淺析GIS空間分析技術(shù)在土地利用中的應(yīng)用

1、淺析GIS空間分析技術(shù)在土地利用中的應(yīng)用摘 要 由于土地利用變化具有明顯的時(shí)間、空間特性，所以對土地利用的研究離不開GIS 的空間分析技術(shù)。在基于空間分析的土地利用研究中，空間查詢、檢索和量算是土地利用變化研究的基礎(chǔ)操作，是進(jìn)行其它高層次分析的基礎(chǔ)。將空間插值、疊加分析、緩沖區(qū)分析、數(shù)字高程分析與空間統(tǒng)計(jì)分析方法相組合，應(yīng)用于土地利用的變化研究中，可進(jìn)行土地利用/覆蓋變化(LUCC)研究、景觀生態(tài)學(xué)研究、土地利用的空間自相關(guān)分析研究及土地資源的適宜性研究等等。關(guān)鍵詞 空間分析 土地利用 應(yīng)用1 前言空間分析源于60年代地理和區(qū)域科學(xué)的計(jì)量革命，在開始階段，主要是應(yīng)用定量（主要是統(tǒng)計(jì)）分析手段用

2、于分析點(diǎn)、線、面的空間分布模式。后來更多的是強(qiáng)調(diào)地理空間本身的特征、空間決策過程和復(fù)雜空間系統(tǒng)的時(shí)空演化過程分析。實(shí)際上自有地圖以來，人們就始終在自覺或不自覺地進(jìn)行著各種類型的空間分析。如在地圖上量測地理要素之間的距離、方位、面積，乃至利用地圖進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)研究和戰(zhàn)略決策等，都是人們利用地圖進(jìn)行空間分析的實(shí)例，而后者實(shí)質(zhì)上已屬較高層次上的空間分析。GIS空間分析技術(shù)廣泛的應(yīng)用于各個(gè)鄰域，將空間分析的相關(guān)技術(shù)用于土地利用的研究中就是GIS的一個(gè)應(yīng)用方向。土地利用的變化研究本身就具有很強(qiáng)的時(shí)序性和空間性，而GIS的空間分析技術(shù)在處理時(shí)間與空間特征變化上特有的優(yōu)勢使其成為土地利用變化研究中不可缺少的工具。

3、2 空間分析概述2.1 空間分析空間分析是基于地理對象的位置和形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)，其目的在于提取和傳輸空間信息?？臻g分析是地理信息系統(tǒng)的核心技術(shù)和重要功能之一，地理信息系統(tǒng)具有強(qiáng)大的空間分析功能，這是GIS區(qū)別于計(jì)算機(jī)制圖系統(tǒng)（具有圖形輸入、編輯、輸出等功能）和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（具有查詢、檢索、存儲(chǔ)管理數(shù)據(jù)等功能）的顯著特征之一。空間分析使GIS不僅體現(xiàn)在地圖制圖功能上，用戶還可以通過與系統(tǒng)交互而將地理數(shù)據(jù)經(jīng)過分析轉(zhuǎn)換為對自己有用的信息。同時(shí)，利用空間分析技術(shù)，通過對原始數(shù)據(jù)模型的觀察和實(shí)驗(yàn)，用戶可以獲得新的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，并以此作為空間行為的決策依據(jù)?？臻g分析對空間信息的提取和傳輸，已使GI

4、S成為區(qū)別于一般信息系統(tǒng)的主要功能特征，也是評價(jià)GIS功能強(qiáng)弱的重要指標(biāo)之一，可為用戶提供靈活解決各類專門問題的有效工具。隨著空間分析技術(shù)的不斷發(fā)展，GIS也將從一般的空間事物處理向分析型空間決策支持方向邁進(jìn)。2.2 空間分析主要功能和作用GIS空間分析最主要的功能和作用有以下4個(gè)方面：發(fā)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)中內(nèi)在、隱含的空間關(guān)系，空間模式和空間規(guī)律；為已有的問題尋找解決方法和答案；檢驗(yàn)和證實(shí)已有的論點(diǎn)和假設(shè)；從空間數(shù)據(jù)中找到滿足某些應(yīng)用的新理論、新觀點(diǎn)和普遍性的方法。3 空間分析內(nèi)容GIS空間分析的方法可分為兩大類，一般方法和空間統(tǒng)計(jì)方法，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)研究問題的具體要求和實(shí)際情況選用不同的分

