现代自然地理学理论第四章地理学的基本研究方法.ppt

第四章 地理学的基本研究方法,第一节 常规方法 一、定性描述法与定量分析法 二、地理区划法 三、地理类型法 四、典型地段调查法 五、总结群众经验法 第二节 数学方法 第三节 系统分析法 第四节 GIS方法,第一节 常规方法5种 一、定性描述法与定量分析法,定性描述法是所有科学的基本研究方法之一，任何一门学科研究的成果也是定性描述的结果。特别是科学初创时期，更显得定性描述法的重要。定性描述法是地理学传统的研究方法，当然，为了使定性描述的内容更加确切，它并不排斥数量指标的应用。现代地理学的定性描述常常与定量分析法结合起来使用。具体表现为描述法和比较法，也常常结合起来使用。 自然特征的描述内容：地质、地貌、气候、水文、土壤、植被等，定性描述语言、定量指标、绝对量、相对量等。 经济发展水平的描述内容：经济部门、发展水平（绝对水平、相对水平）、存在问题、解决对策（相对宽泛和概括）与措施（相对具体）。 比如，陕西旅游资源比较丰富（定性语言），要有数量指标予以支撑：旅游业收入（绝对收入、在国内排名）、从业人数（绝对数量、排名）、旅游资源类型及吸引力等。,二、地理区划法,区划就是区域划分，也叫地域系统划分。 区划法是“空间性”研究的一个行之有效的方法，现在已有一整套的理论（目的、原则、依据、指标、方法）和等级单位系统。把这些具体方法应用到地理学问题研究中去，使地理学问题研究更加深化，反映地理学特有的区域差异。 研究一个地区的经济发展，不但要从整体上研究经济发展的总体特征，经济部门的发展现状和布局结构，而且要用区划的方法，从区域差异上研究经济发展与布局的区域差别，使经济发展的对策落实到具体的地域当中。 地理区划法还给我们提供了一个研究的思路。是地理学区域性观念的具体实施。,三、地理类型法,就是分类研究，这是群类归并分析的一个行之有效的方法，现有已有一整套的理论和分类等级单位系统。把类型归并的方法应用到地理学，尤其是资源研究中去，加强资源的类型研究，有助于各类资源的特征与评价的分析研究，是研究深化。 分类研究应该从分类的原则、依据、指标、分类系统的的思路来研究既定问题。,四、典型地段调查法,典型地段法是为了简化和深化地理学问题而采取的一种行之有效的方法。把一个大区域的问题，通过微小区域的典型地段研究，使研究的问题简单化；也正是把区域缩小，才使问题研究更加深入，有利于采用多种实验手段的数量方法。比如经济指标的抽样调查、经济问题的实证分析、自然特征和自然资源的典型地段调查等等。 典型地段法是从点到线、由线到面，实现区域研究目的的起始点和基本方法。 自然地理学的典型地段调查有综合剖面法、类型填图法等。 人文地理的典型地段调查有实证法、抽样法等，程序为： 目的与任务的确定，文献资料的收集与分析 地理社会调查（典型地段调查的实证、抽样） 数据和信息的处理与计算，建立地理模型 存在问题与解决对策分析，提出解决方案 验证与实施。,五、总结群众经验法,对于自然资源的利用、经济问题的解决、人类活动的行为取向，长期以来各地都积累了许多丰富的经验和方法，这对于开展地理研究很有帮助。我们可以通过总结群众的经验，来达到对地理问题的深入理解。 总结群众经验法具体可以表现为：问卷法、交谈法、访谈法、座谈法、访问法等。 对人们旅游行为的问卷调查：调查客源地、游客结构（职业结构、知识结构等）、客流量、逗留时间等。 农村经济发展的座谈法调查：收入来源、收入状况、产业结构、关心的问题、存在的问题、发展方向等。 土地利用的访问法、考察法调查： 土地名称群众命名 土地利用现状-群众经验总结 利用中的问题-群众经验总结,第二节 数学方法：3个问题：数学与定量化、地理与数学、数学建模,一、数学方法与定量化 数学是研究空间形式和数量关系的科学。