时间地理研究中的地理信息系统方法： 人类活动模式的地理计算和地理可视化外文翻译资料

 2022-02-25 10:02

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时间地理研究中的地理信息系统方法：

人类活动模式的地理计算和地理可视化

摘要：

在过去的40年左右，人类活动和时空运动在地理学上引起了相当大的研究兴趣。在时空中人类活动模式和运动的分析最早的分析视角之一是时间地理学。尽管时间地理学在许多地理研究领域很有用，但实际上直到20世纪90年代中期，贯彻了它作为分析方法的概念的研究很少。随着地理参考的个体水平数据的可用性的增加和地理信息系统（GIS）地理计算的能力的提升，现在比以往任何时候都更可能的实现和实施时间地理结构。本文讨论了基于地理信息系统的地质计算和在时间地理研究中的三维（3-D）地理可视化方法的最新应用。

这些方法的实用性是通过作者最近的研究举例加以说明。文章试图证明地理信息系统为时间地理构造的实施和未来时间地理研究中操作方法的发展提供了一个有效的环境。

关键词：时间地理、时空路径、地理信息系统、地理计算、地理可视化

介绍：

在过去的40年左右，人类活动和时空运动在地理学上引起了相当大的研究兴趣。本研究区域包括各种主题，如移民、住宅流动、购物、旅游和通勤行为。人类活动的时空格局和运动分析的最早视角之一是时间地理学。由一组瑞典地理学家包括Torsten Hgerstrand、TommyCarlstein、Bo Lenntorp和Don Parkes，开发的时间地理视角在人类时空活动分析上激发了一代又一代的地理学家和交通研究人员。

时间地理学不仅强调了空间对于理解日常生活中的地理学的重要性。它还允许研究人员研究空间和时间之间的复杂相互作用以及它们对特定地区人类活动模式结构的共同影响(例如 Kwan，1999年)。这种观点对了解妇女的日常生活特别有用，因为它有助于确定时空约束对其活动选择、工作地点、旅行、职业和就业状况的限制性影响(Dyck, 1990; England, 1993; Friberg, 1993; Kwan, 2000a; Laws, 1997; Palm, 1981;Tivers, 1985)。时间地理学也被使用作为研究迁移和迁移行为的框架(Odland, 1998)，如接触健康风险(Loytonen, 1998)与儿童、码头工人和无家可归者的日常生活(Martensson, 1977;Pred, 1990;Rollinson, 1998)。

尽管时间地理学在地理研究的许多领域中有用处，但直到20世纪90年代中期，很少有研究真正实现它的构造作为分析方法——博·伦托普(1976, 1978)的程序评估一组备选样本路径(PESASP)的仿真模型是个明显的例外。

时间-地理方法的限制性发展可能是由于缺乏具体的个体水平数据和分析工具，这些数据和分析工具可以真实地反映城市环境的复杂性(例如交通网络和城市机会的空间分布)。另一个困难在于，时空中的个体运动是一个复杂的有许多互动维度的轨迹。这些包括地点、时间、持续时间、活动顺序和类型以及/或旅行。这种活动模式的特性使得它许多方面的同时性分析变得困难。

然而，在地理信息系统(GIS)的地理计算能力方面，随着地理可获得性的提高和个体水平数据的改进，现在比以往任何时候都更有可能实施时间地理结构。此外，GIS的使用也允许合并大量的对任何有意义的人类活动模式分析都必不可少的地理数据。因为这些变化，时间-地理方法正在经历一个新的发展阶段，最近的几项研究表明(例如Dijst 和 Vidakovic,2000, Dijst et al., 2002; Kim 和 Kwan, 2003;Kwan, 1998; 1999a, 1999b; Miller, 1999; Ohmoriet al., 1999; Takeda, 1998; Weber, 2003; Weber 和Kwan, 2002, 2003）。虽然这些研究的主要的焦点都是关于个人可及性的，但在许多领域时间地理学可以得到有效的应用。

