（地图学与地理信息系统专业论文）区域规划地理信息模型研究.pdf

区域规划地理信息模型研究 地图学与地理信息系统专业 研究生王裕琴指导教师辜寄蓉 摘要：科学的区域规划对经济社会发展的空间结构、资源利用和环境保护 进行宏观调控，能充分发挥区域优势，促进区域可持续发展。以往区域规划在 技术方法和手段上存在可操作性、直观性较差的问题，因此本文着手研究一套 具有较强操作性、空间性，并能对区域空间动态发展进行模拟并预演区域空间 动态发展结果的区域规划方法，引入g i s 空间分析建模技术，构建区域规划地 理信息模型。在成都市“十二五”规划前期和成都市建设“世界田园城市 为 目标的时代背景下，成都市规划面临产业转型结构调整、优化产业空间结构和 促进区域协调发展的重任。本文以成都市经济地理数据进行实践，实现区域规 划地理信息模型，用模型结果验证模型方法。 研究在分析和借鉴国内外区域规划模型研究的理论和方法基础上，提出一 套以基础数据一环境一结构一发展战略为主线，逐层实现模型成果对区域政策 的引导作用的区域规划地理信息模型库。区域规划地理信息模型库以社会经济 统计数据与地理空间数据集成为基础，从区域发展环境、区域发展结构出发， 构建组成模型库的社会经济数据空间离散化模型群、资源环境安全区划模型 群、区位优势度评价模型群、城乡发展现状水平模型群、城乡结构形态预测模 型群。 研究基于研究区成都市丰富的数据基础，以g i s 为平台，在多种空间分析 功能的支持下构建地理信息空间分析模型库，并得出模型成果。结果表明，模 型库可以实现区域空间动态发展结果预演，并能发挥对区域规划决策的辅助支 持作用。 关键词：区域规划经济数据空间离散化空间分析模型地理信息系统 r e s e a r c ho ng e o g r a p h i c a lr e g i o n a l p l a n n i n g m o d e l m a j 。r ：c a r t 。g r a p h y a n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i 。ns y s t e m p o s t g r a d u a t e ：w a n g y uq i n t u t o r ：g uj ir o n g a b s t r a c t ：s c i e n c ea i l dr e 百o n “p l a n n i i l g f o re c o n 。m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t 0 ft h es p a t i a l s t n l c t l l r e ，r e s 。u r c e u t i l i z a t i o n a n de n v i r 。哪e n t a l p r o t e c t i o n t 0 1 c 。n d u c tm a c r 。- c o n t r o l ，g i 、，e 如l lp l a y t o r e g i o n a la d v 锄g e s ，p 舢m 8 1 0 彻： s u s t a i n a b l ed e v e l 。p m e n t r e g i o n a lp l a n n i n g i i lt h ep a s t ，t e c 城c a lm e t h o d sa 1 1 d m e a i l st l l a tt h e r ec a nb e 。p e r a t i 。n a l ，i n t u i t i v ep r o b l e m w o r s e ，s ot h i ss e to f a s 仃。垮 。p e 舳n a l ，s p a c e e f f i c i c n t a i l dd y n a m i cd e v e l 。p m e n t 。ft h e r e 罂o n a ls p a t i a l s 二u l a t i o na i l dr e h e a r s a ls p a c ef o rm e d y n a m i cr e g i 册n e r e s 皿8 0 f t h er e g i o n a l d e v e l o p m e n tp l a i l i l i n gm e t h 。d ，m e i n t r o d u c t i o no fg i 妯p a t 试? 竺m 0 竺1 = b u i l d 意i n f o r m a t i 。nm o d e lo f r e g i o n a lp l a n n i n g a n dg e 。g r a # y 胁g d u ”：z 5 ，p 焉l a n n i n g a n dc 。n s t m c t i 。n _ i i lc h e n g d u ”w o r l d 缸曲nc i t y 雏警 b a 莎孟d 。f t h et i m e s ，t h ec h e n g d uf a c i n gi n d u s t r i a lr e 鲫咖血旷三s 廿u 竺n g p l a i l - 。