第6章-GIS應用模型

第6章GIS應用模型6.1GIS應用模型概述6.1.1GIS應用模型的分類6.1.2GIS應用模型與GIS空間分析6.1.3GIS應用模型的構建6.2常用的應用模型6.2.1適宜分析模型6.2.2地學模擬模型6.2.3發(fā)展預測模型6.2.4交通規(guī)劃模型一、空間分析建模1、定義：空間分析模型是指用于GIS空間分析的數(shù)學模型，是在GIS空間數(shù)據(jù)基礎上建立起來的模型，是通過作用于原始數(shù)據(jù)和派生數(shù)據(jù)的一組順序的、交互的空間分析操作命令，對一個空間決策過程進行的模擬。如國家森林公園選址需要建立相應選址模型。數(shù)據(jù)源已知，包括公路鐵路分布圖（線狀地物），森林類型分布圖（面狀），城鎮(zhèn)區(qū)劃圖（面狀），需要得到國家森林公園候選地址信息提取的模型?？臻g分析一、空間分析建?？臻g分析步驟空間操作命令找出所有森林地區(qū)（1為林地，0為非林地）合并森林分類圖屬性相同的相鄰多邊形的邊界屬性再分類（聚類）歸組找出距公路或鐵路0.5公里的地區(qū)（保持安靜）緩沖區(qū)分析找出距公路或鐵路1公路1公里的地區(qū)（交通方便）緩沖區(qū)分析找出非城市區(qū)用地再分類找出森林地區(qū)、非市區(qū)、且距公路或鐵路0.5至1公里范圍內的地區(qū)疊置分析2、空間分析與應用模型的關系

空間分析應用模型空間分析是基本的，解決一般問題的理論和方法，而一般應用模型是不可枚舉的，是復合、復雜的，解決專門問題的理論和方法，它的解決應以空間分析的基本方法和算法模型為基礎。（局部與整體的關系）空間分析（1）空間分析模型是聯(lián)系GIS應用系統(tǒng)與專業(yè)領域的紐帶，必須以廣泛、深入的專業(yè)研究為基礎；（2）空間分析模型是綜合利用GIS中大量數(shù)據(jù)的工具，數(shù)據(jù)的綜合分析和應用主要通過模型來實現(xiàn)；（3）空間分析模型是分析型和輔助決策型GIS區(qū)別于管理型GIS的一個重要特征，是解決空間分析和輔助決策問題的核心。3、空間分析模型的意義空間分析4、地理信息建模系統(tǒng)（geographicinformationmodellingsystem，簡稱GIMS）是研究如何根據(jù)給定條件（如已知數(shù)據(jù)和約束條件）自動生成解決問題（如確定候選地址）的整個操作過程。自動空間建模極為復雜，目前，GIS空間建模是GIS的一個重要的研究方向。5、空間建模現(xiàn)狀：通用GIS空間分析功能與各種領域專用模型的結合主要有三種途徑：3)混合型空間模型法是前兩種方法的結合，即盡可能利用GIS提供的功能，最大限度地減少用戶自行開發(fā)的工作量和難度，又保持外部空間模型法的靈活性。2)嵌入式（內部空間模型法）1)松散耦合式（外部空間模型法）高級語言建立專業(yè)模型

GIS空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)通訊二次開發(fā)語言專業(yè)模型空間數(shù)據(jù)庫空間分析6、GIS中常用空間分析模型適宜性分析模型---分析研究各種地理要素數(shù)據(jù)之間相互關系的一種有效手段。2)地學模擬模型

