空間自相關(guān)方法及其在環(huán)境污染領(lǐng)域的應(yīng)用分析

周天墨，付 強(qiáng)，諸云強(qiáng)，胡卓瑋，楊 飛

（1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048；2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南開(kāi)封 475001）

一、引 言

空間自相關(guān)分析是探測(cè)不同尺度下要素空間分布格局、空間依賴程度的常用技術(shù)。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生態(tài)、地理、經(jīng)濟(jì)、土壤、測(cè)量、遙感、海洋、大氣等領(lǐng)域中，是研究二維和三維條件下連續(xù)隨機(jī)現(xiàn)象空間分布的主要方式。隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)峻，準(zhǔn)確、全面地獲取污染物空間相關(guān)程度、空間聚集模式及空間關(guān)聯(lián)距離等要素空間分布特征，對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題的深入研究、防治措施的科學(xué)制定均具有重要意義。由于環(huán)境污染具有廣泛性、擴(kuò)散性、潛伏性等特點(diǎn)，且污染物空間分布模式分析中應(yīng)考慮鄰近要素間的相互作用，因此需將空間自相關(guān)分析方法引入環(huán)境污染問(wèn)題的研究中。

筆者統(tǒng)計(jì)了截止至2012年8月，國(guó)際科學(xué)網(wǎng)（Web of Science）及中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）中收錄的空間自相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量（分別為5082篇和1115篇），其中空間自相關(guān)分析在環(huán)境污染領(lǐng)域中應(yīng)用相關(guān)主題的文獻(xiàn)僅101篇（Web of Science 81篇，CNKI 20篇）?？梢钥闯?，空間自相關(guān)分析作為衡量同一要素在不同地理位置上自相關(guān)特性的技術(shù)手段，雖然可較好地滿足污染物空間分析需求，但在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的環(huán)境污染研究中應(yīng)用較少。因此，本文在概要分析國(guó)內(nèi)外空間自相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)其在環(huán)境污染中的應(yīng)用現(xiàn)狀、特點(diǎn)及存在的問(wèn)題，進(jìn)而提出空間自相關(guān)分析在環(huán)境污染領(lǐng)域的應(yīng)用展望。

二、國(guó)內(nèi)外空間自相關(guān)分析應(yīng)用概述

空間自相關(guān)分析方法在國(guó)外的應(yīng)用較多且較成熟，尤其在生態(tài)［1］、地理［2］、大氣［3］、海洋［4］等領(lǐng)域。在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，空間自相關(guān)分析一般作為數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)手段之一，常用于獲取相應(yīng)要素的距離特征；在地理學(xué)領(lǐng)域，該方法一般用于研究要素的空間分布格局或模式，并可基于不同時(shí)期空間自相關(guān)分析結(jié)果的比較，宏觀了解要素或?qū)ο蟮牡乩矸植紶顟B(tài)或變化；在大氣和海洋領(lǐng)域，該方法多用于要素空間集聚和變化趨勢(shì)的研究，作為探索大氣或海洋環(huán)境中要素集聚規(guī)律、空間關(guān)聯(lián)模式隨時(shí)間變化分析的基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)的空間自相關(guān)研究起步較晚，主要集中在地理［5］、農(nóng)業(yè)［6］、經(jīng)濟(jì)［7］、測(cè)繪地理信息［8-9］等領(lǐng)域。在地理學(xué)領(lǐng)域，一般用空間自相關(guān)方法分析研究對(duì)象在特定區(qū)域的規(guī)律性現(xiàn)象；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，該方法主要用于不同尺度下農(nóng)業(yè)資源、土壤成分的空間自相關(guān)性和變異性分析，也用于要素相關(guān)距離、資源損失趨勢(shì)及變化路線等分析；在經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域，一般用于研究區(qū)域發(fā)展、經(jīng)濟(jì)水平、區(qū)域差異等經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，揭示區(qū)域經(jīng)濟(jì)格局的時(shí)空變化規(guī)律，為相關(guān)政策及措施的制定提供依據(jù)；測(cè)繪地理信息等領(lǐng)域的空間自相關(guān)分析方法多作為基礎(chǔ)空間統(tǒng)計(jì)分析手段，以研究誤差分布的空間關(guān)聯(lián)性或定位像元，并提高試驗(yàn)精度。

