地学空间分析

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地学空间分析范文第1篇

【关键词】 地心坐标系 地球椭球 地理空间 制图区域 制图物体 地图符号

地理系统研究人类赖以生存与生活和影响所及的整个自然环境与社会经济环境[1]。人类为了生存和发展的需要，必须以各种技术手段，采集和获取地理空间的相关信息。现代测绘学，是信息科学的一个分支，是获得物体的空间位置和属性信息[2]。地图作为空间信息的一种载体，它通过人们创设的地图符号集合，能把制图区域内复杂的空间存在压缩为二维的简单关系，从而使广域空间内的自然现象和社会经济现象的空间分布、地理特征和相互关系跃然纸上。二维地图是人类认识上的飞跃，是人类原始思维向抽象化发展的结果[3]。地图总涉及到地理空间、制图区域和制图物体等基本概念。在现行的大中专教材及有关地图学文献中，尚未见这些基本概念的数学定义，因而不能从理论的高度对其概括和阐释。本文是笔者对地理空间、制图区域、制图物体数学定义的研究及其关联的地图符号的数学分析。

1 地理空间事物的椭球面定位

1.1 地心坐标系

以地球质心为大地坐标原点的坐标系，即地心坐标系。这种坐标系统是阐明地球上各种地理和物理现象，特别是空间物体运动的本始参考系。但长期以来，由于人类不能精确确定地心的位置，因而较少使用。目前利用空间技术等手段，已可在cm量级上确定它的位置，因此采用地心坐标系在当今既有必要性也有了可能性。现在利用空间技术得到的定位和影像等成果，客观上都是以地心坐标系为参照系[4]。使用地心坐标系，在国际上已成为一种明显的趋势。

地球空间事物的定位，涉及地球的形状和一定的坐标系。全球范围内，可用地心大地坐标系和地心笛卡尔坐标系表示点的空间位置。

1.1.1 地球椭球

大地水准面包围的地球形体比较接近真实的地球形状，但仍是一个有100m起伏幅度的复杂曲面，不能用简单的数学方程表示，更难以在此面上进行简单而又精密的坐标和几何计算[5]。为此，测绘科学中常以一个接近地球整体形状的旋转椭球代替真实的地球形体，这个旋转椭球称为参考椭球。在现代大地测量中，规定参考椭球是等位椭球或水准椭球，即参考椭球与正常椭球一致。一个等位旋转椭球由四个常数定义，这四个常数常是赤道半径a，地心引力常数GM，动力形状因子J2，旋转速度ω。考虑到便于利用GPS与国际兼容，我国建议采用参考椭球：a=6378137m；f=1∶298.257222101；GM=3986004.418×；ω=7292115×。根据这四个常数，可以得出一系列导出常数[6]。根据地球的扁率f，可以求出椭球短半径b，从而可用数学方程表示一个已知长半径a和短半径b的椭球。

1.1.2 地心大地坐标系DL

地心大地坐标系是使地球质心作椭球中心，以过所求点c的椭球面法线与赤道面的夹角φ为纬度，以过c点的子午面与初始子午面的二面角λ为经度，以c点沿法线到椭球面的距离为大地高h，用c点的三个分量φ、λ、h表示其空间位置。地心大地坐标也即三维地理坐标系，记作DL。对于任何地球空间点c，总存在c=（φ、λ、h）∈DL|φ[0°～±90°]， λ∈[0°～±180°]，h∈[-H～+H]。已知地球椭球的长半径a和短半径b，可定义椭球面。

定义1　 地球椭球面 对c∈（φ、λ、h）∈DL，存在c1=（0°，λ，O）， c2 =（0°，-λ，O），c3 =（90°，λ，O），c4=（-90°，λ，O）∧d1（c1，c2）/2=a∧d2（c3，c4）/2=b，若点集满足：

S={c|c=（φ、λ、h）∈DL，φ∈[0°～±90°]，λ∈[0°～±180°]，h=0} （1）

则称S为以a为长半径，b为短半径的椭球面。若a，b分别为地球参考椭球的长、短半径，则称S为地球椭球面。

1.1.3 地心笛卡尔坐标系DK

以地心O为坐标原点，选择一个以赤道平面上一组相互垂直的直线为X、Y轴，而以地轴为Z轴，这样的坐标系称地心笛卡尔坐标系，记作DK。若以地球参考椭球的长半径a和短半径b作常数，则地球椭球面也可定义。

转贴于

定义2　 地球椭球面 存在地球椭球的长半径a和短半径b，若点集满足：

S=｛c|c=（x，y，z）∈DK∧ =1｝

（2）

则称S为以a为长半径，b为短半径的地球椭球面，其中2b即地轴兼旋转轴[7]。

1.2 地理空间

地理科学研究的对象是地球的表层，具体地讲，上至同温层底部，下到岩石圈的上部，指陆地住下5～6公里，海洋往下4公里。设地球表层的上限为H1，下限为H2，从而得h的定义域（适用于“地球表层”概念）为h∈[-H2，H1]。根据h的取值，以h=0的椭球面为界面，可定义地球内空间和外空间。

