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1、第七章第七章 地理模型库设计地理模型库设计地理模型对地理实体的特性及其变化规律的一种表示或者抽象。透过地理模型，我们可以了解地理实体的本质，便于对地理现象与地理过程进行定量分析和科学处理。地理建模的过程运用数学语言、地理知识和程序设计工具，对地理实体加以信息提取、数据转换、空间分析与制图输出等的程序化过程。第1页/共102页第七章第七章 地理模型库设计地理模型库设计地理模型的建立过程：“实践-理论-实践”的循环实践：问题定义、模型假设、演绎求解及推断过程。理论：给出数学上和地理上的分析、预报、决策或控制。实践：经过解译回到现实世界中。循环：如果检验结果正确或可行，即可用于GIS分析和操作；否则
2、就要重新进行分析、归纳与修改地理模型，直至得到满意的检验结果。第2页/共102页教学提纲第一节 地理模型第二节 地理模型的建立第三节 地理模型库第3页/共102页第一节 地理模型第4页/共102页第一节 地理模型一、地理模型概述二、地理模型的特点三、地理模型在应用型GIS设计中的作用四、地理模型的分类第5页/共102页一、地理模型概述一、地理模型概述地理模型描述地理系统各地学要素之间的相互关系和客观规律信息的语言的或数学的或其他表达形式.通常反映了地学过程及其发展趋势或结果。专题分析模型对于GIS来说，专题分析模型是根据关于目标的知识将系统数据重新组织，得出与目标有关的更为有序的新的数据集合的
3、有关规则和公式，这是应用GIS进行生产和科研的重要手段。第6页/共102页一、地理模型概述一、地理模型概述在建立地理模型时，必须遵守以下原则：相似性在允许的精度范围内，较好地反映地理实体的客观本质。抽象性在深入认识地理实体的前提下，抽象出更深层次的理性表达。简洁性既是地理实体的抽象表达，又必须是地理实体的简化，以降低求解难度。正确性必须使模型的运行结果与所模拟的地理实体的演变有较高的精确度。可控性以地理模型所表示的地理环境，要能进行控制下的运行及模拟。第7页/共102页二、地理模型的特点二、地理模型的特点地理模型的建立必须以专业知识和专门研究为基础地理模型是综合利用GIS系统中大量数据的专业化
4、模块地理模型是GIS应用系统解决各种实际问题的武器地理模型是GIS应用系统向更高技术水平发展的基础第8页/共102页三、地理模型在应用型三、地理模型在应用型GIS设计中的作用设计中的作用应用型GIS总体设计需根据具体需要采用适用的地理模型空间数据库数据内容的选择根据应用型GIS的任务目标，结合地理模型的数据要求，在数据库建设时预先规划好数据采集的范围、精度、量测方法等；同时，在数据结构设计时也应以最好地表示地理现象和易于模型实现为标准。GIS硬件环境的选择根据地理模型的输入、输出和运算方法选择经济实用的硬件支持。GIS软件功能的选择根据地理模型的管理和运行设计适用的软件功能。第9页/共102页
5、第一节 地理模型四、地理模型的分类按空间对象分类按对象状态分类1.按功能分类第10页/共102页四、地理模型的分类四、地理模型的分类|按空间对象分类按空间对象分类根据所表达的空间对象的不同分为：理论模型基于物理或化学原理的理论模型，一般应用数学分析方法来建立数学表达式，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。经验模型基于变量之间的统计关系或启发式关系的模型的统称，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。混合模型基于理论原理和经验的混合模型。这类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，如资源分配模型、
6、位址选择模型等。第11页/共102页四、地理模型的分类四、地理模型的分类|按空间对象分类按空间对象分类按空间对象分类模型分类模型分类理论依据理论依据应用领域（举例）应用领域（举例）模型示例模型示例理论模型物理或化学原理地表径流运动方程经验模型启发式或统计关系水土流失统计、回归混合模型半经验性资源分配运输方程应用模型的空间对象分类 （据陈述彭等）第12页/共102页四、地理模型的分类四、地理模型的分类|按空间对象分类按空间对象分类三种模型的优缺点理论模型优点：因果关系清楚，可以精确地反映系统内各要素之间的定量关系，对自然过程易于控制。缺点：难以包括太多的要素，简化的理想情形削弱了实用性。经验模型
7、优点：可以通过大量的实践建立，简单实用、适用性广、可以处理大量相关因素。缺点：过程不清，采用“黑箱”或“灰箱”方法建立。混合模型结合上述两种模型的特点，在地理建模中应用较为广泛。第13页/共102页四、地理模型的分类四、地理模型的分类|按对象状态分类按对象状态分类按照研究对象的瞬时状态和发展过程，地理模型的分类静态地理模型面向地理空间格局分析，用于分析地理现象及要素的空间相互作用。这是目前较为常见的地理模型，大部分GIS平台都具备较好的空间分析工具用于静态模型的应用。动态地理模型主要面向地理过程研究，用于预测研究目标的时空动态演变及趋势。如城市扩展、土地利用变化、人口迁移、疾病扩散、火灾蔓延、
