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空间分析及GIS学科观察和思考

空间分析(地理分析)是基于地理对象的位置和形态的空间数据的分析技术,其目的在于提取和传输空间信息。

自从有了地图,人们就自觉或者不自觉地进行着各种类型的空间分析。

空间分析是地理信息系统的主要特征。

空间分析能力是地理信息系统区别与一般信息系统的主要方面,也是评价一个地理信息系统成功与否的一个主要指标。

空间分析是GIS的核心和灵魂,是GIS区别于一般的信息系统、CAD或者电子地图系统的主要标志之一。

空间分析,配合空间数据的属性信息,能提供强大、丰富的空间数据查询功能。

因此,空间分析在GIS中的地位不言而喻。

空间分析源于60年代地理学的计量革命,在开始阶段,主要是应用定量(主要是统计)分析手段用于分析点、线、面的空间分布模式。

后来更多的是强调地理空间本身的特征、空间决策过程和复杂空间系统的时空演化过程分析。

实际上自有地图以来,人们就始终在自觉或不自觉地进行着各种类型的空间分析。

如在地图上量测地理要素之间的距离、方位、面积,乃至利用地图进行战术研究和战略决策等,都是人们利用地图进行空间分析的实例,而后者实质上已属较高层次上的空间分析。

在地学领域中,空间分析一般是指“GIS空间分析”,或“地理空间分析”。

任何信息,总含有空间、时间、属性特征。

如水文走向含属性和时间特征, 疾病传播含时间、空间和属性特征, 而河道演变则反映了空间形态特征随时间变化性质。

国内外许多学者都对空间分析进行研究(UnWin,1981;李德仁等,1993;Rober t Haining,1994;郭仁忠,1997;王劲峰,2000),但是对空间分析下定义是比较困难的,目前尚无一个统一的定义,不同的应用领域给出不同的涵义,它们的侧重点各不相同,但是都从不同的方面对空间分析的内涵进行了阐释:或侧重于地理学(地学),或侧重于测绘学(地图学);或侧重于几何图形分析,或侧重于地学统计与建模。

综合这些学者的研究成果。

综述之,GIS空间分析是使用几何分析、统计分析、数学建模、地理计算等方法,对地理空间中的目标的空间关系进行描述、分析、建模,并进一步为空间决策支持提供服务的技术。

一、功能划分
空间分析是对分析空间数据相关方法的统称,空间分析是GIS系统的先进性的标志。

早期的GIS强调的是简单的空间查询,空间分析功能很弱或根本没有,随着GIS的发展,用户需要更多更复杂的空间分析的功能,这就促进了GIS空间分析技术的发展,也使得多种空间分析技术出现。

根据分析的数据性质不同,可以分为:①基于空间图形数据的分析运算;②基于非空间属性的数据运算;③空间和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,运用各种几何逻辑运算、数理统计分析、代数运算等数学手段,最终的目的是解决人们所涉及到的地理空间实际问题。

本文将常用的空间分析进行适当归纳,将常用空间分析分为几何分析、地形分析、栅格分析、网络分析、空间统计分析以及综合模型分析等,如表1所示。

表1 空间分析功能划分
GIS空间分析功能
几何分析
空间量算、空间查询、叠加分析、缓冲区分析、拓扑分析、相似度分析、Voro noi图分析等
地形分析
坡向坡度分析、剖面分析、通视分析、DTM/DEM数据分析、三维景观分析、虚拟现实等
栅格分析
遥感影像分析、空间滤波、高程-影像叠加分析等
网络分析
最优路径分析、网络流分析、通达性分析等
空间统计分析
空间插值、主成分分析、聚类分析、相关分析、回归分析、趋势面分析等
综合模型分析
布局优化模型、频率指配模型、疾病传输模型、城市空间发展模型等
二、主要流派
由于当前空间分析研究主要有3个主要专业研究:地理学、测绘学和建筑学,分别有不同的学术流派。

1、地理学的空间分析以分析地理数据为主,也可称为地理分析,以遥感图、地图和经济、社会等数据为分析对象,以地理建模、计量地理、地统计学等方法分析问题,主要研究群体以中科院地理类研究生、师范大学地理系、综合性大学地理系为代表。

