GIS在生態環境領域研究熱點的可視化分析

謝連科 張永 臧玉魏

摘要：以GIS和生態環境領域為主題，檢索CNKI數據庫中1999—2018年的期刊論文作為數據源，利用科學知識圖譜的方法對該領域的研究熱點和研究趨勢進行可視化分析。研究發現在生態環境與GIS結合領域有少數作者存在合作關系，大部分學者都是進行獨立研究，互相之間關聯性不強;通過關鍵詞共現分析，發現學者們主要進行生態環境安全、可持續發展、生態敏感性等方面的研究;突變詞監測則展示了GIS在生態環境領域近20年的研究熱點轉換，經歷了從以地理信息技術為主、生態環境為輔到關注水土流失等可持續發展，再到以生態系統評價為重心的轉變過程。

關鍵詞：GIS;生態環境;可視化;研究熱點;科學知識圖譜

Abstract： Taking GIS and ecological environment field as the theme， the 1999—2018 periodical papers in the CNKI database are retrieved as the data source， and the method of mapping knowledge domain is used to visually analyze the research hotspots and research trends in this field. The study found that in the field of the combination of ecological environment and GIS， there are a few scholars who have a cooperative relationship. Most scholars conduct independent research and are not closely related to each other.? Through keyword co-occurrence analysis， the study found that scholars mainly conduct research on ecological environment security， sustainable development， and ecological sensitivity. The monitoring of mutant words demonstrates the transformation of research hotspots of GIS in the field of ecological environment in the past 20 years. It has experienced sustainable development ranging from geographic information technology as a supplement to ecological environment to the focus on soil erosion， to the focus on ecosystem evaluation process of transformation.

Key words： GIS; ecological environment; visualization; research hotspot; mapping knowledge domain

近年來隨著經濟的發展和生態環境保護政策的不斷完善，生態環境保護逐漸走進大眾視野，引起了廣大學者的廣泛關注。地理信息系統（Geographic information system，簡稱GIS）作為一門研究空間信息的全新技術，在研究生態環境資源調查和動態監測等方面起著不可忽視的作用。使用GIS技術對環境質量進行評價，具有成本低、實時更新等優點[1]，為研究區域生態環境變化提供了有效手段[2]。隨著生態環境在國家發展中的重要性增強，掌握GIS在生態環境研究領域的發展形勢必不可少。在學科領域代表方面，期刊論文代表了領域內的發展情況和最新的前沿動態[3，4]。近年來GIS在生態環境領域出現了越來越多的研究成果，通過對這些研究成果的梳理總結，可以了解不同時期的研究熱點和研究趨勢。傳統的文獻閱讀方法，較難全面概括出某一個領域的關鍵性文獻和研究熱點等問題，研究者也很容易落入單一主觀判斷的誤區[5]。科學知識圖譜（Mapping knowledge domains）是一種以科學知識為計量研究對象的顯示科學知識的發展與結構關系的圖像，屬于科學計量學（scientometrics）的范疇[6，7]。借助于科學知識圖譜，通過一定的算法以可視化的方式展示學科內研究現狀及趨勢，較全面地反映了學科領域的研究現狀。目前科學知識圖譜方法已經被廣泛應用于醫學、信息科學、計算機科學等60多個領域[8]，其中，在生態環境領域相關學科中利用科學知識圖譜進行分析的有生態宜居、民族生態環境、城市化與生態環境關系、環境政策、生態安全等領域[8-13]，但是與GIS相結合的研究中，總體趨勢分析還比較少。因此，本研究以CNKI數據庫作為文獻來源，采用Citespace軟件對研究GIS在生態環境方面的文獻進行定量分析，利用可視化的科學知識圖譜進行直觀地展示并進行分析，探索GIS在生態環境領域方面的研究現狀，客觀揭示研究發展規律，清晰全面地展現生態環境領域的研究前沿和熱點。

