[科普中国]-空间分析

基本介绍

随着现代科学技术，尤其是计算机技术引入地图学和地理学，地理信息系统开始孕育、发展。以数字形式存在于计算机中的地图，向人们展示了更为广阔的应用领域。利用计算机分析地图、获取信息，支持空间决策，成为地理信息系统的重要研究内容，“空间分析” 这个词汇也就成为了这一领域的一个专门术语。

空间分析是GIS的核心和灵魂，是GIS区别于一般的信息系统、CAD或者电子地图系统的主要标志之一。 空间分析，配合空间数据的属性信息，能提供强大、丰富的空间数据查询功能。 因此，空间分析在GIS中的地位不言而喻。

空间分析主要通过空间数据和空间模型的联合分析来挖掘空间目标的潜在信息，而这些空间目标的基本信息，无非是其空间位置、分布、形态、距离、方位、拓扑关系等，其中距离、方位、拓扑关系组成了空间目标的空间关系，它是地理实体之间的空间特性，可以作为数据组织、查询、分析和推理的基础。通过将地理空间目标划分为点、线、面不同的类型，可以获得这些不同类型目标的形态结构。将空间目标的空间数据和属性数据结合起来，可以进行许多特定任务的空间计算与分析。

基本方法空间信息量算空间信息量算是空间分析的定量化基础。

空间实体间存在着多种空间关系，包括拓扑、顺序、距离、方位等关系。通过空间关系查询和定位空间实体是地理信息系统不同于一般数据库系统的功能之一。

如查询满足下列条件的城市：在京九线的东部， 距离京九线不超过200公里，城市人口大于100万并且居民人均年收入超过1万。整个查询计算涉及了空间顺序方位关系(京九线东部),空间距离关系（距离京九线不超过200公里），甚至还有属性信息查询(城市人口大于100万并且居民人均年收入超过1万）。

空间信息量算包括：质心量算、几何量算、形状量算。

空间信息分类这是GIS功能的重要组成部分。

对于线状地物求长度、曲率、方向，对于面状地物求面积、周长、形状、曲率等；求几何体的质心；空间实体间的距离等。常用的空间信息分类的数学方法有：主成分分析法、层次分析法、系统聚类分析、判别分析等。

缓冲区分析缓冲区分析是针对点、线、面等地理实体，自动在其周围建立一定宽度范围的缓冲区多边形。

邻近度描述了地理空间中两个地物距离相近的程度，其确定是空间分析的一个重要手段。交通沿线或河流沿线的地物有其独特的重要性，公共设施的服务半径，大型水库建设引起的搬迁，铁路、公路以及航运河道对其所穿过区域经济发展的重要性等，均是一个邻近度问题。缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具之一。 所谓缓冲区就是地理空间目标的一种影响范围或服务范围。

叠加分析大部分GIS软件是以分层的方式组织地理景观，将地理景观按主题分层提取，同一地区的整个数据层集表达了该地区地理景观的内容。地理信息系统的叠加分析是将有关主题层组成的数据层面，进行叠加产生一个新数据层面的操作，其结果综合了原来两层或多层要素所具有的属性。叠加分析不仅包含空间关系的比较，还包含属性关系的比较。叠加分析可以分为以下几类：视觉信息叠加、点与多边形叠加、线与多边形叠加、多边形叠加、栅格图层叠加。

网络分析对地理网络（如交通网络）、城市基础设施网络（如各种网线、电力线、电话线、供排水管线等）进行地理分析和模型化，是地理信息系统中网络分析功能的主要目的。网络分析是运筹学模型中的一个基本模型，它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好，如一定资源的最佳分配，从一地到另一地的运输费用最低等。

网络分析包括：路径分析（寻求最佳路径）、地址匹配（实质是对地理位置的查询）以及资源分配。

空间统计分析GIS得以广泛应用的重要技术支撑之一就是空间统计与分析。例如， 在区域环境质量现状评价工作中，可将地理信息与大气、土壤、水、噪声等环境要素的监测数据结合在一起，利用GIS软件的空间分析模块，对整个区域的环境质量现状进行客观、全面的评价，以反映出区域中受污染的程度以及空间分布情况。通过叠加分析，可以提取该区域内大气污染分布图、噪声分布图;通过2缓冲区分析，可显示污染源影响范围等。可以预见，在构建和谐社会的过程中，GIS和空间分析技术必将发挥越来越广泛和深刻的作用。