三、環(huán)境污染領(lǐng)域中的空間自相關(guān)分析方法

空間自相關(guān)分析在國(guó)內(nèi)環(huán)境污染領(lǐng)域的應(yīng)用較少，僅在大氣污染［10-12］、土壤污染［13-17］、水體污染［19-21］、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境污染的關(guān)系［22-23］等幾個(gè)方面開(kāi)展了一些研究。筆者對(duì)現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)環(huán)境污染領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行了總結(jié)分析，將研究方法分為主要方法與輔助方法兩大類。主要方法有地統(tǒng)計(jì)、空間自相關(guān)指標(biāo)、空間自相關(guān)與地統(tǒng)計(jì)相結(jié)合等方法；輔助方法有重心模型、緩沖區(qū)分析、Kriging插值、聚類分析、核密度函數(shù)等方法。

地統(tǒng)計(jì)方法多用于土壤污染研究，也用于水體污染物的研究，是污染物空間聚集模式研究的主要方法之一；空間自相關(guān)指標(biāo)方法廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染領(lǐng)域研究的眾多方面，相對(duì)來(lái)說(shuō)屬于通用型的空間自相關(guān)分析方法；空間自相關(guān)與地統(tǒng)計(jì)結(jié)合的方法則多用于土壤污染的研究。具體研究方法及應(yīng)用情況見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)環(huán)境污染領(lǐng)域空間自相關(guān)分析的研究方法及應(yīng)用情況

四、環(huán)境污染領(lǐng)域中的空間自相關(guān)分析方法問(wèn)題分析

環(huán)境污染領(lǐng)域中的各種空間自相關(guān)分析方法在原理、表現(xiàn)形式、空間分布結(jié)構(gòu)等方面有較大區(qū)別，尤其是地統(tǒng)計(jì)方法和空間自相關(guān)指標(biāo)方法，兩者的對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 地統(tǒng)計(jì)方法和空間自相關(guān)指標(biāo)對(duì)比

地統(tǒng)計(jì)方法具有以區(qū)域化常量為基礎(chǔ)、借助變異函數(shù)、考慮要素的空間方位性等特征［24］，借助半變異函數(shù)通過(guò)3個(gè)等級(jí)界定污染物的空間自相關(guān)程度［14］。半變異函數(shù)的塊金值與基臺(tái)值比可判定空間自相關(guān)在影響要素空間變異中所占的比例［13，16］，能為污染物空間相關(guān)性隨距離的變化趨勢(shì)選擇擬合函數(shù)提供參考，以揭示要素空間分布的結(jié)構(gòu)性和方向性特征［25］。此外，基于擬合參數(shù)進(jìn)行空間插值可提高插值精度，是土壤環(huán)境污染研究最常用的方法之一［26］。然而，地統(tǒng)計(jì)方法不能識(shí)別正負(fù)空間自相關(guān)，不能較好表達(dá)污染物的離散特征，這樣會(huì)造成空間關(guān)聯(lián)距離計(jì)算結(jié)果精度的下降［14-15］。

空間自相關(guān)指標(biāo)方法多采用Moran’s I指數(shù)、LISA及專題分析圖等進(jìn)行分析和成果表達(dá)。基于該法能夠識(shí)別污染物的正負(fù)空間自相關(guān)性，較準(zhǔn)確地獲取空間自相關(guān)距離，檢驗(yàn)結(jié)果的顯著性并進(jìn)行可視化顯示。將Moran’s I指數(shù)與滯后距離（步長(zhǎng)）相結(jié)合還能夠得到不同尺度下污染物空間自相關(guān)關(guān)系的變化特征，以科學(xué)制定污染防控措施。此外，不同時(shí)期的LISA分析能夠作為污染物擴(kuò)散、遷移和空間關(guān)聯(lián)分析的依據(jù)。總之，空間自相關(guān)指標(biāo)方法能夠進(jìn)行多尺度和多角度的空間自相關(guān)分析，是環(huán)境污染領(lǐng)域研究中通用性強(qiáng)、展示方式多的研究方法之一。

