主講人：趙萍合肥工業大學資源與環境工程學院Email：njuzhp@QQ:526091899第六章地理信息系統的應用模型主講人：趙萍合肥工業大學資源與環境工程學院第六章地理信息主要內容本章重點：一般的GIS應用模型及其構建過程和方法第1節GIS應用模型概述第7節地球科學模擬模型（自學）第2節土地定級估價模型第4節發展預測模型（自學）第5節區位選擇模型（自學）第3節適宜性分析模型第6節交通規劃模型（自學）主要內容本章重點：一般的GIS應用模型及其構建過程和方法第1第一節GIS應用模型概述一、概念GIS的應用模型，就是根據具體的應用目標和問題，借助于GIS自身的技術優勢，使觀念世界中形成的概念模型，具體化為信息世界中可操作的機理和過程。這種模型的構建，不僅是解決實際復雜問題的必要途徑，而且也是GIS取得經濟和社會效益的重要保證。第一節GIS應用模型概述一、概念二、作用和特點GIS應用模型是聯系GIS應用系統與常規專業研究的紐帶GIS應用模型是綜合利用GIS應用系統中大量數據的工具GIS應用模型是GIS應用系統解決各種實際問題的武器GIS應用模型是GIS應用系統向更高技術水平發展的基礎二、作用和特點GIS應用模型是聯系GIS應用系統與常規專業三、GIS應用模型的分類根據所表達的空間對象的不同，可分為：數學模型：基于理化原理的理論模型，是應用數學方法建立的數學表達式，反映地理過程本質的理化規律。如地表徑流模型、海洋和大氣環流模型；經驗模型：基于變量之間的統計關系或啟發式關系的模型，是通過理化統計方法和觀測實驗建立的模型，如水土流失模型、適宜性分析等；混合模型：基于原理和經驗的混合模型，它既有基于理論原理的確定性變量，也有應用經驗加以確定的不確定性變量，如資源分配模型、位置選擇模型等。三、GIS應用模型的分類按研究對象的時間狀態和發展過程，可分為：靜態模型：用于分析地理現象及要素相互作用的格局；半靜態模型：用于評價應用目標的變化影響；動態模型：用于預測研究目標的時空動態演變及趨勢。按研究對象的時間狀態和發展過程，可分為：根據模型的空間特性，可分為:非空間模型：主要是對系統中的各種屬性數據進行運算。常用的方法有投入產出、計量經濟、經濟控制論及系統動力學等空間模型：需要同時對系統中的圖形和屬性兩類數據進行運算，一般要比非空間模型復雜些根據模型的空間特性，可分為:二、GIS應用模型的構建目的導向分析——以目標為導向的規劃定義過程：將要解決的問題與專業知識相結合，從問題開始，一步步推導出解決問題所需要的原始數據、精度標準、模型的邏輯結構和方法步驟。數據導向操作——以數據為導向的的實際操作過程：將已形成的模型邏輯結構與GIS技術相結合，從各類數據開始，一步步將數據轉換成問題答案，必要時還需要進行反饋和修改，直到取得滿意的結果，最后以圖形或圖表形式輸出最終結果。二、GIS應用模型的構建2023/7/319需要解決的問題多元數據收集規劃定義過程應用操作過程問題的定義分析/聯合問題的實質證據/數據/假設問題的概念概念/要素/方法解決問題的數據數據源/數據集數據庫建立數據輸入/格式化問題數據子集提取/綜合問題求解統計計算/模型分析/空間分析問題答案驗證/解釋/表達用GIS求解問題的基本流程（陳述彭）2023/7/319需要解決的問題多元數據收集規劃定義過程應（一）應用模型的建模步驟明確分析的目的和評價準則準備分析數據空間分析操作結果分析解釋、評價結果（如有必要，返回第①步）結果輸出（一）應用模型的建模步驟 Eg1：道路拓寬改建過程中的拆遷指標計算（1）明確分析的目的和標準分析目的：計算由于道路拓寬而需拆遷的建筑物的房產價值道路拓寬改建的標準：

