GIS在生态环境领域研究热点的可视化分析
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摘要：以GIS和生态环境领域为主题，检索CNKI数据库中1999—2018年的期刊论文作为数据源，利用科学知识图谱的方法对该领域的研究热点和研究趋势进行可视化分析。研究发现在生态环境与GIS结合领域有少数作者存在合作关系，大部分学者都是进行独立研究，互相之间关联性不强;通过关键词共现分析，发现学者们主要进行生态环境安全、可持续发展、生态敏感性等方面的研究;突变词监测则展示了GIS在生态环境领域近20年的研究热点转换，经历了从以地理信息技术为主、生态环境为辅到关注水土流失等可持续发展，再到以生态系统评价为重心的转变过程。
关键词：GIS;生态环境;可视化;研究热点;科学知识图谱
Abstract： Taking GIS and ecological environment field as the theme， the 1999—2018 periodical papers in the CNKI database are retrieved as the data source， and the method of mapping knowledge domain is used to visually analyze the research hotspots and research trends in this field. The study found that in the field of the combination of ecological environment and GIS， there are a few scholars who have a cooperative relationship. Most scholars conduct independent research and are not closely related to each other. Through keyword co-occurrence analysis， the study found that scholars mainly conduct research on ecological environment security， sustainable development， and ecological sensitivity. The monitoring of mutant words demonstrates the transformation of research hotspots of GIS in the field of ecological environment in the past 20 years. It has experienced sustainable development ranging from geographic information technology as a supplement to ecological environment to the focus on soil erosion， to the focus on ecosystem evaluation process of transformation.
Key words： GIS; ecological environment; visualization; research hotspot; mapping knowledge domain
近年来随着经济的发展和生态环境保护政策的不断完善，生态环境保护逐渐走进大众视野，引起了广大学者的广泛关注。地理信息系统（Geographic information system，简称GIS）作为一门研究空间信息的全新技术，在研究生态环境资源调查和动态监测等方面起着不可忽视的作用。使用GIS技术对环境质量进行评价，具有成本低、实时更新等优点[1]，为研究區域生态环境变化提供了有效手段[2]。随着生态环境在国家发展中的重要性增强，掌握GIS在生态环境研究领域的发展形势必不可少。在学科领域代表方面，期刊论文代表了领域内的发展情况和最新的前沿动态[3，4]。近年来GIS在生态环境领域出现了越来越多的研究成果，通过对这些研究成果的梳理总结，可以了解不同时期的研究热点和研究趋势。传统的文献阅读方法，较难全面概括出某一个领域的关键性文献和研究热点等问题，研究者也很容易落入单一主观判断的误区[5]。科学知识图谱（Mapping knowledge domains）是一种以科学知识为计量研究对象的显示科学知识的发展与结构关系的图像，属于科学计量学（scientometrics）的范畴[6，7]。