大數(shù)據(jù)時(shí)代下《GIS空間分析》課程內(nèi)容建設(shè)

吳 伶，劉美玲

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京 100083）

2019年中國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)大會(huì)發(fā)布的《中國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告（2019）》顯示，我國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)近6 000億元，對(duì)空間信息技術(shù)領(lǐng)域人才需求迅速增加[1]。因此，加快空間信息技術(shù)應(yīng)用類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程建設(shè)刻不容緩[2]。為促進(jìn)地理空間信息應(yīng)用，空間分析是將地理空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地理空間信息并進(jìn)一步利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。GIS空間分析理論、方法以及GIS軟件工具的迅速發(fā)展，大大提升了空間分析認(rèn)知和解決客觀世界復(fù)雜現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力。因此，《GIS空間分析》已成為眾多院校地理學(xué)、地理信息科學(xué)、以及遙感科學(xué)等專(zhuān)業(yè)的核心課程之一[3]。

空間分析思想的歷史悠久，內(nèi)容豐富[4]，同時(shí)又處于持續(xù)發(fā)展和完善過(guò)程中。作為空間分析的對(duì)象，地理實(shí)體或現(xiàn)象是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，但受過(guò)去數(shù)據(jù)源和分析方法與技術(shù)等限制，《GIS空間分析》課程著重面向靜態(tài)空間開(kāi)展教學(xué)。隨著近年來(lái)地理空間數(shù)據(jù)來(lái)源和類(lèi)型多元化以及信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，使得地理空間數(shù)據(jù)獲取、處理和分析方法都發(fā)生了巨大變革[5]，而面向地理時(shí)空大數(shù)據(jù)的空間分析理論與方法越來(lái)越受到重視。因此，為適應(yīng)當(dāng)前地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求以及社會(huì)對(duì)GIS畢業(yè)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的要求，亟需梳理、更新和完善《GIS空間分析》課程教學(xué)內(nèi)容，將GIS空間分析教學(xué)從側(cè)重靜態(tài)空間維度向動(dòng)態(tài)時(shí)空維度發(fā)展，才能適應(yīng)科技發(fā)展和社會(huì)需求[6]。

1 地理時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代下GIS空間分析面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

隨著遙感、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，這些技術(shù)無(wú)所不在并實(shí)時(shí)采集地球上地理實(shí)體和人類(lèi)活動(dòng)的多維動(dòng)態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù)，為GIS空間分析提供了豐富的時(shí)空信息[5,7]。同時(shí)，時(shí)空信息處理技術(shù)的快速發(fā)展（如深度學(xué)習(xí)等）也為GIS空間分析方法與技術(shù)的發(fā)展提供了支撐[8-10]。地理時(shí)空大數(shù)據(jù)和時(shí)空信息處理技術(shù)為GIS空間分析從過(guò)去的側(cè)重靜態(tài)空間維度向動(dòng)態(tài)時(shí)空維度發(fā)展提供了機(jī)遇：如將空間莫蘭指數(shù)擴(kuò)展為時(shí)空莫蘭指數(shù)，分析地理空間實(shí)體之間的時(shí)空相關(guān)性；時(shí)空回歸統(tǒng)計(jì)方法可開(kāi)展對(duì)時(shí)空交互作用的更深層次探討；時(shí)空動(dòng)力學(xué)模型（如傳染病時(shí)空傳播模型）充分考察事件的時(shí)空特征，對(duì)事件的時(shí)間變化及空間分布影響展開(kāi)分析和模擬；借助豐富的多尺度觀測(cè)數(shù)據(jù)，可描述不同時(shí)空尺度下地理實(shí)體和現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律和變化趨勢(shì)；借助社會(huì)感知時(shí)空大數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)人的時(shí)空行為模式認(rèn)知等。而GIS空間分析向時(shí)空維拓展也更符合空間分析的根本目標(biāo)，即建立有效的空間數(shù)據(jù)模型表達(dá)地理實(shí)體時(shí)空特性，發(fā)展面向應(yīng)用的時(shí)空分析模擬方法，數(shù)字化動(dòng)態(tài)、全局地描述地理實(shí)體和地理現(xiàn)象的空間特征，從而反映地理實(shí)體內(nèi)在規(guī)律和變化趨勢(shì)[11]。

