第六章地理信息系统的应用模型

运动方程 运输方程
经验
启发式或统 水土流失 统计、回归 计关系
GIS应用模型的分类
▪ 按照研究对象的瞬时状态和发展过程，可 将模型分为：
▪
静态

▪
半静态
▪
动态
▪ 目前，GIS技术的应用，已经从数据存储管 理和查询检索，演进到以时空分析为主体， 正在向着支持区域系统空间结构演化的预 测、动态模拟及其空间格局的优化的发展 新阶段。
GIS应用模型的作用
▪ 用一定程度的简化和抽象，通过逻辑的演 绎，去把握地理系统各要素之间的相互关 系、本质特征及可视化显示。
GIS应用模型的分类
▪ GIS应用模型根据所表达的空间对象的不同，可 将模型分为三类(表6-1)：
模型分类 理论依据 应用领域
模型
理论 混合
物理或化学 原理
半经验性
地表径流 资源分配
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）。
第七章 地理信息系统的 设计与评价
▪ 1 GIS设计概述 ▪ 2 地理信息系统的设计 ▪ 3 地理信息的标准化 ▪ 4 地理信息系统的评价
1 GIS设计概述 1.1 系统设计的目的
▪ 地理信息系统，按其功能和内容，可以分为工具 型地理信息系统和应用型地理信息系统。这里的 系统设计是指应用型地理信息系统的设计，所谓 应用型地理信息系统，是指在工具型或基础型地 理信息系统的基础上，经过二次开发，建成满足 专门用户解决一类或多类实际问题的地理信息系 统。
▪ 该模式采用了管理信息系统和软件工程的 一些设计理论，包括:
(1)目的与任务。
▪ 每个系统都要对目的和任务作详细的说明，指出 该系统的目的，谁是主要的用户，以及如何使用 该系统。关于任务，要说明所要完成的工作，以 及总体评价所采用的方法，目的和任务的说明要 非常详细，以便用户进行评论和评价，而且这种 说明代表着用户和系统设计人员对话的开始，并 且在系统设计的过程中还要继续进行这种对话。
(2)概念的定义。
▪ 介绍系统的各个主要组成部分，分别按照 输入、输出、主要过程和数据库来说明系 统的基本结构，包括主要模块、系统开发 的主要资源、主要的限制条件等。
(3)功能的要求
▪ 具体说明该系统要做什么，对每一种功能 要求都要说明，包括功能的技术特征、功 能的目的、具体的标准和满足的条件等等。
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。
▪ ④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=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。
▪ ⑤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
第六章 地理信息系统的 应用模型
▪ 第一节 GIS应用模型概述 ▪ 第二节 适宜性分析模型
1.1 GIS应用模型的分类
▪ 地理信息系统的应用模型，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，不但是解决实际复杂问 题的必要途径，而且也是GlS取得经济和社 会效益的重要保证。
▪ 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。
▪ 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：
然后，根据使
1.2 系统设计的模式
▪ 结构化的系统设计模式； ▪ 软件工程理论的应用。
结构化的系统设计模式的构成
▪ ①通过访问用户，调查用户的需求和数据源，确 定系统的目的、要求和规定;
▪ ②描述和评价与系统设计过程有关的资源和限定 因素，例如现有的硬件、软件和有关的政治、法 律因素等;
▪ ③说明和评价所拟定的不同系统，这些系统能够 满足所规定的要求;
▪ 由于生命周期法严格分阶段进行，便于开发工作 的组织管理，但是也存在许多缺陷，例如系统开 发过程比较长，新系统实际效果的可见性差，来 自最终用户的反馈比较迟，不容易把握用户需求 的变化等。
▪ （3）评价过程。
①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 松，其根系生长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
▪ ④对拟定的系统作最后的评价，从中选择一个运 行的系统。
结构化的系统设计模式的主要特点
▪ 是强调对用户的调查和系统功能需求的分 析。在系统设计的各个阶段都要写成有关 的文件，以便进行评价，以及用户要参与 系统的设计，以免系统设计的失误。
修改后的地理信息系统设计模式的设 计思想
▪ 是强调对现有的各个组成部分，包括硬件、 软件和数据库，进行深入、认真的评价， 以研究其满足系统功能的程度，保证所设 计系统的实用可靠，及有效地处理数据和 使用周期长等要求。
G(Pji)=1-|R(T)-Pji/100|
(6-3)
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。
2.2 应用实例
▪ 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。
▪ 选择评价对象； ▪ 确定评价方法； ▪ 评价过程和操作； ▪ 输出评价结果。
▪ (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。
