空間分析技術(shù)在地理學(xué)研究中的應(yīng)用

空間分析技術(shù)在地理學(xué)研究中的應(yīng)用

目前，經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和資料的出現(xiàn)不僅為促進(jìn)計算機(jī)科學(xué)（gis）的發(fā)展注入了新的動力，也為現(xiàn)代地理學(xué)的研究帶來了一些新問題?，F(xiàn)代地理學(xué)蘊(yùn)含著信息科學(xué)及技術(shù)的理論與方法,研究探索諸多更為巨大、更為復(fù)雜的現(xiàn)實問題。同樣,作為分支內(nèi)容的GIS中的空間分析(SpatialAnalysis,SA)與現(xiàn)代地理學(xué)中的自然地理綜合研究相結(jié)合,不僅可以拓寬GIS的內(nèi)涵,而且也加快現(xiàn)代地理學(xué)研究的進(jìn)程。在1981年舉辦的綜合自然地理研討會上,專家曾經(jīng)預(yù)測:綜合自然地理學(xué)要有較大發(fā)展,其必要條件之一就是新技術(shù)和數(shù)學(xué)在自然地理綜合研究中的密切結(jié)合與廣泛應(yīng)用。1基本概念的內(nèi)涵1.1空間數(shù)據(jù)分析的定義出發(fā)點和側(cè)重點不同,對空間分析的定義也不同。在地理學(xué)中影響較大的空間分析定義有兩個。一是R.Haining的定義:“空間分析是基于地理對象空間布局的地理數(shù)據(jù)分析技術(shù)”,是地理科學(xué)研究空間分布和空間變異的一種方法。它以地理目標(biāo)的空間布局為分析對象,從傳統(tǒng)的地理信息統(tǒng)計與數(shù)據(jù)分析的角度出發(fā),將空間分析分為3部分:統(tǒng)計分析、地圖分析和數(shù)學(xué)模型。這是一種統(tǒng)計型定義法,強(qiáng)調(diào)統(tǒng)計分析,而將地圖分析和數(shù)學(xué)模型置于其從屬地位。二是郭仁忠的定義:“空間分析是基于地理對象位置和形態(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”,側(cè)重于空間信息的提取和空間信息傳輸,分析對象是地理目標(biāo)的位置和形態(tài)特征。該定義將空間信息分為:空間位置、空間分布、空間統(tǒng)計、空間關(guān)系、空間關(guān)聯(lián)、空間對比、空間趨勢和空間運動等幾大部分,其對應(yīng)的空間分析操作為:空間位置分析、空間分布分析、空間形態(tài)分析、空間關(guān)系分析和空間相關(guān)分析等。這是一種信息提取型的定義方法,本質(zhì)上偏重于空間信息的管理?？傊?空間分析是基于地理對象位置和形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù),目的在于提取和傳輸空間信息,用于分析具有空間坐標(biāo)變量的空間特征,并進(jìn)行空間過程模擬以及空間插值的一種新型分析方法或手段,包括空間結(jié)構(gòu)分析、克里格分析、空間自相關(guān)分析以及空間模擬等技術(shù),是地理科學(xué)研究地理事相空間分布和空間變異的一種重要方法。1.2自然地理綜合研究地理學(xué)自形成一個學(xué)科體系演化到現(xiàn)在,內(nèi)容、范圍乃至體系結(jié)構(gòu)已發(fā)生了巨大變化。地理學(xué)是以人類居住的地球表層,包括自然地理系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)和人類社會系統(tǒng)所組成的開放復(fù)雜巨系統(tǒng)為研究對象,地球表層各種自然和人文現(xiàn)象具有明顯的地域差異,而這種以地域差異單元來研究人地關(guān)系地域系統(tǒng)就是現(xiàn)代地理學(xué),即現(xiàn)代地理學(xué)涵蓋自然地理學(xué)、人文地理學(xué)和地理信息科學(xué)。其中自然地理學(xué)是研究地理環(huán)境的成分及各成分之間物質(zhì)、能量交換及其地域差異的科學(xué)。自然地理綜合研究就是在部門自然地理學(xué)的基礎(chǔ)上,把組成自然地理環(huán)境的各種要素相互聯(lián)系起來進(jìn)行系統(tǒng)的綜合研究,闡明自然地理環(huán)境的整體、各組成要素及其相互間的結(jié)構(gòu)功能、物質(zhì)遷移、能量轉(zhuǎn)換、動態(tài)演變和地域分異規(guī)律等內(nèi)容。