地理信息系統空間分析功能的應用

劉國 陳海莉

摘要：地理信息系統的核心是空間屬性數據庫，而管理、分析和應用數據庫中數據的空間分析功能和應用模型則是發揮數據庫作用的關鍵部分。衡量一個地理信息系統的好壞，不僅決定于其數據庫的數據質量、數據量和更新速度，關鍵要看其空間分析功能是否強大、實用和具有靈活性。本文在簡述地理信息系統空間分析方法的基礎上，論述地理信息系統空間分析方法的若干應用。

關鍵詞：地理信息系統；空間分析；聚類分析；主成分分析

中圖分類號：C931.6文獻標識碼：Ａ

1前言

地理信息系統是60年代中期開始逐漸發展起來的一門新技術，近十幾年發展迅猛。早期地理信息系統開發研制的目的是為了解決自然資源管理和土地規劃等方面的問題。隨著技術的發展，地理信息系統的應用已逐步超出地學研究范圍，但仍然是地學研究中的強大技術手段之一。對于它的認識，也不再局限于認為GIS僅僅是科學研究的工具和手段，而是逐步認識到地理信息系統的理論概念和方法對人們認識現實世界思維方式改變的積極作用。對于它的發展，建立大型綜合的空間數據庫，引入專家系統和各類應用模型，GIS、RS和GPS即所謂的3S一體化是它的主要方面。另外，由于GIS技術是以計算機技術為基礎的，一些計算機的發展趨勢也必將體現在GIS上面 ，如微機化、網絡化、視窗化、標準化等等。

2空間分析方法簡介

地理信息系統中的空間分析功能的發展與完善是地理信息系統研究和應用的主要目標。隨著地理信息系統在數量、規模、復雜性和應用深度方面的提高，空間分析已成為地理信息系統獨立的研究領域，并成為區別于其它類型信息系統的主要標志。

由于地理信息系統的種類很多，因而在功能上特別是空間分析的功能上有差異，但各有所長。有以處理矢量數據為主的，也有處理以柵格數據為主的系統。一般來說，地理信息系統的空間分析功能有以下幾個方面：⑴空間特征的幾何分析功能；⑵網絡分析功能；⑶數字圖像的分析功能；⑷地形分析與多元分析。[1]

3 GIS空間分析方法的應用舉例

空間分析的應用領域與 GIS的應用領域基本上是一致的，已有很多資料對 GIS的應用進行了非常詳細的介紹，本文在介紹這些具體的應用時更加強調GIS的空間分析功能?？臻g分析的具體應用領域包括水污染監測、城市規劃與管理、地震災害和損失估計、洪水災害分析、礦產資源評價、道路交通管理、地形地貌分析、醫療衛生、軍事領域等。

3.1 GIS空間分析在水污染監測中的應用

水質污染是我國面臨的最為嚴重的環境問題之一，水環境污染防治問題涉及的區域范圍廣、數據量大、防治水質污染已成為我國環境保護的一項緊迫的任務。進行水質污染管理和分析的另外一個突出的特點就是必須借助大量的、科學合理的水質模擬模型進行水質的預測和評價。因此，在利用GIS的空間分析技術進行水質污染監測時，必須充分利用這些水質模型輔助GIS的空間分析。

在進行江河流域水污染防治規劃過程中應貫徹綜合防治原則，實施全流域的綜合管理，因此，必須對全流域的經濟發展、工業布局、城市發展、人口增長、水體自凈能力和水體的功能、級別等進行充分的研究，力求處理好流域經濟發展與水體保護的關系、局部發展與流域總體發展的關系、近期發展與持續發展的關系。為此，我們需要貫徹系統工程化思想，以整個流域范圍為研究對象，建立有關的自然、經濟和社會信息數據庫，建立整個流域范圍及各相關城鎮的空間數據庫，并建立各種水質評價和預測模型，進行多模型的綜合評價，減少單一模型方法的缺陷，提高水質預測的準確度。同時，還需要結合領導的經驗決策意見和各項法律法規，建立起綜合相關專家知識和領導決策意見的專家知識庫。

