全 文 ：第 wu卷 增刊 t
u s s y年 | 月
林 业 科 学
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林业空间统计学软件设计
冯益明t 李增元t 张 旭t 李立伟u
kt1 中国林业科学研究院资源信息研究所 北京 tsss|t ~ u1 河南省林业调查规划院 郑州 wxsswxl
摘 要 } 介绍国内外已有空间统计学软件的情况 o提出开发林业行业软件的必要性 o进而提出林业空间统计学软
件设计的总体思路 o从软件功能需求角度 o对软件各部分功能进行较为详细的设计与说明 o最后指出实现林业空间
统计学软件的方法与策略 ∀
关键词 } 林业 ~空间统计学 ~软件设计
中图分类号 }×°vtt 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussyl增 t p ssts p sy
收稿日期 }ussx p sy p uw ∀
基金项目 }国家自然科学基金项目/东北两种森林类型空间分布的动态分析与模拟0kvsxssv|sl ~{yv项目/数字林业平台技术研究与应用0
kussv„„us|sysl部分内容 ~国家林业局 |w{项目/空间统计分析及其在林业中应用技术引进0kussy p w p uul ∀
∆εσιγν οφ Φορεστρψ Σπατιαλ Στατιστιχσ Σοφτωαρε
ƒ ±¨ª ≠¬°¬±ªt ¬ ±¨ª¼∏¤±t «¤±ª÷∏t ¬¬º¨ ¬u
kt1 Ρεσεαρχη Ινστιτυτε οφ Φορεστ ΡεσουρχεσΙνφορµατιον Τεχηνιθυεσ o ΧΑΦ Βειϕινγ tsss|t~ u1 Ηεναν Ινστιτυτε οφ Φορεστ Ινϖεντορψανδ Πλαννινγ Ζηενγζηου wxsswxl
Αβστραχτ } ׫¨µ¨ ¬¶¤¦¯²¶¨ ¦²µµ¨ ¤¯·¬²± ¥¨·º¨ ±¨·«¨ ¤³³¯¬¦¤·¬²±²©¶³¤·¬¤¯ ¶·¤·¬¶·¬¦¶¤±§·«¨ ¶·∏§¬¨§©¬¨ §¯¶o¤±§·«¨ ¦¤¯¦∏¯¤·¬²±²©
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Κεψ ωορδσ} ©²µ¨¶·µ¼~¶³¤·¬¤¯ ¶·¤·¬¶·¬¦¶~¶²©·º¤µ¨ §¨¶¬ª±
空间统计学是以区域化变量理论为基础 o以变异函数为基本工具来研究那些分布于空间并呈现出一定
的随机性和结构性的自然现象的科学 ∀显然 o凡是要研究某些变量k或特征l的空间分布特性并对其进行最
优估计 o或要模拟所研究对象的离散性 !波动性或其他性质时都可应用空间统计学的理论与方法k侯景儒 o
t||zl ∀空间统计学在近 xs年的研究和实践中 o它的应用已被扩展到分析各种自然现象的空间异质性和空
间格局 ∀而森林受物理环境 !自然干扰 !人为干扰 !树种特性 !树种对干扰的反应等因素及其相互作用的影
响 o具有高度空间异质性和时间异质性k冯益明等 ousswl o因此 o它在林业领域应有着广泛的应用 ∀
空间统计学的应用与行业特点密切相关 o并且计算复杂 o因此具体应用时必须有相应的计算机软件做支
