地理信息系统空间分析功能的应用

刘国 陈海莉

摘要：地理信息系统的核心是空间属性数据库，而管理、分析和应用数据库中数据的空间分析功能和应用模型则是发挥数据库作用的关键部分。衡量一个地理信息系统的好坏，不仅决定于其数据库的数据质量、数据量和更新速度，关键要看其空间分析功能是否强大、实用和具有灵活性。本文在简述地理信息系统空间分析方法的基础上，论述地理信息系统空间分析方法的若干应用。

关键词：地理信息系统；空间分析；聚类分析；主成分分析

中图分类号：C931.6文献标识码：Ａ

1前言

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。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。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。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即所谓的3S一体化是它的主要方面。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。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。

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：⑴空间特征的几何分析功能；⑵网络分析功能；⑶数字图像的分析功能；⑷地形分析与多元分析。[1]

3 GIS空间分析方法的应用举例

空间分析的应用领域与 GIS的应用领域基本上是一致的，已有很多资料对 GIS的应用进行了非常详细的介绍，本文在介绍这些具体的应用时更加强调GIS的空间分析功能。空间分析的具体应用领域包括水污染监测、城市规划与管理、地震灾害和损失估计、洪水灾害分析、矿产资源评价、道路交通管理、地形地貌分析、医疗卫生、军事领域等。

3.1 GIS空间分析在水污染监测中的应用

水质污染是我国面临的最为严重的环境问题之一，水环境污染防治问题涉及的区域范围广、数据量大、防治水质污染已成为我国环境保护的一项紧迫的任务。进行水质污染管理和分析的另外一个突出的特点就是必须借助大量的、科学合理的水质模拟模型进行水质的预测和评价。因此，在利用GIS的空间分析技术进行水质污染监测时，必须充分利用这些水质模型辅助GIS的空间分析。

在进行江河流域水污染防治规划过程中应贯彻综合防治原则，实施全流域的综合管理，因此，必须对全流域的经济发展、工业布局、城市发展、人口增长、水体自净能力和水体的功能、级别等进行充分的研究，力求处理好流域经济发展与水体保护的关系、局部发展与流域总体发展的关系、近期发展与持续发展的关系。为此，我们需要贯彻系统工程化思想，以整个流域范围为研究对象，建立有关的自然、经济和社会信息数据库，建立整个流域范围及各相关城镇的空间数据库，并建立各种水质评价和预测模型，进行多模型的综合评价，减少单一模型方法的缺陷，提高水质预测的准确度。同时，还需要结合领导的经验决策意见和各项法律法规，建立起综合相关专家知识和领导决策意见的专家知识库。

流域水污染防治规划GIS系统的建立是一个半结构化过程，实现了定量方法与定性方法的有机结合，实现了科学管理与领导的决策经验的有机结合。图1所示的为江河流域水污染防治规划GIS系统的工作流程。

图1 江河流域水污染防治规划GIS系统流程图

图中，数据库系统主要提供基础数据，同时为模型服务；模型库系统是存储于计算机内，用以描述、模拟预测江河的水质、流域经济等各种数学模型的集合，模型的生成是在模型数据库、方法库的支持下完成的，它是整个决策系统的核心。方法库系统的作用是对各种模型的求解提供必要的算法支持。模型库和方法库联系非常紧密，也可以综合成一个库，即模型方法库。知识库用于存放环保规划专家和水质评价专家提供的专门知识，通过知识库知识的自动获取为江河流域水污染防治规划辅助决策支持系统提供有力支持。

这种具有大量数学模型的GIS系统进行空间分析时解决的一个最重要的问题就是如何充分利用这些数学模型，为空间分析任务服务。这种数学模型与空间分析任务的结合包括以下几种方式：

1）松散的结合：数学模型系统与GIS空间分析系统各自独立地运行，分别运行在各自独立的系统中，二者之间的数据通讯通过ASCII文件或二进制进行。用户负责根据GIS所确定的格式对文件进行格式化。这种结合是在同一台计算机上或局域网的不同计算机上联机执行的。

2）紧密的耦合：在这种情况下，数据模型仍然是不同的，但是在GIS和空间分析之间的数据的自动交换是通过一个标准的接口执行的，无须用户的干预。这提高了数据交换的效率，但是需要更多的编程任务，需要用户负责进行数据的集成。

3）完全的集成：从用户的角度来看，这种集成方式是在同一个系统下执行相关操作。数据交换是基于相同的数据模型和数据库管理系统。数学模型和空间分析之间的相互作用是十分有效的。

