95第6章 GIS应用模型

地理信息系统导论GIS第6章GIS应用模型6.1GIS应用模型概述6.1.1GIS应用模型的分类6.1.2GIS应用模型与GIS空间分析6.1.3GIS应用模型的构建6.2常用的应用模型6.2.1适宜分析模型6.2.2地学模拟模型6.2.3发展预测模型6.2.4交通规划模型地理信息系统导论GIS一、空间分析建模1、定义：空间分析模型是指用于GIS空间分析的数学模型，是在GIS空间数据基础上建立起来的模型，是通过作用于原始数据和派生数据的一组顺序的、交互的空间分析操作命令，对一个空间决策过程进行的模拟。如国家森林公园选址需要建立相应选址模型。数据源已知，包括公路铁路分布图（线状地物），森林类型分布图（面状），城镇区划图（面状），需要得到国家森林公园候选地址信息提取的模型。空间分析地理信息系统导论GIS一、空间分析建模空间分析步骤空间操作命令找出所有森林地区（1为林地，0为非林地）合并森林分类图属性相同的相邻多边形的边界属性再分类（聚类）归组找出距公路或铁路0.5公里的地区（保持安静）缓冲区分析找出距公路或铁路1公路1公里的地区（交通方便）缓冲区分析找出非城市区用地再分类找出森林地区、非市区、且距公路或铁路0.5至1公里范围内的地区叠置分析地理信息系统导论GIS2、空间分析与应用模型的关系空间分析应用模型空间分析是基本的，解决一般问题的理论和方法，而一般应用模型是不可枚举的，是复合、复杂的，解决专门问题的理论和方法，它的解决应以空间分析的基本方法和算法模型为基础。（局部与整体的关系）空间分析地理信息系统导论GIS（1）空间分析模型是联系GIS应用系统与专业领域的纽带，必须以广泛、深入的专业研究为基础；（2）空间分析模型是综合利用GIS中大量数据的工具，数据的综合分析和应用主要通过模型来实现；（3）空间分析模型是分析型和辅助决策型GIS区别于管理型GIS的一个重要特征，是解决空间分析和辅助决策问题的核心。3、空间分析模型的意义空间分析地理信息系统导论GIS4、地理信息建模系统（geographicinformationmodellingsystem，简称GIMS）是研究如何根据给定条件（如已知数据和约束条件）自动生成解决问题（如确定候选地址）的整个操作过程。自动空间建模极为复杂，目前，GIS空间建模是GIS的一个重要的研究方向。5、空间建模现状：通用GIS空间分析功能与各种领域专用模型的结合主要有三种途径：3)混合型空间模型法是前两种方法的结合，即尽可能利用GIS提供的功能，最大限度地减少用户自行开发的工作量和难度，又保持外部空间模型法的灵活性。2)嵌入式（内部空间模型法）1)松散耦合式（外部空间模型法）高级语言建立专业模型GIS空间数据库数据通讯二次开发语言专业模型空间数据库空间分析地理信息系统导论GIS6、GIS中常用空间分析模型1)适宜性分析模型---分析研究各种地理要素数据之间相互关系的一种有效手段。2)地学模拟模型--将现象的空间分布特征及其区域变化趋势模拟出来。3)发展预测模型--反映地理要素的动态发展规律，并用于预测分析。常用回归模型。4）交通预测模型。空间分析地理信息系统导论GIS二、空间决策支持---GIS空间分析的主要目的空间决策支持定义应用空间分析的各种手段对空间数据进行处理变换，以提取隐含于空间数据中的某些事实和关系，并以图形和文字的形式直观地加以表示，为现实世界中的各种应用提供科学、合理的支持。空间分析地理信息系统导论GIS二、空间决策支持---GIS空间分析的主要目的2、GIS解决空间问题的一般步骤1）明确目的、要求；2）收集（准备）数据并建库;3）确定GIS空间分析步骤；4）输出结果；空间分析地理信息系统导论GIS例：道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算1）明确分析的目的和标准目的：计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑物的面积和房产价值；道路拓宽改建的标准是：a)道路从原有的20m拓宽至60m；b)拓宽道路应尽量保持直线；c)部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除。