p t i i l l i z et h ei n d u s 妇ls p a t i a l s t m 咖ea n dt h ei m p 。删础胡p 舢叽鸣 ：o o r 。d i n l a t e dr e g i o n a ld “e l 。p m e n t i i l t h i sp a p e r , d a t a p r a c t i c e s , c h e n g d ue c o n o m i i c l g e 。掣a p h y , g e 。黟a p h i ci n f o r m a t i o n m 。d e lf o rr e g i 。彻lp l 撇i i l g ，w i mt h e m 。d e l m 州 鲫 诎 衄舳 删 础 哪m 印 m 坩 | 莹 ”一：薹龇衍 l 吾 一 肿 蒯衄一锄 山? 一咿呼翟衄 佗 唿 的 雒 砌沂 咿 一一咖州 岭a b 罂 出a n 西 猢甜 烀心 k 陬m 舭 t s 1 吐u 甜鍪：攀舭 一一一一一 e o s “ n 雠n 懈彻m w 砒 翘 一 一删 一旧 浊一曲眦缸 h l 凼 d ： u ， u k s 1 r 引 舢l 一珧 i n f o r m a t i o nl i b r a r y r e g i o n a lp l a n n i n g ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nm o d e ll i b r a r yt ot h e s o c i o - e c o n o m i cs t a t i s t i c a ld a t aa n dg e o - - s p a t i a ld a t ai n t e g r a t i o nb a s e do nt h e e n v i r o n m e n tf r o mt h er e g i o n a ld e v e l o p m e n t ，r e g i o n a ld e v e l o p m e n ts t r u c t u r et o b u i l dm o d e ll i b r a r i e sf o rt h ec o m p o s i t i o no ft h es o c i o e c o n o m i cd a t as p a c em o d e l o fd i s c r e t eg r o u p s ，r e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a ls a f e t yd i v i s i o nm o d e lg r o u p ， l o c a t i o nd o m i n a n c ee v a l u a t i o nm o d e lg r o u p ，t h el e v e lo fu r b a na n dr u r a l d e v e l o p m e n tm o d e lo ft h es t a t u sq u og r o u p ，u r b a na n dr u r a l s t r u c t u r ea n d m o r p h o l o g yp r e d i c t i o nm o d e lg r o u p t h i sa r e ai sr i c hi nr e s e a r c h b a s e dd a t ab a s et og i sa sap l a t f o r m ，i nav a r i e t y o fs p a t i a la n a l y s i si ns u p p o r to fb u i l d i n gag i ss p a t i a la n a l y s i sm o d e ll i b r a r y , a n d t h er e s u l t so b t a i n e dm o d e l s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e ll i b r a r yc a nb e a c h i e v e dp r e v i e wt h er e s u l t so fr e g i o n a ls p a t i a ld y n a m i c sa n di tc a np l a yo nt h e r e g i o n a lp l a n n i n gd e c i s i o ns u p p o r ts u p p o r t i n gr o l e k e y w o r d s ：r e g i o n a lp l a n n i n gm u l t i p l es o u r c ed a t ai n t e g r a t i o n s p a t i a la n a l y s i sm o d e l g i s 