第6章 GIS应用模型

第六章地理信息系统的应用模型第一节地理信息系统应用模型概述模型的一般概念

将系统的各个要素，通过适当的筛选，用一定的表现规则所描述出来的简明映象，是对客观地理世界的某一客观事物的抽象和概括。人们认识和研究客观世界一般有三种方法：逻辑推理法，实验法和模型法。模型法是我们了解和探索客观世界的最有力、最方便、最有效的方法。客观世界的实际系统是极其复杂的，它的属性也是多方面的。但是，建立模型决不能企图将所有这些因素和属性都包括进去，只能根据系统的目的和要求，抓住本质属性和因素，准确地描述系统。模型的特点

(1)模型在系统内的主要存储方式可以是程序式或非程序式的。基于数据的模型表示和基于知识的模型表示都可以作为模型的基本形态。

(2)在生成模型的过程中，采用定量建模和推理分析相结合的技术。其中定量建模用于确定模型的数学形态和有关参数。

(3)模型生成在人机交互中完成。在传统建模过程中，人的作用和机器的作用是界限分明的，而在模型生成技术中这种分界线是模糊的。

(4)模型生成应该是一个动态过程。模型的生成环境发生变化时，所生成的模型也不会完全相同。模型的分类

模型可以分为两类，即形象模型和抽象模型。前者包括直观模型、物理模型等，后者包括思维模型、符号模型、数学模型和仿真模型等。但这些模型之间是互相联系的，一个系统中往往需要多种类型的模型。(1)直观模型只供展览用的实物模型以及玩具、照片等。通常是把原型的尺寸放大或缩小。(2)物理模型主要是直观模型的进一步改进，它不仅可以显示原形的外形和特征，而且可以用来进行模拟实验，间接地研究原形的外形的某些规律。(3)思维模型指通过人们对原型的反复认识，将获取的知识以经验形式直接存储于大脑中，从而可以根据思维或直觉作出相应的决策。专家系统中的专家知识就是一种思维模型。(4)符号模型是在一些约定或假设下借助于专门的符号、线条等，按一定形式组合起来描述原型。地图就是一种典型的符号模型。(5)仿真模型这是通过计算机上运行的程序表达的模型。物理模型和数学模型一般可以转化为仿真模型，常见的有三维仿真模型。(6)数学模型是用的最多、最广的一种模型。它是用字母、数字和其它数学符号构成的等式或不等式，或用图表、图象、框图、数理逻辑来描述事物的，它是真实系统的一种抽象，是研究和掌握系统运动规律的有利工具，是分析、设计、预报、控制实际系统的基础。空间分析模型的类型

1

空间分布分析模型

用于研究地理对象的空间分布特征。主要包括：空间分布参数的描述，如分布密度和均值、分布中心、离散度等；空间分布检验，以确定分布类型；空间聚类分析，反映分布的多中心特征并确定这些中心；趋势面分析，反映现象的空间分布趋势；空间聚合与分解，反映空间对比与趋势。2

空间关系分析模型

用于研究基于地理对象的位置和属性特征的空间物体之间的关系。包括距离、方向、连通和拓扑等四种空间关系。其中，拓扑关系是研究得较多的关系；距离是内容最丰富的一种关系；连通用于描述基于视线的空间物体之间的通视性；方向反映物体的方位。

3空间相关分析模型

用于研究物体位置和属性集成下的关系，尤其是物体群(类)之间的关系。在这方面，目前研究得最多的是空间统计学范畴的问题。统计上的空间相关、覆盖分析就是考虑物体类之间相关关系的分析4预测、评价与决策模型用于研究地理对象的动态发展，根据过去和现在推断未来，根据已知推测未知，运用科学知识和手段来估计地理对象的未来发展趋势，并作出判断与评价，形成决策方案，用以指导行动，以获得尽可能好的实践效果。一、GIS应用模型的分类根据表达对象的不同：1.数学模型基于理化原理的理论模型。应用数学分析方法建立应用模型，反映地理过程本质的理化规律。2.经验模型基于变量之间的统计关系或启发式关系的模型。通过数理统计方法和大量观测实验建立应用模型，反映地理现象或过程的规律。3.混合模型基于原理和经验的混合模型。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。根据研究对象的瞬间状态和发展过程：1.静态模型2.半静态模型3.动态模型二、GIS应用模型的构建

地理信息系统求解问题的过程包括目的导向（goal-driven）过程和数据导向（data-driven）过程两种操作。目的导向是将待解决的问题与专业知识相结合，从问题开始逐步推导出解决问题所需要的原始数据、精度标准、模型的逻辑结构和方法步骤；数据导向是将已经形成的模型逻辑结构与GIS技术相结合，从各类数据开始逐步将数据转换为问题的答案。

