时空行为数据的GIS分析方法，本文主要内容关键词为：时空论文,方法论文,数据论文,GIS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。
中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1672—0504（2009）05—0001—05
0 引言
地理学对于个体行为的关注最初主要体现在行为地理学和时间地理学。时间地理学作为个体行为过程的分析方法之一，整合了人类行为的空间和时间维度，是理解人类时空制约的有效工具。它通过对人类活动的制约条件的分析，建立了一个在时空轴上动态地描述和解释行为活动的框架（如时空路径、时空棱柱、路径一棱柱组合及驻点等以及用于时空路径与时空棱柱分析的活动束、交叉点等概念）。然而，个体行为的研究过去一直受时空数据的可获得性手段制约，对一些理论方法不得不进行简化，使得理论模型的操作和应用受到很大限制。近年来，移动通信技术、GIS和无线定位技术的发展，为个体行为研究获取更高精度和更大尺度的时空数据提供了可能[1,2]。同时，在城市地理的应用中，个体时空行为分析已在生活行为、日常活动空间、交通规划及社区规划等研究中显示出独特的价值[3]。
尽管时间地理学将时空路径、时空棱柱等表示形式引入行为研究一定程度上重视了时间维，但其仍停留在示意性的表示水平上[4]，无法在现实的地理环境中描绘出个体的行为活动轨迹[1]。近年来，为了弥补这一不足，一些研究开始尝试使用GIS对个体时空行为数据进行可视化和时空分析[5]。Miller基于时空棱柱的概念，运用GIS技术发展了时间地理学的新度量体系[1,6]；Yu等研究了用于时空行为数据的GIS可视化和分析工具[7,8]；Kwan等结合城市研究问题，应用GIS实现了对个体时空行为数据的可视化和实证研究[1,9-13]。国内学者已认识到时空行为分析对城市空间研究的重要性，并对其与GIS的关系进行了初步探讨[14-16]；但国内研究仍然留停在个体行为理论层面的探讨，未实现个体时空行为数据的可视化分析及实证研究。
本文通过对时间地理学概念框架的形式化分析，建立GIS时空行为数据模型，并结合GIS三维可视化技术实现对个体时空行为的可视化；最后，对提出的GIS时空行为数据模型和可视化方法进行了实例验证。
1 时间地理学概念模型的时空数据建模
1.1 时间地理学概念模型
时间地理学是分析个体活动参与和活动机会限制的有效框架，它认为个体活动只能在有限时间范围内的特定地点发生，并将时空制约归为3类：1）能力制约，指个人通过自身能力或使用工具能够进行的活动是有限制的，如睡眠、用餐等生理性制约；2）组合制约，指个人或集体为了从事某项活动而必须同其他的人或物的路径同时存在于同一场所的制约，如社交、聚会等；3）权威制约，指法津、习惯、社会规范等把人或物体从特定时间或特定空间中排除的制约，如门禁社区、大型购物中心等。时间地理学的核心思想是满足个人需求的活动和事件都是具有空间维和时间维的。因此，每个人在时空活动和移动所面临的制约，可以通过将空间压缩为二维平面，用纵轴代表时间在图上加以表示[17-20]。
时空路径是该框架中基本的概念工具，它记录了个体在时空中移动的轨迹。如图1，时空路径开始于出发点，结束于终止点，由于个体不能在同一时间内存在于两个空间中，所以路径总是形成不间断的轨迹。个体不随时间发生移动时，在时空路径上可表示为垂直线，而发生移动时则表示为斜线。个体在参与生产、消费和社会活动时，需要停留在某些包含一定设施并具备一定职能的停留点上，称为驻所（如家、工作地、邮局等）[19]，如图1中的1、2、3点。
图1 时空路径与驻所[6]
Fig.1 Space-time path and station
时空棱柱是时空路径的扩展，是时空中由个体移动能力所决定的可达范围。图2表示某人必须在给定地点停留至
时刻，又必须在
时刻返回该地点，其移动的速度已知且有限。这个简单的时空棱柱包含由时间确定的上下顶点，表示规定时间时刻之前不得离开，时刻之前必须返回。棱柱的内部是潜在路径空间（Potential Path Space,PPS），表示该人在开放时间（，）可以占据的时空区域。潜在路径空间在二维平面的投影称为潜在路径区域（Potential Path Area,PPA），是该人在（，）时段内可达地理空间的集合[6]。在活动分析中，该人如果想与他人共同参与活动，那么他人的时空路径必须与该人的时空棱柱有交叉才能满足共同活动的条件。不同的人共同参与活动，那么几条路径在同时同地相重合，由此形成的组合称作活动束。
图2 时空棱柱示意[2]
Fig.2 A simple space-time prism
1.2 时空行为数据模型
本文将个体在驻点上活动以及在驻点之间的移动建模定义为在（x，y，t）空间中的一条三维轨迹。数据模型主要由两部分构成，即驻点和轨迹片断。驻点指个体在时空活动时被测量的位置，个体每发生一次移动，都会对其驻点进行标记；轨迹片断记录个体在两个相邻驻点之间的移动情况。