大數(shù)據(jù)概念的誕生與發(fā)展將地理空間領(lǐng)域推進(jìn)到一個(gè)新階段——地理空間數(shù)據(jù)科學(xué)。傳統(tǒng)地理空間數(shù)據(jù)分析方法針對(duì)采樣框架下的結(jié)構(gòu)和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)建立模型，已形成了豐富的理論體系與技術(shù)方法。但在研究對(duì)象（如個(gè)體間社交關(guān)系）、研究數(shù)據(jù)（無(wú)采樣框架的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）和研究范式（數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、全數(shù)據(jù)模式等）都發(fā)生極大變化的地理空間數(shù)據(jù)科學(xué)階段，GIS空間分析仍面臨新的挑戰(zhàn)，需建立新的理論、方法與技術(shù)體系。

上述機(jī)遇與挑戰(zhàn)說(shuō)明，GIS空間分析從靜態(tài)空間維向動(dòng)態(tài)時(shí)空維發(fā)展過(guò)程中，注重動(dòng)態(tài)過(guò)程與大數(shù)據(jù)分析等方面研究。因此，《GIS空間分析》課程有必要更新和完善面向地理時(shí)空大數(shù)據(jù)的空間動(dòng)態(tài)與過(guò)程和地理空間大數(shù)據(jù)分析等相關(guān)前沿知識(shí)的教學(xué)內(nèi)容，以拓展學(xué)生知識(shí)廣度和培養(yǎng)其時(shí)空分析思維。

2 GIS空間分析課程內(nèi)容建設(shè)

作為國(guó)內(nèi)較早設(shè)立地理信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)的高校之一，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)核心課程《GIS空間分析》教學(xué)內(nèi)容設(shè)置在2016年新修訂大綱中得到了進(jìn)一步提升。該課程配套教材《GIS空間分析（第三版）》更新和完善了相關(guān)內(nèi)容[11]，同時(shí)出版了配套實(shí)踐教學(xué)參考書(shū)《GIS空間分析實(shí)驗(yàn)教程》[12]，便于學(xué)生更好地鞏固和擴(kuò)展課堂講授內(nèi)容。筆者基于上述框架，結(jié)合自身十余年學(xué)習(xí)科研基礎(chǔ)和四年教學(xué)實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展了在應(yīng)用型空間信息技術(shù)人才培養(yǎng)需求和學(xué)科發(fā)展雙重驅(qū)動(dòng)下的《GIS空間分析》課程教學(xué)內(nèi)容建設(shè)。

2.1 以地理空間特征為主線的教學(xué)內(nèi)容梳理

空間分析的對(duì)象是地理空間實(shí)體，確切地說(shuō)，是地理空間實(shí)體具有的空間特征，即空間位置、空間形態(tài)、空間關(guān)系、空間過(guò)程和尺度。相應(yīng)地，筆者圍繞地理空間特征對(duì)《GIS空間分析》課程教學(xué)內(nèi)容體系進(jìn)行梳理、更新和完善（表1）。該教學(xué)內(nèi)容體系在概述GIS空間分析的基礎(chǔ)上（空間分析與GIS），介紹了地理空間特征和空間分析所需解決的主要空間問(wèn)題（空間特征與空間問(wèn)題），隨后以地理空間特征為教學(xué)主線，以解決地理空間問(wèn)題為導(dǎo)向，從空間位置和形態(tài)（空間量算與數(shù)據(jù)探測(cè)）、空間關(guān)系（位置與幾何關(guān)系分析、空間相關(guān)性分析）、空間尺度（時(shí)空尺度分析）和空間過(guò)程（空間動(dòng)態(tài)與過(guò)程）等幾方面展開(kāi)教學(xué)。同時(shí)瞄準(zhǔn)專(zhuān)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)和前沿，增加地理空間大數(shù)據(jù)分析的教學(xué)內(nèi)容。由于其他課程教學(xué)也涉及空間分析相關(guān)內(nèi)容，存在重復(fù)教學(xué)現(xiàn)象，既浪費(fèi)教學(xué)資源和師生精力，在課程總學(xué)時(shí)有限的情況下又不利于擴(kuò)展專(zhuān)業(yè)前沿知識(shí)，因此在梳理課程知識(shí)內(nèi)容體系過(guò)程中，精簡(jiǎn)或刪除了部分內(nèi)容，如三維空間分析，其在《三維GIS》課程中會(huì)更深入地講授。