其特点是具有很高的抽象性，不经过抽象就不能形成数学语言，而抽象就是人的一种思维。从这个意义上说，数学方法就是对人思维的模拟。 地理学研究的数学模拟，可分为： 直接模拟（直接模拟人的思维活动（如综合评判、分类、分区等）； 间接模拟（如土壤水分变化、农作物产量形成等过程或现象的数学模拟）。 数学抽象的表现力是有局限的。因为数学抽象概念和抽象形式总是带有某种片面和僵化，所以，不能认为运用了数学方法、经过数学计算(或经计算机处理)，所得的结论就是可靠的有效的。 而模拟的结果是否正确，归根结底要通过实践去验证。 数学方法促进了科学研究的定量化，具体表现有三：,1定量化与应用数学方法,应用数学方法首先必须定量化，进行数学模拟建立信息系统当然也必须首先定量化。 质和量是不可分割的，任一种性质总和一定的数量相关联。 决定质变的量可以称之为定性的模糊量。 从另一角度来说，以往地理学研究中常用的定性分等(分级)方法实际上也是一种定量，而且是分明的(确定性的)定量。虽然这种方法存在着较明显的缺点，但它毕竟是属于某一等级的事物就仅属于该等级而完全不属于其它任何别的等级，所以排中律在这里是完全的。 任何数量都有一个精度，而任何精度都有其相对性，不是绝对的。事实上，任何学科的任何规律都有其相应的精度，不及或超过这个相应的精度其结果也就不再正确。这个精度与研究深度和详细程度密切相关。不管对问题的研究深度和研究目的，单从数学方法上提高数值上的精度是没有意义的，有时甚至是错误的。,2定量化促进科学研究的现代化,研究的深入需要定量，定量需要应用数学方法。从最简单的排序、求平均到建立各种数学模型等都离不开数学方法。在现代科学研究及其成果的推广中，信息系统的建立与运用，是科学研究现代化的一个重要标志。 信息系统一般包括智能库、数据库、知识库三部分 ，是定量化促进科研现代化的重要手段。,3定量化有助于促使研究深化,人对任一事物的认识由浅入深的过程，一般经过4个阶段： 可意会却不能言传的感觉阶段； 能够在与别人交谈中口头(加上表情、声调等)表述； 能够用文字加以表达； (经过抽象概括)能用形式化的数学语言来表达。 应用数学方法“迫使”和有助于人们自觉地加速认识的深化。随着对问题研究的深入，人们运用数学语言表达的内容会越来越多。建立数学模型的过程实际上首先是对所论问题已有认识的归纳总结和条理化的过程，同时又是对所论问题的分析研究加深认识的过程。,二、数学方法与地理学研究 ：4个问题 1地理科学的特殊性,地理学是一门高度综合的科学，它是建立在多种基础学科之上的边缘学科，这就决定了地理学问题的研究深度和精度都受到基础学科的制约。 传统的地理学是一个经验学科。 地理学又是研究事物在时间和空间中分布及变化规律的学科。时间、空间的连续性必然带来中介性与过渡性。,2地理学与精确数学 运用精确数学的局限性,地理问题的模糊性：鉴于地理学学科研究的深度与精度的限制，在某一地理学问题中完全运用精确数学方法建立确定性的白箱模型是十分罕见的。 地理学问题的多元性与不确定性：是在地理学研究中应用精确数学的又一障碍。多元性带来的数学解的不确定性，这种不确定性是由于数学的局限性。当然众多有关因素的资料很难全部取得也是一大困难。,3地理学与数理统计 曙光与局限共存,数理统计是处理具有由随机性引起的不确定性问题的有力工具，在地理学中应用较为广泛，却有限制。 地理学研究对象具有极强的地域性和时序性，大多数过程是不可逆的，而且自然界中同类的地理事物(现象、过程等)发生的次数是有限的，被观察记录下来的就更少。加之因素的多元性，能够用作数理统计的样本数量一般都远不能满足大数定律的要求。 数理统计方法在地理学研究中的应用受到很大的限制。 