对于个体O，将其在地理空间上的每次停留标记为C，记录方式如下[2]：
轨迹片断表示为个体在两个相邻驻点上的移动，把轨迹片段建模为连接起始驻点和终止驻点的直线。直线的斜率表示个体从一个驻点到另一个驻点的移动速度，速度越快表明该个体出行能力越强。个体在两个驻点之间的时空棱柱也可根据该速度计算。两个驻点之间的轨迹片段定义为[2]：
图3 时空路径中的驻点与轨迹片断[2]
Fig.3 Control points and segments in a space-time path
2 时空路径的三维可视化
时空路径是在（x，y，t）三维空间中的一条轨迹，对时空路径的三维可视化有助于用户交互式探测时空行为数据及其规律。在GIS的三维可视化模型中，Z坐标一般表示高程，实现地表的三维显示。本文设计的时空路径可视化方法，用平面坐标（X，Y）表示驻点的空间位置，用Z坐标表示时间，建立时空路径的GIS三维数据模型映射关系。在ArcGIS平台的ArcScene环境中，基于ArcObjects对象模型，使用VBA脚本实现时空路径的三维可视化。
图4是不同时间、不同地点活动数据产生的个体时空路径。在ArcScene环境中，平面为北京地理底图，Z坐标为时间轴（单位：h）。该图表示某人居住在城市中心区，清晨和上午都待在家中，下午前往城郊停留了一段时间；在返回途中有一次短暂停留，在晚间回到家中。
图4 时空路径三维可视化
Fig.4 A schematic representation of 3D visualization of space-time path
3 应用实例
本文使用2007年北京居民活动日志调查数据进行实验，调查内容包括居民的活动时间、地点、同伴以及在活动前是否有交通出行（含出行距离、方式、所需时间）等。该数据中共有520户家庭（包括1119位居民）星期日和星期一连续48h的活动日志有效样本，笔者在交道口社区收集50户家庭（115位居民）两天的活动信息作为实验数据。
如图5所示，实验将所有居民的工作日和休息日的活动时空路径可视化，发现工作日居民的时空路径空间范围较大，单次、长距离出行的比例较高，时空路径的形态简单；而休息日居民的时空路径多呈现以居住地为中心破碎化的分布，多次、短距离出行的比例较高。这是由于休息日居民外出活动停留点较多，时空路径的形态复杂。
图5 工作日与休息日时空路径对比
Fig.5 Space-time aquarium showing the spacetime paths of workday and weekend
时空查询功能实验包括时间点和空间范围查询，本文运用交道口社区居民工作日的活动日志作为实验数据。图6是时间点查询，实现对时间截面的观察，图6中下方地图截面表示0：00居民活动的空间分布，大部分居民在家中休息；上方地图截面表示12：00居民所处的空间位置，居民散布于北京城市空间。图7是特定时空范围的居民活动分布，内部圆柱区域和外部圆柱区域分别表示距离社区1km和5km的范围。从图7中发现，尽管交道口社区位于北京内城区，其周边提供了较多的就业岗位，但仍有部分居民要到离家5km以外的区域就业，说明北京城市居住与就业的空间错位已经出现。
图6 时空路径的时间截面观察
Fig.6 A time-section view of space-time paths
图7 时空路径的空间缓冲区观察
Fig.7 A spatial-buffer view of space-time paths
4 讨论与展望
本文基于时间地理学的概念模型，建立了时空路径分析的GIS数据模型，并对数据模型和可视化分析方法进行了实验分析。结果表明，时空行为数据的G1S分析方法，有效地集成了GIS的空间分析和三维可视化功能，为人类时空行为数据的直观表现和分析提供了有效的技术手段。
本文实验数据较少，个体活动信息的时间粒度较粗，下一步的工作将借助全球卫星定位系统（GPS）和移动位置服务（LBS）等新技术获取的大规模个体时空数据进行实验和分析[21]。本文模型中的轨迹片段用直线斜率刻画个体的出行能力，但现实中个体在交通网络中是非匀速行进的，还需对时空行为的数据模型进行研究，以适合高精度、细粒度的个体时空行为表达。目前，国内外的研究尽管在个体时空行为数据的建模、分析和可视化方面有所突破，但在理论和方法的完善和提升方面还有很大的空间，主要研究内容有：1）基于GPS和LBS等新技术获取的大规模时空数据精细，但同时也充满着噪声和数据缺失等问题，如何从中提取时空行为特征和行为活动模式，是需解决的难题之一；2）基于高精度时空行为数据，数据模型和可视化方法仍需进一步完善；3）除了与时间地理学分析方法的结合研究外，基于个体行为时空数据的空间行为模式及理论探讨也亟待展开。
收稿日期：2009—06—09；修订日期：2009—08—15