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用地理信息系统映照真实世界

来源:  发布时间:2024-03-12

——记南京大学地理与海洋科学学院副教授蒲英霞

王 芳  杨立亮  

  

  古人以舆图标绘空间信息,而今人以地理信息系统(GIS)映照真实世界。

  GIS是一种基于计算机的工具,可以对空间信息进行管理分析和集成显示。世界上第一个实用的GIS诞生十余年后,1977年我国也拉开了GIS的研发序幕。半个世纪以来,中国GIS从模仿到自主研发,不断与先进技术融合,逐渐应用于国计民生的方方面面。这背后离不开广大教研人员在理论、方法、应用上的探索,以及在人才培养上的付出。

  来自南京大学地理与海洋科学学院的副教授蒲英霞,正是这样一位长期奋战在我国GIS教研一线的科技工作者。20世纪90年代以来,蒲英霞紧跟前沿,先后开设地图投影、地图分析与应用、空间计量模型和空间数据分析等重要课程,在GIS与空间数据分析集成理论与方法及其在区域分析中的应用方面做出了一系列创新实用成果,孕育桃李满芬芳,见证并参与了中国GIS三十载砥砺图强。


持续精进助力中国GIS发展


  风起于青蘋之末,浪成于微澜之间。这句话是中国GIS发展的真实写照,也是蒲英霞工作生涯的生动描绘。

  1990年,蒲英霞考入山东师范大学地理系。在本科学习期间,她就对计量地理学产生了浓厚兴趣。1994年,蒲英霞考入素有中国地理学摇篮美誉的南京大学地理与海洋科学学院(原地理学系)的地图学与地理信息系统专业攻读硕士学位,3年后毕业并留校任教。当时,国内GIS研究起步不久,南京大学地理信息科学方面的人才青黄不接,摆在蒲英霞面前的,既是机遇也是挑战。

  地图投影,是蒲英霞承担的第一门课程。“我学过地图学,但对地图投影并没有进行过专门研究,且其中用到的高数知识也较难。”为啃下这块硬骨头,她刻苦自学、虚心请教,积累了厚厚的教案和笔记,逐渐独当一面。1999年,为更好地胜任科研工作,蒲英霞开始攻读博士学位,对空间数据分析进行深入研究。博士毕业后,她于2006年申请获批了自己的第一个重要项目——国家自然科学基金青年项目,以江苏省经济社会数据为例,从GIS数据库中发现空间关联模式,由此正式开始了自己的科研生涯,并从区域数据分析起步,逐渐深入复杂的人口迁移数据分析。

  2008年和2017年,为精进学术,蒲英霞分别前往美国密歇根大学中国数据研究中心,以及宾夕法尼亚州立大学农村经济、社会与教育学系进行交流访问;近年来,结合国际前沿研究和自身积累,她又开设了涉及大量高数、概率论、统计学知识且涵盖复杂的GIS技术的空间数据分析课程。对此,蒲英霞说:“一个学科总是越发展越复杂,不断对研究者提出更高要求,只有与时俱进、持续地学习积累,才能适应学科的发展需求,取得更好的成绩。”

  得益于此,迄今为止蒲英霞已发表国内外学术论文90余篇;参与完成专著《GIS空间关联模式发现》;参与撰写《地理信息技术应用》《地图投影》《地图学》3部教材。2021年,她凭借“地理信息云服务平台关键技术与决策支持”与“区县级自然资源和规划‘一张图’治理体系构建关键技术研究”相继获得江苏省科学技术奖一等奖与中国地理信息产业协会科技进步奖。蒲英霞用实际行动在中国GIS的发展过程中,贡献了属于自己的力量。


以空间数据分析人口迁移


  由于具有空间位置属性,空间数据之间相互联系,具有地理学第一定律所决定的特征——任何事物都是与其他事物相关的,只不过相近的事物关联更紧密。空间自相关研究应用广阔,能够在社会经济、人文历史、自然地理等领域发挥重要作用。其中,人口迁徙问题是蒲英霞利用空间数据分析方法研究的重点课题之一。

