大数据时代下《GIS空间分析》课程内容建设

吴 伶，刘美玲

（1.中国地质大学（北京）信息工程学院，北京 100083）

2019年中国地理信息产业大会发布的《中国地理信息产业发展报告（2019）》显示，我国地理信息产业近6 000亿元，对空间信息技术领域人才需求迅速增加[1]。因此，加快空间信息技术应用类专业课程建设刻不容缓[2]。为促进地理空间信息应用，空间分析是将地理空间数据转化为地理空间信息并进一步利用的关键环节。GIS空间分析理论、方法以及GIS软件工具的迅速发展，大大提升了空间分析认知和解决客观世界复杂现实问题的能力。因此，《GIS空间分析》已成为众多院校地理学、地理信息科学、以及遥感科学等专业的核心课程之一[3]。

空间分析思想的历史悠久，内容丰富[4]，同时又处于持续发展和完善过程中。作为空间分析的对象，地理实体或现象是一个动态发展过程，但受过去数据源和分析方法与技术等限制，《GIS空间分析》课程着重面向静态空间开展教学。随着近年来地理空间数据来源和类型多元化以及信息处理技术的快速发展，使得地理空间数据获取、处理和分析方法都发生了巨大变革[5]，而面向地理时空大数据的空间分析理论与方法越来越受到重视。因此，为适应当前地理信息产业发展需求以及社会对GIS毕业生创新实践能力的要求，亟需梳理、更新和完善《GIS空间分析》课程教学内容，将GIS空间分析教学从侧重静态空间维度向动态时空维度发展，才能适应科技发展和社会需求[6]。

1 地理时空大数据时代下GIS空间分析面临的机遇与挑战

随着遥感、移动互联网、传感器网络、物联网等技术的快速发展，这些技术无所不在并实时采集地球上地理实体和人类活动的多维动态时空数据，为GIS空间分析提供了丰富的时空信息[5,7]。同时，时空信息处理技术的快速发展（如深度学习等）也为GIS空间分析方法与技术的发展提供了支撑[8-10]。地理时空大数据和时空信息处理技术为GIS空间分析从过去的侧重静态空间维度向动态时空维度发展提供了机遇：如将空间莫兰指数扩展为时空莫兰指数，分析地理空间实体之间的时空相关性；时空回归统计方法可开展对时空交互作用的更深层次探讨；时空动力学模型（如传染病时空传播模型）充分考察事件的时空特征，对事件的时间变化及空间分布影响展开分析和模拟；借助丰富的多尺度观测数据，可描述不同时空尺度下地理实体和现象的内在规律和变化趋势；借助社会感知时空大数据可实现人的时空行为模式认知等。而GIS空间分析向时空维拓展也更符合空间分析的根本目标，即建立有效的空间数据模型表达地理实体时空特性，发展面向应用的时空分析模拟方法，数字化动态、全局地描述地理实体和地理现象的空间特征，从而反映地理实体内在规律和变化趋势[11]。

大数据概念的诞生与发展将地理空间领域推进到一个新阶段——地理空间数据科学。传统地理空间数据分析方法针对采样框架下的结构和半结构化数据建立模型，已形成了丰富的理论体系与技术方法。但在研究对象（如个体间社交关系）、研究数据（无采样框架的非结构化数据）和研究范式（数据驱动、全数据模式等）都发生极大变化的地理空间数据科学阶段，GIS空间分析仍面临新的挑战，需建立新的理论、方法与技术体系。

上述机遇与挑战说明，GIS空间分析从静态空间维向动态时空维发展过程中，注重动态过程与大数据分析等方面研究。因此，《GIS空间分析》课程有必要更新和完善面向地理时空大数据的空间动态与过程和地理空间大数据分析等相关前沿知识的教学内容，以拓展学生知识广度和培养其时空分析思维。

2 GIS空间分析课程内容建设

作为国内较早设立地理信息科学专业的高校之一，中国地质大学（北京）开设的专业核心课程《GIS空间分析》教学内容设置在2016年新修订大纲中得到了进一步提升。该课程配套教材《GIS空间分析（第三版）》更新和完善了相关内容[11]，同时出版了配套实践教学参考书《GIS空间分析实验教程》[12]，便于学生更好地巩固和扩展课堂讲授内容。笔者基于上述框架，结合自身十余年学习科研基础和四年教学实践工作经验，开展了在应用型空间信息技术人才培养需求和学科发展双重驱动下的《GIS空间分析》课程教学内容建设。

2.1 以地理空间特征为主线的教学内容梳理

空间分析的对象是地理空间实体，确切地说，是地理空间实体具有的空间特征，即空间位置、空间形态、空间关系、空间过程和尺度。相应地，笔者围绕地理空间特征对《GIS空间分析》课程教学内容体系进行梳理、更新和完善（表1）。该教学内容体系在概述GIS空间分析的基础上（空间分析与GIS），介绍了地理空间特征和空间分析所需解决的主要空间问题（空间特征与空间问题），随后以地理空间特征为教学主线，以解决地理空间问题为导向，从空间位置和形态（空间量算与数据探测）、空间关系（位置与几何关系分析、空间相关性分析）、空间尺度（时空尺度分析）和空间过程（空间动态与过程）等几方面展开教学。同时瞄准专业发展动态和前沿，增加地理空间大数据分析的教学内容。由于其他课程教学也涉及空间分析相关内容，存在重复教学现象，既浪费教学资源和师生精力，在课程总学时有限的情况下又不利于扩展专业前沿知识，因此在梳理课程知识内容体系过程中，精简或删除了部分内容，如三维空间分析，其在《三维GIS》课程中会更深入地讲授。

