地理空間分析與建模課件

1、一、概述(一)什么是GIS的應(yīng)用模型模型是一種現(xiàn)象或系統(tǒng)的簡(jiǎn)化表示GIS應(yīng)用模型：根據(jù)具體的應(yīng)用目標(biāo)和問題，借助于GIS自身的優(yōu)勢(shì)，將觀念世界中形成的概念模型，具體化為信息世界中的可操作的機(jī)理和過程。是以空間分析的基本方法和算法模型為基礎(chǔ)，針對(duì)客觀世界專門應(yīng)用目的而構(gòu)建的解決專門問題的理論和方法。是GIS技術(shù)應(yīng)用向?qū)I(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。一、概述(一)什么是GIS的應(yīng)用模型(二)為什么需要GIS應(yīng)用模型GIS 應(yīng)用模型是GIS的基本構(gòu)成之一 GIS的空間分析是基本的、解決一般的通用問題的基本理論和方法；盡管GIS 軟件具有強(qiáng)大的空間分析功能，為解決各種現(xiàn)實(shí)問題提供了有效的基本工具，但對(duì)于某一專門應(yīng)用目

2、的的解決，還必須通過構(gòu)建專門的應(yīng)用模型。 （例如土地利用適宜性模型、選址模型、洪水預(yù)測(cè)模型等）。(二)為什么需要GIS應(yīng)用模型(三)、 GIS應(yīng)用模型的技術(shù)優(yōu)勢(shì) 1）優(yōu)良的硬件環(huán)境2）多功能的軟件模塊3）能夠客觀表達(dá)地理空間的數(shù)據(jù)模型4）便于人機(jī)溝通的用戶界面 (三)、 GIS應(yīng)用模型的技術(shù)優(yōu)勢(shì) (四)、應(yīng)用模型的作用 GIS應(yīng)用模型用一定程度的簡(jiǎn)化和抽象，通過邏輯的演繹，去把握地理系統(tǒng)各要素之間的相互關(guān)系、本質(zhì)特征及可視化顯示，是GIS走向?qū)嵱没年P(guān)鍵。應(yīng)用模型是聯(lián)系GIS應(yīng)用系統(tǒng)與專業(yè)研究的紐帶；應(yīng)用模型是綜合利用GIS應(yīng)用系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)的工具；應(yīng)用模型是GIS應(yīng)用系統(tǒng)解決各種實(shí)際問題的武

3、器；應(yīng)用模型有利于系統(tǒng)使用者與設(shè)計(jì)者之間的信息交流；便于用戶使用和操作。(四)、應(yīng)用模型的作用(五)、GIS應(yīng)用模型的類型數(shù)學(xué)模型：應(yīng)用數(shù)學(xué)分析方法建立的模型； 如人口增長(zhǎng)模型經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停和ㄟ^數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和觀測(cè)實(shí)驗(yàn)建立的模型； 如適宜性分析模型混合模型：既有基于理論原理的確定性變量、又有經(jīng)驗(yàn)性的不確定變量； 如位置選擇模型(五)、GIS應(yīng)用模型的類型(六)構(gòu)建GIS應(yīng)用模型的三種方法1）利用GIS內(nèi)部建模工具 利用GIS軟件本身的宏語言（如MapInfo的MapBasic語言、ArcInfo的VBA語言等）、應(yīng)用函數(shù)庫(kù)（API）或功能組件（COM）開發(fā)所需的空間分析模型。該方法是將GIS軟件已經(jīng)

4、具有的功能模塊作為模型部件，按照具體應(yīng)用的目的和標(biāo)準(zhǔn)，將這些部件進(jìn)行有機(jī)的組合而形成解決某個(gè)具體問題的應(yīng)用模型。 內(nèi)部模型可以充分利用GIS軟件本身的資源和功能，模型構(gòu)建和開發(fā)的效率比較高。（如坡地分析）(六)構(gòu)建GIS應(yīng)用模型的三種方法2）利用GIS系統(tǒng)外部建模工具 這種方法是基于利用GIS的空間數(shù)據(jù)庫(kù)和可視化輸出功能，而模型的分析功能則主要利用其它應(yīng)用軟件進(jìn)行開發(fā)，如MatLab和IDL。這種構(gòu)模方法實(shí)現(xiàn)了不同軟件與GIS軟件的集成，無需在GIS環(huán)境中重新編制分析軟件。 運(yùn)行效率有一定影響。（如人口統(tǒng)計(jì)分析）2）利用GIS系統(tǒng)外部建模工具3）混合型的模型構(gòu)建 混合模型是上述兩種建模法的結(jié)合

