空间分析技术研究及应用综述

前言

空间分析是基于地理对象位置和形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。空间信息可以分为空间位置、空间分布．空间形态、空间关系、空间质量、空间关联、空间对比、空间趋势、空间运动。空间位置是借助于空间坐标系来传递的空间物体的个体定位信息；空间分布反映了同类空间事物的群体定位信息；空间形态是空间物体的几何特征，一些特征易于被视觉感受，如走向、连通性等，另一些特征则必须用数值来描述，如面积、周长、坡度；空间距离反映的是空间物体之间几何上的接近程度；空间方位是用方位描述两个物体之间的位置关系。因此，空间分析是GIS的主要特征，也是评价GIS功能的主要指标之一。

空间分析的发展及在各行业中的应用空间分析源于60年代地理和区域科学的计量革命。开始阶段是应用定量(主要是统计)分析手段分析点、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。

空间分析功能的实现方法是通过空间分析技术的集成。长期以来，空间分析的模型和方法没有形成统一的体系结构，对空间分析的基本内容也没有形成被广泛认同的界定。因此，空间分析领域的研究是相对落后的。根据GIS处理对象界定空间分析的功能，有以下几方面：(1)基于图的分析，主要有缓冲区分析、叠置分析、网络分析、复合分析、邻近分析及空间联结，这些方法以图形操作为主，在现有的GIS软件中已比较成熟。(2)基于数据的分析，这部分的理论基础是空间统计学。空间统汁学基于两个本惯似没：任意距离的两点间的差值的数学期望为零；任意距离的两点间的差值的方差最小。这里的任意距离指的是空间物体间的距离，由于空间物体又可分为点、线、面、体四类，而点与点之间的距离是最本质最简单的距离形式，因此空间统计学在这两个本质假设基础上，通过对样本点得出的经验变率函数的拟合得到真实的变率函数，以便做进一步分析。(3)基于事件机理的分析，有些事件有其相应的机理提供公式构架，由环境信息提供初始边界条件，这样可直接利用前入总结的成果来描述事件。在此基础上，根据需要再进行分析。空间分析的目的是提取空间信息，而空间分析的对象是空间数据。空间分析是在空间数据的基础上进行的，空间数据是描述地球表层(有一定厚度)一一定范围内的地理事物及其关系的数据，电可以是关于空间物体及其空间变量和属性的数据。以空间物体为定义域，随空间物体的延展而变化的地理现象是空间变量；相反，不随空间物体的延展而变化的地理现象是空间物体的属性。一般认为空间数据具有三大要素：几何、属性和时间，从空间分析的角度出发，空间变量也是空间数据的要素之一，空间分析中的很多内容是针对空间变量的。一个空间变量是定义于一个空间物体上的，我们完全可以根据变量的变化情况将物体分解。分解的原则是物体每部分的变量不变，或者可看作是不变的，这时空间物体被分解成若干空间物体，而空间变量则转化成空间物体的属性。空间物体的分解、变量与属性的转化，是空间分析的内容之一。[1]

正文

空间分析技术的应用非常广泛，具体应用领域包括城市规划与管理，厂址选择，

水污染监测，洪水灾害分析，道路交通管理，地形地貌分析，电网管理，医疗卫生，军事等领域。

交通设计管理领域

1．GIS空间分析与铁路线路评价指标的量化

GIS系统的空间分析方法非常适用于处理铁路线路设计所需地形、地质、地物、

水文等各种数据。利用基于地理信息系统的铁路工程勘测设计空间数据库和地理信

息系统强大的空间分析能力，量化影响选线设计的各种因素，比如地质条件、与其

他设施配合程度，环境影响程度等。从铁路选线的实际需要出发，只需进行3种空

间分析即可满足要求，即缓冲区分析、空间叠置分析、距离求算。在交互式铁路选

线设计时，是以铁路线路中心线表示的线性模型作为研究对象，在进行铁路选线影

响分析前，首先需要进行铁路线路带状缓冲区分析。铁路线路由多个顶点的多义线

表示，简单的方法是对组成多义线的每条直线段进行缓冲区分析，然后通过叠置分

析的合并操作获取整条线路的缓冲区。把铁路带状缓冲区分别与不良地质地段面积、各种耕地占用面积、各类建筑设施拆迁面积进行空间叠置分析，由各自叠加面积的

加权和得到相应指标值，来分别体现地质条件、占用耕地情况、拆迁情况等技术指

标对线路的影响。[2]

2．空间分析方法在航线设计和航路监视中的应用

航线设计的内容是要能够判别航线附近有无低于安全水深点、有无孤立危险物、

有否穿越安全等深线、有否穿过某些危险区，除此以外还应判驯有否穿越陆地，以

防止用户的误操作；航路监视的主要内容有判断船舶是否偏航、是否到达转向点、

是者结合的方法来实现。在航线设计时充分考虑偏航极限范围内有无不适合的点(包括水深点、孤立危险物等)，线(包括等深线)，面(包括危险区、禁航区、陆地等)。

而在航路监视时，则可以判断表示本船的点是否包含在偏航极限的范围内，这样就

能及时地对偏离航线的船舶给出预警；同时还可以进行在以本船为中心，一定距离(如2 n mile～3 n mile)为半径的圆形区域内，实时地(或周期性地)监控有无危险点、线、面进入的判断和报警。穿越安全等深线、是否穿越危险区等。［5］

3．交通地理信息空间分析

交通地理信息空间分析是对交通网及其地理背景要素的位置、图形和分布等的分析，目的在于提取、挖掘在交通设施的规划、开发、经营管理及灾害防治中所需的信息

和知识．信息传统的人工分析方法，存在资料数据散乱，其分析应用繁琐、费时、

费力和获取信息非常有限等弊端．与传统的人工方法相比，计算机及在其基础上发

展起来的GIS和GIS．T(交通地理信息系统)等新技术、新方法为交通地理信息的实时采集、一体化存储、深层次知识挖掘和分析应用等提供了先进、适用、有效的方

法和技术条件．GIS．T在功能层次上可分为交通信息的存储与查询系统(数据库系统)、具有空间分析功能的交通管理系统和具有空间分析及决策支持功能的交通决策支持系统3类．从GIS-T的分类可以看出：交通地理信息的空间分

析功能是高层次GIS-T应具备的功能．[7]

城市规划领域

1．基于GIS的城市人防工程空间分析模型的建立与实现