5、析方法，以有效地獲取解決問題的答案，滿足用戶的各種具體要求。3.1 GIS空間分析的一般方法 空間查詢和空間檢索空間查詢和空間檢索是GIS的基本功能之一，是進(jìn)行其他空間分析的基礎(chǔ)操作，主要用于查詢、檢索和定位空間對象，包括圖形數(shù)據(jù)的查詢和屬性數(shù)據(jù)的查詢及空間關(guān)系的查詢幾種方式。 空間量算空間量算主要是用一些簡單的量測值來初步描述復(fù)雜的地理實(shí)體和地理現(xiàn)象，這些量測值包括點(diǎn)、線、面等空間實(shí)體對象的重心、長度、面積、體積、距離和形狀等指標(biāo)。 空間插值空間插值常用于將離散點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面，以便與其它空間現(xiàn)象的分布模式進(jìn)行比較，它包括了空間內(nèi)插和外推兩種算法?？臻g內(nèi)插算法是一種通過已知點(diǎn)

6、的數(shù)據(jù)推求同一區(qū)域其它未知點(diǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算方法；空間外推算法則是通過已知區(qū)域的數(shù)據(jù)，推求其它區(qū)域數(shù)據(jù)的方法。 疊加分析疊加分析是地理信息系統(tǒng)最常用的提取空間隱含信息的手段之一。大部分GIS軟件是以分層的方式組織地理景觀，將地理景觀按主題分層提取，同一地區(qū)的整個(gè)數(shù)據(jù)層集表達(dá)了該地區(qū)地理景觀的內(nèi)容。每個(gè)主題層，可以叫做一個(gè)數(shù)據(jù)層面。數(shù)據(jù)層面既可以用矢量結(jié)構(gòu)的點(diǎn)、線、面圖層文件方式表達(dá)，也可以用柵格結(jié)構(gòu)的圖層文件格式進(jìn)行表達(dá)。GIS疊加分析是將有關(guān)主題層組成的數(shù)據(jù)層面，進(jìn)行疊加產(chǎn)生一個(gè)新數(shù)據(jù)層面的操作，其結(jié)果綜合了原來兩層或多層要素所具有的屬性。疊加分析不僅包含空間關(guān)系的比較，還包含屬性關(guān)系的比較。地理

7、信息系統(tǒng)疊加分析可以分為以下幾類：視覺信息疊加、點(diǎn)與多邊形疊加、線與多邊形疊加、多邊形疊加、柵格圖層疊加。 緩沖區(qū)分析緩沖區(qū)分析是GIS空間分析中使用較多的分析方法之一。緩沖區(qū)分析就是對一個(gè)、一組或一類空間對象按照某個(gè)緩沖距離建立其緩沖區(qū)多邊形的過程，然后將原始圖層與緩沖區(qū)圖層相疊加，進(jìn)而分析兩個(gè)圖層上空間對象的關(guān)系。從數(shù)學(xué)的角度來說，緩沖區(qū)就是空間對象的鄰域，鄰域的大小有鄰域半徑（即緩沖距離）來確定。緩沖區(qū)分析與疊加分析不同，前者包括了緩沖區(qū)圖層的建立和疊加分析，而后者只是對現(xiàn)有的多個(gè)數(shù)據(jù)層進(jìn)行疊加分析，并不生成新的圖層參與分析。 網(wǎng)絡(luò)分析對地理網(wǎng)絡(luò)（如交通網(wǎng)絡(luò)）、城市基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)（如各種網(wǎng)