8、洪水淹没等。这是应用型GIS进行地理建模应重点关注的内容。第14页/共102页四、地理模型的分类四、地理模型的分类|按功能分类按功能分类按照地理模型的功能，地理模型的分类统计分析模型预测模型决策模型模拟模型GIS空间分析模型第15页/共102页第二节 地理模型的建立第16页/共102页第二节 地理模型的建立一、地理建模的一般过程二、地理建模常用方法三、地理模型的建立四、GIS与地理模型的集成第17页/共102页第二节第二节 地理模型的建立地理模型的建立建立平台在应用型GIS建设中，一般采用在通用型GIS平台（如ArcGIS）上进行二次开发的建设模式。在这种情况下，地理模型的建设也是基于通用型G
9、IS平台所提供的空间处理与分析设计基础环境进行。第18页/共102页种类功能GIS空间数据处理 编辑处理：图形数据和属性数据的编辑，图形数据的拼接和分割等；变换处理：投影变换、坐标变换、比例尺变换、几何校正等；编码和压缩处理：数据编码、多余节点去除以及栅格数据压缩等；数据的插值：点的内插、区域的内插等；数据类型转换：矢量与栅格数据转换、系统间数据格式的转换等。GIS空间分析设计 查询分析：如拓扑查询、条件查询等；几何分析：如面积周长距离量算、开窗分析、多边形合并等；地形分析：如空间内插分析、等值线分析、坡度和坡向分析、分水岭分析、淹没分析、流域分析：如地形剖面分析、三维地形显示与分析等；叠置分
10、析：如多边形叠置分析、视觉信息复合分析、条件与非条件叠置分析等。邻域分析：如缓冲带分析、走廊分析、泰森多边形分析、拟合分析等；网络分析：如最佳路径分析、时空规划分析、网络流量模拟分析等；图像分析：如图像增强、图像分割、图像细化、空间滤波、高程影像叠置分析等；多元分析：如聚类分析、主成分分析、判别因子分析、趋势面分析、回归分析等；应用模型分析：与GIS应用密切相关的各种应用模型分析。第二节第二节 地理模型的建立地理模型的建立GIS平台所具备的主要空间数据处理与空间分析功能第19页/共102页一、地理建模的一般过程一、地理建模的一般过程地理建模流程在地理研究实践中通过不断观察和总结，形成研究实体的
11、概念模型。采用数理统计方法摸索统计规律，上升到理论模型。再采用综合方法建立实用的分析模型。建模准备模型应用模型分析与检验建模假设建立模型模型求解地理建模流程图第20页/共102页一、地理建模的一般过程一、地理建模的一般过程地理建模的一般过程建模准备第21页/共102页一、地理建模的一般过程一、地理建模的一般过程地理建模的一般过程建模准备建模准备包括了解地理问题的实际背景、明确地理建模的目的、掌握地理对象的各种信息（如数据资料等）以及搞清对象的特征。针对不同的领域问题，建模者需要进行深入细致的调查研究，按模型的需要有目的地收集所需资料。第22页/共102页一、地理建模的一般过程一、地理建模的一般
12、过程地理建模的一般过程建模准备模型假设第23页/共102页一、地理建模的一般过程一、地理建模的一般过程地理建模的一般过程建模准备模型假设模型假设是根据地理对象的特性和建模的目的，对问题进行必要的简化，并且用精确的语言作出假设。这是地理建模的关键，要辨别问题的主要和次要方面，尽量将问题均匀化、线性化。第24页/共102页一、地理建模的一般过程一、地理建模的一般过程地理建模的一般过程建模准备模型假设建立模型第25页/共102页一、地理建模的一般过程一、地理建模的一般过程地理建模的一般过程建模准备模型假设建立模型建立模型是指根据所做的假设，利用适当的数学工具，确定各因子之间的联系，通过表格、图形或是
13、其它数学结构建立地理模型。建模者需要掌握较为广泛的数学知识。第26页/共102页一、地理建模的一般过程一、地理建模的一般过程地理建模的一般过程建模准备模型假设建立模型模型求解第27页/共102页一、地理建模的一般过程一、地理建模的一般过程地理建模的一般过程建模准备模型假设建立模型模型求解对以上建立的模型进行数学上的求解，包括解方程、画图形、逻辑推理、稳定性讨论等。模型求解要求建模者掌握一些常用数据分析软件，如Matlab、SPSS等。第28页/共102页一、地理建模的一般过程一、地理建模的一般过程地理建模的一般过程建模准备模型假设建立模型模型求解模型分析第29页/共102页一、地理建模的一般过
