第六章地理信息系統(tǒng)的應用模型

主講人：趙萍合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院Email：njuzhp@QQ:526091899第六章地理信息系統(tǒng)的應用模型主要內(nèi)容本章重點：一般的GIS應用模型及其構建過程和方法第1節(jié)GIS應用模型概述第7節(jié)地球科學模擬模型第2節(jié)土地定級估價模型第4節(jié)發(fā)展預測模型第5節(jié)區(qū)位選擇模型第3節(jié)適宜性分析模型第6節(jié)交通規(guī)劃模型第一節(jié)GIS應用模型概述一、概念GIS的應用模型，就是根據(jù)具體的應用目標和問題，借助于GIS自身的技術優(yōu)勢，使觀念世界中形成的概念模型，具體化為信息世界中可操作的機理和過程。這種模型的構建，不僅是解決實際復雜問題的必要途徑，而且也是GIS取得經(jīng)濟和社會效益的重要保證。二、作用和特點GIS應用模型是聯(lián)系GIS應用系統(tǒng)與常規(guī)專業(yè)研究的紐帶GIS應用模型是綜合利用GIS應用系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)的工具GIS應用模型是GIS應用系統(tǒng)解決各種實際問題的武器GIS應用模型是GIS應用系統(tǒng)向更高技術水平發(fā)展的基礎三、GIS應用模型的分類根據(jù)所表達的空間對象的不同，可分為：數(shù)學模型：基于理化原理的理論模型，是應用數(shù)學方法建立的數(shù)學表達式，反映地理過程本質(zhì)的理化規(guī)律。如地表徑流模型、海洋和大氣環(huán)流模型；經(jīng)驗模型：基于變量之間的統(tǒng)計關系或啟發(fā)式關系的模型，是通過理化統(tǒng)計方法和觀測實驗建立的模型，如水土流失模型、適宜性分析等；混合模型：基于原理和經(jīng)驗的混合模型，它既有基于理論原理的確定性變量，也有應用經(jīng)驗加以確定的不確定性變量，如資源分配模型、位置選擇模型等。按研究對象的時間狀態(tài)和發(fā)展過程，可分為：靜態(tài)模型：用于分析地理現(xiàn)象及要素相互作用的格局；半靜態(tài)模型：用于評價應用目標的變化影響；動態(tài)模型：用于預測研究目標的時空動態(tài)演變及趨勢。根據(jù)模型的空間特性，可分為:非空間模型：主要是對系統(tǒng)中的各種屬性數(shù)據(jù)進行運算。常用的方法有投入產(chǎn)出、計量經(jīng)濟、經(jīng)濟控制論及系統(tǒng)動力學等空間模型：需要同時對系統(tǒng)中的圖形和屬性兩類數(shù)據(jù)進行運算，一般要比非空間模型復雜些二、GIS應用模型的構建目的導向分析——以目標為導向的規(guī)劃定義過程：將要解決的問題與專業(yè)知識相結合，從問題開始，一步步推導出解決問題所需要的原始數(shù)據(jù)、精度標準、模型的邏輯結構和方法步驟。數(shù)據(jù)導向操作——以數(shù)據(jù)為導向的的實際操作過程：將已形成的模型邏輯結構與GIS技術相結合，從各類數(shù)據(jù)開始，一步步將數(shù)據(jù)轉換成問題答案，必要時還需要進行反饋和修改，直到取得滿意的結果，最后以圖形或圖表形式輸出最終結果。2023/1/319需要解決的問題多元數(shù)據(jù)收集規(guī)劃定義過程應用操作過程問題的定義分析/聯(lián)合問題的實質(zhì)證據(jù)/數(shù)據(jù)/假設問題的概念概念/要素/方法解決問題的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)源/數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)輸入/格式化問題數(shù)據(jù)子集提取/綜合問題求解統(tǒng)計計算/模型分析/空間分析問題答案驗證/解釋/表達用GIS求解問題的基本流程（陳述彭）（一）應用模型的建模步驟明確分析的目的和評價準則準備分析數(shù)據(jù)空間分析操作結果分析解釋、評價結果（如有必要，返回第①步）結果輸出（二）應用模型建模的途徑利用GIS系統(tǒng)內(nèi)部的建模工具：利用GIS軟件的宏語言（VBA等）、應用函數(shù)庫（API）或功能組件（COM）等開發(fā)所需的空間分析模型。這種建模方法充分利用GIS軟件本身的資源，模型建造和開發(fā)的效率比較高；利用GIS系統(tǒng)外部的建模工具：如利用Matlab和IDL等；獨立開發(fā)實現(xiàn)一個GIS應用軟件系統(tǒng)（三）應用模型建模的方法——制圖建模通過作用于原始數(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，對一個空間分析過程進行的實現(xiàn)模擬。制圖建模的結果是一個應用模型，它是對空間分析過程及其數(shù)據(jù)的一種圖形或符號表示，目的是幫助分析人員組織和規(guī)劃所要完成的分析過程，并逐步指定完成這一分析過程所需的數(shù)據(jù)。制圖建模也可用于研究說明文檔，作為分析研究的參考和素材。制圖建模的實現(xiàn)方法采用空間分析流程的逆過程，即從空間分析的最終結果開始，反向一步步分析為得到最終結果，需要采用哪些空間分析方法？哪些數(shù)據(jù)是必需的？并確定每一步要輸入的數(shù)據(jù)及這些數(shù)據(jù)是如何派生的？ArcGIS可視化制圖建模工具根據(jù)城鎮(zhèn)土地的經(jīng)濟和自然屬性及其在社會經(jīng)濟活動中的地位和作用，對其使用價值進行綜合分析，揭示土地質(zhì)量的地域差異，評定城鎮(zhèn)土地級別，以及以土地級別為基礎，選擇適宜的樣點資料和估價方法，分別測算商業(yè)、住宅和工業(yè)用地基準地價，為合理利用城鎮(zhèn)土地提供依據(jù)。第二節(jié)土地定級估價模型一、技術路線