①道路從原有的20m拓寬至60m；

②拓寬道路應盡量保持直線；

③部分位于拆遷區內的10層以上的建筑不拆除。 Eg1：道路拓寬改建過程中的拆遷指標計算（2）準備分析數據

本例需要涉及兩類信息:一類是道路現狀圖；另一類為分析區域內建筑物分布圖及相關信息。（3）進行空間分析操作

①選擇擬拓寬的道路，根據拓寬半徑，建立道路的緩沖區，形成緩沖區多邊形圖層。

②將此緩沖區多邊形圖層與建筑物分布圖層進行拓撲疊加，產生一幅新圖，此圖包括所有部分或全部位于拓寬區內的建筑物信息。（2）準備分析數據（4）進行結果分析

首先對全部或部分位于拆遷區內的建筑物進行選擇，然后將部分落入拆遷區且樓層高于10層以上的建筑物從選擇組中去掉，并對道路的拓寬邊界進行局部調整。最后對所有需拆遷的建筑物進行拆遷指標計算。（5）將分析結果以地圖和表格的形式打印輸出（4）進行結果分析Eg2：洪水淹沒損失分析（1）明確分析的目的和標準分析目的：估計住宅用地被洪水淹沒而造成的損失；分析標準：洪水水位的相對高程為500米；損失的大小和居民的財產、地基的穩定性有關。Eg2：洪水淹沒損失分析（2）準備分析數據數字化的地塊多邊形地圖。每個地塊均有土地使用、可遭損失的財產狀況（簡稱估計財產）、不同地基類型等屬性。地塊多邊形屬性表中有地均財產這一項，地均財產=估計財產/地塊面積。對每一類地基，可估計其穩定性，并估計房屋倒坍的可能性，稱損失系數。數字化的等高線地形圖（2）準備分析數據（3）進行空間分析操作將地塊多邊形和高程多邊形疊合，產生地塊—高程多邊形圖和對應的屬性表；在地塊—高程屬性表中選擇高程≤500，土地使用性為住宅（R1、R2）的記錄和地基—損失系統對照表連接，獲得新的地塊—高程屬性表。估計損失=面積×地均財產×損失系數；從表可知，當洪水淹沒了500米以下的地區時，每個地塊財產的大致損失狀況；對地塊—高程圖按對應屬性進行分類，得到洪水淹沒損失分布圖。（3）進行空間分析操作

地塊多邊形圖地塊屬性表(GIS)第六章--地理信息系統的應用模型ppt課件

地形等高線及其組成的多邊形地形高程表(GIS)第六章--地理信息系統的應用模型ppt課件地基穩定性損失表地基穩定性損失表

地塊和地形疊合后的多邊形洪水淹沒損失估計(GIS)第六章--地理信息系統的應用模型ppt課件損失估計表分析結論表損失估計表（二）應用模型建模的途徑利用GIS系統內部的建模工具：利用GIS軟件的宏語言（VBA等）、應用函數庫（API）或功能組件（COM）等開發所需的空間分析模型。這種建模方法充分利用GIS軟件本身的資源，模型建造和開發的效率比較高；利用GIS系統外部的建模工具：如利用Matlab和IDL等；獨立開發實現一個GIS應用軟件系統（二）應用模型建模的途徑（三）應用模型建模的方法——制圖建模通過作用于原始數據和派生數據的一組順序的、交互的空間分析操作命令，對一個空間分析過程進行的實現模擬。制圖建模的結果是一個應用模型，它是對空間分析過程及其數據的一種圖形或符號表示，目的是幫助分析人員組織和規劃所要完成的分析過程，并逐步指定完成這一分析過程所需的數據。制圖建模也可用于研究說明文檔，作為分析研究的參考和素材。制圖建模的實現方法采用空間分析流程的逆過程，即從空間分析的最終結果開始，反向一步步分析為得到最終結果，需要采用哪些空間分析方法？哪些數據是必需的？并確定每一步要輸入的數據及這些數據是如何派生的？（三）應用模型建模的方法——制圖建模通過作用于原始數據和派生

公園選址模型：人口密度，現有公園位置ArcGIS可視化制圖建模工具 公園選址模型：人口密度，現有公園位置ArcGIS可視化制圖根據城鎮土地的經濟和自然屬性及其在社會經濟活動中的地位和作用，對其使用價值進行綜合分析，揭示土地質量的地域差異，評定城鎮土地級別，以及以土地級別為基礎，選擇適宜的樣點資料和估價方法，分別測算商業、住宅和工業用地基準地價，為合理利用城鎮土地提供依據。第二節土地定級估價模型根據城鎮土地的經濟和自然屬性及其在社會經濟活動中的地位和作用一、技術路線

一、技術路線二、土地定級估價模型土地定級空間單元的生成方法采用基于柵格的評價單元，大小一般可選實地距離為10m×10m。土地定級空間單元分值的產生方法土地定級的影響因素和因子很多，除部分因子可以根據外業調查資料的區域劃分直接賦值外，大部分因子需要利用GIS空間分析方法。土地理論級別分級界限的確定方法首先依次計算1~100間各分值的柵格個數和頻率數，形成定級總分值頻率直方圖；然后依據其曲線變化趨勢，選用等差、等比、標準差、樣本分級、有序聚類分級等方法，由計算機自動分級，最后輸出土地級別圖。二、土地定級估價模型土地定級空間單元的生成方法(GIS)第六章--地理信息系統的應用模型ppt課件三、應用實例——江蘇省鎮江市土地定級信息系統三、應用實例——江蘇省鎮江市土地定級信息系統(GIS)第六章--地理信息系統的應用模型ppt課件第三節適宜性分析模型

