GIS分析結(jié)果可靠性研究

趙 寧，宋國偉，張小玉，李維宇

（武威市自然資源局，甘肅 武威 733000）

隨著計算機(jī)科學(xué)，遙感技術(shù)，導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（GIS）已不僅僅作為一種信息處理的基礎(chǔ)平臺存在，而是成為社會公共衛(wèi)生醫(yī)療、社會安全服務(wù)、減災(zāi)防害等眾多產(chǎn)業(yè)研究和實(shí)施的基礎(chǔ)。從應(yīng)用于生產(chǎn)生活開始，GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量以及不確定性問題就引起了廣泛的關(guān)注[1]。目前，GIS研究和應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬泛，使用的多源、多維、多時相、多尺度數(shù)據(jù)量也越來越大，應(yīng)用GIS分析產(chǎn)生結(jié)果的可靠性成為衡量GIS可用性、決策性的主要指標(biāo)。對于GIS分析的可靠性目前尚未有公認(rèn)的定義，一些學(xué)者結(jié)合工程學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科對其進(jìn)行了補(bǔ)充，如史文中等[2]、胡圣武等[3]。文章從GIS分析結(jié)果可靠性研究的內(nèi)容體系出發(fā)，結(jié)合具體案例分析了可靠性的影響因素，并初步探析了研究分析結(jié)果可靠性的方法。

1 空間分析結(jié)果可靠性的研究內(nèi)容

根據(jù)史文中等[2]對空間分析的可靠性初探，以及其他一些學(xué)者，如張朋吉[4]、孫方飛等[5]對GIS分析方法和數(shù)據(jù)可靠性的探究，結(jié)合《Accuracy 2012》國際會議提出的空間不確定性及精度評估問題的研究內(nèi)容以及近年來國內(nèi)外對于不確定性的研究，文章初步探究提出GIS分析結(jié)果可靠性研究內(nèi)容體系（見表1）。

表1 GIS分析結(jié)果可靠性研究內(nèi)容體系

2 GIS分析結(jié)果可靠性的影響因素

通過GIS分析可靠性的定義以及GIS分析結(jié)果可靠性的研究內(nèi)容可知，影響可靠性的因素主要有四個，這四個因素又可以歸納為三類：基本影響因子、交互影響因子、不可控影響因子。其中，交互影響因子對結(jié)果可靠性的影響最為顯著，且可控性也最差。

2.1 基本影響因子

基本影響因子包含數(shù)據(jù)和方法兩個方面。數(shù)據(jù)作為GIS分析的基礎(chǔ)，對結(jié)果的重要性顯而易見。一般，數(shù)據(jù)對于分析結(jié)果的影響主要發(fā)生在數(shù)據(jù)產(chǎn)生和數(shù)據(jù)處理兩個過程中。數(shù)據(jù)產(chǎn)生是一切分析結(jié)果的開始，而所有數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程均會不可避免地出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差，這些帶有誤差的數(shù)據(jù)，如傳感器拍攝到云量覆蓋較多的遙感影像、使用精度不高的GPS控制網(wǎng)采集的點(diǎn)集、矢量化后未添加屬性信息的矢量文件等，都會嚴(yán)重影響結(jié)果的可靠性。數(shù)據(jù)處理實(shí)際是一個降低數(shù)據(jù)誤差的過程，如對影像進(jìn)行去云處理、對點(diǎn)集進(jìn)行誤差處理、對矢量化文件的邏輯錯誤進(jìn)行糾正處理等都或多或少提高了數(shù)據(jù)的可靠性，然而在處理過程中也存在很大的不確定性，如處理算法的準(zhǔn)確性和適用性。方法是GIS分析的核心，盡管空間分析中的基本方法體系逐漸成熟，但當(dāng)前空間分析面對的問題通常需要結(jié)合幾種基本方法或空間建模才能解決，這就極大增加了空間分析的不確定性，如進(jìn)行居民點(diǎn)潛力測算[6]時，修正系數(shù)的計算、指標(biāo)權(quán)重的確定以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的方法都會影響測算結(jié)果。盡管基本因子會嚴(yán)重影響結(jié)果的可靠性，但事實(shí)上，這些影響因素絕大多數(shù)存在一定的可控性，并能將其影響力度減到理想狀態(tài)。

2.2 交互影響因子

一般而言，可以通過多種方法獲取某一地理分析結(jié)果，由于不同的方法有不同的側(cè)重點(diǎn)，因此對于同一數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生多個分析結(jié)果。若多個分析結(jié)果較為接近，則結(jié)果的可靠性較高或者較低（結(jié)果與客觀事實(shí)相悖）；若多個分析結(jié)果各不相同或可劃分為幾類，此時結(jié)果的可靠性就難以評估。

