浅析GIS空间分析技术在土地利用中的应用

1浅析GIS空间分析技术在土地利用中的应用[摘要]由于土地利用变化具有明显的时间、空间特性，所以对土地利用的研究离不开GIS的空间分析技术。在基于空间分析的土地利用研究中，空间查询、检索和量算是土地利用变化研究的基础操作，是进行其它高层次分析的基础。将空间插值、叠加分析、缓冲区分析、数字高程分析与空间统计分析方法相组合，应用于土地利用的变化研究中，可进行土地利用/覆盖变化(LUCC)研究、景观生态学研究、土地利用的空间自相关分析研究及土地资源的适宜性研究等等。[关键词]空间分析土地利用应用1前言空间分析源于60年代地理和区域科学的计量革命，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。GIS空间分析技术广泛的应用于各个邻域，将空间分析的相关技术用于土地利用的研究中就是GIS的一个应用方向。土地利用的变化研究本身就具有很强的时序性和空间性，而GIS的空间分析技术在处理时间与空间特征变化上特有的优势使其成为土地利用变化研究中不可缺少的工具。2空间分析概述2.1空间分析空间分析是基于地理对象的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。空间分析是地理信息系统的核心技术和重要功能之一，地理信息系统具有强大的空间分析功能，这是GIS区别于计算机制图系统（具有图形输入、编辑、输出等功能）和数据管理系统（具有查询、检索、存储管理数据等功能）的显著特征之一。空间分析使GIS不仅体现在地图制图功能上，用户还可以通过与系统交互而将地理数据经过分析转换为对自己有用的信息。同时，利用空间分析技术，通过对原始数据模型的2观察和实验，用户可以获得新的经验和知识，并以此作为空间行为的决策依据。空间分析对空间信息的提取和传输，已使GIS成为区别于一般信息系统的主要功能特征，也是评价GIS功能强弱的重要指标之一，可为用户提供灵活解决各类专门问题的有效工具。随着空间分析技术的不断发展，GIS也将从一般的空间事物处理向分析型空间决策支持方向迈进。2.2空间分析主要功能和作用GIS空间分析最主要的功能和作用有以下4个方面：①发现空间数据中内在、隐含的空间关系，空间模式和空间规律；②为已有的问题寻找解决方法和答案；③检验和证实已有的论点和假设；④从空间数据中找到满足某些应用的新理论、新观点和普遍性的方法。3空间分析内容GIS空间分析的方法可分为两大类，一般方法和空间统计方法，在实际应用中，需要根据研究问题的具体要求和实际情况选用不同的分析方法，以有效地获取解决问题的答案，满足用户的各种具体要求。3.1GIS空间分析的一般方法⑴空间查询和空间检索空间查询和空间检索是GIS的基本功能之一，是进行其他空间分析的基础操作，主要用于查询、检索和定位空间对象，包括图形数据的查询和属性数据的查询及空间关系的查询几种方式。⑵空间量算空间量算主要是用一些简单的量测值来初步描述复杂的地理实体和地理现象，这些量测值包括点、线、面等空间实体对象的重心、长度、面积、体积、距离和形状等指标。⑶空间插值空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面，以便与其它空间现象的分布模式进行比较，它包括了空间内插和外推两种算法。空间内插算法是一种通过已知点的数据推求同一区域其它未知点数据的计算方法；空间外推算法则是通过已知区域的数据，推求其它区域数据的方法。⑷叠加分析叠加分析是地理信息系统最常用的提取空间隐含信息的手段之一。大部分GIS软件3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。每个主题层，可以叫做一个数据层面。数据层面既可以用矢量结构的点、线、面图层文件方式表达，也可以用栅格结构的图层文件格式进行表达。GIS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。地理信息系统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。⑸缓冲区分析缓冲区分析是GIS空间分析中使用较多的分析方法之一。缓冲区分析就是对一个、一组或一类空间对象按照某个缓冲距离建立其缓冲区多边形的过程，然后将原始图层与缓冲区图层相叠加，进而分析两个图层上空间对象的关系。从数学的角度来说，缓冲区就是空间对象的邻域，邻域的大小有邻域半径（即缓冲距离）来确定。缓冲区分析与叠加分析不同，前者包括了缓冲区图层的建立和叠加分析，而后者只是对现有的多个数据层进行叠加分析，并不生成新的图层参与分析。⑹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。其基本思想则在于人类活动总是趋于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置。这类问题在社会经济活动中不胜枚举，因此在地理信息系统中此类问题的研究具有重要意义。⑺数字高程分析现实的地理世界是一个三维空间（不包括时间维），地理实体除了平面坐标外，还包括空间坐标（即高程值）。数字高程模型主要用于描述地面起伏状况，包含了各种地形信息。数字高程分析包括数字高程模型的表示、插值、制图，以及在地学分析中的应用等。3.2空间统计分析⑴属性数据的一般统计方法属性数据与空间数据都是GIS的基本数据类型，所以GIS空间分析必须要有对属性数据的分析方法。属性数据的统计方法主要计算一些统计指标，如属性数据的集中特征4数（频率、平均数、数学期望和中位数等）；属性数据的离散特征数（极差、离差、方差和变差系数等）。