地理信息系统设计与实践 第六讲

1、地理信息系统设计与实践 第六讲2022/9/6第1页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院2教学大纲一、GlS应用模型概述 二、地理建模过程三、GIS应用模型库的设计和管理四、案例第2页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院3一、GlS应用模型概述地理模型概念GIS应用模型分类应用模型的特点应用模型建构方法第3页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院4地理模型概念 地理模型是对地理实体的特性及其变化规律的一种表示或者抽象，同时也是对地理实体

2、所要研究的特定特征进行定量的抽象。 地理模型经过演绎、求解及推断过程，给出数学上和地理上的分析、预报、决策或控制，再经过翻译和解释回到现实世界中，完成实践-理论-实践的循环。第4页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院5GIS应用模型分类GIS应用模型的分类 根据所表达的空间对象分为：理论模型，又称为数学模型：是应用数学分析方法建立的数学表达式，反映地理过程本质的理化规律，如地表径流模型、海洋和大气环流模型等;经验模型：基于变量之间的统计关系或启发式关系的模型，是通过数理统计方法和大量观测实验建立的模型，如水土流失模型、适宜性分析模型等;混合

3、模型：模型中既有基于理论原理的确定性变量，也有应用经验加以确定的不确定性变量，如资源分配模型、位置选择模型等。第5页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院6GIS应用模型分类根据研究对象的瞬时状态和发展过程分类静态用于分析地理现象及要素相互作用的格局半静态用于评价应用目标的变化影响动态用于预测研究目标的时空动态演变及趋势。第6页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院7GIS应用模型分类空间模型非空间模型适宜性分析模型预测模型模拟模型最优化模型影响模型计量经济模型经济控制论模型投入产出模型系统

4、动力学模型根据空间特性分类第7页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院8应用模型的特点是联系GIS应用系统与常规专业研究的纽带是综合利用GIS应用系统中大量数据的工具是GIS应用系统解决各种实际问题的武器是GIS应用系统向更高技术水平发展的基础第8页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院9应用模型建构方法GIS环境内的模型建造。指应用者利用GIS软件的宏语言(如ARC/INFO的AML和System9的ATP等)发展各自所需的空间分析模型。这种模型法是将由GIS软件支持的功能看作模型部件，按

5、照分析目的和标准，对部件进行有机的组合。因此，这种构模法能充分地利用GIS软件本身所具有的资源，模型建造和开发的效率比较高。GlS外部的模型建造。这种方法是基于应用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他应用领域的软件。这种构模法虽然运行效率受到很大影响，但实现了软件的嫁接，无需在GIS环境中重编分析软件，并具有广泛的适用性。第9页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院10应用模型建构方法混合型的模型建造。这是上述两种建模法的结合，即尽可能利用GlS提供的功能，最大限度地减少用户自行开发的压力，又不失具有外部建模法的灵活效

6、果，例如自然语言命令或地图代数法，就属于这类方法。第10页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院11二、地理建模过程地理建模是一项复杂而具有创造性的活动（改造已有模型或创造新模型），建立地理模型没有固定的模式。建模准备模型假设建立模型模型求解模型分析模型检验第11页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院12二、地理建模过程建模准备模型应用模型分析与检验建模假设建立模型模型求解第12页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院13建模准备了解地理

7、问题的实际背景明确地理建模的目的掌握地理对象的各种信息（如数据资料等）以及搞清对象的特征重点是进行模型的因子分析。第13页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院14模型假设模型假设是根据地理对象的特性和建模的目的，对问题进行必要的简化，并且用精确的语言作出假设。这是地理建模的第二步，也是关键的一步。注意：假设过于详细，试图把复杂的实际现象的各个因素都考虑进去，可能使得建模者很难继续下一步的工作。因此要善于辨别问题的主要和次要方面，尽量将问题均匀化、线性化。第14页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大

8、学测绘学院15建立模型建立模型是指根据所做的假设，利用适当的数学工具，确定各因子之间的联系，通过表格、图形或是其它数学结构建立地理模型。知识规划论、排队论、图论、对策论等知识。建模的一个原则就是尽量采用简单明了的数学工具，供更多的人了解和使用。第15页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院16模型求解对建立的模型进行数学上的求解，包括解方程、画图形、逻辑推理、稳定性讨论等。模型求解不仅要求建模者掌握相应的数学知识，还要掌握一些常用数据分析软件，如集计算和可视化于一体的Matlab软件及用于统计分析的SPSS软件等。第16页，共61页，2022