1 方法和數據

文獻計量學作為情報學的一個重要分支，通過基于數學和統計學的方法來了解各個學科或領域的發展形勢。文獻計量分析是當前文獻研究的主流方法，利用文獻計量法生成科學知識圖譜，可以通過一系列的圖表展示公共政策的研究熱點和發展趨勢，具有綜合定量統計學、視覺信息顯示、客觀描述和評價等優點，已經成為全球各個科學領域分析和研究的重要工具[14]。Citespace可視化軟件是國內外文獻計量研究的重要工具，其主要功能是對輸入的文獻數據生成可視化分析矩陣，進一步得到關鍵詞、作者、機構等的共現矩陣[15-17]。

本研究的數據來源于中國學術期刊網（CNKI），利用高級檢索方式，搜索關鍵詞為GIS和生態環境，搜索的時間條件是1999年1月1日—2018年12月31日，時間跨度為20年，共檢索出來結果2 357篇。經過篩選后剔除報道、研討會成果介紹類和與研究主題關系不大的文獻，最終樣本數量為2 218篇。利用Citespace軟件分析工具，以科學知識圖譜的方式分別分析了GIS在生態環境領域的論文數量變化，研究作者及合作關系、主要研究機構及其合作關系、研究熱點和研究領域突變詞等變化和發展趨勢，為GIS在生態環境領域的發展提供一定的參考。

2 GIS在生態環境領域內研究現狀

2.1 隨時間變化論文數量分析

在科學研究領域，每年發表的論文數量代表了學者們在此領域內的研究熱度。通過對論文數量進行統計并繪制折線圖進行分析，可以看出GIS在生態環境領域的發展過程和發展趨勢。由Citespace軟件統計了1999—2018年每年的論文數量并繪制折線圖（圖1），可以看出，中國GIS在生態環境領域的發展大概可以分為3個階段。第一階段為1999—2001年，發表的GIS在生態環境領域的研究成果年均量極少，發表的論文數量為15篇。第二階段為2002—2006年，每年的發文量開始呈現穩步上升的趨勢。第三階段為2006年至今， 每年GIS與生態環境領域結合的研究結果的論文數量都在100篇以上。分析其原因，GIS是20世紀60年代前后才逐步發展起來的高新技術[18]，在第一階段，GIS在中國處于剛開始發展的階段，僅僅局限于測繪等專業領域，由于信息技術相對落后，計算機的數據運算和處理能力較低，并且缺少滿足要求的軟件，特別是缺乏適合大區域資源與環境綜合監測要求的國產GIS軟件[19]，所以GIS的應用范圍和能力也相對有限[20] ，完整的研究體系尚未形成，GIS在生態環境領域的發展還處于初級階段。在第二階段，中國華北地區連續多次出現了大范圍、高強度、高頻率的沙塵暴天氣，對其周邊地區造成了直接危害[21]，生態環境問題引起了各界專家的廣泛重視。“九五”期間，國家對于GIS的發展給予了充分的重視和支持，GIS在中國發展速度明顯加快[22]，在生態環境領域中的作用也逐漸加強。“十一五”開始，國家對生態環境方面的重視力度進一步加大，頒布了許多與生態環境相關的政策措施。同時隨著計算機事業的蓬勃發展， 信息系統在環境保護和生態建設方面得到了廣泛的應用。生態環境部建立了覆蓋全國，縱跨國家、省級、地市級、縣級環保部門及相關企業的國家環境監理信息系統[23，24]，給地理信息系統的發展和成熟帶來了機遇[25]。在GIS領域內涉及生態環境方面的研究也越來越多，GIS在生態環境領域的應用進入快速發展階段。第三階段屬于GIS在生態環境領域的穩定發展階段，這個時期GIS技術在中國越來越成熟和強大，在生態環境領域發揮著越來越重要的作用。同時，2015年1月1日，新《環保法》在中國正式實施，是中國出臺協調環境保護同經濟和社會發展的新舉措，也就出現了2015—2016年論文數量迅猛增長的局勢。2018年論文數量為79篇，低于前10年平均水平，這個時期關于生態環境方面的研究主要在于生態文明建設、生態環境保護、美麗中國及可持續發展等方面，更加注重于生態環境的規劃和保護;同時由于生態環境領域進入細化研究，GIS這種宏觀的關鍵詞越來越少，導致以GIS和生態環境領域為主題詞搜索到的相關文章數量減少;或者是與期刊電子版網上發表滯后導致統計不準確有關[8]。在1999—2018年整體趨勢上，GIS在生態環境領域的研究顯示出先逐步上升后穩定發展的趨勢，表明在經濟發展和政策影響下中國學者對GIS在生態環境領域研究中的逐漸深入和重視。

