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1、第六章第六章 地理信息系统地理信息系统的应用模型的应用模型第一节第一节 GlSGlS应用模型概述应用模型概述 一、一、GISGIS应用模型的分类应用模型的分类 1.1.根据所表达的空间对象分为：根据所表达的空间对象分为：理论模型，又称为数学模型：是应用数学分析方法建理论模型，又称为数学模型：是应用数学分析方法建立的数学表达式，反映地理过程本质的理化规律，立的数学表达式，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等如地表径流模型、海洋和大气环流模型等;经验模型：基于变量之间的统计关系或启发式关系的经验模型：基于变量之间的统计关系或启发式关系的模型，是通过数理统计方法和大量观测
2、实验建立的模型，是通过数理统计方法和大量观测实验建立的模型，如水土流失模型、适宜性分析模型等模型，如水土流失模型、适宜性分析模型等;混合模型：模型中既有基于理论原理的确定性变量，混合模型：模型中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。配模型、位置选择模型等。按照研究对象的瞬时状态和发展过程，按照研究对象的瞬时状态和发展过程，可将模型分为静态、半静态和动态三类。可将模型分为静态、半静态和动态三类。静态模型用于分析地理现象及要素相互静态模型用于分析地理现象及要素相互作用的格局作用的格局;半静态模型
3、用于评价应用目半静态模型用于评价应用目标的变化影响；动态模型用于预测研究标的变化影响；动态模型用于预测研究目标的时空动态演变及趋势。目标的时空动态演变及趋势。二、二、GISGIS应用模型的构建应用模型的构建1.GIS1.GIS环境内的模型建造。指应用者利用环境内的模型建造。指应用者利用GISGIS软软件的宏语言件的宏语言(如如ARC/INFOARC/INFO的的AMLAML和和System9System9的的ATPATP等等)发展各自所需的空间分析模型。这种模型发展各自所需的空间分析模型。这种模型法是将由法是将由GISGIS软件支持的功能看作模型部件，软件支持的功能看作模型部件，按照分析目的和
4、标准，对部件进行有机的组合。按照分析目的和标准，对部件进行有机的组合。因此，这种构模法能充分地利用因此，这种构模法能充分地利用GISGIS软件本身软件本身所具有的资源，模型建造和开发的效率比较高。所具有的资源，模型建造和开发的效率比较高。2.GlS2.GlS外部的模型建造。这种方法是基于应用外部的模型建造。这种方法是基于应用GISGIS的空间数据库和输出功能，而模型分析功的空间数据库和输出功能，而模型分析功能则主要是利用其他应用领域的软件。这种构能则主要是利用其他应用领域的软件。这种构模法虽然运行效率受到很大影响，但实现了软模法虽然运行效率受到很大影响，但实现了软件的嫁接，无需在件的嫁接，无需
5、在GISGIS环境中重编分析软件，环境中重编分析软件，并具有广泛的适用性。并具有广泛的适用性。3.3.混合型的模型建造。这是上述两种建模法的结混合型的模型建造。这是上述两种建模法的结合，即尽可能利用合，即尽可能利用GlSGlS提供的功能，最大限度提供的功能，最大限度地减少用户自行开发的压力，又不失具有外部地减少用户自行开发的压力，又不失具有外部建模法的灵活效果，例如自然语言命令或地图建模法的灵活效果，例如自然语言命令或地图代数法，就属于这类方法。代数法，就属于这类方法。这类方法常用的自然语言命令，例如这类方法常用的自然语言命令，例如:Avarage Exposure Times 2 Plus
6、Steepness Times 3 For Cost Analysis(益本分析益本分析);Subtract V Minus U For Change Analysis(动态动态分析分析);Renumber Landuse For Water Assigning 0 To 13,56,And 1 To 4(聚合分析聚合分析);Add Overlay l To Overlay 2 For Overlay3(叠加叠加分析分析);Spred Roads To X Meters(缓冲区分析缓冲区分析)。第二节第二节 适宜性分析模型适宜性分析模型 适宜性分析是指土地针对某种特定开发活适宜性分析是指土地针
7、对某种特定开发活动的分析，这些开发活动包括农业应用、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、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。选择重新造林的最适宜的土地等。首先确定具体的开发活动，其次选择其影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。地利用规划决策的依据。一、一般形式一、一般形式 设有某项评价目标或开发活动设有某项评价目标或开发活动T,T,该该T T对应一组影响对应一组影响因素因素
