LISA 空间自相关分析系统 v2.0 - 完整用户手册
LISA 空间自相关分析系统 v2.0 - 用户手册
📊 软件概述
LISA 空间自相关分析系统是一款专业的空间统计分析工具,集成了 Local Indicators of Spatial Association (LISA) 分析、全局 Moran's I 计算、热点识别和可视化功能。采用现代化图形界面,支持灵活的空间权重矩阵配置,可满足复杂的空间经济学研究需求。
核心功能
✨ 局部空间自相关分析 (LISA) - 识别空间聚类模式(HH、LL、HL、LH) - 计算局部 Moran's I 指标 - 显著性检验(蒙特卡洛模拟)
📈 全局空间自相关分析 - 全局 Moran's I 计算 - z-score 和 p-value 统计 - 多年份趋势分析
🔥 热点/冷点识别 - Jenks 自然断点分类 - 热点、次热点、次冷点、冷点四级分类 - 多配色方案支持
🗺️ 专业地图可视化 - 中国地图底图(基于 frykit 内置数据) - 省界/国界自动绘制 - 南海诸岛小图 - 比例尺、指北针、图例 - 省名标注(中英文可选) - 高分辨率导出(PDF/PNG/SVG/JPG/EPS)
⚙️ 灵活的空间权重矩阵配置 - 4 种内置矩阵类型(Queen/Rook/KNN/距离阈值) - 3 种标准化方式(行标准化/二进制/全局标准化) - 支持自定义矩阵文件(CSV/GAL/GWT) - 每年可使用不同的权重矩阵(独创功能) - 自动孤岛检测和处理
🎯 批量分析 - 多年份同时分析 - 自动生成分析报告 - 结果自动保存(CSV + 地图)
🖥️ 界面功能详解
主界面布局
软件采用左右分栏设计:
- 左侧:5 个功能标签页(数据输入、空间权重矩阵、分析设置、地图样式、导出设置)
- 右侧:实时运行日志
- 底部:进度条和控制按钮
📑 标签页 1:数据输入

功能说明
用于输入地理数据和指标数据。
界面组件
1. 地理数据(SHP 文件)
作用:提供省级行政区划的地理边界数据
要求: - 文件格式:Shapefile (.shp + .shx + .dbf + .prj) - 坐标系统:WGS84 (EPSG:4326) 或其他地理坐标系 - 必需字段:省份名称列(如"省名"、"NAME"、"省份")
示例文件:省界_region.shp
2. 指标数据(Excel 文件)
作用:提供各省份的指标数据(时间序列)
要求: - 文件格式:Excel (.xlsx, .xls) - 数据结构: - 第一列:省份名称 - 其他列:各年份的指标值(列名为年份,如"2007"、"2011")
Excel 文件示例(随机生成的示例数据):
| 省份 | 2007 | 2011 | 2016 | 2021 |
|---|---|---|---|---|
| 北京 | 125.8 | 138.4 | 152.3 | 168.7 |
| 天津 | 98.3 | 107.6 | 118.2 | 130.5 |
| 河北 | 56.7 | 62.4 | 68.9 | 76.2 |
| 山西 | 48.2 | 53.1 | 58.7 | 64.8 |
| 内蒙古 | 52.9 | 58.3 | 64.5 | 71.2 |
| 辽宁 | 73.5 | 80.9 | 89.2 | 98.5 |
| 吉林 | 61.4 | 67.6 | 74.6 | 82.3 |
| 黑龙江 | 58.9 | 64.8 | 71.5 | 78.9 |
| 上海 | 142.6 | 156.9 | 173.1 | 191.2 |
| 江苏 | 108.4 | 119.3 | 131.7 | 145.4 |
| 浙江 | 102.7 | 113.1 | 124.8 | 137.8 |
| ... | ... | ... | ... | ... |
数据说明: - 数值可以是任何指标(GDP、创新指数、绿色发展指数等) - 支持不同年份的数据 - 省份名称必须与 SHP 文件中的省份名称一致
3. 年份选择
作用:选择要分析的年份(支持多选)
操作: - 勾选要分析的年份 - 默认选中前 4 个年份 - 按住 Ctrl 可多选
🔢 标签页 2:空间权重矩阵(⭐核心功能)

功能说明
这是 v2.0 的核心增强功能,支持灵活配置空间权重矩阵。
界面组件
1. 默认矩阵类型
矩阵类型详解:
| 类型 | 适用场景 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| Queen 邻接 | 大陆省份分析 | 符合地理邻接概念 | 海岛会成为孤岛 |
| Rook 邻接 | 严格邻接分析 | 更严格的邻接定义 | 更多孤岛 |
| KNN | 包含海岛地区 | 确保所有区域有邻居 | 可能产生不自然的邻居 |
| 距离阈值 | 考虑地理距离 | 基于实际距离 | 需要调参 |
推荐设置: - 大陆省份分析 → Queen 邻接 - 包含海南等海岛 → KNN (k=4-6) - 考虑距离影响 → 距离阈值(500-1000 km)
2. KNN 参数配置
K 值建议: - K=4:标准配置(推荐) - K=6-8:增加邻居数量 - K=1-3:过少,不推荐
3. 距离阈值参数
阈值建议: - 300-500 km:邻近省份 - 500-1000 km:区域范围 - 1000+ km:跨区域影响
4. 矩阵标准化方式(重要!)