2.2 研究作者分析

為了展示領域內領先學者的研究情況，需要創建和分析生產作者及共同作者網絡的知識圖譜，可以展示對此領域有相關研究的作者聚類群和作者之間的合作關系，為研究組織發展合作團體提供有價值的信息，供個體研究人員尋求合作機會。利用Citespace軟件對生態環境領域研究的作者進行分析，得到生態領域研究作者圖譜（圖2）和生態領域內作者時區分布圖譜（圖3）。每個節點代表1個作者，節點大小代表已發表的文章數量，連接兩個節點之間的鏈接表示兩個作者之間的合作關系，鏈接的厚度表示合作的強度。根據文章數量統計了發表數量排名前20的作者（表1）。根據圖2發現，大部分學者的相關研究都比較獨立，關聯性較弱。進一步分析表1中排名靠前的作者，發現張增祥[26，27]來自于北京大學地理系，長期開展資源環境遙感應用研究，龔文峰[28，29]主要從事3S技術在農業水土和資源監測上的應用;邵懷勇[30，31]的研究方向為GIS空間建模、全球變化與可持續發展。以上學者都同時具備GIS與生態環境相關知識背景，所以能更好地將兩者結合起來進行深入研究。還有一部分學者如湯潔[32-34]，來自吉林大學，主要研究生態環境信息系統理論與技術，與同來自吉林大學的林年豐存在合作關系;肖文發和郭志華[35-37]來自同一機構中國林業科學院森林生態環境與保護研究所。由此可見來自同一研究機構或院校的學者之間合作較強，而來自不同單位的學者之間很少存在合作關系，作者之間的學術關系需要進一步加強。

由圖3可以看出，早期GIS在生態環境中的應用主要研究學者是張增祥和湯潔，隨后在2006—2009年研究的比較多的是邵懷勇、龔文峰、蘇維詞等學者，最近幾年研究GIS在生態環境領域應用的學者有陳閃、陳堯、馮亞杰、鄧偉等，但是在相互合作和研究強度上相對于前幾年都有所減弱，研究趨勢稍有減緩。

