周天墨，付 強，諸云強，胡卓瑋，楊 飛

（1.首都師范大學資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點實驗室，北京 100048；2.中國科學院地理科學與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100101；3.河南大學環(huán)境與規(guī)劃學院，河南開封 475001）

一、引 言

空間自相關(guān)分析是探測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、土壤、測量、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)隨機現(xiàn)象空間分布的主要方式。隨著環(huán)境污染的日益嚴峻，準確、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，對環(huán)境污染問題的深入研究、防治措施的科學制定均具有重要意義。由于環(huán)境污染具有廣泛性、擴散性、潛伏性等特點，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)境污染問題的研究中。

筆者統(tǒng)計了截止至2012年8月，國際科學網(wǎng)（Web of Science）及中國知網(wǎng)（CNKI）中收錄的空間自相關(guān)文獻數(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、特點及存在的問題，進而提出空間自相關(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)模式隨時間變化分析的基礎(chǔ)。

國內(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［7］、測繪地理信息［8-9］等領(lǐng)域。在地理學領(lǐng)域，一般用空間自相關(guān)方法分析研究對象在特定區(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、資源損失趨勢及變化路線等分析；在經(jīng)濟學領(lǐng)域，一般用于研究區(qū)域發(fā)展、經(jīng)濟水平、區(qū)域差異等經(jīng)濟問題，揭示區(qū)域經(jīng)濟格局的時空變化規(guī)律，為相關(guān)政策及措施的制定提供依據(jù)；測繪地理信息等領(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)濟發(fā)展與環(huán)境污染的關(guān)系［22-23］等幾個方面開展了一些研究。筆者對現(xiàn)有的國內(nèi)環(huán)境污染領(lǐng)域的文獻進行了總結(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、空間自相關(guān)指標、空間自相關(guān)與地統(tǒng)計相結(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，相對來說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)用情況見表1。

表1 國內(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)計方法和空間自相關(guān)指標方法，兩者的對比見表2。

表2 地統(tǒng)計方法和空間自相關(guān)指標對比

地統(tǒng)計方法具有以區(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3個等級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)計方法不能識別正負空間自相關(guān)，不能較好表達污染物的離散特征，這樣會造成空間關(guān)聯(lián)距離計算結(jié)果精度的下降［14-15］。

空間自相關(guān)指標方法多采用Moran’s I指數(shù)、LISA及專題分析圖等進行分析和成果表達?；谠摲軌蜃R別污染物的正負空間自相關(guān)性，較準確地獲取空間自相關(guān)距離，檢驗結(jié)果的顯著性并進行可視化顯示。將Moran’s I指數(shù)與滯后距離（步長）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，以科學制定污染防控措施。此外，不同時期的LISA分析能夠作為污染物擴散、遷移和空間關(guān)聯(lián)分析的依據(jù)。總之，空間自相關(guān)指標方法能夠進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、展示方式多的研究方法之一。

然而，地統(tǒng)計方法和空間自相關(guān)指標方法均忽略了時間對污染物空間分布的影響，即分析時沒有考慮空間自相關(guān)的時間滯后性。另外，對于空間自相關(guān)指標方法，污染物之間距離閾值的不同矩陣設(shè)置可能導致結(jié)果跟著矩陣變的情況，是該方法固有的矩陣選擇問題。還有，現(xiàn)有空間自相關(guān)分析研究中使用的試驗數(shù)據(jù)多為空間化的統(tǒng)計資料或?qū)嵉卣{(diào)研數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)更新周期長、地域針對性弱，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，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，其他學科或領(lǐng)域的研究方法能夠為環(huán)境污染領(lǐng)域的空間自相關(guān)分析研究提供借鑒，如考慮時間滯后系數(shù)的時空自相關(guān)指標［27］，能夠確定要素權(quán)重的模糊數(shù)學算法［28］，實時獲取的遙感影像［2］，等值線圖［3］；已廣泛應(yīng)用于測繪［29］、遙感［30］、地圖制圖學［31］、DEM 信息挖掘［32］等領(lǐng)域的表征樣本空間結(jié)構(gòu)特點的分形方法［18，24］等，為現(xiàn)有空間自相關(guān)分析常用方法進行補充與佐證。

五、結(jié)束語

空間自相關(guān)分析方法能夠探索要素空間聚集模式、量測空間相關(guān)距離、發(fā)現(xiàn)潛在變化趨勢和風險區(qū)域，廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域中，能夠識別要素在研究區(qū)內(nèi)、不同尺度下的空間分布特征。近年來，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)計方法或空間自相關(guān)指標方法實現(xiàn)。地統(tǒng)計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)指標方法能夠檢驗要素空間自相關(guān)分析結(jié)果的顯著性、識別空間自相關(guān)的正負性特征，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，但是如何改進空間自相關(guān)權(quán)重矩陣、添加時間滯后系數(shù)、擴展數(shù)據(jù)源、豐富可視化形式、引入其他學科和領(lǐng)域的方法仍是需要重視的問題。

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