GPS技术在我国人文地理研究中的应用进展述评

时间:2022-08-25 06:29:54

GPS技术在我国人文地理研究中的应用进展述评

[摘 要]以往的人文地理学研究由于技术原因无法满足其获取研究对象实时位置的需求。本研究通过整理国内各主要核心期刊中GPS在人文地理学中的应用进展,得到GPS主要应用于行为地理学、城市地理学、交通地理学、旅游地理学等四大领域,并逐领域进行了文献评述,发现GPS在人文地理学中的应用具有一定的前景,同时存在诸如学者不够关注GPS设备等问题。最后,本文提出GPS在未来人文地理学研究中的三大应用趋势:GPS高技术的进一步应用、“泛GPS技术”的应用、基于GPS的大数据获取。本研究通过文献的梳理、评述,对国内GPS在人文地理学中的进一步应用提供了重要的借鉴意义。

[关键词]人文地理学;GPS;述评;中国

中图分类号:X263 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)40-0244-04

[Abstract]Because of technical reasons,scholars of Human Geography couldn’t obtain the real-time position of the research object in the past.This paper summarizes and concludes the domestic core periodicals in Human Geography about the development prospect of GPS technology.It is obvious that GPS technology is mostly used by the experts of Behavior Geography,Urban Geography,Traffic Geography and Tourism Geography.Based on the analysis of the dissertations,GPS has a good prospect in Human Geography but in general experts pay less attention to GPS equipment.The paper discribes three trend in the future study in Human Geography:the high-tech GPS will be widely used in the research,Pan-GPS technology will play an important role in the future,and the big data procurement based on GPS.Summarizing and concluding the dissertations,the paper provides meaningful reference to further application of GPS in domestic Human Geography.

[Key words]Human Geography;GPS;Review;Domestic

1 引言

人文地理学(Human Geography)是当代地理学的重要组成部分之一,是一门研究地理学中关于人类活动的空间差异和空间组织以及人类利用自然环境的学科[1]。传统地理学在人文地理学中的应用具体包括三大主题:人地关系的传统,区域研究的传统,空间分析的传统。人地关系是人文地理学研究的根本对象,人文地理学旨在揭示区域人地关系的动态变化规律;区域研究是人文地理学研究的基本范围,即从地域的观点去研究人文现象的区域差异、区域分布、区域特征及其形成过程;空间分析是人文地理学研究的方法论基础,人文地理学强调地方和空间对过程与现象的重要性,着重说明在什么地方有什么样的人文活动和人文特征,探讨其形成过程[1]。相比传统地理学,人文地理学虽然体现出更关注人类社会化的趋向,但从前述的研究对象、研究范围、研究方法来看,其仍然围绕着地理空间的特性进行研究。人文地理学在地理空间属性的基础上,进而分析该地域的人文现象的特性。因此,人文地理学的研究过程中无法回避对事物位置(Position)信息的获取,当明确虚体文化和实体地物的位置属性后,才能进一步开展人地关系规律的研究。

地理学中研究的“位置”指地理事物的空间位置,而人文地理学中的“位置”则可进一步细化为人类或人类活动的产物的空间位置。位置有多种表达方式,利用经纬度、平面笛卡尔坐标系等方法可表示地物在空间中的绝对位置,而利用图论(Graph Theory)等手段则可表达地物之间的相对位置。可以说,在人文地理学领域,由于研究对象(人类社会)的复杂性,对于人类活动位置的描述具有更高的要求。然而,以往人文地理研究中位置信息的获取渠道较为单一,在行为地理学中,涉及到人类行为的研究时,往往仅能通过间接获取(如访谈、调研、第三方描绘)的方式获得位置信息;在交通地理学中,则主要通过外业实测的方式研究车流量的变化,无法实时获取车辆的位置信息。综上,尽管在人文地理学中对人类活动的位置信息获取具有相当的需求量,但以往对位置的获取手段较单一,且消耗的工作量大,这是制约人文地理学的进一步发展的一大难题。