2.3 主要機構與合作情況分析

在科學計量分析中對主要機構與機構之間合作關系的分析，可以識別出該研究領域中最具有影響力的組織和團體。通過Citespace軟件對GIS在生態環境領域研究的相關論文進行可視化，在生成的網絡圖譜中，每個節點代表1個研究機構，節點的大小表示研究機構發布論文的數量，節點之間的連線表示研究機構之間的合作，合作越多，節點之間的連線越粗，可視化圖譜見圖4。由圖4可知，GIS在生態環境領域研究中發表論文最多的機構是中國科學院研究生院，其次是中國科學院遙感應用所、西北師范大學地理與環境科學學院、吉林大學環境與資源學院等。除了小部分機構存在合作關系之外，如中國科學院研究生院和中國科學院遙感應用所合作密切，大部分機構都是獨立研究。根據時間序列圖譜（圖5），中國科學院遙感應用研究所是最早開始進行相關研究的機構，這與中科院領先其他機構最早開始使用GIS進行研究不無關系;2004年吉林大學環境與資源學院和中國科學院新疆生態與地理研究所開始進行研究。發表論文最多的機構中國科學院研究生院和西北師范大學地理與環境科學學院，在2009年進行的研究較多。近幾年開始涉及GIS在生態環境領域研究的機構有武漢大學資源環境科學學院、青海民族大學公共管理學院和中國科學院大學等。根據機構的地理位置分析，GIS在生態環境領域研究的機構主要都分布在北京市以及新疆維吾爾自治區、陜西省、吉林省、青海省等地區，考慮其原因，新疆維吾爾自治區塔里木區域環境脆弱，生態環境狀況一直是諸多學者關注的焦點[38，39]。吉林省西部地區處于農牧交錯帶，是中國北方生態脆弱帶的重要組成部分，是吉林省生態環境問題最嚴重的地區，主要表現為土壤鹽堿化、沙化、貧瘠化，草場退化，植被覆蓋面積銳減，沙塵暴增加，干旱缺水，水質惡化等，阻礙了經濟的可持續發展[40，41]。西北地區由五大山系和山間盆地組成，山區和丘陵面積占比大，包括3類生態分區，即黃土高原區、西北干旱區、青藏高原寒區，環境氣候都具有其代表性和特殊性，是中國研究生態環境的一個重點區域[42]。青海省的黑河流域由于發展經濟而造成的流域荒漠化同樣引起了生態環境學家的關注[43]，這也說明中國對生態環境脆弱區的發展和保護的重視程度越來越大。

3 GIS在生態環境領域內研究熱點分析

3.1 研究熱點分析

學科的研究前沿代表了當前該學科的新增長點和研究領域新趨勢。學術期刊中關鍵詞是表達文獻主題概念的代表性詞語，濃縮了作者的學術觀點。因此，關鍵詞是文獻計量學中的重要指標。關鍵詞共現分析是基于同一文獻中引用的一對關鍵詞的數量統計，從而對這些詞進行網絡分析和聚類分析，描述某一學科領域的內部構成關系和結構，從而揭示該學科的研究前沿。

利用Citespace軟件對1999—2018年GIS在生態環境領域的研究的關鍵詞統計，以1年為時間切片，選取每個時間切片中高被引的前50個關鍵詞計算關鍵詞的共現頻率和中心度，圖譜中節點越大說明關鍵詞出現頻率越高，節點間的連線表明各節點之間的共現關系，連線越粗表示兩個關鍵詞之間的聯系程度越強，得到GIS在生態環境領域中研究熱點圖譜（圖6），反映了各個關鍵詞之間的關聯程度。統計出排名前30的關鍵詞（表2），由表2可知，除了GIS和生態環境這兩個研究領域本身的關鍵詞之外，RS（遙感）作為GIS中的重要組成部分，在研究生態環境領域也起著重要作用。目前遙感已經被廣泛應用于生態環境研究的信息來源，例如在進行生物多樣性監測活動時，可以通過生物多樣性測量與遙感響應之間的關系得出，通常以植被指數的形式顯示[44]。出現頻次較高的關鍵詞還有景觀格局、評價、生態敏感性、生態安全、可持續發展等，都與研究主題具有高度的相關性。景觀格局是斑塊、廊道、基質在空間上的排列型式[45]，是景觀異質性在空間上的綜合表現[46，47]，又是各種生態過程在不同尺度上作用的結果[48]。景觀格局決定著資源和環境的分布形式[49]，對于抗干擾能力、恢復能力、系統穩定性和生物多樣性有著深刻影響[50]。生態環境質量評價反映了區域生態質量變化趨勢[54]，可以根據評價結果提出相應的土地整理方向和措施[51-55]。生態環境敏感性是指生態環境中部分環境要素或因子對人類活動反應的靈敏程度[56]，可以反映一個區域產生生態失衡與生態環境問題的可能性大小及恢復速度[57]。進行生態環境敏感性評價的意義在于可以提早預防并采取針對性地保護與建設措施[58]，為該地區生態環境保護提供科學依據[59]。

