地理信息系统空间分析方法及其若干应用〔1〕，本文主要内容关键词为：地理信息系统论文,方法论文,空间论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 引言
地理信息系统是60年代中期开始逐渐发展起来的一门新技术，近十几年发展迅猛。由于其数量种类繁多，加上发展变化快，对地理信息系统的定义也很多。但大体大同小异，简单地说，地理信息系统是在计算机软硬件的支持下输入、存储、管理、分析和输出具有空间属性数据的一种计算机技术系统。由于在现代社会科研、生产、生活各个方面的信息范畴内，85%以上的信息数据都具有空间属性（或地理属性），因此地理信息系统的应用非常广泛，不仅在资源调查、环境监测、城乡规则、国土管理、灾害监测等方面应用广泛，而且在城镇管理等许多方面亦应用广泛。在许多国家，地理信息系统的应用已成为一支新兴的行业，其应用几乎涉及现代经济活动的各个方面。在国内，人们对地理信息系统的作用潜力认识逐渐加强，应用也逐步普遍和深入。
早期地理信息系统开发研制的目的是为了解决自然资源管理和土地规划等方面的问题。随着技术的发展，地理信息系统的应用已逐步超出地学研究范围，但仍然是地学研究中的强大技术手段之一。因而被陈述彭先生称之为“地学的第三代语言”。对于它的认识，也不再局限于认为GIS仅仅是科学研究的工具和手段， 而是逐步认识到地理信息系统的理论概念和方法对人们认识现实世界思维方式改变的积极作用。因而它对地学研究的影响是深刻的。对于它的发展，建立大型综合的空间数据库，引入专家系统和各类应用模型，GIS、RS和GPS既所谓的3S一体化等是它的主要方面。另外，由于GIS技术是以计算机技术为基础的，一些 计算机的发展趋势也必将体现在GIS上面，如微机化、网络化、视窗化 、标准化等等。
2 空间分析方法简介
地理信息系统中的空间分析功能的发展与完善是地理信息系统研究和应用的主要目标。早期的地理信息系统一般缺乏分析功能，因此常发生与机助制图和机助设计相混淆的现象。随着地理信息系统在数量、规模、复杂性和应用深度方面的提高，空间分析已成为地理信息系统独立的研究领域，并成为区别于其它类型信息系统的主要标志。地理信息系统的空间分析功能能给用户提供解决专门问题的有效途径，例如：多边形专题图叠置分析，通过逐个给出两个图层数据集之间的“交”、“补”、“并”过程，可以解决土地潜力和适应性分类，土地资源评估，土地利用规划，以及区域内各类用地面积的统计计算。每一种空间分析方法，都有各自独特的功能。如果能正确理解、巧加运用，特别是各种不同功能的组合使用，可以完成各种复杂运算，进行综合地理研究，开展区域系统分析，解决较为复杂的研究和应用课题。
由于地理信息系统的种类很多，因而在功能上特别是空间分析的功能上有差异，但各有所长。有以处理矢量数据为主的，也有处理以栅格数据为主的系统。一般来说，地理信息系统的空间分析功能有以下几个方面：（1）空间特征的几何分析功能；（2）网络分析功能；（3 ）数字图像的分析功能；（4）地形分析与多元分析。 空间特征的几何分析是指以空间要素的定位数据为基础，通过数据集合的几何分析方法，确定空间要素多重属性的特征及其相互的关系。几何分析方法包括：包含分析、多边形叠置分析和泰森多边形分析等。网络分析主要有优化路径选择分析，时间和距离计算，网流量的模拟分析等。数据图像分析功能可以认为是一个图像处理的子系统，它一般包括图像恢复、图像增强、分类和信息提取，图像统计和图像管理等主要功能。地形分析功能是地学研究最为常用的分析方法，利用地形分析可进行地形因子的的自动提取（如坡度、坡向等），地表形态自动分类和典型剖面的绘制和分析等。高精度的DTM还可用来对遥感影像进行几何精校正。 多元分析则包括一些多变量统计分析中常用的模型，如聚类分析、判别分析、主成份分析等等。
3 空间分析方法的应用举例
3.1 几何分析和属性数据库操作相组合进行土地适宜性分析
土地分等定级是对土地使用价值即土地的质量优劣进行评分，并使结果等级化的过程。通过科学的、综合的方法划分土地级别，可以为合理利用城镇土地及有关部门制定规划、计算和使用提供依据。地理信息系统的空间分析功能及数据库操作功能能极大地提高土地定级估价的效率，其可靠性和准确性也优于一般的常规方法。例如：我们在进行城镇土地定级估价的工作中，土地定级作用分的确定，网格法划分定级单元和单元总分计算，以及级别的确定与级别面积统计、量算等所使用的方法，就是典型的空间几何分析组合属性数据库操作的方法。在定级因素作用分值计算中，针对不同的因素如商服繁华度、道路通过度、人口密度、供水、环境等等，采用的方法有指数定量法，分区赋分法和对比赋分法来确定各因素作用分。而这些方法在计算机上机实现的过程中，则对应使用了点—点，点—线，之间的距离计算和点—面之间的空间叠加分析方法。而每个网格单元的作用分值的计算，则是根据以距离为自变量各定级因素的线性和非线性关系，通过地理信息系统属性数据库的分析和操作完成。地理信息系统内所带数据库管理模块功能一般不是太强，但如果正确使用，可以解决大部分的应用问题，如同一网格，不同因素影响大小的取舍问题，分类中的逻辑提取功能，以及数据统计和频率计算等等。对于一些地理系统数据库功能不能解决的问题，还可以通过数据转换，传致另外的系统中进行处理，然后再传回属性数据库。如在此次工作中，单元总分频率直方图便是使用了EXCEL的作图功能。 在确定了分级界线后，建立查找表，再在地理信息系统上进行所有单元总分的赋值与分类，确定级别并统计级别的面积。