3.2 空间分析在其它领域的应用

3.2.1 空间分析在城市规划管理中的应用

空间分析技术方法的应用，为城市规划空间研究提供了有效的技术手段，可以很好地解决以前在这方面存在的不足。

在数据的分析处理方面，基于地理信息系统的空间分析技术，首先能够胜任海量空间数据存储管理与检索查询，安全可靠且现势性强；其次可以对空间数据进行综合性分析处理，获得规划所需要的有用信息；同时还能将分析所得的结果用可视化方法进行表达，易于规划人员理解和进一步加以利用[2]。

在空间分析研究的深度方面，由于空间分析方法实现了图形数据和属性数据的一体化处理，因此，不仅能够透过城市空间现象的表面对其内在的空间关系进行深层次的分析研究，而且还能在把握城市空间发展演变机制的基础上，对城市的未来发展进行较为可靠的预测模拟与优化调整，从而改变以往城市规划停留于城市空间问题的表象、就事论事、缺乏预见能力的空间分析研究工作方法，使规划更具深度和说服力，也更能面向未来。

3.2.2 空间分析在矿产资源评价中的应用

矿产资源是国家经济发展的支柱，矿产资源评价工作历来都是地质工作者非常重视的焦点。以前，大多利用多元统计或其它数学方法，把各种地质现象离散化或数值化，对评价区进行打分，来进行矿产资源的评价工作，这种方法在找矿工作中起到了一定的作用。但它有自己的局限性，它是针对数值型数据而不是针对图形，故难于与地质图件相联系，而且在给地质现象打分的过程中，往往受人为因素的影响。

GIS可以利用地质图件和相关资料，借助于地理信息系统所提供的空间分析能力，充分利用图形要素和空间图形信息进行矿产资源的评价工作。目前人们用GIS来进行矿产资源的评价工作，是指在专家的指导下，利用专家找矿模型来进行的。然而对一些工作程度相对较低，专家的找矿模型不统一、找矿模型不能确定的情况，需利用GIS的空间分析功能来反推找矿模型，从而达到矿产资源评价的目的。[3]它的好处是不受人为的限制，充分利用现有资料，在拥有资料的基础上提炼出找矿模型，为地质工作者提供有益的启示。

3.2.3 空间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。[4]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。[5]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。

3.2.4 空间分析在地震灾害和损失估计中的应用

地震是地壳运动的一种表现形式，地震和地质构造都是包含有空间位置信息的地学实体。对地震灾害以及地震次生灾害的评估对于一个区域的降低危险，资源分配以及紧急相应规划具有重要意义。通过存储和分析地质构造信息，利用地理信息系统的空间分析功能可以预测地震发生的“场景”，估计该区域由于地震引发的潜在损失，并且可以分析地震实际发生时的灾害严重程度的空间分布，帮助政府分配紧急响应的资源。[6]而对于地震活动性分析常规的工作方法是按发震时间或地震带选取地震资料，但由于地震带的划分一般范围较大，往往跨越多个构造带或新构造分区，对于小范围构造分区的地震活动性分析比较困难。由于地质构造特征和演化历史差异，不同的地质构造单元其地震活动特征也有所不同。利用地理信息系统空间分析功能不仅可以完成不同地震区、带的地震活动分析，还可以根据需要进行不同构造单元之间的地震活动对比分析。[7]例如：利用活动断裂地理信息系统的空间叠加模块，可以对地震带不同新构造分区地震活动进行对比分析，如不同新构造分区的地震频度、震级的对比分析.

4 结论

作为地理信息系统的核心，空间分析功能的应用领域越来越广泛，要求增强GIS的空间分析能力的呼声越来越高，许多研究工作者都在各个领域探求增强GIS空间分析功能的多种方法。本文主要对GIS空间分析在水污染监测和地震灾害的应用领域作了介绍。随着空间分析技术的不断发展，地理信息系统必将向着能够提供丰富、全面的空间分析功能的智能型 GIS方向发展。

参考文献：

[1]李晓军. GIS空间分析方法研究[D].浙江大学, 2007 .

[2]许为一. GIS空间处理建模在城市规划设计中的应用研究[D].江西师范大学, 2008

[3]杨海军,邵全琴.GIS空间分析技术在地理数据处理中的应用研究[J].地球信息科学, 2007,(05) .

[4]胡春生. GIS空间分析在自然地理学中的应用[J].甘肃农业, 2006,(07) .

[5]郝成元,吴绍洪,杨勤业.空间分析与自然地理综合研究[J].地理与地理信息科学, 2005,(01) .

[6]汪杭军,方陆明,张广群.空间分析中的空间数据结构[J].浙江林学院学报, 2007,(03) .

[7]付金霞,赵军.地理空间数据的空间性分析应用[J].地球信息科学, 2006,(04) .