借助于科学知识图谱，通过一定的算法以可视化的方式展示学科内研究现状及趋势，较全面地反映了学科领域的研究现状。目前科学知识图谱方法已经被广泛应用于医学、信息科学、计算机科学等60多个领域[8]，其中，在生态环境领域相关学科中利用科学知识图谱进行分析的有生态宜居、民族生态环境、城市化与生态环境关系、环境政策、生态安全等领域[8-13]，但是与GIS相结合的研究中，总体趋势分析还比较少。因此，本研究以CNKI数据库作为文献来源，采用Citespace软件对研究GIS在生态环境方面的文献进行定量分析，利用可视化的科学知识图谱进行直观地展示并进行分析，探索GIS在生态环境领域方面的研究现状，客观揭示研究发展规律，清晰全面地展现生态环境领域的研究前沿和热点。
1 方法和数据
文献计量学作为情报学的一个重要分支，通过基于数学和统计学的方法来了解各个学科或领域的发展形势。文献计量分析是当前文献研究的主流方法，利用文献计量法生成科学知识图谱，可以通过一系列的图表展示公共政策的研究热点和发展趋势，具有综合定量统计学、视觉信息显示、客观描述和评价等优点，已经成为全球各个科学领域分析和研究的重要工具[14]。Citespace可视化软件是国内外文献计量研究的重要工具，其主要功能是对输入的文献数据生成可视化分析矩阵，进一步得到关键词、作者、机构等的共现矩阵[15-17]。 本研究的数据来源于中国学术期刊网（CNKI），利用高级检索方式，搜索关键词为GIS和生态环境，搜索的时间条件是1999年1月1日—2018年12月31日，时间跨度为20年，共检索出来结果2 357篇。经过筛选后剔除报道、研讨会成果介绍类和与研究主题关系不大的文献，最终样本数量为2 218篇。利用Citespace软件分析工具，以科学知识图谱的方式分别分析了GIS在生态环境领域的论文数量变化，研究作者及合作关系、主要研究机构及其合作关系、研究热点和研究领域突变词等变化和发展趋势，为GIS在生态环境领域的发展提供一定的参考。
2 GIS在生态环境领域内研究现状
2.1 随时间变化论文数量分析
在科学研究领域，每年发表的论文数量代表了学者们在此领域内的研究热度。通过对论文数量进行统计并绘制折线图进行分析，可以看出GIS在生态环境领域的发展过程和发展趋势。由Citespace软件统计了1999—2018年每年的论文数量并绘制折线图（图1），可以看出，中国GIS在生态环境领域的发展大概可以分为3个阶段。第一阶段为1999—2001年，发表的GIS在生态环境领域的研究成果年均量极少，发表的论文数量为15篇。第二阶段为2002—2006年，每年的发文量开始呈现稳步上升的趋势。第三阶段为2006年至今， 每年GIS与生态环境领域结合的研究结果的论文数量都在100篇以上。分析其原因，GIS是20世纪60年代前后才逐步发展起来的高新技术[18]，在第一阶段，GIS在中国处于刚开始发展的阶段，仅仅局限于测绘等专业领域，由于信息技术相对落后，计算机的数据运算和处理能力较低，并且缺少满足要求的软件，特别是缺乏适合大区域资源与环境综合监测要求的国产GIS软件[19]，所以GIS的应用范围和能力也相对有限[20] ，完整的研究体系尚未形成，GIS在生态环境领域的发展还处于初级阶段。在第二阶段，中国华北地区连续多次出现了大范围、高强度、高频率的沙尘暴天气，对其周边地区造成了直接危害[21]，生态环境问题引起了各界专家的广泛重视。“九五”期间，国家对于GIS的发展给予了充分的重视和支持，GIS在中国发展速度明显加快[22]，在生态环境领域中的作用也逐渐加强。“十一五”开始，国家对生态环境方面的重视力度进一步加大，颁布了许多与生态环境相关的政策措施。同时随着计算机事业的蓬勃发展， 信息系统在环境保护和生态建设方面得到了广泛的应用。生态环境部建立了覆盖全国，纵跨国家、省级、地市级、县级环保部门及相关企业的国家环境监理信息系统[23，24]，给地理信息系统的发展和成熟带来了机遇[25]。在GIS领域内涉及生态环境方面的研究也越来越多，GIS在生态环境领域的应用进入快速发展阶段。第三阶段属于GIS在生态环境领域的稳定发展阶段，这个时期GIS技术在中国越来越成熟和强大，在生态环境领域发挥着越来越重要的作用。同时，2015年1月1日，新《环保法》在中国正式实施，是中国出台协调环境保护同经济和社会发展的新举措，也就出现了2015—2016年论文数量迅猛增长的局势。2018年论文数量为79篇，低于前10年平均水平，这个时期关于生态环境方面的研究主要在于生态文明建设、生态环境保护、美丽中国及可持续发展等方面，更加注重于生态环境的规划和保护;同时由于生态环境领域进入细化研究，GIS这种宏观的关键词越来越少，导致以GIS和生态环境领域为主题词搜索到的相关文章数量减少;或者是与期刊电子版网上发表滞后导致统计不准确有关[8]。在1999—2018年整体趋势上，GIS在生态环境领域的研究显示出先逐步上升后稳定发展的趋势，表明在经济发展和政策影响下中国学者对GIS在生态环境领域研究中的逐渐深入和重视。
