莫兰指数

统计学中，莫兰指数（Moran's I）是Patrick Alfred Pierce Moran提出的一种空间自相关度量。空间自相关即空间中邻近的位置之间存在相关性。空间自相关比一维自相关更复杂，因为空间相关性是多维的（即空间的二维或三维）和多方向的。 全局莫兰指数（I）是对空间数据的整体聚集的度量，其定义如下： I = N ∑ i = 1 N ∑ j = 1 N w i j ( x i − x ¯ ) ( x j − x ¯ ) W ∑ i = 1 N ( x i − x ¯ ) 2 {\displaystyle I={\frac {N\sum _{i=1}^{N}\sum _{j=1}^{N}w_{ij}(x_{i}-{\bar {x}})(x_{j}-{\bar {x}})}{W\sum _{i=1}^{N}(x_{i}-{\bar {x}})^{2}}}} 其中： N {\displaystyle N} 是空间单元的个数； i {\displaystyle i} 和 j {\displaystyle j} 是两个空间单元的索引编号； x {\displaystyle x} 是相关变量； x ¯ {\displaystyle {\bar {x}}} 是 x {\displaystyle x} 的平均值； w i j {\displaystyle w_{ij}} 是空间单元 i {\displaystyle i} 和 j {\displaystyle j} 之间关系的空间权重，主对角线上取值为0（即 w i i = 0 {\displaystyle w_{ii}=0} ）； W {\displaystyle W} 是所有 w i j {\displaystyle w_{ij}} 的总和。 I的值可能很大程度上依赖空间权重矩阵{wij}中的假设。之所以需要该矩阵，是因为在处理空间自相关和建立空间相互作用模型时，需要约束予以考虑的邻居的数量。这与托布勒的地理学第一定律有关，该定律指出，所有事物都是相关的，但更接近的事物更相关——换句话说，该定律表明空间中存在距离衰减，尽管所有观测值都对其他观测值有影响，但在某个距离阈值后，其影响已经微弱得可以忽略不计。 其思路是构建一个矩阵，以准确地反映对讨论的特定空间现象的假设。一种常见的做法是，如果两个空间单元是邻居，则权重为1，否则为0（但“邻居”的定义可能会有所不同）。另一种常见的方法可能是给k个最近的邻居赋予1的权重，其他为0。还有一种方法是使用距离衰减函数来分配权重。有时，共边的长度用于为邻居分配不同的权重。空间权重矩阵的选择应以研究的相关现象的理论为指导。I的值对权重非常敏感，并且会影响对现象的结论，尤其是在使用距离时。 在不存在空间自相关的虛無假說下，莫兰指数的期望值为： E ( I ) = − 1 N − 1 {\displaystyle E(I)={\frac {-1}{N-1}}} 对应该期望值的零分布是 x {\displaystyle x} 输入遵循随机均匀地选取的排列 π {\displaystyle \pi } 。 在大样本量下（即N趋于无穷大时），期望值接近于零。 其方差等于 Var ⁡ ( I ) = N S 4 − S 3 S 5 ( N − 1 ) ( N − 2 ) ( N − 3 ) W 2 − ( E ( I ) ) 2 {\displaystyle \operatorname {Var} (I)={\frac {NS_{4}-S_{3}S_{5}}{(N-1)(N-2)(N-3)W^{2}}}-(E(I))^{2}} 其中 S 1 = 1 2 ∑ i ∑ j ( w i j + w j i ) 2 {\displaystyle S_{1}={\frac {1}{2}}\sum _{i}\sum _{j}(w_{ij}+w_{ji})^{2}} S 2 = ∑ i ( ∑ j w i j + ∑ j w j i ) 2 {\displaystyle S_{2}=\sum _{i}\left(\sum _{j}w_{ij}+\sum _{j}w_{ji}\right)^{2}} S 3 = N − 1 ∑ i ( x i − x ¯ ) 4 ( N − 1 ∑ i ( x i − x ¯ ) 2 ) 2 {\displaystyle S_{3}={\frac {N^{-1}\sum _{i}(x_{i}-{\bar {x}})^{4}}{(N^{-1}\sum _{i}(x_{i}-{\bar {x}})^{2})^{2}}}} S 4 = ( N 2 − 3 N + 3 ) S 1 − N S 2 + 3 W 2 {\displaystyle S_{4}=(N^{2}-3N+3)S_{1}-NS_{2}+3W^{2}} S 5 = ( N 2 − N ) S 1 − 2 N S 2 + 6 W 2 {\displaystyle S_{5}=(N^{2}-N)S_{1}-2NS_{2}+6W^{2}} I的值通常在−1到+1之间。显着低于-1/(N-1)的值表示空间负相关（分散），显着高于-1/(N-1)的值表示空间正相关（集聚）。对于统计假說檢定，莫兰指数的值可以转换为Z-分数。 莫兰指数与吉尔里C数（英语：Geary's C）成负相关，但并不完全等同。莫兰指数是全局空间自相关的度量，而吉尔里C数对局部空间自相关更敏感。 全局空间自相关分析只能得到一个概括整个研究区域的一个统计量。换句话说，全局分析假设空间是相对均质的。若该假设不成立，那么只有一个统计数据是意义不大，因为统计数据在空间上应该是不同的。 而且，即使不存在全局自相关或聚类，我们仍然可能通过局部空间自相关分析，在局部层面上找到聚类。