撑 ∀由于空间统计起源于地质 !矿产部分 o几乎所有成熟的空间统计方面的软件都是出自这些领域 o林业领
域有自己行业特色 o如要研究森林类型划分 o就要对分类变量进行分析 o而一般的空间统计学软件只能对连
续变量进行分析 o而不具有分析分类变量的能力 ∀目前 o林业系统内很少有人涉足此类软件的研究 o为此 o本
文意在依据林业行业特色 o提出适合林业领域特点的空间统计学软件设计与开发的整体思路与实现方式 ∀
t 空间统计学软件研究现状
以往的空间统计学软件 o大多是在以 ˜‘Œ÷ 为操作系统的小型机 !工作站和以 ⁄’≥为操作系统的微机系统
上开发的 ∀如美国斯坦福大学开发的 Š≥¬¥o法国巴黎高等矿院地质统计学研究中心研制的 Œ≥„׌≥ o法国的
…• Š 公司 !加拿大的 Š∞’≥×„× 公司 !Š∞’’Š公司与加拿大矿产与能源中心 !美国的  º¨°²±·k丹佛l公司等开
发的一些软件包 o我国李裕伟教授主持研制的 Ž°÷ o北京科技大学侯景儒教授主持编制的地质统计学程序集 o
原武警黄金指挥部黄金地质研究所研制的 ≤Š∞≥等k侯景儒 ot||{ ~李裕伟 ot||w ~≤¯ ¤¼·²± ετ αλqot||ul∀
随着计算机水平的不断发展 o先后也出现了一些 •¬±§²º¶版本的空间统计学软件 ∀如美国华盛顿大学
编制的 Š≥ n o美国斯坦福大学对原 Š≥¬¥进行移植的 •¬±Š≥¬¥等 ∀随着 ŠŒ≥ !• ≥软件以及统计软件的发展
与成熟 o空间统计学软件已开始与 ŠŒ≥软件与统计软件逐渐相互融合 ∀如在 ŠŒ≥与 • ≥软件中加入空间统计
学功能 o如 „µ¦ŠŒ≥中 Š¨ ²¶·¤·¬¶·¬¦¤¯ „±¤¯¼¶·扩展模块提供了空间统计学的部分功能k‹ ¤¨·«¨µousswl o荷兰 Œ×≤ 开
发的综合土地与水信息系统kŒ• Œ≥l o此软件中也加入了一些空间统计学功能与算法等 ∀在一些成熟的统计
软件中 o也逐渐开始加入空间统计功能 o如国外的 ≥„≥已实现了空间统计功能k洪楠等 ousswl ∀ ¤·¯¤¥x1u以
上版本 o也提供了空间统计功能k苏金明等 ousswl ∀所有这些软件都各有优点 o也存在或多或少的不足 ∀如 o
当前主流空间统计分析软件 „µ¦ŠŒ≥中 Š¨ ²¶·¤·¬¶·¬¦¤¯ „±¤¯¼¶·模块 o其尚未提供条件模型功能 o且只能对连续变
量进行处理 o而对分类变量尚未提供有力支撑 ∀再如 o美国斯坦福大学地球科学应用系研制的 Š≥Œ…o可以
说此软件是空间统计学研究领域最早 !最成熟 !功能最全面的软件 o但此软件系统不够集成 o存在界面操作复
杂 o图示化功能弱等问题 ∀
当前 o从事空间统计学软件开发的机构 o有地质统计学研究 !教学单位 o也有各行业的专业研究单位 !专
业工程公司和专业软件公司 ∀这些软件系统的基本组成虽大体相似 o但因其适用的计算机和操作系统环境
的差异及应用领域的差异而各具特色 o其工作模式和工作流程也各不相同 ∀如地质统计学方法研究类程序
系统 o掌握使用难度较大 ∀专业应用类程序系统 o面向各特定专业领域的研究和生产 o这类软件是严格按照
本行业或本专业的技术规范或技术标准设计的 ∀在现有软件中 o尚没有考虑林业领域特点而开发的空间统
计学软件 ∀
u 林业领域空间统计学软件设计
211 总体设计思想