二、土地定級估價模型土地定級空間單元的生成方法采用基于柵格的評價單元，大小一般可選實地距離為10m×10m。土地定級空間單元分值的產(chǎn)生方法土地定級的影響因素和因子很多，除部分因子可以根據(jù)外業(yè)調(diào)查資料的區(qū)域劃分直接賦值外，大部分因子需要利用GIS空間分析方法。土地理論級別分級界限的確定方法首先依次計算1~100間各分值的柵格個數(shù)和頻率數(shù)，形成定級總分值頻率直方圖；然后依據(jù)其曲線變化趨勢，選用等差、等比、標準差、樣本分級、有序聚類分級等方法，由計算機自動分級，最后輸出土地級別圖。三、應用實例——江蘇省鎮(zhèn)江市土地定級信息系統(tǒng)第三節(jié)適宜性分析模型

適宜性分析是指土地針對某種特定開發(fā)活動的分析，這些開發(fā)活動包括農(nóng)業(yè)應用、城市化選址、作物類型布局、道路選址、選擇重新造林的最適宜的土地等。因此，建立適宜性分析模型，首先確定具體的開發(fā)活動，其次選擇其影響因子，然后評價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)。設有某項評價目標或開發(fā)活動T，該T對應一組影響因素X1,X2,…,Xm；每個因素對應一組參評因子，每個因子有一組屬性v1,v2,…,vm;因此，每個因素對應一個屬性集Vi:

顯然，每個因素的屬性集都是一個對指定的T從優(yōu)到劣的全序集，且滿足：各個參評因子及其屬性值的取得由數(shù)據(jù)庫提取或由GIS空間分析軟件生成。一、一般形式式中:P為Xi對T的貢獻函數(shù)值；W為Xi對T的權重值。

P值的確定方法為：將各因子最適宜的指標值定為貢獻函數(shù)值l00，將各因子最不適宜的指標值定為貢獻函數(shù)值0，在這之間，指標值與函數(shù)值按線性關系計算和確定。各個因素按其屬性集的優(yōu)劣，可用下列矩陣表示:有了上述矩陣數(shù)據(jù)和GlS功能的支持，可以求取基于柵格單元的評價分值：

