地理信息系统空间分析模型与实现方法的分析和比较.pdf

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1、收稿日期:2002-01-21作者简介:赖格英(1963-),男,江西省寻乌县人,副教授,主要从事遥感和地理信息系统的研究和教学工作.文章编号:1000-5862(2003)02-0164-03地理信息系统空间分析模型与实现方法的分析和比较赖格英(江西师范大学 城市与环境科学学院,江西 南昌 330027)摘要:从地理信息系统应用中的薄弱环节着手,分析了空间分析模型在地理信息系统中的重要性和必要性,并对目前 5 种常用的地理信息系统的空间分析模型的实现方法进行了分析与比较.关键词:地理信息系统;空间分析模型;实现方法中图分类号:P 209 文献标识码:A地理信息系统(GIS)技术在国防、城市规

2、划、交通运输、环境监测和保护等与国民经济乃至国家命脉相关的重要领域的成功应用,极大地推动了社会生产力的发展,同时,也极大地刺激了GIS 技术自身的迅速壮大.我国地理信息系统的发展,经过十几年的努力,正由学术与技术驱动向应用与市场驱动过渡,特别是随着我国国民经济信息化工程的实施,这种巨大的应用潜力正在变成应用与市场需求,初步形成了我国的地理信息系统产业1.然而,目前大多数地理信息系统功能还主要停留在空间数据的获取、存储、管理和表达方面,分析功能相对较弱,因而在某种程度上限制了地理信息系统在各个应用领域的应用深度和广度.空间分析是地理信息系统的核心功能,也是地理信息系统与其它计算机系统的根本区别,

3、模型分析意指在地理信息系统支持下,分析和解决问题的方法体现,它是地理信息系统应用深化的重要标志2.空间分析在地理学及相关领域的研究中有着悠久的历史与传统,数学概念与方法的引入,并从统计方法扩展到运筹学、拓扑学乃至分形理论等方法的应用,进一步促进了其定量分析的能力.然而在目前的地理信息系统中,这方面的功能没有得到充分的发挥.随着数字地球计划的提出,作为数字地球技术基础之一的地理信息系统无疑将起到举足轻重的作用,此时的地理信息系统,就决不是简单的应用范围的扩大,而是一个质的飞跃.因此强化空间分析模型的开发空间,是使地理信息系统能够处理全息的信息,或者全息地处理信息的必由之路.本文从地理信息系统的功

4、能着手,分析了空间分析模型在地理信息系统中的重要性和必要性,并对目前地理信息系统的空间分析模型的实现方法进行了分析.1 地理信息系统空间分析的现状地理信息系统的数据结构包含矢量数据结构和栅格数据结构两种类型,两种数据结构的特殊性导致了空间分析也分为两大类,即矢量数据空间分析和栅格数据空间分析.矢量数据空间分析一般包括:空间数据查询和属性分析、多边形的重新分类、边界消除与合并、点线、点与多边形、线与多边形、多边形与多边形的叠加、缓冲区分析、网格分析、面运算、目标集统计分析等内容.栅格数据空间分析功能通常包括:记录分析、叠加分析、滤波分析、扩展领域操作、区域操作、统计分析等内容.这些通用的基本的空

5、间分析与操作功能奠定了地理信息系统的基本空间分析功能,然而这些通用的GIS 的空间分析功能对于大多数的应用问题是远远不够的,因为各个领域都有自己独特的专用模型.例如在区域规划领域中,就有大量的区域规划应用模型,由于区域规划需要大量反映区域状况的各种空间和非空间的信息,地理信息系统提供和管理空间数据和属性数据等多源数据的功能,可以为区域规划提供新的分第 27卷第 2期2003 年 4月 江西师范大学学报(自然科学版)JOURNAL OF JIANGXI NORMAL UNIVERSITYVol.27 No.2 Apr.2003析方法和手段,也能提供更高层次的信息服务.然而由于区域规划的高度复杂性

6、和综合性,地理信息系统提供的通用空间分析功能无法满足复杂的模型分析,特别是缺少对发展空间问题决策的有效支持能力,因而地理信息系统在区域规划领域中的应用受到一定的局限.在其它地理信息系统的应用领域,也都有类似的情况.2 地理信息系统空间分析模型的实现方法及比较目前实现 GIS 空间分析功能与各种领域专用模型的结合主要有以下 5 种途径:(1)GIS 环境内二次开发语言的空间分析建模法;(2)基于 GIS 外部松散耦合式的空间分析建模法;(3)混合型的空间分析建模法;(4)插件技术的空间分析建模法;(5)基于面向目标的图形语言建模法.(1)GIS 环境内二次开发语言的空间分析建模法.目前通用的 G

