空间分析技术在地理学研究中的应用

空间分析技术在地理学研究中的应用

目前，经济、技术和资料的出现不仅为促进计算机科学（gis）的发展注入了新的动力，也为现代地理学的研究带来了一些新问题。现代地理学蕴含着信息科学及技术的理论与方法,研究探索诸多更为巨大、更为复杂的现实问题。同样,作为分支内容的GIS中的空间分析(SpatialAnalysis,SA)与现代地理学中的自然地理综合研究相结合,不仅可以拓宽GIS的内涵,而且也加快现代地理学研究的进程。在1981年举办的综合自然地理研讨会上,专家曾经预测:综合自然地理学要有较大发展,其必要条件之一就是新技术和数学在自然地理综合研究中的密切结合与广泛应用。1基本概念的内涵1.1空间数据分析的定义出发点和侧重点不同,对空间分析的定义也不同。在地理学中影响较大的空间分析定义有两个。一是R.Haining的定义:“空间分析是基于地理对象空间布局的地理数据分析技术”,是地理科学研究空间分布和空间变异的一种方法。它以地理目标的空间布局为分析对象,从传统的地理信息统计与数据分析的角度出发,将空间分析分为3部分:统计分析、地图分析和数学模型。这是一种统计型定义法,强调统计分析,而将地图分析和数学模型置于其从属地位。二是郭仁忠的定义:“空间分析是基于地理对象位置和形态特征的空间数据分析技术,其目的在于提取和传输空间信息”,侧重于空间信息的提取和空间信息传输,分析对象是地理目标的位置和形态特征。该定义将空间信息分为:空间位置、空间分布、空间统计、空间关系、空间关联、空间对比、空间趋势和空间运动等几大部分,其对应的空间分析操作为:空间位置分析、空间分布分析、空间形态分析、空间关系分析和空间相关分析等。这是一种信息提取型的定义方法,本质上偏重于空间信息的管理。总之,空间分析是基于地理对象位置和形态特征的空间数据分析技术,目的在于提取和传输空间信息,用于分析具有空间坐标变量的空间特征,并进行空间过程模拟以及空间插值的一种新型分析方法或手段,包括空间结构分析、克里格分析、空间自相关分析以及空间模拟等技术,是地理科学研究地理事相空间分布和空间变异的一种重要方法。1.2自然地理综合研究地理学自形成一个学科体系演化到现在,内容、范围乃至体系结构已发生了巨大变化。地理学是以人类居住的地球表层,包括自然地理系统、生态系统和人类社会系统所组成的开放复杂巨系统为研究对象,地球表层各种自然和人文现象具有明显的地域差异,而这种以地域差异单元来研究人地关系地域系统就是现代地理学,即现代地理学涵盖自然地理学、人文地理学和地理信息科学。其中自然地理学是研究地理环境的成分及各成分之间物质、能量交换及其地域差异的科学。自然地理综合研究就是在部门自然地理学的基础上,把组成自然地理环境的各种要素相互联系起来进行系统的综合研究,阐明自然地理环境的整体、各组成要素及其相互间的结构功能、物质迁移、能量转换、动态演变和地域分异规律等内容。其主要包括现代过程与历史过程两个互相关联、互相补充的方面,其中现代过程包括:地表热量、水分的分布、转化及其在地理环境中的作用;化学元素在地理环境中的迁移过程;生物群落与其环境之间物质、能量的交换等。2自然地理学中的空间分析作为GIS核心的空间分析功能,不仅能让研究者了解数据,而且通过对数据的分析处理了解数据内含的更多、更本质的东西。2.1空间查询网络分析GIS中常用的空间分析包括:空间查询(SpatialSearch)、叠加分析(Overlay)、缓冲区分析(Buffer)、网络分析(Networkanalysis)等几大模块。各模块又包括许多内容,如空间查询是指在一组空间目标中定位或查找相应的目标,分为定位和范围查找。将地理空间划分成一些区域,定位就是识别所询问目标所在的区域;而范围查找是指检索或统计在询问域内的相应空间目标。定位和范围查找是一组对偶操作,可互相转化。