严格地说，由于地理学问题可用于分析研究的资料数据在数量上常常不能使概率达到稳定，即不能满足数理统计的基础大数定律，应用数理统计方法得到的结果不能认为一定是确实可靠的。,4地理学与模糊数学 又开了一扇窗,模糊数学是描述和解决带有模糊性问题的数学工具。所谓模糊性是指一事物在某种程度上属于此的同时，在另一程度上属于彼。 模糊数学确实在解决实际问题中起到重要作用，并在应用中得到发展。尽管模糊数学至今尚没有为数学奠定一个新的基石(正因为如此，至今仍有人不承认模糊数学是数学的一个分支)。 对存在着大量模糊性问题的地理学，模糊数学应当有较大的用武之地。 当然，也有局限性。地理学研究的复杂性和综合性要求广博的知识，随着广度的增加，广与深的矛盾就越加突出，限制了地理学研究的深度，同时，也使模糊数学在地理学中的应用受到了限制。,三、数学模型的建立,数学模型：是针对或参照某种事物系统的特征或数量的相依关系，采用数学语言，概括地或近似地表述出来的一种数学结构。这种结构应该是借助数学概念和符号刻画出来的某种系统的纯关系结构。 纯关系结构：是指已经扬弃了一切与关系无本质联系的属性后的系统而言的。 数学模型是对人的思维本身或反映客观事物、客观规律的思维的模拟。但数学模型只能与现实原型具有相对的一致性。,数学模型建立（建模）的一般步骤4步,1确定数学模型类别 按所用的数学方法分为： 确定性数学模型 统计数学模型 模糊数学模型 按所研究问题的性质分为： 综合评判模型 动态仿真模型 优选模型 预测预报模型 按模型对问题反映的深度分为： 白箱模型 灰箱模型 黑箱模型,2确定主要因素和主要关系 必须考虑问题所属的系统并选择具有关键性作用的变量和对其量的关系进行考察，也就是说要抓住主要因素、主要关系。 3进行正确抽象 正确抽象是指使用恰当的数学概念、数学符号和数学表达式，形式化地表达所研究的问题。 正确的数学抽象包括从各因素的选取、标定，到整个数学模型建立的每个步骤。,4数学模型的检验,数学模型建成后，还必须把从数学模型分析得出的数学推论，返回到现实中去，看看能否正确地回答实际问题。而且还不能仅仅简单地根据建模所用的样本数据本身是否得出合理的结论或是否与已知结果一致，来判定模型的合理程度或是否有效。 检验数学模型是否可靠的一种简单有效的方法是假设检验。通常有： U-检验：在大样本（n30）且符合正态分布的情况下，检验随机变量的数学期望是否等于某一已知值的一种假设检验方法。 t-检验：在小样本（n30）且观察样本符合正态分布的情况下，检验随机变量的数学期望是否等于某一已知值的一种假设检验方法。 另外还有X2检验、F-检验、秩和检验等。 所建的数学模型不但必须较现实原型简单、明了，而且应该是越简单越好。在用数学模型解决实际问题时，总会有一定的误差，一个好的数学模型应该具备估计误差范围的功能。如果有两个以上的功能相同精度相仿的模型，则应以其中最简单的模型为最好的模型。,第三节 系统分析法,系统分析法是从地理系统的角度，运用数学方法，对地理学涉及的自然资源利用等问题进行系统地分析研究。 这种方法一方面使地理学研究趋于定量化，另一方面也使优化及预测能够得以实现。 数学方法较多，主要有数理统计法、线性规划法、动态预测法、层次分析法等。,1、系统分析的特点,（1）多学科：内容上多要素，需要知识人才上的多学科。 （2）多方案： 系统分析者不是决策者，系统分析者的任务是向决策者提供对某个问题解决的多种可行方案。如果系统分析者向决策者提供了唯一的可行方案，经常会由决策者无法接受，而又无其它选择，结果，使系统分析工作无效。 （3）定量和定性方法相结合 系统分析离不开数学模型，但是，所研究系统的要素目前并不是都能数量化的。