9、年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院17模型检验模型的正确性将模型分析的结果“翻译”到地理对象中，用实际现象或数据检验模型的合理性和适用性。若检验结果正确，模型即可用；若检验结果有误，则需修改或重新建模。经验表明，模型假设是最易导致结果有误的环节第17页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院18三、GIS应用模型库的设计和管理 GIS应用模型的设计是GIS设计的核心内容之一，其优劣直接影响到系统功能运行效率。设计GIS应用模型时，主要考虑要用它来解决什么问题，有哪些数据可用，采用何种建模方法为切入点或有哪些现

10、成模型可供借鉴。要考虑GIS与应用模型的结合方式：直接结合、间接结合。在利用GIS解决实际问题时，常常需要结合多个模型，构成模型库来解决特定问题。其中每个模型以某方面为重点，主要解决某一具体问题，模型之间通过一定的环节连接起来实现相互之间的反馈和协调。第18页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院19常见模型适宜性分析模型（Suitability）主要通过因子分析、专家打分和判别标准来建模，例如土地适宜性模型，地址选择模型；预测模型（Predictive）主要是根据以往的数据分析事件发生的可能性，建立模型，如洪水预测模型，人口扩散模型；模拟模

11、型（Simulation）主要是根据不同自然条件和人为条件下产生的可能结果进行模拟，如森林的增长模型，地下水沉降模型；最优化模型（Optimization）从多种可能性中选择一个最佳解决方案，如道路的最佳选线、资源的最优化配置等；影响模型（Influence）由一个事件而引起的对周围地区的影响模型，如建一个有污染的工厂对周围环境的影响程度，海上油轮泄露对周围渔业的影响等。第19页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院20空间数据探索分析探索数据的空间模式，对假设的数据模型、模型基础和数据的地理性进行阐述，并评价空间模型 全局相关性分析 局部相

12、关性分析 空间图形分析 用于分析自然灾害的空间分布、流行病的空间分布、物种的空间分布、犯罪事件的空间分布等 第20页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院21空间数据探索分析公共卫生领域应用第21页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院22空间数据探索分析公共卫生领域应用第22页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院23空间回归分析探讨估计值的空间关系：地学对象的空间依赖性和空间异质性决定了一般回归方法不适应在空间上的分析 联立自回归模型(

13、SAR) 空间移动平均模型(SMA) 条件自回归模型(CAR)区域经济研究、公共卫生领域、种群分布等第23页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院24空间机理模型 社会模型 行为模型（虚拟现实、城市交通流模拟等） 经济学模型（区域可持续发展、土地利用变化驱动力研究等） 自然模型引力模型（人口流动、城市空间发展、旅游规划、交通流量分布等）水力学模型（洪水模拟、湖泊演变等）传热学模型（疾病时空传播等）系统动力学模型（土地利用、区域经济等）第24页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院25空间复杂

14、系统模型 神经网络地震、洪水、降雨预测、遥感影像的对象识别等 元胞自动机城市演化、交通流模拟等 空间模糊数学自然灾害评价、污水处理评估、地价评估等 分形河网模拟、城镇体系结构、地质灾害等 时空信息多模式融合模型传染病、地震等非线性复杂系统的模拟和预测等 智能体 (agent) 第25页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院26空间运筹模型提供决策支持资源的时空优化配置水、电、公共卫生资源等的区域优化配置、区域经济发展、商场选址、物流配送等空间监测采样的优化设计 生态环境监测、国土监测、海洋监测、农情速报等 自然灾害保险洪水、地震、台风等 第2

15、6页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院27空间数据挖掘 空间分类（信息熵） 空间聚类（空间位置、障碍约束） 空间关联规则（空间推理、元规则、空间分析.） 空间异常发现（图论） 空间趋势预测（邻接关系） 空间数据挖掘语言 第27页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院28模型管理文本形式的管理方式该方式用文字来描述模型的各种参数，如模型名称、模型功能、存储位置等，并用文本文件存储起来；模型库中各个模型的建模过程的说明也可用文本形式的方式来管理。但这种方式只能起浏览的作用。数据库形式的管理方

16、式该方式采用关系型数据库的关系表来存储应用模型的内容，也用关系表来存储不同时段的同一地理对象的数据经同一应用模型运行后得到的结果。采用这种管理方式，需要设计两种表：模型字典表和模型结果表。第28页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院29模型管理模型编号模型名称功能描述存放位置所需数据格式运行环境与之相关联的模型开发者开发时间 所用数据的时间所用数据的名称所用数据的存放位置所用的模型名称结果名称结果存放位置模型字典表的一般结构模型结果表的一般结构第29页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院

17、30四、案例适宜性分析模型地理模拟模型土壤侵蚀的模拟模型灾害风险评估基于ArcGIS ModelBuilder建模第30页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院31适宜性分析模型 适宜性分析是指土地针对某种特定开发活动的分析，这些开发活动包括农业应用、城市化选址、作物类型布局、道路选线、选择重新造林的最适宜的土地等。 首先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。 第31页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院3