2.2 研究作者分析
为了展示领域内领先学者的研究情况，需要创建和分析生产作者及共同作者网络的知识图谱，可以展示对此领域有相关研究的作者聚类群和作者之间的合作关系，为研究组织发展合作团体提供有价值的信息，供个体研究人员寻求合作机会。利用Citespace软件对生态环境领域研究的作者进行分析，得到生态领域研究作者图谱（图2）和生态领域内作者时区分布图谱（图3）。每个节点代表1个作者，节点大小代表已发表的文章数量，连接两个节点之间的链接表示两个作者之间的合作关系，链接的厚度表示合作的强度。根据文章数量统计了发表数量排名前20的作者（表1）。根据图2发现，大部分学者的相关研究都比较独立，关联性较弱。进一步分析表1中排名靠前的作者，发现张增祥[26，27]来自于北京大学地理系，长期开展资源环境遥感应用研究，龚文峰[28，29]主要从事3S技术在农业水土和资源监测上的应用;邵怀勇[30，31]的研究方向为GIS空间建模、全球变化与可持续发展。以上学者都同时具备GIS与生态环境相关知识背景，所以能更好地将两者结合起来进行深入研究。还有一部分学者如汤洁[32-34]，来自吉林大学，主要研究生态环境信息系统理论与技术，与同来自吉林大学的林年丰存在合作关系;肖文发和郭志华[35-37]来自同一机构中国林业科学院森林生态环境与保护研究所。由此可见来自同一研究机构或院校的学者之间合作较强，而来自不同单位的学者之间很少存在合作关系，作者之间的学术关系需要进一步加强。
由图3可以看出，早期GIS在生态环境中的应用主要研究学者是张增祥和汤洁，随后在2006—2009年研究的比较多的是邵怀勇、龚文峰、苏维词等学者，最近几年研究GIS在生态环境领域应用的学者有陈闪、陈尧、冯亚杰、邓伟等，但是在相互合作和研究强度上相对于前几年都有所减弱，研究趋势稍有减缓。
2.3 主要机构与合作情况分析
在科学计量分析中对主要机构与机构之间合作关系的分析，可以识别出该研究领域中最具有影响力的组织和团体。通过Citespace软件对GIS在生态环境领域研究的相关论文进行可视化，在生成的网络图谱中，每个节点代表1个研究机构，节点的大小表示研究机构发布论文的数量，节点之间的连线表示研究机构之间的合作，合作越多，节点之间的连线越粗，可视化图谱见图4。由图4可知，GIS在生态环境领域研究中发表论文最多的机构是中国科学院研究生院，其次是中国科学院遥感应用所、西北师范大学地理与环境科学学院、吉林大学环境与资源学院等。除了小部分机构存在合作关系之外，如中国科学院研究生院和中国科学院遥感应用所合作密切，大部分機构都是独立研究。根据时间序列图谱（图5），中国科学院遥感应用研究所是最早开始进行相关研究的机构，这与中科院领先其他机构最早开始使用GIS进行研究不无关系;2004年吉林大学环境与资源学院和中国科学院新疆生态与地理研究所开始进行研究。发表论文最多的机构中国科学院研究生院和西北师范大学地理与环境科学学院，在2009年进行的研究较多。近几年开始涉及GIS在生态环境领域研究的机构有武汉大学资源环境科学学院、青海民族大学公共管理学院和中国科学院大学等。根据机构的地理位置分析，GIS在生态环境领域研究的机构主要都分布在北京市以及新疆维吾尔自治区、陕西省、吉林省、青海省等地区，考虑其原因，新疆维吾尔自治区塔里木区域环境脆弱，生态环境状况一直是诸多学者关注的焦点[38，39]。吉林省西部地区处于农牧交错带，是中国北方生态脆弱带的重要组成部分，是吉林省生态环境问题最严重的地区，主要表现为土壤盐碱化、沙化、贫瘠化，草场退化，植被覆盖面积锐减，沙尘暴增加，干旱缺水，水质恶化等，阻碍了经济的可持续发展[40，41]。西北地区由五大山系和山间盆地组成，山区和丘陵面积占比大，包括3类生态分区，即黄土高原区、西北干旱区、青藏高原寒区，环境气候都具有其代表性和特殊性，是中国研究生态环境的一个重点区域[42]。青海省的黑河流域由于发展经济而造成的流域荒漠化同样引起了生态环境学家的关注[43]，这也说明中国对生态环境脆弱区的发展和保护的重视程度越来越大。 3 GIS在生态环境领域内研究热点分析
3.1 研究热点分析
学科的研究前沿代表了当前该学科的新增长点和研究领域新趋势。学术期刊中关键词是表达文献主题概念的代表性词语，浓缩了作者的学术观点。因此，关键词是文献计量学中的重要指标。关键词共现分析是基于同一文献中引用的一对关键词的数量统计，从而对这些词进行网络分析和聚类分析，描述某一学科领域的内部构成关系和结构，从而揭示该学科的研究前沿。