7、IS 大多通过提供进行二次开发的工具和环境来解决这一问题,如ARC/INFO 提供的进行二次开发的宏语言AML,又如Mappinfo 的MapBasic 二次开发语言.二次开发工具的一个主要问题是它对于普通用户而言过于困难.而 GIS 成功应用于专门领域的关键在于支持建立该领域特有的空间分析模型.GIS 成功地应用于专门领域的关键在于支持建立该领域特有的空间分析模型.GIS 应当支持面向用户的空间分析模型的定义、生成和检验的环境,支持与用户交互式的基于GIS 的分析、建模和决策.这种方法比较灵活,但如果由用户自行来开发这类模型,则模型的复用效率不高,且目前二次开发语言提供的功能还是有限的.(2

8、)基于 GIS 外部松散耦合式的空间分析建模法.这种方法是一种松散耦合式,即除 GIS 外,借助其他软件环境(比如SAS、SPSS、GLIM 等)或计算机编程语言如VC+、VB 或 Delphi 等来实现专用模型,这些模型与GIS 之间采取数据通讯的方式联系.根据不同的数据共享方法,它又可以分为两类:第一类是不与空间数据库共享数据,而是将 GIS 的空间数据输出作为一个中介文件,空间分析模型以此中介文件作数据源.这种方法可以充分利用现有的分析软件,且也比较容易实现,但时间和空间效率不高,尤其对比较大的空间数据系统.因为中介文件需要占用较大的存储空间,所以这种方法的空间分析模型的运行效率受到了很

9、大的影响.第二种是空间分析模型和 GIS 空间数据库共享数据.例如Kehris(1990)连接ARC/INFO和 GLIM 时,就采用这种方法,其主要缺陷是GIS 用户必须非常熟悉 GIS 的内部数据结构,并发展相应的模块去存取 GIS 空间数据库.(3)混合型的空间分析建模法.这种方法也有两种情况:第一种是纯属上述两种方法的混合,这种方法的宗旨是尽可能地利用 GIS 所提供的功能,最大限度地减少用户自行开发的压力.第二种就是利用面向对象和构件技术(COM),利用 GIS 商家提供的 GIS 控件和计算机开发语言如 VC+、VB 等,自行开发应用模型软件.COM GIS 面向对象和构件技术的地

10、理信息系统(COM GIS)是把 GIS 的功能模块划分为多个控件,每个控件完成不同的功能,通过可视化的软件开发工具集成起来,形成最终 GIS 应用.这种方法,目前提供的 GIS 控件功能仍然是十分有限的,并且在有些方面会受到很多的限制.(4)插件(Plug-In)技术的空间分析建模法.插件技术在目前的 Windows 应用程序开发中是一项非常热门的技术,在很多著名的软件中都被使用.实际上,所谓插件技术,并不是什么新的东西,它们本身也不复杂,插件技术被认为是一种新的编程思想而非新的技术可能更合适一些.插件的本质是在不修改程序主体的情况下对软件功能进行加强,当插件的接口被公开时,任何公司或个人都

11、可以自己制作插件来解决一些操作上的不便或增加一些功能1.插件还可以支持多人合作和开发,只要有一个好的插件机制,不同的功能可能由不同的人来完成,而且由于不同插件之间互不影响,方便程序的调试和纠错.插件技术实现了应用程序功能模块的/即插即用0.一般来说,如果用户拷贝一个插件到支持插件的应用程序的插件目录中,这个应用程序就能够自动识别并启用这个插件.插件完成某个特定的功能模块,并和应用程序协同工作.然而插件文件和应用程序是分离的,并且插件是一个可执行程序模块,因此,插件实现的基础是应用程序和 DLL 的结合.利用已有的程序开发环境来制作插件,使用这种方法的 GIS 软件必须在程序主体中建立了多个自定

12、义的接口,使插件能够自由访问程序中的各种资源.这种插件的优势在于自由度极大,可以无限发挥插件开发165第 2 期赖格英,等:地理信息系统空间分析模型与实现方法的分析和比较者的创意,形成各种各样的GIS 空间分析模型.这种插件机制的编写相对复杂,对于插件接口之间的协调比较困难,插件的开发也需要专业的程序员才能进行.由于插件技术是基于 DLL 技术,由于动态连接库的强大功能,使得插件技术提供的空间分析功能模块具有/即插即用0的优秀特性,这样就可以方便地为程序增加新功能、新特性,为 GIS 软件带来无限的可扩充性.在GIS 产业化的环境下,插件技术形成的空间分析功能插件可以成为具有知识产权的产品,进

13、入软件流通领域,具有较高的复用效率,而不像二次开发语言,很多用户都可能在做重复的劳动.插件式的空间分析功能模块,带用/即插即用0的特性,这就为GIS 的中、小用户提供了选择的余地,可以不用购买大而全的 GIS 工具,只需购一些GIS 插件即可.随着 GIS 标准化的建立,在不同的 GIS 平台上共享相同的数据结构将成为可能,这就为具有不同的 GIS平台的用户提供了共享 GIS 空间分析功能插件的可能.(5)面向目标的图形语言建模法.面向目标的图形模型语言开发工具提供了一个面向目标的图形化的空间分析建模语言,使用户可设计高级的空间模型功能,所有这些设计都是在图形的方式(如图标)而非编程语言方式下

