地理信息综合集成法的研究，本文主要内容关键词为：地理信息论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
【提要】 结合建立“甘肃中部地区剌槐适宜度和气候要素空间分布信息网”实例，运用综合集成法研究地理信息系统，探讨如何建成具有定位预报性能的数量化混合模型。文章对其建模系统，建模方法的特点、优点及信息定位处理技术进行了着重研究和分析。
【关键词】 地理信息系统 综合集成法 定位化模型 定位预服
1 引言
随着经济建设和现代科技、信息技术发展，地理信息系统（GEO-INFORMATIONSYSTEM，简称GIS）正在向开放、复杂、巨大系统的方向发展。我国著名科学家钱学森教授对之进行了归纳，特别是在1991年4月6日中国地理科学讨论会上发表了建立地理科学系统的建议，指出了这是与自然科学、社会科学、数学科学等九大现代科技体系部门并行的一个大部门。强调地指出了要用“从定性到定量的综合集成法”处理象地理系统这样的“开放的复杂巨系统”[1]。因此，其重要性不言而喻，需要多考虑的是认真地开发研制从定性到定量的综合集成法的子系统。为了尽快提高我国信息处理的生境定位技术水平，本文介绍一个具有定位预报性能的地理生态信息系统。
2 概述和原理
地理信息系统是一种处理空间或地理信息的计算机程序，其本质特征是数据库信息和分析。但它的最根本特点是每个数据项都按地理坐标来编码，即首先是定位，然后才是各种定性（分类）、定量的属性[2]“GIS”渊于地理学而其应用领域的迅增却已达到惊人的速度。例如地理信息和企业自身的经营信息被有机地统一到一起，操作人员可按数据库建立市场空间模型，从而为经营战略提供模拟实验，又例如，遥感技术因其具有覆盖面宽、多时相、多光谱等特点，以至成为相当理想的信息源而被推崇，多被结合构成性能更完备的“GIS”。诸如研究土地或人口的承载能力、环境评估的最优方案以及工程选址的可能性论证与辅助决策等，都有了一些简便的程序软件包可供使用[3]在“GERN”（中国生态系统网络）中，“GIS”也处于重要地位。一般而言，除了隐晦属性因子之外，均可按确切地点显示，或输出所获得的各类因子的信息，或确切格局。可以这样说，“GIS”技术现已成为创造现实社会新的空间结构和秩序进行综合分析、制作模型、作模拟实验从而作为制定计划和决策的重要手段。
定位预报的原理：通常解决信息贫乏问题或分析规律时，采用最多的是数学模拟。如理论模型、种群动态模型、管理模型、社会经济生态模型、生长量模型、全球环境模型等，这说明模型是很有用的。可是，辽阔区域的信息量大，而诸如气候要素和植物品种适宜度等大部分信息都受到隐晦性的限制而不易用遥控，调查和勘探的传感器，摄、录像机和化、物探等物体获得原始信息。例如，现有气象台站大多数设在县城附近，且分布不均，如何利用现有气象台站的气候资料去估算无资料地区不同高度测点的气象要素，使气候要素场的分布更接近于实际？对此，国内外的一些学者曾以不同的研究角度做了不少有创见性的工作。例如，德国巴登符腾堡州的立地学派曾提出用地理因子直接计算产量的设想和观点。略早一些，有用海拔、纬度作自变量。在数量地理问世后，模型中的自变量增加了定性项目，如坡度、地貌类型等。这些都属于地理因子，优点是来源充分，投入较少，应用方便，有利于可预报性。问题在于建立模型时，囿于传统的以相关性选定变量和强求模型简洁，而没有重视地理性变量的重要特点，以至使得生态属性信息的地理位置的定位内涵不够确切，从而使得可预报性、空间格局分异性的反映力以及定性分析的性能大大减弱。为此，我们进行有意识地改进，确定了对目标因子地理分布格局进行最完整模拟的思路，即强求各信息项确切格局和各个模型具备统一性。