然后，根據(jù)使G(Pji)=1-|R(T)-Pji/100|的值為最大時的P所對應的j,即為所求的某個T的適宜級Sj。顯然，當適宜級為S2或S3時，必須同時確定其限制性因子。限制性因子的計算公式為：

二、應用實例——某地區(qū)的玉米種植用地評價評價對象通過評價將研究區(qū)分出不同的適宜等級：S1（最適宜）、S2（次適宜）、S3（臨界適宜）和N(（不適宜）。評價方法采用基于GIS的土地質(zhì)量評價法，即將玉米作物生長有關主導生態(tài)條件與土地質(zhì)量（供水、供肥）相比照，從而評定土地的適宜性等級。評價過程評價對象生態(tài)條件調(diào)查。評價對象玉米屬于禾本科，為一年生草本，其主導生態(tài)條件例如：性喜高溫，需水量大，要求土壤肥沃和土層疏松，其根系伸展要求防止土壤侵蝕等。確定評價對象的影響因素和因子。根據(jù)將玉米作物生長有關的生態(tài)條件與土地質(zhì)量相比照，除了溫度可通過季節(jié)調(diào)節(jié)外，其他影響因素和因子如圖所示：評價對象的影響因素和因子體系水源供水Q1供肥Q2土壤侵蝕Q4供氧Q3土層厚度土壤有機質(zhì)土壤孔隙度土壤質(zhì)地地形坡度利用GIS生成影響因素數(shù)據(jù)。例如供水有效性，其影響因子為水源和土層厚度，它們對供水和保水有效性的屬性集如下方左表所示。根據(jù)左表和相應的空間數(shù)據(jù)，通過下方右圖所示的GIS操作過程，可以有效生成基于柵格單元的供水條件等級數(shù)據(jù)文件R1。同理，可以生成供肥條件數(shù)據(jù)文件R2、供氧條件等級數(shù)據(jù)文件R3和土壤侵蝕等級數(shù)據(jù)文件R4。供水級別距水源/m土層厚度/cm1<100>502100-20050-203200-50020-104>500<10數(shù)字化水系圖數(shù)字化緩沖帶操作柵格化柵格化屬性分級土壤圖R1文件供水分級疊合操作供水影響因子及屬性分級GIS生成供水供水因素數(shù)據(jù)的操作過程計算各因素的權重和貢獻函數(shù)值。權重Wi的計算方法為：首先將各影響因素按其對評價對象重要性的不同，進行由小到大的排隊；其次確定Qi+1對Qi的重要性程度Vi+1,i用倍數(shù)表示，并令V1,0

＝1，其結果如下表所示。最后按下列公式計算各因素的權重：

式中，U1=V1,0,U2=V2,1×V1,0,…，Ui=Vi,i-1×Vi-1,i-2…×V1,0所以和土地質(zhì)量影響因素Qi對應的權重分別為w1=0.67,w2=0.17,w3=0.08,w4=0.08。

貢獻函數(shù)值可以按照影響因素的級別來確定。例如，如果將各因子最適宜的指標值定為貢獻函數(shù)值100，將各因子最不適宜的指標值定為貢獻函數(shù)值0，當影響因素分為4級時，則各因素的P值分別為:P1i=100,P2i=67,P3i=33,P4i=0根據(jù)各因素的權重與貢獻函數(shù)值的關系式，可以建立各因素的評價指標表，該指標表與不同土地質(zhì)量的數(shù)據(jù)文件Ri相結合，為土地適宜性評價提供依據(jù)。計算機適宜性評級按照上表將柵格各因素級別轉換為指標值（貢獻函數(shù)值），求出各柵格貢獻函數(shù)值總和R（T）。根據(jù)使G(Pji)=1-|R(T)-Pji/100|的值為最大時的P所對應的j，即為所求的對T的適宜性等級Sj。第四節(jié)發(fā)展預測模型一、一般介紹概念：發(fā)展預測是指利用已有的存儲數(shù)據(jù)與系統(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可能的發(fā)展趨勢，并做出評價和估計，以調(diào)節(jié)、控制計劃或行動。如人口預測、資源預測、社會經(jīng)濟發(fā)展預測等。預測方法：分為定性、定量、定時和概率預測。地理信息系統(tǒng)一般采用定量預測。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研究變量的取值。具體的數(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、灰色理論預測法等。二、應用實例——城市人口和勞動力預測（一）人口預測模型式中：Pt—第t年人口數(shù)；Pt-1—第t-1年人口數(shù)；λ—人口出生率；μ—人口死亡率；W—凈遷入人口數(shù)。設根據(jù)研究地區(qū)一組人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析，得λ＝12.5%,μ＝6.5％，將基年定為1985年，并且P0=612.7萬人。設每年凈遷入該研究地區(qū)的人口數(shù)為W=5萬人。則于是可得到規(guī)劃期的人口預測數(shù)。