“空间关联的局部指标”（local indicators of spatial association，LISA）利用莫兰指数是叉积总和这一事实，通过计算每个空间单元的局部莫兰指数并评估每个Ii的统计显著性来评估这些个体单元的聚类。局部莫兰指数最早由卢卡·安瑟林（英语：Luc Anselin）于1995年提出。由全局莫兰指数的等式可导出： I i = x i − x ¯ m 2 ∑ j = 1 N w i j ( x j − x ¯ ) {\displaystyle I_{i}={\frac {x_{i}-{\bar {x}}}{m_{2}}}\sum _{j=1}^{N}w_{ij}(x_{j}-{\bar {x}})} 其中： m 2 = ∑ i = 1 N ( x i − x ¯ ) 2 N {\displaystyle m_{2}={\frac {\sum _{i=1}^{N}(x_{i}-{\bar {x}})^{2}}{N}}} 因此， I = ∑ i = 1 N I i N {\displaystyle I=\sum _{i=1}^{N}{\frac {I_{i}}{N}}} I为衡量全局空间自相关性的全局莫兰指数，Ii为局部莫兰指数，N为地图中分析单元的总数。 空间关联的局部指标可以用GeoDa软件来计算，其中就包含了局部莫兰指数的计算功能。 莫兰指数广泛应用于地理学和地理信息科学领域。例子有： 健康变量的地理差异分析； 表征公共水中锂浓度对心理健康的影响； 方言学中，用来衡量区域语言变异的显著性； 地貌学研究中，用来定义有意义的地形分割的目标函数。 地理学第一定律 距离衰减 吉尔里C数（英语：Geary's C） 空间异质性（英语：Spatial heterogeneity） Moran, P. A. P. Notes on Continuous Stochastic Phenomena. Biometrika. 1950, 37 (1): 17–23. JSTOR 2332142. PMID 15420245. doi:10.2307/2332142.  Li, Hongfei; Calder, Catherine A.; Cressie, Noel. Beyond Moran's I: Testing for Spatial Dependence Based on the Spatial Autoregressive Model. Geographical Analysis. 2007, 39 (4): 357–375. doi:10.1111/j.1538-4632.2007.00708.x.  Cliff and Ord (1981), Spatial Processes, London Anselin, Luc. Local Indicators of Spatial Association—LISA. Geographical Analysis. 1995, 27 (2): 93–115 [2022-06-28]. doi:10.1111/j.1538-4632.1995.tb00338.x. （原始内容存档于2022-07-12）.  Anselin, Luc. Exploring Spatial Data with GeoDaTM: A Workbook (PDF). Spatial Analysis Laboratory: 138. 2005 [2022-06-28]. （原始内容 (PDF)存档于2021-06-14）.  Getis, Arthur. The Analysis of Spatial Association by Use of Distance Statistics. Geographical Analysis. 3 Sep 2010, 24 (3): 189–206. doi:10.1111/j.1538-4632.1992.tb00261.x .  Helbich, M; Leitner, M; Kapusta, ND. Geospatial examination of lithium in drinking water and suicide mortality. Int J Health Geogr. 2012, 11 (1): 19. PMC 3441892 . PMID 22695110. doi:10.1186/1476-072X-11-19.  Grieve, Jack. A regional analysis of contraction rate in written Standard American English. International Journal of Corpus Linguistics. 2011, 16 (4): 514–546. doi:10.1075/ijcl.16.4.04gri.  Alvioli, M.; Marchesini, I.; Reichenbach, P.; Rossi, M.; Ardizzone, F.; Fiorucci, F.; Guzzetti, F. Automatic delineation of geomorphological slope units with r.slopeunits v1.0 and their optimization for landslide susceptibility modeling. Geoscientific Model Development. 2016, 9: 3975–3991. doi:10.5194/gmd-9-3975-2016 .