标准化方式详解:
| 方式 | 效果 | 使用场景 |
|---|---|---|
| 行标准化 (R) | 每行和为 1 | 大多数研究(默认推荐) |
| 二进制 (B) | 0-1 矩阵 | 需要原始邻接关系 |
| 全局标准化 (V) | 全局和为 1 | 全局空间效应分析 |
5. 自定义矩阵文件(按年份)⭐ 核心功能
功能说明: - 可为每个年份指定不同的矩阵文件(独创功能!) - 未指定的年份将使用默认矩阵类型 - 支持混合使用(部分年份用自定义,部分用默认) - 支持格式:CSV、GAL、GWT
使用场景: - 经济距离矩阵(每年的 GDP 结构不同) - 技术溢出矩阵(每年的专利引用关系变化) - 贸易流量矩阵(每年的省际贸易额变化)
自定义 CSV 矩阵文件准备指南
文件格式要求
基本结构(CSV 三列格式):
1 | i,j,weight |
关键要求: 1.
三列固定:i, j,
weight 2. 索引从 0 开始:0
表示第一个省份,1 表示第二个省份 3.
只记录有邻居关系的配对:不需要对角线(i=i) 4.
对称矩阵需双向记录:(i,j) 和 (j,i) 都要写
应用场景示例
场景 1:经济距离矩阵
说明:基于经济发展水平的相似度,值越小表示经济距离越近(联系越紧密)
示例数据 (economic_distance_2021.csv):
1 | i,j,weight |
解释: - 省份 0 和 1 的经济距离为 0.12(经济结构相似) - 省份 0 和 3 的经济距离为 0.48(经济结构差异大) - 对称矩阵(0→1 和 1→0 权重相同)
场景 2:技术溢出矩阵
说明:基于专利引用关系,反映技术从一个省份向另一个省份的单向溢出
示例数据 (tech_spillover_2021.csv):
1 | i,j,weight |
解释: - 省份 0 对省份 1 的技术溢出强度为 0.75 - 省份 1 对省份 0 的技术溢出强度为 0.35(非对称) - 权重可以根据专利引用数量计算
场景 3:贸易流量矩阵
说明:基于省际贸易额(单位:亿元)
示例数据 (trade_flow_2021.csv):
1 | i,j,weight |
解释: - 省份 0 到省份 1 的贸易额为 1523.5 亿元 - 省份 1 到省份 0 的贸易额为 1184.3 亿元(非对称) - 可以使用行标准化处理
场景 4:文化距离矩阵
说明:基于方言、习俗、历史联系,值越大文化距离越近
示例数据 (cultural_distance.csv):
1 | i,j,weight |
解释: - 省份 0 和 1 的文化距离很近(0.9) - 通常为对称矩阵 - 文化变化慢,可跨年使用
制作工具推荐
方法 1:Excel 计算 1. 在 Excel 中建立完整的 n×n 矩阵 2. 使用公式计算权重 3. 转换为三列格式(i, j, weight) 4. 另存为 CSV 文件
方法 2:使用专业软件 - GeoDa:导出为 GAL/GWT 格式 - Stata:使用 spmatrix export 命令 - R (spdep):使用 write.gal() 函数
矩阵验证要点
检查项目: - ✅ 列名是否为 i,j,weight -
✅ 是否有标题行 - ✅ 索引是否从 0 开始 - ✅ 是否有自环(i=j)—— 应该没有
- ✅ 权重值是否合理(无负数、无异常大值) - ✅
对称性检查(如果应该对称)
⚙️ 标签页 3:分析设置

界面组件
1. 显著性水平
说明: - 默认 0.05(5% 显著性水平) - 可调整为 0.01(1%)或 0.10(10%) - 影响 LISA 聚类的显著性判断
2. 热点分类
说明: - 使用 Jenks 自然断点法 - 可选 2-6 类 - 默认 4 类:热点、次热点、次冷点、冷点
3. 忽略区域
说明: - 勾选的区域将被排除在分析之外 - 数据缺失的区域建议勾选 - 常见忽略区域:台湾、西藏、香港、澳门
🎨 标签页 4:地图样式

界面组件
1. 配色方案
配色方案预览:
| 方案 | 热点 | 次热点 | 次冷点 | 冷点 |
|---|---|---|---|---|
| 黄蓝 | 🟧 深橙 | 🟨 橙黄 | 🔵 浅蓝 | 🔷 深蓝 |