u1t1t 林业领域特点 tl分析数据的特殊性 林业领域常常需要分析一些分类变量数据的时空格局 o如经
常遇到的森林类型划分 o它就需要对分类变量进行研究 o这不同于环境保护 !地质 !采矿等其他领域 o这些领
域所分析的数据通常是连续型变量 ∀因此 o现有的大多数空间统计学软件只能对连续变量进行分析 o而不具
有分析分类变量的能力 ∀ul林业领域对 ŠŒ≥与传统统计学软件了解的特殊性 当前 o我国林业系统对 ŠŒ≥
的了解和使用已有近 us年的历史 o而且目前也有了自己的 ŠŒ≥平台 o大多数林业工作者对 ŠŒ≥软件已有了
比较直观的认识与理解 ∀同时 o我国林业领域的统计学软件近 us年来也有了长足发展 o如/ Œ…2°≤ 系列程
序集k数理统计 !调查规划 !经营管理l⁄’≥版0提供了通用和林业常用的 |s多个程序的源程序 o对推动林业
统计学发展以及提高林业工作者统计学水平发挥了一定的作用 ∀
u1t1u 空间统计学软件的发展趋势 tl空间统计与 ŠŒ≥结合 ŠŒ≥具有较强的空间数据管理功能 o而空间
统计学是对具有空间坐标的变量进行分析 o分析结果往往具有空间分布特征 o这种空间分布特征的图形表述
正好是 ŠŒ≥的长处 ∀因此 o空间统计与 ŠŒ≥结合 o可以弥补其空间数据管理功能较弱的特点k柏延臣等 o
t||| ~王劲峰等 ousst ~王学军 ot||z ~孙英君等 ousstl ∀ul空间统计与经典统计结合 经典统计具有较强的数
据处理功能 o空间统计学则具有较强的空间分析功能 o但其数据处理功能较弱 o因此 o在空间统计学软件中 o
引入统计学数据处理功能 o可以增强其数据处理能力k洪楠等 ousswl ∀
u1t1v 总体设计 根据林业行业特色 o考虑当前空间统计学软件发展趋势 o林业空间统计分析总体设计思
想是 }空间统计与 ŠŒ≥结合 o把空间统计结果通过 ŠŒ≥来展示 ~把空间统计与经典统计结合 o以弥补空间统计
学数据处理相对较弱的缺点 ∀具体设计如下 }tl空间统计与 ŠŒ≥结合方式设计 空间分析模型与 ŠŒ≥的结
合是空间统计发展的动向 o二者的结合近期以空间分析模块外挂 ŠŒ≥ ∀在空间统计软件与 ŠŒ≥软件之间增加
数据交换接口 o使得空间分析数据及相关的影响因素和空间分析结果能够在 ŠŒ≥中以各种简单的或复合的
图形方式显示出来 ∀从事空间统计的林业工作者只要解出方程的分析解 o交由 ŠŒ≥初级操作员 o而不必自己
懂得操作 o就可以迅速地得到计算结果 o并通过 ŠŒ≥表达出来 ∀二者结合方式如图 t所示 ∀ul 经典统计软件
与空间统计软件结合方式设计 在经典统计软件包中把空间统计模块作为一个高级应用模块嵌入 o使得经
典统计与空间统计一体化 o空间统计不仅为经典统计软件提供空间统计分析能力 o而且可以将经典统计软件
中的数据直接参与空间统计分析计算 o反过来 o空间统计分析借用经典统计软件强大的数据处理功能 o以弥
补自身数据处理相对较弱的缺点 ∀二者结合方式如图 u ∀
tt 增刊 t 冯益明等 }林业空间统计学软件设计
图 t 空间统计与 ŠŒ≥的松散结合
ƒ¬ªqt ²²¶¨ ¬¯±®²© ŠŒ≥ ¤±§¶³¤·¬¤¯ ¶·¤·¬¶·¬¦¶
212 软件总体功能设计
空间统计软件应包括以下
几个既相对独立又相互依存的
部分 o即数据管理 !数据基本统
计分析 !空间统计学结构分析 !
