第8章空间建模与空间决策支持.ppt

地理信息系统原理 王增武Telmail WangZengwu QQ cuitgis 1810989625 第一章地理信息系统概论第二章空间数据模型第三章空间数据结构第四章空间数据组织与管理第五章空间数据采集与处理第六章空间数据查询与分析第七章数字地形模型与地形分析第八章空间建模与空间决策支持第九章3S集成技术及应用 章节目录 第八章空间建模与空间决策支持 第1节空间分析过程及其模型第2节空间决策支持模型第3节专家系统第4节数据仓库与空间数据挖掘第5节GIS空间分析与空间动态建模第6节空间相互作用与位置 分配模型 1 空间分析过程空间分析的目的是解决某类与地理空间有关的问题 通常涉及多种空间分析操作的组合 好的空间分析过程设计将十分有利于问题的解决 1 空间分析过程及其模型 一般步骤是 明确分析的目的和评价准则 准备分析数据 进行空间分析操作 进行结果分析 解释 评价结果 如有必要 返回步骤1 结果输出 地图 表格和文档 例1 由于道路拓宽而需拆迁的建筑物的建筑面积和房产价值 道路拓宽改建的标准是 道路从原有的20m拓宽至60m 拓宽道路应尽量保持直线 部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除 如何利用建立缓冲区 拓扑叠加和特征提取 计算一条道路拓宽改建过程中的拆迁指标 1 明确分析的目的和标准目的是计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑物的建筑面积和房产价值 道路拓宽改建的标准是 道路从原有的20m拓宽至60m 拓宽道路应尽量保持直线 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需要涉及两类信息 一类是现状道路图 另一类为分析区域内建筑物分布图及相关信息 3 进行空间操作首先选择拟拓宽的道路 根据拓宽半径 建立道路的缓冲区 然后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拓宽区内的建筑物信息 4 进行统计分析首先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 将其从选择组中去掉 并对道路的拓宽边界进行局部调整 然后对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算 5 将分析结果以地图和表格的形式打印输出 例2 为一建设项目选择最佳的建设位置 作为一个轻度污染工厂的可能建设位置 工厂选址的标准包括 地块建设用地面积不小于10000m2 地块的地价不超过1万元 m2 地块周围不能有幼儿园 学校等公共设施 以免受到工厂生产的影响 1 建立分析的目的和标准分析的目的是确定一些具体的地块 作为一个轻度污染工厂的可能建设位置 工厂选址的标准包括 地块建设用地面积不小于10000m2 地块的地价不超过1万元 m2 地块周围不能有幼儿园 学校等公共设施 以免受到工厂生产的影响 2 选址的数据为达到选址的目的 需准备两种数据 一种为包括全市所有地块信息的数据层 另一类为全市公共设施 包括幼儿园 学校等 的分布图 3 进行特征提取和空间拓扑叠加从地块图中选择所有满足条件1 2的地块 并与公共设施层数据进行拓扑叠加 4 进行邻域分析对叠加的结果进行邻域分析和特征提取 选择出满足要求的地块 5 将选择的地块及相关信息以地图和表格形式打印输出 2 空间分析建模模型是人类对事物的一种抽象 人们在正式建造实物前 往往首先建立一个简化的模型 以便抓住问题的要害 剔除与问题无关的非本质的东西 