还包括属性数据的图形表示分析、属性数据的综合评价分析及属性数据的分等定级分析。⑵空间统计方法空间统计分析是指对GIS空间数据库中的空间数据进行统计分析，包括对空间数据的分类、统计和综合评价等，因其与GIS的各类实际应用之间具有紧密联系，是GIS中的一个重要的、快速的发展邻域。空间统计分析是在复杂的现实地理世界中探索地理信息的最简单的方法之一，投过空间数据的位置信息来建立数据间的统计关系。空间统计分析方法包括：空间自相关分析、回归分析（一元线性回归、多元线性回归、非线性回归、空间回归）和趋势面分析。⑶景观格局分析景观格局分析属于景观生态学范畴，近年来，许多学者应用景观格局分析的原理、方法和公式来解释和描述地理现象变化的原因和过程。同时，GIS强大的图形处理和分析功能，可以进行景观格局对生态过程的敏感性分析和模拟，研究不同景观格局对生态过程的影响。4空间分析在土地利用中的应用4.1土地利用土地利用是人类根据土地的自然特点，按一定的经济、社会目的，采取一系列生物、技术手段，对土地进行的长期性或周期性的经营管理和治理改造活动。它既是一个把土地的自然生态系统变为人工生态系统的过程，也是一个自然、经济、社会诸因素综合作用的复杂过程。土地利用的方式、程度、结构及地域分布和效益，既受自然条件（如光能、热量、水分、地形、土壤等）影响，更受各种社会、经济、技术条件（如开发历史、生产方式、技术装备、投入水平、土地经营管理水平及国民经济发展需要等）影响，但在所有影响土地利用的各种因素中，社会生产方式往往起决定性作用，土地的合理利用必须适应一定的社会生产方式。土地利用的广度、深度和合理利用程度，是一个国家国民经济各部门生产建设规模、水平和特点的集中反映。随着城市化、工业化的发展和人口的日益增长，协调好人地关系已成为当前的迫切问题。4.2空间分析在土地利用中的应用随着GIS技术的发展，将GIS的空间分析方法与土地利用变化研究相结合，对土地利用的变化进行相应的研究，认识过去和现在土地利用的变化过程、弄清土地利用变化5的原因、对土地利用方式等进行未来变化趋势的预测具有重要的意义。使用空间分析技术研究土地利用的动态变化，研究结果可以指导调整人类的土地利用活动，使土地利用朝着有利于全球环境的良性循环发展，实现人类的可持续发展，这也是当前土地利用研究的最终目的。GIS空间分析的方法较多，在土地利用的变化研究中常是采用一般方法与空间统计方法结合使用，以达到研究的最佳效果。在基于空间分析的土地利用研究中，空间查询、检索和量算是土地利用变化研究的基础操作，是进行其它高层次分析的基础。将空间插值、叠加分析、缓冲区分析、数字高程分析与空间统计分析方法相组合，应用于土地利用的变化研究中，可进行土地利用/覆盖变化(LUCC)研究、景观生态学研究、土地利用的空间自相关分析研究及土地资源的适宜性研究等等。⑴土地利用/覆盖变化(LUCC)研究GIS空间分析是研究土地利用/覆盖变化LUCC机制的有效方法。在基于空间分析技术的(LUCC)研究中，主要使用的方法有：对地图的空间分析技术，如GIS中的叠加分析、缓冲区分析；空间统计分析，如主成分分析、典型相关分析、空间聚类分析；与LUCC相结合的空间建模方法，这是深入了解土地利用和覆被变化复杂性的重要手段,也属于一种空间分析方法，如土地利用/覆被动态变化模型及土地利用/覆被变化预测模型等。因土地利用/覆被变化自身的特性，通过空间分析技术，不但可以定量获取土地利用/覆被变化的数量和质量数据，而且可以借助这些数据分析影响其发生变化的自然、社会因素中更深刻、更内在的规律和特征，同时对土地利用/覆被变化进行科学的预测，实现土地利用的可持续发展。⑵景观生态学研究景观生态学研究的是一地理区域（景观区域）内各种生态系统间的关系以及它们的结构、空间分布格局、功能特性与区域环境间的关系。景观生态学研究把地理学研究空间相互作用的水平方法与生态学研究功能相互作用的垂直方向结合起来，探讨空间异质性的发展和动态及其对生物和非生物过程的影响，以及空间异质性管理。近年来随着GIS技术的不断发展，及其在空间信息处理方面的优越性，将GIS空间分析中的空间统计方法、叠加分析及空间分析建模相结合构建区域景观模型，用于分析和模拟生态环境的动态成为景观生态学研究的热点问题。GIS空间分析为景观生态学的研究，尤其是各之间生态系统及其分布格局提供了一个极为有效的工具。⑶土地利用的空间自相关分析研究空间自相关分析是对某一地理变量空间分布中相邻位置间的相关性进行检验的一6种统计方法，利用此方法可以揭示区域化变量取值的空间分布特征。在以往传统的土地利用程度研究缺少空间关系分析。而在现实的地理世界中，陆地是连续的分布的，土地利用的类型也不是离散分布的。根据Tobler的地理学第一定律，“所有的事物之间都相互关联，但越邻近的事物之间关联性越大”。将空间统计分析方法与实际的土地利用程度相结合，选取适宜的评价指标对土地利用程度的空间自相关关系进行研究，探索指定区域内土地利用程度的空间自相关关系的动态变化，能为探讨研究区域土地利用格局变化的驱动机制提供参考。⑷土地资源的适宜性研究土地资源适宜性评价是土地资源优化配置的基础，它将土地资源与其空间分布相结合，从空间适宜性角度探讨土地资源利用的区域差异、空间适宜性及其存在问题，对区域土地资源优化配置及各地区制定相应的用地政策具有十分重要的意义。GIS空间分析技术的统计分析方法与多因子评判能提高土地资源适宜性评价的空间决策水平，实现资源的定量优化，同时结合用地规划，可以在空间上优化配置土地利用结构，为土地资源的保护与规划提供更科学的决策依据。5结束语由于土地利用变化具有明显的时间、空间特性，所以对土地利用的研究离不开GIS的空间分析技术。利用GIS技术研究土地利用变化，具有明显的优势。首先，它可以把不同来源