各种克里格插值算法 !各种条件
模拟 !其他空间分析方法 !结果
输出 !图形展示几个大的部分 ∀
软件功能划分及相互关系如图
v所示 ∀由于空间统计分析部
图 u 空间统计模块嵌入经典统计系统
ƒ¬ªqu ≥³¤·¬¤¯ ¶·¤·¬¶·¬¦¶¬±·¨ªµ¤·¨§¬±·² ¦¯¤¶¶¬¦¤¯ ¶·¤·¬¶·¬¦¶¶¼¶·¨°
图 v 软件功能划分
ƒ¬ªqv ƒ∏±¦·¬²± §¬√¬¶¬²± ²©¶³¤·¬¤¯ ¶·¤·¬¶·¬¦¶¶²©·º¤µ¨
分功能是整个林业
空间统计分析软件
的重点和主要内
容 o以下主要针对
此部分功能进行设
计 ∀其他部分略 ∀
空间统计分析是林
业空间统计学软件
的主体 o它主要包
括结构分析与空间
估值 u大部分 ∀
u1u1t 结构分析
此部分主要包括
区域化变量的半变
异函数求解 o及半
变异函数模型拟合
u部分功能 ∀此部
分功能结构如图 w ∀
tl 半变异函数计算 变异函数
的计算要考虑数据的结构 ∀空间统
计学中数据结构主要有 u种 }一种是
等间距的规则网格数据 o另一种是
非等间距的不规则网格数据 ∀针对
u种不同的数据结构 o产生了不同的
计算变差函数的程序 ∀如 Š≥Œ…中 o
对 u种不同采样方式 o其实现方式也
分 u种不同情况来实现 ∀
研究考虑到林业行业野外工作
条件的复杂性 o实际取样位置有时
难以精确 ∀虽然按采样设计要求 o
在某一精确点上必须取样 o但由于
野外工作条件不允许 o必须偏离采
样点一定位置 o再取样 ∀根据这种
情况 o研究把规则数据结构与不规
则数据结构的变异函数计算形式集
ut 林 业 科 学 wu卷
图 w 结构分析功能图
ƒ¬ªqw ƒ∏±¦·¬²± §¬¤ªµ¤° ²©¶·µ∏¦·∏µ¨ ¤±¤¯¼¶¬¶
成在一起 o采用角度误差
限与距离误差限的技术
来计算规则采样数据与
不规则采样数据的实验
半变异函数 ∀对采样位
置要求不需要太严格 o用
户采样可以偏离采样网
格一定角度和距离 o计算
中考虑到用户采样可能
偏离网格中心一定角度
与距离 o这样方便了用户
野外工作 ∀
在自然界中许多生
图 x 半变异函数程序界面
ƒ¬ªqx °µ²ªµ¤°°¨¬±·¨µ©¤¦¨ ²©¶¨ °¬√¤µ¬²ªµ¤°
物和非生物因子的空间分布与方向
有着密切关系 ∀在半变异函数求解
过程中 o区域化变量可能存在各向
异性情况 o考虑此种情况 o设计分
sβ !wxβ !|sβ !tvxβ方向和任意角度求
解半变异函数 o同时提供各向同性
的半变异函数求解 ∀半变异函数程
序界面如图 x ∀
ul 模型拟合 考虑到区域化随
机变量的变化有时非常复杂 o往往
包含各种尺度及各种层次的变化 o
研究采用加权多项式法 !交互法以
及直接法 v种方法相接合 o以适应变
差函数模型拟合中的不同情况 ∀用
户可以根据数据特点以及自己对专
业背景知识的了解程度选择不同的
拟合方法 ∀加权多项式法 o计算机
自动拟合出模型参数 o它一般对试
验变差函数值规律性较强的较为合
适 ∀如果试验变差函数值的规律性
不强 o对专业背景知识较强人员 o可
以直接采用交互方法k用户根据试
验半变异函数图给出模型参数l拟
合 o对一般用户 o程序提供了直接法 o可以较粗的模型参数 o然后再用交互方法拟合 ∀模型拟合界面如图 y ∀
界面中 o设置好模型拟合方向后 o用户根据数据情况 o设置模型拟合采用的方法 o设置拟合模型类型k包
括球状模型 !指数模型 !高斯模型 !幂函数 !线性模型l !模型套合层数 o如果采用交互方式拟合 o用户需要根
据专业背景知识 o设置相应的拟合模型参数 o经过反复多次拟合 o找出最优拟合模型及相应参数 ∀以文件形