同理，根據(jù)勞動力預測方程:

式中:L(t)為第t年勞動力狀態(tài)向量；LW(t)為第t年勞動力遷移向量；LR(t)為勞動力存留系數(shù)矩陣，即

式中下標表示勞動力的年齡;

r’代表分年齡層的勞動力存留比率。

于是，得到研究地區(qū)規(guī)劃期勞動力的預測數(shù)將這些結果與表示每個鎮(zhèn)、市中心點的x、y坐標聯(lián)系起來，便得到一組點的數(shù)據(jù)，這組數(shù)據(jù)加上研究地區(qū)的邊界數(shù)據(jù)，輸入GIS軟件，便可輸出一幅人口發(fā)展預測圖。美國各州1980,1990,2000年的人口分布及2005年人口預測柱狀圖美國各州1979,1989,2000年的家庭收入及2005年家庭收入預測柱狀圖美國各州2005年年齡結構預測柱狀圖第五節(jié)區(qū)位選擇模型一、一般介紹區(qū)位選擇是指按照規(guī)定的標準，通過空間分析的方法，確定廠址、電站、管線，或者交通路線等的最佳位址或路徑。區(qū)位選擇考慮的標準一般包括環(huán)境、工程和經(jīng)濟三個方面。一般建立的區(qū)位選擇模型分為：數(shù)據(jù)準備階段因子研究和綜合影響的評價階段選址分析階段二、一般的區(qū)位選擇模型（一）數(shù)據(jù)準備階段在數(shù)據(jù)準備階段，要建立專家咨詢組，明確選址的要求，選擇影響因子，進行區(qū)位選擇的數(shù)據(jù)準備。確定區(qū)位分析的格網(wǎng)單元的數(shù)據(jù)記錄如圖所示：V1,V2,…,Vn分別表示高程、土壤、表面地質(zhì)、水域、易泛區(qū)、濕地、森林覆蓋等（二）綜合影響評價階段綜合評價階段的任務是按照工程和經(jīng)濟可行性的要求，建立選址條件、綜合評價的標準和算法。如：式中：S為坡度<5%；C為開發(fā)成本適宜；F為離開居民區(qū)遠近；L為地耐力堅固；E為環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良。于是，根據(jù)各個影響因子可以進行綜合影響評價。開發(fā)成本的計算根據(jù)區(qū)域單元的影響因子和選址路線的距離進行。如：CA到CB的成本，可按下式計算:成本=DA·A區(qū)因子+DB·B區(qū)因子（三）區(qū)位選擇分析階段任務：實施區(qū)位的選擇，并對結果進行分析評價。運行過程：根據(jù)綜合影響的評價數(shù)據(jù)建立相鄰單元關系圖，由相鄰單元關系圖，通過交點之間數(shù)據(jù)的比較，建立頂點連接圖；由頂點連接圖可以算出各邊的權值，由此可以建立對應于頂點連接圖的權矩陣W=[Wij]，其中：元素Wij為圖中邊eij的權，當i，j間有邊連接時，Wij>0；無邊連接時，Wij=∞；當i=j時，Wij=0；對于無向圖，Wij=0（i≠j），輸入W，并設待確定的最短路徑的起始節(jié)點為K，終點為L，可根據(jù)Dijkstra算法進行最短路徑計算，從而得到最低成本的路徑I-B-K-D-M-F-O-H；通過區(qū)域單元的連接，得到路徑位置，再經(jīng)過裁直處理，得到優(yōu)化后路徑位置。第六節(jié)交通規(guī)劃模型城市交通模型包括城市交通發(fā)生量預測，出行分布預測和交通量最優(yōu)分配三個部分。目前，普通采用的是OD（出行端點）調(diào)查的方式了解城市交通的發(fā)生、分布和規(guī)劃分析。該模型采用因果分析法，綜合考慮影響交通發(fā)生量發(fā)生的各因素，用回歸分析法建造多因素相關回歸方程。設有n個居民小區(qū)，m種出行目的，L個影響因素。rij為區(qū)域i居民第j類出行目的的出行發(fā)生率，為區(qū)域i居民第j類出行目的的第k個影響因素，則構造回歸方程：及出行交通發(fā)生量：其中，第j種出行目的的交通發(fā)生量：i小區(qū)的交通發(fā)生量即為：式中：a0，ak由回歸分析確定；