8、X1,X2,X1,X2,XmXm；每个因素对应一组参评因子每个因素对应一组参评因子 每个每个因子有一组属性因子有一组属性v1,v2,v1,v2,vmvm;因此，每个因素对应因此，每个因素对应一个属性集一个属性集Vi:Vi:显然，每个因素的属性集都是一个对指定的显然，每个因素的属性集都是一个对指定的T T从优从优到劣的全序集，且满足：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各个参评因子及其属性值的取得由数据库提取或由GISGIS空间分析软件生成，各个因素按其属性集的优劣，可空间分析软件生成，各个因素按其属性集的优劣，可用下列矩阵表示用下列矩阵表示:式中式中:P:P为为X
9、iXi对对T T的贡献函数值的贡献函数值;W W为为XiXi对对T T的权重值。的权重值。P P值的确定方法为值的确定方法为:将各因子最适宜的指标值将各因子最适宜的指标值定为贡献函数值定为贡献函数值l00l00，将各因子最不适宜的指标值，将各因子最不适宜的指标值定为贡献函数值定为贡献函数值0 0，在这之间，指标值与函数值按，在这之间，指标值与函数值按线性关系计算和确定。线性关系计算和确定。有了上述矩阵数据和有了上述矩阵数据和GlSGlS功能的支持，可以求功能的支持，可以求取基于栅格单元的评价分值：取基于栅格单元的评价分值：然后，根据使然后，根据使G(PjiG(Pji)=1-|R(T)-Pji/
10、100|(6-3)=1-|R(T)-Pji/100|(6-3)的值为最大时的的值为最大时的P P所对应的所对应的j,j,即为所求的即为所求的某个某个T T的适宜级的适宜级SjSj。显然，当适宜级为。显然，当适宜级为S2S2或或S3S3时，必须同时确定其限制性因子。时，必须同时确定其限制性因子。限制性因子的计算公式为限制性因子的计算公式为 二、二、应用实例应用实例 基于基于GISGIS的土地评价方法和过程。的土地评价方法和过程。(1)(1)评价对象，玉米种植用地的土地适宜性评价，通评价对象，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过评价将研究区分出不同的适宜性等级:S1
11、(:S1(最适宜最适宜)、S2(S2(次适宜次适宜)、S3(S3(临界适宜临界适宜)和和N(N(不适宜不适宜)。(2)(2)评价方法。采用基于评价方法。采用基于GlSGlS的土地质量评价法，即的土地质量评价法，即将玉米作物生长有关主导生态条件与土地质量将玉米作物生长有关主导生态条件与土地质量(供水、供水、供肥等供肥等)相比照，从而评定土地的适宜性等级。相比照，从而评定土地的适宜性等级。3 3）评价过程。如下。）评价过程。如下。评价对象生态条件的调查。评价对象玉米属于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禾本科，为一年生草本，其主导生态条件例如:性喜性喜
12、高温，需水量大，要求土壤肥沃和土层疏松，其根高温，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。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过季节调节外，其他影响因素和因子如图6-16-1所示所示:利用利用GISGIS生成影响因素数据。例如供水有效性，其影响生成影响因素数据。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因子为水源和土层厚度，它们对供水或保
13、水有效性的属性集如表属性集如表6-26-2所示所示:根据表根据表6-26-2和相应的空间数据，通过如图和相应的空间数据，通过如图6-26-2所示的所示的GISGIS操作过程，可以有效生成基于栅格操作过程，可以有效生成基于栅格单元的供水条件等级数据文件单元的供水条件等级数据文件R1R1。同理，可。同理，可以生成供肥条件等级数据文件以生成供肥条件等级数据文件R2R2、供氧条件、供氧条件等级数据文件等级数据文件R3R3和土壤侵蚀等级数据文件和土壤侵蚀等级数据文件R4R4。这些数据文件是土地适宜性评价的重要基础，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而它们的可靠
14、性又取决于各个参评因子及其属性集的确定。属性集的确定。计算各因素的权重和贡献函数值。由于每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个影响因素或土地质量Qi(iQi(i=1,2,3,4)=1,2,3,4)对评价对评价对象的贡献大小和适宜程度不同，因此不同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因素有不同的权重WiWi，不同级别的因素对评，不同级别的因素对评价对象的贡献函数值价对象的贡献函数值PjiPji也不相同。也不相同。权重权重WiWi的计算方法的计算方法 首先，将土地质量按其对评价对象重要性的首先，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，