目标导向方法：从专业理论和知识出发，分析解决问题的过程和方法，是在科学研究、管理决策等工作中正确应用地理信息系统技术的保证。数据导向方法：从原始数据出发，利用地理信息系统的各种功能求出问题的答案。

目标导向方法和数据导向方法是求解问题的不同层面和阶段，两者需要有机的结合起来。地理信息系统应用模式构建GIS应用模型的途径有以下三种：1.在GIS内部构建模型利用GIS软件的宏语言开发空间分析模型，能够充分利用GIS本身的资源。2.在GIS外部构建模型应用GIS空间数据库和输入/输出功能，利用其它应用领域的软件构建分析模型。3.混合型的模型构建尽可能利用GIS提供的分析功能，在此基础上利用外部构建模型的灵活性，构建应用模型。第二节地理信息系统应用模型举例

地理信息系统应用模型具有广泛的应用领域。本节重点结合资源环境与区域发展问题，通过一些实例说明地理信息系统应用模型的方法和过程。一、地理信息系统基本功能的应用——陕西省退耕还林还草信息系统

1.背景介绍陕西省退耕还林还草信息系统是为实施山川秀美工程提供科学的空间信息和决策依据而建立的工程规划三维地理信息系统。2.系统目标利用遥感（RS）与地理信息系统（GIS）相结合的技术，进行数字地形高程（DEM）、影像数据和矢量数据的叠置分析，三维显示土地资源的利用状况，>25°坡耕地的分布状况，为退耕还林还草工程的宏观决策提供依据。3.系统设计与开发

（1）系统配置运行环境：WindowsNT4.0

主要软件：Arcview3.1及3D分析和空间分析模块；ERDASIMAGINE8.3.1；ARC/INFO7.1.1；CorelDraw8.0；VisualBasic5.0。硬件配置：主机CPU主频500MHz，内存384M，硬盘20G；A0幅面彩色喷绘仪、扫描仪。（2）数据构成影像数据：陆地卫星TM5、4、3波段合成影像；1:50000正射数字影像（DOM）。基础地理数据：1:250000行政区划、道路、水系、居民点数字线划数据（DLG）；1:50000行政区划、道路、水系、居民点DLG或DRG（数字栅格数据）；1:250000DEM、1:50000DEM数据。（3）技术路线与实施影像数据处理：利用ERDAS完成格式转换、图像增强、几何纠正、坐标转换和影像融合。植被覆盖数据提取：目视解译图像，利用CorelDraw8.0将解译结果矢量化，然后导入ARC/INFO进行编辑和建立拓扑。系统界面设计：利用Arcview3.1完成。功能模块设计：利用VB进行二次开发。

3D表现与分析：由Arcview3.1完成。

二、地理信息系统应用模型实例之一——丽江地区人居环境的GIS空间分析

1.研究背景

该项研究由清华大学人居环境研究中心（党安荣等）主持完成，研究内容是通过对丽江地区居住环境，特别是地形、地势分析，获得该地区居民点分布与地势高程、坡度坡向的关系。丽江地区地处云南、四川、西藏三省区交汇处，是古代“南方丝绸之路”、“茶马古道”的必经之地，也是历史上兵家必争之地；具有特殊的地形地貌和多样性的气候2.讨论（1）该研究需要的基本原始数据和精度标准。地图资料：1:100000或1:250000地形图；相同或相近比例尺行政区划图和土地利用图。统计资料：该地区统计年鉴。（2）研究中可能使用的空间分析模型。数字地形模型，用于进行坡度、坡向、高程频度（地势）等分析；空间叠置模型，用于进行居民点与坡度分级、坡向和高程频度分级数据的空间统计叠合分析；点的缓冲区模型，用于进行居民点影响范围信息层的生成。丽江地区陆地卫星TM图像（3）分析研究的方法步骤。地势变化分析：利用数字地形分析（DTA）方法，生成丽江地区二维地势图、典型地区三维地势图，然后从地势图上获取地势变化的定性和定量特征。坡度坡向分析：以1:250000地形等高线电子地图为基础，借助地理信息系统地形分析模块，对丽江地区进行坡度分级和坡向分类，采用多边形融合功能合并相同坡度或坡向的区域，最后与行政区划图进行叠加分析，统计出各行政区划单元内各级坡度、各类坡向的面积及其比例，编制丽江地区坡度分级图和丽江地区坡向分类图。

居民点分布特征分析：

居民点分布与地势高程的关系：丽江地区居民点主要分布在1500~3000m的高度范围（80.20%），地市级和县级居民地主要分布在2000~2500m高程带，镇级居民点则全部分布在1000~2000高程带，乡、村级居民点分布范围较广。这种分布的形成与地形特征、自然环境、自然灾害、民族文化、社会经济等多方面的因素有关。