5、。 既充分考慮利用GIS軟件提供的功能，盡量減少用戶自行開發(fā)的壓力，又能兼具吸收其它功能軟件的特殊功用，為解決用戶實(shí)際問題提供更靈活、更適用的解決方法。3）混合型的模型構(gòu)建明確分析的目的和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則準(zhǔn)備分析數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析操作進(jìn)行結(jié)果分析解釋、評(píng)價(jià)結(jié)果結(jié)果輸出二、建立GIS應(yīng)用模型的一般步驟 明確分析的目的和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則二、建立GIS應(yīng)用模型的一般步驟實(shí)例分析 （1）問題背景為了在某地建立一森林公園旅游點(diǎn)，需參考一定的旅游條件，假設(shè)該旅游點(diǎn)須滿足距公路、鐵路0.5km以外10km以內(nèi)，非市區(qū)，有林地，要求在行政區(qū)劃圖上選出該旅游點(diǎn)位置，并注明面積大小。數(shù)據(jù)源公路及鐵路分布圖；森林分布及權(quán)屬圖；城鎮(zhèn)行

6、政區(qū)劃圖；實(shí)例分析 （1）問題背景問題求解所涉及的GIS功能屬性重分類；面狀邊界消除與合并；緩沖區(qū)生成；拓?fù)浏B加；面積量測(cè)；繪圖輸出；生成報(bào)表實(shí)例分析 （1）問題求解所涉及的GIS功能實(shí)例分析 （1）實(shí)例分析 （1）具體步驟(1)將城鎮(zhèn)行政區(qū)劃圖重新分類，生成市區(qū)、非市區(qū)兩類；(2)拓?fù)浏B加生成圖層，得到非林地；林地且市區(qū)；林地、非市區(qū)、距道路0.5km內(nèi)；林地、非市區(qū)、距道路0.5km外10km內(nèi)；林地、非市區(qū)、距道路10km外(3)依約束條件，提取第4類多邊形，并計(jì)算其面積；(4)與行政區(qū)劃圖疊加，打印輸出結(jié)果；實(shí)例分析 （1）具體步驟實(shí)例分析 （2）道路拓寬改建過程中的拆遷指標(biāo)計(jì)算 要解

7、決的問題及約束條件計(jì)算由于道路拓寬而需拆遷的建筑面積和房產(chǎn)價(jià)值 ；道路拓寬改建的標(biāo)準(zhǔn)是： 道路從原有的20米拓寬到60米 ；拓寬道路應(yīng)盡量保持直線 ；部分位于拆遷區(qū)內(nèi)的10層以上的建筑不拆除 ；所需資料現(xiàn)狀道路圖； 區(qū)域內(nèi)建筑物分布圖； 實(shí)例分析 （2）道路拓寬改建過程中的拆遷指標(biāo)計(jì)算 要解決的問實(shí)例分析 （2）空間操作 選擇擬拓寬的道路，根據(jù)拓寬半徑，建立道路的緩沖區(qū)；將緩沖區(qū)圖與建筑物分布圖進(jìn)行拓?fù)浏B加，此圖包括部分或全部位于拓寬區(qū)內(nèi)的所有建筑物信息；統(tǒng)計(jì)分析 選擇落入拆遷區(qū)內(nèi)的樓層高為10層以上的建筑物，將其排除掉，其余為拆遷建筑物 ；對(duì)所需拆遷的建筑物進(jìn)行拆遷指標(biāo)計(jì)算，包括建筑物面積、

8、房產(chǎn)價(jià)值。實(shí)例分析 （2）空間操作 三、二值模型一種GIS模型，用邏輯表達(dá)式從組合地圖中選擇感興趣的地圖要素輸出結(jié)果也為二值模型（1為真，0為假） 方法 矢量：地圖疊加運(yùn)算、屬性組合 柵格：格網(wǎng)查詢?nèi)⒍的Ｐ鸵环NGIS模型，用邏輯表達(dá)式從組合地圖中選擇感興矢量二值模型建立123123IDPH132534IDType1232453181354267IDPH132335Type2323454454642345187518Ph=4 AND Type=234矢量二值模型建立123123IDPH132534IDType矢量二值模型應(yīng)用問題：植物潛在生存環(huán)境在高度帶2之內(nèi)，距河流不超過200米 數(shù)據(jù) 高

9、度帶地圖、河流地圖 方法 確立河流緩沖區(qū) 河流緩沖區(qū)與高度帶地圖疊加 在疊加地圖上選擇高度帶為2的區(qū)域 二值輸出演示：示例 矢量二值模型應(yīng)用問題：植物潛在生存環(huán)境柵格二值模型建立11143244334444441113322333444444Cov1Cov2Cov1=3 AND Cov2=3柵格二值模型建立1114324433444444111332柵格二值模型應(yīng)用示例問題：植物潛在生存環(huán)境： 在高度帶2之內(nèi)，距河流不超過200米 數(shù)據(jù) 高度帶地圖（grid）、河流地圖（grid） 方法 距離量測(cè): Find Distance 柵格計(jì)算器 二值輸出柵格二值模型應(yīng)用示例問題：植物潛在生存環(huán)境：

