[科普中國]-空間分析

基本介紹

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，尤其是計算機技術(shù)引入地圖學(xué)和地理學(xué)，地理信息系統(tǒng)開始孕育、發(fā)展。以數(shù)字形式存在于計算機中的地圖，向人們展示了更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。利用計算機分析地圖、獲取信息，支持空間決策，成為地理信息系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容，“空間分析” 這個詞匯也就成為了這一領(lǐng)域的一個專門術(shù)語。

空間分析是GIS的核心和靈魂，是GIS區(qū)別于一般的信息系統(tǒng)、CAD或者電子地圖系統(tǒng)的主要標(biāo)志之一。 空間分析，配合空間數(shù)據(jù)的屬性信息，能提供強大、豐富的空間數(shù)據(jù)查詢功能。 因此，空間分析在GIS中的地位不言而喻。

空間分析主要通過空間數(shù)據(jù)和空間模型的聯(lián)合分析來挖掘空間目標(biāo)的潛在信息，而這些空間目標(biāo)的基本信息，無非是其空間位置、分布、形態(tài)、距離、方位、拓撲關(guān)系等，其中距離、方位、拓撲關(guān)系組成了空間目標(biāo)的空間關(guān)系，它是地理實體之間的空間特性，可以作為數(shù)據(jù)組織、查詢、分析和推理的基礎(chǔ)。通過將地理空間目標(biāo)劃分為點、線、面不同的類型，可以獲得這些不同類型目標(biāo)的形態(tài)結(jié)構(gòu)。將空間目標(biāo)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)結(jié)合起來，可以進行許多特定任務(wù)的空間計算與分析。

基本方法空間信息量算空間信息量算是空間分析的定量化基礎(chǔ)。

空間實體間存在著多種空間關(guān)系，包括拓撲、順序、距離、方位等關(guān)系。通過空間關(guān)系查詢和定位空間實體是地理信息系統(tǒng)不同于一般數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能之一。

如查詢滿足下列條件的城市：在京九線的東部， 距離京九線不超過200公里，城市人口大于100萬并且居民人均年收入超過1萬。整個查詢計算涉及了空間順序方位關(guān)系(京九線東部),空間距離關(guān)系（距離京九線不超過200公里），甚至還有屬性信息查詢(城市人口大于100萬并且居民人均年收入超過1萬）。

空間信息量算包括：質(zhì)心量算、幾何量算、形狀量算。

空間信息分類這是GIS功能的重要組成部分。

對于線狀地物求長度、曲率、方向，對于面狀地物求面積、周長、形狀、曲率等；求幾何體的質(zhì)心；空間實體間的距離等。常用的空間信息分類的數(shù)學(xué)方法有：主成分分析法、層次分析法、系統(tǒng)聚類分析、判別分析等。

緩沖區(qū)分析緩沖區(qū)分析是針對點、線、面等地理實體，自動在其周圍建立一定寬度范圍的緩沖區(qū)多邊形。

鄰近度描述了地理空間中兩個地物距離相近的程度，其確定是空間分析的一個重要手段。交通沿線或河流沿線的地物有其獨特的重要性，公共設(shè)施的服務(wù)半徑，大型水庫建設(shè)引起的搬遷，鐵路、公路以及航運河道對其所穿過區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要性等，均是一個鄰近度問題。緩沖區(qū)分析是解決鄰近度問題的空間分析工具之一。 所謂緩沖區(qū)就是地理空間目標(biāo)的一種影響范圍或服務(wù)范圍。

疊加分析大部分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)的整個數(shù)據(jù)層集表達了該地區(qū)地理景觀的內(nèi)容。地理信息系統(tǒng)的疊加分析是將有關(guān)主題層組成的數(shù)據(jù)層面，進行疊加產(chǎn)生一個新數(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。疊加分析可以分為以下幾類：視覺信息疊加、點與多邊形疊加、線與多邊形疊加、多邊形疊加、柵格圖層疊加。

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)線、電力線、電話線、供排水管線等）進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)分析是運籌學(xué)模型中的一個基本模型，它的根本目的是研究、籌劃一項網(wǎng)絡(luò)工程如何安排，并使其運行效果最好，如一定資源的最佳分配，從一地到另一地的運輸費用最低等。

網(wǎng)絡(luò)分析包括：路徑分析（尋求最佳路徑）、地址匹配（實質(zhì)是對地理位置的查詢）以及資源分配。

空間統(tǒng)計分析GIS得以廣泛應(yīng)用的重要技術(shù)支撐之一就是空間統(tǒng)計與分析。例如， 在區(qū)域環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價工作中，可將地理信息與大氣、土壤、水、噪聲等環(huán)境要素的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，利用GIS軟件的空間分析模塊，對整個區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀進行客觀、全面的評價，以反映出區(qū)域中受污染的程度以及空間分布情況。通過疊加分析，可以提取該區(qū)域內(nèi)大氣污染分布圖、噪聲分布圖;通過2緩沖區(qū)分析，可顯示污染源影響范圍等?？梢灶A(yù)見，在構(gòu)建和諧社會的過程中，GIS和空間分析技術(shù)必將發(fā)揮越來越廣泛和深刻的作用。

常用的空間統(tǒng)計分析方法有：常規(guī)統(tǒng)計分析、3空間自相關(guān)分析、回歸分析、趨勢分析及專家打分模型等。

主要內(nèi)容空間位置： 借助于空間坐標(biāo)系傳遞空間對象的定位信息，是空間對象表述的研究基礎(chǔ)，即投影與轉(zhuǎn)換理論。

空間分布：同類空間對象的群體定位信息，包括分布、趨勢、對比等內(nèi)容。

空間形態(tài)：空間對象的幾何形態(tài)。

空間距離：空間物體的接近程度。

空間關(guān)系：空間對象的相關(guān)關(guān)系，包括拓撲、方位、相似、相關(guān)等。

流派由于當(dāng)前空間分析研究主要有3個主要專業(yè)研究：地理學(xué)、測繪學(xué)和建筑學(xué)，分別有不同的學(xué)術(shù)流派。