適宜性分析是指土地針對某種特定開發活動的分析，這些開發活動包括農業應用、城市化選址、作物類型布局、道路選址、選擇重新造林的最適宜的土地等。因此，建立適宜性分析模型，首先確定具體的開發活動，其次選擇其影響因子，然后評價某一地域的各個因子對這種開發活動的適宜程度，以作為土地利用規劃決策的依據。第三節適宜性分析模型適宜性分析是指土地針對某種特定開發設有某項評價目標或開發活動T，該T對應一組影響因素X1,X2,…,Xm；每個因素對應一組參評因子x1,x2,…,xl，每個因子有一組屬性v1,v2,…,vn;因此，每個因素對應一個屬性集Vi:

顯然，每個因素的屬性集都是一個對指定的T從優到劣的全序集，且滿足：各個參評因子及其屬性值的取得由數據庫提取或由GIS空間分析軟件生成。一、一般形式設有某項評價目標或開發活動T，該T對應一組影響因素X1,X2式中:P為Xi對T的貢獻函數值；W為Xi對T的權重值。

P值的確定方法為：將各因子最適宜的指標值定為貢獻函數值l00，將各因子最不適宜的指標值定為貢獻函數值0，在這之間，指標值與函數值按線性關系計算和確定。各個因素按其屬性集的優劣，可用下列矩陣表示:式中:P為Xi對T的貢獻函數值；W為Xi對T的權重值。

有了上述矩陣數據和GlS功能的支持，可以求取基于柵格單元的評價分值：

然后，根據使G(Pji)=1-|R(T)-Pji/100|的值為最大時的P所對應的j,即為所求的某個T的適宜級Sj。顯然，當適宜級為S2或S3時，必須同時確定其限制性因子。限制性因子的計算公式為：

有了上述矩陣數據和GlS功能的支持，可以求取基于柵格單元的評二、應用實例——某地區的玉米種植用地評價評價對象通過評價將研究區分出不同的適宜等級：S1（最適宜）、S2（次適宜）、S3（臨界適宜）和N(（不適宜）。評價方法采用基于GIS的土地質量評價法，即將玉米作物生長有關主導生態條件與土地質量（供水、供肥）相比照，從而評定土地的適宜性等級。二、應用實例——某地區的玉米種植用地評價評價對象評價過程評價對象生態條件調查。評價對象玉米屬于禾本科，為一年生草本，其主導生態條件例如：性喜高溫，需水量大，要求土壤肥沃和土層疏松，其根系伸展要求防止土壤侵蝕等。確定評價對象的影響因素和因子。根據將玉米作物生長有關的生態條件與土地質量相比照，除了溫度可通過季節調節外，其他影響因素和因子如圖所示：評價對象的影響因素和因子體系水源供水Q1供肥Q2土壤侵蝕Q4供氧Q3土層厚度土壤有機質土壤孔隙度土壤質地地形坡度評價過程評價對象的影響因素和因子體系水源供水Q1供肥Q2土壤利用GIS生成影響因素數據。例如供水有效性，其影響因子為水源和土層厚度，它們對供水和保水有效性的屬性集如下方左表所示。根據左表和相應的空間數據，通過下方右圖所示的GIS操作過程，可以有效生成基于柵格單元的供水條件等級數據文件Q1。同理，可以生成供肥條件數據文件Q2、供氧條件等級數據文件Q3和土壤侵蝕等級數據文件Q4。供水級別距水源/m土層厚度/cm1<100>502100-20050-203200-50020-104>500<10數字化水系圖數字化緩沖帶操作柵格化柵格化屬性分級土壤圖Q1文件供水分級疊合操作供水影響因子及屬性分級GIS生成供水供水因素數據的操作過程利用GIS生成影響因素數據。供水級別距水源/m土層厚度/計算各因素的權重和貢獻函數值。權重Wi的計算方法為：首先將各影響因素按其對評價對象重要性的不同，進行由小到大的排隊；其次確定Qi+1對Qi的重要性程度Vi+1,i用倍數表示，并令V1,0

＝1，其結果如下表所示。最后按下列公式計算各因素的權重：

式中，U1=V1,0,U2=V2,1×V1,0,…，Ui=Vi,i-1×Vi-1,i-2…×V1,0所以和土地質量影響因素Qi對應的權重分別為w1=0.67,w2=0.17,w3=0.08,w4=0.08。