然而，地統(tǒng)計(jì)方法和空間自相關(guān)指標(biāo)方法均忽略了時(shí)間對(duì)污染物空間分布的影響，即分析時(shí)沒(méi)有考慮空間自相關(guān)的時(shí)間滯后性。另外，對(duì)于空間自相關(guān)指標(biāo)方法，污染物之間距離閾值的不同矩陣設(shè)置可能導(dǎo)致結(jié)果跟著矩陣變的情況，是該方法固有的矩陣選擇問(wèn)題。還有，現(xiàn)有空間自相關(guān)分析研究中使用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)多為空間化的統(tǒng)計(jì)資料或?qū)嵉卣{(diào)研數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)更新周期長(zhǎng)、地域針對(duì)性弱，僅適用于非緊急狀態(tài)下的環(huán)境污染空間分布的研究。此外，Moran散點(diǎn)圖和系數(shù)圖、LISA集聚圖、顯著性水平圖、半變異函數(shù)云圖等專業(yè)性較強(qiáng)，非專業(yè)人士難以理解，成果的推廣需要更多易于理解的表現(xiàn)形式，如暈渲圖、等值線圖的方式。最后，其他學(xué)科或領(lǐng)域的研究方法能夠?yàn)榄h(huán)境污染領(lǐng)域的空間自相關(guān)分析研究提供借鑒，如考慮時(shí)間滯后系數(shù)的時(shí)空自相關(guān)指標(biāo)［27］，能夠確定要素權(quán)重的模糊數(shù)學(xué)算法［28］，實(shí)時(shí)獲取的遙感影像［2］，等值線圖［3］；已廣泛應(yīng)用于測(cè)繪［29］、遙感［30］、地圖制圖學(xué)［31］、DEM 信息挖掘［32］等領(lǐng)域的表征樣本空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分形方法［18，24］等，為現(xiàn)有空間自相關(guān)分析常用方法進(jìn)行補(bǔ)充與佐證。

五、結(jié)束語(yǔ)

空間自相關(guān)分析方法能夠探索要素空間聚集模式、量測(cè)空間相關(guān)距離、發(fā)現(xiàn)潛在變化趨勢(shì)和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域中，能夠識(shí)別要素在研究區(qū)內(nèi)、不同尺度下的空間分布特征。近年來(lái)，環(huán)境污染領(lǐng)域的相關(guān)研究逐漸引入空間自相關(guān)分析方法，且多在大氣污染、土壤污染、水體污染、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境污染關(guān)系等方面。

環(huán)境污染領(lǐng)域中的空間自相關(guān)分析研究?；诘亟y(tǒng)計(jì)方法或空間自相關(guān)指標(biāo)方法實(shí)現(xiàn)。地統(tǒng)計(jì)方法能夠反映要素空間分布的結(jié)構(gòu)性和方向性特征，并為空間插值提供依據(jù)，是土壤污染相關(guān)研究中的常用方法之一?？臻g自相關(guān)指標(biāo)方法能夠檢驗(yàn)要素空間自相關(guān)分析結(jié)果的顯著性、識(shí)別空間自相關(guān)的正負(fù)性特征，并提供多種可視化形式，常用于水體污染、大氣污染、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境污染的關(guān)系、土壤污染等研究中。

雖然環(huán)境污染領(lǐng)域相關(guān)研究中的空間自相關(guān)分析方法具有較大的應(yīng)用潛力，但是如何改進(jìn)空間自相關(guān)權(quán)重矩陣、添加時(shí)間滯后系數(shù)、擴(kuò)展數(shù)據(jù)源、豐富可視化形式、引入其他學(xué)科和領(lǐng)域的方法仍是需要重視的問(wèn)題。

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