2）准备进行分析的数据涉及两类信息：一类是现状道路图；另一类是分析区域内建筑物分布图及相关的信息；3）进行空间操作a)选择拟拓宽的道路，根据拓宽半径，建立道路的缓冲区。b)将此缓冲区与建筑物层数据进行拓扑叠加，产生一幅新图，此图包括所有部分或全部位于缓冲区内的建筑物信息。4）进行统计分析a)对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择，凡部分落入拆迁区且楼层高于10层以上的建筑物，将其从选择组中去除，并对道路的拓宽边界进行局部调整。b)对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。5）将分析结果以地图或表格的形式打印输出。空间分析模型地理信息系统导论GIS6.1GIS应用模型概述所谓GIS应用模型，就是根据应用目标，具体化为信息世界中可操作的机理和过程。或是用一定程度的简化和抽象，通过逻辑的演绎，去把握地理系统各要素之间的相互关系、本质特征及可视化显示。6.1.1GIS应用模型的分类1.根据所表达空间对象的不同，GIS应用模型可分为：•数学（理论）模型•经验模型•混合模型2.根据研究对象的瞬时状态和发展过程，可分为：•静态•半静态•动态模型。地理信息系统导论GIS6.1.2GIS应用模型与GIS空间分析GIS应用模型与GIS空间分析关系密切，表现以下几个方面。（1）GIS空间分析是基本的，是解决一般问题的理论和方法；而GIS应用模型是复杂的，往往是两种或多种GIS空间分析方法的复合，是为解决专门问题的理论和方法。（2）空间分析模型是联系GIS应用系统与专业领域的纽带，必须以广泛、深入的专业研究为基础。（3）空间分析模型是综合利用GIS中大量数据的工具，而数据的综合分析和应用主要又通过模型来实现。（4）空间分析模型是分析型和辅助决策型GIS，这是区别于管理型GIS的一个重要特征，是解决空间分析和辅助决策问题的核心。地理信息系统导论GIS6.1.3GIS应用模型的构建•构建GIS应用模型，首先必须明确用GIS求解问题的基本流程；其次根据模型的研究对象和应用目的，确定模型的类别、相关的变量、参数和算法，构建模型逻辑结构框图；然后确定GIS空间操作项目和空间分析方法；最后是模型运行结果验证、修改和输出。•应用模型是GIS与相关专业连接的纽带，它的建立并不是纯数学技术性问题，而必须以坚实而广泛的专业知识和经验为基础，对相关问题的机理和过程进行深入的研究，并从各种因素中找出其因果关系和内在规律，有时还需要采用从从定性到定量的综合集成法，这样才能构建出真正有效的GIS应用模型。•用GIS求解问题的过程就是建立地理信息建模系统（GeographicInformationModelingSystem，简称GIMS）,研究如何根据给定条件（如已知数据和约束条件）自动生成解决问题（如确定候选地址）的整个操作过程。它能支持面向用户的空间分析模型的定义、生成和检验的环境，支持与用户交互式地基于GIS的分析、建模和决策。GIMS是目前GIS研究的重要方向和热点问题之一。地理信息系统导论GIS通用GIS空间分析功能与各种领域专用模型的结合主要有三种途径。（1）GIS环境内模型建造（嵌入式）：利用GIS软件的宏语言发展各自所需的空间分析模型。此方法能充分利用GIS软件本身所具有的资源，模型建造和开发的效率比较高。（2）GIS外部的模型建造（松散耦合式）：基于应用GIS的空间数据库和输出功能，而模型分析功能则主要是利用其它应用领域的软件。此方法运行比较慢，但实现软件嫁接，无需在GIS环境中再编分析软件，具有广泛的适用性。（3）混合型的模型建造：上述两者的结合。此方法既利用GIS提供的功能，又具有一定灵活的效果。地理信息系统导论GIS6.2常用的应用模型从数理统计角度来看，地理模型的类型有：类似统计学的描述性模型和与推理统计技术相关的规则性模型。从应用角度来考虑，常用的应用模型有：①适宜分析模型，从几种方案中筛选最佳或适宜的模型。②考虑独立状态模型，注重样式与处理的问题，长时间以来用于解释类似农业活动与运输成本间的关系；③位置-分配模型，最初为预测工业位置点的空间分布的样式而设计的韦伯模型，结合实际进行改进后可使参与者寻找最佳商业和服务位置；④重力模型，建立在吸引力与到潜在市场的距离呈反比这一基础上构建的经济地理模型。