表1 《GIS空间分析》课程大纲与主要内容

2.2 面向地理时空大数据分析的教学内容更新

任何一种地理要素或现象都伴随着复杂的时空过程。空间动态与过程分析即在对地理实体及其空间关系简化和抽象基础上，对地理现象过程进行模拟，分析其驱动机制，重建发展过程，并预测发展趋势[8,11]。地理时空大数据则为空间动态与过程分析提供了丰富的时空信息。因此，空间动态与过程章节更新与涵盖的教学内容主要有：时空地统计基础，简要介绍当前主流的时空地统计方法；时空数据可视化，直观表达地理现象动态与过程；空间分布特征的时序分析，描述空间格局动态变化；变化统计分析，根据时空数据对变化的速度、频率和范围等进行统计分析；时空回归统计，基于已知时空序列样本数据建立时空回归模型（如时空自回归移动平均模型、贝叶斯时空模型），从而估算未观测时空位置的数据值，并对时空交互作用开展更深层次探讨；地理过程模拟，利用空间动态模型对地理现象的时间变化及空间分布展开模拟和预测。

地理空间大数据具有多源、异构、动态、海量、非（半）结构化等特征[7,11]，其要求有与传统空间数据不同的数据分析方法。地理空间大数据分析章节延伸主要内容有：除传统地理空间数据（对地观测数据以及传统地图与空间数据库数据）外，介绍了其他几种新型地理时空大数据，如业务运营数据、传感器网络数据、社交网络数据等，并讲授地理空间大数据特征及其分析模式与传统数据分析的区别；从软硬件两方面让学生了解地理空间大数据分析策略与方法，如GPU计算技术、云计算、深度学习算法等；最后简要介绍基于GIS的社会感知计算，引导学生了解如何通过社会感知时空大数据认知人的时空行为模式。

2.3 以问题为导向的典型教学案例引入

《GIS空间分析》作为一门实践应用性强的课程，教学过程中应以问题（或背景）为导向，介绍相关理论、方法与技术。因此，笔者在注重理论知识教学同时，尽量以学生熟悉或了解的日常生活和行业应用问题为导向，在理论教学过程中引入典型应用案例介绍GIS空间分析解决问题的思路与过程（表2）。笔者通过将典型应用案例与理论知识点相融合，消除学生产生所学理论方法与实际应用关系不大的错觉，以提高学生学习的积极性，培养学生解决实际问题的思维能力。

表2 《GIS空间分析》课程（部分）典型教学案例

2.4 面向行业应用的针对性实践教学内容设计

国内空间分析相关教材主要有以侧重原理方法和实例操作为主的两类教材[13]，但每类教材都存在不能将理论与实践充分结合的缺陷。本课程实践教学内容以SuperMap GIS软件为实践教学平台，围绕空间分析所需解决的主要地理空间问题，以紧扣课程教材内容的配套实验参考书《GIS空间分析实验教程》为基础，设计了针对性强的行业应用实践教学内容（表3），促进了理论和实践的有机融合。

表3 《GIS空间分析》课程实践教学内容设计

该实践教学内容取材广泛，涉及人口、资源、环境、应急、交通、选址规划等众多领域，并涵盖了空间分布与格局、资源配置与规划、空间关系与影响和空间动态与过程等主要地理空间问题，侧重多种GIS空间分析方法的综合应用。同时，从加强专业领域前沿知识学习的角度出发，增加了时空数据分析、地理空间大数据分析以及基于新型地理时空大数据的社会感知计算等实践内容。另外，该实践教学内容还设置了与课堂实践内容相类似的开放式练习题，培养学生自主学习操作软件的能力和空间思维与创造能力。实践内容有助于加深学生对GIS空间分析相关理论知识的理解，引导学生思考和发现与其日常生活息息相关的地理空间问题，培养学生将理论方法应用于分析和解决实际问题的实践和创新能力。

3 结语

本文以地理空间特征为教学主线，系统梳理了《GIS空间分析》课程教学内容，并以适应应用型地理信息人才培养需求和学科发展为导向，瞄准专业发展动态和前沿，更新了地理时空大数据分析等前沿知识，设计了注重主次的教学内容体系；在课堂教学过程中引入典型应用案例，将应用案例与理论知识相融合，介绍GIS空间分析方法解决问题的思路与过程；围绕空间分析需解决的主要地理空间问题，设计了针对性强、取材广泛的行业应用实践教学内容。上述教学内容改革探索实践在夯实学生基础，拓展知识广度，提升学习兴趣与积极性，提高学生自主学习操作软件和解决实际问题的实践能力，以及培养其空间思维创新能力等方面都取得了较好的效果，为培养面向地理信息产业需求的应用型空间信息技术人才奠定了基础。