14、程一、地理建模的一般过程地理建模的一般过程建模准备模型假设建立模型模型求解模型分析对模型求解的结果进行数学和地理上的分析。需根据地理问题的性质，分析各变量之间的依赖关系；要求对结果进行预测、最优决策或控制等。第30页/共102页一、地理建模的一般过程一、地理建模的一般过程地理建模的一般过程建模准备模型假设建立模型模型求解模型分析模型检验第31页/共102页一、地理建模的一般过程一、地理建模的一般过程地理建模的一般过程建模准备模型假设建立模型模型求解模型分析模型检验用实际现象或数据检验模型的合理性和适用性，即检验模型的正确性。若检验结果正确，模型即可用；若检验结果有误，则需修改或重新建模。经验表
15、明，模型假设是最易导致结果有误的环节。第32页/共102页第二节 地理模型的建立二、地理建模常用方法主成分分析法系统聚类分析法层次分析法模糊综合评价法地统计分析方法人工神经网络方法1.元胞自动机模型第33页/共102页二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|主成分分析法主成分分析法主要应用需要涉及大量相互关联的自然和社会要素的背景基本原理较少的综合指标替代较多的变量指标较少的综合指标尽量多的反映较多的信息较少的综合指标彼此独立第34页/共102页二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|主成分分析法主成分分析法主成分分析法主要的计算步骤建立观测值矩阵。计算相关系数矩阵。计算特征值与特征向量。
16、计算主成分贡献率及累计贡献率。计算主成分载荷，最终得到各主成分的得分。第35页/共102页系统聚类分析的基本原理假设要评价的地理要素有n个评价单元,每个单元测得P个指标（变量）评价值：首先将n个单元（或样本）各自看成一类。然后根据单元（或样本）间的相似程度，将最相似的两类加以合并。然后计算新类与其他类之间的相似程度，再选择最相似者并类，这样每合并一类，就减少一类，继续这一过程，直至将所有相似单元（或样本）合并为一类为止。其相似程度由距离或相似系数定义，主要有绝对值距离、欧氏距离、切比雪夫距离、马氏距离、兰氏距离、相似系数、指数相似系数和定性指标的距离等。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法
17、|系统聚类分析法系统聚类分析法第36页/共102页层次分析法的基本原理层次分析法将复杂问题的各个因素划分为相互联系的有序层次，使之条理化，然后客观的判断每一层次各因素的相对重要性，确定出每一层次相对重要性的权值。层次分析法在许多地理决策建模中得到广泛的应用。地理决策问题关联着很多因素因子条件，层次分析法把相关联的要素按隶属关系划分为若干层次，请有经验的专家们对各层次、各因素的相对重要性给出定量指标，利用数学方法综合众人意见给出各层次、各要素的相对重要性权值。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|层次分析法层次分析法第37页/共102页层次分析方法的一般步骤建立层次结构模型。将有关的各个因素
18、按照不同属性自上而下地分解成若干层次，最上层为目标层，最下层通常为方案或对象层，中间可以有一个或几个层次，通常为准则或指标层。构造成对比较阵。从层次结构模型的第2层开始，对于从属于（或影响）上一层每个因素的同一层诸因素，用成对比较法和1-9比较尺度构造成对比较阵，直到最下层。计算权向量并做一致性检验。对于每一个成对比较阵计算最大特征根及对应特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。计算组合权向量并做组合一致性检验。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|层次分析法层次分析法第38页/共102页定义一种运用模糊数学原理分析和评价模糊系统分析方法。原理模糊数学把经典集合论
19、中的只能取0和1两个值的特征函数，拓展到在0，1闭区间上取值得到隶属函数，把绝对的属于与不属于的“非此即彼”扩展为更加灵活的渐变函数。应用在地理学中，模糊综合评判方法常常被用于资源和环境条件评价、生态评价、区域可持续发展评价等方面二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|模糊综合评价法模糊综合评价法第39页/共102页地统计学的基本概念以区域化变量理论为基础，以变异函数为主要工具，研究那些在空间分布上既有随机性、又有结构性，或空间相关联性和依赖性的的自然现象的一门科学。在地统计分析方法中的几个重要概念地统计学最基本的两个函数，协方差函数和半变异函数，是以建立区域化变量理论为基础而建立起来的。而
20、地统计的主要插值方法之一，克里格（kringing），就是建立在边缘函数理论和结构分析基础之上的。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|地统计分析方法地统计分析方法第40页/共102页在地统计分析方法中的几个重要概念区域化变量也称为区域化随机变量，区域化随机变量则根据其在区域内的位置不同而取不同值。也就是说，区域化随机变量是普通随机变量在一个区域内确定位置上的确定取值，它是与位置有关的函数。区域化变量具有两个最重要的特性，即随机性和结构性。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|地统计分析方法地统计分析方法第41页/共102页在地统计分析方法中的几个重要概念空间协方差：它反映区域化变量间
