吳 伶，劉美玲

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

2019年中國地理信息產(chǎn)業(yè)大會發(fā)布的《中國地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告（2019）》顯示，我國地理信息產(chǎn)業(yè)近6 000億元，對空間信息技術(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)用類專業(yè)課程建設(shè)刻不容緩[2]。為促進地理空間信息應(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知和解決客觀世界復(fù)雜現(xiàn)實問題的能力。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]，同時又處于持續(xù)發(fā)展和完善過程中。作為空間分析的對象，地理實體或現(xiàn)象是一個動態(tài)發(fā)展過程，但受過去數(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)空間開展教學(xué)。隨著近年來地理空間數(shù)據(jù)來源和類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]，而面向地理時空大數(shù)據(jù)的空間分析理論與方法越來越受到重視。因此，為適應(yīng)當(dāng)前地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求以及社會對GIS畢業(yè)生創(chuàng)新實踐能力的要求，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)空間維度向動態(tài)時空維度發(fā)展，才能適應(yīng)科技發(fā)展和社會需求[6]。

1 地理時空大數(shù)據(jù)時代下GIS空間分析面臨的機遇與挑戰(zhàn)

隨著遙感、移動互聯(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)無所不在并實時采集地球上地理實體和人類活動的多維動態(tài)時空數(shù)據(jù)，為GIS空間分析提供了豐富的時空信息[5,7]。同時，時空信息處理技術(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]。地理時空大數(shù)據(jù)和時空信息處理技術(shù)為GIS空間分析從過去的側(cè)重靜態(tài)空間維度向動態(tài)時空維度發(fā)展提供了機遇：如將空間莫蘭指數(shù)擴展為時空莫蘭指數(shù)，分析地理空間實體之間的時空相關(guān)性；時空回歸統(tǒng)計方法可開展對時空交互作用的更深層次探討；時空動力學(xué)模型（如傳染病時空傳播模型）充分考察事件的時空特征，對事件的時間變化及空間分布影響展開分析和模擬；借助豐富的多尺度觀測數(shù)據(jù)，可描述不同時空尺度下地理實體和現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律和變化趨勢；借助社會感知時空大數(shù)據(jù)可實現(xiàn)人的時空行為模式認知等。而GIS空間分析向時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)模型表達地理實體時空特性，發(fā)展面向應(yīng)用的時空分析模擬方法，數(shù)字化動態(tài)、全局地描述地理實體和地理現(xiàn)象的空間特征，從而反映地理實體內(nèi)在規(guī)律和變化趨勢[11]。

大數(shù)據(jù)概念的誕生與發(fā)展將地理空間領(lǐng)域推進到一個新階段——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。但在研究對象（如個體間社交關(guān)系）、研究數(shù)據(jù)（無采樣框架的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）和研究范式（數(shù)據(jù)驅(qū)動、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。

上述機遇與挑戰(zhàn)說明，GIS空間分析從靜態(tài)空間維向動態(tài)時空維發(fā)展過程中，注重動態(tài)過程與大數(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空大數(shù)據(jù)的空間動態(tài)與過程和地理空間大數(shù)據(jù)分析等相關(guān)前沿知識的教學(xué)內(nèi)容，以拓展學(xué)生知識廣度和培養(yǎng)其時空分析思維。

2 GIS空間分析課程內(nèi)容建設(shè)

作為國內(nèi)較早設(shè)立地理信息科學(xué)專業(yè)的高校之一，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）開設(shè)的專業(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]，同時出版了配套實踐教學(xué)參考書《GIS空間分析實驗教程》[12]，便于學(xué)生更好地鞏固和擴展課堂講授內(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)實踐工作經(jīng)驗，開展了在應(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

