空間分析的概念與前沿應用

□ 魏巍巍

隨著信息采集技術的逐漸成熟，很多的空間數據通過遙感、地理信息系統、多媒體系統、醫學和衛星圖像等各種表現形式構成了人們所需要的信息源。面對繁雜多樣的數據類型，空間分析也隨之產生，并在地理信息系統、遙感勘測、圖像處理、交通管理、環境研究等領域得到了較為普遍的應用。

一、空間分析的概念

空間分析采用空間數據的變化形式，提取其潛在的信息，研究的是地理的空間現象?？臻g分析作為一項信息分析系統的首要功能，能夠及時有效地對信息系統作出正確的判斷和分析，是進行地理系統分類的主要工具。從地圖的產生開始，人們就很自然地對空間進行千變萬化的分析猜測。舉個例子，我們可以使用地圖來估算出各個具體位置的實際距離，在戰爭時期，地圖的作用更加明顯，戰略戰術的研究和排兵布陣離不開地圖。然而隨著科技的不斷發展，尤其是把地圖學和地理學應用到了計算機技術當中，地理信息系統也就應運而生了。為了能夠展示更為廣闊的應用領域，人們把地圖以數字形式存在于計算機中。而地理信息系統主要研究的內容就是利用計算機分析地圖、采集信息，支持各種空間決策。

空間分析是GIS的關鍵所在，也是其區別于一般信息系統和電子地圖的核心力量?？臻g分析能夠提供各種強大的、人們所需要的空間數據查詢功能。可見，空間分析在GIS中的地位是不可小覷的。從GIS的一個或多個目標中，獲取他們之間的空間關系并從中采集各種派生信息的過程，通過數據分析和數據挖掘來解決地理空間問題就可以稱之為空間分析。眾所周知，許多潛在的空間信息和表達方法是通過空間分析傳遞的，探測空間數據中的模式是它的終極目標;除此之外，空間分析還能將數據建立成應有的關系與模型，為我們呈現更直觀的數據特征。

近年來，地理系統分類更傾向于將空間數據和空間模型結合在一起，不僅可以挖掘空間目標的潛在信息和數據，還能測算既定空間的位置信息及其分布狀態和具體方位等，而空間目標的空間關系就是由距離、方位、拓撲關系組成的，數據組織、查詢、分析和推理都是以這些空間特性作為基礎的。為了獲得這些不同類型目標的形態結構，可以將地理空間目標劃分為點、線、面不同的類型。如果要進行許多特定任務的空間計算與分析，也可以把空間目標的空間數據和屬性數據聯合起來使用。

二、空間分析的位置和影響

我們要首先搞清楚地理信息系統的含義，否則，探究空間分析就是無稽之談。通過地理信息系統在具體操作中的運用，本文將地理信息系統總結為如下觀點。其中最主要的為地圖觀點，它把地理信息系統看成是一種帶有地圖的傳播媒體，它既可以作為一種顯示系統，也可以對地圖數據進行處理，在這里，一張地圖可以代表一個地理數據集，數據的操作與運算都是通過地圖代數來實現的，其結果仍然是一張地圖，但其內容卻更加豐富。這種能夠快速生產高質量地圖的能力受到了測繪及各種專題地圖部門的高度重視。

較之平常的管理信息系統，地理信息系統具有明顯的優勢:一是它將空間屬性兩個數據獨立起來進行分析和處理，并使用系統將兩個數據結合，使之共同管理與分析復雜數據，這為地理現象的解釋提供了一種嶄新的方案。二是該系統十分注重空間性，全部采用模型解釋所分析的數據。

所以將空間分析當作地理信息系統的主要特征是有一定道理的，它不僅是評價一個地理信息系統功能的重要標準，更是與其他分析系統區別化對待的具體方式。它與其他的地理數據庫相比較，有著更加全面而強大的功能和效率。它的核心功能之一應該是一些專門的應用模型。若是一個不提供空間數據的分析處理功能的地理信息系統，實際上它就是一個地理數據庫;反之，使空間數據分析能力加強，那么它就會成為一個地理信息系統。這就是空間分析在地理信息系統中的地位和作用。