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师圭壹蓥耋邀指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥 有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交印 刷版和电子版学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库供 检索；2 ) 为教学、科研和学术交流目的，学校可以将公开的学位论文或解密 后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在有关网络上供阅读、浏览。 本人授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 汹 学雠文储虢黔 签字日期：加产年岁月? 。日 导师签名： 签字日期：刈d 年r 月岁d 日 第一章绪论 1 1 选题背景和意义 在信息化社会中，区域发展规划的制定建立在对区域的自然禀赋和社会经 济发展状况的准确分析基础之上。通过对各种信息的准确分析和地理信息模型 模拟预测，使区域规划更加科学合理，科学合理的区域规划加速区域经济健康 发展。因此，科学的规划模型成为国家和地区制定发展规划的重要手段。 国家发展改革委2 0 0 9 年8 月底召开全国“十二五 规划编制前期工作电 视电话会议要求，“十二五 规划编制要突出体现“统筹兼顾、创新驱动、绿 色增长、共建共享 的原则。国家“十二五 规划编制工作已经展开的同时， 成都市提出了建设“世界现代田园城市”的城市发展定位和目标，世界现代田 园城市的一个核心思想、四个基本要素、六个具体特征、“三步走 战略部署、 五项重点工作和一个组织保障的指导思想中五项重点工作中提出了完善全域 成都的近期规划。 区域规划是“指对未来一定时间和空间范围内经济社会发展和建设所做的 总体部署。区规划手段主要有主要以文字形式表现的方法和构建土地利用结构 空间布局为目标的区域模型方法”1 。 在我国当前的区域规划中，其规划模式为：在预测城市化水平的基础上， 制定城镇体系的发展战略，确立城镇体系的等级规模、职能分工和空间布局， 配置城镇体系区域性基础设施1 2 1 。规划过程中对经济统计数据、区域社会、区 域环境数据分析及它们之间关系的分析主要通过经济分析软件和文字论述的 形式分析，这种分析方法有两个不足之处：经济统计数据的统计单元为行政区， 统计数据对行政区划内部发展情况缺乏表现；道路等空间要素及要素之间的关 系用经济学知识难以表达1 3 j 。 基于地理信息模型的空间布局为目标的区域规划方法以g i s 技术为支撑， 通过g i s 软件强大的数据管理、数据分析、规划成果表达功能与区域规划理 论相结合的方法进行科学区域规划【4 巧】。 为“十二五 规划和建设“现代世界田园城市目标服务的科学合理区域 规划是目前成都市“十二五 规划编制准备工作中的重要任务。为此，研究一 1 彭震伟：区域研究与区域规划，上海：同济大学出版社，1 9 9 8 7 套以g i s 技术为支撑的基于地理信息模型区域规划并能为成都市规划提供决 策区域经济决策预测模型库就成为本文需要解决的问题。区域规划决策预测模 型库选取以g i s 技术为支撑的基于地理信息模型区域规划方法。 1 2 国内外研究综述 1 2 1区域规划理论综述 区域规划是“在一定地域范围内对国民经济建设和土地利用的总体部署； 他是编制国民经济中长期计划的重要基础和组成部分，也是国家宏观调控的重 要手段和中国经济管理体制的基础部分 2 。加强区域规划对国家促进地区间 协调发展，提高区域竞争力具有重要意义。从区域规划理论的形成、产生和发 展及不同时期理论的不同指导意义，区域规划可以分为早期区域规划形成阶 段、传统规划理论阶段、现代规划理论发展阶段。早期区域规划思想形成阶段 没有形成系统的理论；传统区域规划理论阶段强调区域经济增长；现代区域规 划发展阶段注重经济、社会、环境三者协调发展。未来区域规划理论坚持可持 续发思想，并在动态性及区域调控方面得到发展。 早期区域规划思想为区域规划奠定了基础。托马斯摩尔的“乌托邦 、 康帕内拉的“太阳城”、傅立叶的“法郎基 和欧文的“新协和村”等空想社 会主义的城市设想，他们把城市作为一个经济社会的范畴；霍华德在1 8 9 8 年 发表的明日的田园城市提出工业化条件下城市发展与宜居和大城市与自然 隔离的矛盾；后苏格兰的p 格迪斯在1 9 1 5 年发表了进化中的城市，提出 城市规划应与乡村规划结合在一起的思想；德国于1 9 2 0 年开创了区域规划的 先河，编制了鲁尔区区域居民点总体规划，对后来世界范围内区域规划的 开展起到推动作用【9 d 。 传统区域规划理论产生和应用于第二次世界大战之后，这时区域规划才较 大量进行并发展区域规划理论。二战后，区域规划以资源开发为基础，将实现 新的生产力布局、进行地区开发和促进经济增长作为重点，并强调优先建立和 发展区域制造业，以推进社会城市化和经济工业化为目标。 