| 红蓝 | 🔴 深红 | 🔺 红色 | 🔵 蓝色 | 🔷 深蓝 |
| 绿紫 | 🟢 深绿 | 🟩 绿色 | 🟣 紫色 | 🟪 深紫 |
| 橙青 | 🟠 深橙 | 🟧 橙色 | 🔵 青色 | 🔷 深青 |
2. 图像尺寸
推荐设置: - 论文:14×10 英寸 - 报告:12×8 英寸 - 演示:16×12 英寸
3. 地图元素
可选元素: - ☑ 显示省界 - ☑ 显示国界 - ☑ 显示省名标注 - ☑ 显示图例 - ☑ 显示比例尺 - ☑ 显示指北针 - ☑ 显示南海小图 - ☑ 显示LISA阴影
LISA 阴影说明: - ////:HH
高-高聚类(热点聚集) - \\\\:HL 高-低异常点 -
xxxx:LL 低-低聚类(冷点聚集) - ----:LH
低-高异常点
4. 标注设置
语言对照: - English:Beijing, Shanghai, Guangdong... - 中文:北京、上海、广东...
字体大小:建议 8-12
💾 标签页 5:导出设置

界面组件
1. 输出目录
选择结果保存的文件夹
2. 导出格式
格式建议:
| 格式 | 特点 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 矢量图,可缩放 | 论文、报告(推荐) | |
| PNG | 位图,高质量 | 网页、PPT |
| SVG | 可编辑矢量图 | 设计编辑 |
| JPG | 压缩较大 | 一般不推荐 |
| EPS | 专业矢量图 | 学术期刊要求 |
3. 图像质量
DPI 建议: - 72-150:屏幕显示 - 300:印刷标准(推荐) - 600:高质量印刷
4. 结果保存
- ☑ 保存CSV结果文件
- ☑ 保存全局Moran汇总
🚀 使用流程
完整分析步骤
Step 1:准备数据文件
需要准备: 1. ✅ SHP 文件(省界) 2. ✅ Excel 数据文件 3. ⭐ (可选)自定义矩阵文件(CSV/GAL/GWT)
Step 2:启动软件
双击运行 LISA_GUI.exe(或命令行运行)
Step 3:配置分析参数
标签页 1 - 数据输入: 1. 点击"浏览"选择 SHP 文件 2. 点击"浏览"选择 Excel 文件 3. 勾选要分析的年份
标签页 2 - 空间权重矩阵: 1. 选择默认矩阵类型(或使用 Queen 默认) 2. 选择标准化方式(推荐行标准化) 3. 【可选】为特定年份指定自定义矩阵文件
标签页 3 - 分析设置: 1. 设置显著性水平(默认 0.05) 2. 设置热点分类数量(默认 4) 3. 勾选要忽略的区域
标签页 4 - 地图样式: 1. 选择配色方案 2. 调整图像尺寸 3. 勾选要显示的地图元素 4. 设置标注语言和字体大小
标签页 5 - 导出设置: 1. 选择输出目录 2. 勾选导出格式 3. 设置 DPI
Step 4:开始分析
点击 "开始分析" 按钮,系统将自动: 1. 读取并验证数据 2. 计算空间权重矩阵 3. 执行 LISA 分析 4. 绘制地图 5. 保存结果文件
Step 5:查看结果
在输出目录查看: - 地图文件(PDF/PNG 等) - CSV 结果文件 - Moran 汇总文件
📊 输出结果详解
文件结构
1 | 输出目录/ |
地图文件内容
地图包含元素: - 🗺️ 中国省界底图(frykit 内置数据) - 🎨 热点/冷点填色 - 📐 LISA 聚类阴影(斜纹) - 🏷️ 省名标注 - 📏 比例尺(500 km) - 🧭 指北针 - 📊 图例(热点类型 + LISA 类型) - 🏝️ 南海小图
CSV 结果文件格式
LISA_results_2021.csv 示例:
| 省份 | 原始指标值 | lisa | p_value | quadrant | cluster | significant |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 北京 | 168.7 | 2.34 | 0.002 | 1 | HH | True |
| 天津 | 130.5 | 1.85 | 0.012 | 1 | HH | True |