1、地理學(xué)的空間分析以分析地理數(shù)據(jù)為主，也可稱為地理分析，以遙感圖、地圖和經(jīng)濟、社會等數(shù)據(jù)為分析對象，以地理建模、計量地理、地統(tǒng)計學(xué)等方法分析問題，主要研究群體以中科院地理類研究生、師范大學(xué)地理系、綜合性大學(xué)地理系為代表。代表著作：中科院地理所，王勁峰《空間分析的理論與方法》。

2、測繪學(xué)的空間分析以測繪數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)（二維、三維）為主，經(jīng)濟、社會等數(shù)據(jù)為分析對象研究較少，主要使用計算幾何、4地圖代數(shù)等方法分析問題，主要研究群體以武漢大學(xué)測繪學(xué)院、礦業(yè)大學(xué)測量系為代表。代表圖書：武漢大學(xué)，郭仁忠《空間分析》。

3、建筑學(xué)的空間分析以建筑空間、城市空間或環(huán)境空間為主，依托建筑學(xué)和城市規(guī)劃理論，結(jié)合規(guī)劃實際需求，從微觀和中觀的角度分析空間分布情況，主要研究群體以東南大學(xué)、清華大學(xué)、同濟大學(xué)等建筑系為代表。代表著作：東南大學(xué)，黃亞平《城市空間理論與空間分析》。

發(fā)展空間分析（地理分析）是基于地理對象的位置和形態(tài)的空間數(shù)據(jù)的分析技術(shù)，其目的在于提取和傳輸空間信息。 自從有了地圖，人們就自覺或者不自覺地進行著各種類型的空間分析?？臻g分析是地理信息系統(tǒng)的主要特征?？臻g分析能力是地理信息系統(tǒng)區(qū)別與一般信息系統(tǒng)的主要方面，也是評價一個地理信息系統(tǒng)成功與否的一個主要指標(biāo)。 空間分析是GIS的核心和靈魂，是GIS區(qū)別于一般的信息系統(tǒng)、CAD或者電子地圖系統(tǒng)的主要標(biāo)志之一。 空間分析，配合空間數(shù)據(jù)的屬性信息，能提供強大、豐富的空間數(shù)據(jù)查詢功能。 因此，空間分析在GIS中的地位不言而喻。

空間分析源于60年代地理學(xué)的計量革命，在開始階段，主要是應(yīng)用定量（主要是統(tǒng)計）分析手段用于分析點、線、面的空間分布模式。后來更多的是強調(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)的時空演化過程分析。實際上自有地圖以來，人們就始終在自覺或不自覺地進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，乃至利用地圖進行戰(zhàn)術(shù)研究和戰(zhàn)略決策等，都是人們利用地圖進行空間分析的實例，而后者實質(zhì)上已屬較高層次上的空間分析。

在地學(xué)領(lǐng)域中，空間分析一般是指“GIS空間分析”，或“地理空間分析”。任何信息，總含有空間、時間、屬性特征。如水文走向含屬性和時間特征, 疾病傳播含時間、空間和屬性特征, 而河道演變則反映了空間形態(tài)特征隨時間變化性質(zhì)。國內(nèi)外許多學(xué)者都對空間分析進行研究(UnWin,1981；李德仁等，1993；Robert Haining，1994；郭仁忠,1997；王勁峰，2000)，但是對空間分析下定義是比較困難的，目前尚無一個統(tǒng)一的定義，不同的應(yīng)用領(lǐng)域給出不同的涵義，它們的側(cè)重點各不相同，但是都從不同的方面對空間分析的內(nèi)涵進行了闡釋：或側(cè)重于地理學(xué)（地學(xué)），或側(cè)重于測繪學(xué)（地圖學(xué)）；或側(cè)重于幾何圖形分析，或側(cè)重于地學(xué)統(tǒng)計與建模。綜合這些學(xué)者的研究成果。綜述之，GIS空間分析是使用幾何分析、統(tǒng)計分析、數(shù)學(xué)建模、地理計算等方法，對地理空間中的目標(biāo)的空間關(guān)系進行描述、分析、建模，并進一步為空間決策支持提供服務(wù)的技術(shù)。

研究對象空間分析是對分析空間數(shù)據(jù)相關(guān)方法的統(tǒng)稱，空間分析是GIS系統(tǒng)的先進性的標(biāo)志。早期的GIS強調(diào)的是簡單的空間查詢，空間分析功能很弱或根本沒有，隨著GIS的發(fā)展，用戶需要更多更復(fù)雜的空間分析的功能，這就促進了GIS空間分析技術(shù)的發(fā)展，也使得多種空間分析技術(shù)出現(xiàn)。根據(jù)分析的數(shù)據(jù)性質(zhì)不同，可以分為：

①基于空間圖形數(shù)據(jù)的分析運算；

②基于非空間屬性的數(shù)據(jù)運算；

③空間和非空間數(shù)據(jù)的聯(lián)合運算。

空間分析賴以進行的基礎(chǔ)是地理空間數(shù)據(jù)，運用各種幾何邏輯運算、數(shù)理統(tǒng)計分析、代數(shù)運算等數(shù)學(xué)手段，最終的目的是解決人們所涉及到的地理空間實際問題。