定义3　 地球内空间 满足条件

IntK=｛P|P=（φ，λ，h）∈DL∧-H2≤h＜O｝

（3）

的点集，称为地球内空间。

地球内空间即指岩石圈顶部至地球椭球面之间部分。由椭球面与真实地球表面之间的差异，因此存在虽在地表之上却因其处于椭球面内侧而属于地球内空间的点集。

定义4 　地球外空间 满足条件

ExtK=｛P|P=（φ，λ，h）∈DL∧O＜h≤H1｝

（4）

的点集，称为地球外空间。

地球外空间即是地球椭球面到同温层底部的空间。由于椭球面与自然面之间的差异，同样存在虽在地表之下却因处于椭球面外侧而属地球外空间的点集。

定义5 　地理空间 地球内空间EntK、地球椭球面S和地球外空间EntK的并集，称为地理空间，即

K=EntK∪S∪ExtK|EntK，S，ExtK∈DL

（5）

由于地理空间的上下限H1和-H2的选择与地球表层概念相适应，因此，地理空间的定义也就是地球表层的数学表述。

2 制图区域和制图物体

2.1 同胚

定义6 　同胚 设X和Y是两个随意的拓扑空间，并设f：XY。如果f是连续的双一一函数，并且它的反函数f -1也是连续的，那么，f就叫做空间X到空间Y上的同胚或拓扑映射或拓扑变换；此时空间X与空间Y叫做同胚的，记作X≈Y。

如果f是空间X到空间Y上的一个同胚，AX，并且B=f（A），则称点集A与点集B是同胚的，记作A≈B；此时又称点集B是点集A在同胚f之下的同胚象或拓扑象。如果f是空间X到空间Y上的一个同胚，g是空间Y到空间Z上的一个同胚，则复合函数gf是X到Z上的一个同胚。空间的同胚关系≈是一个等价关系[5]。地貌等高线图形，也就是其上覆地貌的同胚象[6]。

2.2 覆盖空间

定义7　 覆盖空间 设E和B是连通且局部道路连通的拓扑空间，f∶EB是连续满射，如果对于每个c∈B，存在c的道路连通开域U，使得f把f -1（U）的每个通路连通分支同胚地映射成U，则称（E，f）是B的覆盖空间，这种U称为容许邻域，B称为底空间，f称为覆盖投影[10，11]。

2.3 制图区域和制图物体

2.3.1 椭球面上点c与过c点的椭球面法线hC的双一一函数关系

设c为椭球面S上的任意点，c∈S，过c点能且仅能作一条法线hC指向地理空间K。由于大地高h以椭球面为起算面，故地球外空间ExtK=｛hC|0＜hC≤H1｝，地球内空间IntK=｛hC|-H2≤hC＜0｝。显然，地球空间的椭球面法线hC与椭球面上的投影点c是双一一函数。现把覆盖空间定义应用于地球外空间ExtK与地球椭球面S：令覆盖定义中的E=ExtK，B=S，f是连续满射，c∈S，|f -1（c）=hC∈ExtK，这里S是底空间，（f， ExtK）是S的覆盖空间，f为覆盖投影，c是hC在f下的同胚象或拓扑象。同理可说明地球内空间与地球椭球面的关系。

2.3.2 制图区域和制图物体的椭球面定位

定义8 　制图区域 设A为S的子集，AS，如果A是S中一个连通的开集，那末，A就叫做S中的一个区域。点c∈A，c的邻域U的原象f -1（U） ∈f -1（A）被作为制图对象时，则称f -1（U）为制图物体。f -1（A）在椭球面上的投影A称为制图区域。c的邻域U在球面上的外在特征有三种：

1） 当U=c为单一点时，称c为f -1（U）的点状定位；

2） 当U=lC，lC表现为线状连通集时，称lC为f -1（U）的线状定位；

地学空间分析范文第2篇

关键词：景观生态学，地理信息系统，生态适宜性分析，生态敏感性分析

1. 地理信息系统与景观生态学概述

1.1 地理信息系统功能及特征

地理信息系统(GIS)作为一种由计算机硬件、软件以及规则组成的系统，能够支持空间数据的获取、管理、操作、分析、模拟及显示，并解决复杂的计划及管理问题。地理信息系统区别于其它信息系统的关键之处是，地理信息系统强调空间实体及其关系，注重空间分析与模拟操作。从技术角度而言，地理信息系统能够有效利用地理学的原理来组织和综合各种不同时序的空间数据集的能力。具体表现在两个方面：其一，地理信息系统具有强大的对空间数据的处理和对现实世界的模拟能力；其二，地理信息系统也可以通过时空模型构建，分析地理要素发展的时空变化,为咨询、规划与决策提供技术支持。