本文探讨了基于GIS的时间-地理方法在人类时空活动模式的描述和分析中的应用价值。它讨论了基于GIS的地球计算和三维(3d)地球可视化方法的最新进展。这些方法的用处是从作者最近的研究中举例说明的。论文试图说明GIS为实现时间-地理结构和它未来发展的操作方法提供了一个有效的环境。本文一个重要的前提是，由于时间-地理模型的计算强度以及数字地理数据的缺乏，时间-地理概念的发展和实施受到了一定的限制。但是近年来，计算机能力的急剧提升以及数字地理数据库的可用性，将大大促进时间地理学方法在未来的应用和发展。本文首先讨论了时间-地理概念的早期实现，特别是 Lenntorp的PESASP仿真。在随后的部分将讨论基于GIS的地理计算和地理可视化方法。

时间-地理结构的操作化：

时间地理学把一个人在24小时内的活动和旅行想象成一个在地理空间上连续的时间序列。一个人日常活动的数量和地点可能受到可用时间和与各种义务活动相关的时空约束(如工作)及与他人合办活动的限制。 Carlstein (1978)，Hauml;gerstrand(1970)，Parkes 和Thrift(1975)和Thrift(1977)等人很好地阐述了时间地理中的重要结构，如车站、项目、时空路径和棱镜约束。然而，第一次时间-地理结构深入分析处理和操作是由Lenntorp (1976)提供的。

在那项研究中，Lenntorp提供了一个核心是个人可达性的公式，即在个体的约束条件下，环境在时空中的物理可达性。这个可访问的部分是时空棱镜或潜在的路径空间(PPS)。棱镜在平面地理空间上的投影描绘了个体可到达的区域，称为潜在路径区域(PPA)。基于这些结构，时空棱镜(或势能路径空间)的体积及其在平面空间上的投影所划定的面积(PPA)作为可访问性措施使用。棱镜卷根据出发地和目的地，旅行速度，活动时间和时间预算之间几何关系导出了不同条件下PPA的面。Lenntorp (1976)然后进行了仿真实验，试图识别所有可能的研究区域内的个体时空路径。

Lenntorp(1976)的研究地点是在瑞典的Vallingby-Bromma地区。本研究使用的980个家庭的活动旅游调查数据收集于1967年。在那时，没有任何数字地理数据可以为仿真实验提供计算框架。因此，所有地理数据都是从头手工构建的。正如Lenntorp(1976，第82页)所报道的，在收集的5500项信息中对于运行PESASP模拟中，有496个独立车站和138个食品店的数据。数字公路网(称为“链接网”)。也是从头开始建造的。它共有100个节点和246个链接。为了构建链路网络，需要在比例尺为1:20 000的地图上用距离记录仪手工测量距离。总共测量了246个距离，它们成为计算所有对节点之间最短距离的计算机程序的输入。

通过这一过程，Lenntorp(1976)成功建立了以公共交通、自行车、步行为代替出行方式的数字多模式交通网络。这可能是第一个用于研究人类时空活动模式的数字交通网络。然而，对计算资源的需求是巨大的。有关环境的数据(例如车站和交通网)共约14 000个数据项目，而编制的230个活动方案共约6 000个数据项目。计算时间总计为5小时44分钟，其中约80%用于62个公共交通与步行结合的活动项目。

由于当时有限的数字地理数据和计算资源，Lenntorp在20世纪70年代末进行的PESASP仿真取得的成就令人瞩目。几年后，为了将他的成就与Bach( 1981)的另一项研究进行比较，这项研究使用位置分配模型(该研究没有使用时间-地理构造)评估可访问性。Bach的研究涉及286个需求点和一个更大的街道网络，有939个节点和2395条弧线。据Bach(1981)报道,他需要的地理坐标点编码了两天,但是手动数字街道网络建设花了三个月,尽管286times;286的距离矩阵的计算最短路径的网络计算机只花了几分钟时间。为 Lenntorp和Bach 建立地理数据所需要的时间是相当长的。但是，PESASP计算所需的时间比不涉及模拟潜在时空路径或替代活动程序的时间长60到70倍。

时间-地理概念的实现是计算要求。尽管时间-地理结构的分析进一步扩大并由Burns(1979)和Landau(1982)等人阐述，但没有实际使用数据实现这些构造的操作方法，来捕捉城市环境或交通网络的复杂地理位置。有一些尝试将时间地理结果操作化(如Villoria, 1989)，但它们都使用了基于简化城市环境假设的几何方法，而他们都没有使用城市机会或交通网络的真实地理数据。这种方法有许多困难。首先，假定整个城市环境的流动性和旅行速度是一致的。第二,假定城市机会在城市环境中平均分配 (Kwan and Hong, 1998)。