因此，把系统分析理解为纯数量研究方法，就曲解了系统分析的本质，也就大大限制了系统分析方法的应用范围。 （4）系统综合不是多种学科的简单叠加 系统分析不仅要求它的具体工作能达到它所涉及学科的科学标准，而且经常提出在许多学科中尚未涉及的领域，或需要涉及到几个学科的边缘地带。,2 系统分析的工作步骤,步骤一 确定研究对象 步骤二提出解决方案 步骤三构造模型 步骤四评价（检验） 步骤五实施,第四节 GIS方法,意义： 1、GIS是地理综合的主要工具： 地理信息系统(GIS)技术从60年代产生至今，随着计算机技术的迅速发展和GIS应用领域的扩大和深入，GIS技术日臻成熟，其在自然地理研究中的应用也从初期的以空间数据的存取为主到多种空间分析模型的应用，以至最终将成为地理综合的主要工具。 2、自然地理研究的目的不外乎两个方面，均可应用GIS。 一是揭示地球表面各种空间现象和过程的规律； 二是为有关资源管理、环境整治和区域发展的决策服务。 3、GIS技术最大的应用市场在于市政设施管理 GIS在自然地理学研究中最大的应用领域也是在管理和决策领域，即资源管理和环境整治，而在地表过程模拟模型上的应用则相对较弱，但却是目前最活跃的研究领域。 下面谈7个问题：,一、GIS定义及优越性,定义多种多样，侧重点不同，反映了GIS技术的不同侧面。 侧重于系统结构的定义：地理信息系统是由特定的硬件和软件组成的专门处理地理空间数据的计算机系统。 侧重于系统功能的定义：地理信息系统是具有地理空间数据的输入、管理、分析和表达功能的数据处理系统。 对于地理工作者来讲，GIS技术是地图的延伸，也可以说是地理学家的工作平台。 GIS的优越性： 精确：它以数值的形式储存地理空间数据，比依赖于介质的纸绘地图来得精确； 迅速：通过GIS进行的空间查询和计算，其速度更快，远非手工可比； 容量大，空间分析功能强大：它可以将不同来源、不同比例尺、不同投影的数据综合在一起，更可以在统一的软件环境下构建和运行各种地理空间分析模型。,二、空间模型和数据模型 构建GIS数据库的关键,目前GIS技术中应用最广泛的还是它的数据库管理功能，而从空间数据库的角度来认识GIS技术，也是掌握这一技术最方便的突破口。 空间模型（空间特征）可由空间数据与属性数据表示： 从数学的角度上讲，地图是以三维矢量空间来描绘地物。其中二维用来刻画地物的空间特征，如位置和形状；另一维刻画地物的属性，如种类和大小等。 在地理信息系统中，空间两维特征形成空间数据，属性特征形成属性数据。 地物空间特征的表示方式有三种：点(井)、线(河流)和面(建筑物)。 GIS与纸绘地图最基本的差异： GIS完全用数值来刻画地物的空间位置和关系，而这一工作是由数据模型来完成的。 GIS的数据模型主要有两大类：栅格模型和矢量模型。 GIS是高度依赖于空间模型和数据模型的技术。 选择合适的空间模型和数据模型来表示研究对象，是运用GIS技术进行地理研究的第一步工作。采用不同的空间模型和数据模型影响着我们采集数据的方式、分析数据的方法及表达空间信息的形式。,三、属性数据的测度 影响数据分析的另一个重要因素,影响数据分析的另一个重要因素是GIS属性数据的测度(或测量)，即数量化的程度。 数据的测度包括： 类型数据 等级数据 等距数值数据 比率数值数据 不同测度的数据所能应用的代数运算和统计方法不同： 对于类型数据和等级数据，只能运用布尔代数(01逻辑)运算 多数数理统计方法也都要求等距或比率数值数据。,四、空间数据的精度,空间数据的精度指GIS刻画现实地物细部特征的能力。 纸绘地图的精度就是比例尺的大小，遥感图像的精度也就是分辨率的高低。 在纸绘地图上很难画出比0.2 mm更细的线条，这就决定了这种介质在给定的比例尺下所能刻划的最小地物的大小。 