ClassUtil.GetBreaksDetail(con18, breaks_natural_breaks, out range_natural_breaks, out legend_natural_breaks);
ClassUtil.PrintLegend(legend_natural_breaks, "Natural Breaks");
ClassUtil.PrintGVF(con18, range_natural_breaks);
Console.WriteLine();
var breaks_quantile = Quantile.GetBreaks(con18, 4);
int[,] range_breaks_quantile = null;
double[,] legend_breaks_quantile = null;
ClassUtil.GetBreaksDetail(con18, breaks_quantile, out range_breaks_quantile, out legend_breaks_quantile);
ClassUtil.PrintLegend(legend_breaks_quantile, "Quantile");
ClassUtil.PrintGVF(con18, range_breaks_quantile);
Console.WriteLine();
var breaks_standard_deviation = StandardDeviation.GetBreaks(con18, ClassUtil.Distance.One);
int[,] range_standard_deviation = null;
double[,] legend_standard_deviation = null;
ClassUtil.GetBreaksDetail(con18, breaks_standard_deviation, out range_standard_deviation, out legend_standard_deviation);
ClassUtil.PrintLegend(legend_standard_deviation, "Standard Deviation");
ClassUtil.PrintGVF(con18, range_standard_deviation);
}
}
}
|