其主要包括現(xiàn)代過程與歷史過程兩個互相關(guān)聯(lián)、互相補(bǔ)充的方面,其中現(xiàn)代過程包括:地表熱量、水分的分布、轉(zhuǎn)化及其在地理環(huán)境中的作用;化學(xué)元素在地理環(huán)境中的遷移過程;生物群落與其環(huán)境之間物質(zhì)、能量的交換等。2自然地理學(xué)中的空間分析作為GIS核心的空間分析功能,不僅能讓研究者了解數(shù)據(jù),而且通過對數(shù)據(jù)的分析處理了解數(shù)據(jù)內(nèi)含的更多、更本質(zhì)的東西。2.1空間查詢網(wǎng)絡(luò)分析GIS中常用的空間分析包括:空間查詢(SpatialSearch)、疊加分析(Overlay)、緩沖區(qū)分析(Buffer)、網(wǎng)絡(luò)分析(Networkanalysis)等幾大模塊。各模塊又包括許多內(nèi)容,如空間查詢是指在一組空間目標(biāo)中定位或查找相應(yīng)的目標(biāo),分為定位和范圍查找。將地理空間劃分成一些區(qū)域,定位就是識別所詢問目標(biāo)所在的區(qū)域;而范圍查找是指檢索或統(tǒng)計在詢問域內(nèi)的相應(yīng)空間目標(biāo)。定位和范圍查找是一組對偶操作,可互相轉(zhuǎn)化。2.2空間數(shù)據(jù)空間分析空間分析是將GIS數(shù)據(jù)庫中各種數(shù)據(jù)(包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù))進(jìn)行分析、統(tǒng)計,并選用一定的數(shù)學(xué)模型模擬某一過程或事件,最后提取隱含于空間數(shù)據(jù)中的某些事實和關(guān)系,并以圖表、文字形式表達(dá)出來,為輔助決策提供依據(jù)。空間分析的基礎(chǔ)是各種空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)的存儲和再現(xiàn)都可以通過分層組織來實現(xiàn),數(shù)據(jù)的分層處理使得空間分析成為可能。空間分析的方法主要有:1)數(shù)據(jù)統(tǒng)計:通過對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計,可以得到一些研究者感興趣的結(jié)論,進(jìn)一步繪制成直方圖、餅狀圖,為后續(xù)分析提供依據(jù)。2)空間量算:通過對空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的基本測量和計算,得到一些有價值的信息,如長度、面積、體積,還有物體質(zhì)心的測算等。3)空間變換:對各個地理圖層作適當(dāng)?shù)淖儞Q,可以得到新的圖層和新的屬性信息,這些變換包括拓?fù)浏B加、邏輯組合、函數(shù)運算等。4)空間擬合:空間數(shù)據(jù)往往通過采樣觀測得到,帶有很大的離散性。而在利用中,研究者往往對未觀測點的值感興趣,這就必須利用空間擬合的方法來完成,在已存在觀測點的區(qū)域內(nèi)通過內(nèi)插來估計未觀測點的特征值。這種方法在宏觀尺度和多因素綜合研究中更為常用。2.3遙感遙感統(tǒng)計分析功能自然地理學(xué)中的空間分析功能通常包括4方面:1)空間特征的幾何分析功能,指以空間要素的定位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過數(shù)據(jù)集合的幾何分析方法,確定空間要素多重屬性的特征及其相互關(guān)系。方法包括包含分析、多邊形疊置分析和泰森多邊形等。2)網(wǎng)絡(luò)分析功能,主要有優(yōu)化路徑選擇分析、時間和距離計算、網(wǎng)流量的模擬分析等。3)數(shù)字圖像分析功能,可以認(rèn)為是一個圖像處理的子系統(tǒng),它一般包括圖像恢復(fù)、圖像增強(qiáng)、分類和信息提取、圖像統(tǒng)計和圖像管理等主要功能。4)地形分析與多元分析功能,其中地形分析是自然地理學(xué)研究最為常用的分析方法,利用地形分析可進(jìn)行地形因子的自動提取(如坡度、坡向等),地表形態(tài)自動分類和典型剖面的繪制和分析等,高精度的DTM(DigitalTerrainModel,數(shù)字地面模型)還可用來對遙感影像進(jìn)行幾何校正;多元分析則包括一些多變量統(tǒng)計分析中常用的模型,如聚類分析、判別分析、主成分分析等。