在这一阶段，区域规划的理论研究得到广泛深入的发展，劳动地域分工、 2 方中权：区域规划理论的演进，地理科学，2 0 0 7 区位论、地域生产综合体、增长极、核心一边缘等理论被广泛运用于区域规划 中【1 2 - 15 1 。 现代区域规划理论的发展是在强调发展的传统区域规划理论指导下城市 发展暴露问题之后，由于“高投入、高消耗、高污染的传统发展模式，造成 了对自然界的侵蚀和破坏，人们开始对传统的区域发展理论进行反思，区域发 展的理论内涵及研究视点均发生了根本变化【l6 。人们抛弃了把经济增长率作 为发展目的的传统发展观，认为发展应该是整体的、综合的、内在的，不仅包 括经济的增长，还包括社会的进步。应该强调经济、社会和生态环境的协调， 强调发展的质量。因此，以可持续发展为原则，以p r e d 的协调为中心，以 为人们创造良好的生活、工作环境为目的的区域规划成为当前的主流。在这种 背景下，区域规划理论也有了新的发展，主要有可持续发展、循环经济、景观 生态学、耗散结构、系统动力学、系统理论及新区域主义等【引。 从上述理论发展历程来看，现代区域规划理论与传统理论发展阶段不同， 不仅仅追求经济的增长，而且注重区域经济、社会、环境三方面的协调发展， 实现区域可持续发展。以环境为代价的社会经济发展不利于人类可持续发展， 近期及中长期区域规划理论将以可持续发展理论为基础【8 】。 在现代区域规划理论指导下的区域规划和区域规划指导下的城市发展还 是未能真正做到区域经济、社会和环境三方面的充分协调【1 8 - 1 9 1 。如何使区域保 持可持续，是今后区域规划长期面临的问题；可持续发展成为区域规划理论的 永恒主题。 未来区域规划理论将从动态规划、区域调控等理论方向发展。动态规划思 想是将是“将规划视为一个过程，通过d s r ( d r i v i n gf o r c e s t a t e r e s p o n s e ) 框 架，建立动态区域规划程序，能够对各种区域发展影响因素的变化做出灵活、 机动的反映，强调规划的连续性和周期循环性，并通过不断地建立目标，解决 目标提出的问题，保持规划的连续性 3 。科学合理的区域规划模型对建立区 域动态规划程序具有重要作用，因此区域规划实践应该更加重视将影响区域规 划的经济、社会、人文、环境等因素构建规划模型，以实现区域的动态规划【2 0 珑】。 3 方中权：区域规划理论的演进，地理科学，2 0 0 7 9 1 2 2 区域规划内容和类型综述 ( 1 ) 区域规划的内容 从国外区域规划的研究内容来看，美国的区域规划包括经济规划、物质规 划、社会规划和政策规划四方面；荷兰区域规划重点研究人与环境的关系；德 国区域规划重点研究全国空间结构现状、趋势及为改善空间结构而进行的投资 分配预算；前苏联区域规划重在研究特定区域地域经济布局与功能分区，以及 布局分区可能性和实现可能性的途径；英国区域规划重在研究为空间环境建设 服务的区域经济发展政策和社会改造意图；古巴区域发展规划主要研究区域资 源、工农业、交通能源系统、移民结构、社会基础设施系统、环境保护和资源 合理利用等区域一体化问题；日本的区域发展规划主要研究区域间的收入差异 和区域发展政策。 中国的区域规划主要研究区域经济发展目标、方向、规模和结构，合理布 局生产力，具体配置工农业及城镇居民点，统一安排区域性基础设施和环境保 护工程设施，使区域之间、区域与部门之间、部门与企业之间、生产性建设与 非生产性建设之间相互协调组合。 ( 2 ) 区域规划的类型 按区域属性可分为行政区、经济区、自然区、经济行政区、特殊类型区( 经 济特区、开发区、开放区等) 和企业发展规划。按区域功能特点可分为农业地 区、工业地区、城市地区、流域区、交通干线区、风景旅游自然保护区和海洋 地区发展规划。 按时间可分为短期规戈l j ( 3 年) 、中期规划( 5 年) 、远期规划( 1 0 年) 和远景规 划( 3 0 年以上) 。 按区域范围大小和层次高低可分为洲级、国家级、大经济区级和跨省区级、 省级和跨地市级、地市级和跨县( 市) 级、县( 市) 级和跨乡镇级、乡镇级甚至村 级等上下互动、若干层次的区域发展规划。 区域规划的内容和规划类型的选择形成区域规划的定位，根据不同的区域 规划制定的目标选用不同类型的区域规划。 l o 1 2 3区域规划方法与手段综述 区域规划方法的选用是区域规划对城市发展方向把握准确与否的关键因 素之一。左单在区域规划的方法一文中对区域规划方法进行了总结，在文章中， 常见的区域规划方法归纳为系统法、传统综合法、比较法、数学模拟法【2 3 2 4 】。 系统法又称为系统分析法，系统法将区域作为一个复杂的完整综合体，区 域系统由相互联系的诸要素组成。系统法从问题形成、系统分析、系统评价三 个环节对区域系统中的土地、水域、植被、人口、工业、农业、城镇、各种基 础设施等要素进行一系列定性和定量的，对要素的性质、功能、相互关系进行 分析，通过综合处理，建立模型，反复验证，最后提出规划方案。 传统综合法是“与系统分析相反的逆向思维方法，它是在系统分析的基础 上不断将系统分析结果加以综合形成整体认识的一种科学方法 4 。传统综合 方法根据系统分析结果，把个要素间、要素与外界环境之间的新联系形成整体 优化的新结构，创造出更好的新系统及区域规划方案【2 5 】。 比较法是地理学认识区域特征和规划学进行方案论证、择优方案的基本方 法。