地理信息系统的应用领域包括资源管理、资源配置、城市规划和管理、土地信息系统和地籍管理、生态环境管理与模拟、应急响应、地学研究与应用、商业与市场、基础设施管理、网络分析和可视化应用等与地理空间信息相关的各个领域。地理信息系统之所以普遍运用，与其自身的特征优势是分不开的，具体表现为：一是具有采集、管理、分析和输出多种地学空间信息能力，具有空间性和动态性；二是以地学研究和地学决策为目的，以地学模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次高质量的派生信息；三是由计算机系统支持进行空间数据管理，并由计算机程序模拟，获得专门数据的地学分析方法或模型，作用于空间数据产生有用信息，快速准确地提供科学决策依据。

1.2 景观生态学研究特点

景观生态学的概念由德国著名植物学家特罗尔于1939年提出后，引起了越来越多学者的重视并广泛应用于各个领域。

景观生态学是以景观为对象，通过能量流、物质流、物种流及信息流在地球表层的交换，研究景观的空间结构、内部功能、时间与空间的相互关系以及时空模型的建立。景观生态学把地理学研究空间相互作用的水平方向与生态学研究功能相互作用的垂直方向结合起来，并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的管理。

目前，景观生态学的研究焦点是在较大的空间和时间尺度上生态系统的空间格局和生态过程，强调空间格局，生态学过程和尺度之间的相互作用。这也就决定了景观生态学研究的一个重要方向就是在一个相对较大的区域尺度上，运用生态系统原理和系统方法研究景观结构和功能、景观动态变化以及相互作用机理、景观的空间格局、优化结构，从而达到合理利用和保护景观的目的。

从上述景观生态学的研究特点可以看出，景观生态学研究是建立在大尺度上，空间显性地研究景观格局功能及其动态，这就要求研究者能够处理大规模变化着的空间数据景观生态学这种要求使之必然选择地理信息系统作为研究工具。

2.生态适宜性评价原理及实证研究

景观生态学在对区域大尺度上对一系列的生态系统的空间性质及其相互关系的进行研究，也决定了其必然需要获取对大量的不同时序的空间数据来进行分析和处理，地理信息系统技术在很大程度上解决了景观生态学研究所面临的这一关键问题，并逐渐成为景观生态学研究的重要特征之一。

地理信息系统技术在景观生态学中的应用主要是利用地理信息系统软件的强大的空间数据存储、分析和处理特性，并结合景观生态学方面的基本原理，已达到优化景观空间格局，合理利用和保护生态景观的目的。

2.1分析原理

生态适宜性分析涵义比较广泛，既可以指区域土地的生态现状及开发条件，也可以指区域或特定的空间其生态环境条件的最适生态利用方向，还可以是规划区内确定的土地利用方式对生态因素的影响程度（生态因素对给定的土地利用方式的适宜状况和程度）。它是土地开发利用适宜程度的依据。

在进行适宜性分析评价时需要考虑的影响因子有很多，生态方面的，经济发展方面的等等都有，不过通常情况下，适宜性分析主要考虑的是生态方面的限制性因素，如与水源，生态敏感地的距离，坡度高程等因素，所以通常意义上的适宜性评价可以狭义的理解为是生态适宜性评价。

2.2 分析方法

生态适宜性分析多采用叠加分析法，其分析过程（如图1）可以归纳如下：

第一，明确与适宜性分析相关的因子（一般由参考他人研究凭经验获得因子，也可以由相关领域的专家来确定，即德尔菲法确定），确定各个因子之间的关系及相对重要性，并对每个因子赋以权重；

第二，根据单个因子在空间上的分布状况，针对适宜性评价的目标进行分级，形成单因子的生态适宜性评价图；

第三，按照每个因子的权重对单个因子的生态适宜性结果进行叠加，获得多因子生态适宜性分析结果；

第四，对叠加分析生成的多音字适宜性分析结果进行分析，得到生态适宜性分析结果。

2.3 实证研究

在对某湿地公园的生态适宜分析研究过程中，充分分析和总结国内外湿地公园生态适宜性分析案例，选取了生态价值因子、地形因子以及人为干扰因子进行评估，并采用专家打分法，获得三个因子的相对重要性，并赋以权重分别为0.5,0.3，0.2；以湿地公园用地的生态适宜性分析作为目标，对生态价值、地形以及人为干扰三个因子单独进行分级打分（如表1），并利用地理信息系统在空间上形成单因子的生态适宜性评价图（如图1）；利用地理信息系统的空间分析模块，对三个因子的各自的生态适宜性分析结果按照相应的权重值进行空间叠加分析，生成多因子生态适宜性分析结果（如图1）。

3.讨论

地学空间分析范文第3篇

关键词：GIS技术；成矿预测；空间分析；找矿有力度

Abstract: Geographic Information System (GIS) technology applied to the mineralization forecast, thorough transformation of the traditional metallogenic prediction methodology simplifies the forecasting process, to improve the prediction efficiency and level, to become a geologist comprehensive multi-sources geological information conducted the mineralization forecast epoch ideal tool. GIS technology can be applied to all aspects of the mineralization forecast, mainly reflected in the data collection and collation, a spatial database, spatial analysis, metallogenic prediction. This article describes the theoretical basis of the application of GIS in Metallogenic Prediction the inevitability and GIS mineralization forecast, focusing on the metallogenic prediction methods are discussed.Key words: GIS technology; metallogenic prediction; spatial analysis; prospecting efforts