2.4結(jié)構(gòu)面圖分析空間分析功能的實現(xiàn)過程分為4個層次:1)認(rèn)知,對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行有效獲取和科學(xué)的組織描述,利用空間數(shù)據(jù)再現(xiàn)事物本身,如由氣溫的空間平面圖繪制縱、橫剖面圖;2)解釋,理解并解析空間數(shù)據(jù)的背景過程,認(rèn)識事件的本質(zhì)規(guī)律,如區(qū)域內(nèi)植被指數(shù)的時空分布規(guī)律與地形、土壤、氣候以及人類活動等因子的關(guān)系等;3)預(yù)報,了解、掌握事件發(fā)生的規(guī)律,運用預(yù)測模型對未來狀況做出合理推測,如預(yù)測全球變化影響的深度和廣度等;4)宏觀決策和調(diào)控,根據(jù)SA結(jié)果做出合理決策,調(diào)控地理空間上發(fā)生的事件,如合理分配各種自然資源等。3空間信息的空間組織分析空間分析在地理學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的研究中有著悠久的歷史與傳統(tǒng),數(shù)學(xué)概念與方法的引入,并從統(tǒng)計方法擴(kuò)展到運籌學(xué)、拓?fù)鋵W(xué)乃至分形理論等方法的應(yīng)用,進(jìn)一步促進(jìn)了其定量分析的能力。然而在目前的GIS中,這方面的功能沒有得到充分發(fā)揮。隨著數(shù)字地球計劃的提出,作為數(shù)字地球技術(shù)基礎(chǔ)之一的GIS將起到舉足輕重的作用,此時的GIS不是簡單的應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,而是一個質(zhì)的飛躍,將有利于地理學(xué)家對瞬時信息進(jìn)行定性分析、空間信息的定位分析、時間信息的趨勢分析以及地理信息的空間綜合等。現(xiàn)代地理學(xué)將擁有新的內(nèi)涵,而空間分析是現(xiàn)代地理學(xué)最有價值的財富之一,二者共同構(gòu)成了地球空間信息學(xué)的核心及基礎(chǔ)。總之,從定量空間分析的角度自然地理綜合研究在以下4方面已經(jīng)或可以得到極大發(fā)展。(1)象的空間分布例如,自然災(zāi)害的空間分布、物種的空間分布以及遙感影像上識別對象的空間分布。地學(xué)要素的空間分布格局是地學(xué)過程機(jī)理的空間體現(xiàn),反過來又構(gòu)成新一輪地學(xué)過程的邊界和初始條件。因此,對于地學(xué)要素空間格局的描述、識別和統(tǒng)計對認(rèn)識地學(xué)機(jī)理、因果關(guān)系有極大的幫助。(2)建立微分方程例如,洪水演進(jìn)、流行病傳播、大氣環(huán)流形成等,可以根據(jù)其物理機(jī)制建立常微分或偏微分方程,微分方程的解析是頭腦的邏輯推理過程。在這一領(lǐng)域,數(shù)學(xué)家起主導(dǎo)作用,GIS起數(shù)據(jù)支撐和運行平臺的作用,而空間分析才是真正的實施者。(3)建立數(shù)學(xué)模型例如,多種污染物遷移轉(zhuǎn)化、空間相互作用等,利用狀態(tài)變量和影響因素之間的關(guān)系類比建立數(shù)學(xué)模型,并用實測數(shù)據(jù)回歸獲得參數(shù),然后進(jìn)行分析預(yù)測。這項工作被認(rèn)為是空間分析學(xué)者的主要研究領(lǐng)域。(4)空間分析是自然地理綜合研究的重要工具例如,水資源時空配置、污染物排放時空優(yōu)化、空間監(jiān)測采樣優(yōu)化設(shè)計等。當(dāng)前世界許多城市和地區(qū)面臨缺水的威脅,隨著全球氣候變暖,這一趨勢更為加劇。水資源的空間配置是一個優(yōu)化問題,其目標(biāo)是在區(qū)域水資源總量不足的背景條件下,有效地將水資源在不同的子區(qū)域、行業(yè)和時間上進(jìn)行配置,使全區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益最佳,其整個過程都需要空間分析這個工具來實施與操作。