3 地理空间模拟的方法步骤
当前生态工作已日趋引起人们的高度重视，其基础工作部分的信息处理技术水平也相应得到了发展。但是，信息处理的生境定位技术仍属薄弱环节，对生态因子空间分布的研究方面有必要开拓一条新途径。在研究对象方面对生态诸因子偏重于以气候为主。一般而言，气候要素和下垫面的相关很密切，而生态因子对所处的立地环境也密切相关。但下垫面和立地环境的信息都属于大比例尺地形图的测绘信息，因此，用它作自变量，其优点比通常沿用的自变量优越得多。下面我们以建立“甘肃中部地区刺槐适宜度和气候要素空间分布信息网”为例，对地理空间模拟的方法步骤作一概述。
3.1 收集资料
全面收集、整理该区气象台站地面基本气候资料、刺槐生长资料、16个县公里网点地理、地形信息三类原始数据，分别建立数据库，以供模拟和预报使用。在收集、整理资料时，我们主要作了如下特殊的技术处理。
3.1.1 采用高斯－克吕格坐标系。除收集该区57个气象台站的地理信息外，在1/53地形图上按5×5km查取纵坐标、横坐标、海拔、方位角、坡度和地貌类型。
3.1.2 方位角半角正弦转换。原数据中方位角是按角度制记录的，但不具备阴坡和阳坡两极分化的生态意义，故将方位角进行半角正弦转换，使其0°和360°的函数为0，逐渐至180°的函数为1，这样从数值上表达了阴阳坡的生态意义。其数学表达式为
Y=sin(α/2)·3.141592654/180(1)
其中y为转换值，α为坡度值。
3.1.3 极差标准化处理。为了使自变量的数量级一致，并避免微机的内存溢出，对变量进行极差标准化处理。
3.1.4 生长量函数结合采用具有统计稳定参数的综合生长量模型[3]，以提高工效和模拟精度。该模型的特色在于求解模型参数时，以迭代法对生长量一次完成最确切的拟合，结构简明适用。从我们研究结果看，树高生长量模型的残差平方和为0.6085，相关系数为0.9879，模型解析式为
3.2 建立定位化模型
用数量化理论[4]为依据，并使各模型间保持统一性，即各主要水、热气候资源和树种适宜度采用统一模式结构，只是树种适宜度模型增加一个树龄自变量。
建立定位化模型时，以纵、横坐标、海拔构成时空坐标系，以坡向、坡度和地貌类型修正曲面，即得通式
式中y为自变量，包括年降水、年气温、年相对湿度、稳定通过≥10℃活动积温、同期降水、年蒸发量和3～11月逐月降水、气温、相对湿度共33项；A为回归常数；A[,i]为回归系数；x[,i]为自变量，包括纵、横坐标、海拔和树龄；δ(k)为定性自变量，类目为梁、东坡、南坡、西坡、北坡、沟谷和平川地；ε为误差。
3.3 求解和检验
按增广短阵，用列主元高斯消去法求解。各个回归方程，都坚持严格进行统计检验和反馈。气候方面以位于山区的定西馋口林场28年气象观测资料作反馈检验，相对误差全都低于5%。剌槐回归方程的复相关系数r=0.97，显著性F=146.78，并且通过规律性的分析检验。
3.4 定位预报
3.4.1 部署预报点。利用1:50000地形图上的高斯－克吕格坐标系的公里网，按5×5km全面机械布点，以这种点为基本单元，共2404个点，逐点查取测绘信息，存入数据库。
3.4.2 定位预报。利用测算软件把各个预报点的测绘信息代入回归方程，即可计算出期望值。图面标注时，统一规定把各个单元的预报值标注在其相应小方格内的左上角。气候要素的期望值按气象观测记录细则表示。树种适宜度以同一树龄的高生长量“0”“1”、……“5”分别代表“不宜”、“最差”、“差”、“稍差”、“尚宜”、“适宜”，可由电脑绘图设备输出。当缺乏电脑绘图设备时，可用自编的图式打软件。
3.5 各类信息及处理