2.2空间数据空间分析空间分析是将GIS数据库中各种数据(包括空间数据和属性数据)进行分析、统计,并选用一定的数学模型模拟某一过程或事件,最后提取隐含于空间数据中的某些事实和关系,并以图表、文字形式表达出来,为辅助决策提供依据。空间分析的基础是各种空间数据和属性数据,这些数据的存储和再现都可以通过分层组织来实现,数据的分层处理使得空间分析成为可能。空间分析的方法主要有:1)数据统计:通过对空间数据和属性数据的分析、统计,可以得到一些研究者感兴趣的结论,进一步绘制成直方图、饼状图,为后续分析提供依据。2)空间量算:通过对空间数据、属性数据的基本测量和计算,得到一些有价值的信息,如长度、面积、体积,还有物体质心的测算等。3)空间变换:对各个地理图层作适当的变换,可以得到新的图层和新的属性信息,这些变换包括拓扑叠加、逻辑组合、函数运算等。4)空间拟合:空间数据往往通过采样观测得到,带有很大的离散性。而在利用中,研究者往往对未观测点的值感兴趣,这就必须利用空间拟合的方法来完成,在已存在观测点的区域内通过内插来估计未观测点的特征值。这种方法在宏观尺度和多因素综合研究中更为常用。2.3遥感遥感统计分析功能自然地理学中的空间分析功能通常包括4方面:1)空间特征的几何分析功能,指以空间要素的定位数据为基础,通过数据集合的几何分析方法,确定空间要素多重属性的特征及其相互关系。方法包括包含分析、多边形叠置分析和泰森多边形等。2)网络分析功能,主要有优化路径选择分析、时间和距离计算、网流量的模拟分析等。3)数字图像分析功能,可以认为是一个图像处理的子系统,它一般包括图像恢复、图像增强、分类和信息提取、图像统计和图像管理等主要功能。4)地形分析与多元分析功能,其中地形分析是自然地理学研究最为常用的分析方法,利用地形分析可进行地形因子的自动提取(如坡度、坡向等),地表形态自动分类和典型剖面的绘制和分析等,高精度的DTM(DigitalTerrainModel,数字地面模型)还可用来对遥感影像进行几何校正;多元分析则包括一些多变量统计分析中常用的模型,如聚类分析、判别分析、主成分分析等。2.4结构面图分析空间分析功能的实现过程分为4个层次:1)认知,对空间数据进行有效获取和科学的组织描述,利用空间数据再现事物本身,如由气温的空间平面图绘制纵、横剖面图;2)解释,理解并解析空间数据的背景过程,认识事件的本质规律,如区域内植被指数的时空分布规律与地形、土壤、气候以及人类活动等因子的关系等;3)预报,了解、掌握事件发生的规律,运用预测模型对未来状况做出合理推测,如预测全球变化影响的深度和广度等;4)宏观决策和调控,根据SA结果做出合理决策,调控地理空间上发生的事件,如合理分配各种自然资源等。3空间信息的空间组织分析空间分析在地理学及相关领域的研究中有着悠久的历史与传统,数学概念与方法的引入,并从统计方法扩展到运筹学、拓扑学乃至分形理论等方法的应用,进一步促进了其定量分析的能力。然而在目前的GIS中,这方面的功能没有得到充分发挥。随着数字地球计划的提出,作为数字地球技术基础之一的GIS将起到举足轻重的作用,此时的GIS不是简单的应用范围的扩大,而是一个质的飞跃,将有利于地理学家对瞬时信息进行定性分析、空间信息的定位分析、时间信息的趋势分析以及地理信息的空间综合等。现代地理学将拥有新的内涵,而空间分析是现代地理学最有价值的财富之一,二者共同构成了地球空间信息学的核心及基础。总之,从定量空间分析的角度自然地理综合研究在以下4方面已经或可以得到极大发展。(1)象的空间分布例如,自然灾害的空间分布、物种的空间分布以及遥感影像上识别对象的空间分布。地学要素的空间分布格局是地学过程机理的空间体现,反过来又构成新一轮地学过程的边界和初始条件。因此,对于地学要素空间格局的描述、识别和统计对认识地学机理、因果关系有极大的帮助。(2)建立微分方程例如,洪水演进、流行病传播、大气环流形成等,可以根据其物理机制建立常微分或偏微分方程,微分方程的解析是头脑的逻辑推理过程。