空间分析问题研究的历程以及与GIS的关系.doc

空间分析的发展历程及与GIS的关系蒋 金 豹1. 空间分析的由来及定义1.1 空间分析的由来自从有地图以来，人类就不断进行着各种类型的空间分析。例如在地图上量测各种地理要素之间的距离、方位、面积，以及利用地图进行建设规划和军事指挥等。我国古代地图学家斐秀提出的地图六体：其中分率，即比例尺；准望，即方位；道里，即距离；高下，即相对高程；方，即地表坡度起伏；迂直，即地表距离与平面距离的换算。斐秀所讲的是如何进行制图，但反过来也包含了如何进行读图、识图、用图的方法和准则。在十六世纪，荷兰地图学家墨卡托根据航海的需要，提出的适合航海的墨卡托投影，即正轴等角圆柱投影。此后，众多的地图学家和大地测量学家提出了很多种类的地图投影，其实地图投影就是对空间点的位置进行的一种分析。近现代，人们对地图的研究日益加深，地图的发展和应用也日益广泛。特别是计算机的普及和地理信息系统的开发应用，使得地图学的发展达到空前的水平，同时地图的应用也受到高度的重视。利用地图进行各种各样的分析，就形成了空间分析的重要内容，同时空间分析也得到了不断的发展。由此可见空间分析的历史是悠久的。但是人类自觉去认识空间分析、研究空间分析的理论和方法的历史却很短。目前研究空间分析理论、方法的专著很少，主要有以下几种： Unwin(1981)空间分析入门：将空间分析局限于对点、线、面、曲面地图要素的参数描述和图形表示，部分地涉及统计分析内容和地图分析的方法。从现在看上述内容显然是不够全面，但从当时条件来看是很先进的。 Ripley(1981)空间统计学从统计学角度研究地理对象的空间分布以及地物之间彼此关系，认为统计学在空间分析中占有重要地位。 Haining(1990)社会与环境科学中的空间数据分析：将空间分析分为三大部分：统计分析、地图分析、数学模型。 Goodchild对空间分析的框架作了系统的研究，将空间分析分为两大类，一类是“产生式分析”，通过分析可以获得新的信息，尤其是综合信息。另一类是“咨询式分析”，旨在回答用户的一些问题。Goodchild将空间分析的功能分为六部分：同类地理对象的属性分析（统计分析）、同类物体的位置和属性数据的联合分析、物体对的属性分析、多类物体的分析、从一类或两类物体产生新的物体对的分析、产生新一类物体的分析等。依据这一思想，Goodchild (1993)与他人合作完成了著作GIS环境下的空间分析。后来，Goodchild又重新编写了这个讲义，依据了完全不同的思想，将空间分析分为四大部分，即空间统计分析、空间相互作用、空间依赖、空间决策支持等。 郭仁忠（2000）空间分析：对空间分析的内容、关系等进行了深入的研究，将空间分析分为：空间位置、空间分布、空间形态、空间距离、空间方位、拓扑、相似和相关等。从以上几本专著来看，对于不同的时期研究的重点、方向和内容都不太相同。1.2 空间分析的定义在我们国家最近几年出版了一系列地理信息系统方面的书籍，每本书中都有空间分析方面的内容，从不同的角度为空间分析下了定义： 黄杏元等地理信息系统概论：空间分析是基于空间数据的分析技术，它是以地学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获得有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间形成、空间演变等信息。 邬伦等地理信息系统-原理、方法和应用空间分析是对分析空间数据有关技术的总称。根据作用的数据性质不同，空间分析可以分为：基于空间图形数据的分析运算；基于非空间属性的数据运算；空间数据与非空间数据的联合运算。空间分析赖以进行的基础是地理空间数据库；其运算的手段包括各种几何的逻辑运算、数理统计分析，代数运算等数学手段；最终目的是解决人们所涉及到地理空间的实际问题，提取和传输导理空间信息，特别是隐含信息，以辅助决策。 郭仁忠空间分析：空间分析是基于地理对象的位置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。 王家耀在空间信息系统原理中同意郭仁忠空间分析中的定义。2. 空间分析研究的主要内容在我们国家最近几年出版的地理信息系统方面的论著中，都对空间分析研究的内容进行了归纳总结： 黄杏元等地理信息系统概论：数字地面模型分析、空间叠置分析、空间缓冲区分析、空间网络分析、空间统计分析、空间数据的集合分析与查询。 