2 GPS:一种获取地理信息的技术

2.1 GPS定位技术的兴起与发展

GPS即全球定位系统,它有一个对其所运用的技术和定位原理有着更深刻描述的全称――授时与测距导航系统/全球定位系统(Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System)[2]。GPS的前身是美国军方首先内部使用的“海军导航卫星系统”,简称NNSS。1973年美国开始着手更为实用的全球定位系统――GPS,直至现在,这个系统以其实用性、精确性以及可靠性占据了全球大部分的用户份额。随着卫星导航系统的选择增多、精度提高以及接收设备的普及,各类相关的民用应用也如雨后春笋般出现。在传统测绘行业方面的应用有RTK设备的普及,在大地测量领域中替代了耗费大量人力物力的传统光学测绘仪器,使测量效率大大提高。在非测绘行业,如农业、交通运输业、建筑工程领域等都有很多的应用。而在本文所关注的人文地理的研究上,GPS也体现着巨大的潜力,小型的GPS穿戴设备能够让被试人在不受监视的情况下完成行为试验,从而为人的行为学研究提供更可靠、更充足的研究数据。

2.2 GPS的基本定位原理

GPS的定位原理是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出地面点位置。简言之,GPS定位原理是一种空间的距离交会原理。设想在地面待定位置上安置GPS接收机,同一时刻接收4颗以上GPS卫星发射的信号。通过一定的方法测定这4颗以上卫星在此瞬间的位置以及它们分别至该接收机的距离,据此利用距离交会法解算出测站P的位置及接收机钟差。GPS定位中,要解决的问题就是两个:一是观测瞬间GPS卫星的位置。GPS卫星发射的导航电文中含有GPS卫星星历,可以实时的确定卫星的位置信息;二是观测瞬间测站点至GPS卫星之间的距离。站星之间的距离是通过测定GPS卫星信号在卫星和测站点之间的传播时间来确定的。

2.3 GPS的核心技术与实现

2.3.1 绝对定位原理

GPS绝对定位又叫单点定位,即以GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值为基础,并根据卫星星历确定的卫星瞬时坐标,直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中相对于坐标原点(地球质心)的绝对位置[2]。根据用户接收机天线所处的状态不同,绝对定位又可分为静态绝对定位和动态绝对定位。因为受到卫星轨道误差、钟差以及信号传播误差等因素的影响,静态绝对定位的精度约为米级,而动态绝对定位的精度约为10~40m。因此静态绝对定位主要用于大地测量,而动态绝对定位只能用于一般性的导航定位中。

2.3.2 相对定位原理

相对定位,是用两台GPS接收机,分别安置在基线的两端,同步观测相同的卫星,通过两测站同步采集GPS数据,经过数据处理以确定基线两端点的相对位置或基线向量。这种方法可以推广到多台GPS接收机安置在若干条基线的端点,通过同步观测相同的GPS卫星,以确定多条基线向量。相对定位中,利用这些观测量的不同组合求差进行相对定位,可以有效地消除这些观测量中包含的相关误差,提高相对定位精度。目前的求差方式主要有三种:单差、双差、三差。在差分GPS定位中,按照对GPS信号的处理时间不同,可划分为实时差分GPS和后处理差分GPS。实时差分GPS就是在接收机接收GPS信号的同时计算出当前接收机所处位置、速度及时间等信息;后处理差分GPS则是把卫星信号记录在一定介质(GPS接收机主机、电脑等)上,回到室内进行数据处理,获取用户接收机在每个瞬间所处理的位置、速度、时间等信息。按照提供修正数据的基准站的数量不同,又可以分为单基准站差分、多基准站差分。而多基准站差分又包括局部区域差分、广域差分和多基准站RTK技术[2]。

3 GPS在国内人文地理学论文中的应用

GPS技术作为仅几十年来发展起来的一项定位技术,在地物位置信息的快速获取等方面具有得天独厚的优势,通过各种GPS设备获取的位置信息可作为人文地理学研究的补充,有利于该学科对关注于更微观的人类行为活动研究、时空性的地理活动现象的进一步研究。笔者通过中国知网数据库梳理了GPS在我国几本核心期刊中与人文地理结合的文献。本工作共收集、梳理文献36篇。从时间上看,GPS于2000年前后开始应用于人文地理学领域的研究中,其中每年的论文数量在总体上呈上升趋势。自2013年起,有关GPS与人文地理学的文献每年达到将近10篇,可以得出,GPS与人文地理学的研究有进一步结合的趋势。从期刊上看,发表在“三地”上的论文占了总论文数目的将近一般,表明GPS与人文地理学结合的文章具有相当的科研价值,逐步受到大众的认可。

根据论文主题,笔者将整理所得的论文按主题分为行为地理、交通地理、城市地理、旅游地理等四大类,其中行为地理、城市地理各有14篇论文,说明GPS在我国人文地理研究中的应用主要集中在行为地理和城市地理两大领域;此外整理得到关于交通地理的论文5篇,关于旅游地理的论文3篇,可见GPS在交通地理、旅游地理方面也有一定的应用。下文将就具体类别的文献进行综述。