  改革开放之后,“孔雀东南飞”成为人口迁移新风向;2010年以来,我国经济增速逐渐放缓,人口部分回流中西部。与此同时,随着我国人口增速放缓乃至出现负增长,人口迁移正在成为区域人口增长的重要方式。在蒲英霞看来,人口迁移流动不仅依赖迁出地和目的地的自然、经济和社会文化等属性,还与以往人口迁移及当前周边人口迁移的各种状态息息相关,并对未来人口迁移产生深刻影响。探索区域人口迁移影响因素和时空动力机制,是保障我国区域人口再分布相对平衡、人力资源顺畅流动和完善要素市场化配置机制的现实需求。

  针对传统的建模分析大多基于截面数据和重力模型,注重起讫点双边要素的“推拉”效应,而忽视时空维度的有机联系,甚少考虑不确定性问题的情况,蒲英霞引入并深入分析贝叶斯模型平均方法以解决建模过程中面临的变量选择等问题。“贝叶斯统计学是我在宾夕法尼亚州立大学访问交流时进一步了解到的。贝叶斯统计使用先验知识和样本信息,通过贝叶斯规则得到后验概率来解决统计学问题,如参数估计、假设检验、预测和决策等。这种方法的有趣之处在于,将人对事情发生的信念强烈程度放在核心位置,对我产生了较大的影响。”

  比如,开展国家自然科学基金面上项目“空间OD(指起讫点)模型优化与不确定分析”时,蒲英霞从空间OD流所在的网络系统的复杂性出发,围绕节点属性、节点环境与模型结构表达中可能存在的不确定性,结合贝叶斯统计学,建立表征不确定性的空间OD模型,通过贝叶斯模型平均方法优化模型,以期对空间OD流的模式演变与内在机理做出较为科学的解释,并对未来发展趋势做出概率预测。相关研究通过对中国省际人口迁移流的建模与预测分析,以实例形式表明了面向不确定性的空间OD模型构建与优化在技术与方法上的可行性。

  而在2023年获批的国家自然科学基金面上项目“空间动态OD面板模型优化与时空动力机制分析”的研究中,蒲英霞又围绕OD流所在网络系统的起讫点要素、周边环境和时空结构表达中的不确定性,通过凸组合和马尔可夫链-蒙特卡罗模型综合等方法,对所有可能出现的模型以后验概率为权重进行加权平均,构建并优化空间动态OD面板模型,对OD流发展的时空路径依赖和网络溢出效应等内在机理做出定量解释。通过对改革开放以来中国省际人口迁移流的建模与分析,表明不确定性背景下空间动态OD面板模型优化在理论、技术与方法上的可行性,将深化GIS时空数据挖掘研究和应用,为区域人口迁移政策制定和完善要素市场化配置等提供决策支持。


通过学术研究引发更多思考


  “除了人口迁移以外,物流、信息流等都是流动的信息,涉及两个区域,乃至多个区域间的相互作用。考虑的因素越多,建模分析的难度就越大。”蒲英霞带领学生耐心细致地一遍遍分析、估计、验证,不断实现着预期效果,提供决策支持。“同时,人口迁移所涉及的时空观念也为我们提供了一个更广阔的背景来探讨人口问题。通过研究人口迁移,最主要的是希望能够把在人口迁移当中的网络溢出效应表现出来,引发人们更多的思考。”

  这种研究初心和研究方法,不仅吸引来了国内的研究生,也有白俄罗斯的研究生在网上看到蒲英霞的研究文章,慕名而来。“2022年,我还尝试跟意大利博洛尼亚大学的一位经济系教授联合申请关于交通旅游方面的国际合作项目。虽最终因合作经验少而未能成功,但为之后的合作打下了基础。”南京大学校风开明,蒲英霞也对学生限制极少。“我的项目时间相对宽裕,在促进团队合作一起推进科研项目的同时,我希望能教授给学生理论和实践工具相结合的知识技能,并且给予他们空间,让他们自由探索感兴趣的方向。”

  2020年,蒲英霞开设了20年的“地图投影”正式停课。202311月的一次会议上,她遇到了一名十几年前的学生。学生告诉她,有赖于那时的学习,这些年在单位但凡遇到跟地图投影有关的问题,同事都会来请教他,言谈之间满是自豪。课堂上播下的种子,随着学生四散走入社会,在她看不见的地方生了根发了芽。原本还对停课颇为惋惜的蒲英霞,因此慰藉不少。未来,她希望紧跟前沿,在GIS领域做出更多成果,继续造福社会。
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2024年5月

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