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1、第六章第六章 地理信息系统地理信息系统的应用模型的应用模型重点重点1、掌握、掌握GIS应用模型的类型和构建应用模型的类型和构建2、了解常用的、了解常用的GIS应用模型的构建过程应用模型的构建过程第一节第一节 GlS应用模型概述应用模型概述 二、应用模型的构建应用模型的构建实际包括应用模型的构建实际包括目的导向分析目的导向分析和和数据导向操作数据导向操作两个过程。两个过程。（一）应用模型构建的（一）应用模型构建的步骤步骤：明确分析的目的和评价准则；明确分析的目的和评价准则；准备分析数据；准备分析数据；空间分析操作；空间分析操作；结果分析；结果分析；解释、评价结果；解释、评价结果；结果输出。结果输
2、出。例如：要进行道路拓宽改建中拆迁指标的计算。例如：要进行道路拓宽改建中拆迁指标的计算。首先明确分析的目的和标准：首先明确分析的目的和标准：目的目的是计算由于道路拓宽而需要拆迁的建筑物是计算由于道路拓宽而需要拆迁的建筑物的的建筑面积和房产价值建筑面积和房产价值。标准标准道路从原有的道路从原有的20m拓宽至拓宽至60m，拓宽道路，拓宽道路应尽量保持直线，部分位于拆迁区内应尽量保持直线，部分位于拆迁区内10层以上层以上的建筑不拆除。的建筑不拆除。准备用于分析的数据准备用于分析的数据现状道路空间分布数据；现状道路空间分布数据；分析区域内建筑物分布数据及相关属性数据分析区域内建筑物分布数据及相关属性数
3、据(如建如建筑面积和楼层数筑面积和楼层数)。进行空间分析操作进行空间分析操作缓冲区分析；缓冲区分析；叠置分析。叠置分析。进行统计分析进行统计分析最后将分析结果以地图和表格的形式打最后将分析结果以地图和表格的形式打印输出。印输出。首先对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行按首先对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行按楼层楼层属性的选择，凡落入拆迁区且楼层高于属性的选择，凡落入拆迁区且楼层高于10层层以上的建筑，将其从选择组中去掉，并对道路拓以上的建筑，将其从选择组中去掉，并对道路拓宽边界进行宽边界进行局部调整局部调整，然后对所有需拆迁的建筑，然后对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。物进行拆迁指标计
4、算。（二）应用模型建模的（二）应用模型建模的途径途径：制图建模的实现方法制图建模的实现方法采用空间分析流程的逆过程。采用空间分析流程的逆过程。 即从空间分析的最终结果开始，反向一步步分析为即从空间分析的最终结果开始，反向一步步分析为得到最终结果，需要采取哪些空间分析方法？哪些数据是得到最终结果，需要采取哪些空间分析方法？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。派生而来。l可视化制图建模工具可视化制图建模工具如如ArcView GISArcView GIS的的ModelBuilderModelBuilder（三）应用
5、模型建模的（三）应用模型建模的方法方法制图建模制图建模第二节第二节 适宜性分析模型适宜性分析模型 n适宜性分析适宜性分析是指土地针对某种特定开发活动的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、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作物类型布局、道路选线、选择重新造林的最适宜的土地等。的土地等。 n建立适宜性分析模型的一般步骤;首先确定具体的开发活动；首先确定具体的开发活动；其次选择其影响因子；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