代表著作:中科院地理所,王劲峰《空间分析的理论与方法》
2、测绘学的空间分析以测绘数据、遥感数据、地图数据(二维、三维)为主,经济、社会等数据为分析对象研究较少,主要使用计算几何、地图代数等方法分析问题,主要研究群体以武汉大学、测绘学院、矿业大学测量系为代表。

代表图书:武汉大学,郭仁忠《空间分析》
3、建筑学的空间分析以建筑空间、城市空间或环境空间为主,依托建筑学和城市规划理论,结合规划实际需求,从微观和中观的角度分析空间分布情况,主要研究群体以东南大学、清华大学、同济大学等建筑系为代表。

代表著作:东南大学,黄亚平《城市空间理论与空间分析》
1、GIS与相关学科的关系:
GIS的发展和地理学(地球科学)、测绘科学、计算机技术有着紧密的关系,G IS主要是运用计算机、网络通信技术对地理空间数据进行采集、存储、管理、
显示、分析的一门学科,地图学是GIS的研究基础。

地理信息系统兼具“学科”、“资源”、“工具”三大属性。

2、GIS研究层次:
地理信息科学:空间分析/空间关系理论、制图综合、地理建模、计算地理学、空间认知、空间推理、空间数据库等、空间统计学、信息社会的地理学等;
地理信息技术:WebGIS、三维GIS、移动GIS、嵌入式GIS、分布式GIS 、“3 S”集成、计算机信息技术、空间数据挖掘、GIS工作流、GIS软件工程;
地理系统工程:生态保护、资源环境、流域经济、城市发展、可持续发展、产业布局、考古发现、海洋资源、交通、国土、气象、农林、军事等领域的地理信息化管理与规划建模。

注:地理系统工程简介北京大学马蔼乃
地理系统工程是地理科学在工程层次上的学科,。

主要是人口、资源、环境、生态、灾害、城镇、基建、产业等方面在区域中的人与地理环境的关联,是一个开放的复杂巨系统。

地理系统工程同时又是物质文明、政治文明、精神文明的基础,也是可持续发展战略的基础。

3 陈述彭院士观点:
据陈述彭院士对地理信息系统学科的发展的分析,他认为:地理信息科学的三个战略领域(地理空间认知模型,地理概念的计算机实现,信息社会的地理学) 及地
理信息科学的优先领域(分布式计算,地理信息的认知,地理信息的互操作,尺度效应,空间信息基础的未来,地理信息系统与社会,地理信息系统环境下的空间分析,空间数据的获取与集成,地理数据的不确定性)[7]。

因此,基于地理信息系统理论与系统集成的研究仍是其研究重点,最终实现信息化社会中人类社会与自然环境的协调发展。

4 GIS人才培养建议:
由于GIS属于多学科交叉的学科,因此需要学习的东西较多,作为一个研究生,3年学习的时间是有限的,我们不可能全面的学习,在打好专业基础的情况下,尽可能的选择一个自己感兴趣的方向去深刻研究,结合自己的专长,在校期间尽量做出一些成绩来。

本科:注重应用新人才的培养,即GIS软件开发,GIS信息(数据库)管理。

G IS软件开发:主要掌握常用软件开发工具(.NET JAVA)、GIS开发组件、GI S网络服务等技能;GIS信息(数据库)管理:主要掌握常用GIS软件平台、多类空间数据转换、空间数据库管理等知识。

研究生:强调理论联系实际,在掌握GIS常用工具的前提下,结合各人专业背景分别施教。

当研究生然也可根据各自兴趣选择合适自己的研究方向。

地理学背景:可研究空间统计学、地理生态建模、城市空间发展研究等课题;测绘学背景:可重点研究地图制图、地图综合、3S集成、空间关系分析等课题;计算机背景:可重点研究WebGIS、三维GIS、移动GIS、分布式空间信息服务、GIS软件工程等课题;
其他学科(如农林、矿业、大气、海洋等)背景:可重点研究3S在本行业中的应用研究,地理系统工程研究。

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