▪ 要求做到对用户需求的充分了解和定义， 严格有序的开发过程和组织管理，强调开 发人员与用户之间的交流和协作，重视系 统建设文档的完整和规范，以及加强系统 开发综合的质量保证措施和计划等，最终 实现以较少的人员、时间和投资，开发出 尽可能符合用户要求的、高质量的应用系 统的目的。
1.3系统设计的流程
▪ STPS的主要目的是通过应用GlS的数据库技术， 实现由传统的事务处理向计算机处理的转换，例 如在房产、地籍等部门有着广泛的应用。
▪ SMIS的主要目的是实现空间信息管理的高效率、 模型开发和空间数据的动态更新，其功能不但表 现为数据的查询和统计，还具有专业模型的分析 应用等功能，它在城市规划、土地利用、道路交 通管理、管网规划管理等领域具有广泛的应用。
▪ 目的导向分析，是将要解决的问题与专业知识相结合， 从问题开始，一步步地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。
▪ 数据导向操作，是将已经形成的模型逻辑结构与GlS 技术相结合，从各类数据开始，一步步地将数据转换 为问题的答案，必要时还需要进行反馈和修改，直到 取得满意的结果，最后以图形或图表的形式输出最终 结果。
▪ 因此，应用型地理信息系统的主要特点是，它具 有特定的用户和应用目的，具有为满足用户专门 需求而开发的地理空间实体数据库和应用模型， 它继承工具型地理信息系统开发平台提供的大部 分功能和软件，以及具有专门开发的用户应用界 面等。
▪ 应用型地理信息系统，根据其应用层次的高低， 又可分为空间事务处理系统(STPS)、空间管理信 息系统(SMIS引和空间决策支持系统(SDSS)。
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):
▪ 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，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
▪ 生命周期设计法 ▪ 原型化设计法
▪ 应用型地理信息系统的设计，大致可以分为四个 主要阶段，即系统分析、系统设计、系统实施、 系统运行与维护。这四个阶段构成了系统的生命 周期，如果系统设计按阶段进行，预先规定每一 阶段的开发目标和任务，然后按照一定的准则顺 序开发实施，这种方法被称为生命周期设计法。
▪ 功能的要求一般分为以下三类: ▪ ①该系统必须具有的功能; ▪ ②如果时间和资源条件允许，希望具有的
功能; ▪ ③其他有意义的功能。
▪ 实际上只有第一类功能才是系统的真正要 求。每一种功能要具体规定:①输入(来源、 数据、频率)；②输出(格式、数据量、用 户)；③功能需要的处理步骤；④功能成功 地实现所需要的条件；⑤功能生成的数据。
GIS应用模型的构建
▪ 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。
第二节 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。
▪ SDSS主要用以解决半结构化和非结构化的 决策问题，除了需要利用地理信息系统的 数据库和空间分析技术，模型库及其管理 系统是决策支持系统的核心，它在宏观决 策、行业发展规划等领域具有广泛的应用 需求。
应用型地理信息系统设计的目的
▪ 是为了建立业务化的运行系统，以实现 业务操作的手工模式向信息化模式的根 本转变，实现管理和决策的高效率和科 学化。
▪ 科学预测、动态模拟和辅助决策是GIS应用 的高层次阶段，构建区域空间动力学应用 模型将是区域可持续发展研究和GIS应用向 纵深发展的交汇点。
l.2 GIS应用模型的构建
▪ GIS求解问题的过程
▪ 实际包括目的导向(goal-driven)分析和数据导 向(data-driven)操作两个过程。
▪ 测试根据所说明的功能要求和规定的标准进行， 测试应考虑以下各种条件:
▪ ①系统的正常操作条件; ▪ ②重点测试，包括最坏情况和极端操作条件; ▪ ③逻辑测试，指检查各种可能的逻辑条件; ▪ ④线路测试。
▪ 地理信息系统开发的这种模式是软件工程中 的结构化思想在应用型GIS开发中的应用。
▪ 它针对系统开发中存在的用户需求不明、开 发过程无序、开发人员之间缺少有效交流等 几个主要问题，通过一系列规范性的支持技 术和方法，力图将系统开发这种只存在于开 发人员头脑中的抽象思维活动，转化为一组 明确的、可控制的和可以检查的具体任务
▪ 除了规定要完成的功能外，还要说明该系 统期望的性能和特征，质量控制措施，以 及该系统与其他部分的接口等。
▪ 显然，在系统开发的过程中，要求可能发 生变化，因此要制定专门的计划进行处理。
(4)性能测定
▪ 在系统设计过程中，要对各个组成部分分别进行 测试，对综合以后的整个系统要进行最后的测试。
▪ 具体测试的内容包括:硬件、软件模块、数据库 的质量控制等。
2.1一般形式
▪ 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v1,v2, …,vm; 因此，每个因 素对应一个属性集Vi:
▪
▪ 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:
子如图6-1所示:
▪ 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 们对供水或保水有效性的属性集如表6-2所 示:
▪ 根据表6-2和相应的空间数据，通过如图62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。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