中图分类号：DF991 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

GIS概述

GIS即地理信息系统（Geographic Information System）是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。

它可以制作精度十分复杂的地形和地质图，并能对图形数据与各种专业数据进行一体化管理和空间分析查询，从而为多源信息的综合找矿预测提供了较为理想的平台。GIS主要实现制图、空间分析及属性管理等功能，分为输入、编辑、输出、空间分析、库管理、使用程序六大部分。根据其功能及技术特点，主要用途有：多源地学数据的采集与集成，可方便地接收与采集不同介质、类型和格式的数据，并将其用统一的数据路进行管理；数字地图的编辑、制作与出版，其编辑功能比较实用，符合地图制作的工艺要求，经过大批量的地图制作实践，相当成熟；地图信息系统的建立，能实现图形与专业属性数据库的有机连接，可以建立以地图信息为基础的专业信息管理系统；多源地学信息的综合分析，在GIS较强的空间分析与查询功能基础上，学者们可方便地用交互方式对多源地学信息进行对比、综合、分析，从而发现和总结其中的规律。

基于以上种种优势，GIS 技术一出现，就得到了地学界的广泛关注,并迅速

渗透到与地学有关的各个领域。

二、GIS 应用于成矿预测的必然性

成矿预测基本目的是能够预测未发现矿床的位置，并大体知道这些矿床的类型、规模和品位。目前，成矿预测的基本理论有相似类比理论、地质异常理论及组合控矿理论。相似类比理论是根据“模型区”已知矿床成矿条件和控制因素的研究建立矿床模型，或根据所要找寻的矿床类型选择相应的矿床模型，依据矿床模型选择靶区评价变量，建立评价标准，依据标准评价预测区的资源潜力，这种建立在已知矿床研究基础上的模型预测存在下列缺陷：由于矿产勘查工作不平衡性，预测区往往缺乏与模型区同等详细程度的“诊断性”矿化信息；只能预测类型相同或相似的矿床，而不能预测新类型矿床和具“点型”分布的巨型矿床；对于大比例尺成矿预测，由于缺乏足够的已知矿床以致于难以建立矿床模型而无法开展模型预测；由于上述原因，“模型”预测具有很大的不确定性，这表现在地质条件相似的地区，一个地区有矿，而另一个地区则无矿；反之，在一些地质条件有利地段缺乏的矿床并不表明在条件类似的另一地段亦不存在。而地质异常是可能产生特殊类型矿床或产出前所未有的新型或新规模矿床的必要条件，因此，从地质异常角度研究成矿地质条件与通常研究控矿地质因素相比具有更特殊的意义，同时，对地质异常的研究有助于深化对许多基本成矿预测问题的认识。近年来，一些学者一直在探索应用地质异常理论开展成矿预测的新途径。

三、GIS 成矿预测的理论基础

GIS 成矿预测空间模型的建立是以“5P”找矿地段理论为依据,其目的是通过它进行“5P”找矿地段的圈定。从找矿地段的定义可知,“5P”地段的圈定,实际上是对各种不同比例尺的地质信息(单一、组合和综合)、地质找矿信息(单一、组合和综合)、地质工程信息等进行组合、匹配、叠加、筛选、融合的处理过程。GIS 的空间分析功能正是完成上述操作最有力的工具。需说明一点的是,将GIS 应用于成矿预测,主要是借助其功能对地质异常体进行分析,从而圈定出对应的“5P”地段。随着地质异常理论的建立,人们在实际工作中已经总结出很多GIS 成矿预测的空间模型。虽然这些模型由于实际应用的不同会有差别,但它们的基本框架都是源于赵鹏大院士在阐述地质异常理论和“5P”找矿地段圈定时提出的“地质异常矿体定位方法流程”(图)。

地质异常矿体定位方法流程（赵鹏大，1999）

地学空间分析范文第4篇

关键词　地球信息科学；全球环境变化；系统研究方法

 

1 引言

全球环境变化是当今环境研究的热点，也是地球信息科学的应用问题之一。土地利用变化通过与气候、生态系统过程、生物地球化学循环、生物多样性和人类活动的相互作用来影响全球变化，它是全球环境变化的主要驱动力之一，也是全球变化研究的中心内容。在全球尺度，土地覆盖变化是土地利用变化长期积累的结果。因为这些变化影响气候、土壤、植被、水资源和生物多样性等人类赖以生存的主要自然资源，所以它们在陆地生态系统中与可持续发展问题密切相关。

为了分析土地利用变化过程、景观空间异质性动态、人类对土地覆盖变化的反应，我们至少需要以下两个方面的数据：①过去各个历史时期的景观综合图和其它土地覆盖的间接证据；②反映近期土地变化的遥感数据。

为了整理来源于遥感和景观综合图等的有关信息，并在一个公用的空间框架中为地理、文化、政治、环境和统计数据提供输入、储存、处理、分析和显示能力，我们需要地理信息系统。