王家耀空间信息系统原理：网络分析、叠置分析、缓冲区分析。 龚健雅地理信息系统基础：网络分析、叠置分析、缓冲区分析、三维空间分析、空间统计分析。 邬伦等地理信息系统-原理、方法和应用：空间查询与量算、空间变换、再分类、网络分析、叠置分析、缓冲区分析、空间插值分析、空间统计分析。 郭仁忠空间分析：空间位置、空间分布、空间形态、空间关系、空间质量、空间关联、空间对比、空间趋势、空间运动。这也是其笔者认为空间分析技术比较全面的应包括以下内容：空间查询与量算、空间变换、再分类、网络分析、叠置分析、缓冲区分析、空间插值分析、空间统计分析、数字高程模型与数字地形分析。空间分析的任务就是从空间数据中提取空间信息，即把存在于大量数据中的信息概括化、明确化和表面化，以人类能够理解的方式呈现在人们面前。3. 空间分析、空间应用模型和GIS之间的关系空间分析和空间应用模型是不同层次上的概念。空间分析是基本的，解决一般问题的理论和方法，而空间应用模型是复杂的，解决专门问题的理论和方法。根据不同的专业不同的应用方面可以建立不同的应用模型，即应用模型有无穷之多，而空间分析技术是有限的。可能某一模型运用了几种空间分析技术。因此空间分析和空间模型是局部和整体的关系。空间分析是GIS的核心，而GIS又是空间数据处理理论和方法的集成化实现，包含了大部分的空间分析技术。空间分析是GIS区别于一般空间数据库的关键所在，正如Aronoff所说：What distinguishes a GIS from other information system are its spatial analysis functions,these functions use the spatial and non-spatial attribute data in the GIS database to answer questions about the real world。通过空间分析，不但可以知道数据库中的数据，而且可以通过空间分析去揭示这些数据内部蕴藏的更深刻、更内在的规律和特征。GIS对空间数据进行分析处理时，是通过一定的空间模型实现的。空间分析方法与空间模型都是GIS软件的组成部分，这一部分质量的好坏，将直接决定GIS软件功能的强弱，是衡量一个GIS软件的重要指标。4. 目前空间分析在GIS中的应用情况目前在市场上流行的GIS软件，大部分其空间分析功能都不能满足人们实际应用的需要。随着GIS应用的发展，GIS相对薄弱的空间分析功能已阻碍了人们对其更进一步的应用。4.1 应用空间分析模型与GIS结合的可能性和必要性GIS是由巨大应用需求的驱动而发展起来的，最初是为数据管理的需要而设计，其分析功能相对较弱。GIS的空间数据和属性数据的紧密结合为空间分析和空间模拟提供了迄今最强有力的环境。GIS可以输入、存储、操作、管理空间数据，并可以图形等直观形式表达输出结果，但它本身缺少专业应用所需要的空间分析和空间模拟功能，难以直接得到应用。空间模型具有很强的预测分析和空间模拟能力，可对空间数据进行精确的模型运算，但它需要大量的时空数据，而这些数据的可得性和准确性直接影响到模拟结果的准确性。GIS和空间分析模型在功能上互补是二者结合的原始驱动力，它们的有效结合可大大增强GIS的空间分析能力，进一步拓宽其应用范围和领域，加深其应用的深度，同时GIS为模型的数据输入和预处理以及模型结果的直观显示提供了极好的平台。4.2 目前应用空间分析模型与GIS的结合情况随着GIS 应用的领域的扩大和深入，势必带来专业应用模型与GIS的集成问题。在不同的发展阶段和技术条件下，GIS与空间分析模型的结合可分为三个层次：（1）空间分析模型与GIS平台的平行结合应用模型与GIS没有程序语言上的直接联接，它的运行基本上是独立的，模型所需的数据从GIS数据库中获取，模型的输出可放回GIS中数据库。空间查询、显示由GIS的基本功能完成。这种方式也称为“外挂式”GIS。这种结合方式开发费用少，风险小，容易实现，同时保持了空间分析模型的原有专业特色，为分析理解模拟结果带来很大的方便，但系统效率低，增加了非专业人员掌握和应用的难度。（2）空间分析模型与GIS的“母子式”结合以一个系统为主，加入另一个系统的功能，两者具有共同的用户界面，通过共享文件和存储空间实现无缝连接。这种结合方式也称为“内嵌式”GIS。