(GIS)第六章 地理信息系统的应用模型

数据库建立 数据输入/格式化
问题数据子集 提取/综合 问题求解 统计计算/模型分 析/空间分析 问题答案 验证/解释/表达
用GIS求解问题的基本流程（陈述彭）
2015-5-19 9
（一）应用模型的建模步骤
① 明确分析的目的和评价准则
② 准备分析数据 ③ 空间分析操作 ④ 结果分析 ⑤ 解释、评价结果（如有必要，返回第①步）
一、技术路线
二、土地定级估价模型
土地定级空间单元的生成方法
采用基于栅格的评价单元，大小一般可选实地距离为10m×10m。
土地定级空间单元分值的产生方法
土地定级的影响因素和因子很多，除部分因子可以根据外业调查资
料的区域划分直接赋值外，大部分因子需要利用GIS空间分析方法。
土地理论级别分级界限的确定方法
二、作用和特点
GIS应用模型是联系GIS应用系统与常规专业研究的纽带
GIS应用模型是综合利用GIS应用系统中大量数据的工具 GIS应用模型是GIS应用系统解决各种实际问题的武器 GIS应用模型是GIS应用系统向更高技术水平发展的基础
三、GIS应用模型的分类
根据所表达的空间对象的不同，可分为： ① 数学模型：基于理化原理的理论模型，是应用数学方法建立的数
损失分布图。
地块多边形图
地块属性表
地形等高线及其组成的多边形
地形高程表
地基稳定性损失表
地块和地形叠合后的多边形
洪水淹没损失估计
损失估计表
分析结论表
（二）应用模型建模的途径
利用 GIS 系统内部的建模工具： 利 用 GIS 软 件 的 宏 语 言
（VBA等）、应用函数库（API）或功能组件（COM）等开发所 需的空间分析模型。这种建模方法充分利用 GIS软件本身的资源，
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:
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， 将各因子最不适宜的指标值定为贡献函数值 0，在这之间，指标值与函
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
（3）进行空间分析操作
① 将地块多边形和高程多边形叠合，产生地块—高程多 边形图和对应的属性表； ② 在地块—高程属性表中选择高程≤500，土地使用性为 住宅（R1、R2）的记录和地基—损失系统对照表连
接，获得新的地块—高程属性表。估计损失=面积×
地均财产×损失系数； ③ 从表可知，当洪水淹没了500米以下的地区时，每个 地块财产的大致损失状况； ④ 对地块— 高程图按对应属性进行分类，得到洪水淹没
首先依次计算1~100间各分值的栅格个数和频率数，形成定级总分值
频率直方图；然后依据其曲线变化趋势，选用等差、等比、标准差、样
本分级、有序聚类分级等方法，由计算机自动分级，最后输出土地级别 图。
三、应用实例——江苏省镇江市土地定级信息系统
第三节 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、
道路选址、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，然后评价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。
一、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 x1,x2,…,xl，每个因子有一组 属性v1,v2,…,vn; 因此，每个因素对应一个属性集Vi:
⑥ 结果输出
Eg1：道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算 （1）明确分析的目的和标准 • 分析目的：计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑物的房产价值 • 道路拓宽改建的标准： ①道路从原有的20m拓宽至60m；
②拓宽道路应尽量保持直线；
③部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除。
（2）准备分析数据
本例需要涉及两类信息 : 一类是道路现状图；另一类 为分析区域内建筑物分布图及相关信息。 （3）进行空间分析操作 ①选择拟拓宽的道路，根据拓宽半径，建立道路的缓 冲 区，形成缓冲区多边形图层。 ②将此缓冲区多边形图层与建筑物分布图层进行拓扑
数据导向操作——以数据为导向的的实际操作过程：
将已形成的模型逻辑结构与 GIS技术相结合，从各类数据开始， 一步步将数据转换成问题答案，必要时还需要进行反馈和修改，直到
取得满意的结果，最后以图形或图表形式输出最终结果。
规划定义过程
需要解决的问题
应用操作过程
多元数据收集
问题的定义 分析/联合
问题的实质 证据/数据/假设 问题的概念 概念/要素/方法 解决问题的数据 数据源/数据集
公园选址模 型：人口密 度，现有公 园位置
ArcGIS可视化制图建模工具
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二节
土地定级估价模型
根据城镇土地的经济和自然属性及其在社会经济活动中
的地位和作用，对其使用价值进行综合分析，揭示土地质量 的地域差异，评定城镇土地级别，以及以土地级别为基础， 选择适宜的样点资料和估价方法，分别测算商业、住宅和工 业用地基准地价，为合理利用城镇土地提供依据。
数字化 缓冲带操作 栅格化
数字化 属性分级 栅格化
Q1文件 供水分级
叠合操作
供水影响因子及属性分级
④ 计算各因素的权重和贡献函数值。
• 权重Wi的计算方法为： 首先将各影响因素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+1,i用倍数表示，并令V1,0 ＝1， 其结果如下表所示。最后按下列公式计算各因素的权重：
配模型、位臵选择模型等。