8、線、電力線、電話線、供排水管線等）進(jìn)行地理分析和模型化，是地理信息系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)分析功能的主要目的。網(wǎng)絡(luò)分析是運(yùn)籌學(xué)模型中的一個(gè)基本模型，它的根本目的是研究、籌劃一項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)工程如何安排，并使其運(yùn)行效果最好，如一定資源的最佳分配，從一地到另一地的運(yùn)輸費(fèi)用最低等。其基本思想則在于人類活動(dòng)總是趨于按一定目標(biāo)選擇達(dá)到最佳效果的空間位置。這類問題在社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中不勝枚舉，因此在地理信息系統(tǒng)中此類問題的研究具有重要意義。 數(shù)字高程分析現(xiàn)實(shí)的地理世界是一個(gè)三維空間（不包括時(shí)間維），地理實(shí)體除了平面坐標(biāo)外，還包括空間坐標(biāo)（即高程值）。數(shù)字高程模型主要用于描述地面起伏狀況，包含了各種地形信息。數(shù)字高程分析包括數(shù)字高程

9、模型的表示、插值、制圖，以及在地學(xué)分析中的應(yīng)用等。3.2 空間統(tǒng)計(jì)分析 屬性數(shù)據(jù)的一般統(tǒng)計(jì)方法屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)都是GIS的基本數(shù)據(jù)類型，所以GIS空間分析必須要有對屬性數(shù)據(jù)的分析方法。屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法主要計(jì)算一些統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，如屬性數(shù)據(jù)的集中特征數(shù)（頻率、平均數(shù)、數(shù)學(xué)期望和中位數(shù)等）；屬性數(shù)據(jù)的離散特征數(shù)（極差、離差、方差和變差系數(shù)等）。還包括屬性數(shù)據(jù)的圖形表示分析、屬性數(shù)據(jù)的綜合評價(jià)分析及屬性數(shù)據(jù)的分等定級分析。 空間統(tǒng)計(jì)方法空間統(tǒng)計(jì)分析是指對GIS空間數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括對空間數(shù)據(jù)的分類、統(tǒng)計(jì)和綜合評價(jià)等，因其與GIS的各類實(shí)際應(yīng)用之間具有緊密聯(lián)系，是GIS中的一個(gè)重要的、

10、快速的發(fā)展鄰域?？臻g統(tǒng)計(jì)分析是在復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)地理世界中探索地理信息的最簡單的方法之一，投過空間數(shù)據(jù)的位置信息來建立數(shù)據(jù)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。空間統(tǒng)計(jì)分析方法包括：空間自相關(guān)分析、回歸分析（一元線性回歸、多元線性回歸、非線性回歸、空間回歸）和趨勢面分析。 景觀格局分析景觀格局分析屬于景觀生態(tài)學(xué)范疇，近年來，許多學(xué)者應(yīng)用景觀格局分析的原理、方法和公式來解釋和描述地理現(xiàn)象變化的原因和過程。同時(shí)，GIS強(qiáng)大的圖形處理和分析功能，可以進(jìn)行景觀格局對生態(tài)過程的敏感性分析和模擬，研究不同景觀格局對生態(tài)過程的影響。4 空間分析在土地利用中的應(yīng)用4.1 土地利用土地利用是人類根據(jù)土地的自然特點(diǎn)，按一定的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)目的，采

11、取一系列生物、技術(shù)手段，對土地進(jìn)行的長期性或周期性的經(jīng)營管理和治理改造活動(dòng)。它既是一個(gè)把土地的自然生態(tài)系統(tǒng)變?yōu)槿斯ど鷳B(tài)系統(tǒng)的過程，也是一個(gè)自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)諸因素綜合作用的復(fù) 雜過程。土地利用的方式、程度、結(jié)構(gòu)及地域分布和效益，既受自然條件（如光能、熱量、水分、地形、土壤等）影響，更受各種社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件（如開發(fā)歷 史、生產(chǎn)方式、技術(shù)裝備、投入水平、土地經(jīng)營管理水平及國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要等）影響，但在所有影響土地利用的各種因素中，社會(huì)生產(chǎn)方式往往起決定性作用，土地的合理利用必須適應(yīng)一定的社會(huì)生產(chǎn)方式。土地利用的廣度、深度和合理利用程度，是一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)各部門生產(chǎn)建設(shè)規(guī)模、水平和特點(diǎn)的集中反映。