--將現(xiàn)象的空間分布特征及其區(qū)域變化趨勢模擬出來。3)發(fā)展預測模型

--反映地理要素的動態(tài)發(fā)展規(guī)律，并用于預測分析。常用回歸模型。4）交通預測模型。空間分析二、空間決策支持---GIS空間分析的主要目的空間決策支持定義應用空間分析的各種手段對空間數(shù)據(jù)進行處理變換，以提取隱含于空間數(shù)據(jù)中的某些事實和關系，并以圖形和文字的形式直觀地加以表示，為現(xiàn)實世界中的各種應用提供科學、合理的支持。空間分析二、空間決策支持---GIS空間分析的主要目的2、GIS解決空間問題的一般步驟1）明確目的、要求；2）收集（準備）數(shù)據(jù)并建庫;3）確定GIS空間分析步驟；4）輸出結果；空間分析例：道路拓寬改建過程中的拆遷指標計算1）明確分析的目的和標準目的：計算由于道路拓寬而需拆遷的建筑物的面積和房產(chǎn)價值；道路拓寬改建的標準是：a)道路從原有的20m拓寬至60m；b)拓寬道路應盡量保持直線；c)部分位于拆遷區(qū)內的10層以上的建筑不拆除。2）準備進行分析的數(shù)據(jù)涉及兩類信息：一類是現(xiàn)狀道路圖；另一類是分析區(qū)域內建筑物分布圖及相關的信息；3）進行空間操作a)選擇擬拓寬的道路，根據(jù)拓寬半徑，建立道路的緩沖區(qū)。b)將此緩沖區(qū)與建筑物層數(shù)據(jù)進行拓撲疊加，產(chǎn)生一幅新圖，此圖包括所有部分或全部位于緩沖區(qū)內的建筑物信息。4）進行統(tǒng)計分析a)對全部或部分位于拆遷區(qū)內的建筑物進行選擇，凡部分落入拆遷區(qū)且樓層高于10層以上的建筑物，將其從選擇組中去除，并對道路的拓寬邊界進行局部調整。b)對所有需拆遷的建筑物進行拆遷指標計算。5）將分析結果以地圖或表格的形式打印輸出。