在这一领域,数学家起主导作用,GIS起数据支撑和运行平台的作用,而空间分析才是真正的实施者。(3)建立数学模型例如,多种污染物迁移转化、空间相互作用等,利用状态变量和影响因素之间的关系类比建立数学模型,并用实测数据回归获得参数,然后进行分析预测。这项工作被认为是空间分析学者的主要研究领域。(4)空间分析是自然地理综合研究的重要工具例如,水资源时空配置、污染物排放时空优化、空间监测采样优化设计等。当前世界许多城市和地区面临缺水的威胁,随着全球气候变暖,这一趋势更为加剧。水资源的空间配置是一个优化问题,其目标是在区域水资源总量不足的背景条件下,有效地将水资源在不同的子区域、行业和时间上进行配置,使全区域社会经济和生态效益最佳,其整个过程都需要空间分析这个工具来实施与操作。强大的空间分析功能逐渐构成现代地理学日臻完善的技术体系。尽管空间数据具有复杂性,加上自然地理综合研究所面临问题的多样性,数据源种类繁多,表达方式各不相同,但人们可以通过对地球信息机理的研究,认识大气圈、水圈、岩石圈、生物圈等圈层内部的结构特征、分布规律、演化过程以及彼此之间物质流、能量流、信息流的传递方式及其动力学机制,应用地学及相关学科的理论及地理空间信息科学的最新成果(特别是数据标准化、分析智能化),分析并最终解决区域性或全球性的一系列地理综合问题。如果没有空间分析的数量化和空间化,自然地理综合研究的发展将举步维艰。总之,遥感技术的应用和地理信息科学的发展,使系统分析和综合集成的方法得以应用,更为重要的是可促进自然地理综合研究提高到新的水平。4自然地理综合研究的前沿领域是为人类发展提供了大量关于任何自然地理事相总含有空间和时间的属性特征。如水文走线含时空特征,气团运动具有时间、空间属性,河道演变则反映了空间形态特征随时间变化性质。而所有空间分析的对象则涵盖空间轴的过程,且因其主体的空间形态表现为点、线、片和面过程,因此空间分析方法和功能需要到自然地理研究中验证乃至发展,即自然地理研究是空间分析的主要应用领域,尤其是自然地理综合研究。因为综合研究是自然地理学发展最主要的方向,也是带动部门自然地理学最有效的途径。自然地理的综合研究符合国际学科发展的潮流和趋势,是地球系统科学研究的需要。围绕着全球环境变化与区域可持续发展,自然地理综合研究的前沿领域主要包括土地利用与土地覆被变化、自然地域系统的综合研究、全新世环境演变和自然地理界面过程。其中现代地理学的重要方向就是研究自然地理要素的动态变化,即自然地理过程。其研究趋势可归纳为:由定性鉴别向定量实验发展;由单个过程研究向过程的综合分析发展;由中小尺度的局地地理过程向全球尺度地理过程研究发展;由单纯认识自然地理过程向预测预报其动态趋势的方向发展。这一切均为空间分析方法提供了验证与发展空间。自然地理研究的目的有两方面:一是揭示地球表面各种空间现象和过程的规律;二是为资源管理、环境整治和区域发展的决策服务。目前,空间分析在自然地理学研究中最大的应用领域是管理和决策领域,即资源管理和环境整治,在地表过程模拟模型上的应用相对比较弱,但却是目前最活跃的研究领域。其主要原因是在管理和决策领域中人为因素作用影响较大,且可以运用空间分析这个强大的工具,依据过去及现在发展趋势预测将来的变化,为管理者和决策部门提供最有说服力的依据;而地表过程模拟模型以各种变化无常的自然因子组合为主要研究内容,加之现有的模拟模型在处理区域差异方面过于简单化,即由于研究对象的复杂、综合方法的落后及数据的缺乏等,致使空间分析中各种自然量值的预测存在一定的难度,因此空间分析的应用不广泛,但却是自然地理学发展的需要。随着近年来全球环境变化研究的展开、地球系统科学的提出以及地表观测数据的日益丰富,将来空间分析发挥作用的空间将更大,有关自然地理过程的模拟模型(或称环境模拟模型)研究会不断深入。5空