21、的差异，用下式表示：式中，为两样本点的空间分隔距离；为 在空间位置 处的是实测值，是 在处距离偏离 的实测值 ，是分隔距离为 时的样本点总对数，和 分别为 和 的样本平均数。半变异函数半变异函数又称半变差函数或半变异矩。是地统计分析所特有的工具。区域化变量 在点 和 处的值 和 差的方差的一半，称为区域化变量 的半变异函数，记为 。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|地统计分析方法地统计分析方法第42页/共102页在地统计分析方法中的几个重要概念克里格插值方法 克里格法是根据待估样本点有限邻域内若干已测定的样本点数据，在考虑了样本点的形状、大小和空间相互位置关系，与样本点的相互空间位置关
22、系，以及变异函数提供的结构信息之后，对待估样本点值进行的一种线性无偏最优估计。克里格方法主要有：普通克里格、简单克里格、泛克里格、协同克里格、对数正态克里格、指示克里格、概论克里格、析取克里格等。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|地统计分析方法地统计分析方法第43页/共102页人工神经网络是具有高度非线性的超大规模连续时间的动力系统。由大量神经元广泛互联形成的网络。具有自学习功能、联想存储功能和高速寻找优化解能力等三大优势。特别适合用于地理模式识别、地理过程模拟和预测、复杂地理系统的优化计算等问题的研究。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|人工神经网络方法人工神经网络方法第44页
23、/共102页与回归模型相比人工神经网络的优点：神经网络是非线性的，不要输入变量和输出数据之间的先验函数关系。神经网络技术可以用来分析复杂的数据模型，包括连续的、近似连续的或者明确的、模糊的输入数据，以及数据实现多元输出。神经网络的分析训练和检验阶段一旦成功，产生的算法很容易运用于实践。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|人工神经网络方法人工神经网络方法第45页/共102页元胞自动机以空间中有规则排列的元胞（Cell）为数据单元。每个元胞有一个状态（State）。元胞的下一个状态取决于所有相邻元胞的状态和转换规则。元胞自动机最基本的组成要素元胞空间（Lattice）、状态空间（States
24、）、邻居（Neighbors）、转化规则（Rule）利用形式语言以一个四元组描述：二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|元胞自动机模型元胞自动机模型第46页/共102页元胞自动机模型 式中，M为元胞自动机；L代表规则划分的网格空间，也就是元胞空间，每个格网单元就是一个元胞；S是元胞处于的状态集合；N是元胞的邻域环境；f是局域转换规则函数。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|元胞自动机模型元胞自动机模型第47页/共102页元胞自动机模型元胞空间元胞分布的空间，元胞空间通常是一维或者二维空间，但理论上可以是任意正整数维的欧式空间。元胞的状态空间指元胞在某离散的时刻的状态取值的集合，每一个
25、元胞可以对应多个状态变量，它是一个离散的有限集合。元胞的状态可以包含向量表示各种属性。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|元胞自动机模型元胞自动机模型第48页/共102页元胞自动机模型元胞的邻域指元胞周围按一定形状划定的元胞集合，元胞的演化即是由周围这些元胞的状态来决定，要确定由周围哪些元胞的状态来决定，则必须定义一个邻域结构来明确一个元胞的邻域范围。转换规则是一个状态转移函数，是根据当前时刻本元胞及其邻居的状态确定下一个时刻本元胞状态的动力学函数。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|元胞自动机模型元胞自动机模型第49页/共102页第二节 地理模型的建立三、地理模型的建立地理模型建