居民点分布与坡度坡向的关系：通过对不同类型居民点建设与影响范围的缓冲区分析，生成了居民点可能影响范围信息层，并与坡向坡度信息层进行叠置分析，得到居民点建设用地和影响范围土地面积以小于5°的缓坡区为主，其次是15~25°的可利用坡地，而5~15°的宜农坡地则较少（<17%）；从坡向分析，居民地分布仍然以缓坡地为主（>35%），其次是东坡、东南坡，北坡分布最少。适宜性分析模型适宜性分析概述土地针对某种特定开发活动的分析，比如农业用地、城市化选址、作物类型布局、道路选线等。建模过程：首先确定具体的开发活动，其次选择这项开发活动的影响因子，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，以作为土地规划利用的依据。一、一般形式设有某项开发活动或评价目标TT对应的一组影响因素有X1,X2……Xm每个因素对应一组参评因子x1,x2……xl每一个因子有一组属性v1,v2……vn

则有，每个因素对应一个属性集ViVi=[V11,……Vjk,……，Vnl]其中：i=1,2,……m;j=1,2,……n;k=1,2,……l.

每个因素的属性集都是一个对指定的T从优到劣的序集，而且满足：V1l>Vjl>……>Vnl各个因素按其属性集的优劣，可用下列的矩阵来表示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：将各因子最适宜的指标值定为贡献函数值为100，将各因子最不适宜的指标值定为贡献函数值为0，在这之间，指标值与函数值按线性关系计算。求基于栅格单元的评价分值j=1,2……，n根据使的值为最大时的P所对应的j,即为所求的某个T的适宜级Sj二、应用实例--某地区的玉米种植用地的评价

（1）评价对象：玉米种植用地的土地适宜性分析。通过评价将该区域分成不同的适宜等级：S1(最适宜),S2（次适宜),S3（临界适宜）,N（不适宜）（2）评价方法：基于GIS的土地质量评价法（3）评价过程：

A评价对象生态条件调查

玉米种植供水Q1供肥Q2供氧Q3土地侵蚀Q4水源土层厚度土壤有机质土壤孔隙度土壤质地地形坡度B确定评价对象的影响因素和因子C利用GIS生成影响因素数据供水级别距水源/m土层厚度/cm1<100>502100-20050-203200-50020-104>500<10举例：Q1因素有两个因子：水源和土层厚度，其属性分级如下土壤层水系图数字化栅格化缓冲带操作数字化属性分级栅格化R1文件供水分级叠合操作同理：得到基于栅格的供肥条件等级数据Q2、供氧条件等级数据文件Q3土壤侵蚀等级数据文件Q4D计算各因素的权重和贡献函数值

每个影响因素或土地质量Qi对评价对象的贡献大小和适宜程度不同，因此，不同因素有不同的权重Wi，不同级别的因素对评价对象的贡献函数值Pji也不相同。权重Wi的计算方法将土地质量按其对评价对象重要性的不同，由小到大排序；确定Qi+1对Qi的重要程度Vi+1,i

并规定V1’0=1贡献函数值的确定：土地质量Qi土地质量重要性比较及取值Vi+1,i

Q4（Q`1）1(V1,0

)Q3（Q`2）1(V2,1

)Q2（Q`3）2(V3,2

)Q1（Q`4）4(V4,3

)因素、等级评价指标表

指标因素

等级Q1Q2Q3Q4167.017.08.08.0244.811.45.45.4322.25.62.62.640000E适宜性评级通过将不同土地质量数据文件Ri的等级，切换为与表6-4相同等级对应的指标值，就可以计算出基于栅格单元的评价分值R(T)。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根据使研究区全部栅格单元都获得相应的适宜性等级，就得到该区玉米作物种植用地的适宜性分级图。P201图6-3专家系统概述一、专家系统概述

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关于某个领域的知识和经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来解决这个领域的知识。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的表达和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、不精确或者不确定的信息基础上做出结论。专家系统定义：

模拟人类专家的推理思维过程，将领域专家的知识和经验以知识库的形式存入计算机，根据这些知识，对输入的原始事实进行复杂的推理，并做出判断和决策，从而起到专门领域专家的作用的一种系统。二专家系统的基本组成专家知识人机交互界面知识获取推理机解释器知识库数据库1知识库用于存取和管理所获取的专家知识和经验，供推理机利用，具有知识的存储、检索、增删和修改、扩充功能2数据库用来存放系统推理过程中用到的控制信息、中间假设和中间结果3推理机用于利用知识进行推理，求解专门问题，具有启发推理、算法推理；正向、反向和双向推理；串行或并行推理等功能4解释器用于作为专家系统与用户的“人-机”接口，功能是向用户解释系统的行为，包括：咨询理解——对用户咨询的提问进行“理解”，将用户输入的提问及有关事实、数据和条件转换为推理机可以接收的信息结论解