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1、第六章 地理信息系统的应用模型,重点,1、掌握GIS应用模型的类型和构建2、了解常用的GIS应用模型的构建过程,第一节 GlS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目的导向分析和数据导向操作两个过程。,（一）应用模型构建的步骤：,明确分析的目的和评价准则；准备分析数据；空间分析操作；结果分析；解释、评价结果；结果输出。,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：目的是计算由于道路拓宽而需要拆迁的建筑物的建筑面积和房产价值。标准道路从原有的20m拓宽至60m，拓宽道路应尽量保持直线，部分位于拆迁区内10层以上的建筑不拆除。,准备用于分析的数据,现状道
2、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(如建筑面积和楼层数)。,进行空间分析操作,缓冲区分析；叠置分析。,进行统计分析,最后将分析结果以地图和表格的形式打印输出。,首先对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行按楼层属性的选择，凡落入拆迁区且楼层高于10层以上的建筑，将其从选择组中去掉，并对道路拓宽边界进行局部调整，然后对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。,（二）应用模型建模的途径：,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派生而来。可
3、视化制图建模工具如ArcView GIS的ModelBuilder,（三）应用模型建模的方法制图建模,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。,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；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。,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,vn;因此，每个因素对应一个属性集V
4、i: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。显然，当适宜级为
5、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,二、应用实例,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GIS的土地评价方法和过程:,(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的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。,（3）评价过程：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
6、松，其根系生长要求防止土壤侵蚀等。,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6-1所示:,因素,因子,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6-2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
7、性集的确定。,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。,权重Wi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，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，其结果如表6-3所示;,土壤侵蚀,供氧,供肥,供水,式中，U1=V1,0,U2=V2,1V1,0,Ui=Vi,i-1Vi-1,i-2V1,0，所以，和土地质量Qi(i=1,2,3,4)对应的权重分别为W1=0.67，W2
8、=0.17，W3=0.08，W4=0.08。,最后，按照下列公式计算各土地质量的权重:,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,贡献函数值Pji的确定,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(表64)，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。,计算机适宜性评级(等级)。通过将不同土地质量数据文件Ri的等级，切换为与表6-4相同等级对应的指标值，便可
9、计算出基于栅格单元(T)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)=0.81，然后将该值和Pji的值依次代入式（63）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63）。,第三节 发展预测模型,一、一般介绍 发展预测是运用已有的存储数据和系
10、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的可能发展趋势，并作出评价和估计，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。这种数量预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，以及灰色系统理论模型的应用。,二、应用实例,以下以人口和劳动力的预测为例，说明人口统计数据如何在定量预测模型中的应用。根据
11、人口预测模型：式中：Pt 第t年人口数;P0 基年人口数;人口出生率;人口死亡率;t 时间(年份)。,设根据研究地区一组人口统计数据的分析，得12.5%,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,于是可得到规划期的人口预测数（表65）。,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，即本年从18-60岁的劳动力;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 式中下标18-60表示劳动力的年龄;r代表分年龄层的劳动力存留比率。,于是，得到研究地区规
12、划期劳动力的预测数（表6-6）。有了这些预测的结果，将这些结果与表示每个镇、市中心点的x、y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SYMAP程序，通过使用绘制等值线这个权，便输出一幅人口发展预测图(图6-4),第四节 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、湖泊沼泽化、河道冲淤、沙嘴发育，以及土壤侵蚀等，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，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、国土整治、水土保持、工程论证等提供依据。
13、,土壤侵蚀的模拟模型,步骤：首先确定土壤侵蚀的数值分析模型；根据模型确定影响土壤侵蚀的因子，这些因子必须能够反映不同的土壤性质，不同的坡面形态，以及不同的植被条件等；然后选择格网尺寸，建立各个影响因子的栅格数据文件；最后将多种信息加以复合，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。,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，美国普渡大学曾根据30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。式中：A为土壤流失量，;R为降雨侵蚀力;K为土壤可蚀性;L为坡长;S为坡度;C为植被覆盖度:P为土壤侵蚀控制措施。,设
14、计土壤侵蚀数据处理流程,根据模型确定的土壤侵蚀因子，研究各个因子的计算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(图6-18)。,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，并应等于流域出口断面实测的年均输沙量。,在求取流域年均产沙量前，首先要提取流域边界，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，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(图6-19)。,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，确定区域的土壤流失容许量，例如设T=0.8kg/(m2a)，则根据区域的年平均土壤侵蚀量减去土壤侵蚀容许量，结果大于零的栅格，表示其土壤侵蚀已超过容许限度，便得到土壤侵蚀超限区域分布图。,