按研究对象的时间状态和发展过程，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。

根据模型的空间特性，可分为:
① 非空间模型：主要是对系统中的各种属性数据进行运算。常用
本章重点：一般的GIS应用模型及其构建过程和方法
第一节 GIS应用模型概述
一、概念
GIS的应用模型，就是根据具体的应用目标和问题，借 助于 GIS自身的技术优势，使观念世界中形成的概念模型， 具体化为信息世界中可操作的机理和过程。这种模型的构 建，不仅是解决实际复杂问题的必要途径，而且也是 GIS 取得经济和社会效益的重要保证。
的方法有投入产出、计量经济、经济控制论及系统动力学等 ② 空间模型：需要同时对系统中的图形和属性两类数据进行运算，
一般要比非空间模型复杂些
二、GIS应用模型的构建
目的导向分析——以目标为导向的规划定义过程：
将要解决的问题与专业知识相结合，从问题开始，一步步推导出 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。
等级数据文件Q1。同理，可以生成供肥条件数据文件Q2、供氧条件等级
数据文件Q3和土壤侵蚀等级数据文件Q4。
供水级别 1 2 3 4 距水源 /m <100 100-200 200-500 >500 土层厚度 /cm >50 50-20 20-10 <10 GIS生成供水供水因素数据的操作过程 水系图 土壤图
Eg2：洪水淹没损失分析
（1）明确分析的目的和标准
• 分析目的：估计住宅用地被洪水淹没而造成的损失；
• 分析标准：
① 洪水水位的相对高程为500米； ② 损失的大小和居民的财产、地基的稳定性有关。
（2）准备分析数据
① 数字化的地块多边形地图。每个地块均有土地使用、可
遭损失的财产状况（简称估计财产）、不同地基类型等 属性。地块多边形属性表中有地均财产这一项，地均财 产=估计财产/地块面积。对每一类地基，可估计其稳定 性，并估计房屋倒坍的可能性，称损失系数。 ② 数字化的等高线地形图
m
w i ui
u
i 1
i
式中， U1 = V1,0 ,
U2 = V2,1×V1,0 , …，Ui = Vi,i-1×Vi-1,i-2 … × V1,0 所以和土地质量影响因素Qi对应的权重分别为w1=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
模型建造和开发的效率比较高；
利用GIS系统外部的建模工具：如利用Matlab和IDL等； 独立开发实现一个GIS应用软件系统
（三）应用模型建模的方法——制图建模
通过作用于原始数据和派生数据的一组顺序的、交互的空间分析操作 命令，对一个空间分析过程进行的实现模拟。 制图建模的结果是一个应用模型，它是对空间分析过程及其数据的一 种图形或符号表示，目的是帮助分析人员组织和规划所要完成的分析 过程，并逐步指定完成这一分析过程所需的数据。制图建模也可用于 研究说明文档，作为分析研究的参考和素材。 制图建模的实现方法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，反向一步步分析为得到最终结果，需要采用哪些空间分 析方法？哪些数据是必需的？并确定每一步要输入的数据及这些数据 是如何派生的？
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； 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，是通
过理化统计方法和观测实验建立的模型，如水土流失模型、适宜
性分析等； ③ 混合模型：基于原理和经验的混合模型，它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
评价对象的影响因素和因子体系
供水Q1
供肥Q2
供氧Q3
土壤侵蚀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
③ 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，它们对供水和保
水有效性的属性集如下方左表所示。根据左表和相应的空间数据，通过 下方右图所示的 GIS操作过程，可以有效生成基于栅格单元的供水条件
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：
1 m R(T ) wi Pji , j 1,2,...,n 100 i 1
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：
合肥工业大学资源与环境工程学院 Email：njuzhp@sina.com
QQ:526091899
主要内容
第1节 GIS应用模型概述 第2节 土地定级估价模型 第3节 适宜性分析模型 第4节 发展预测模型（自学） 第5节 区位选择模型（自学） 第6节 交通规划模型（自学） 第7节 地球科学模拟模型（自学）
L x i f 1 i m
max {100 p( xi )}wi
二、应用实例——某地区的玉米种植用地评价
评价对象
通过评价将研究区分出不同的适宜等级：S1（最适宜）、S2（次适 宜）、S3（临界适宜）和N(（不适宜）。
评价方法
采用基于GIS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）相比照，从而评定土地的适宜性等级。
叠加，产生一幅新图，此图包括所有部分或全部位于拓
宽区内的建筑物信息。
（4）进行结果分析
首先对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择，
然后将部分落入拆迁区且楼层高于 10 层以上的建筑物从 选择组中去掉，并对道路的拓宽边界进行局部调整。最 后对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。 （5）将分析结果以地图和表格的形式打印输出
评价过程
① 评价对象生态条件调查。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 疏松，其根系伸展要求防止土壤侵蚀等。
② 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 素和因子如图所示：