式输出模型拟合参数 o为空间估值服务 ∀
u1u1u 空间估值 此部分主要包括克里格插值与随机模拟二部分内容 ∀其中克里格插值部分主要为用户
提供不同的克里格插值功能 o如普通克里格 !简单克里格 !漂移克里格 !协同克里格 !指示克里格 !析取克里格
等 ~随机模拟部分主要为用户提供不同的模拟功能 o如转向带法 !混合模拟k转向带和矩阵分解结合l !˜三
角矩阵分解法 !布尔条件模拟 !高斯截断法 !指示条件模拟以及模拟退火等 ∀实际应用中用户根据区域化变
vt 增刊 t 冯益明等 }林业空间统计学软件设计
图 y 模型拟合程序界面
ƒ¬ªqy °µ²ªµ¤°°¨¬±·¨µ©¤¦¨ ²© °²§¨¯©¬·¬±ª
量数据情况 o选择最适当的估值方
法解决实际问题 ∀此部分功能结构
设计如图 z ∀
tl 克里格方法 空间局部内插
假设样本数据是平稳的 o服从正态
分布 ∀当样本数据偏离这些假设条
件时 o产生一些不同的空间内插法 ∀
具体有以下常见估值类型 }简单克
里格 !普通克里格 !漂移克里格 !指
示克里格 !协同克里格k°¤±ot||zl
等 ∀考虑到在实际工作过程中 o区
域化变量在研究区域内可能存在着
不同情况 o系统设计了多种不同的
克里格插值方法 o供用户根据实际
进行选择 ∀图 {为普通克里格程序
界面 ∀
ul条件模拟 条件模拟是空间
统计学里特有的内容 o它建立在克
立格估计法基础上 o是根据区域化
变量的分布函数 !协方差函数和变
异函数 o按照一定的算法产生大量
不同 / 实现0的一种随机模拟方法 o
可说是一种新的蒙特 p卡洛法 ∀条
件模拟自提出以来发展很快 o产生
图 z 克里格插值功能图
ƒ¬ªqz ƒ∏±¦·¬²± ªµ¤³«²©Žµ¬ª¬±ª¬±·¨µ³²¯¤·¬²±
了多种方法 o如转向带法 !谱方法 !
指示模拟法 !矩阵分解法 !序贯方
法 !布尔条件模拟 o以及模拟退火等
算法 k°¤¬±·¨µot||{ ~Š²²√¤¨µ·¶ot||yl
等 ∀由于条件模拟部分内容较多 o
这里仅仅列出应用分类变量序列指
示条件模拟实现森林分布图自动绘
制k图 |l ∀
213 其他空间分析
此部分为空间统计分析程序设
计的预留功能部分 o设计一定的接
口 o具有扩充 !修缮功能 o便于空间
统计分析功能的扩展 !升级 ∀比如
程序中可随时加载一些如傅立叶变
换 !小波变换 !谱分析 !分形 !计算机
神经元网络等方面功能 o来逐渐充实扩大空间统计分析程序的功能 ∀
v 林业领域空间统计软件的实现
311 开发环境选择
以往的空间统计类软件 o大多是在以 ˜‘Œ÷ 为操作系统的小型机 !工作站和以 ⁄’≥为操作系统的微机系
统上开发的 ∀当前 •¬±§²º¶是优先选择的开发环境 o∂…是一种可视化的 !事件驱动型的 •¬±§²º¶应用程序
wt 林 业 科 学 wu卷
图 { 普通克里格程序界面
ƒ¬ªq{ ’µ§¬±¤µ¼ Žµ¬ª¬±ª³µ²ªµ¤°°¨ ¬±·¨µ©¤¦¨
开发工具 o在 Š˜Œ设计 !绘图 !制表 !运
算 !通信和多媒体开发方面都具有简单
易行 !功能强大等优点 o所以越来越受到
开发人员的青睐k孙越 oussul ∀为此 o作
者采用 ∂¬¶∏¤¯ …¤¶¬¦开发语言 o在 •¬±§²º¶
环境下进行软件的设计与开发 ∀
312 林业领域开发空间统计软件的对策
由于林业领域刚刚开始进行空间统
计学方面的研究 o因此 o实现空间统计学
软件的功能应当逐步实施 ∀在完成总体
设计的基础上 o首先实现空间统计所要
求的基本的技术支撑部分 o如数据管理 !