流域水污染防治規劃GIS系統的建立是一個半結構化過程，實現了定量方法與定性方法的有機結合，實現了科學管理與領導的決策經驗的有機結合。圖1所示的為江河流域水污染防治規劃GIS系統的工作流程。

圖1 江河流域水污染防治規劃GIS系統流程圖

圖中，數據庫系統主要提供基礎數據，同時為模型服務；模型庫系統是存儲于計算機內，用以描述、模擬預測江河的水質、流域經濟等各種數學模型的集合，模型的生成是在模型數據庫、方法庫的支持下完成的，它是整個決策系統的核心。方法庫系統的作用是對各種模型的求解提供必要的算法支持。模型庫和方法庫聯系非常緊密，也可以綜合成一個庫，即模型方法庫。知識庫用于存放環保規劃專家和水質評價專家提供的專門知識，通過知識庫知識的自動獲取為江河流域水污染防治規劃輔助決策支持系統提供有力支持。

這種具有大量數學模型的GIS系統進行空間分析時解決的一個最重要的問題就是如何充分利用這些數學模型，為空間分析任務服務。這種數學模型與空間分析任務的結合包括以下幾種方式：

1）松散的結合：數學模型系統與GIS空間分析系統各自獨立地運行，分別運行在各自獨立的系統中，二者之間的數據通訊通過ASCII文件或二進制進行。用戶負責根據GIS所確定的格式對文件進行格式化。這種結合是在同一臺計算機上或局域網的不同計算機上聯機執行的。

2）緊密的耦合：在這種情況下，數據模型仍然是不同的，但是在GIS和空間分析之間的數據的自動交換是通過一個標準的接口執行的，無須用戶的干預。這提高了數據交換的效率，但是需要更多的編程任務，需要用戶負責進行數據的集成。

3）完全的集成：從用戶的角度來看，這種集成方式是在同一個系統下執行相關操作。數據交換是基于相同的數據模型和數據庫管理系統。數學模型和空間分析之間的相互作用是十分有效的。

3.2 空間分析在其它領域的應用

3.2.1 空間分析在城市規劃管理中的應用

空間分析技術方法的應用，為城市規劃空間研究提供了有效的技術手段，可以很好地解決以前在這方面存在的不足。

在數據的分析處理方面，基于地理信息系統的空間分析技術，首先能夠勝任海量空間數據存儲管理與檢索查詢，安全可靠且現勢性強；其次可以對空間數據進行綜合性分析處理，獲得規劃所需要的有用信息；同時還能將分析所得的結果用可視化方法進行表達，易于規劃人員理解和進一步加以利用[2]。

在空間分析研究的深度方面，由于空間分析方法實現了圖形數據和屬性數據的一體化處理，因此，不僅能夠透過城市空間現象的表面對其內在的空間關系進行深層次的分析研究，而且還能在把握城市空間發展演變機制的基礎上，對城市的未來發展進行較為可靠的預測模擬與優化調整，從而改變以往城市規劃停留于城市空間問題的表象、就事論事、缺乏預見能力的空間分析研究工作方法，使規劃更具深度和說服力，也更能面向未來。

3.2.2 空間分析在礦產資源評價中的應用

礦產資源是國家經濟發展的支柱，礦產資源評價工作歷來都是地質工作者非常重視的焦點。以前，大多利用多元統計或其它數學方法，把各種地質現象離散化或數值化，對評價區進行打分，來進行礦產資源的評價工作，這種方法在找礦工作中起到了一定的作用。但它有自己的局限性，它是針對數值型數據而不是針對圖形，故難于與地質圖件相聯系，而且在給地質現象打分的過程中，往往受人為因素的影響。