26、模途径1.地理建模实例第50页/共102页在GIS环境内构建地理模型，分为两类：GIS软件商直接提供，如ESRI公司提供的水文分析模块。GIS应用者利用GIS软件提供的宏语言、应用函数库（API）或功能组件（COM）等，发展各自所需的空间分析模型。将由GIS软件支持的功能看做模型部件，按照分析目的和标准，对部件进行有机的组合。构建的空间分析模型，开发的效率较高，GIS用户比较容易理解和应用。三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理模型建模途径地理模型建模途径第51页/共102页在GIS环境外构建地理模型将GIS当作一个空间数据库来用，空间模型分析的功能则利用其他软件（例如SAS，SPSS，G
27、LIM）或计算机高级程序语言如C，C+等来编写。根据不同的数据共享方法，可分为两类：一类是不与空间数据库共享数据，这种方法比较容易实现，但时间和空间效率均不高。另一类是空间分析模型和GIS空间数据库共享数据，这种方法的最大优点是，可以利用现有的空间分析软件。三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理模型建模途径地理模型建模途径第52页/共102页独立开发构建地理模型独立开发实现一个GIS应用软件系统：如国产的MAPGIS、SuperMap、GeoStar等软件就包含了很多自行开发实现的应用分析模型。三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理模型建模途径地理模型建模途径第53页/共102页Arc
28、GIS Model Builder简介提供了一种便捷构造地理模型的图形化建模工具模型生成器（Model Builder）。Model Builder的技术特色空间处理流程自动化。方便共享地理处理知识。方便添加复杂处理模型。三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模实例地理建模实例第54页/共102页ArcGIS Model Builder简介模型生成器窗口由菜单栏、工具条和图形窗口3部分组成。三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模实例地理建模实例工具条图形窗口菜单条第55页/共102页ArcGIS Model Builder简介通过Model Builder生成的模型主要输入数据、
29、输出数据和空间处理工具三部分组成。输入数据和输出数据的类型可以是栅格数据集、Shape文件、Coverage等。空间处理工具包括ArcToolbox中的所有工具集，也可以使用模型（model）、由脚本（如Python）定制的工具或其他工具箱中的系统工具。三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模实例地理建模实例第56页/共102页ArcGIS Model Builder简介Model Builder的元素三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模实例地理建模实例Tools（工具）:与ArcToolbox一样，可以直接拖拽到Model中来使用，在Model中，默认用金黄色的方框表现；Pr
30、oject data（业务数据）：在工具执行之前存在的任何数据，Project data 作为工具的输入数据，用深蓝色的椭圆来表现；Derived data（中间生成数据）：是根据业务数据与工具分析之后生成的新数据,一般用绿色的椭圆来表现；Values（值）：参考工具参数而不是数据集，如缓冲工具的缓冲距离，value一般用浅蓝色椭圆表现；Derived values（中间生成参数）：运行工具以后创建的参考值，例如计算默认簇容限工具的输出值。用浅绿色椭圆表现。第57页/共102页ArcGIS Model Builder建模示例（利用DEM数据提取子流域）加载数据在ArcMap中新建地图文档，添加
31、DEM、行政边界等数据，并设置地图显示样式。三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模实例地理建模实例研究区DEM数据第58页/共102页ArcGIS Model Builder建模示例（利用DEM数据提取子流域）三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模实例地理建模实例l模型工作目录设置打开Arctoolbox，执行菜单命令：“Tools”（工具）“Options”（选项）。打开设置对话框，设置“Geoprocessing”（空间处理）选项页中“My Toolboxes”（我的工具箱）。指定模型存储工作路径，如“D:ArcGIS Models”，下面建立的模型将会被保存到该目录，文件