为了预测地球系统的变化趋势，数学模型是必不可少的。土地利用变化的数学模型包括基于变化格局外推的诊断模型和基于土地利用变化过程的动态集成模型。现有的数学模型综合了景观变量和变化的近因，可以进行短中期预测。

全球变化的长期预测需要分析土地覆盖变化在不同地理和历史背景下的主要人文驱动因素，分析气候变化和全球生物地球化学因素对土地利用和土地覆盖的影响。这些分析需要综合土地利用动态的案例研究，通过运用地学信息图谱对这些大量典型案例研究的对比分析，在区域尺度得出土地利用变化的一般结论。为了使这些研究从区域尺度上升到全球尺度，我们必须进一步分析空间异质性、技术创新、政策变化和城乡动态等问题[1]。

在全球环境变化方面我国已有很多研究成果[2～4]，同时也已产生了许多研究方法。例如，叶笃正等提出了全球变化的预研究方法[5]；张新时等改进了 holdridge 模型，并据此研究了气候变化对中国森林植被的可能影响[6]；李克让等开发了气候—森林响应动力学模型[7]。本文主要从地球信息科学的角度，讨论我们对全球环境变化系统研究方法的一些认识。

2 数据获取

第一手数据对全球环境变化研究是非常重要的，如果第一手数据有问题，那么下面的所有分析和预测都将是建立在沙滩上的空中楼阁[8]。早在 1960 年代初，作者之一（陈述彭）利用海南岛航空像片对包括坡度、土地利用、植被、土壤、坡向、地貌和地质多要素解译及地面实况进行了三级比例尺验证。在航空像片综合利用与农业综合制图的实验中，主张以地理的综合方法作为解决热带航空像片分析与农业制图的基本途径，即：按照地面控制考察与航空像片分析相结合的原则，从研究区域自然综合体的自然历史过程着手，摸清各种自然要素之间相互依存、相互制约的关系，综合利用航空像片，相互阐明，彼此印证。根据像片判读和量测的可能性，试制了大北部试点地区的 6 种基本自然条件与土地资源图：微地貌结构图、坡度组合图、植被图、土地利用图、土壤土质图和农用地形图[9]。

1978～1980 年间，中国科学院组织全国 80 多个单位，在云南腾冲地区首次进行了大规模的综合航空遥感试验。这次遥感试验分为 33 个专题进行，包括地质、农林、水资源、测绘制图等各个专业的解释制图工作，以及各种遥感仪器检验和波谱测试工作。在土地管理方面，根据地物波谱特性和遥感图像的亮度系数，对土壤进行聚类。通过彩色红外片的色散分析，鉴别主要森林树种，利用遥感图像解译立地因子，回归估算森林材积量和评价宜林地。利用彩色红外像片，从图像上直接解译 20 多种土地利用类型和土壤特性，确定植被覆盖率、森林和各类植被的覆盖面积，划分植被类型，确定森林植被的郁闭度、分层和高度等数量指标，分析生态环境条件并分出优势树种。在这次试验过程中，通过地面实况观察和航空像片解译，编制了试验区的自然景观图；结合应用土壤、植被、水分等参数，通过航测地形图的数据量测，建立了腾冲地区数字地形模型[10]。

1981 年，在渡口—二滩开展的第二步试验中，以航空遥感资料为基础，从土地覆盖和环境污染着手，试验多源的数据采集与空间配准的方法，探索了信息专题化和数字化的技术途径[11]。其试验内容包括：①彩色红外正射影像地图的编制；②土地覆盖图的编码；③社会经济统计数据的

自

1970 年代末以来，遥感技术在我国得到了较广泛的应用，例如：大地构造学理论与板块学说的验证，水、气动力学现象与自然历史轨迹的分析和生态系统的监测与环境科学的应用[12]，陕北黄土高原地区遥感应用研究[13]，资源环境动态遥感与模型分析试验研究[14]，三北防护林遥感综合调查研究[15]，城市遥感[16]和中国资源环境遥感宏观调查与动态研究[17]。

遥感图像和数据是现代地理信息的重要来源之一[18]。遥感图像是一种综合性的地理信息源（包括各种地理要素），同时，又是一种空间信息，为地理现象的空间分布提供了定位、定量的数据。遥感数据比地图更进一步强化了地理综合体的形象和概念，它提供了具有全息性质的交织在一起的可见景观实体影像。人地关系错综复杂，难解难分，通过其中相互依存、相互制约的关系，人们可能由此及彼、由表及里，超越直接的形象，借助于间接的标志，从中获取极其丰富的二次信息。因此，遥感是一种运用物理手段、数学方法和地学规律相结合的数据获取技术。在 20 世纪和 21 世纪之交的今天，遥感技术不再是孤立的系统，已达到了与全球定位系统、地理信息系统和网络技术紧密结合的水平，可以为全球环境变化研究提供多维和动态的网络数据。