空間分析模型6.1GIS應用模型概述

所謂GIS應用模型，就是根據(jù)應用目標，具體化為信息世界中可操作的機理和過程。或是用一定程度的簡化和抽象，通過邏輯的演繹，去把握地理系統(tǒng)各要素之間的相互關系、本質特征及可視化顯示。6.1.1GIS應用模型的分類1.根據(jù)所表達空間對象的不同，GIS應用模型可分為：數(shù)學（理論）模型經(jīng)驗模型混合模型2.根據(jù)研究對象的瞬時狀態(tài)和發(fā)展過程，可分為：靜態(tài)半靜態(tài)動態(tài)模型。6.1.2GIS應用模型與GIS空間分析GIS應用模型與GIS空間分析關系密切，表現(xiàn)以下幾個方面。（1）GIS空間分析是基本的，是解決一般問題的理論和方法；而GIS應用模型是復雜的，往往是兩種或多種GIS空間分析方法的復合，是為解決專門問題的理論和方法。（2）空間分析模型是聯(lián)系GIS應用系統(tǒng)與專業(yè)領域的紐帶，必須以廣泛、深入的專業(yè)研究為基礎。（3）空間分析模型是綜合利用GIS中大量數(shù)據(jù)的工具，而數(shù)據(jù)的綜合分析和應用主要又通過模型來實現(xiàn)。（4）空間分析模型是分析型和輔助決策型GIS，這是區(qū)別于管理型GIS的一個重要特征，是解決空間分析和輔助決策問題的核心。6.1.3GIS應用模型的構建構建GIS應用模型，首先必須明確用GIS求解問題的基本流程；其次根據(jù)模型的研究對象和應用目的，確定模型的類別、相關的變量、參數(shù)和算法，構建模型邏輯結構框圖；然后確定GIS空間操作項目和空間分析方法；最后是模型運行結果驗證、修改和輸出。應用模型是GIS與相關專業(yè)連接的紐帶，它的建立并不是純數(shù)學技術性問題，而必須以堅實而廣泛的專業(yè)知識和經(jīng)驗為基礎，對相關問題的機理和過程進行深入的研究，并從各種因素中找出其因果關系和內在規(guī)律，有時還需要采用從從定性到定量的綜合集成法，這樣才能構建出真正有效的GIS應用模型。用GIS求解問題的過程就是建立地理信息建模系統(tǒng)（GeographicInformationModelingSystem，簡稱GIMS）,研究如何根據(jù)給定條件（如已知數(shù)據(jù)和約束條件）自動生成解決問題（如確定候選地址）的整個操作過程。它能支持面向用戶的空間分析模型的定義、生成和檢驗的環(huán)境，支持與用戶交互式地基于GIS的分析、建模和決策。GIMS是目前GIS研究的重要方向和熱點問題之一。通用GIS空間分析功能與各種領域專用模型的結合主要有三種途徑。（1）GIS環(huán)境內模型建造（嵌入式）：利用GIS軟件的宏語言發(fā)展各自所需的空間分析模型。此方法能充分利用GIS軟件本身所具有的資源，模型建造和開發(fā)的效率比較高。（2）GIS外部的模型建造（松散耦合式）：基于應用GIS的空間數(shù)據(jù)庫和輸出功能，而模型分析功能則主要是利用其它應用領域的軟件。此方法運行比較慢，但實現(xiàn)軟件嫁接，無需在GIS環(huán)境中再編分析軟件，具有廣泛的適用性。（3）混合型的模型建造：上述兩者的結合。此方法既利用GIS提供的功能，又具有一定靈活的效果。6.2常用的應用模型從數(shù)理統(tǒng)計角度來看，地理模型的類型有：類似統(tǒng)計學的描述性模型和與推理統(tǒng)計技術相關的規(guī)則性模型。從應用角度來考慮，常用的應用模型有：①適宜分析模型，從幾種方案中篩選最佳或適宜的模型。②考慮獨立狀態(tài)模型，注重樣式與處理的問題，長時間以來用于解釋類似農(nóng)業(yè)活動與運輸成本間的關系；③位置-分配模型，最初為預測工業(yè)位置點的空間分布的樣式而設計的韋伯模型，結合實際進行改進后可使參與者尋找最佳商業(yè)和服務位置；④重力模型，建立在吸引力與到潛在市場的距離呈反比這一基礎上構建的經(jīng)濟地理模型。⑤改進擴散模型，在流體擴散模型的基礎上，通過地理空間跟蹤動植物運動，以空間驗證思想，構建擴散模型，如今已廣泛用于地理生態(tài)群落研究。6.2.1適宜分析模型1.一般介紹適宜性分析在地學中的應用很多，如土地針對某種特定開發(fā)活動的分析，包括農(nóng)業(yè)應用、城市化選址、作物類型區(qū)劃、道路選線、環(huán)境適宜性評價等。建立適宜性分析模型，首先應確定具體的開發(fā)活動，其次選擇其影響因子，然后評判某一地域的各個因子對這種開發(fā)活動的適宜程度，以作為土地利用規(guī)劃決策的依據(jù)。2.應用實例（1）實例1——選址應用模型選址問題應用很多，如：輔助建筑項目選址城市垃圾場選址、印染廠的選址、國家森林公園的選址等。以森林公園候選地址為例具體說明。A.問題提出：森林公園候選地址B.所需數(shù)據(jù)：公路、鐵路分布圖（線狀地物），森林類型分布圖（面狀），城鎮(zhèn)區(qū)劃圖（面狀）。C.解決方案：構建空間數(shù)據(jù)庫，信息提取并建模。D.步驟和方法見表6.2。F.依據(jù)應用模型出圖，供決策者參考。（2）道路拓寬規(guī)劃A.問題提出：道路拓寬改建過程中的拆遷指標計算B.