图1 几何分析组合属性数据库操作方法进行土地定级的逻辑框图
Fig.1 Logical framework of land gradation by using thedatabase manipu lation of geometric analysis combination
3.2 遥感数据和地形信息复合的方法
遥感作为一种获取和更新空间数据强有力的手段，能及时提供准确，丰富和大范围的各种资源与环境数据。地理信息系统则具有高效的空间数据管理和灵活的空间综合处理分析能力。二者结合，是空间信息处理技术发展的必然，也是地理信息系统目前一个重要的发展方向。就目前而言，遥感与地理信息系统的结合有两种形式，一种是“硬连接”的方式，即将遥感图像处理系统与地理信息系统功能一体化，集成一个统一的系统。这种方式是遥感和地理信息系统结合的高级方式；另一种方式则是称之为“软连接”的结合方式。它是通过软件接口，实现遥感图像处理系统和地理信息系统之间的数据相互传输和转换，达到信息复合与综合分析的目地。这也是目前国内外许多应用部门和科研工作者多采用的一种方式。我们在进行流域分高程带遥感积雪信息提取就是采用的这一软连接的方法。即遥感AVHRR数据经预处理,几何校正， 图像增强和分类处理后得到雪盖专题图，经数据格式转换后输入地理信息系统，在与相同区域的DEM进行几何配准后， 使用地理信息系统的空间分析功能，使遥感积雪分类专题图和由DEM 生成的流域高程分带图进行空间叠置，再由生产的属性数据文件，根据原图不同积雪类别和不同高程带的代码关系，分别抽取出各高程带的平均高程、各带面积、各带积雪覆盖面积，最终统计出每个高程带和整个流域的积雪覆盖率。此分高程带的积雪覆盖率即可作为一个变量输入专业水文模型，结合GCMs的气候情景进行气候影响的模拟和评估（图2）。
图2 AVHRR数据复合地形信息进行流域分带积雪信息提取框图
Fig.2Flow chart of the information collection ofsnowcover in watersheds
from
the
complex
topographicinformation of AVHRR data
遥感与地理信息复合的两个关键步骤是空间信息的配准和信息的复合。在我们的这项工作中采用的是二步的几何校正方法，即DEM 的生成是基于∶20万高斯—克吕格投影的地形图制作而成,分辨率为500m ×500m。因而整幅（512×512像元）AVHRR 数据的投影变换便也采用同一地形图作底图，即统一的坐标系统。经过预处理的AVHRR 数据残存的误差仍不小,并不能有足够的精度满足每个像元的地理位置精度。因此一般在进行信息复合之前，需借助一组地面控制点来进行第二次几何纠正，也就是复合信息配准。配准后的信息复合有两种形式即矢量数据间的复合和栅格数据之间的复合，采用哪种方式要根据所使用的地理信息系统特性做相应的矢量—栅格或栅格—矢量数据格式之间的转换。
3.3 矢量数据分层叠加研究荒漠化动态变化的方法
矢量数据的分层叠加是利用不同时期的航、卫片遥感解释专题图数字化资料，在地理信息系统中通过不同时期图层分层叠置，检测其边缘信息存在的差异，研究在同一空间位置上不同荒漠化类型的相互变化及其在面积，随时间变化的定量特征。例如，在进行塔里木河中下游阿拉干地区土地荒漠化动态研究中，使用的就是这种方法。在我们对50年代、80年代和90年代三个不同时期航、卫片解释分析和制作成统一坐标系统，统一比例尺，同一地区不同时期的荒漠化专题图，在此基础上，将专题图数字化输入地理信息系统，分层叠加，然后在图层叠置后生成的属性数据库中，依据不同图层、不同荒漠化类型编码之间的关系，确定不同荒漠化类型之间的变化方向和面积（图3）。
图3 矢量数据分层叠置进行荒漠化动态变化研究的框程图
Fig.3 Flow chart of the dynamic study of desertificationby using layered reduplication of vector data
在进行类型多相关的一些专题图的矢量数据空间叠置时，所生成的属性数据文件一般也相当庞大和复杂。所以，正确地进行原图的编码，正确的理解所生成属性数据文件中各类型间的相互关系，以及正确的理解和运用地理信息系统中的数据库管理功能就尤为重要。例如在我们进行的上述工作中，每一图层的荒漠化类型有6种， 那么图形叠置后荒漠不同类型间的相互变化方向从理论上讲就有36种，如能正确地理解它们之间的关系，正确地使用GIS数据库管理模块中的逻辑提取功能， 便可准确无误地将所需信息提取出来。
4 结语
地学研究对象是一个天、地、人有机结合复杂的生态系统，要揭示其奥秘，任何单一学科是无法胜任的，地理信息系统的引入是行之有效的技术手段，它不仅从体力和脑力上大大地解放了人们，从更高的层次讲，地理信息系统解决问题的理论概念、方式方法极大地促进了人们以更新的思维方式去认识现实世界，地理信息系统中的空间分析方法和信息复合方法是它的核心内容，地理信息系统之所以生命力强大，主要是取决于它强大灵活的空间数据处理和分析功能，而正确的理解和运用，特别是有机地组合使用这些功能，能够在更大程度上发挥其功能，扩大它的应用范围。
〔1〕本文得到国家自然科学基金（49471018 ）和冰冻圈基础研究项目资助
收稿日期：97—03—14