6、地利用规划决策的依据。适宜程度，以作为土地利用规划决策的依据。一、一般形式一、一般形式 设有某项评价目标或开发活动设有某项评价目标或开发活动T,T,该该T T对应一组影响因素对应一组影响因素X1,X2,XmX1,X2,Xm； 每个因素对应一组参评因子每个因素对应一组参评因子 每个因子有一组每个因子有一组属性属性v1,v2, ,vn; v1,v2, ,vn; 因此，每个因素对应一个属性集因此，每个因素对应一个属性集Vi:Vi: 显然，每个因素的属性集都是一个对指定的显然，每个因素的属性集都是一个对指定的T T从优到劣的从优到劣的全序集，且满足：全序集，且满足： 各个参评因子及其属性值的取得由数据
7、库提取或由各个参评因子及其属性值的取得由数据库提取或由GISGIS空间分空间分析软件生成，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，可用下列矩阵表示示: : 式中式中: P: P为为XiXi对对T T的贡献函数值的贡献函数值; ;W W为为XiXi对对T T的权重值。的权重值。P P值的确定方法为值的确定方法为: : 将各因子最适宜的指标值定为贡将各因子最适宜的指标值定为贡献函数值献函数值l00l00，将各因子最不适宜的指标值定为贡献函数，将各因子最不适宜的指标值定为贡献函数值值0 0，在这之间，指标值与函数值按线性关系计算和确定。，在这之间，指标值与函数值
8、按线性关系计算和确定。有了上述矩阵数据和有了上述矩阵数据和GlSGlS功能的支持，可以求取基于功能的支持，可以求取基于栅格单元的评价分值：栅格单元的评价分值： 然后，根据使然后，根据使G(Pji)=1-|R(T)-Pji/100| (6-3) G(Pji)=1-|R(T)-Pji/100| (6-3) 的值为最大时的的值为最大时的P P所对应的所对应的j,j,即为所求的某个即为所求的某个T T的适宜级的适宜级SjSj。显然，当适宜级为显然，当适宜级为S2S2或或S3S3时，必须同时确定其限制性因子。时，必须同时确定其限制性因子。限制性因子的计算公式为限制性因子的计算公式为 二、二、 应用实例应
9、用实例 以某地区的玉米种植地评价为例，介绍适宜性以某地区的玉米种植地评价为例，介绍适宜性分析模型的应用及基于分析模型的应用及基于GISGIS的土地评价方法和过程的土地评价方法和过程: :(1)(1)评价对象：评价对象：玉米种植用地的土地适宜性评价，通过评价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将研究区分出不同的适宜性等级:S1(:S1(最适宜最适宜) )、S2(S2(次适宜次适宜) )、S3(S3(临界适宜临界适宜) )和和N(N(不适宜不适宜) )。(2)(2)评价方法。评价方法。采用基于采用基于GlSGlS的土地质量评价法，即的土地质量评价法，即将玉米作物生长有
10、关的将玉米作物生长有关的主导生态条件主导生态条件与与土地质量土地质量( (供水、供肥等供水、供肥等) )相比照，从而评定土地的适宜性相比照，从而评定土地的适宜性等级。等级。（3 3）评价过程：）评价过程：评价对象评价对象生态条件生态条件的调查。的调查。 评价对象评价对象玉米玉米属于禾本科，为一年生草本，其主属于禾本科，为一年生草本，其主导生态条件例如导生态条件例如: :性喜高温，需水量大，要求土壤肥性喜高温，需水量大，要求土壤肥沃和土层疏松，其根系生长要求防止土壤侵蚀等沃和土层疏松，其根系生长要求防止土壤侵蚀等。确定评价对象的确定评价对象的影响因素和因子影响因素和因子。 根据将玉米作物生长有关
11、的生态条件与土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，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其他影响因素和因子如图6-16-1所示所示: : 因素因素因子因子利用利用GISGIS生成生成影响因素数据。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，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它们对供水或保水有效性的属性集如表6-26-2所示所示: : 根据表根据表6-26-2和相应的空间数据，通过如图和相应的空间数据，通过如图6-26-2所所示的示的GISGIS操作过程，可以有效生成基于栅