10、二值模型應(yīng)用舉例選擇潛在商業(yè)用地 如：面積大于5公頃，商業(yè)地帶，閑置，距離小區(qū)距離小于3公里，坡度小于5度等 土地利用規(guī)劃 土壤侵蝕分析 空間對(duì)象變化 建立精確模型二值模型應(yīng)用舉例選擇潛在商業(yè)用地 指數(shù)模型由組合地圖或多個(gè)格網(wǎng)計(jì)算的指數(shù)值生成分等地圖。 過程 評(píng)估變量的相對(duì)重要性，確定權(quán)重 對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行分類并打分 建立指數(shù)模型 數(shù)值歸一化并輸出： （指數(shù)值- 最小指數(shù)值）/ 指數(shù)值值域指數(shù)模型由組合地圖或多個(gè)格網(wǎng)計(jì)算的指數(shù)值生成分等地圖。 基于矢量的指數(shù)模型建立過程123123IDPH132534IDType1232453181354267132331IDPHType2214252623137

11、13PH*2 + Type*313分值312分值213基于矢量的指數(shù)模型建立過程123123IDPH132534I基于柵格的指數(shù)模型建立過程72132491342455763311345134234520.61.82.430.20.60.80.40.60.810.4*0.6*0.2*0.21.43.24.23.8基于柵格的指數(shù)模型建立過程72132491342455763指數(shù)模型應(yīng)用通常用于適宜性分析和脆弱性分析 例一、森林保護(hù)區(qū)土地利用研究 參數(shù)確定 土壤條件、陡坡、洪澇 靠近水體、濕地等非點(diǎn)源污染 公路和開發(fā)區(qū) 野生動(dòng)物棲息地 美學(xué)影響 過程 對(duì)每個(gè)參數(shù)按環(huán)境成本/開發(fā)約束從1到5排序 對(duì)

12、每個(gè)參數(shù)制作格網(wǎng)并進(jìn)行疊加 取出每個(gè)參數(shù)的最大值作為輸出值 從輸出格網(wǎng)中選擇低值區(qū)作為保護(hù)區(qū)域指數(shù)模型應(yīng)用通常用于適宜性分析和脆弱性分析 指數(shù)模型應(yīng)用地下水污染評(píng)價(jià)模型 參數(shù)確定 水的埋置深度 凈補(bǔ)給 蓄水層介質(zhì) 土壤介質(zhì) 地形 滲流帶影響 導(dǎo)水率 每個(gè)參數(shù)評(píng)分，并加權(quán)計(jì)算指數(shù)模型應(yīng)用地下水污染評(píng)價(jià)模型 例：地下水評(píng)價(jià)污染分析因素：土壤特征、埋置深度、土地利用 評(píng)分系統(tǒng) 0 - 50 埋置深度 1 - 25： 50 26 - 50：35 51 - 100：20 101 - 150：10 例：地下水評(píng)價(jià)污染分析因素：土壤特征、埋置深度、土地利用 地下水評(píng)價(jià)污染分析（續(xù)） 土地利用 灌溉用地、野生

13、動(dòng)物棲息地等：50 非灌溉用地：20 城市與居民區(qū)：99（不納入本模型） 土壤類型 1類 50 2類 49 3類 48.8 4類 45.2 5類 43.8 6類 40.8 7類 38.8評(píng)價(jià)方程 3 X 土壤得分 + 土地利用得分 + 埋置深度得分地下水評(píng)價(jià)污染分析（續(xù)） 土地利用 土壤類型 評(píng)價(jià)方程 指數(shù)模型應(yīng)用野生生物棲息地適宜性指數(shù)模型HIS 參數(shù) 生物氣候帶a、點(diǎn)位類型b、優(yōu)勢(shì)種c、郁閉度d、演替階段e; 指數(shù)模型 HIS = sqrt(3a+b+c)/6) (d+e)/2） 歸一化 0 為不適宜做棲息地，1為理想棲息地指數(shù)模型應(yīng)用野生生物棲息地適宜性指數(shù)模型HIS 指數(shù)模型應(yīng)用森林火

14、災(zāi)指數(shù)模型 參數(shù) 植被種類v、海拔高度h、坡度s、坡向a、與道路或主宅區(qū)的接近程度r; 每個(gè)因子分為不同層次，賦予標(biāo)準(zhǔn)得分0、1、2，分別對(duì)應(yīng)高、中、低火災(zāi) 建立模型 H=1+100v+30s+10a+5r+2e 地圖運(yùn)算，產(chǎn)生森林火險(xiǎn)指數(shù)分布圖指數(shù)模型應(yīng)用森林火災(zāi)指數(shù)模型 回歸模型建立一個(gè)因變量和多個(gè)變量之間的關(guān)系，可用于預(yù)測(cè)和評(píng)估 通過地圖疊加運(yùn)算進(jìn)行實(shí)現(xiàn) 類型 線性回歸：數(shù)值變量 指數(shù)回歸：因變量為二值而自變量為類別或數(shù)值類型數(shù)據(jù) 并非所有的GIS軟件都提供回歸模型計(jì)算回歸模型建立一個(gè)因變量和多個(gè)變量之間的關(guān)系，可用于預(yù)測(cè)和評(píng)估回歸模型示例積雪量模擬 SWE = a + b X Col+ c X Row + d X Height 松鼠生活環(huán)境適宜性模型 Y = 0.002*H + 0.228*Slope + 0.685*C1 +0.433*C2 + 0.481*C3