3 地理信息系统

地理信息系统的发展可划分为 4 个相互重叠的阶段[19]：1950 年代到 1970 年代中期是地理信息系统的开拓阶段，1970 年代中期到 1980 年代初期是政府资助研究和正式试验阶段，1980 年代初期到 1980 年代后期是地理信息系统的产业化阶段，自 1980 年代后期以来地理信息系统进入工作台站网络化和多媒体阶段。我国自 1960 年代初期跻身于地理信息系统的探索、试验和发展以来，在研究方面基本上保持着与国际同步发展的水平[20]。

从历史发展来说，地理信息系统脱胎于地图[21]。地图和地理信息系统都是地理学的信息载体。其所以称为地理信息系统，是因为它的特定性质属于空间型，以区别于其它统计型的信息系统。它的主要特点是，每个数据项都按地理坐标来编码，即首先是定位，然后是各种定性、定量属性。以这些定位数据库为基础而发展起来，具备愈来愈完善的分析功能的信息系统，则统称为地理信息系统[22]。它的基本构成包括三部分，①地理基础：按经纬度、地形图格网或行政区划、流域等来建立格网的或多边形的地理坐标；②标准化和数字化：将统计数据、地图或影像加以规格化和数字化，以适应计算机输入和输出，以便于人文与自然要素之间的对比与相关分析；③多维结构：实现三维的空间信息结构并按时间序列延续，从而具备信息存储、更新和转换的能力[23]。地理信息系统是具有多层次数据结构、多功能综合分析能力的空间型信息系统，可把全球或地球的大量自然因子和人文要素的属性，按照地理位置建成关系数据库，再加上遥感卫星的周期性大范围扫描数据以及结合经济统计的实时传输，使数据保持在经常的更新状态之中。因此，我们可以根据地理系统建立空间分析模型，对全球环境变化进行动态模拟和预测[24]。

4 数学模型

建立新一代空间动态模型是全球变化研究面临的主要挑战[1]，而总结和评价现存的有关模型是新一代模型必不可少的基础。为此，我们自 1998 年 7 月开始进行数学模型文档库建设。由于资源环境数学模型的复杂性，有关模拟系统质量的隐含和明确假设对模型用户常常并不是不言自明的，所以，标准化数学模型文档库中的每一个模型包含有 6 个层次的信息，它们所包含信息的详细程度逐渐提高。即：①注册信息层：包括有关模型的整体信息，例如摘要、作者联系地址和参考文献等；②科技信息层：包含层次 1 中的所有信息以及模型的详细科技信息，例如，模型的数学方程、参数变量、隐含假设和资源环境背景等；③数学信息层：包含层次 2 中的所有信息及模型的数学基础；④过程信息层：包含层次 3 中的所有信息及模型的构建过程或论证过程；⑤程序信息层：包含层次 4 中的所有信息及模型的原程序；⑥案例信息层：包含层次 5 中的所有信息及模型的应用案例。

通过比较分析文档库中的模型，对现存建模方法的局限性和尚待创建的数学模型有了一个全面的认识，并因此派生了具有创新意义的模型。例如，以综合生物多样性模型[25]为核心的景观空间异质性动态模型体系，以生态系统稳定性模型[26]、连通性模型和基于植被指数的土地生产力模型为核心的土地利用变化过程模型体系，以数据挖掘模型[27]为核心的气候变化模型体系和以土地管理虚拟系统[28]为核心的人类对土地覆盖变化的反应模型等。

5 地学信息图谱

发展和完善一种方法来反演 (backcasting) 土地利用

和土地覆盖变化的过去和预测 (forec asting)其未来，是全球变化研究的具体目标之一[1]。地学信息图谱正是迎合这一研究目标的有效可选方法之一。

地学信息图谱是在继承中国传统研究成果的基础上，运用卫星遥感、全球定位系统、地理信息系统和信息网络等当代先进技术和现代科学理论发展起来的，它是一种图谱生成过程智能化的系统理论。地学信息图谱吸收了景观综合图简洁和数学模型抽象的特点，它的发展经历了景观制图实验[29]、图谱概念的提出[30]、图谱方法的

应用[31、32]和地学信息图谱理论[33]的形成 4 个阶段。地学信息图谱由征兆图、诊断图和实施图组成。征兆图是信息提取模型对有关数据的运行结果，可为我们进一步研究提供线索和依据[28]；诊断图可表达为各种基础图的不同组合，可反映资源环境动态的变化与发展趋势[34]；实施图以诊断图为依据，通过改变各种边界条件，分析推理不同控制条件下的决策方案，可为进行规划实验提供依据和预案[35]。

图谱是一种源远流长的中国传统方式，主要运用图型语言进行时间与空间的综合表达与分析；地学信息图谱则是应用地学分析的系列多维图解来描述现状，并通过建立时空模型来重建过去和虚拟未来[33]。也就是说，地学信息图谱不仅应用于数据采集和数据开发利用，而且服务于科学预测与决策方案的虚拟。地学信息图谱具有以下 4 个重要功能：①借助图谱可以反演和模拟时空变化，即可反演过去、预测未来；②可利用图的形象表达能力，对复杂现象进行简洁的表达；③多维的空间信息可展示在二维地图上，从而大大减小了模型模拟的复杂性；④在数学模型的建立过程中，图谱有助于模型构建者对空间信息及其过程的理解[35]。