比较法在区域规划中被广泛运用，如确定区域发展的优势区域发展的有利 条件和限制因素的对比：经济建设项目布局地点的选定等。 在区域规划中采用数学模拟法是必要的，模拟的动态性能提高规划成果的 质量和实用价值。建立模型是数学模拟法的关键。区域规划模型按照功能和应 用范畴可分为区域结构功能分析模型、经济社会发展预测模型、决策分析模型； 从规划手段选择可分为普通区域规划模型和地理信息规划模型1 2 6 - 2 7 】。 地理信息区域规划模型主要以g i s 技术为支撑，将判别分析模型、回归预 测模型、成本效益分析模型、模糊分析模型等传统数学模型和地理空间分析模 型综合运用的模式。 国外将g i s 用于区划实例较多，实践证明，工作质量和效率明显优于传统 手工操作方法。我国城市规划领域从2 0 世纪8 0 年代中期开始探索计算机处理 地理空间信息的技术，十几年来，经历了许多曲折，g i s 终于在城市规划中积 累了不少成果。g i s 在规划方面发挥着重要的作用，并在改变城市规划的处理 空间信息的方法1 2 j 。 4 左单区域规划的方法【j 】黑龙江信息科技，2 0 0 9 1 2 4 地理空间数据与经济数据集成研究现状 以g i s 技术为支撑的地理信息模型建立的基础是地理空间数据与社会经 济统计数据的集成。经济统计数据大多以行政区域为统计单元，这种粒度经济 数据在空间分析上存在严重的不足或者难以在空间分析功能中发挥作用【2 9 】。 国内外对地理空间数据与经济统计数据的集成研究较少。地理空间数据与 经济统计数据集成的一般方法是将经济统计数据作为地理空间数据的属性数 据存在，从而实现经济统计数据与空间位置的关联。这种集成方法能够满足大 多数情况下地理信息系统集成要求。但是这种方法使得集成的数据不能进行经 济数据的空间分析。因此，需要寻求另一种经济数据进行集成的方法。 经济数据空间离散化方法于2 0 世纪9 0 年代被国外经济学家提出。最初离 散化方法是将经济统计数据在统计区域内按面积进行平摊生成栅格数据，使经 济数据呈空间分布，但是经济数据空间分布的不均匀性，使得离散的经济数据 分布与实际的经济状况分布有很大的差异p 。其后又对离散化方法进行了改 进，提出利用土地覆盖类型等其他因素对经济分布的影响进行经济数据的空间 离散。但是改进的方法考虑的因素相对单一，离散后的经济数据在局部和统计 区域交接处与实际的经济分布仍有一定的差异。 陈子进在多源地理空间信息与经济信息一体化集成模型研究一文中对离 散化方法进行了进一步改进，在离散经济数据时，作者综合考虑了自然地理因 子和人文地理因子对经济的空间分布的影响，采用了多因子加权离散化方法 3 1 1 。 1 3 研究内容和技术路线 研究侧重构建一套为区域规划提供辅助决策的地理信息模型库，模型库建 设目标是为成都市区域规划提供决策支持，所以本文研究内容界定为成都市城 乡一体化区域发展规划。 本文的主要内容是：在详细分析影响成都市区域发展及产业空间结构的各 种因素基础上组织成都市城乡一体化区域发展规划数据库，实现区域规划空间 数据集成，这一阶段主要解决经济统计数据空间离散化，构建经济统计数据空 间离散化模型群；在经济数据空间离散化基础上研究资源环境安全区划方法、 计算区域区位优势度和区位熵，从而进一步分析城乡发展现状，并对成都市城 乡结构进行预测；分析模型预测结果，论述模型结果在区域规划中的辅助决策 作用和成都市城乡一体化发展规划几点建议。 为顺利完成研究内容和实现研究目标，本研究采用如图1 1 所示的技术路 线。 本文尝试解决的问题： ( 1 ) 基于g i s 技术的空间信息提取，建立经济统计数据离散化模型，加 强区域规划空间信息集成。 ( 2 ) 构建组成研究区域的区域规划地理信息模型库，实现模型库输入端 开放参数值，动态模拟、预演区域产业、交通空间动态化结果的功能。 ( 3 ) 通过区域规划地理信息模型库得到从分区、形态、规模三个层次全面反 应区域人口、产业、交通、资源环境、土地利用等空间分布形态，以期为成都 市“十二五”区域规划提供辅助决策依据。 一一一 一 ：= = 坠! 二二二菇 一 址9 形 奎站构 f 捌艇 鼬肝 i 衄 * * 联 盎f 镕 r n * m i i m h # 7 蠖q $ a f m m 十 h * * t m 图1 - 1 研究技术路线固 1 4 文章组织 第一章从选题背景入手，详细阐述了当前“十二五 规划编制工作的任 务和成都市提出的建设“现代世界田园城市”的目标，分析当前区域规划存在 的问题，并针对当前目标和存在的问题提出构建区域规划信息模型库的思路， 设计了本文的技术路线。 第二章介绍了区域规划地理信息模型库建设所涉及的数据模型和空间分 析方法和模型库使用的技术方法理论。 第三章详细叙述模型框架和组成模型框架的模型群的具体输入参数、用 到的空间处理工具和模型输出内容。应用区域规划模型库分析得到反应区域人 口产业、交通、资源环境、土地利用等空间分布形态的专题图，通过现阶段空 间发展形态与专题图对比，验证模型库对研究区域的可行性。 第四章对本文所作的主要成果进行总结，并在此基础上讨论了以后研究 方向和研究重点。 