例如，时空棱镜或势利用几何方法推导出路径面积形状为空间椭圆，其几何特性仅由一个人的家和工作地点的位置以及给定的时间预算决定(例如Kondo 和 Kitamura，1987)。虽然椭圆可能是一个PPA在流动性相对统一的大都市地区的很好混合，但在其他城市背景下是非常不现实的。正如Kwan 和Hong(1998)和Weber (2003)的研究结果表明，潜在的路径区域在很大程度上是由交通网络的几何形状决定的空间结构和范围，通常沿着高速旅行的路线延伸。当一个城市的各个区域和方向的流动性和旅行速度不相等时，PPA的空间构型与以往研究中用于近似PPA的椭圆等任何方便的几何形状都相去甚远。

尽管Burns(1979)考虑到时空棱镜组态的传输网络的影响，和Miller(1991)首先开发了一种基于网络的算法来计算时空棱镜和可达性，直到20世纪90年代末，Kwan(1998)才首次使用地理计算算法和交通网络的数字地理数据以及研究区域的城市机会来实施基于网络的可达性测量。从那时起，基于GIS的时间-地理学研究似乎已经发展到一个活跃的发展阶段，特别是在地理计算领域和3D地理可视化。下面两部分讨论了作者最近研究中这两个领域的一些例子。

时空可达性测量的地理计算：

“地理计算”一词是指一系列使用新计算方法的活动描述跨尺度现象的地理变化的工具和方法(Longley, 1998)。它包括广泛的计算机为基础的技术，包括专家系统、模糊集、遗传算法、细胞自动机、神经网络、分形建模、可视化和数据挖掘。这些方法中有许多是来自

人工智能领域和最近定义的计算智能领域(Couclelis, 1998)。近年来，高速计算的普及和GIS技术的发展，在时间-地理研究中极大地促进了地理计算的应用。

地理计算作为一种时间-地理方法的使用，在最近的个人可达性研究中最为明显 (Kwan, 1998, 1999b; Kim和Kwan, 2003; Miller, 1999; Orsquo;Sullivan 等,2000; Weber, 2003; Weber和Kwan, 2002, 2003)。它涉及到在GIS环境中计算时空可访问性度量的专用算法的开发和应用。

空时可达性度量主要基于Lenntorp(1976)和Burns(1979)提出的分析框架。它们基于潜在路径区域的时间-地理构造，即个体在固定的活动所建立的时空约束下能够到达的地理区域。这是一个人在完成一项固定活动后，仍然能够及时到达下一项固定活动的区域。所有时空可达性度量都是由这个的某种可测量的属性衍生而来范围(例如所包括的机会数目)。

因为需要表现真实世界复杂性和处理大量的地理数据,地理信息系统为实现时空可达性测量的地理计算算法提供了一个有效的环境。

因为现代GIS技术和越来越多可用的非聚合数据，高度精细化的个体可访问性时空度量可以被操作化。近年来，基于时间-地理视角的地理计算算法得到了广泛的研究和应用。根据作者最近的搜索结果，下面讨论了几个例子，以说明地理计算在时间-地理研究方面的应用。

Kwan的算法：

第一个在地理计算时空可达性测量上主要的成就是Kwan(1998）获得的。这项研究在哥伦布市(美国俄亥俄州)以39名男性和48名女性为调查对象，调查了个人获得城市的机会。这项研究的数据有三个主要来源。第一个来源是作者在1995年通过邮件调查、收集的活动旅行日志数据集。除了关于受访者的活动旅行特征的问题，还收集了所有活动地点的街道地址，主观空间及所有户外活动的时间固定度评分的数据。(Kwan,2000a)。第二个数据来源是研究地区的数字地理数据库，它提供了研究区域内所有地块及其属性和其他地理特征的详细信息。在数据库内34442个非住宅单位用地中，本研究选择了属于七个土地用途类别的10 727个地块作为城市发展的机会。第三个数据源是研究区详细的数字街道网络。网络数据库包含47 194个弧和

36343个节点的哥伦布街和与之配套的地理编码位置的综合地址范围。

利用这些数据，以87名个体的

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