⑤改进扩散模型，在流体扩散模型的基础上，通过地理空间跟踪动植物运动，以空间验证思想，构建扩散模型，如今已广泛用于地理生态群落研究。地理信息系统导论GIS6.2.1适宜分析模型1.一般介绍•适宜性分析在地学中的应用很多，如土地针对某种特定开发活动的分析，包括农业应用、城市化选址、作物类型区划、道路选线、环境适宜性评价等。•建立适宜性分析模型，首先应确定具体的开发活动，其次选择其影响因子，然后评判某一地域的各个因子对这种开发活动的适宜程度，以作为土地利用规划决策的依据。2.应用实例地理信息系统导论GIS（1）实例1——选址应用模型选址问题应用很多，如：•辅助建筑项目选址•城市垃圾场选址、•印染厂的选址、•国家森林公园的选址等。以森林公园候选地址为例具体说明。A.问题提出：森林公园候选地址B.所需数据：公路、铁路分布图（线状地物），森林类型分布图（面状），城镇区划图（面状）。C.解决方案：构建空间数据库，信息提取并建模。D.步骤和方法见表6.2。F.依据应用模型出图，供决策者参考。地理信息系统导论GIS（2）道路拓宽规划A.问题提出：道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算B.明确分析的目的和标准•目的：计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑物的面积和房产价值。•道路拓宽改建的标准如下。（a）道路从原有的20m拓宽至60m。（b）拓宽道路应尽量保持直线。（c）部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除。C.准备进行分析的数据：涉及两类信息，一类是现状道路图；另一类是分析区域内建筑物分布图及相关的信息。D.GIS空间操作（a）选择拟拓宽的道路，根据拓宽半径，建立道路的缓冲区。（b）将此缓冲区与建筑物层数据进行拓扑叠加，产生一幅新图，此图包括所有部分或全部位于缓冲区内的建筑物信息。地理信息系统导论GISE.GIS统计分析（a）对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择，凡部分落入拆迁区且楼层高于10层以上的建筑物，将其从选择组中去除，并对道路的拓宽边界进行局部调整。（b）对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。F.将分析结果以地图或表格的形式打印输出。地理信息系统导论GIS（3）建设用地适宜性评价模型①一般原理：建模的关键在于适宜性评价过程中指标的选取、标准化和权重的确定以及如何将GIS和决策过程结合。②以福州为例，根据各因子中不同影响因素对建设用地生态适宜性重要程度的不同，对其赋予不同的等级值，见表6.3。③在GIS空间数据库支持下，利用ArcView3.3或ArcGIS9.0的空间分析模块，对评价因子进行单因素和综合生态适宜性叠加分析，并对其生态适宜性评价结果进行分级，即最适宜、比较适宜、勉强适宜、不适宜、很不适等，形成单因子和综合指标的生态适宜性系列分级图，如图6.1所示。④综合的生态适宜性评价公式见下式。n1kijijkkCWS式中Sij为第ij个格网的综合生态适宜性，k=1，2，…，表示第k个生态因子；W(k)表示第k个生态因子的权重；Cij(k)表示第k个生态因子在第k个格网的适宜性等级。地理信息系统导论GIS图6.1福州建设用地生态适宜性评价系列等级图地理信息系统导论GIS（4）亚热带农作物种植区划这类模型用于描述和解释某种现象空间分布的规律，可以回答“那里是什么”和“它们在哪里”之类的问题。以亚热带农作物种植是否适宜为例说明建模方法：首先收集数据（如：区域农业背景的数据、影响农作物生长的生态因子（积温、光照、土壤Ph值、降水量、年均温、空气相对湿度等）；其次，构建空间数据库；第三，建立指标图层，确定指标等级（适宜、较适宜、一般适宜、不适宜）；第四，进行GIS叠加分析适宜性：第五，生成结果图，为决策者提供参考意见。图6.2给出了一般描述性模型，该模型根据已知因素评价农作