常用的空间统计分析方法有：常规统计分析、3空间自相关分析、回归分析、趋势分析及专家打分模型等。

主要内容空间位置： 借助于空间坐标系传递空间对象的定位信息，是空间对象表述的研究基础，即投影与转换理论。

空间分布：同类空间对象的群体定位信息，包括分布、趋势、对比等内容。

空间形态：空间对象的几何形态。

空间距离：空间物体的接近程度。

空间关系：空间对象的相关关系，包括拓扑、方位、相似、相关等。

流派由于当前空间分析研究主要有3个主要专业研究：地理学、测绘学和建筑学，分别有不同的学术流派。

1、地理学的空间分析以分析地理数据为主，也可称为地理分析，以遥感图、地图和经济、社会等数据为分析对象，以地理建模、计量地理、地统计学等方法分析问题，主要研究群体以中科院地理类研究生、师范大学地理系、综合性大学地理系为代表。代表著作：中科院地理所，王劲峰《空间分析的理论与方法》。

2、测绘学的空间分析以测绘数据、遥感数据、地图数据（二维、三维）为主，经济、社会等数据为分析对象研究较少，主要使用计算几何、4地图代数等方法分析问题，主要研究群体以武汉大学测绘学院、矿业大学测量系为代表。代表图书：武汉大学，郭仁忠《空间分析》。

3、建筑学的空间分析以建筑空间、城市空间或环境空间为主，依托建筑学和城市规划理论，结合规划实际需求，从微观和中观的角度分析空间分布情况，主要研究群体以东南大学、清华大学、同济大学等建筑系为代表。代表著作：东南大学，黄亚平《城市空间理论与空间分析》。

发展空间分析（地理分析）是基于地理对象的位置和形态的空间数据的分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。 自从有了地图，人们就自觉或者不自觉地进行着各种类型的空间分析。空间分析是地理信息系统的主要特征。空间分析能力是地理信息系统区别与一般信息系统的主要方面，也是评价一个地理信息系统成功与否的一个主要指标。 空间分析是GIS的核心和灵魂，是GIS区别于一般的信息系统、CAD或者电子地图系统的主要标志之一。 空间分析，配合空间数据的属性信息，能提供强大、丰富的空间数据查询功能。 因此，空间分析在GIS中的地位不言而喻。

空间分析源于60年代地理学的计量革命，在开始阶段，主要是应用定量（主要是统计）分析手段用于分析点、线、面的空间分布模式。后来更多的是强调地理空间本身的特征、空间决策过程和复杂空间系统的时空演化过程分析。实际上自有地图以来，人们就始终在自觉或不自觉地进行着各种类型的空间分析。如在地图上量测地理要素之间的距离、方位、面积，乃至利用地图进行战术研究和战略决策等，都是人们利用地图进行空间分析的实例，而后者实质上已属较高层次上的空间分析。

在地学领域中，空间分析一般是指“GIS空间分析”，或“地理空间分析”。任何信息，总含有空间、时间、属性特征。如水文走向含属性和时间特征, 疾病传播含时间、空间和属性特征, 而河道演变则反映了空间形态特征随时间变化性质。国内外许多学者都对空间分析进行研究(UnWin,1981；李德仁等，1993；Robert Haining，1994；郭仁忠,1997；王劲峰，2000)，但是对空间分析下定义是比较困难的，目前尚无一个统一的定义，不同的应用领域给出不同的涵义，它们的侧重点各不相同，但是都从不同的方面对空间分析的内涵进行了阐释：或侧重于地理学（地学），或侧重于测绘学（地图学）；或侧重于几何图形分析，或侧重于地学统计与建模。综合这些学者的研究成果。综述之，GIS空间分析是使用几何分析、统计分析、数学建模、地理计算等方法，对地理空间中的目标的空间关系进行描述、分析、建模，并进一步为空间决策支持提供服务的技术。

研究对象空间分析是对分析空间数据相关方法的统称，空间分析是GIS系统的先进性的标志。早期的GIS强调的是简单的空间查询，空间分析功能很弱或根本没有，随着GIS的发展，用户需要更多更复杂的空间分析的功能，这就促进了GIS空间分析技术的发展，也使得多种空间分析技术出现。根据分析的数据性质不同，可以分为：

①基于空间图形数据的分析运算；

②基于非空间属性的数据运算；

③空间和非空间数据的联合运算。

空间分析赖以进行的基础是地理空间数据，运用各种几何逻辑运算、数理统计分析、代数运算等数学手段，最终的目的是解决人们所涉及到的地理空间实际问题。