表1 《GIS空間分析》課程大綱與主要內(nèi)容

2.2 面向地理時(shí)空大數(shù)據(jù)分析的教學(xué)內(nèi)容更新

任何一種地理要素或現(xiàn)象都伴隨著復(fù)雜的時(shí)空過(guò)程?？臻g動(dòng)態(tài)與過(guò)程分析即在對(duì)地理實(shí)體及其空間關(guān)系簡(jiǎn)化和抽象基礎(chǔ)上，對(duì)地理現(xiàn)象過(guò)程進(jìn)行模擬，分析其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，重建發(fā)展過(guò)程，并預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)[8,11]。地理時(shí)空大數(shù)據(jù)則為空間動(dòng)態(tài)與過(guò)程分析提供了豐富的時(shí)空信息。因此，空間動(dòng)態(tài)與過(guò)程章節(jié)更新與涵蓋的教學(xué)內(nèi)容主要有：時(shí)空地統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，簡(jiǎn)要介紹當(dāng)前主流的時(shí)空地統(tǒng)計(jì)方法；時(shí)空數(shù)據(jù)可視化，直觀表達(dá)地理現(xiàn)象動(dòng)態(tài)與過(guò)程；空間分布特征的時(shí)序分析，描述空間格局動(dòng)態(tài)變化；變化統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)時(shí)空數(shù)據(jù)對(duì)變化的速度、頻率和范圍等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；時(shí)空回歸統(tǒng)計(jì)，基于已知時(shí)空序列樣本數(shù)據(jù)建立時(shí)空回歸模型（如時(shí)空自回歸移動(dòng)平均模型、貝葉斯時(shí)空模型），從而估算未觀測(cè)時(shí)空位置的數(shù)據(jù)值，并對(duì)時(shí)空交互作用開(kāi)展更深層次探討；地理過(guò)程模擬，利用空間動(dòng)態(tài)模型對(duì)地理現(xiàn)象的時(shí)間變化及空間分布展開(kāi)模擬和預(yù)測(cè)。

地理空間大數(shù)據(jù)具有多源、異構(gòu)、動(dòng)態(tài)、海量、非（半）結(jié)構(gòu)化等特征[7,11]，其要求有與傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)不同的數(shù)據(jù)分析方法。地理空間大數(shù)據(jù)分析章節(jié)延伸主要內(nèi)容有：除傳統(tǒng)地理空間數(shù)據(jù)（對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)以及傳統(tǒng)地圖與空間數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)）外，介紹了其他幾種新型地理時(shí)空大數(shù)據(jù)，如業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等，并講授地理空間大數(shù)據(jù)特征及其分析模式與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的區(qū)別；從軟硬件兩方面讓學(xué)生了解地理空間大數(shù)據(jù)分析策略與方法，如GPU計(jì)算技術(shù)、云計(jì)算、深度學(xué)習(xí)算法等；最后簡(jiǎn)要介紹基于GIS的社會(huì)感知計(jì)算，引導(dǎo)學(xué)生了解如何通過(guò)社會(huì)感知時(shí)空大數(shù)據(jù)認(rèn)知人的時(shí)空行為模式。