明確分析的目的和標準目的：計算由于道路拓寬而需拆遷的建筑物的面積和房產(chǎn)價值。道路拓寬改建的標準如下。（a）道路從原有的20m拓寬至60m。（b）拓寬道路應盡量保持直線。（c）部分位于拆遷區(qū)內的10層以上的建筑不拆除。C.準備進行分析的數(shù)據(jù)：涉及兩類信息，一類是現(xiàn)狀道路圖；另一類是分析區(qū)域內建筑物分布圖及相關的信息。D.GIS空間操作（a）選擇擬拓寬的道路，根據(jù)拓寬半徑，建立道路的緩沖區(qū)。（b）將此緩沖區(qū)與建筑物層數(shù)據(jù)進行拓撲疊加，產(chǎn)生一幅新圖，此圖包括所有部分或全部位于緩沖區(qū)內的建筑物信息。E.GIS統(tǒng)計分析（a）對全部或部分位于拆遷區(qū)內的建筑物進行選擇，凡部分落入拆遷區(qū)且樓層高于10層以上的建筑物，將其從選擇組中去除，并對道路的拓寬邊界進行局部調整。（b）對所有需拆遷的建筑物進行拆遷指標計算。F.將分析結果以地圖或表格的形式打印輸出。（3）建設用地適宜性評價模型一般原理：建模的關鍵在于適宜性評價過程中指標的選取、標準化和權重的確定以及如何將GIS和決策過程結合。以福州為例，根據(jù)各因子中不同影響因素對建設用地生態(tài)適宜性重要程度的不同，對其賦予不同的等級值，見表6.3。在GIS空間數(shù)據(jù)庫支持下，利用ArcView3.3或ArcGIS9.0的空間分析模塊，對評價因子進行單因素和綜合生態(tài)適宜性疊加分析，并對其生態(tài)適宜性評價結果進行分級，即最適宜、比較適宜、勉強適宜、不適宜、很不適等，形成單因子和綜合指標的生態(tài)適宜性系列分級圖，如圖6.1所示。綜合的生態(tài)適宜性評價公式見下式。式中Sij為第ij個格網(wǎng)的綜合生態(tài)適宜性，k=1，2，…，表示第k個生態(tài)因子；W(k)表示第k個生態(tài)因子的權重；Cij(k)表示第k個生態(tài)因子在第k個格網(wǎng)的適宜性等級。圖6.1福州建設用地生態(tài)適宜性評價系列等級圖（4）亞熱帶農(nóng)作物種植區(qū)劃這類模型用于描述和解釋某種現(xiàn)象空間分布的規(guī)律，可以回答“那里是什么”和“它們在哪里”之類的問題。以亞熱帶農(nóng)作物種植是否適宜為例說明建模方法：首先收集數(shù)據(jù)（如：區(qū)域農(nóng)業(yè)背景的數(shù)據(jù)、影響農(nóng)作物生長的生態(tài)因子（積溫、光照、土壤Ph值、降水量、年均溫、空氣相對濕度等）；其次，構建空間數(shù)據(jù)庫；第三，建立指標圖層，確定指標等級（適宜、較適宜、一般適宜、不適宜）；第四，進行GIS疊加分析適宜性：第五，生成結果圖，為決策者提供參考意見。圖6.2給出了一般描述性模型，該模型根據(jù)已知因素評價農(nóng)作物種植的適應性，根據(jù)一定的分類分級標準，將土地劃分為適宜和不適宜或適宜、較適宜、一般適宜、不適宜等級，輸出的圖層可顯示區(qū)域種植適應性的差別。圖6.3是福建壽寧縣的獼猴桃種植的區(qū)劃圖，對從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有一定的指導性。圖6.3獼猴桃種植區(qū)劃圖6.2.2地學模擬模型1.一般介紹應用GIS方法，分析多種要素之間的關系，可模擬或預測某種地理過程或現(xiàn)象，例如氣候變化、沙漠化過程、土地退化過程、土壤侵蝕變化、河道演變過程等。以土壤侵蝕評價為例說明。為確定土壤侵蝕或水土流失的數(shù)值分析模型，先選擇影響土壤流失的主要環(huán)境數(shù)據(jù)，然后建立主要因子（R、K、L、S、C、P）圖層，再利用地圖代數(shù)運算，構建土壤侵蝕地圖模型：A=R×K×L×S×C×P。土壤侵蝕或水土流失數(shù)據(jù)處理流程圖，如圖6.4所示。其中：R為雨量——徑流侵蝕（Rainfall_RunoffErosivity）因子；K為土壤侵蝕（SoilErodibility）因子；L為坡長（SlopeLength）因子；S為坡度（SlopeGradient）因子；C為作物管理（CropManagement）因子；P為侵蝕控制措施（ErosionControlPractice）因子。圖6.4土壤侵蝕數(shù)據(jù)處理流程圖DEM分析一個地圖模型可以說是表示了解決某一問題的其中一種方案。根據(jù)已有的基本數(shù)據(jù)和一套GIS軟件所提供的柵格或矢量數(shù)據(jù)分析的基本運算，不同的分析人員可能會使用不同的運算功能、采用不同的程序解決同一個問題，因此，他們?yōu)榻鉀Q同一問題所設計的地圖模型可能會不一樣，這就是說，用于解決某一問題的地圖模型不是唯一的。但不同的地圖模型產(chǎn)生的最后結果可能會有所差別，應對不同的地圖模型進行實驗，對地圖模擬過程以及每個運算的結果進行評價，以保證地圖模擬結果的正確性和有效性2.應用案例已有某區(qū)域地形等基礎信息，通過構建GIS數(shù)據(jù)庫、建模，并在3DGIS系統(tǒng)中，可虛擬地理環(huán)境。再通過改變參數(shù)可研究水土流失。圖6.5是某區(qū)域在GIS支持下實現(xiàn)的虛擬環(huán)境顯示。