32、后缀为.tbx。第59页/共102页ArcGIS Model Builder建模示例（利用DEM数据提取子流域）三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模实例地理建模实例l新建工具集在Arctoolbox中，右键点击根目标“ArcToolbox”。在右键菜单中执行“New Toolbox”（新的工具箱）命令。将会在上面定义的模型工作目录“D:ArcGIS Models”创建一个工具箱，将新建工具箱改名，比如“MyFirst”。第60页/共102页ArcGIS Model Builder建模示例（利用DEM数据提取子流域）三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模实例地理建模实例l模型创
33、建右键点击新建的工具箱“MyFirst”，在右键菜单中，执行命令：“New”（新建）“Model”（模型），将打开“Model Builder”编辑窗口。对已存在的模型，右键点击模型后，选择“Edit”（编辑）也可以打开“Model Builder”窗口，对已存在的模型进行编辑。第61页/共102页ArcGIS Model Builder建模示例（利用DEM数据提取子流域）三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模实例地理建模实例l模型属性设置在“Model Builder”窗口中，执行菜单命令：“Model”（模型）“Model Properties”（模型属性），在其中可对模型的名称及
34、标注、Environment Settings（环境参数）、Diagram Properties（图解属性）等内容进行设置。第62页/共102页ArcGIS Model Builder建模示例（利用DEM数据提取子流域）三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模实例地理建模实例l模型编辑应用ArcToolbox中“Spatial Analyst toolbox Hydrology”工具集，使用工具条上的绘图工具（如选择、添加连接等）在编辑窗口绘制模型。第63页/共102页ArcGIS Model Builder建模示例（利用DEM数据提取子流域）三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建
35、模实例地理建模实例l模型运行在“Model Builder”窗口中执行菜单命令：“Model”（模型）“Run Entire Model”（运行整个模型），耐心等待计算结果。第64页/共102页第二节 地理模型的建立四、GIS与地理模型的集成GIS与地理模型的集成方法GIS与地理模型集成的三个层次第65页/共102页源代码集成方式源代码集成方式利用GIS系统的二次开发工具和其他的编程语言，将已经开发好的应用分析模型的源代码进行改写，使其从语言到数据结构与GIS完全兼容，成为GIS整体的一部分。这种方式是以前GIS与应用分析模型集成的主要方式。四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GI
36、S与地理模型的集成方法与地理模型的集成方法第66页/共102页源代码集成方式优点低效率的集成方式，但比较灵活，也是比较有效的方式。缺点GIS的开发者必须读懂应用分析模型的源代码，并在此基础上改写源代码，在改写过程中可能会出错。GIS的开发者在应用分析模型深入理解基础上，编写应用分析模型的源代码。四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模型的集成方法与地理模型的集成方法第67页/共102页函数库集成方式函数库集成方式是将开发好的应用分析模型以库函数的方式保存在函数库中，集成开发者通过调用库函数将应用分析模型集成到GIS中。现有的库函数类型包括动态连接和静态连接两种。四、四、G
37、IS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模型的集成方法与地理模型的集成方法第68页/共102页函数库集成方式优点GIS系统与应用分析模型可以实现高度的无缝集成。函数库一般都有清晰的接口，开发者一般不必去研究模型的源代码，使用方便。不会发生因改写错误而使模型的运行结果不正确的情况。缺点应用分析模型的状态信息很难在函数库中有效的表达。函数库本身的结构却不能很好地表达这种相关性。函数库的扩充与升级较为不便。四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模型的集成方法与地理模型的集成方法第69页/共102页可执行程序集成方式可执行程序集成方式GIS与应用分析模型均以可执行文件的
