GIS应用模型剖析

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1、第6章GIS应用模型第一节GIS应用模型概述1. GIS应用模型分类1.1按照表达对象不同,可分为1）数学模型：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。 例如地表径流模型、海洋和大气环流模型等.2）经验模型：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。3）混合模型：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。例如位置选择模型。1。2按照瞬间状态和发展过程，可分为1）静态模型：用于分析地理现象及要素相互作用的格局.2）半静态模型：用于评价应用目标的变化影响。3）动态模型:用于预测研究目标的时空动态演变及趋势。2。GI

2、S应用模型的作用3。GIS应用模型构建30 1GIS应用模型构建途径GIS环境内的模型构建GIS外部的模型构建混合型的模型构建3o 2GIS应用模型构建方法1）模型化一般方法2）逻辑原理3）数据统计分析4）空间分析函数5）应用模型重用第2节 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。因此，建立适宜性 分析模型，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。过去这种适宜性分析一般是 采用各个因子简单叠合分

3、析或通过地图覆盖的方法来解决，20世纪60年代后期，由于重视 开发活动引起的环境效应，以及系统论方法在土地利用规划中的应用，逐渐利用以计算机为 中心的地理信息系统进行土地利用规划的研究。2o 1 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vl, v2,vm；因此，每个因素对应一个属性集Vi： 珂三卩11，心理忙，-=詬严打吕用話么.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：f I，必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

4、阵表示：w prKl211w Pk M2 1M1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lOO,将各因子最不适宜 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：战门挣戈XJ = 1牽、“唇然后，根据使G （Pji） =l|R（T）-Pji/100|（63）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丄也X/也返“旬阿C6-4）區：2.2应用实

5、例地理信息系统技术在土地评价中的应用，已有许多成功的范例!这里以某地区的玉米种 植用地评价为例,介绍适宜性分析模型的应用及基于GIS的土地评价方法和过程。（1）评价对象，玉米种植用地的土地适宜性评价，通过评价将研究区分出不同的适宜性 等级：S1 （最适宜）、S2 （次适宜）、S3（临界适宜）和N （不适宜）。（2）评价方法。采用基于GlS的土地质量评价法，即将玉米作物生长有关主导生态条件 与土地质量（供水、供肥等）相比照，从而评定土地的适宜性等级。（3）评价过程。如下. 评价对象生态条件的调查。评价对象玉米属于禾本科，为一年生草本，其主导生态 条件例如:性喜高温，需水量大，要求土壤肥沃和土层疏

6、松，其根系生长要求防止土壤侵蚀 确定评价对象的影响因素和因子。根据将玉米作物生长有关的生态条件与土地质量 相比照，除了温度可通过季节调节外，其他影响因素和因子如图61所示：评命时捺的袴响国亲科国于体系 利用GIS生成影响因素数据例如供水有效性，其影响因子为水源和土层厚度，它 们对供水或保水有效性的属性集如表62所示：表h-a愷武序舸固子.疲團性卧级供水殒别晅*添屁土层耳度左R111002K&-200处203200 JOO2O104-注00岡心3QTE牛成反水園査邀据的柚ft讨一痒根据表62和相应的空间数据，通过如图6-2所示的GIS操作过程，可以有效生成基 于栅格单元的供水条件等级数据文件R1

7、。同理，可以生成供肥条件等级数据文件R2、供氧 条件等级数据文件R3和土壤侵蚀等级数据文件R4。这些数据文件是土地适宜性评价的重要 基础，而它们的可靠性又取决于各个参评因子及其属性集的确定 计算各因素的权重和贡献函数值。由于每个影响因素或土地质量Qi （i=l, 2，3， 4）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的计算方法为：首先，将土地质量按其对评价对象重要性的不同，进行由小到 大的排队；其次，确定Qi+1对Qi的重要性程度Vi+l,i，用倍数表示，并令V1,O=1，其结 果如表6-3所示;最后，按照

8、下列公式计算各土地质量的权重：暂-辻捷质莹重翌性比较谟土地质屋Ql土地质屋重要惟出聂最取伯环“Q如1他|晤=5辽si-1式中，U1=V1, 0, U2=V2, 1XV1, 0,，Ui=Vi, i-lXVil,i-2XXVl,0，所以，和 土地质量 Qi(i=l,2,3,4)对应的权重分别为 Wl=0.67,W2=0。17,W3=0。08, W4=0。08.贡献函数值可以按照影响因素的级别来确定例如，如果将各因子最适宜的指标值定为 贡献函数值100,将各因子最不适宜的指标值定为贡献函数值0,当影响因素分为4级时， 则各因素的P值分别为P1i=100,P2i=67, P3i=33, P4i=0根据