12、格单元的操作过程，可以有效生成基于栅格单元的供供水条件等级数据文件水条件等级数据文件R1R1。同理，可以生成供肥条件。同理，可以生成供肥条件等级数据文件等级数据文件R2R2、供氧条件等级数据文件、供氧条件等级数据文件R3R3和土壤和土壤侵蚀等级数据文件侵蚀等级数据文件R4R4。这些数据文件是土地适宜性。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。评因子及其属性集的确定。 计算各因素的计算各因素的权重权重和和贡献函数值贡献函数值。 由于每个影响因素或土地质量由于每个影响因素或土地质量Qi(i=1,2,3,
13、4)Qi(i=1,2,3,4)对评价对象的贡献大小和适宜程度不同，因此不同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因素有不同的权重权重WiWi，不同级别的因素对评价对象，不同级别的因素对评价对象的的贡献函数值贡献函数值PjiPji也不相同。也不相同。 权重权重WiWi的计算方法的计算方法 首先，将土地质量按其对评价对象重要性的不同，首先，将土地质量按其对评价对象重要性的不同，进行进行由小到大的排队由小到大的排队；其次，确定其次，确定Qi+1Qi+1对对QiQi的重要性程度的重要性程度Vi+1,iVi+1,i，用倍，用倍数表示，并令数表示，并令V1,0=1V1,0=1，其结果如表
14、，其结果如表6-36-3所示所示; ;土壤侵蚀土壤侵蚀供氧供氧供肥供肥供水供水 式中，式中，U1=V1,0, U2=V2,1V1,0, Ui=Vi,i-U1=V1,0, U2=V2,1V1,0, Ui=Vi,i-1Vi-1,i-2V1,01Vi-1,i-2V1,0，所以，和土地质量，所以，和土地质量Qi(i=1,2,3,4)Qi(i=1,2,3,4)对应的权重分别为对应的权重分别为W1=0.67W1=0.67，W2=0.17W2=0.17，W3=0.08W3=0.08，W4=0.08W4=0.08。最后，按照下列公式计算各土地质量的权重最后，按照下列公式计算各土地质量的权重: : 贡献函数值可
15、以按照影响因素的级别来确定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例如，如果将各因子最适宜的指标值定为贡献函数值100100，将各因子最不适宜的指标值定为贡献函数值，将各因子最不适宜的指标值定为贡献函数值0 0，当影响因素分为当影响因素分为4 4级时，则各因素的级时，则各因素的P P值分别为值分别为P1i=100, P2i=67, P3i=33, P4i=0P1i=100, P2i=67, P3i=33, P4i=0贡献函数值贡献函数值PjiPji的确定的确定 根据各因素的权重与贡献函数值的关系式，可根据各因素的权重与贡献函数值的关系式，可以建立各
16、因素的评价指标表以建立各因素的评价指标表( (表表6 64)4)，该指标表与不，该指标表与不同土地质量的数据文件同土地质量的数据文件RiRi相结合，相结合，为土地适宜性评价为土地适宜性评价提供依据。提供依据。计算机适宜性评级计算机适宜性评级( (等级等级) )。 通过将不同土地质量数据文件通过将不同土地质量数据文件RiRi的等级，切换的等级，切换为与表为与表6-46-4相同等级对应的指标值，便可计算出基相同等级对应的指标值，便可计算出基于于栅格单元栅格单元(T)(T)的的评价分值评价分值R(T):R(T): 然后，根据使然后，根据使G(Pji)=1-|R(T)-Pji/100| G(Pji)=
17、1-|R(T)-Pji/100| 的值为最大的值为最大时的时的P P所对应的所对应的j j，即为所求的对，即为所求的对T T的适宜性等级的适宜性等级SjSj。 例如例如，当某栅格单元，当某栅格单元Q1Q1的指标值为的指标值为67.0,Q267.0,Q2为为11.411.4，Q3Q3为为2.62.6，Q4Q4为为0 0时，该栅格单元的时，该栅格单元的R(T)=0.81R(T)=0.81，然后将该值和，然后将该值和PjiPji的值依次代入式（的值依次代入式（6 63 3）进行计算，只有当取）进行计算，只有当取P2i=67P2i=67时，时，G(P2i)G(P2i)的值为最大的值为最大(0.86)(