圖6.5某區(qū)域在GIS支持下實現(xiàn)的虛擬環(huán)境（a）等高線圖（b）遙感圖（c）虛擬環(huán)境一角6.2.3發(fā)展預測模型1.一般介紹發(fā)展預測模型是運用已有的存儲數(shù)據(jù)和系統(tǒng)提供的手段，對事物進行科學的數(shù)量分析，探索某一事物在今后的可能發(fā)展趨勢，并作出評價和估計，以調節(jié)、控制計劃或行動。在地理信息研究中，如人口預測，資源預測、糧食產(chǎn)量預測以及社會發(fā)展預測等，都是經(jīng)常要解決的問題。預測方法通常分為定性、定量、定時和概率預測。在信息系統(tǒng)中，一般采用定量預測方法，它利用系統(tǒng)存儲的多目標統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由一個或幾個變量的值，來預測或控制另一個變量的取值。這種數(shù)量預測常用的數(shù)學方法有移動平均數(shù)法、指數(shù)平滑法、趨勢分析法、時間序列分析法、回歸分析法以及灰色系統(tǒng)理論等模型的應用。用GIS模型可以解決區(qū)域時空歷史變化的布局問題。2.應用案例實例

在GIS人口數(shù)據(jù)庫支持下，可生成福建人口規(guī)模、GDP、經(jīng)濟與人口關系以及空間聚類相關分析系列圖，如圖6.6、圖6.7、圖6.8和圖6.9所示。圖6.6福建人口規(guī)模和GDP曲線圖6.7福建人口空間分布圖6.8人口密度與土壤侵蝕率的關系

（a）福建省各縣市的人均GDP局部自相關分布（b）福建省各縣市的人均GDP空間關聯(lián)分布圖6.9福建GDP空間相關顯示圖利用回歸分析方法，選用3個因子——GDP，第二、第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重，各行政區(qū)的土地面積。并設：Y=總人口，X1=GDP，X2=第二、第三產(chǎn)業(yè)占GDP的比重，X3=各行政區(qū)的土地面積。建立人口與社會經(jīng)濟發(fā)展相關模型，如表6.4和表6.5所示。若再選用三個因子：人均GDP、人口密度、城市化水平，并設：Y=人均GDP，X1=人口密度，X2=城市化水平，指標采用以10為底的對數(shù)進行無量剛處理后，建立相關模型則為：Y=-0.937+1.838X1+0.812X2經(jīng)檢驗復相關系數(shù)達到0.966，說明該方程的回歸效果顯著。6.2.4交通規(guī)劃模型交通規(guī)劃模型是確定交通目標與設計達到交通目標的策略和行動的過程。交通規(guī)劃的目的是設計一個交通系統(tǒng)，以便為將來的各種用地模式服務。交通規(guī)劃在整個國民經(jīng)濟中具有重要意義，它是建立完善的交通體系的重要手段，解決道路交通問題的根本措施以及獲得交通運輸最佳效益的有效方法。引入GIS技術，能夠提高交通規(guī)劃工作的效率，簡化業(yè)務流程，為建設交通規(guī)劃行業(yè)的輔助決策支持系統(tǒng)打下了良好的基礎。交通規(guī)劃具有自己獨特的業(yè)務特點，這些特點決定了GIS在為交通規(guī)劃工作服務時，要能夠適應這些特點的要求。如：①要進行快速檢索。規(guī)劃人員要在短時間內快速獲取大量信息，需要借助一定的工具進行快速檢索。②跳躍性的數(shù)據(jù)處理。規(guī)劃人員在對大量來源不同、屬性不同的數(shù)據(jù)進行處理時，需要進行相關性分析，能發(fā)掘其中隱藏的關系和規(guī)律。③構建深入應用的輔助決策模型。在規(guī)劃工作中有大量評價、預測性的模型需要建立；④注意與相關軟件的綜合集成。需解決的GIS問題主要有：（1）空間布局問題有：既能夠展示現(xiàn)有的空間布局狀況，又能夠表達規(guī)劃人員對于未來空間布局的規(guī)劃與預期。（2）網(wǎng)絡計算問題：這屬于優(yōu)化布局的問題。即看某種規(guī)劃方案是否合理，比如，從秦皇島出發(fā)運輸某種貨物到達