第二章基础理论与关键技术 2 1 空间分析建模 由于空间分析建模建立在对图层数据的操作上，又称空间分析建模为“地 图建模( c a r t o g r a p h i cm o d e l i n g ) 。空间分析建模是“通过组合空间分析命令和 操作工具以回答有关空间现象问题的过程，更形式化一些的定义是通过作用于 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”s 。 地图建模是对空间分析过程和数据用图形或符号表示的过程，其目的是帮 助分析人员完成分析过程，并逐步指定完成分析过程需要的数据。地图模型也 可用于研究说明文档，作为分析研究的参考和素材【3 2 1 。 地图建模可以看着是空间分析过程的逆过程，从分析结果开始，反向逐步 分析为得到结果的必须数据，并确定步骤中要输入的数据及这些数据的来源。 目前空间分析建模方法一般有以下5 种方式：( 1 ) 基于二次开发语言的空间分 析建模法；( 2 ) 基于g i s 外部松散耦合式空间分析建模法；( 3 ) 混合型空间分析 建模法；( 4 ) 插件技术的空间分析建模法；( 5 ) 基于面向目标的图形语言建模法。 研究采用的空间分析建模方法为基于面向目标的图形语言建模法。图解模 型主要由三部分组成：输入数据、输出数据和空间处理工具。图解模型以“输 入数据一空间处理工具一输出数据”为基本结构。输入数据是矢量或栅格文件： 空间处理工具包含软件已经定制的模型、由脚本定制的工具或者工具箱中的工 具；输出数据是矢量或栅格文件。图解模型按过程种类可以分为单过程模型和 多过程模型，如图2 1 所示。 5 李晓军：空间分析方法研究，吉林大学硕士学位论文，2 0 0 8 1 6 ( 2 ) 多础棂j 巴 图2 1 图解处理工具模型 2 2 空间数据离散化模型 2 2 1空间数据离散化原理 地理信息模型必须具有空间性，空间分析方法的集成。空间上的联系是地 理信息模型与g i s 集成的基础。g i s 数据模型的最大特点是其空间性，这是每 个g i s 应用软件所固有的属性，对地理实体的空间分析及其可视化表达实质 上就是通过对地理空间的离散、重采样实现的。空间离散化就是利用差分法或 有限元法将研究区域进行离散和重采样，形成网格数据文件。 空间离散化的基本技术是网格剖分，即从离散数据结构出发构造相互连接 的网络结构，表示实际“地形特征”的空间分布。其中最主要的三种网格是矩 形网格、三角网、正交曲线网格三种：矩形网格的生成较简单；三角网( 尤其 是不规则三角网) 则由于对不规则区域的拟合程度较好，研究较多也深入；正 交网格在流域分析模型中应用广泛，并且能从物理特征上拟合地形，具有较好 的物理意义，因此研究也很多。空间离散的基本方法是应用计算模型按照一定 的规则生成网格，利用网格将连续的空间划分成若干单个计算单元【4 0 1 。网格 类型的选择要从数据离散实际应用和空间数据离散化软件两方面考虑，由于本 研究所采用g i s 建模软件的数据模型是基于矩形网格的空间分析方法，所以 研究中采用矩形网格进行空间离散化。 2 2 2 点类型数据空间离散化模型 点类型数据在空间上是不均匀的，所以需要重采样，要实现这个加密和再 调整实质上就是一个空间插值过程。空间内插可以定义为根据已知的空间数据 估计( 或预测) 未知空间的数据值，是一类极为重要的g i s 空间分析方法， 其实质就是从已经存在的观测数据中找到一个函数关系式，使该关系式最好地 逼近这些己知的空间数据，并能根据函数关系式推求出区域范围内其它任意点 或任意分区的值。 常用的空间数据的内插方法有四种，分别是：反距离加权法o d w ：i n v e r s e d i s t a n c ew e i g h t e d ) 、样条函数法( s p l i n e ) 、趋势面分析法( t s a ：t r e n ds u r f a c e a n a l y s i s ) 、克立格法( k r i g i n g ) 。其中样条函数法，估计值易越过原始值，产 生大的偏差；趋势面分析法忽略区域性的变异，多用于在使用某种局部插值方 法之前，揭示区域中不同于总趋势的最大偏离部分，而不直接用它进行空间插 值。反距离加权方法( i d w ) 、克立格方法( k r i g i n g ) 则是局部拟合技术，可 仅用邻近的数据点来估计未知点的值，因此可以提供局部区域的内插值，而不 致受局部范围外其它点的影响【3 2 】。 由于样条函数法和趋势面分析法所产生的数字地面模型( d t m ) ，几乎无 法反映真实地形起伏的特性【5 1 1 ，而本文在研究中需要依据所选取的经济数据 利用内插方法来生成“经济地形”，因此拟采用反距离加权法( i d w ) 进行研究。 d w ( i n v e r s ed i s t a n c ew e i g h t e d ) 基于相近相似的原理：即两个物体离得 近，它们的性质就越相似，反之，离得越远则相似性越小。它以插值点与样本 点问的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大。 