18、0.86)，所以该栅格单元的适宜性等级，所以该栅格单元的适宜性等级为为S2(S2(次适宜）。直至研究地区全部栅格单元都获得相应次适宜）。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的适宜性等级，得到玉米作物种植用地的适宜性分级图适宜性分级图（图（图6 63 3）。）。 第三节第三节 发展预测模型发展预测模型 一、一、 一般介绍一般介绍 发展预测是运用发展预测是运用已有的存储数据已有的存储数据和和系统提供的系统提供的手段手段，对事物进行科学的数量分析，探索某一事物，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，以调在今后的可能发展趋势，并
19、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、粮食产量预测以及社会经济发展预测、资源预测、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。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，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。这来预测或控制另一个研究变量的取值。这种
20、数量预种数量预测常用的数学方法有移动平均数法、指数平滑法、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。灰色系统理论模型的应用。二、应用实例二、应用实例 以下以以下以人口和劳动力的预测人口和劳动力的预测为例，说明人口统计数为例，说明人口统计数据如何在定量预测模型中的应用。据如何在定量预测模型中的应用。 根据人口预测模根据人口预测模型：型：式中：式中：Pt Pt 第第t t年人口数年人口数; ;P0 P0 基年人口数基年人口数; ; 人口出生率人口出生率; ; 人口死亡率人口死亡率; ;
21、t t 时间时间( (年份年份) )。设根据研究地区一组人口统计数据的分析，得设根据研究地区一组人口统计数据的分析，得12.5%,12.5%,6.56.5，将基年定为，将基年定为19851985年年，并且，并且P0=612.7P0=612.7万人。设每年净迁入该研究地区的人口数为万人。设每年净迁入该研究地区的人口数为W=5W=5万人。则万人。则 于是可得到规划期的人口预测数（表于是可得到规划期的人口预测数（表6 65 5）。）。 同理，同理，根据劳动力预测方程根据劳动力预测方程: :L(t)=LR(t)*L(t-1)+LW(t)L(t)=LR(t)*L(t-1)+LW(t)式中式中: L(t)
22、: L(t)为第为第t t年劳动力状态向量，即本年从年劳动力状态向量，即本年从18-6018-60岁的劳动力岁的劳动力; ;LWLW（t t）为第）为第t t年劳动力迁移向量；年劳动力迁移向量；LR(t)LR(t)为劳动力存留系数矩阵，即为劳动力存留系数矩阵，即 式中下标式中下标18-6018-60表示劳动力的年龄表示劳动力的年龄; ;r r代表分年龄层的劳动力存留比率。代表分年龄层的劳动力存留比率。 于是，得到研究地区规划期劳动力的预测数（表于是，得到研究地区规划期劳动力的预测数（表6-66-6）。）。有了这些预测的结果，将这些结果与表示每个镇、市有了这些预测的结果，将这些结果与表示每个镇、
23、市中心点的中心点的x x、y y坐标联系起来，便得到一组点的数据，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，输入这组数据加上研究地区的边界数据，输入SYMAPSYMAP程程序，通过使用绘制等值线这个权，便输出一幅人口序，通过使用绘制等值线这个权，便输出一幅人口发展预测图发展预测图( (图图6-4)6-4) 第四节第四节 地球科学模拟模地球科学模拟模型型 地球科学模拟模型地球科学模拟模型是应用计算机、数字模拟是应用计算机、数字模拟技术及综合分析的方法来模拟许多地理过程或现技术及综合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、象，例如气候变迁