38、方式独立存在，二者的内部、外部结构均不变化，相互之间独立存在。二者的交互以约定的数据格式通过文件、命名管道、匿名管道或者数据库进行。可执行程序集成方式可分为独立方式和内嵌方式两种。四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模型的集成方法与地理模型的集成方法第70页/共102页可执行程序集成方式可执行程序集成方式GIS与应用分析模型均以可执行文件的方式独立存在，二者的内部、外部结构均不变化，相互之间独立存在。二者的交互以约定的数据格式通过文件、命名管道、匿名管道或者数据库进行。可执行程序集成方式的分类独立方式内嵌方式四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模
39、型的集成方法与地理模型的集成方法第71页/共102页可执行程序集成方式独立方式GIS与应用分析模型以对等的可执行文件形式独立存在。两者之间不直接发生联系，而是通过中间模块实现数据的传递与转换。优点集成方便、简单，代价较低。不需太多的编程工作。缺点系统的运行效率不高，自动化程度不高。系统的可操作性不强，视觉效果不好。GIS与应用分析模型的交互性和亲和性不高。四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模型的集成方法与地理模型的集成方法第72页/共102页可执行程序集成方式内嵌方式GIS与应用分析模型以对等的可执行文件形式独立存在。两者之间的集成通过共同的数据约定进行，GIS通过对
40、中间数据与空间数据之间的转换来实现对空间数据的操作，系统具有统一的界面和无缝的操作环境。优点系统运行性能比独立的可执行程序的集成方式好，便于系统的开发和维护。操作界面对于用户统一的，便于操作。缺点开发难度很大。四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模型的集成方法与地理模型的集成方法第73页/共102页可执行程序集成方式内嵌方式示例非点源污染模型系统（Jonkowski,Haddock（1996）四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模型的集成方法与地理模型的集成方法流域界限图层水系图层土地利用图层土地易蚀性图层土地水文特性图层DEM层PC-ArcGI
41、S（通用GIS功能）ArcPlot（输入/输出、数据显示）主控程度（DOS批处理文件）数据文件管理程度（PASCAL代码）用户进行流域分析的输入AGNPS非点源污染模型集成框架（据Jonkowski et al.）第74页/共102页DDE和OLE集成方式DDEDDE是指动态数据交换，该技术已被它的提出者Microsoft公司所淘汰。OLEOLE本来是指对象连接和嵌入，由于Microsoft公司已经推出了基于COM的OLE2，原来的OLE含义也变化了。虽然支持这种集成的底层技术已经落伍，但是其集成的思路还是可以借鉴的。四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模型的集成方法与
42、地理模型的集成方法第75页/共102页DDE和OLE集成方式DDE和OLE集成方式进行DDE或者OLE操作时必须有两个主体存在，分别是服务器和客户，就是一方主体为另一方提供服务。对于GIS与应用分析模型的集成来说，GIS和模型程序互为客户和服务器。DDE或OLE方式集成方式，与内嵌的可执行程序的集成方式很相似，只是系统的数据交换使用了操作系统内在的数据交换支持，使得程序的运行更加流畅。缺点稳定性不高，效率低。要求应用分析模型和GIS软件都提供DDE或者OLE的数据操作协议。四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模型的集成方法与地理模型的集成方法第76页/共102页DDE和
43、OLE集成方式DDE和OLE集成方式对于GIS与应用分析模型的集成来说，GIS和模型程序互为客户和服务器。与内嵌的可执行程序的集成方式很相似，只是系统的数据交换使用了操作系统内在的数据交换支持，使得程序的运行更加流畅。缺点稳定性不高，效率低；要求应用分析模型和GIS软件都提供DDE或者OLE的数据操作协议。四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模型的集成方法与地理模型的集成方法第77页/共102页基于组件的集成方式基于组件的集成方式组件技术是现在最流行的软件系统集成方法。应用GIS系统和模型系统都提供的软件模块和支持组件编程的语言，可以很方便的开发GIS与模型集成系统。组
44、件技术分类Microsoft公司推出的COMSun公司的JavaBeansOMG的CORBA技术Microsoft公司对COM技术的发展COM+和.Net组件技术四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模型的集成方法与地理模型的集成方法第78页/共102页模型库集成方式模型库集成方式模型库是指按一定的组织结构存储的模型的集合体。模型库可以有效地管理和使用模型，实现模型的重用。模型库符合客户机服务器（C/S）工作模式，当需要模型时，模型被动态地调入内存，按照预先定义好的调用接口来实现模型与GIS系统的交互操作。四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模型的