利用Citespace软件对1999—2018年GIS在生态环境领域的研究的关键词统计，以1年为时间切片，选取每个时间切片中高被引的前50个关键词计算关键词的共现频率和中心度，图谱中节点越大说明关键词出现频率越高，节点间的连线表明各节点之间的共现关系，连线越粗表示两个关键词之间的联系程度越强，得到GIS在生态环境领域中研究热点图谱（图6），反映了各个关键词之间的关联程度。统计出排名前30的关键词（表2），由表2可知，除了GIS和生态环境这两个研究领域本身的关键词之外，RS（遥感）作为GIS中的重要组成部分，在研究生态环境领域也起着重要作用。目前遥感已经被广泛应用于生态环境研究的信息来源，例如在进行生物多样性监测活动时，可以通过生物多样性测量与遥感响应之间的关系得出，通常以植被指数的形式显示[44]。出现频次较高的关键词还有景观格局、评价、生态敏感性、生态安全、可持续发展等，都与研究主题具有高度的相关性。景观格局是斑块、廊道、基质在空间上的排列型式[45]，是景观异质性在空间上的综合表现[46，47]，又是各种生态过程在不同尺度上作用的结果[48]。景观格局决定着资源和环境的分布形式[49]，对于抗干扰能力、恢复能力、系统稳定性和生物多样性有着深刻影响[50]。生态环境质量评价反映了区域生态质量变化趋势[54]，可以根据评价结果提出相应的土地整理方向和措施[51-55]。生态环境敏感性是指生态环境中部分环境要素或因子对人类活动反应的灵敏程度[56]，可以反映一个区域产生生态失衡与生态环境问题的可能性大小及恢复速度[57]。进行生态环境敏感性评价的意义在于可以提早预防并采取针对性地保护与建设措施[58]，为该地区生态环境保护提供科学依据[59]。
3.2 研究领域突变词分析
突发检测分析通过关键词频率的变化，确定了GIS在生态环境领域某一时段内具有突发性增长特征的关键词，虽然每个关键词的使用频率相对较低，但可以根据关键词频率随时间的变化找到突发关键词，并且通过这些关键词预测最新的研究趋势。
根据Citespace软件生成的GIS在生态环境领域研究的突变词年份分布图（图7），選取了具有最大突发权重的前20个关键词进行可视化分析。由图7可知，左侧是表示发生突变的关键字，水平条的长度表示爆发持续时间，水平条左侧的时间表示特定的开始和结束年份。结果表明，1999—2002年出现的突变词有生态环境、地理信息系统、地图等，证明了GIS在生态环境领域刚开始发展阶段主要是以地理信息系统为主要研究核心，应用主要限于数据处理和绘图[60]，生态环境在当时并不算研究热点;2003—2006年，突变词为驱动力、绿洲、水土保持、规划等，说明当时学者们的研究重心在于环境方面的水土保持和可持续发展;2006年以后，涌现出生态环境监测、lucc、气候变化、生态适宜性、生态适宜性评价、生态敏感性等关键词，一方面说明政策的颁布和实施引领一部分研究方向，另一方面也说明随着经济的发展和环境的改善，生态方面的研究引起了学者们的重视。1999—2018年，GIS在生态环境领域的研究热点分布经历了以地理信息系统为核心的生态环境研究，到以水土保持为主要内容的环境保护研究，再到以生态适宜性为主要研究内容的生态环境保护等过程，这个过程也显示了GIS作为一门应用性学科在生态环境研究中不可取代的地位，以及随着生活水平的提高和政策号召下人们对于生态环境保护方面的意识逐渐加强。
4 结论
科学知识图谱可以描述科学知识的发展过程和结构关系，具有可视化、定量分析和趋势发现的优势。本研究利用Citespace软件对GIS在生态环境领域研究中的作者、机构、关键词以及突变词监测等方面进行分析，主要结论如下。
1）GIS在生态环境领域研究的相关文献数量在经过了1999—2002年的发展阶段之后，呈现快速发展趋势，每年发表论文数量递增，整体研究结果曲线呈增长态势。在研究机构方面，中国科学院研究生院、中国科学院遥感应用所和西北师范大学地理与环境科学学院等机构的研究成果最多，但是大部分机构之间缺乏合作关系。在论文作者网络中，研究成果较多的有王文科、张增祥、林联盛等，最近几年研究GIS在生态环境领域应用的学者有陈闪、陈尧、冯亚杰等，但是，作者之间的学术关系需要进一步加强。
2）通过对关键词的聚类密度图分析，发现RS、景观格局、评价、生态敏感性、生态安全等方面属于研究热点，最近几年研究重点偏向生态环境评价以及生态环境敏感性。总体来看，有关GIS在生态环境领域应用的研究中，研究机构之间以及学者之间的合作关系较少，近几年来研究趋势稍有减缓。因此，要加强合作关系，进一步深化研究，使GIS在生态环境领域应用研究中取得更好的成果。
由于本研究选取的是CNKI数据库中的中文文献，研究结果仅代表国内GIS在生态环境领域发展的现状及趋势，不能代表整个学科;同时由于CNKI数据库不提供文献的引文，所以在此研究中未能进行引文分析，导致分析结果具有一定的局限性，在将来的研究中还需要进一步完善。
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