空间模型与GIS建模

第八讲：空间模型与GIS建模

孔云峰

河南大学环境与规划学院

2006年4月

内容

•事么是空间模型

•空间模型的应用

•GIS建模方法

一、什么是空间模型

空间模型（spatial model）

•空间模型是用“方法+数据”的方式，对地理格局或过程的抽象和简化；

•空间模型：

–数学模型；

–基于数理逻辑的决策模型，如层次分析模型；

–基于Agent的模型，如元胞自动机；

–智能仿生模型：如神经元网络、遗传算法。

•空间模型的作用：

–表达/描述某种复杂的地理现象（知识交流）；

–模拟某种地理运动的过程（场景分析）；

–揭示某种地理想象的机理（科学研究）；

–预测某种地理现象的发展（预测应用）。

理解空间模型

•空间现象：自然现象、人文现象

•空间数据：位置、时间、属性、尺度•空间模型：对于空间格局、过程的抽象描述

•空间知识：空间认知、空间理论、空间规划

理解空间模型

•空间模型的种类相当多元化；

•空间模型是对地理格局或过程的描述；•空间模型与空间位置密切相关，位置改变了，模型运算的结论也随之改变；

•空间模型的本质：地理空间看起来像什么、他是如何运动的？

•空间模型是现实世界的高度简化，空间模型的不确定性与空间、时间的详细程度相关。

模型举例

•基于数学公式/数理逻辑的模型；

–大量自然过程模型，如气候、水文、水土流失等–大量人文过程模型，如扩散现象、移民、FDI等–AHP/MCDM评估与决策模型

•基于Agent的模型

–城市交通行为：汽车

–公共场所人群疏散：个人

–SARS传播：个人

–细胞自动机（CA）：地理单元

•仿生模型

–神经元网络

–遗传算法

二、空间模型的应用

GIS空间模型的应用领域•应用领域

–自然地理学

–人文地理学

–社会科学

–商业

–政府管理

•应用目的

–揭示地理“格局、过程、机理”

–空间决策：资源分配、最佳位置、最佳线路

多指标评价（AHP）模型

•美国运筹学家T. L. Saaty于20世纪70年代提出的AHP 决策分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP方法），是一种定性与定量相结合的决策分析方法。•它常常被运用于多目标、多准则、多要素、多层次的非结构化的复杂决策问题，特别是战略决策问题的研究，具有十分广泛的实用性。

•AHP决策分析法，是一种将决策者对复杂问题的决策思维过程模型化、数量化的过程。通过这种方法，可以将复杂问题分解为若干层次和若干因素，在各因素之间进行简单的比较和计算，就可以得出不同方案重要性程度的权重，从而为决策方案的选择提供依据。•AHP决策分析法，是解决复杂的非结构化的地理决策问题的重要方法，是计量地理学的主要方法之一。

多准则评价 模型 (MCDM)
多准则评价模型 选择因子 因子分类 因子打分（隶属函数） 权重确定（比较矩阵） 因子影响累积 工业可持续发展评估 • 道路交通 • 人力资源 • 地形坡度

投资环境评估 多指标综合评价模型 层次分析法(AHP)

空间相关分析与回归分析
相关分析是揭示地理要素之间相互关系的密切程 度。而地理要素之间相互关系密切程度的测定，主 要是通过对相关系数的计算与检验来完成的。 – 两要素之间相关程度的测定 – 多要素间相关程度的测定 简单回归模型：两个地理要素x和y的回归模型 – yi=a+bxi x为自变量，y为因变量 – 通过最小二乘法估算参数ab 多个地理要素、非线性回归模型比较复杂

“浮游植物的数量分布”与“养分”的相关关系分析
• 数据相关分析表明：浮游植物数量与无机氮和无机磷的相关性均不显 著，但与活性硅酸盐呈显著相关，在枯水期两者之间呈显著正相关,而 在丰水期则刚好相反。（为什么？） 依据此结论，建立两者之间的回归模型，预测浮游植物的空间分布， 服务于环境保护。
•
考洲洋养殖水域浮游植物的数量分布（枯水期、丰水期）

空间回归分析
• 融雪速度与地面 温度和空气温度 密切相关 • 建立回归模型： M=aT+bD • 计算回归模型参 数a、b

基于Agent的空间模型
• 宏观现象是由大量的微观活动构成的； • 研究微观活动者（个人、地块）在特定地 理环境中的行为特征； • 计算机模拟大量微观活动者的集体行为。 • 人群疏散、城市交通、城市土地扩张、散 伙蔓延、 SARS传播…

基于CA模型的开封市土地利用演化模 拟：2002、2010a、2010b
（河南大学 GIS专业研究生 管相荣，2005）

山火模拟

SARS 传播与控制的模拟与分析（龚建华，2005）
基于虚拟地理环境的SARS 传播与控制模拟研究。基于虚拟地理环境理论与方法以 及居民社会活动行为时空模型，建立地理空间数据库、智能体对象库、知识库 等，开展基于智能体技术的虚拟地理环境原型系统研究，并在虚拟社区以及虚拟 医院内分别开展模拟试验、以及进行SARS控制措施效果的评价，以服务于SARS控 制的科学决策支持。

医院内的SARS时空传播模拟（龚建华，2005）

人群疏散

大型场所人群疏散
足球比赛、演唱会、民间灯会、烟花晚会、集市、庙会… 如何疏导人流？ 紧急情况如何进行应急指挥？
解决方案：1）场所设施与地理环境分析；2）个人疏散行为分 析；3）各种情形的人群疏散模拟；4）指挥方案确定。