又包含两种结合方式：一是将空间分析模型嵌入GIS中，另外一种是对空间分析模型进行功能扩充，使其具有GIS的功能。这种结合方式可以使从属系统直接运行于主系统之中，变成主系统的特有功能之一，其特点是用户界面友好，系统稳定。（3）空间分析过程与GIS完全一体化某一专业应用模型的理论研究与实践应用逐步成熟，逐渐发展成为广为接受的空间分析工具，通过GIS基础平台技术的发展和完善，作为基本的空间分析工具，实现完全一体化，这是最高的结合层次。5. 目前地学GIS对空间分析的研究内容及存在的难点5.1 地学对空间分析的研究内容目前地学GIS对空间分析的能力提出了更高、更多的要求。目前地学对空间分析的研究内容主要包括以下几个方面：（1）空间统计和分布格局目前空间分析理论成果主要体现在空间点统计和地统计上。空间分布格局如人口的空间分布、摄影测量或遥感影像上地物的空间分布等。（2）空间过程模拟例如，土地沙化、牧场退化、传染病的传播扩散等。（3）空间资源的优化配置例如工厂选址、铁路规划设计、空间监测采样优化等。（4）空间数据的不确定性由于测量的误差、代表性误差以及以点代面进行空间扩展，都会给空间数据带来不确定性。5.2 现在地学GIS进行空间分析的难点由于目前理论和技术的发展不够完善，存在这样或那样的不足，下面简单分析一下目前GIS进行空间分析遇到的问题和困难：（1）大量数据的存储与快速处理在地学领域，通过摄影测量或遥感手段获得大量数据，可谓是海量数据，如何快速对其进行处理分析是目前迫切需要解决的技术之一。一方面要硬件生产厂家生产大容量的存储设备和快速处理器，另一方面要研究优化算法，提高运算效率。（2）应用模型与数据结构一些专业应用模型不够完善，还存在这样或那样的缺陷,例如：算法不够简洁，因素不全，参数不合理等，需要进一步从理论和技术上进行革新。数据的存储结构随数据量的增大问题也出现了。（3）实时廉价获取可靠数据在地学领域，如何实时进行三维数据的获取，目前是一个大的难题。例如地下矿床的厚度、植物根系的空间分布等。由于测量具有误差、以点代面也有代表性误差，数据具有不确定性，如何获取高度可靠的数据也是一个大的难题。（4）三维分析并且地学对象在自然界纷繁复杂，使得一地的模型而另一地并不适合，造成空间分析模型构造的困难，致使在这些GIS软件中无法进行有效的空间分析。6. 增强GIS的基本空间分析功能的方法途径GIS的基本空间分析功能是GIS进一步发展的基础，其理论研究应该放在一定的高度，只有加大GIS基础理论研究，才能从根本上解决GIS应用领域中遇到的各种问题，更好的服务于各个专业领域。目前国内GIS的开发大都集中于GIS的应用方面，关于GIS在各个领域内的应用研究比较多，对于如何增强GIS的基本空间分析功能研究不够，这方面的文献少之又少。就如何增强GIS的基本空间分析功能，综合一下，可以从以下三个角度进行：（1）对原有的空间分析算法进行改正，便于理解和应用实现。（2）发展新的空间分析理论和方法，形成GIS新的基本空间分析功能，这一点国外学者研究较多。（3）该变传统的思维模式，从全新的角度去理解空间分析。面对目前GIS软件普遍重数据操作、管理，而轻对数据内涵进行分析挖掘的情况，我们应该对GIS发展的战略进行重新规划和反思，以保证我们在获得数据的情况下，把数据后面所含纳的对人类有用的信息挖掘出来，从而使数据得到充分的应用和理解。参考文献:1.黄杏元等.地理信息系统概论M：高等教育出版社出版2.王家耀编著.空间信息系统原理M：科学出版社出版3.龚健雅编著.地理信息系统基础M：科学出版社出版4.邬伦等编著.地理信息系统-原理、方法和应用M：科学出版社出版5.郭仁忠著.空间分析M：高等教育出版社出版6.马永立著.地图学M：南京大学出版社出版7.肖乐斌等.三维GIS的基本问题探讨J，中国图象图形学报，2001年第9期。8.刘兴权等.浅析GIS中的空间分析与应用模型 J，四川测绘，2001年。9.陶华学等. GIS空间分析模型的建立 J，测绘通报，2001年第4期10.时晓燕.地理信息系统的核心-空间分析 J。11.王劲峰等.地理信息系统空间分析能力探讨 J，中国图象图形学报，2001年第9期。12 Stan. Aronoff.Geographic Information System：A Management Perspective，WDL Publlication，Ottawa，Canad