2.3 以問(wèn)題為導(dǎo)向的典型教學(xué)案例引入

《GIS空間分析》作為一門(mén)實(shí)踐應(yīng)用性強(qiáng)的課程，教學(xué)過(guò)程中應(yīng)以問(wèn)題（或背景）為導(dǎo)向，介紹相關(guān)理論、方法與技術(shù)。因此，筆者在注重理論知識(shí)教學(xué)同時(shí)，盡量以學(xué)生熟悉或了解的日常生活和行業(yè)應(yīng)用問(wèn)題為導(dǎo)向，在理論教學(xué)過(guò)程中引入典型應(yīng)用案例介紹GIS空間分析解決問(wèn)題的思路與過(guò)程（表2）。筆者通過(guò)將典型應(yīng)用案例與理論知識(shí)點(diǎn)相融合，消除學(xué)生產(chǎn)生所學(xué)理論方法與實(shí)際應(yīng)用關(guān)系不大的錯(cuò)覺(jué)，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的思維能力。

表2 《GIS空間分析》課程（部分）典型教學(xué)案例

2.4 面向行業(yè)應(yīng)用的針對(duì)性實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)空間分析相關(guān)教材主要有以側(cè)重原理方法和實(shí)例操作為主的兩類(lèi)教材[13]，但每類(lèi)教材都存在不能將理論與實(shí)踐充分結(jié)合的缺陷。本課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容以SuperMap GIS軟件為實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，圍繞空間分析所需解決的主要地理空間問(wèn)題，以緊扣課程教材內(nèi)容的配套實(shí)驗(yàn)參考書(shū)《GIS空間分析實(shí)驗(yàn)教程》為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了針對(duì)性強(qiáng)的行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容（表3），促進(jìn)了理論和實(shí)踐的有機(jī)融合。

表3 《GIS空間分析》課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

該實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容取材廣泛，涉及人口、資源、環(huán)境、應(yīng)急、交通、選址規(guī)劃等眾多領(lǐng)域，并涵蓋了空間分布與格局、資源配置與規(guī)劃、空間關(guān)系與影響和空間動(dòng)態(tài)與過(guò)程等主要地理空間問(wèn)題，側(cè)重多種GIS空間分析方法的綜合應(yīng)用。同時(shí)，從加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域前沿知識(shí)學(xué)習(xí)的角度出發(fā)，增加了時(shí)空數(shù)據(jù)分析、地理空間大數(shù)據(jù)分析以及基于新型地理時(shí)空大數(shù)據(jù)的社會(huì)感知計(jì)算等實(shí)踐內(nèi)容。另外，該實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容還設(shè)置了與課堂實(shí)踐內(nèi)容相類(lèi)似的開(kāi)放式練習(xí)題，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)操作軟件的能力和空間思維與創(chuàng)造能力。實(shí)踐內(nèi)容有助于加深學(xué)生對(duì)GIS空間分析相關(guān)理論知識(shí)的理解，引導(dǎo)學(xué)生思考和發(fā)現(xiàn)與其日常生活息息相關(guān)的地理空間問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生將理論方法應(yīng)用于分析和解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以地理空間特征為教學(xué)主線，系統(tǒng)梳理了《GIS空間分析》課程教學(xué)內(nèi)容，并以適應(yīng)應(yīng)用型地理信息人才培養(yǎng)需求和學(xué)科發(fā)展為導(dǎo)向，瞄準(zhǔn)專(zhuān)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)和前沿，更新了地理時(shí)空大數(shù)據(jù)分析等前沿知識(shí)，設(shè)計(jì)了注重主次的教學(xué)內(nèi)容體系；在課堂教學(xué)過(guò)程中引入典型應(yīng)用案例，將應(yīng)用案例與理論知識(shí)相融合，介紹GIS空間分析方法解決問(wèn)題的思路與過(guò)程；圍繞空間分析需解決的主要地理空間問(wèn)題，設(shè)計(jì)了針對(duì)性強(qiáng)、取材廣泛的行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。上述教學(xué)內(nèi)容改革探索實(shí)踐在夯實(shí)學(xué)生基礎(chǔ)，拓展知識(shí)廣度，提升學(xué)習(xí)興趣與積極性，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)操作軟件和解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐能力，以及培養(yǎng)其空間思維創(chuàng)新能力等方面都取得了較好的效果，為培養(yǎng)面向地理信息產(chǎn)業(yè)需求的應(yīng)用型空間信息技術(shù)人才奠定了基礎(chǔ)。