| 河北 | 76.2 | 0.42 | 0.324 | 1 | NS | False |
| 山西 | 64.8 | -1.23 | 0.008 | 3 | LL | True |
| ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... |
字段说明: - 省份:省份名称 - 原始指标值:该年份的指标数据 - lisa:局部 Moran's I 值 - p_value:显著性 p 值 - quadrant:象限(1=HH, 2=LH, 3=LL, 4=HL) - cluster:聚类类型(HH/LL/HL/LH/NS/NA) - significant:是否显著(True/False)
全局 Moran 汇总文件
Moran_global_summary.csv 示例:
| year | moran_i | p_value | z_score | significant_count |
|---|---|---|---|---|
| 2007 | 0.425 | 0.001 | 3.87 | 18 |
| 2011 | 0.468 | 0.001 | 4.12 | 20 |
| 2016 | 0.492 | 0.000 | 4.35 | 22 |
| 2021 | 0.515 | 0.000 | 4.58 | 24 |
字段说明: - year:年份 - moran_i:全局 Moran's I 值(-1 到 1) - p_value:显著性 p 值 - z_score:标准化 z 值 - significant_count:显著聚类的省份数量
Moran's I 解释: - 接近 1:强正相关(空间聚集) - 接近 0:无空间相关 - 接近 -1:强负相关(空间分散)
🎯 高级应用案例
案例 1:经济发展的空间溢出效应研究
研究问题:分析 GDP 增长的空间聚集模式
配置建议: - 矩阵类型:Queen 邻接 - 标准化:行标准化 - 年份:2007, 2011, 2016, 2021 - 显著性:0.05
预期结果: - 识别经济增长的热点区域(东部沿海) - 识别经济增长的冷点区域(西部内陆) - 观察时间演变趋势
案例 2:创新扩散的距离衰减效应
研究问题:技术创新如何随距离衰减
配置建议: - 矩阵类型:距离阈值(500 km) - 标准化:行标准化 - 指标:专利授权量 - 年份:2015-2021(逐年)
优势: - 考虑地理距离的影响 - 反映创新的空间扩散
案例 3:经济距离与空间溢出 ⭐核心案例
研究问题:经济结构相似度对空间溢出的影响
配置建议: - 矩阵类型:自定义 CSV - 自定义矩阵:经济距离矩阵(每年不同) - 标准化:行标准化 - 指标:全要素生产率
操作步骤: 1. 计算每年的产业结构相似系数 2. 转换为经济距离矩阵(CSV 格式) 3. 为每年生成一个 CSV 文件 4. 在软件中为每年指定对应的矩阵文件 5. 运行分析
优势: - ⭐ 考虑经济联系而非地理邻接 - ⭐ 反映真实的经济互动 - ⭐ 每年矩阵可以变化(动态权重)
案例 4:多维权重矩阵对比
研究问题:不同权重矩阵对结果的影响
配置建议: - 运行 4 次分析,分别使用: 1. Queen 邻接 2. KNN (k=6) 3. 距离阈值(500 km) 4. 经济距离矩阵
分析内容: - 对比 4 种矩阵的 Moran's I 值 - 对比聚类模式的异同 - 敏感性分析
🛠️ 故障排查
常见问题
Q1: "No module named 'frykit_data'" 错误
原因:软件依赖包未正确安装
解决:联系技术支持获取完整安装包
Q2: "AttributeError" 错误
原因:软件版本问题
解决:确保使用最新版本 v2.0
Q3: "WARNING: X is an island (no neighbors)" 警告
原因:使用 Queen/Rook 矩阵时有孤岛(如海南)
解决: - 方法 1:切换为 KNN 矩阵 - 方法 2:系统会自动处理(切换为 KNN) - 方法 3:在"分析设置"中忽略该区域
Q4: 自定义矩阵加载失败
原因:CSV 格式不正确
解决: 1. 检查列名是否为 i,j,weight 2.