从而使模型比实物更简单明了 易于把握 同样为了解决复杂的空间问题 人们也试图建立一个简化的模型 模拟空间分析过程 空间分析建模 由于是建立在对图层数据的操作上的 又称为 地图建模 CartographicModeling 空间分析是地理信息系统的主要特征 也是评价一个地理信息系统功能的主要指标之一 空间分析模型是对现实世界科学体系问题域抽象的空间概念模型 与广义的模型既有联系 又有区别 1 空间定位是空间分析模型特有的性质 构成空间分析模型的空间目标 点 弧段 网络 面域 复杂地物等 的多样性决定了空间分析模型建立的复杂性 2 空间关系也是空间分析模型的一个重要特征 空间层次关系 相邻关系以及空间目标的拓扑关系也决定了空间分析模型建立的特殊性 3 包含坐标 高程 属性以及时序特征的空间数据极其庞大 大量的空间数据通常用图形的方式来表示 这样由空间数据构成的空间分析模型也具有了可视化的图形特征 空间分析建模是指运用GIS空间分析方法建立数学模型的过程 运用数学分析方法建立表达式 反映地理过程 来模拟地理现象的形成过程的模型称为过程模型 也叫处理模型 均是指描述物体或对象之间相互作用的处理过程的模型 过程模型的类型很多 用于解决各种各样的实际问题 如 适宜性建模 是指土地针对某种特定开发活动的建模 包括农业应用 城市化选址 道路选择等 水文建模 水的流向 表面建模 城镇某个地方的污染程度 距离建模 从出发点到目的地的最佳路径的选择 邮递员的最短路径等 地图建模可以是一个空间分析流程的逆过程 即从分析的最终结果开始 反向一步步分析为得到最终结果 哪些数据是必须的 并确定每一步要输入的数据以及这些数据是如何派生而来 假定需要获得这样一个结果 即要显示出所有坡度大于20度的地区 如要生成一幅坡度大于20度的图像 需要一幅反映所有坡度的图像 如要生成一幅所有坡度的图像 需要什么样的数据 一幅高程数据图像可用于生成坡度图像 生成该图像需要何种数据 这一过程一直持续 直至找出所有必备数据为止反向用图形或符号将有关数据及其操作流程表示出来就得到一个地图模型 一个最基本的空间分析操作是将两个栅格数据相加 逻辑运算使复杂度增加 例如 如果某个位置的土壤为沙质且干燥 则该位置满足条件 真 T 特定的函数使复杂度增加更多 过程模型应该尽可能简单地抓住事物本质来解决问题 有时可能只需要单个的操作或函数 但有时也可能需要成百上千的操作和函数 适宜性建模举例 第一步 明确问题为一所新学校查找一个最适宜的地址 查找的结果将会是一幅地图 显示了适合建立一所新学校的可能的地址 级别由好到坏 这张图就叫做适宜性等级图 因为它显示了一个相对范围的值 这些值是在为模型输入条件后得到的 能够表明图上每个位置建立新学校的适宜程度 第二步 分解问题明确问题之后 就可以将它分解为更小的部分 直到知道了解决这个问题需要哪些步骤 这些步骤就是要实现的具体目标 在定义具体目标时 需要考虑如何来衡量用户的目标 在什么样的地区建新学校才是最适宜的呢 该如何衡量呢 由于很多搬迁到该城镇的家庭都有小孩 而小孩子喜欢在有娱乐设施的地方玩耍 因此在为学校选址时 选择一个靠近娱乐设施的地方会更可取 另外 与现有的学校保持适当距离也是很重要的 以便使学校在城镇范围内分散开来 此外 学校还必须建在一个相对平坦的适宜地面上 用户需要了解以下内容 哪里有相对平坦的土地 这些位置上的土地利用类型合适吗 这些地方是否离娱乐场地足够近 它们与现有学校的距离是否足够远 以便使学校在城镇范围内分散开来 此外 学校还必须建在一个相对平坦的适宜地面上 这些地方距娱乐场地足够近吗 现在已经知道 人们更愿意让学校建在娱乐设施的附近 所以需要创建一幅显示学校到娱乐场地距离的地图 以确保学校位于娱乐场地的附近 