3.1 行为地理:揭示空间中个体时空运动规律

行为地理学是一种研究人类不同类群(集团、阶层等)在不同地理环境下的行为类型和决策行为及其形成因素(包括地理因素、心理因素)的科学[6]。在我国,行为地理学的起步较晚,而将GPS应用与行为地理学中的研究为近5年内才运用的新技术。柴彦威等具体而全面的阐述了以往缺乏有效的空间数据的获取手段是行为地理学发展的局限,而以GPS为代表的定位跟踪技术的应用使得行为数据在精度和信度上实现了突破式的发展,是行为数据获取的一项有效技术[7]。而在实例研究中,GPS作为行为数据获取的技术已广泛应用于城市居民一周行为的日间差研究[8]、女性居民一周时空间行为的日间差异研究[9]、城市商务人士的行为活动特征研究[10]等相关研究中[11-15]。另一方面,关美宝等学者将基于GPS获得的行为数据应用于人类健康活动(如良好且具有幸福感的出行体验)的研究中,阐述了研究健康地理的重要性[16]。龙瀛等提出使用IC卡刷卡数据结合GPS数据分析北京职住关系和通勤出行[17]。

纵观已有的GPS用于行为地理学研究的文献可得到以下规律,在研究内容方面,GPS主要作为获取人们行为数据的技术,而这些数据大多被用于两类研究:一是研究具有某一类特征的个体(或身份、或性别) 的时空行为特征与其身份之间的关系,二是研究个体的特定行为与个体在时空中移动规律的关系(如通勤行为、健康出行行为)。在GPS设备方面,关于行为地理学的研究中所使用的GPS设备大多为手持性GPS(如Trimble Juno SB手持GPS)或手机内置GPS、车载GPS等简易GPS设备,在精度方面有待提高。值得一提的是,行为地理学研究中虽大量用到GPS获取设备,然许多文章中作者并未过多解释GPS设备的类型、精度、获取时间等重要信息,有失严谨,笔者认为这是需要学者们日后注意的方面。

3.2 城市地理:土地利用分类与城市地物空间分析的辅助手段

城市是人类生活的重要载体,工业化的加速推动了城市化的发展,城市地理方面的研究正扮演着越来越重要的地位。纵观GPS与城市地理研究想结合的文献,笔者整理得到GPS主要的两大功用,一是作为城市土地分类研究的辅助手段,二是作为城市地物点收集的辅助手段。相应的,GPS在城市地理方面的应用则主要是城市土地利用方面的研究(如分类、动态预测)与城市地物的空间分析(如可达性)两大方面。此外也有少数学者将GPS应用于古城镇复原的研究中。

在城市土地利用研究方面,GPS主要用于遥感影像控制点测量、影像配准与几何精校正、城市4D产品的生产等几大方面。陈文穗等以福州市为案例地,综合运用RS、GPS、GIS技术,提取土地利用的空间信息,最后运用SPSS进行空间统计,分析驱动因子[18]。诸云强等为了提高土地变更调查的效率,设计掌上土地变更调查系统,基于PDA将GPS卡、GSM、数码摄像头集成于一体,利用高精度GPS OEM板和GSM实现了GPS实时差分处理,形成一个小型轻便的土地变更调查系统[19]。党安荣等将GPS测量点进行转换生成ArcGIS的点状coverage,然后与土地利用分类图进行叠加,对照和分析其相符的程度[20]。崔伟宏等采用MARK-10 GPS系统,论证了利用GPS野外快速获取技术于20~30h 有效工作时间就可以完成一个乡的土地变更调查,土地动态监测的精度在2m以内[21]。张镱锂等使用GPS定位,以拉萨为案例地,研究1951―1991年拉萨城市的扩张面积变化,得到拉萨城市中心历史变化、拉萨市城市扩张特点及城市扩张对耕地占用,城市环境变化的影响[22]。在城市地物点空间分析方面,张景秋等以北京城区6个行政区内的594个抽样写字楼内公司数量、规模和行业隶属为研究样本和数据,运用缓冲区分析和Ripley's K(d)函数等空间分析方法,探讨在城市经济转型过程中,逐渐替代制造业的办公活动行业分布与空间集聚特征[23]。周素红等以深圳为案例,通过海量浮动车的GPS大数据,分析和验证了双商业中心的交通吸引时空规律以及相互作用关系。发现城市商业中心的交通吸引存在显著的幂函数关系,验证了传统的地理空间衰减规律[24]。齐兰兰等引入出租车GPS数据对医疗设施端点特征指标、服务端特征指标、环境要素指标等进行检验,衡量这些指标对医疗设施端点吸引量和主要服务范围的影响作用[25]。在古城镇复原方面,王一帆等基于开封市考古发现和历史文献研究成果, 运用地图学方法、GPS、GIS技术,探讨了古代城市空间结构复原的基本思路、方法和操作步骤[26]。胡继华等通过GPS解算基站与基站之间距离与通行时间的方法,以广州市6条BRT线路共142个车次为研究样本,研究不同线路,不同时段的公交车到站时空分异规律,并借助时间可靠性这一概念,最终得到路径长度,经过站点个数、土地利用类型和时段均与公交车通行的时间可靠度有关[27]。