45、集成方法与地理模型的集成方法第79页/共102页松散集成松散集成GIS功能与模型处理是两套系统，只是借助于数据文件的转换，通过各自的接口来实现模型与GIS环境之间的交互。优点比较简单，容易实现。可以利用已有的平台软件。缺点集成的效率低，操作复杂，数据结构不能统一。用户操作的界面不能一致，难以满足GIS与模型集成的高层次要求。四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模型集成的三与地理模型集成的三个层次个层次第80页/共102页紧密集成紧密集成通过建立支持模型的空间数据库，在GIS系统上或是一些应用软件系统上进行开发。系统拥有一个统一的交互界面，既可以为模型提供输入数据，又能对
46、模型运算结构进行处理和显示。所有的数据转换通过交互界面自动进行。实现的方式基于GIS平台上二次开发。基于专业应用软件二次开发接口嵌入GIS功能。四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模型集成的三与地理模型集成的三个层次个层次第81页/共102页紧密集成优点充分利用已有的平台软件，节约时间和成本。系统界面一致，操作简便。缺点编程的工作量增大，对用户的开发能力要求较高。此种方式建立的GIS与模型，往往需要依附于平台软件之上，不利于模型更高层次的复用和系统软件的推广。四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模型集成的三与地理模型集成的三个层次个层次第82页/
47、共102页完全集成完全集成模型和GIS同在一个系统中，二者共用同一个数据库，不存在数据交换问题，模型和GIS系统完全兼容。优点系统的执行效率高。模型的修改和扩展更为容易。缺点需要从底层开发，系统开发周期长，对于模型应用的人员要求较高。四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成|GIS与地理模型集成的三与地理模型集成的三个层次个层次第83页/共102页第三节 地理模型库一、模型库系统概述二、GIS地理模型库设计三、GIS地理模型库管理第84页/共102页模型库系统（Model Base System，MBS）对模型进行分类和维护并支持模型的生成、存储、查询、运行和分析应用的软件系统。一、模型
48、库系统概述一、模型库系统概述第85页/共102页模型库系统（Model Base System，MBS）主要包括基础模型库、应用模型库、模型库管理系统、模型库应用四部分。一、模型库系统概述一、模型库系统概述模型库应用1模型库应用2模型库应用n模型库管理系统（MBMS）模型字典（MD）基础模型库（MB）应用模型库（MB）建模工具模型库系统基本结构图（龚敏霞等 2002）第86页/共102页模型库系统（Model Base System，MBS）模型库管理系统处理模型存取和各种管理控制的软件。基础模型库用来存储通用规范的可多次重复使用的基础模型。应用模型库用来存储用户开发的、针对专业问题的应用模型
49、。模型字典（Model Dictionary，MD）包含模型库中所有模型的描述、使用和存储等信息（即模型库元数据），是关于模型描述信息的特殊数据库。一、模型库系统概述一、模型库系统概述第87页/共102页第三节 地理模型库二、GIS地理模型库设计实例一：耕地保护预警系统模型库设计实例二：土地利用规划支持信息系统第88页/共102页耕地保护预警系统耕地保护预警系统（以江苏省江阴市为背景）是在确保区域发展及安定的基础上，在合理配置、利用区域各类资源的同时，为了保证在社会发展的一定阶段下的人民生活标准的稳定，而对该阶段区域人口发展所确定的最低耕地量的临界警戒线。目的为区域的宏观决策提供支持。为区域耕
50、地资源的开发、利用提供度量标准。实现区域各方面、尤其是区域耕地与社会的协调统一发展。二、二、GIS地理模型库设计地理模型库设计|耕地保护预警系统模型库设计耕地保护预警系统模型库设计第89页/共102页耕地保护预警系统模型库根据区域耕地资源开发利用的先后顺序，设计出以下具有特定顺序关系的模型，构成模型库。区域耕地资源综合评价模型区域耕地资源动态分析和供需预测模型区域耕地资源开发规划和分配模型区域耕地资源承载力分析模型与补充潜力分析耕地保护临界预警模型二、二、GIS地理模型库设计地理模型库设计|耕地保护预警系统模型库设计耕地保护预警系统模型库设计第90页/共102页耕地保护预警系统模型库区域耕地资