数据的基本统计分析与计算结果的输出
展示等 ~其次实现应用较为广泛的空间
结构分析部分 ~然后完成林业领域急需
使用的部分克里格算法与部分随机模拟
算法 ~最终逐步完善 !实现所有空间统计
图 | 模拟结果
ƒ¬ªq| ≥¬°∏¯¤·¬²± µ¨¶∏¯·
学功能 ∀
结合林业行业当前信息发展的实际
状况 o把空间统计学程序作为一个高级
模块内嵌于林业统计系统中 o依托其提
供数据编辑处理与经典统计运算功能 o
实现空间统计学所需要的数据编辑处理
与一些基本的统计分析 ∀另外 o通过外
挂 ŠŒ≥软件 o来实现空间统计计算结果
的图形展示 o这样可以快速开发出适合
林业科研和生产使用的空间统计学
软件 ∀
参 考 文 献
柏延臣 o李 新 o冯学智 qt|||1 空间数据分析与空间模型 q地理研究 ot{kul }t{x p t|s
冯益明 o唐守正 o李增元 qussw1 空间统计学在林业中应用 q林业科学 owskvl }zy p {v
洪 楠 o侯 军 qussw1 ≥„≥ ©²µ•¬±§²º¶k∂{l统计分析系统教程新编 q北京 }北京交通大学出版社
侯景儒 qt||z1 中国地质统计学k空间信息统计学l发展的回顾与前景 q地质与勘探 ovvktl }xv p x{
侯景儒 qt||{1 实用地质统计学 q北京 }地质出版社
李裕伟 qt||w1 二维地质统计学 q北京 }地质出版社
孙英君 o陶华学 qusst1 ŠŒ≥空间分析模型的建立 q测绘通报 okwl }tt p tu
孙 越 qussu1 ∂¬¶∏¤¯ …¤¶¬¦数据库开发自学教程 q北京 }人民邮电出版社
苏金明 o王永利 qussw1  „׏„… z1s实用指南 q北京 }电子工业出版社
王劲峰 o柏延臣 o朱彩英 qusst1 地理信息系统空间分析能力探讨 q中国图形图像学报 oyk|l }{w| p {xv
王学军 qt||z1空间分析技术与地理信息系统的结合 q地理研究 otykvl }zs p zw
臧淑英 o高亦珂 o祖元刚 qusss1 基于 ŠŒ≥的优势树种与地形空间关系格局探讨 q东北林业大学学报 ou{kxl }tus p tut
≤ ¤¯¼·²± ∂ o ⁄¨ ∏·¶¦« ≤ ∂ o „±§µi Š o ετ αλqt||u1 Š≥Œ… ª¨²¶·¤·¬¶·¬¦¤¯ ¶²©·º¤µ¨ ¬¯¥µ¤µ¼ ¤±§∏¶¨µ. ¶ª∏¬§¨ q ‘¨ º ≠²µ®} ’¬©²µ§˜±¬√ µ¨¶¬·¼ °µ¨¶¶
Š²²√¤¨µ·¶° qt||y1 ≥·²¦«¤¶·¬¦¶¬°∏¯¤·¬²± ²©¦¤·¨ª²µ¬¦¤¯ √¤µ¬¤¥¯ ¶¨∏¶¬±ª¤¦¯¤¶¶¬©¬¦¤·¬²± ¤¯ª²µ¬·«° ¤±§¶¬°∏¯¤·¨§¤±±¨ ¤¯¬±ªq ¤·«¨ °¤·¬¦¤¯ Š¨ ²¯²ª¼ ou{kzl }|s| p
|ut
‹ ¤¨·«¨µŽqussw1 ⁄¤·¤¬±·«µ¨¨§¬° ±¨¶¬²±¶}¤ª∏¬§¨ ·² „µ¦ŠŒ≥ v⁄¤±¤¯¼¶·q ≤¯ ¬©·²± °¤µ®o‘≠ }׫²°¶²±Π⁄¨ ¯°¤µ¨¤µ±¬±ª
°¤± Š∏²¦«¨ ±ªqt||z1 地质统计学中的区域化变量理论 q李钟山译 q世界地质 otykul }{x p |v
°¤¬±·¨µ≥ qt||{1 ‘∏° µ¨¬¦¤¯ ° ·¨«²§©²µ¦²±§¬·¬²±¤¯ ¶¬°∏¯¤·¬²± ²©¯¨ √¼µ¤±§²° ©¬¨ §¯¶q ¤·« Š¨ ²¯ ovskul }tyv p tz|
k责任编辑 徐 红 张君颖l
xt 增刊 t 冯益明等 }林业空间统计学软件设计