空間分析的對象是地理空間實體，確切地說，是地理空間實體具有的空間特征，即空間位置、空間形態(tài)、空間關(guān)系、空間過程和尺度。相應(yīng)地，筆者圍繞地理空間特征對《GIS空間分析》課程教學(xué)內(nèi)容體系進行梳理、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題（空間特征與空間問題），隨后以地理空間特征為教學(xué)主線，以解決地理空間問題為導(dǎo)向，從空間位置和形態(tài)（空間量算與數(shù)據(jù)探測）、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（時空尺度分析）和空間過程（空間動態(tài)與過程）等幾方面展開教學(xué)。同時瞄準(zhǔn)專業(yè)發(fā)展動態(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，既浪費教學(xué)資源和師生精力，在課程總學(xué)時有限的情況下又不利于擴展專業(yè)前沿知識，因此在梳理課程知識內(nèi)容體系過程中，精簡或刪除了部分內(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)雜的時空過程?？臻g動態(tài)與過程分析即在對地理實體及其空間關(guān)系簡化和抽象基礎(chǔ)上，對地理現(xiàn)象過程進行模擬，分析其驅(qū)動機制，重建發(fā)展過程，并預(yù)測發(fā)展趨勢[8,11]。地理時空大數(shù)據(jù)則為空間動態(tài)與過程分析提供了豐富的時空信息。因此，空間動態(tài)與過程章節(jié)更新與涵蓋的教學(xué)內(nèi)容主要有：時空地統(tǒng)計基礎(chǔ)，簡要介紹當(dāng)前主流的時空地統(tǒng)計方法；時空數(shù)據(jù)可視化，直觀表達地理現(xiàn)象動態(tài)與過程；空間分布特征的時序分析，描述空間格局動態(tài)變化；變化統(tǒng)計分析，根據(jù)時空數(shù)據(jù)對變化的速度、頻率和范圍等進行統(tǒng)計分析；時空回歸統(tǒng)計，基于已知時空序列樣本數(shù)據(jù)建立時空回歸模型（如時空自回歸移動平均模型、貝葉斯時空模型），從而估算未觀測時空位置的數(shù)據(jù)值，并對時空交互作用開展更深層次探討；地理過程模擬，利用空間動態(tài)模型對地理現(xiàn)象的時間變化及空間分布展開模擬和預(yù)測。

地理空間大數(shù)據(jù)具有多源、異構(gòu)、動態(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)（對地觀測數(shù)據(jù)以及傳統(tǒng)地圖與空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)）外，介紹了其他幾種新型地理時空大數(shù)據(jù)，如業(yè)務(wù)運營數(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計算技術(shù)、云計算、深度學(xué)習(xí)算法等；最后簡要介紹基于GIS的社會感知計算，引導(dǎo)學(xué)生了解如何通過社會感知時空大數(shù)據(jù)認知人的時空行為模式。

2.3 以問題為導(dǎo)向的典型教學(xué)案例引入

《GIS空間分析》作為一門實踐應(yīng)用性強的課程，教學(xué)過程中應(yīng)以問題（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教學(xué)同時，盡量以學(xué)生熟悉或了解的日常生活和行業(yè)應(yīng)用問題為導(dǎo)向，在理論教學(xué)過程中引入典型應(yīng)用案例介紹GIS空間分析解決問題的思路與過程（表2）。筆者通過將典型應(yīng)用案例與理論知識點相融合，消除學(xué)生產(chǎn)生所學(xué)理論方法與實際應(yīng)用關(guān)系不大的錯覺，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的思維能力。

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)用的針對性實踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

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

表3 《GIS空間分析》課程實踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

該實踐教學(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)系與影響和空間動態(tài)與過程等主要地理空間問題，側(cè)重多種GIS空間分析方法的綜合應(yīng)用。同時，從加強專業(yè)領(lǐng)域前沿知識學(xué)習(xí)的角度出發(fā)，增加了時空數(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空大數(shù)據(jù)的社會感知計算等實踐內(nèi)容。另外，該實踐教學(xué)內(nèi)容還設(shè)置了與課堂實踐內(nèi)容相類似的開放式練習(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。實踐內(nèi)容有助于加深學(xué)生對GIS空間分析相關(guān)理論知識的理解，引導(dǎo)學(xué)生思考和發(fā)現(xiàn)與其日常生活息息相關(guān)的地理空間問題，培養(yǎng)學(xué)生將理論方法應(yīng)用于分析和解決實際問題的實踐和創(chuàng)新能力。

3 結(jié)語

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)專業(yè)發(fā)展動態(tài)和前沿，更新了地理時空大數(shù)據(jù)分析等前沿知識，設(shè)計了注重主次的教學(xué)內(nèi)容體系；在課堂教學(xué)過程中引入典型應(yīng)用案例，將應(yīng)用案例與理論知識相融合，介紹GIS空間分析方法解決問題的思路與過程；圍繞空間分析需解決的主要地理空間問題，設(shè)計了針對性強、取材廣泛的行業(yè)應(yīng)用實踐教學(xué)內(nèi)容。上述教學(xué)內(nèi)容改革探索實踐在夯實學(xué)生基礎(chǔ)，拓展知識廣度，提升學(xué)習(xí)興趣與積極性，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)操作軟件和解決實際問題的實踐能力，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)。