综上,GPS在城市地理学领域的应用主要包括城市土地利用动态监测、城市地物节点的空间分析两大方面,也有少数学者关注于利用GPS技术的古城镇复原。与行为地理学方面主要应用的手持GPS设备相比,城市地理学方面应用的GPS设备更为广泛和先进,精度要求也更高。

3.3 交通地理:辅助路径规划“捷径”

交通地理学是研究交通运输在生产力地域组合中的作用、客货流形成和变化的经济地理基础,以及交通网和枢纽的地域结构的学科。在交通问题日益显露的今天,交通地理学也越发被重视。如今,公交、出租车等交通工具都安装了车载GPS设备,甚至公务用车也进入安装阶段。利用这些GPS设备获得的车辆移动数据,我们可以逐步实现交通路径的规划。董红召等通过GPS车载设备或信标系统等方法采集交通路网各个结点驶过车辆的空间信息,提出了一种能够描述群体性动态出行规律的典型行车路线理论[28]。杨林等以京沪高速江苏段为实验对象,采用高精度差分GPS/惯性导航设备(DGPS/INS)采集系统获取设施的空间坐标数据,基于GIS技术进行数据的管理,设计并实现了高速公路沿线设施采集与管理[29]。胡继华等基于GPS结合出租车的经验路径,通过大量的出租车行驶轨迹数据进行提取归纳,建立了经验路径数据库,提出了基于出租车经验路径的路径规划方法[30]。纵观交通地理学方面的文献,GPS的主要应用为辅助路径规划与设计,基于GPS可得到某类型行车(如公交、出租车)大数据,该数据对于城市交通路径的优化和交通拥堵的问题的解决有重大意义。

3.4 旅游地理:揭示时空旅游行为规律

旅游地理学是研究人类旅行游览与地理环境关系的学科,又称娱乐地理学。在人们物质生活条件极大提高的今天,旅游行为作为最重要的一种休憩行为受到社会学、地理学等多学科的关注,提高人们的生活质量很大程度上取决于人们旅游行为的质量。近年来关注于旅游地理学方面的研究逐步增长,而GPS技术也开始应用于旅游行为的研究。在此领域,GPS主要用于收集旅游者的出行数据,得到行为数据后,我们可以较容易地分析出行者的旅游时空规律,对旅游规划和旅游消费行为进行进一步的研究。

在旅游行为研究方面,黄潇婷等从生物节律视角出发,以时间地理学为基础理论,采用GPS 追踪技术,以北京颐和园为案例,研究了旅游者在景区微观空间尺度内的活动过程、节奏和规律[31]。此后,黄潇婷等以颐和园旅游者时空行为2009年活动日志调查和2010年GPS追踪调查两次获取的数据为基础,从样本有效率、代表性和数据真实性、精确度维度对数据质量进行了对比分析[32]。李春明等以Panoramio 网站收集的10年内447名游客在厦门市鼓浪屿上拍摄的2272张照片作为基础数据,详细介绍了借助带有地理参考信息的照片来研究游客时空行为的方法,分析了游客在鼓浪屿景区的时间变化(日变化、周变化和月变化)、停留时间、日均游客量、游客流向图和旅游热点区域,并且利用前人的研究结果和媒体公布的数据对该方法进行验证,得到了相似的结果[33]。综上所述,在旅游地理学领域GPS的应用为旅游行为的研究,而用在该领域的GPS设备主要为手持GPS与社交网站获得的照片GPS信息。笔者认为,随着旅游数据的日益增多,很多能获得GPS信息的设备都能用于旅游行为数据的采集,而非局限于专业的GPS,这或许是未来该领域的一个趋势。