检查是否有标题行 3. 检查索引是否从 0 开始 4. 检查是否有自环(i=j) 5.
使用 Excel 重新保存为标准 CSV
Q5: 地图显示不完整
原因:DPI 设置过高或图像尺寸不当
解决: - 降低 DPI(如 300 → 150) - 调整图像尺寸(14×10 → 12×8)
Q6: Excel 文件读取失败
原因:数据格式问题
解决: - 确保第一列为省份名称 - 确保列名为年份(如"2007") - 删除空行和空列 - 保存为标准 Excel 格式(.xlsx)
💡 最佳实践
数据准备
- ✅ SHP 文件和 Excel 数据的省份名称要对应
- ✅ 检查数据完整性(无缺失值)
- ✅ 坐标系统统一为 WGS84
- ✅ 自定义矩阵索引与 SHP 顺序一致
矩阵选择
- 🎯 基础研究:使用 Queen 邻接
- 🎯 包含海岛:使用 KNN
- 🎯 经济联系:使用自定义经济距离矩阵
- 🎯 对比研究:多种矩阵对比
可视化
- 🎨 论文:黄蓝配色 + PDF 格式 + 300 DPI
- 🎨 演示:鲜艳配色 + PNG 格式 + 150 DPI
- 🎨 英文期刊:English 标注
- 🎨 中文期刊:中文标注
结果解释
- 📊 Moran's I > 0:空间正相关(聚集)
- 📊 HH 区域:高值聚集(热点)
- 📊 LL 区域:低值聚集(冷点)
- 📊 HL/LH:空间异常点
- 📊 NS:不显著,无明显空间关联
📚 理论背景
LISA 分析原理
局部 Moran's I 公式:
1 | I_i = (z_i / m_2) × Σ_j w_ij × z_j |
其中: - z_i = (x_i - x̄) / σ:标准化值 -
w_ij:空间权重 -
m_2 = Σ_i z_i² / n:二阶矩
LISA 聚类类型
| 类型 | 含义 | 解释 |
|---|---|---|
| HH | 高-高 | 高值被高值包围(热点聚集) |
| LL | 低-低 | 低值被低值包围(冷点聚集) |
| HL | 高-低 | 高值被低值包围(空间离群点) |
| LH | 低-高 | 低值被高值包围(空间离群点) |
| NS | 不显著 | 无显著空间关联 |
| NA | 不可用 | 孤岛或缺失数据 |
全局 Moran's I
公式:
1 | I = (n / S_0) × (Σ_i Σ_j w_ij (x_i - x̄)(x_j - x̄)) / Σ_i (x_i - x̄)² |
解释: - I > 0:正空间自相关(相似值聚集) - I ≈ 0:随机分布 - I < 0:负空间自相关(相异值聚集)
🌟 核心优势总结
相比其他工具的优势
| 功能 | LISA GUI v2.0 | GeoDa | ArcGIS | Stata |
|---|---|---|---|---|
| 图形界面 | ✅ 现代化 | ✅ | ✅ | ❌ |
| 多矩阵类型 | ✅ 4种+自定义 | ✅ | ✅ | ✅ |
| 按年份矩阵 | ✅ 独创 | ❌ | ❌ | ❌ |
| 批量分析 | ✅ | ⚠️ | ⚠️ | ✅ |
| 中国地图 | ✅ 内置 | ❌ | ❌ | ❌ |
| 自动孤岛处理 | ✅ | ❌ | ❌ | ❌ |
| 免费开源 | ✅ | ✅ | ❌ | ❌ |
创新功能
- ⭐ 动态权重矩阵:每年可使用不同的空间权重矩阵
- ⭐ 自动孤岛处理:智能检测并自动切换为 KNN
- ⭐ 中国地图优化:内置高质量中国地图数据
- ⭐ 批量分析:一键完成多年份分析
- ⭐ 专业可视化:学术级地图输出
📞 技术支持
文档资源
- 📖 用户手册:本文档
- 📖 空间权重矩阵使用说明:详细的矩阵配置指南
- 📖 孤岛问题说明:孤岛问题的解释和处理
- 📖 更新日志:版本更新记录
示例文件
软件安装目录中包含示例文件: - 📄 CSV
矩阵示例:example_weight_matrix.csv - 📊
示例数据:随机生成的示例数据
软件信息