15、确定不同，进行由小到大的排队；其次，确定Qi+1Qi+1对对QiQi的重要性程度的重要性程度Vi+1,iVi+1,i，用倍数表，用倍数表示，并令示，并令V1,0=1V1,0=1，其结果如表，其结果如表6-36-3所示所示;最最后，按照下列公式计算各土地质量的权重后，按照下列公式计算各土地质量的权重:式中，式中，U1=V1,0,U2=V2,1V1,0,U1=V1,0,U2=V2,1V1,0,UiUi=Vi,i-1Vi-1,i-=Vi,i-1Vi-1,i-2V1,02V1,0，所以，和土地质量，所以，和土地质量Qi(iQi(i=1,2,3,4)=1,2,3,4)对应的权重分别对应的权重分别为为W1
16、=0.67W1=0.67，W2=0.17W2=0.17，W3=0.08W3=0.08，W4=0.08W4=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各因子最适宜的指标值定为贡献函数值100100，将各因子最不适宜，将各因子最不适宜的指标值定为贡献函数值的指标值定为贡献函数值0 0，当影响因素分为，当影响因素分为4 4级时，则各因素的级时，则各因素的P P值分别为值分别为P1i=100,P2i=67,P3i=33,P4i=0P1i=100,P2i=67,P3i=33,P4i=0根据各因素的权
17、重与贡献函数值的关系式，可以建立各因素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的评价指标表(表表6 64)4)，该指标表与不同土地质量的数据文件，该指标表与不同土地质量的数据文件RiRi相结合，为土地适宜性评价提供依据。相结合，为土地适宜性评价提供依据。计算机适宜性评级。通过将不同土地质量计算机适宜性评级。通过将不同土地质量数据文件数据文件RiRi的等级，切换为与表的等级，切换为与表6-46-4相同等相同等级对应的指标值，便可计算出基于栅格单级对应的指标值，便可计算出基于栅格单元的评价分值元的评价分值R(T):R(T):然后，根据使然后，根据使 G(PjiG(Pji)=
18、1-|R(T)-Pji/100|)=1-|R(T)-Pji/100|的值为最大时的的值为最大时的P P所对应的所对应的j j，即为所求的对，即为所求的对T T的的适宜性等级适宜性等级SjSj。例如，当某栅格单元。例如，当某栅格单元Q1Q1的指标值的指标值为为67.0,Q267.0,Q2为为11.411.4，Q3Q3为为2.62.6，Q4Q4为为0 0时，该栅格时，该栅格单元的单元的R(T)=81.0R(T)=81.0，然后将该值和，然后将该值和PjiPji的值依次代的值依次代入式（入式（6 63 3）进行计算，只有当取）进行计算，只有当取P2i=67P2i=67时，时，G(P2i)G(P2i)
19、的值为最大的值为最大(0.86)(0.86)，所以该栅格单元的适，所以该栅格单元的适宜性等级为宜性等级为S2(S2(次适宜）。直至研究地区全部栅次适宜）。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（图种植用地的适宜性分级图（图6 63 3）。）。第三节第三节 发展预测模型发展预测模型 一、一、一般介绍一般介绍 发展预测是运用已有的存储数据和系统提供的手发展预测是运用已有的存储数据和系统提供的手段，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
20、估计，以调节、控后的可能发展趋势，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。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
21、预测常用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。论模型的应用。二、应用实例二、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。在定量预测模型中的应用。根据人口预测模型：根据人口预测模型：式中：式中：Pt Pt 第第t t年人口数年人口数;P0 P0 基年人口数基年人口数;人口出生率人口出生率;人口死亡率人口死