可以取平均每戶就業(yè)率、到出行目的地距離、家庭收入水平等。一、交通發(fā)生量預測模型出行分布包括出行方向、出行數(shù)量以及出行工具的空間分配。以下主要考慮以居民區(qū)為出發(fā)點的出行分布情況。設為從i居民區(qū)到j出行目的地用k種交通工具的交通量。則一般的出行分布預測模型為：式中：Ai為與i居住區(qū)有關的比例因子；

Bj為與j居住區(qū)有關的比例因子；Oi為與i居住區(qū)的總出行量；

Dj為與j區(qū)域的吸引力測度；為i與j區(qū)域間的離散性測定；二、出行分布預測模型交通量在交通網(wǎng)絡中的最優(yōu)分配，對于客流，往往采用最短路徑算法，以出行距離最小為原則，求出各居住小區(qū)到各出行目的地的出行量。對于貨流，一般采用線性規(guī)劃中的運輸模型。三、交通量最優(yōu)分配規(guī)劃（一）平衡運輸模型與不平衡運輸模型以Xij表示待求的從地點i到j的最佳運輸量并由模型求解得出。Dj表示地點貨物可供數(shù)量或生產(chǎn)量，Cij表示從i地運到j地的單位產(chǎn)品運輸成本。給出以下約束：

生產(chǎn)量約束：

消費量約束：

目標函數(shù)，總運費最?。?/p>

由于假定生產(chǎn)量嚴格等于消費量，稱為平衡運輸模型。

如果即要求全部消費量小于生產(chǎn)量；全部生產(chǎn)量大于消費量，稱為不平衡模型。（二）交通量分配模型是以引力模型為基礎的分配模型，建模時需要考慮以下因素：道路功能的合理劃分交通流對速度的要求道路使用的經(jīng)濟性對交叉道路流量的限制城市綜合交通規(guī)劃分析，是以交通工程理論為依據(jù)，進行現(xiàn)狀交通調(diào)查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和遠期交通流的模擬預測，為確定城市用地布局和優(yōu)選規(guī)劃路網(wǎng)提供定量的決策依據(jù)。第七節(jié)地球科學模擬模型一、一般介紹地球科學模擬模型是應用計算機、數(shù)字模擬技術及綜合分析方法來模擬地理過程或現(xiàn)象，如氣候變遷，沙漠化過程、土地退化過程、湖泊沼澤化、河道沖淤、沙嘴發(fā)育，以及土壤侵蝕等，使受多個因素共同影響，且需要經(jīng)過若干年才能完成的地理過程，采用計算機模擬模型，只需幾分鐘就能得出類似的結果，為資源開發(fā)、國土整治、水土保持、工程論證等提供依據(jù)。

二、應用實例——土壤侵蝕的模擬模型基本步驟：確定土壤侵蝕