24、、沙漠化过程、土地退化过程、湖泊沼泽化、河道冲淤、沙嘴发育，以及土壤侵湖泊沼泽化、河道冲淤、沙嘴发育，以及土壤侵蚀等，蚀等，使得受几个因素的共同影响，要经过若干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年才能完成的地理过程，采用计算机模拟模型，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、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、国土整治、水土保持、工程论证工程论证等提供依据。等提供依据。 土壤侵蚀的模拟模型 步骤：步骤：首先确定土壤侵蚀的首先确定土壤侵蚀的数值分析模型数值分析模型；根据模型确定影响土壤侵蚀的根据模型确定影响土壤侵蚀的因子因子，
25、这些因子必须能够反，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；件等；然后选择格网尺寸，建立各个影响因子的然后选择格网尺寸，建立各个影响因子的栅格数据文件栅格数据文件；最后将多种信息加以最后将多种信息加以复合复合，确定研究地区土壤侵蚀量的各，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。种不同等级，为制定区域的水土保持规划提供依据。 确定土壤侵蚀的数值分析模型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
26、据大学曾根据3030余个观测站的数以万计的资料，用电子计算机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。加以分析，得出下列通用的土壤流失方程。式中：式中：A A为土壤流失量，为土壤流失量， ; ;R R为降雨侵蚀力为降雨侵蚀力; ;K K为土壤可蚀性为土壤可蚀性; ;L L为坡长为坡长; ;S S为坡度为坡度; ;C C为植被覆盖度为植被覆盖度: : P P为土壤侵蚀控制措施为土壤侵蚀控制措施。 设计土壤侵蚀数据处理流程设计土壤侵蚀数据处理流程 根据模型确定的土壤侵蚀因子，根据模型确定的土壤侵蚀因子，研究各个因子研究各个因子的计算的计算或提取所根据的数据源和方
27、法、数据组织和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编码方式，然后拟定具体的数据处理流程( (图图6-18)6-18)。 土壤侵蚀图的输出土壤侵蚀图的输出 根据计算土壤侵蚀贡献的公式，将各网格的土壤根据计算土壤侵蚀贡献的公式，将各网格的土壤侵蚀量换算为土壤侵蚀贡献量。流域内各网格土壤侵蚀量换算为土壤侵蚀贡献量。流域内各网格土壤侵蚀贡献量之和等于流域年均产沙量，并应等于流侵蚀贡献量之和等于流域年均产沙量，并应等于流域出口断面实测的年均输沙量。域出口断面实测的年均输沙量。在求取在求取流域年均产沙量流域年均产沙量前，首先要提取前，首先要提取流域边界流域边界，然后将
28、流域边界文件与土壤侵蚀量的栅格数据文然后将流域边界文件与土壤侵蚀量的栅格数据文件进行叠合，结果流域边界外的栅格值均为零，件进行叠合，结果流域边界外的栅格值均为零，流域内的栅格值被保留，这样计算流域产沙量时流域内的栅格值被保留，这样计算流域产沙量时不再受流域外数值的影响，最后将栅格的土壤侵不再受流域外数值的影响，最后将栅格的土壤侵蚀贡献量，按照拟定的分级方法，并且不同等级蚀贡献量，按照拟定的分级方法，并且不同等级的贡献量以不同色调的符号表示的贡献量以不同色调的符号表示( (图图6-19)6-19)。如果根据试验区的土地利用方式、土层厚度、土如果根据试验区的土地利用方式、土层厚度、土壤性质和降水特点，确定区域的壤性质和降水特点，确定区域的土壤流失容许量土壤流失容许量，例如设例如设T=0.8kg/(mT=0.8kg/(m2 2a)a)，则根据区域的，则根据区域的年平均土年平均土壤侵蚀量壤侵蚀量减去减去土壤侵蚀容许量土壤侵蚀容许量，结果大于零的栅，结果大于零的栅格，表示其土壤侵蚀已超过容许限度，便得到土格，表示其土壤侵蚀已超过容许限度，便得到土壤侵蚀超限区域分布图。壤侵蚀超限区域分布图。