4 GPS在人文地理学中进一步应用的展望

4.1 GPS高技术的应用

基于前文所述,虽然GPS在人文地理的研究中已有相当广泛的应用,然而仅从设备上来说,学者们缺乏对GPS前沿技术的应用意识,如在行为地理学领域被大量应用与获取人的行为信息的手持设备大多采用单点定位原理,仅能获得米级精度;被应用与人文地理学研究的大量GPS设备同无法获取室内信息,无法达到室内定位的标准。因此当目标进入室内后,卫星会中断对其位置信息的获取,造成研究上的不严谨。根据文章第二部分所述,GPS如今已全面进入RTK时代,基于载波相位的实时动态定位具有精度高、稳定、便捷等诸多特点,在消除了一系列误差后RTK可达厘米级,大大增强了小比例尺研究(如仅研究一个社区)的精度。在交通地理学领域,GPS的主要用途为路径的设计与规划,以往的车载GPS也应更新为前沿的GPS设备,达到更好的研究效果。

4.2 “泛GPS”数据的应用

区别于目前专门用于获取地物准确位置坐标信息的GPS设备例如RTK与手持GPS接收机,泛GPS概念是指在目前社会生活当中提供人的位置信息的间接途径或者方法,是一种有效的位置数据获取手段。百度地图热力图是近来运用手机GPS信号进行后台数据整理制作而成,可以有效反映城市内人流的集聚程度,并可以获取整日与整周的数据和动态变迁,具有极佳的直观视觉效果和现实意义。滴滴打车目前已经成为中国市民出行的重要手段,其便捷的手机客户端结合了GPS的定位技术,客户可以向游弋在3公里范围内的出租车发送打车信号,让司机师傅根据乘客目的地按意愿“接单”,节约司机与乘客沟通成本,降低空驶率,最大化节省司乘双方资源与时间。

在科研领域当中,网络爬虫抓取技术成为获取民众位置信息的技术手段,科研人员通过抓取技术获取手机用户微博、微信与网络的点击时的GPS坐标信息,整合为人流大数据,在城市规划界的区域人流评估、重大节假日人流评价等领域将发挥越来越显著的作用。泛GPS技术亦将更广泛地应用于人文地理的研究领域,在这个手机、汽车等可提供位置信息的电子设备被广泛使用的时代,泛GPS将更多地扮演大数据的角色,对研究人的行为与群体动向的学者,以及研究空间对人的影响的研究者都是一种值得展望的全新手段。

4.3 基于GPS的大数据获取

GPS的广泛使用,为以研究“人的行为和地理环境相关关系”为主要目的人文地理注入新的研究方法。传统人文地理研究中,为了获取研究个体的行为规律,问卷记录、访谈调查、跟踪记录是获取个人和某类群体行为习惯最为普遍和直接的方式。这种数据获取方式存在以下的不足,第一,获取的数据方式基本上通过抽样调查获取,而抽样获取到的数据需要进行数据代表性的说明,否则容易出现抽样数据缺乏代表性的问题;第二,传统调查获取的数据往往只能静态的表示调查者在某个时间点所在的地理位置和行为特征,但是很难在时间轴上记录调查者的行踪轨迹和连续的行为特征;第三,在传统的数据获取方式中,调查者记录的位置信息往往是相对位置信息,然而相对位置信息通过地图进行表示的时候,普遍存在较大误差。

上述提及的GPS在人文地理研究的应用中,大部分的GPS数据都需要结合其他专题数据进行分析,如位置签到,微博签到数据需要结合新浪的数据;又如交通线路疏导,同样要获取车主的信息数据进行分析。同样,GPS位置数据也是大数据的一种类型,当位置大数据与其他地理专题大数据结合时,能够更直观地反映或揭示某种现像或规律。“大数据分析”已然成为趋势,阿里巴巴、百度等企业已经开始搭建自己的大数据平台,旨在通过各类行业的大数据为人和企业带来生活与生产的便利。其中,很多种大数据都与地理位置信息有着紧密关系,若大数据缺少地理位置信息的辅助,则很难在空间维度上给用户提供直观的感知。地理位置数据借助GPS仪器获取,而专题大数据大部分由各行业处理并存储在云端的服务上,想要获取这部分的数据,则要借助网页抓取,模式识别等技术对符合条件的数据进行提取。归根到底,GPS有助于获取高精度的地理位置大数据,为大数据分析提供了强有力的技术支持。

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