设平面上分布一系列离散点，已知其坐标和值为x i ，y i ，z i ( i - l ，2 ， n ) ，根据周围离散点的值，通过距离加权值求z 值，则 z = 争】【砉】 i = 1 fi = l “， 其中， d 1 2 = ( x x ，) 2 + ( y r ) 2 d w 通过对邻近区域的每个采样点值平均运算获得内插单元值。 2 2 3 线类型数据空间离散化模型 线类型数据的空间离散化就是将空间上非均匀分布线的影响分配到一定 区域上。线数据的实质是具有相同属性的点所组成的，所以，线类型的空间离 散原理与点类型类似，也基于相近相似原理：即离线越近，与线的性质越相似， 随着距离的增加，线性质的辐射减弱。它以插值点与样本点的距离为权重进行 加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大。 典型的线类型数据离散化模型是交通网络离散化模型。交通设施网络密度 是评价交通设施保障水平的重要指标，也是交通网络评价的重要方法，其包括 公路、铁路和内河网( 通航河道) 等线路网络密度。 2 2 4 面类型数据空间离散化模型 面类型数据空间离散化就是将面上的属性值利用地理空间单位面积上的 值来表示。最简单的单位面积值表示方法是均值，均值就是将面类型数据代表 的全区值与面积求比值，得到单位面积上的值。如描述一个地区人口疏密程度 的地区人口密度。 实际上，均匀分配方法求得的人口密度不能反映区域内部地理空间上人口 真实分布状况。探索一种将面类型数据非均匀分配到地理空间上的离散化方法 是对均匀分配方法的不足的补充。常见的经济统计数据，如人口、g d p 等反 映的是某一行政单元的状况，目前能引用的最小经济数据统计单元是区县级， 这些数据不能反映区域内部各地区对人口、g d p 的贡献值。 经济数据的空间离散化通常利用地理空间单位面积上的经济数据来表示 经济数据在空间上的分布格局。经济数据的空间离散化与点类型数据和线类型 数据有一定差异。点、线类型数据的离散化实质是将点、线的影响力辐射到一 个区域中地理空间单元上；经济数据的空间离散化是将统计单元为一个区域的 数据分配到地理空间单位面积上，反过来说即是地理空间上单位面积对区域值 的贡献大小。 人口数据的空间离散是其他所有社会经济数据空间离散的基础，所有的经 济活动都与人的活动密切相关，相应的，各种经济指标的空间分布与人口的空 间分布也密切相关。常用的经济指标g d p 是经济数据应用必不可少的要素。 本文讨论经济信息离散化模型有人口现状数据的空间离散化模型、g d p 离散 化模型。 ( 1 ) 人口离散化模型 1 9 入口数据在地理空间上的分布与地理空间上土地利用类型密切相关。农村 人口分布与城镇人口分布的影响因素有一定差异。城镇人口在空间上的分布主 要受土地利用类型影响，而农村人口分布除土地利用类型影响较大外，水系、 道路、地形的影响都不容忽视。 3 1 1 城镇人口离散化公式： c t p o p i = c t p o p 木善 yw i 。 j _ i = l 式中，c o p o e , 是第i 个栅格单元上的农业人1 2 1 ，c o p o p 是统计区域城镇 农业人1 2 1 总数，i 为栅格单元序号，n 为统计区域内的栅格单元个数，w j 为第 i 个密度区中的第k 个影响因子对第i 个栅格单元施加影响力的权重值。 另外，还可以采用蒙特卡罗( m o n t ec a r l o ) 方法进行权重分配，这是一种以 概率统计理论为指导的重要的数值计算方法，使用随机数( 或更常见的伪随机 数) 来解决很多计算问题的方法，将所求解的问题同一定的概率模型相联系， 用计算机实现统计模拟或抽样，以获得问题的近似解。由于栅格的大小是相同 的，根据概率统计的基本原理，将数据分配到某一个栅格的概率为： p i ：善 yw 。 v t ： _ _ 。 i = 1 分配到某一个栅格的人口数为： p t ：兰p s yw ；。 j _ i = l 其中，w i 。为第i 个密度区中的第k 个土地利用类型的权重，p s 为总人1 2 1 数，p t 为栅格中的人口数。 农村人口离散化还需要考虑水系、道路、地形对人口分布的影响。加权多 因子综合影响力的权重值计算公式： w = k j 日 j = lt = l 式中，w i 为第i 个栅格单元加权多因子综合影响力的权重值，i 为栅格单 元序号，n 为统计区域内的栅格单元个数，m 为考虑的影响因子，j 为影响因 2 0 子编号，均为第j 个影响因子在整个模型中的影响力权重，d i j 为第j 个影响 因子在第i 个栅格单元上的影响力。 c o p o p i = c o p o p 幸墨 yw j _ i = l 式中，c o p o p i 是第i 个栅格单元上的农业人口，c o p o p 是统计区域城 镇农业人口总数，i 为栅格单元序号，1 1 为统计区域内的栅格单元个数，w i 为 影响因子对第i 个栅格单元施加影响力的权重值。 ( 2 ) g d p 离散化模型3 1 】 在g d p 中，第一产业g d p 增加值完全发生在农村，与农、林、牧、渔、副 行业大类具有相关关系，而第二、三产业增加值主要发生在城镇，另有少量发 生在农村，发生在农村的产值主要与农村人口的分布有关。 