18、2一般形式设有某项评价目标或开发活动T,该T对应一组影响因素X1,X2,Xm； 每个因素对应一组参评因子 每个因子有一组属性v1,v2, ,vm; 因此，每个因素对应一个属性集Vi:显然，每个因素的属性集都是一个对指定的T从优到劣的全序集，且满足： 各个参评因子及其属性值的取得由数据库提取或由GIS空间分析软件生成，各个因素按其属性集的优劣，可用下列矩阵表示: 第32页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院33式中: P为Xi对T的贡献函数值;W为Xi对T的权重值。P值的确定方法为: 将各因子最适宜的指标值定为贡献函数值l00，将各因子最不适

19、宜的指标值定为贡献函数值0，在这之间，指标值与函数值按线性关系计算和确定。有了上述矩阵数据和GlS功能的支持，可以求取基于栅格单元的评价分值： 第33页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院34根据下列公式G(Pji)=1-|R(T)-Pji/100|的值为最大时的P所对应的j,即为所求的某个T的适宜级Sj。显然，当适宜级为S2或S3时，必须同时确定其限制性因子。限制性因子的计算公式为第34页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院35地学模拟模型 地学模拟模型是应用计算机、数字模拟技术及综合

20、分析的方法来模拟许多地理过程或现象，例如气候变迁、沙漠化过程、土地退化过程、湖泊沼泽化、河道冲淤、沙嘴发育，以及土壤侵蚀等，使得受几个因素的共同影响，要经过若干年才能完成的地理过程，采用计算机模拟模型，只需几分钟就能得出类似的结果，为资源开发、国土整治、水土保持、工程论证等提供依据。 第35页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院36土壤侵蚀的模拟模型 步骤：首先确定土壤侵蚀的数值分析模型，根据模型确定影响土壤侵蚀的因子，这些因子必须能够反映不同的土壤性质，不同的坡面形态，以及不同的植被条件等，然后选择格网尺寸，建立各个影响因子的栅格数据文件

21、，最后将多种信息加以复合，确定研究地区土壤侵蚀量的各种不同等级，为制定区域的水土保持规划提供依据。第36页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院37确定土壤侵蚀的数值分析模型 土壤侵蚀的数值分析模型随具体区域而不同，美国普渡大学曾根据30余个观测站的数以万计的资料，用电子计算机加以分析，得出下列通用的土壤流失方程。式中：A为土壤流失量， ;R为降雨侵蚀力;K为土壤可蚀性;L为坡长;S为坡度;C为植被覆盖度: P为土壤侵蚀控制措施。 第37页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院38设计土壤侵

22、蚀数据处理流程 根据模型确定的土壤侵蚀因子，研究各个因子的计算或提取所根据的数据源和方法，数据组织和编码方式，然后拟定具体的数据处理流程第38页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院39灾害风险评估第39页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院40基于ArcGIS ModelBuilder建模第40页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院41空间处理框架在ArcGIS空间处理是地理信息的处理过程： 数据 - 操作 - 输出数据空间处理提供了

23、一种途径：在现有的数据基础上应用某个操作得到新的信息或数据第41页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院42GIS 工具是建立复杂处理过程的基石。对一个已有数据应用一个工具处理是为了得到新的 数据结果。在 GIS 中，使用空间处理的框架将这些集中了多个步骤的操作贯穿起来。把一系 列的操作串起来就形成了一个处理模型，这个模型可以被用来自动执行和记录许多 GIS 中的 空间处理任务。这种处理组合和应用过程就被认为是空间处理。第42页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院43通过空间处理工具产生所

24、需要的结果，为现实问题建立模型空间处理能力是GIS软件的基本功能第43页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院44为什么构建模型自动完成空间处理工作流分析、数据管理、转换等记录和保存一种方法如何创建一个专门的空间数据库方案共享空间处理过程容易交流成果创建定制的工具将通用的操作集合到一个工具中第44页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院45ArcGIS地理建模的主要方法将现实问题模型化数据转换：矢量到栅格,采样点空间插值，DEM 到栅格地形分析：坡度、坡向、光照模型重分类缓冲区分析图层叠加分

25、析：权重模式、高级算法模式第45页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院46将多个图层的信息结合在一个图层中。矢量图层的复合：相交、合并、剪切栅格图层的叠加：栅格计算器第46页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院47第47页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院48利用栅格计算器：复合多个栅格图层每个因子图层第48页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院49加权叠加第49页，共61页，2022年，5月20日，21点38分，星期二2022/9/6 武汉大学测绘学院50加权叠加第50页，共6