这就需要用到过程模型来计算学校到娱乐场地的距离 需要的输入数据集 娱乐设施的位置 这些地方离现有学校足够远吗 需要使新学校远离现有学校 以避免彼此辐射区的重叠 所以需要制作一幅显示与现有学校距离的地图 这里 需要过程模型来计算到现有学校的距离 需要的输入数据集 现有学校的位置 相对平坦的土地分布在哪里 为了找到相对平坦的地区 需要创建一幅土地坡度图 这里需要用到过程模型来计算土地坡度 需要的输入数据集 高程 这些位置上的土地利用类型是否合适 需要判断什么是适宜建造新学校的土地利用类型 这是一个主观的判断过程 视用户提出的问题而定 这里 农业用地被认为是建设成本最小的 所以也是最可取的 其次是荒地 然后是灌丛过渡地 林地和现有建筑用地 这里没有用到过程模型 仅仅是确定输入土地利用数据集 并判定哪种土地利用类型最适合建新学校 需要的输入数据集 土地利用类型 第三步 分析输入数据确定了需要哪些数据集 就对输入数据集进行分析 以了解数据集的内容 这包括了解在数据集内部及数据集之间 哪些属性对于解决问题最为重要 同时 还要探求数据中存在的趋势 通过分析数据 通常能够加深对所要建造学校的地区的了解 判定输入属性数据的权重 决定如何对建模过程进行修改 第四步 执行分析到目前为止 已经确定了具体目标 各要素以及它们之间的相互作用 过程模型 并且知道需要输入哪些数据集 现在就应该进行分析了 当为一所新学校寻找最佳位置时 有两种执行分析的途径 可以创建一幅适宜性地图 找出地图上每个位置的适宜性 或者可以简单地查询创建的数据集来获取真或假运算的布尔结果 创建一幅适宜性地图生成适宜性等级对距离娱乐场地远近程度的分级对距离现有学校远近程度的分级对土地的相对平坦程度分级对土地利用类型的适宜性分级合成适宜性地图 适宜性地图 适宜性地图 步骤5 验证结果通过任意空间分析得出结果后 应验证结果是否准确 如有条件 应通过实地调查来验证候选地点是否符合要求 步骤6 实施结果 食草动物栖息地质量评价模型一个食草动物栖息地质量评价简化模型 模型只考虑了影响食草动物生存的基本因子 水源 食物 和隐藏条件 以及景观单元的面积 连通性和破碎程度的度量指标 国家森林公园选址模型为某地建立一国家森林公园确定大致范围 是一个数据源已知 需要进行空间信息提取的模型 数据源包括公路铁路分布图 线状地物 森林分布图 面状地物 城镇区划图 面状地物 地图模型可以用下面的形式表示 1 空间分析过程及其模型 木材毁坏量回归预测模型根据多年的统计数字和经验方程 本例是一个林场砍伐木材时木材毁坏量回归预测模型 模型的因变量有坡度 树径 树高 蓄积量 树木缺矢量 公式如下 有一些GIS软件提供了高级的可视化的地图建模辅助工具 用户只需使用其提供的工具在窗口中绘出模型的流程图 指定流程图的意义 所用的参数 矩阵等即可完成地图模型的设计 而无需书写复杂的命令程序 ArcGis 模型构建器是一个用来创建 编辑和管理模型的应用程序 模型是将一系列地理处理工具串联在一起的工作流 它将其中一个工具的输出作为另一个工具的输入 也可以将模型构建器看成是用于构建工作流的可视化编程语言 第八章空间建模与空间决策支持 第1节空间分析过程及其模型第2节空间决策支持模型第3节专家系统第4节数据仓库与空间数据挖掘第5节GIS空间分析与空间动态建模第6节空间相互作用与位置 分配模型 区域规划 土地利用规划 设施位置选择 环境管理等都是有关空间行为的决策问题 这些问题的解决方案是由决策者或领域专家在专业领域知识和经验的启发下 在分析大量的空间和非空间信息的基础上得到的 空间决策问题大大超过了地理信息系统通常的空间分析功能的要求 1 空间决策过程的复杂性决策是一个决策者为达到某种目标或目标集合 