- 版本:v2.0
- 发布日期:2025
- 协议:专有软件
- 系统要求:Windows 7/10/11, 4GB RAM
🎓 引用和参考
建议引用格式
如果在研究中使用本软件,建议引用:
1 | LISA 空间自相关分析系统 v2.0 [Computer software]. (2025). |
核心算法参考文献
Anselin, L. (1995). Local Indicators of Spatial Association—LISA. Geographical Analysis, 27(2), 93-115.
Moran, P. A. (1950). Notes on continuous stochastic phenomena. Biometrika, 37(1/2), 17-23.
Rey, S. J., & Anselin, L. (2010). PySAL: A Python library of spatial analytical methods. The Review of Regional Studies, 37(1), 5-27.
Jenks, G. F. (1967). The data model concept in statistical mapping. International yearbook of cartography, 7, 186-190.
🚀 快速开始示例
5 分钟快速上手
步骤 1:双击运行 LISA_GUI.exe
步骤 2:选择文件 - SHP: 点击"浏览"选择省界 shapefile - Excel: 点击"浏览"选择数据文件 - 年份: 勾选 2007, 2011, 2016, 2021
步骤 3:配置矩阵(使用默认) - 矩阵类型: Queen 邻接(默认) - 标准化: 行标准化(默认)
步骤 4:点击"开始分析"
步骤 5:查看结果 - 地图: LISA_map_.pdf - 数据: LISA_results_.csv - 汇总: Moran_global_summary.csv
高级用户:使用自定义矩阵
额外步骤:在"空间权重矩阵"标签页 1. 为 2007 年选择
economic_distance_2007.csv 2. 为 2011 年选择
economic_distance_2011.csv 3. 为 2016 年选择
economic_distance_2016.csv 4. 为 2021 年选择
economic_distance_2021.csv
系统将为每个年份使用对应的经济距离矩阵进行分析。
📝 版本历史
v2.0 (2024) - 重大更新
新功能: - ✅ 新增"空间权重矩阵"配置标签页 - ✅ 支持 4 种内置矩阵类型 - ✅ 支持自定义矩阵文件(CSV/GAL/GWT) - ✅ 支持每年使用不同矩阵(独创) - ✅ 自动孤岛检测和处理 - ✅ 矩阵标准化方式可选
改进: - 更稳定的错误处理 - 更详细的日志输出 - 更完善的用户文档
v1.0 (2023) - 初始版本
基础功能: - LISA 分析 - 全局 Moran's I - 地图可视化 - 批量分析
🎉 结语
LISA 空间自相关分析系统 v2.0 是一款功能强大、易于使用的空间统计分析工具。无论您是:
- 📚 学术研究者:需要进行严谨的空间计量分析
- 💼 政策制定者:需要识别区域发展的空间格局
- 🏢 企业分析师:需要分析市场的空间分布
- 🎓 在校学生:学习空间统计学方法
本软件都能为您提供专业、高效的解决方案。
核心亮点: - ⭐ 动态权重矩阵:每年可使用不同矩阵(全球首创) - ⭐ 智能分析:自动处理孤岛问题 - ⭐ 专业输出:学术级地图可视化 - ⭐ 简单易用:现代化图形界面
立即开始您的空间分析之旅! 🚀
获取软件
请联系微信 canglang12002 任公子
最后更新:2025年11月
文档版本:v2.0
适用软件版本:LISA 空间自相关分析系统 v2.0