6 讨论

事实上，许多科学家已经认识到了全球环境变化系统研究方法的重要性。例如，一些专家认为[36]，为了解决全球环境变化亟待解决的问题，必须重视以下几个最重要的方面：①优化卫星观测系统和地面监测网；②建立有效的地理信息系统，集成源于野外工作、航空照片、卫星影像和地图的有关数据；③构建和发展地球物理与生物过程模型、优化气候模型中的生物圈参数，以分析卫星观测的时间序列数据；④发展基于卫星观测数据、地理信息系统和分析模型的全球变化预测理论。有的专家

提出[37]，重建过去的生态景观过程、模拟当前的景观动态、分析其驱动因素、发展典型案例研究支撑的地理信息系统是最有前途的全球环境变化研究方法，数字影像处理、地理信息系统和数学模型的集成为我们更准确全面地监测和预测环境变化提供了新的可能性。

因为我们目前还没有精确、详细的全球尺度空间数据，所以空间抽样研究是全球变化研究的一个重要手段[1]。例如，根据土地覆盖变化的生态和社会经济敏感性以及我们现有的数据基础，我们可以首先对全球变化有重要意义的以下 4 个热点地区进行深入研究。

（1）黄河三角洲：它位于渤海湾和莱州湾的湾口，地处 37°20′～38°10′n、118°7′～119°10′e，属温带半湿润季风气候区。地下蕴藏着丰富的油气资源和其它沉积矿床，已建成我国第二个最大的石油工业基地。地面农业资源多种多样，拥有丰富的水沙资源、土地资源、草场资源和广阔的滩涂，生产潜力很大。但由于对黄河三角洲地区特殊的自然环境缺乏全面的认识，以及旱、涝、盐碱等不利因素的影响，生态平衡一度遭到破坏。为了为黄河三角洲的可持续发展建立遥感监测系统和资源与环境信息系统，1985 年 10 月国土资源卫星协调小组将黄河三角洲列为试验区之一[38]，到目前为止，已形成了较完整的时空动态遥感数据系列。

（2）珠江三角洲：珠江三角洲位于广东省中南部，濒临南海，是我国南亚热带最大的冲积平原。自 1978 年以来，成为我国层次最高、发展最快的改革开放先行地区[39]。未来的珠江三角洲将是一个经济快速发展、城乡融为一体的经济区和城市密集区[40]。为了保证珠江三角洲的可持续发展，我国即将启动珠江三角洲地区的 1∶1 万基础地理数据库建设，并运用 1m 分辨率以上的各种卫星数据，建立包括 1m 分辨率的资源、环境、社会和经济方面的多分辨率数据库。

（3）黄土高原：黄土高原水土流失非常严重，它不仅破坏了当地的生态环境，而且给黄河下游的海防带来了很大的威胁。为了全面了解土壤侵蚀状况和水土保持工作的进展情况，为综合治理和合理开发提供科学依据，1985 年我国起动了“黄土高原遥感系列制图”课题。根据调查结果将黄土高原分为剧烈侵蚀区、强烈侵蚀区、高强度侵蚀区、强度侵蚀区、中度侵蚀区和轻度侵蚀区、建立了黄土高原 1∶100000 资源与环境遥感调查数据库[41]。

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地学空间分析范文第5篇

关键词：GIS技术；地质找矿；优点； 应用

随着地质勘查工作的深入，工程建设规模的扩大，矿山的地质勘查深度及广度的不断拓展，勘察信息需要交流的速度也越来越快，这就迫切地需要一种方便快捷的手段作为勘查信息交流的载体，而GIS技术可以很好地满足这种需求。

一、地理信息系统（GIS）的概述

地理信息系统（即GIS技术）是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。它可以制作精度十分复杂的地形和地质图，并能对图形数据与各种专业数据进行一体化管理和空间分析查询，从而为多源信息的综合找矿预测提供了较为理想的平台。GIS技术改变了以往依靠传统手工图纸进行成矿数据管理、采集、处理与解释的方式，实现了各类海量数据进行集成、综合管理、快速处理与分析、可视化输出的现代化技术过程。

二、在地质找矿中GIS技术应用的优点

GIS技术强大的数据采集、分析、管理功能，为解决环境及资源问题提供了重要途径。在具体的地质找矿工作中，具有以下的优点：

1、完备的数据库系统。GIS技术是一种处理数据输入/出、图件产品的计算机软、硬件系统，它集采集、存储、管理、检索和综合分析各种地理空间信息为一体，涵盖了计算机的各种应用程序和各种地学信息数据，并且还可以有效地组织而成的现实空间信息模型。在地质找矿勘查工作中，地质人员可以通过输入空间材料的数据，形成各种模型，并且可以从视觉、计量和逻辑上对现实空间进行模拟、管理及预测；地质人员可以随意的抽取、组合、传输相关的空间信息，对各类数据所形成的图片进行仿真模型，有效地预测出成矿的规律及岩土成分。