根据一定的约束条件下在多种侯选方案里进行选择的复杂过程 当采用数学表述形式表达一般化决策问题时 包括以下几个构成部分 1 方案集合 2 状态集合 3 损益函数 4 目标函数 决策准则 2 空间决策分析的理论和方法A 效用理论效用理论是决策分析的基础 事物的不确定性可看作是许多简单随机事件的复合 每一个简单随机事件是由两个互斥事件Z1和Z2组成的 事件Z1发生的概率为P 事件Z2发生的概率为1 P 则随机事件记为L Z1 P Z2 在简单随机事件内引进 优先 或 偏好 的概念 并在随机事件集合的基础上建立公理体系 B 决策树决策分析中最常用的方法之一是决策树方法 C 贝叶斯决策由于决策总是在事件发生之前做出 而事件是否发生又不是确定的 因此常采用统计学中贝叶斯公式对事件发生的概率作先验估计 这就是贝叶斯方法 第八章空间建模与空间决策支持 第1节空间分析过程及其模型第2节空间决策支持模型第3节专家系统第4节数据仓库与空间数据挖掘第5节GIS空间分析与空间动态建模第6节空间相互作用与位置 分配模型 专家系统是人工智能在信息系统中的应用 它是一个智能计算机程序系统 其内部具有大量专家水平的某个领域知识与经验 能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来解决该领域的问题 专家系统的主要功能取决于大量的知识 设计专家系统的关键是知识表达和知识运用 专家系统与一般计算机程序最本质的区别在于 专家系统所解决的问题一般没有算法解 并且往往是要在不完全 不精确或不确定的信息基础上做出结论 一般的专家系统包括数据库 知识库 推理机 解释器及知识获取五个部分组成 空间分类专家系统实例 土地类型分类空间分类是GIS和遥感信息系统最常用的功能 将空间单元归组分类是智能GIS的基本功能 传统的分类基于二值逻辑 认为区域分类界限是明显的 基本空间单元 矢量或栅格结构 属于且只属于一个空间类别 然而 事实上空间类别之间的界限通常是模糊的 是渐变的而不是突变的 所以在空间分类中引入模糊逻辑会提高分类的精度 另外空间分类也是一个基于人们对空间现象的认知和知识的心理判断过程 开发一个带有GIS的专家系统是很有必要的 下面是一个基于遥感影象的土地类型专家分类系统实例 数据采用4波段LANDSATMSS影象数据 分类系统所采用的分类依据如图所示 由于分类问题是一个数据驱动的过程 采用了正向推理方式 第八章空间建模与空间决策支持 第1节空间分析过程及其模型第2节空间决策支持模型第3节专家系统第4节数据仓库与空间数据挖掘第5节GIS空间分析与空间动态建模第6节空间相互作用与位置 分配模型 世界第一个将数据仓库理论与技术引入GIS领域 应该是美国的Edwards教授及ESRI公司 早在1996年 ESRI公司发表了关于数据仓库的第一篇白皮书 Mappingforthedatawarehouse 1997 1998又发表了第二篇和第三篇白皮书 在我国大概是20世纪90年代末 北京大学在遥感及地理信息系统在数据仓库学术方面做了不少工作 数据仓库 DataWarehouse 数据仓库体系结构 数据挖掘 DataMining 知识挖掘过程 第八章空间建模与空间决策支持 第1节空间分析过程及其模型第2节空间决策支持模型第3节专家系统第4节数据仓库与空间数据挖掘第5节GIS空间分析与空间动态建模第6节空间相互作用与位置 分配模型 目前大多数GIS软件不能支持多学科领域的动态过程计算模型 集成GIS空间分析与空间动态建模困难的原因在于 存在着重要的概念差异 导致他们对现实世界抽象方式 如何用计算机组织和结构化数据的方式存在很大差异 GIS记录 存储的数据可能不是模型最适合的数据格式 编