3.2 研究領域突變詞分析

突發檢測分析通過關鍵詞頻率的變化，確定了GIS在生態環境領域某一時段內具有突發性增長特征的關鍵詞，雖然每個關鍵詞的使用頻率相對較低，但可以根據關鍵詞頻率隨時間的變化找到突發關鍵詞，并且通過這些關鍵詞預測最新的研究趨勢。

根據Citespace軟件生成的GIS在生態環境領域研究的突變詞年份分布圖（圖7），選取了具有最大突發權重的前20個關鍵詞進行可視化分析。由圖7可知，左側是表示發生突變的關鍵字，水平條的長度表示爆發持續時間，水平條左側的時間表示特定的開始和結束年份。結果表明，1999—2002年出現的突變詞有生態環境、地理信息系統、地圖等，證明了GIS在生態環境領域剛開始發展階段主要是以地理信息系統為主要研究核心，應用主要限于數據處理和繪圖[60]，生態環境在當時并不算研究熱點;2003—2006年，突變詞為驅動力、綠洲、水土保持、規劃等，說明當時學者們的研究重心在于環境方面的水土保持和可持續發展;2006年以后，涌現出生態環境監測、lucc、氣候變化、生態適宜性、生態適宜性評價、生態敏感性等關鍵詞，一方面說明政策的頒布和實施引領一部分研究方向，另一方面也說明隨著經濟的發展和環境的改善，生態方面的研究引起了學者們的重視。1999—2018年，GIS在生態環境領域的研究熱點分布經歷了以地理信息系統為核心的生態環境研究，到以水土保持為主要內容的環境保護研究，再到以生態適宜性為主要研究內容的生態環境保護等過程，這個過程也顯示了GIS作為一門應用性學科在生態環境研究中不可取代的地位，以及隨著生活水平的提高和政策號召下人們對于生態環境保護方面的意識逐漸加強。

4 結論

科學知識圖譜可以描述科學知識的發展過程和結構關系，具有可視化、定量分析和趨勢發現的優勢。本研究利用Citespace軟件對GIS在生態環境領域研究中的作者、機構、關鍵詞以及突變詞監測等方面進行分析，主要結論如下。

1）GIS在生態環境領域研究的相關文獻數量在經過了1999—2002年的發展階段之后，呈現快速發展趨勢，每年發表論文數量遞增，整體研究結果曲線呈增長態勢。在研究機構方面，中國科學院研究生院、中國科學院遙感應用所和西北師范大學地理與環境科學學院等機構的研究成果最多，但是大部分機構之間缺乏合作關系。在論文作者網絡中，研究成果較多的有王文科、張增祥、林聯盛等，最近幾年研究GIS在生態環境領域應用的學者有陳閃、陳堯、馮亞杰等，但是，作者之間的學術關系需要進一步加強。

2）通過對關鍵詞的聚類密度圖分析，發現RS、景觀格局、評價、生態敏感性、生態安全等方面屬于研究熱點，最近幾年研究重點偏向生態環境評價以及生態環境敏感性。總體來看，有關GIS在生態環境領域應用的研究中，研究機構之間以及學者之間的合作關系較少，近幾年來研究趨勢稍有減緩。因此，要加強合作關系，進一步深化研究，使GIS在生態環境領域應用研究中取得更好的成果。

由于本研究選取的是CNKI數據庫中的中文文獻，研究結果僅代表國內GIS在生態環境領域發展的現狀及趨勢，不能代表整個學科;同時由于CNKI數據庫不提供文獻的引文，所以在此研究中未能進行引文分析，導致分析結果具有一定的局限性，在將來的研究中還需要進一步完善。

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