以文獻(xiàn)為例，Andreas等[7]使用三種方法（物質(zhì)平衡線轉(zhuǎn)移、厚度變化參數(shù)化、冰川物質(zhì)平衡模擬）模擬瑞士阿爾卑斯山冰川的未來變化趨勢，盡管最后得出一致的結(jié)論，即冰川處于消融狀態(tài)，但三種模型測算出的冰川變化面積和變化范圍仍有較大差別，此時，很難判定哪種模型計算出的冰川變化面積以及變化范圍更加準(zhǔn)確，間接反映出分析得到的結(jié)果在一定置信水平下可靠度不確定。

使用同一種方法不同數(shù)據(jù)分析GIS問題導(dǎo)致結(jié)果的可靠性不確定是影響結(jié)果可靠性的主要部分。分析方法本身存在一定的局限性，對于同一種方法，可能只對某一特定空間、時間上的數(shù)據(jù)有較強(qiáng)的適用性，或適用于某一類型、某一數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。由于GIS面對的分析問題是海量的，不可能針對每一個問題建立一種分析方法或模型，因此GIS分析結(jié)果的可靠性受到影響是不可避免的。

以文獻(xiàn)為例，姚曉軍等[8]提出一種冰川中流線自動提取方法，該方法主要包含提取冰川最高、最低點(diǎn)，歐式分配冰川輪廓線兩個主要步驟。在第一步驟中，使用了不同數(shù)據(jù)源的DEM（SRTM V4.1和ASTER GDEM V1.0），提取的最高、最低點(diǎn)出現(xiàn)了差異，增加了結(jié)果的不確定性。在第二步驟中，考慮到不同地區(qū)冰川特點(diǎn)不一，對冰川進(jìn)行了分類，微修提取方法，不同類冰川采用不同的提取方法，保證了最終結(jié)果的可靠性。

2.3 不可控影響因子

盡管上文分析了影響GIS分析結(jié)果可靠性的客觀因素，然而對可靠性認(rèn)知的不同也會或多或少地增加結(jié)果的不確定性。不同的主體從不同的角度來看GIS分析的結(jié)果可靠性會有不同的理解。從研究者的角度看，可靠性就是最大程度上與客觀現(xiàn)實(shí)保持一致，能幫助探究所分析客觀現(xiàn)象的規(guī)律，這較符合GIS分析可靠性的內(nèi)容。然而，從用戶的角度看，可靠性就是滿足客戶需求、服務(wù)于應(yīng)用決策或結(jié)果實(shí)用，此時，GIS分析過程中使用的數(shù)據(jù)和方法滿足要求即可，無需過分關(guān)注其是否與客觀現(xiàn)實(shí)存在矛盾。事實(shí)上，GIS面對更多、更廣泛的主體是用戶，這就產(chǎn)生了一種不可控的可靠性影響因素。

3 結(jié)果可靠性研究方法探索

數(shù)據(jù)是GIS分析結(jié)果主要的影響因素之一，對其可靠性研究可參考現(xiàn)有的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，如美國數(shù)字制圖標(biāo)準(zhǔn)國家委員會（NCDCDS）制定的數(shù)字制圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[2]。對分析方法的可靠性研究目前還沒有參考依據(jù)，這將是GIS可靠性分析的一個研究趨勢。

盡管胡圣武等[3]用梯度模型研究了GIS的可靠性，但效果不理想，且不能表達(dá)出GIS分析結(jié)果的可靠度。熵是信息論中的基本概念，是用以度量信息源不確定性的唯一量，對結(jié)果的不確定性度量有較好的效果，許多學(xué)者將其與信息論結(jié)合以度量GIS的不確定性，如李艷麗[9]、李大軍等[10]。GIS分析結(jié)果的可靠性是建立在不確定性基礎(chǔ)之上的。為此，可以引用熵理論度量結(jié)果的可靠性，將影響結(jié)果可靠性的基本影響因子、交互影響因子、不可控影響因子作為樣本計算樣本的信息熵，由最大熵方法確定樣本分布概率，再根據(jù)此概率分布計算結(jié)果可靠度。

4 結(jié)束語

文章結(jié)合一些學(xué)者的研究成果對GIS分析結(jié)果可靠性做了初步的探究，系統(tǒng)地提出了GIS分析結(jié)果可靠性研究的主要內(nèi)容，并分析得出對結(jié)果可靠性的影響主要有基本因子、交互因子、不可控因子三個要素。對結(jié)果可靠性的度量進(jìn)行一定探索，提出結(jié)合熵理論研究結(jié)果可靠性這一設(shè)想。GIS分析結(jié)果可靠性是一個龐大而復(fù)雜的問題，對其具體詳實(shí)的研究仍然是GIS可靠性研究的研究趨勢，如何計算度量將是下一步研究的主要內(nèi)容。