专家报告丨刘瑜教授：地理分析中的空间效应

点击蓝字关注我们

文章转载自微信公众号高校GIS论坛，版权归原作者及刊载媒体所有。

2021第九届高校GIS论坛，国家杰青、北京大学博雅教授刘瑜在论坛作特邀报告《地理分析中的空间效应》。

以下内容根据报告内容整理（未经本人确认）：

刘瑜教授作特邀报告

GIS&S和地理学的关系：为部门地理学研究提供数据整合和分析的方法和工具，从而强调地理学作为观测性学科的性质；为了达成上述目标，需要研究地理学基础概念和规律的形式化定义，通过体现“空间思维（spatial thinking）”，强化地理学作为一个统一学科的理论基础；借助于算法实现和信息系统软件开发，将地理学研究成果输出到其它领域，产生知识溢出，体现了地理学“经世致用”的特点。

地理学经常讲四大传统——空间传统、地球科学传统、区域传统、人地关系传统。这四大传统由不同的学科传承，地理信息学尤其强调传承了空间传统，侧重于地理规律的构建，以及规律的普适性和规律性之间的均衡，体现了一个空间思维。我们在做地理分析、空间分析的时候，需要考虑它的位置、配置、空间结构等，这是GIS人研究空间分析的一个基础概念。而地球科学传统、区域传统、人地关系传统，则被自然地理学、人文地理学等学科所传承。还有四种空间效应，即：空间异质性和普适性；空间依赖和空间自相关；空间交互和距离衰减效应；空间聚合和尺度效应。我们要有一个地理的分析方法，使得我们的研究有地理味儿。

1.空间异质性和普适性

空间异质性是地理学存在的一个重要基础，我们讲地理空间的时候，一个非常重要的特点就是不同的事物在不同的位置分布的特征是不一样的，它强调的是地理学的缘由。如果地理现象不存在空间异质性，地理学就没有存在的意义。比如，宋长青老师强调了地理空间绝对的差异性和相对的相似性，相对的相似性就是第一定律距离衰减的事情。

任何一个现代的科学都是在对现实世界进行归纳、推理、抽象建立的一般性准则，使得它能够有一定普适性，指导我们做更多的工作。而GIS在这个方面也做了很多的研究，比如我们会构造一些相对普适的法则，探究通用性。比如距离倒数权重插值法，不管是平原还是山地都能适用，这与朱教授提出的地理学第三定律是相似的，意味着这个地方能够建立一个地理法则。很多时候，我们就是在探索一种可平移、可迁移的法则。

但遗憾的是由于空间异质性的存在，对一般法则的探求往往会失败。普适性的基础上存在着异质性，这种分析哲学体现了二者之间的均衡。也就是说，地理学希望像物理学那样有一个通用的方法，但后来发现很难。那么，我们可以退而求其次，把特殊性变得更松弛，让规律性变得更多。

2.空间依赖和空间自相关

空间分布存在异质性，但也存在一定的规律。差异是绝对的，相似是相对的。所有地理现象的时空分布都可以抽象为一个场模型，如果没有空间依赖，我们几乎很难发现有价值的空间地理模式。Goodchild认为与空间异质性相比，TFL更像是“第二定律”。当然，国内认为异质性是更基本的，依赖是第二定律。我个人认为这更符合我们对地理现象表达的一种思维逻辑。

可以想象，如果我们的地理世界不是像空间依赖所呈现的一种有规律的分布的话，前者总结不出来任何有价值的模式，后者的规律是如此简单，以致于大部分地理学家会失业。几乎所有地理现象的分布都处于这两者之间，因此我们有非常多的研究议题，就像当年的舍费尔和哈特向之争，这是地理学研究的一个永恒命题。现在的AI在做机器学习时，就是在寻找学习的淡化边界，这与地理学的终极使命是完全一致的。

所以，我个人以为把AI引入到地理学中是一个非常重要的方向，对于这个问题的解决也有助于AI技术的提升。在AI技术中要体现这种空间效应，我们也开发了很多的指数、模型和算法来体现这种空间效应。另外，在构建空间分析时，要体现插值可行。地理加权回归、空间计量模型、特征向量空间滤波等，都是一系列体现空间效应的例子。
一般分析和地理空间分析，如果每个省的位置发生变化，Y=A+BX+E会变化吗？如果回归模型是一样的，那还需要考虑空间变化吗？如果回归模型不一样，空间配置格局会使得模型有所不同，实际上这种分析方法就被前面所讲到的空间计量模型和特征向量空间滤波所体现。为什么呢？因为用这种模型来计算，必须把空间依赖加进去，有助于我们更准确地表达现实世界规律的提取。

3.空间交互和距离衰减效应

当我们研究空间的时候，距离是非常重要的因素。距离使得所有的人、物在空间上的流动都要付出相应的成本。如果人能够瞬间转移的话，那么我们的世界也就是大同的。所以，大范围的地理分析就是通过引入距离而体现一种空间效应，称之为距离衰减。距离衰减在人文地理学中做的分析尤为多，整合了空间交互，这是一个非常重要的研究方向。

有一个非常好的方法和模型，可以把距离引入到分析方法里面去。比如，Levy模型，用模型描述个体的移动性，是个体层面的距离衰减。我们有很多的方法去度量距离，如欧氏距离、曼哈顿距离、运输距离、成本距离等，我们还有各种各样的函数，像负幂律函数、负指数函数等等，这些函数引进来有助于我们理解地理变量在空间上的流动。

在ICT时代，距离死亡了吗？我们发现距离还没有死掉，在信息中距离依然起到了很重要的影响。

4.空间聚合与尺度效应

地理学很重要的一个议题是它的分析往往没有很天然的单元，基于省、县边界来确定的分析结果，往往是依赖于边界线的划分。我们要发展多尺度的分析方法，发现在尺度变化中的不变性。同时，不确定性的地理语境也是一个很重要的议题。

我们需要一个统一框架，从空间开始有一级度量、二级度量，这些都形成了多核心的度量，在此基础上可以形成一个统一的表达框架，再把这些框架效应融合起来，最终有助于我们去构建一个理论化的分析方法和模型，有助于我们更好地把GIS的方法和工具引入进来。

为了提供更好的分析方法和工具，需要研究地理学更一般的共性问题，并加以形式化，从而在在计算机系统中加以实现。

点击文末“阅读原文”观看论坛直播回放。

投稿、转载、商务等合作请联系

微信号：huitiandi321

邮箱：[e-mail]

往期精彩推荐

《慧天地》敬告

    《慧天地》公众号聚焦国内外时空信息科技前沿、行业发展动态、跨界融合趋势，探索企业核心竞争力，传播测绘地理信息文化，为时空信息类相关专业学子提供日常学习、考研就业一站式服务，致力于打造政产学研金服用精准对接的平台。

    《慧天地》借鉴《读者》的办刊理念，力争把时空信息领域的精华内容汇聚到平台上。我们高度重视版权，对于精选的每一篇推文，都会在文章开头显著注明出处，以表达对作者和推文引用平台版权的充分尊重和感谢；对于来源于网络作者不明的优质作品，转载时如出现侵权，请后台留言，我们会及时删除。感谢大家一直以来对《慧天地》的关注和支持！

——《慧天地》运营团队

编辑：张希希 审核：欧雅玟

指导：万剑华教授