22、亡率;t t 时间时间(年份年份)。设根据研究地区一组人口统计数据的分析，得设根据研究地区一组人口统计数据的分析，得12.5%,12.5%,6.56.5，将基年定为，将基年定为19851985年，并且年，并且P0=612.7P0=612.7万人。万人。设每年净迁入该研究地区的人口数为设每年净迁入该研究地区的人口数为W=5W=5万人。则万人。则 于是可得到规划期的人口预测数（表于是可得到规划期的人口预测数（表6 65 5）。）。同理，根据劳动力预测方程同理，根据劳动力预测方程:L(tL(t)=)=LR(tLR(t)*L(t-1)+LW(t)*L(t-1)+LW(t)式中式中:L(tL(t)为第为
23、第t t年劳动力状态向量，即年劳动力状态向量，即 ;LWLW（t t）为第）为第t t年劳动力迁移向量，即年劳动力迁移向量，即 LR(tLR(t)为劳动力存留系数矩阵，即为劳动力存留系数矩阵，即 式中下标式中下标18-6018-60表示劳动力的年龄表示劳动力的年龄;r r代表分年龄层的劳动力存留比率。代表分年龄层的劳动力存留比率。于是，得到研究地区规划期劳动力的预测数（表于是，得到研究地区规划期劳动力的预测数（表6-66-6）。）。有了这些预测的结果，将这些结果与表示每个镇、市有了这些预测的结果，将这些结果与表示每个镇、市中心点的中心点的x x、y y坐标联系起来，便得到一组点的数据，坐标联系
24、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，输入这组数据加上研究地区的边界数据，输入SYMAPSYMAP程程序，通过使用绘制等值线这个权，便输出一幅人口序，通过使用绘制等值线这个权，便输出一幅人口发展预测图发展预测图(图图6-4)6-4)四、地学模拟模型四、地学模拟模型 地学模拟模型是应用计算机、数字模拟地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、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、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
25、受几个沙嘴发育，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、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、工程论证等提供依国土整治、水土保持、工程论证等提供依据。据。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，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
26、同的植被条件等，然的坡面形态，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，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，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。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渡大学曾根据3030余个观测站的数以万计的资料，用余个观测站的数以万计的资料，用电子计算机加以分析，
27、得出下列通用的土壤流失方电子计算机加以分析，得出下列通用的土壤流失方程。程。式中：式中：A A为土壤流失量，为土壤流失量，;R R为降雨侵蚀力为降雨侵蚀力;K K为土壤可蚀性为土壤可蚀性;L L为坡长为坡长;S S为坡度为坡度;C C为植被覆盖度为植被覆盖度:P P为土壤侵蚀控制措施为土壤侵蚀控制措施。设计土壤侵蚀数据处理流程设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据处理流程(图图
28、6-18)6-18)。土壤侵蚀图的输出土壤侵蚀图的输出 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
29、均为零，流域内的栅格值被保留，这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，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并且不同等级的贡献量以不同色调的符号表示(图图6-6-19)19)。如果根据试验区的土地利用方式、土层厚度、。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，土壤性质和降水特点，确定区域的土壤流失容许量，例如设例如设T=0.8kg(m2a)-1T=0.8kg(m2a)-1，则根据区域的年平均，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。侵蚀超限区域分布图。