強(qiáng)大的空間分析功能逐漸構(gòu)成現(xiàn)代地理學(xué)日臻完善的技術(shù)體系。盡管空間數(shù)據(jù)具有復(fù)雜性,加上自然地理綜合研究所面臨問題的多樣性,數(shù)據(jù)源種類繁多,表達(dá)方式各不相同,但人們可以通過對地球信息機(jī)理的研究,認(rèn)識大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈等圈層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征、分布規(guī)律、演化過程以及彼此之間物質(zhì)流、能量流、信息流的傳遞方式及其動力學(xué)機(jī)制,應(yīng)用地學(xué)及相關(guān)學(xué)科的理論及地理空間信息科學(xué)的最新成果(特別是數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、分析智能化),分析并最終解決區(qū)域性或全球性的一系列地理綜合問題。如果沒有空間分析的數(shù)量化和空間化,自然地理綜合研究的發(fā)展將舉步維艱。總之,遙感技術(shù)的應(yīng)用和地理信息科學(xué)的發(fā)展,使系統(tǒng)分析和綜合集成的方法得以應(yīng)用,更為重要的是可促進(jìn)自然地理綜合研究提高到新的水平。4自然地理綜合研究的前沿領(lǐng)域是為人類發(fā)展提供了大量關(guān)于任何自然地理事相總含有空間和時間的屬性特征。如水文走線含時空特征,氣團(tuán)運動具有時間、空間屬性,河道演變則反映了空間形態(tài)特征隨時間變化性質(zhì)。而所有空間分析的對象則涵蓋空間軸的過程,且因其主體的空間形態(tài)表現(xiàn)為點、線、片和面過程,因此空間分析方法和功能需要到自然地理研究中驗證乃至發(fā)展,即自然地理研究是空間分析的主要應(yīng)用領(lǐng)域,尤其是自然地理綜合研究。因為綜合研究是自然地理學(xué)發(fā)展最主要的方向,也是帶動部門自然地理學(xué)最有效的途徑。自然地理的綜合研究符合國際學(xué)科發(fā)展的潮流和趨勢,是地球系統(tǒng)科學(xué)研究的需要。圍繞著全球環(huán)境變化與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展,自然地理綜合研究的前沿領(lǐng)域主要包括土地利用與土地覆被變化、自然地域系統(tǒng)的綜合研究、全新世環(huán)境演變和自然地理界面過程。其中現(xiàn)代地理學(xué)的重要方向就是研究自然地理要素的動態(tài)變化,即自然地理過程。其研究趨勢可歸納為:由定性鑒別向定量實驗發(fā)展;由單個過程研究向過程的綜合分析發(fā)展;由中小尺度的局地地理過程向全球尺度地理過程研究發(fā)展;由單純認(rèn)識自然地理過程向預(yù)測預(yù)報其動態(tài)趨勢的方向發(fā)展。這一切均為空間分析方法提供了驗證與發(fā)展空間。自然地理研究的目的有兩方面:一是揭示地球表面各種空間現(xiàn)象和過程的規(guī)律;二是為資源管理、環(huán)境整治和區(qū)域發(fā)展的決策服務(wù)。目前,空間分析在自然地理學(xué)研究中最大的應(yīng)用領(lǐng)域是管理和決策領(lǐng)域,即資源管理和環(huán)境整治,在地表過程模擬模型上的應(yīng)用相對比較弱,但卻是目前最活躍的研究領(lǐng)域。其主要原因是在管理和決策領(lǐng)域中人為因素作用影響較大,且可以運用空間分析這個強(qiáng)大的工具,依據(jù)過去及現(xiàn)在發(fā)展趨勢預(yù)測將來的變化,為管理者和決策部門提供最有說服力的依據(jù);而地表過程模擬模型以各種變化無常的自然因子組合為主要研究內(nèi)容,加之現(xiàn)有的模擬模型在處理區(qū)域差異方面過于簡單化,即由于研究對象的復(fù)雜、綜合方法的落后及數(shù)據(jù)的缺乏等,致使空間分析中各種自然量值的預(yù)測存在一定的難度,因此空間分析的應(yīng)用不廣泛,但卻是自然地理學(xué)發(fā)展的需要。隨著近年來全球環(huán)境變化研究的展開、地球系統(tǒng)科學(xué)的提出以及地表觀測數(shù)據(jù)的日益豐富,將來空間分析發(fā)揮作用的空間將更大,有關(guān)自然地理過程的模擬模型(或稱環(huán)境模擬模型)研究會不斷深入。5空