12、隨著城市化、工業(yè)化的發(fā)展和人口的日益增長，協(xié)調(diào)好人地關(guān)系已成為當(dāng)前的迫切問題。4.2空間分析在土地利用中的應(yīng)用隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，將GIS 的空間分析方法與土地利用變化研究相結(jié)合，對土地利用的變化進(jìn)行相應(yīng)的研究，認(rèn)識(shí)過去和現(xiàn)在土地利用的變化過程、弄清土地利用變化的原因、對土地利用方式等進(jìn)行未來變化趨勢的預(yù)測具有重要的意義。使用空間分析技術(shù)研究土地利用的動(dòng)態(tài)變化，研究結(jié)果可以指導(dǎo)調(diào)整人類的土地利用活動(dòng)，使土地利用朝著有利于全球環(huán)境的良性循環(huán)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展，這也是當(dāng)前土地利用研究的最終目的。GIS空間分析的方法較多，在土地利用的變化研究中常是采用一般方法與空間統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合使用，以達(dá)到

13、研究的最佳效果。在基于空間分析的土地利用研究中，空間查詢、檢索和量算是土地利用變化研究的基礎(chǔ)操作，是進(jìn)行其它高層次分析的基礎(chǔ)。將空間插值、疊加分析、緩沖區(qū)分析、數(shù)字高程分析與空間統(tǒng)計(jì)分析方法相組合，應(yīng)用于土地利用的變化研究中，可進(jìn)行土地利用/覆蓋變化(LUCC)研究、景觀生態(tài)學(xué)研究、土地利用的空間自相關(guān)分析研究及土地資源的適宜性研究等等。 土地利用/覆蓋變化(LUCC)研究GIS空間分析是研究土地利用/覆蓋變化LUCC機(jī)制的有效方法。在基于空間分析技術(shù)的(LUCC)研究中，主要使用的方法有：對地圖的空間分析技術(shù)，如 GIS中的疊加分析、 緩沖區(qū)分析；空間統(tǒng)計(jì)分析，如主成分分析、典型相關(guān)分析、空

14、間聚類分析；與LUCC相結(jié)合的空間建模方法，這是深入了解土地利用和覆被變化復(fù)雜性的重要手段 ,也屬于一種空間分析方法，如土地利用/覆被動(dòng)態(tài)變化模型及土地利用/覆被變化預(yù)測模型等。因土地利用/覆被變化自身的特性，通過空間分析技術(shù)，不但可以定量獲取土地利用/覆被變化的數(shù)量和質(zhì)量數(shù)據(jù)，而且可以借助這些數(shù)據(jù)分析影響其發(fā)生變化的自然、社會(huì)因素中更深刻、更內(nèi)在的規(guī)律和特征，同時(shí)對土地利用/覆被變化進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測，實(shí)現(xiàn)土地利用的可持續(xù)發(fā)展。 景觀生態(tài)學(xué)研究景觀生態(tài)學(xué)研究的是一地理區(qū)域（景觀區(qū)域）內(nèi)各種生態(tài)系統(tǒng)間的關(guān)系以及它們的結(jié)構(gòu)、空間分布格局、功能特性與區(qū)域環(huán)境間的關(guān)系。景觀生態(tài)學(xué)研究把地理學(xué)研究空間相互