9、各因素的权重与贡献函数值的关系式，可以建立各因素的评价指标表(表64), 该指标表与不同土地质量的数据文件Ri相结合，为土地适宜性评价提供依据。 计算机适宜性评级。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，便可计算出基于栅格单元的评价分值R(T):1 n陀)=两牙密小七遊仁二因第，等级评请皓标表Q2Q3Q41即.017 J03.0S.0244.S11.4545.4322.25.62$2.6斗00a0图$-3玉北昨塑种植尽地适宜忤井纸因然后，根据使 G(Pji)=1-|R(T)-Pji/100|的值为最大时的P所对应的j,即为 所求的对T的适宜性等级Sj。例如

10、，当某栅格单元Q1的指标值为67.0,Q2为11。4, Q3为 2.6, Q4为0时，该栅格单元的R(T)=81.0,然后将该值和Pji的值依次代入式(6 3)进 行计算，只有当取P2i=67时，G (P2i)的值为最大(0.86)，所以该栅格单元的适宜性等级 为S2 (次适宜)直至研究地区全部栅格单元都获得相应的适宜性等级，得到玉米作物种植 用地的适宜性分级图(图6 3)。第三节发展预测模型3。1 一般介绍发展预测是运用已有的存储数据和系统提供的手段，对事物进行科学的数量分析探索 某一事物在今后的可能发展趋势，并作出评价和估计，以调节、控制计划或行动，在地理信 息研究中,如人口预测、资源预测

11、、粮食产量预测以及社会经济发展预测等，都是经常要解决 的问题。预测方法通常分为定性、定量、定时和概率预测。在信息系统中，一般采用定量预测方法 它利用系统存储的多目标统计数据,由一个或几个变量的值，来预测或控制另一个研究变量 的取值。这种数量预测常用的数学方法有移动平均数法、指数平滑法、趋势分析法、时间序 列分析法、回归分析法，以及灰色系统理论模型的应用.3。2应用实例以下以人口和劳动力的预测为例，说明人口统计数据如何在定量预测模型中的应用.根 据人口预测模型：巳=唧7式中：Pt第t年人口数；P0基年人口数；入人口出生率； 卩人口死亡率； t时间(年份).设根据研究地区一组人口统计数据的分析，得

12、入=12.5%,卩=6。5%,将基年定为1985 年，并且P0=612.7万人。设每年净迁入该研究地区的人口数为W=5万人。则| =耶 S + W二时d花胡+ W 只=鼻询i广脈于是可得到规划期的人口预测数(表6 5)。遊6-5 划期人口预测数年份1悠19861P871P8S19891?90人口靭万人6127630.1伽9647.7656.61.43%同理，根据劳动力预测方程： L (t)=LR (t)*L (t1) +LW (t) 式中：L (t)为第t年劳动力状态向量，即；LW (t)为第t年劳动力迁移向量，即 LR( t)为劳动力存留系数矩阵，即式中下标1860表示劳动力的年龄；r代表分

13、年龄层的劳动力存留比率。6-4芙囚纽约州1新和人就雋预稠图（fll H.U .Calktns ,1977）于是，得到研究地区规划期劳动力的预测数（表66）。表战-6规划朋劳动力预厠数19851PSS19S7158319391990劳吐ctih 動万人335.1341.4343.3353.4致.3367.1有了这些预测的结果，将这些结果与表示每个镇、市中心点的x、y坐标联系起来，便 得到一组点的数据,这组数据加上研究地区的边界数据，输入SYMAP程序，通过使用绘制等 值线这个权，便输出一幅人口发展预测图（图64），该图表示出美国纽约州1990年的人口 密度，原始输出图经过缩小，使图形效果更为直观

14、,概括地显示出所预测的人口的增长趋势, 作为区域经济发展规划的依据，以便寻找对策，使人口的增长与有效的土地面积和其他的资 源相适应。第四节位址选择模型位址选择是指按照规定的标准,通过空间分析的方法，确定厂址、电站、管线，或者交 通路线等的最佳位址或路径。位址选择考虑的标准一般包括环境、工程和经济三个方面。其中首先考虑的是环境标准， 例如20%以上的坡度，主要的农业土壤分布区、湿地和湖区、文化活动区、国有林区、资源 保护区，以及体育场和公园等。其次考虑的是工程标准，包括地形条件，土壤的性质，气候 因素，以及区域的生态特点等。最后是经济标准，包括开发成本、供水条件、铁路运输、空 气质量等只有首先考虑环境标准，才能识别出一般适合的位置,然后进一步研究工程的经济 因素，从中筛选出优先考虑的位址，最后通过详细的环境和工程的综合论证，确定出13 个最佳的选址方案。一般建立的位址选择模型如图6-5所示，分为数据准备阶段、综合影响的评价阶段，以 及选址分析阶段。4。1数据准备阶段在数据准备阶段，要建立专家咨询组，明确选址的要求，选择影响因子，进行位址选择 的数据准备。确定位址分析的格网单元的数据记录如图66所示图中的VI, V2,，Vm 分别表示高程、土壤、表面地质、水域、易泛区、湿地、森林覆盖、开阔地、市镇用地、居 民地规划区、农田、公共