GIS坐标可以采用双精度(精确到小数点后15位)的数值，因此摆脱了纸绘地图线条粗细的技术限制。在计算机屏幕上，GIS图形几乎可以任意缩放，如果空间定位采用地面实际距离和坐标，则不受比例尺的限制。 GIS数据的精度决定于数据源的数据准确性。 GIS数据可以有多种来源，其中最普遍的是纸绘地图和遥感图像。用分辨率来表示空间数据的精度更为直观，而纸绘地图的比例尺可以遵循一定的规则转换为分辨率。 由于纸绘地图上的线宽一般为0.5 mm，因此比例尺为1:10万地图的有效分辨率约为1000000.5 mm，即50 m，比例尺为1:100万地图有效分辨率为500 m。 结论：一个研究项目可能需要收集许多不同来源和不同时段的空间数据，其分辨率亦会存在很大的差别。而忽视这些差别，将影响分析结果的有效性。,五、GIS数据库,空间数据和属性数据的结合构成某一主题的图层，多个图层组成GIS数据库。 如地貌图层、土壤图层和土地利用图层，关于某一研究区域的若干图层叠加，组成GIS的数据库。当这些图层具有相同的地图投影和坐标系统时，就可以很方便地进行基于空间位置或基于属性数据的信息查询，并可以进行跨图层的数据综合，产生新的图层。 分图层组织GIS数据库的方法（数据库组织功能）大大地方便了数据的提取和分析。 实际工作中常常存在这样的情况，即一个制图单元含多项属性数据或多项属性数据是按同一制图单元搜集的，如土壤质地、有机质含量及各种营养元素的含量往往来自同一土壤样品的化验结果，具有相同的制图单元，这时可利用GIS软件的关系数据库功能进行组织，使其共享同一图层，以节约存储空间和提高查询速度。,六、GIS的基本空间分析功能 GIS技术的最突出功能和最大魅力,对于地理工作者来讲，GIS技术的最大魅力在于其提供的空间分析工具。运用这些工具，研究人员可以开发出研究课题所需的空间分析模型。 以基于栅格数据模型的GIS系统为例，这些分析工具实质上是关于网格的属性数值和网格间相对位置的数学运算。运算逐格进行，数据来自一个或若干图层上的当前网格或与当前网格具有属性上的联系或一定的空间联系的网格。运算结果赋予当前网格，形成新的图层。 根据网格数据的空间搜寻范围的不同，运算具有三种操作形式，形成了GIS的三类基本空间分析工具： 局部操作：主要是关于当前网格数据的运算。 邻域操作：是关于当前网格一定距离内所有网格之数据的综合运算。 区域操作：是关于当前网格所在的地理区域内所有网格之数据的综合运算。,七、GIS技术的应用领域 资源管理和环境整治起到辅助支持的作用：4个领域,1、GIS技术与资源调查 自然资源调查的结果往往是地理空间数据，表达和储存这些数据的传统手段主要是地图。GIS对资源调查的技术支持主要表现在数据的管理上： 解决了因绘图介质变形造成的空间数据误差问题，有利于空间数据的长期保存； 查询快捷，便于数据更新； 方便了地图的拼接、分幅及投影转换，使大型地理空间数据库的建立成为可能。 遥感已成为目前资源调查的主要数据来源。对遥感图像的解译离不开地面知识，因此将遥感信息结合进GIS数据库，利用地面高程和土地覆被信息可以提高图像解译的效率和准确程度。,2、GIS技术与资源评价,GIS对资源评价的技术支持主要表现在数据重新分类和数据综合两个方面。 单要素评价是根据某种利用的要求对该项要素的数据进行的重新赋值。因评价方案的不同，赋值的方法或为分等法，或为依据一定规则进行的打分。 在GIS系统中，赋值是通过数据重新分类实现的。在矢量GIS系统中，只涉及对属性数据的操作；而在栅格系统中，则通过局部操作实现。 对多要素评价结果的综合，计算方法多种多样：如最小因素率法、要素两两比较法及模糊综合评判法等，但不外乎各要素值间的代数运算或逻辑运算。 在栅格GIS系