三、空間分析的關鍵問題

(一)基本的空間分析要點。它是成熟的空間分析模式，與GIS緊密關聯，缺一不可。

(二)專業型的空間模擬分析。在應用領域中，空間數據處理與輸出通常會有一些特殊要求，而該技術則可以滿足這些特殊要求。專業模型也可以簡化和抽象空間實體之間的關系，分析和操作都可以通過模型來實現。

目前，GIS的空間分析仍然處于一個比較低的層次上，即對具體實物和現象的描述不是動態的，全面的，相反卻是靜態和局部的，而地理實體的內在規律和變化趨勢卻不能真實客觀地反映出來，具體表現在GIS目前支持地理區域或現象的快照型查詢，但是不足以支持對用戶感興趣的時空變化的模擬仿真功能。目前，業界已經達成共識，GIS的空間分析功能還是偏弱的，這個弱點導致了空間數據分析和研究不能把GIS作為工具來使用，使得GIS只是一個“數據豐富而理論薄弱”的環境。

那么，GIS空間分析需要什么樣的模型和方法呢?筆者在深入研究了GIS空間分析的基礎上，提出了GIS相關的分析模型所必須具備的一些條件，主要包括:一是要滿足GIS處理大量數據的需求，空間數據分析技術應能順利處理極大量的空間對象的數據;二是對空間數據的特殊性敏感是GIS相關的分析模型所必須具備的條件;三是GIS相關的分析能滿足大部分的需求;四是GIS是一個高度可視化的面向圖形的技術，所以，可以用地圖來表達空間數據分析的結果。由此可見，非理論驅動而是基于數據驅動是未來的空間分析技術發展的趨勢，是探索性的而非推理性的，它需要空間數據的準確測算，而不是某種假設提出的可能性。一般的地理過程模擬模型已經不能達到空間分析的條件，我們亟待更新的系統和模擬儀器的出現。

四、實例

美國洛杉磯相關部門收到過來自其他組織的來信譴責:只有有錢人才能住在公園區。所以，非富人居住地的娛樂設備數量和綠化面積明顯不足，然而在作出一定的改進和投資決斷之前，相關部門必須要判定上述的指責是否屬實，這才是問題的癥結所在。

假設上述指責成立，那么必須掌握以下證據:非富有居民的居住地是否絕大部分離公園較遠;就人口的分布情況而言，居住在離公園較遠地方的大部分都是貧困居民;是否偏離公園住宅區的居民平均收入遠遠低于公園居住地居民。

首先，我們不妨對“富有程度”和“方便程度”進行一個簡單的定義區分:以全市居民的平均收入為標準，若高于市民平均收入者為富裕，反之定義為貧困;以全市居民到公園的平均實地距離為標準，實地距離小于全市平均水平的為近，反之定義為遠。將人口普查小區(EA)原始數據輸入到系統中，利用系統的空間計算和統計功能，分別計算出小區距離每個目的地的平均距離(D1)，全市的EA到公園的平均距離(D)，每個EA的家庭平均收入(I1)，全市家庭的平均收入(I)，根據富裕程度和方便性定義，將所有人口普查小區劃分為貧與富，遠與近四個集合:

EA近:D1＜D EA遠:D1＜D

EA富:I1＜I EA貧:I1＜I

五、結語

空間數據分析技術的目的在于提取和傳輸空間信息，是基于地理對象的位置和形態特征的?？臻g分析是地理信息系統的重中之重，也是其核心力量，它不僅能將其與其他系統加以區分，更能對地理信息系統進行正確的評價。本文列舉了關于城市公園分布的實例，通過這個例子，不僅獲得了對空間分析這個概念的感性理解，同時也更加深刻地體會到空間分析在GIS中的重要地位和作用，此外也對空間分析建模有了一個初步的認識。