2、先进的空间分析技术。GIS相较于传统找矿方式的主要优势即是其拥有卓越的空间分析技术，GIS的空间计算和分析功能可以对地质体系中的空间关系进行科学的定量定性分析。例如，GIS具有的叠加功能在矿产资源勘察中具有很高的应用频率，通过将各种图形信息进行重叠放置可以有效提取矿产信息，并对各项成矿信息进行严密的分析计算，而在重叠放置的过程中没有数量限制，可以有效纳入更多的数据信息，进而可以增加其计算精准度。

3、对图形的处理更加灵活。可以把GIS看作是一个图形处理和显示的系统。图形可以是矢量格式，也可以是栅格格式。在该系统中，包含有许多图形的算法，可以充分地实现图形的生成、修改、布局、装饰、显示、可视化等操作的需求。并且可以表达和描述复杂的空间实体，并且对所收集到的图形、图像数据和属性数据高度集成的地理信息系统数据库，为全面管理地质勘查找矿设计信息提供了可能，为建立完善的地质模型、预测成矿、地形特点等，提高了全面可靠的信息。GIS的可视化操作能力，为地质找矿勘查工作提供了一个可视化操作平台，为判断与决策提供了必要的信息数据支持。

4、强大的综合分析能力.GIS可以进行大量的数据模拟与分析，例如地震数据处理、遥感数据处理、地球化学数据处理等。为丰富多彩的空间信息分析与综合提供了有力的新工具。GIS的空间数据分析功能还有拓扑叠加、缓冲区分析数字地形分析等，为建立完善的专业设计、分析、评价、辅助决策模型提供了强有力的分析工具。

三、GIS技术在地质找矿成矿预测中的应用分析

GIS成矿预测的技术只适用于具备足够数量的已知矿床的地区，因为需要利用这些已知矿床来证实矿化的空间关系。然而，在工作程度较低的几乎不含有已知矿床的地区，则需要借助于概念方法来进行成矿预测，这种方法包括下述三个步骤：

1、建立知识库。首先需要建立导致矿床形成因素及过程的知识库，然后把它们转化为局域范围（数十公里）或区域范围（数百公里）的GIS成因准则。由于大多数矿床的面积都小于3kO，因而无论是在局域或大区域成矿预测中都不能直接提供目标矿床的位置。不过，大多数矿床都是多种地质过程共同作用的产物，其中的许多地质过程在这样的大范围内都是可以成图的。从而，分析某个地区的成矿潜力，很重要的一点是把矿床看作是一个完整的区域成矿系统中的一个微小部分。根据这种认识，成矿系统可以认为包括六个主要的组成部分：（1）驱动成矿系统的能源；（2）配位体的来源；（3）矿质的来源；（4）搬运通道；（5）圈闭区；（6）出流区。这种方法要求证实上述每个成矿分量可能促成矿化的潜在要素。

2、建立GIS数据库。条件优越的成矿地质、具有较多地学资料的区带要优先选择，或在重点勘查区优先试用地理信息系统（GIS）技术，只有在试行得以认可的基础上，才能使一套具有高度可行性的地理信息系统（GIS）系统的衡量标准得以建立，才能建设一个更具合理性和实用性的信息空间数据库建设，才能对信息进行综合分析。

3、开发评价成矿潜力的子程序。这一步骤涉及到发展和改进成矿预测的方法，主要有三个模块：（1）专用模拟模块。该模块实际上是一个简单的“黑箱”专家系统，它能使用户选择某个特殊的矿床类型以及包括研究区的某个GIS数据库的名称，该模块然后询问该GIS数据库并圈定满足全部矿床预测准则的区域。该模块的不足之处在于：A.必须定义矿床类型的特征，从而它不能圈定新的矿床类型的远景区；B.它要求以严格的方式建立区域数据库，所命名的所有专题和属性都必须与该专家系统数据库相同。（2）相互作用模拟模块。相互作用模拟模块更灵活，并能使地质人员在一套指定的专题中定义专门的搜索参数而建立用户模型。换句话说，该方法使地质人员能够定义构成某个未知矿床类型的异常岩石类型和其他地质特征；该模块要求用户具有广博的成矿系统的知识。完成分析以后，研究区内任何已知矿床都可用于检验相互作用模拟的结果。（3）类模拟模块。该模块用于检验矿化已知区域GIS内重要的地球物理异常。类模拟模块能使用户选择某个重要的地区并根据GIS数据库内所有专题的内容确定选择区的特殊地学显示，然后该模块证实具有类似特征的所有其他地区，最后产生一份二元图，把所选择的地区分成类似或不类似于该重要区的区域。

结束语

GIS技术在地质找矿中的应用日益成熟，从而对地质找矿人员提出更多的要求。一些标准化措施、工作规范会相继出现，研究人员应严格根据GIS分析要求采集原始数据，完成研究手段从通用GIS到专用GIS的根本转变。

参考文献

[1]吕增泰.地质勘查与找矿技术探析[J].中国高新技术企业，2010（ 12）

[2]王玉莉等.基于GIS技术的矿产资源信息化现状及分析[J].农业网络信息，2014（09）