15、作用的水平方法與生態(tài)學(xué)研究功能相互作用的垂直方向結(jié)合起來，探討空間異質(zhì)性的發(fā)展和動(dòng)態(tài)及其對生物和非生物過程的影響，以及空間異質(zhì)性管理。近年來隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，及其在空間信息處理方面的優(yōu)越性，將GIS空間分析中的空間統(tǒng)計(jì)方法、疊加分析及空間分析建模相結(jié)合構(gòu)建區(qū)域景觀模型，用于分析和模擬生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)成為景觀生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題。GIS空間分析為景觀生態(tài)學(xué)的研究，尤其是各之間生態(tài)系統(tǒng)及其分布格局提供了一個(gè)極為有效的工具。 土地利用的空間自相關(guān)分析研究空間自相關(guān)分析是對某一地理變量空間分布中相鄰位置間的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)的一種統(tǒng)計(jì)方法，利用此方法可以揭示區(qū)域化變量取值的空間分布特征。在以往傳統(tǒng)的

16、土地利用程度研究缺少空間關(guān)系分析。而在現(xiàn)實(shí)的地理世界中，陸地是連續(xù)的分布的，土地利用的類型也不是離散分布的。根據(jù) Tobler 的地理學(xué)第一定律，“所有的事物之間都相互關(guān)聯(lián)，但越鄰近的事物之間關(guān)聯(lián)性越大”。將空間統(tǒng)計(jì)分析方法與實(shí)際的土地利用程度相結(jié)合，選取適宜的評價(jià)指標(biāo)對土地利用程度的空間自相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究，探索指定區(qū)域內(nèi)土地利用程度的空間自相關(guān)關(guān)系的動(dòng)態(tài)變化，能為探討研究區(qū)域土地利用格局變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制提供參考。 土地資源的適宜性研究土地資源適宜性評價(jià)是土地資源優(yōu)化配置的基礎(chǔ)，它將土地資源與其空間分布相結(jié)合，從空間適宜性角度探討土地資源利用的區(qū)域差異、空間適宜性及其存在問題，對區(qū)域土地資源優(yōu)化

17、配置及各地區(qū)制定相應(yīng)的用地政策具有十分重要的意義。GIS空間分析技術(shù)的統(tǒng)計(jì)分析方法與多因子評判能提高土地資源適宜性評價(jià)的空間決策水平，實(shí)現(xiàn)資源的定量優(yōu)化，同時(shí)結(jié)合用地規(guī)劃，可以在空間上優(yōu)化配置土地利用結(jié)構(gòu)，為土地資源的保護(hù)與規(guī)劃提供更科學(xué)的決策依據(jù)。5 結(jié)束語由于土地利用變化具有明顯的時(shí)間、空間特性，所以對土地利用的研究離不開GIS的空間分析技術(shù)。利用GIS 技術(shù)研究土地利用變化，具有明顯的優(yōu)勢。首先，它可以把不同來源的土地利用信息集成到統(tǒng)一的區(qū)域土地利用信息系統(tǒng)中，如土地利用的歷史圖件、土地利用的遙感影像資料、統(tǒng)計(jì)資料以及地形、土壤等土地屬性數(shù)據(jù)，都可以納入到該信息系統(tǒng)中。其次，在系統(tǒng)環(huán)境下

18、更便于對土地利用變化的時(shí)間特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，獲取土地利用變化的數(shù)量信息。第三，充分利用GIS 的空間分析功能獲得土地利用變化的空間信息，了解變化的主要類型和變化類型的空間分布狀況，研究土地利用變化的空間動(dòng)態(tài)。第四，利用GIS 的制圖功能，把GIS 空間分析結(jié)果以圖形的方式顯示出來，或者輸出到打印機(jī)上。但是，利用GIS 的空間分析技術(shù)研究土地利用變化，也還存在模型功能的不足，如缺乏分析土地利用變化未來趨勢的模型等。GIS 系統(tǒng)與其它用戶模型的集成是當(dāng)前GIS 發(fā)展的一個(gè)重要方向，同樣也是土地利用變化研究需要努力的一個(gè)方向。參考文獻(xiàn)：1 黎 夏,劉 凱. GIS與空間分析原理與方法. 北京：科學(xué)出版社,20062 郭仁忠. 空間分析（第二版）. 北京：科學(xué)出版社,20013 許君燕, 陳松林.