GIS可以利用地質圖件和相關資料，借助于地理信息系統所提供的空間分析能力，充分利用圖形要素和空間圖形信息進行礦產資源的評價工作。目前人們用GIS來進行礦產資源的評價工作，是指在專家的指導下，利用專家找礦模型來進行的。然而對一些工作程度相對較低，專家的找礦模型不統一、找礦模型不能確定的情況，需利用GIS的空間分析功能來反推找礦模型，從而達到礦產資源評價的目的。[3]它的好處是不受人為的限制，充分利用現有資料，在擁有資料的基礎上提煉出找礦模型，為地質工作者提供有益的啟示。

3.2.3 空間分析和屬性數據庫操作相組合進行土地適宜性分析

土地分等定級是對土地使用價值即土地的質量優劣進行評分，并使結果等級化的過程。通過科學的、綜合的方法劃分土地級別，可以為合理利用城鎮土地及有關部門制定規劃、計算和使用提供依據。地理信息系統的空間分析功能及數據庫操作功能能極大地提高土地定級估價的效率，其可靠性和準確性也優于一般的常規方法。[4]地理信息系統內所帶數據庫管理模塊功能一般不是太強，但如果正確使用，可以解決大部分的應用問題，如同一網格，不同因素影響大小的取舍問題，分類中的邏輯提取功能，以及數據統計和頻率計算等等。對于一些地理系統數據庫功能不能解決的問題，還可以通過數據轉換，傳致另外的系統中進行處理，然后再傳回屬性數據庫。[5]如在此次工作中，單元總分頻率直方圖便是使用了EXCEL的作圖功能。在確定了分級界線后，建立查找表，再在地理信息系統上進行所有單元總分的賦值與分類，確定級別并統計級別的面積。

3.2.4 空間分析在地震災害和損失估計中的應用

地震是地殼運動的一種表現形式，地震和地質構造都是包含有空間位置信息的地學實體。對地震災害以及地震次生災害的評估對于一個區域的降低危險，資源分配以及緊急相應規劃具有重要意義。通過存儲和分析地質構造信息，利用地理信息系統的空間分析功能可以預測地震發生的“場景”，估計該區域由于地震引發的潛在損失，并且可以分析地震實際發生時的災害嚴重程度的空間分布，幫助政府分配緊急響應的資源。[6]而對于地震活動性分析常規的工作方法是按發震時間或地震帶選取地震資料，但由于地震帶的劃分一般范圍較大，往往跨越多個構造帶或新構造分區，對于小范圍構造分區的地震活動性分析比較困難。由于地質構造特征和演化歷史差異，不同的地質構造單元其地震活動特征也有所不同。利用地理信息系統空間分析功能不僅可以完成不同地震區、帶的地震活動分析，還可以根據需要進行不同構造單元之間的地震活動對比分析。[7]例如：利用活動斷裂地理信息系統的空間疊加模塊，可以對地震帶不同新構造分區地震活動進行對比分析，如不同新構造分區的地震頻度、震級的對比分析.

4 結論

作為地理信息系統的核心，空間分析功能的應用領域越來越廣泛，要求增強GIS的空間分析能力的呼聲越來越高，許多研究工作者都在各個領域探求增強GIS空間分析功能的多種方法。本文主要對GIS空間分析在水污染監測和地震災害的應用領域作了介紹。隨著空間分析技術的不斷發展，地理信息系統必將向著能夠提供豐富、全面的空間分析功能的智能型 GIS方向發展。

參考文獻：

[1]李曉軍. GIS空間分析方法研究[D].浙江大學, 2007 .

[2]許為一. GIS空間處理建模在城市規劃設計中的應用研究[D].江西師范大學, 2008

[3]楊海軍,邵全琴.GIS空間分析技術在地理數據處理中的應用研究[J].地球信息科學, 2007,(05) .

[4]胡春生. GIS空間分析在自然地理學中的應用[J].甘肅農業, 2006,(07) .

[5]郝成元,吳紹洪,楊勤業.空間分析與自然地理綜合研究[J].地理與地理信息科學, 2005,(01) .

[6]汪杭軍,方陸明,張廣群.空間分析中的空間數據結構[J].浙江林學院學報, 2007,(03) .

[7]付金霞,趙軍.地理空間數據的空間性分析應用[J].地球信息科學, 2006,(04) .