14、进行的,建模过程中的对象和空间分析操作均以图标形式展示给用户,用户亦可自定义图标.用户在对图标的定义、选择和操作中完成模型的定义和检验.用户完全可以摆脱编程语言的难学和复杂,省去了很多中间过程.例如结合地理信息系统分析和栅格数据处理能力,用户只需用其提供的工具在窗口中绘出模型的流程图,指定流程图的意义、所用参数、矩阵等,即可完成模型的设计,而无需进行具体而复杂的程序设计,为用户提供了高层次的设计工具和手段,同时可使用户将更多的精力集中于专业领域的研究.同时模型的流程图可以被方便地编辑、修改、打印和保存.基于面向目标的图形模型语言方法要比 GIS 的二次开发语言(如ARC/INFO 的 AML

15、这类宏语言)要方便和直观得多,且也更易掌握.另外,面向目标的图形模型语言方法对开发空间分析模型来说,由于所有建模过程,都在GIS 系统内部进行,其中所使用的函数、逻辑操作和条件操作等都来源于 GIS 系统,因而有更好的可靠性和逻辑一致性,这种方法具有非常大的发展潜力.3 结语(1)空间分析模型的研究是 GIS 应用中永恒的主题,其实现过程同样是个永恒的主题,本文列举的方法,只是目前常见的方法.随着GIS 的迅速发展,空间分析的建模,必定有越来越多的方法.(2)空间信息的综合分析方法(也就是常说的应用模型),是在对专业应用领域的具体对象与过程进行大量研究的基础上总结出来的规律的表示,GIS 利用

16、这种模型对系统中所包含的大量空间数据进行分析综合来解决实际问题,体现了 GIS 的优势.但应用模型本身是不断发展的,因此面对不断发展的应用模型,上述方法中,基于 GIS 环境内二次开发语言的空间分析建模法和基于面向目标的图形语言建模法具有较大的灵活性,因而更能适应实际需要;而基于 GIS 外部松散耦合式的空间分析建模法和插件技术的空间分析建模法在一定程度上固化了应用模型,且它的开发周期也相对较长,因而较难适应不断变化的应用领域.(3)地学领域的各种空间信息在 GIS 中或是用矢量形式(点、线、面)表示,或是用栅格形式表示,信息的综合分析技术实际上是矢量数据与栅格数据的综合分析方法.高效的格式转

17、换和综合能力可使用户对多源地学信息进行方便的综合分析.在这里 GIS 不仅仅是一种工具,同时还是一种催化剂,催化着应用领域模型的不断发展,应用领域的模型在GIS 中的应用和实现,甚至会催化两者相互结合后形成边缘学科的发展.参考文献:1 邬伦,刘瑜,张晶,等.地理信息系统一原理、方法和应用M.北京:科学出版社,2001.217-218.2 张超.地理信息系统实习教程M.北京:高等教育出版社,2000.305-308.3 刘滨.C+Builder4 高级编程实例精解M.北京:国防工业出版社,2000.412-413.(下转第 184 页)166江西师范大学学报(自然科学版)2003 年参考文献:1

18、 张庆文.优秀男子百米运动员途中跑支撑腿缓冲动作分析J.上海体育学院学报,2000.1.2 宋江东.论现代科学技术与人类速度素质的发展 J.江西教育学院学报,2000,(6).3 刘建平.现代短跑专门性练习的改进与短跑技术对接的研究J.体育学刊,2000.1.4 秦琴.浅议伸髋肌群在短跑教学训练中的现实意义与作用J.江西教育学院学报,2001,(3).Amplify the Speed Quality Function in the 100 m Racewith the Assistance of Modern Science and Technology InformationYU Xuan

19、-jun(Physical Educeation department jiangxi normal University,Nanchang 330027,China)Abstract:Speed quality not only reflects man.s basic moving capability,but also determines fundamentally players.grades in the track and field events.In the recent 100 years or so,with the help of high-tech,the poten

20、cy of the ath-lets were fully tapped,which made the players not only run faster,but jump higher and throw farther.With the con-veyance and feedback of the science and technology information,the systematic function of 100 m race is amplified.Key Words:science and technology;100 m speed;information fe

21、edback;function amplification(上接第 166 页)Analysis and Comparison of Approaches of Realization ofSpatial Analysis Models of GisLAI Ge-ying(Institute of City and Environment Science,Jiangxi Normal University,Nanchang 330027,China)Abstract:After analyzed the importance and necessary of spatial aralysis models in Gis application,this anticle comparedand discussed those five common approaches of achivement of spatial analysis models in Gis application.Key words:geegraphic infomation system;model of spatial ahalysis;comparision of approaches184江西师范大学学报(自然科学版)2003 年