第一产业g d p 离散化计算公式： tg d p i i ：g d p i 堕坐 ( w i k 木s i ) i = l 式中，tg d p i i 是第i 个栅格单元上的第一产业产值，c d p i 是统计s 区 域第一产业g d p 产值，n 为统计区域内的栅格单元个数，s i 为第i 个栅格单 元面积，w 。为第i 个密度区中的第k 个影响因子对第i 个栅格单元施加影响 力的权重值。 第二产业在空间离散的时候分为两个部分进行离散。第二产业的绝大部分 分布在城镇，另有小部分分布在农村。对于分布在农村的部分，根据农村人口 的空间分布成果离散至空间，对于分布在城镇的部分，依据城镇人口的空间分 布成果离散至空间。在离散时候。重点考虑第二产业在城镇和农村的不同比例。 第二产业g d p 离散化计算公式： 城镇： c t _ g d p 2 i - - g d p 2 ，里 ( 1 ) y c r p o p , 智 农村： c t _ g d p 2 i - - - - - g d p 2 ( 1 一，) 罢 ( 2 ) c t p o p ， i = l 式中，c tg d p 2 ，为栅格i 处的第二产业g d p 值，c t p o p 。为栅格i 处的 城镇人口值，g d p 2 为国家统计局提供的经济统计区域内的第二产业g d p 统 计数据，r 为统计区域内城镇地区第二产业g d p 占全部地区第二产业g d p 的 比例。 t _ - g d p 2 = c t _ - g d p 2 + c o g d p 2 式中，tg d p 2 是第二产业离散化值，c tg d p 2 为第二产业城镇部分离 散化成果，c og d p 2 为第二产业农村部分离散化成果。 第三产业g d p 增加值主要发生在城镇，且产值与用地类型具有交大相关 性。所以考虑以下面的方法将第三产业产值离散化到空间范围栅格上。 以土地二次调查为例第三产业用地类型反映对第三产业的产值的贡献，如 批发零售用地、住宿餐饮用地、商务金融用地、其它商服用地等，按其影响力 确定不同的权重配比；选取商业网点，银行，仓库，医院，名胜景区、火车站、 汽车站、机场对第三产业的产值有较大贡献的基础设施点，按其影响力确定不 同的权重配比。根据土地利用类型和基础设施点得到权重图，再根据如下公式， 实现第三产业g d p 离散。 g d p 3 ?坚卫i-gdp3 ( w ixs i ) 式中，g d p 3 i 为第i 个栅格单元上第三产业g d p 的值，g d p 3 为整个研究 区域第三产业g d p ，w 为第i 个栅格上的权重值。 2 3 区划模型 区划就是将具有某些相似特征的空间范围划分为同一区域的工作。区划涉 及与空间范围相关的多方面，如行政区划、经济区划、生态区划、农业区划、 地震区划等。 区划的实质就是影响分区因素在空间范围上的叠加。影响分区的因素可能 是政策因素、限制因素、鼓励因素等。影响因素抽象为空间数据表达为点、线、 面。点、线、面的影响范围及区划形态由邻域半径决定。区划模型的要素就有 影响因素、邻域半径、模型算法。 本研究中采用的区划算法是基于矢量数据( 点、线、面) 缓冲区分析方法 和加权空间运算方法。缓冲区分析是地理信息系统中使用非常频繁的一种分 析，其基本思想是给定一个空间物体( 的集合) ，确定它( 们) 的某邻域，邻 域的大小由邻域半径r 决定。物体d ；的缓冲区的定义如下【3 2 】： e = x ：d ( x ，q ) 尺) 亦即d i 的半径r 的缓冲区是全部距d ，的距离d 小于r 的点的集合，d 一 般是指最小欧氏距离。对于物体的集合0 = q ：f = 1 , 2 ，2 ，其半径为r 的 缓冲区是单个物体的缓冲区的并，即： b = u e i = 1 空间叠加分析可以基于栅格数据模型叠加，也可以基于矢量数据模型进行 叠加。由于栅格数据模型叠加分析运算方法简单，且可以得到理想的效果，所 以采用栅格数据模型的叠加分析。 区划结果= y ( r v i + 因素i 分区结果) 冒 彬为各因素的权重，根据实际情况权重和等于1 或者1 0 0 。 2 4 区位优势度评价模型 区位优势即区位的综合资源优势，即某一地区在发展经济方面客观存在的 有利条件或优越地位。其构成因素主要包括：自然资源、地理位置，以及社会、 经济、科技、管理、政治、政策、文化、教育、旅游等方面，区位优势是一个 综合性概念，单项优势往往难以形成区位优势。一个地区的区位优势主要就是 由自然资源、劳力、工业聚集、地理位置、交通等决定。同时区位优势也是一 个发展的概念，随着有关条件的变化而变化。 本文探讨的区位优势是城市发展的区位优势，影响城市发展的因素反映为 地区g d p 产出。从地区g d p 产出现状看城市区域各产业区位优势具有现实性 和可行性。另外，区域交通状况最直观影响区域经济发展和反映区域发展优势 程度。从产业区位熵和交通通达度两方面量度区域区位优势【3 3 3 4 1 。 区域产业区位熵计算公式如下： t e i j e i l j = 丽 式中，l 表示j 产业的区位熵，e i j 为i 区域j 产业产值，e i 为i 区域g d p ， e j 为整个区域j 产业产值，e 为整个区域总的g d p 。 区位熵 1 ，表明i 区域j 产业在某地区专业化程度超过了总地区