第六章地理信息系统的应用模型

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。
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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
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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
数值按线性关系计算和确定。
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
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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。
（一）人口预测模型
Pt Pt 1e( u ) W
式中：Pt—第t年人口数；Pt-1—第 t-1年人口数；λ —人口出生率； μ — 人口死亡率；W—净迁入人口数。
设根据研究地区一组人口统计数据的分析，得λ＝12.5%,μ＝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
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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。
预测方法：分为定性、定量、定时和概率预测。地理信息系统一
般采用定量预测。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。具体的数学方
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、灰色理论预测法等。
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二、应用实例——城市人口和劳动力预测
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
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）
2016/3/25 9
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（一）应用模型的建模步骤
于是可得到规划期的人口预测数。
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同理，根据劳动力预测方程:
L(t ) LR(t ) L(t 1) LW(t )
式中: L(t)为第t年劳动力状态向量；LW(t)为第t年劳动力迁移向量；
LR(t)为劳动力存留系数矩阵，即
等级数据文件R1。同理，可以生成供肥条件数据文件R2、供氧条件等级
数据文件R3和土壤侵蚀等级数据文件R4。
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
合肥工业大学资源与环境工程学院 Email：njuzhp@sina.com
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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 第5节 区位选择模型 第6节 交通规划模型 第7节 地球科学模拟模型
本章重点：一般的GIS应用模型及其构建过程和方法
数字化 缓冲带操作 栅格化
数字化 属性分级 栅格化
R1文件 供水分级
叠合操作
供水影响因子及属性分级
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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：
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）
⑥ 结果输出
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（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，
土地理论级别分级界限的确定方法
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。
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三、应用实例——江苏省镇江市土地定级信息系统
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ArcGIS可视化制图建模工具
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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。
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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：
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
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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
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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 ， 每个 因 子 有 一组 属 性 v1,v2,…,vm; 因此，每个因素对应一个属性集Vi:
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。
L x i f 1 i m
max {100 p( xi )}wi
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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。
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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
Leabharlann Baidu
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：
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。
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第四节 发展预测模型
一、一般介绍
概念：发展预测是指利用已有的存储数据与系统提供的手段，对
事物进行科学的数量分析，探索某一事物在今后可能的发展趋势， 并做出评价和估计，以调节、控制计划或行动。如人口预测、资源 预测、社会经济发展预测等。
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一、技术路线
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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。
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
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（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？
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
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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
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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。
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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。
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•
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
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
配模型、位置选择模型等。
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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。
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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
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
指标表，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。
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⑤ 计算机适宜性评级 按照上表将栅格各因素级别转换为指标值（贡献函数值），求出 各栅格贡献函数值总和R（T）。