3.5.1 气候要素信息。气候模拟方面，所有预报资料按县份、气候要素，共528幅方格信息网图，覆盖了整个实验区。并根据此信息，采用模糊聚类分析进行分类，其树状的聚类系统适用于全区域或县份不同等级的多级分类。通过求相关矩阵、等价矩阵和树状结构图等一系列模糊聚类分析步骤后，可将本地区地理气候综合类型分成温凉半湿润、中温半干旱、中温干旱三大类型。
3.5.2 生态属性信息。(1)甘肃中部地区剌槐适宜度分布网。这是一种非专业人员一学就会的资料，适用于区划工作。由于便于携带，结合1:50000地形图，则可用于现场检查和指导。(2)甘肃黄土区树高生长过程曲线图。由该图的曲线显示了甘肃黄土区剌槐树高总生长过程。其逐年递减的情况是1～11龄为速生期，11～19龄渐缓，19龄以后渐趋停顿期。(3)甘肃黄土区剌槐适宜度与地理因子单相关图，该图的曲线显示了与纵坐标呈负相关，但在3820～4000km处略现马鞍形其后陡降与横坐标呈正相关在18420km处有峰值出现。海拔的影响呈负相关的递减，自1862m处渐陡，趋向低限。
3.5.3 资料综合。气候汇编与树种适宜度两类期望值的集合虽然都是独立的，但是由于有统一的基本单元和齐备的坐标，因此，可以用数据库的内部命令或自编的软件进行连接得到剌槐适宜度总表，它包括空间属性、资源属性、生态属性，从而阐明了生态系统与地理因子的关系及其规律。
4 分析和结论
第一，上述的子系统优点是使得信息的隐晦性、贫乏和分散问题都可以迎刃而解，增强了定位分析功能，并能完成多种因子的定位预报。预报性能较强，能批量地提供数据，而且，精度能达到应用要求，这就为决策提供了充分而有力的科学依据，提高宏观、相对微观和微观的指导作用。对国家定位网络信息处理等方面也都具有参考应用价值。再者是它的系统兼容性和信息共享性都较强，与遥感信息系统等大量功能、信息、数据库或图件都可以相互调用，增强了描述地理域内的生态与环境及有关因子间内在联系的空间表达能力，因此，应用领域较广、对农、林、牧、水利、水保及有关地学的国土整治、生态、环境和国土资源等研制信息系统都有参考应用价值。
第二，所产生定位信息的特点是足以均匀、全面而充分地覆盖整个大区域。应用领域广而信息共享性强。首先，能使气候要素和植物品种等类的分类和区划界线的勾绘较常规方法更完善、稳定。动态监测时，可方便而直观地按单元检索，并进行选点，组合的定位计算、量距、量积等图面作业，与大比例尺地形图结合应用时，层次可以叠加，既可减少重复劳动，提高工效，并缩短成图周期，又有利于评价、分析、对比选定最有希望的品种和技术措施，优化设计、决策和区划、规划方案。目前研制成的定位输出程序，能形成与高斯－克吕格坐标系一致的图形，使得查取、应用时，如若配合1/5万地形图一起使用就可以象使用地图一样获得直观的效果。此外，信息网点密度可控，适于不同等级和或大或小的地理域的应用。其次，改善了各学科、各行业的数据结构和格式不统一等不合理性，有利于资料、档案的统一管理。
第三，对于一个开放、复杂而巨大的地理系统来说，建立地理信息系统已具备了许多环节的应用研究，当务之急是结合软件工程技术，不断探索，使系统功能日臻完善，并具备较强的地理适应能力，为扩展地理科学体系作出贡献。
应当指出的是，虽然所建的数学模型通过了分析检验，但其计算结果还有一些不能完全代表山区所有地点的真实情况，这主要是因为现有模型的建立，使用的台站资料大多数分布在平川地区，这种属于资料代表性的误差只有在今后建立更多数量有代表性的山区气象站的基础上，才能得以解决。另外，还有树种样本资料有一部分缺少地理坐标而只能摒弃。因此，应该说应用综合集成法研究地理信息系统还处于初始阶段，诸如样本资料的完善、数据转换、系统模拟精度的提高，经验和理论的统一等方面有待继续研究。
（来稿日期：1994-11-7）