計算各因素的權重和貢獻函數值。式中，U1=V1,0,貢獻函數值可以按照影響因素的級別來確定。例如，如果將各因子最適宜的指標值定為貢獻函數值100，將各因子最不適宜的指標值定為貢獻函數值0，當影響因素分為4級時，則各因素的P值分別為:P1i=100,P2i=67,P3i=33,P4i=0根據各因素的權重與貢獻函數值的關系式，可以建立各因素的評價指標表，該指標表與不同土地質量的數據文件Ri相結合，為土地適宜性評價提供依據。貢獻函數值可以按照影響因素的級別來確定。計算機適宜性評級按照上表將柵格各因素級別轉換為指標值（貢獻函數值），求出各柵格貢獻函數值總和R（T）。根據使G(Pji)=1-|R(T)-Pji/100|的值為最大時的P所對應的j，即為所求的對T的適宜性等級Sj。計算機適宜性評級(GIS)第六章--地理信息系統的應用模型ppt課件第四節發展預測模型一、一般介紹概念：發展預測是指利用已有的存儲數據與系統提供的手段，對事物進行科學的數量分析，探索某一事物在今后可能的發展趨勢，并做出評價和估計，以調節、控制計劃或行動。如人口預測、資源預測、社會經濟發展預測等。預測方法：分為定性、定量、定時和概率預測。地理信息系統一般采用定量預測。它利用系統存儲的多目標統計數據，由一個或幾個變量的值，來預測或控制另一個研究變量的取值。具體的數學方法有：移動平均數法、指數平滑法、趨勢分析法、時間序列分析法、回歸分析法、灰色理論預測法等。第四節發展預測模型一、一般介紹二、應用實例——城市人口和勞動力預測（一）人口預測模型式中：Pt—第t年人口數；Pt-1—第t-1年人口數；λ—人口出生率；μ—人口死亡率；W—凈遷入人口數。設根據研究地區一組人口統計數據的分析，得λ＝12.5%,μ＝6.5％，將基年定為1985年，并且P0=612.7萬人。設每年凈遷入該研究地區的人口數為W=5萬人。則于是可得到規劃期的人口預測數。二、應用實例——城市人口和勞動力預測（一）人口預測模型式中：

同理，根據勞動力預測方程:

式中:L(t)為第t年勞動力狀態向量；LW(t)為第t年勞動力遷移向量；LR(t)為勞動力存留系數矩陣，即

式中下標表示勞動力的年齡;

r’代表分年齡層的勞動力存留比率。

于是，得到研究地區規劃期勞動力的預測數將這些結果與表示每個鎮、市中心點的x、y坐標聯系起來，便得到一組點的數據，這組數據加上研究地區的邊界數據，輸入GIS軟件，便可輸出一幅人口發展預測圖。于是，得到研究地區規劃期勞動力的預測數美國各州1980,1990,2000年的人口分布及2005年人口預測柱狀圖美國各州1980,1990,2000年的人口分布及2005年美國各州1979,1989,2000年的家庭收入及2005年家庭收入預測柱狀圖美國各州1979,1989,2000年的家庭收入及2005年美國各州2005年年齡結構預測柱狀圖美國各州2005年年齡結構預測柱狀圖第五節區位選擇模型一、一般介紹區位選擇是指按照規定的標準，通過空間分析的方法，確定廠址、電站、管線，或者交通路線等的最佳位址或路徑。區位選擇考慮的標準一般包括環境、工程和經濟三個方面。一般建立的區位選擇模型分為：數據準備階段因子研究和綜合影響的評價階段選址分析階段第五節區位選擇模型一、一般介紹(GIS)第六章--地理信息系統的應用模型ppt課件二、一般的區位選擇模型（一）數據準備階段在數據準備階段，要建立專家咨詢組，明確選址的要求，選擇影響因子，進行區位選擇的數據準備。確定區位分析的格網單元的數據記錄如圖所示：V1,V2,…,Vn分別表示高程、土壤、表面地質、水域、易泛區、濕地、森林覆蓋等二、一般的區位選擇模型（一）數據準備階段（二）綜合影響評價階段綜合評價階段的任務是按照工程和經濟可行性的要求，建立選址條件、綜合評價的標準和算法。如：式中：S為坡度<5%；C為開發成本適宜；F為離開居民區遠近；L為地耐力堅固；E為環境質量優良。于是，根據各個影響因子可以進行綜合影響評價。（二）綜合影響評價階段開發成本的計算根據區域單元的影響因子和選址路線的距離進行。如：CA到CB的成本，可按下式計算:成本=DA·A區因子+DB·B區因子開發成本的計算根據區域單元的影響因子和選址路線的距離進行。如（三）區位選擇分析階段任務：實施區位的選擇，并對結果進行分析評價。運行過程：根據綜合影響的評價數據建立相鄰單元關系圖，由相鄰單元關系圖，通過交點之間數據的比較，建立頂點連接圖；由頂點連接圖可以算出各邊的權值，由此可以建立對應于頂點連接圖的權矩陣W=[Wij]，其中：元素Wij為圖中邊eij的權，當i，j間有邊連接時，Wij>0；無邊連接時，Wij=∞；當i=j時，Wij=0；對于無向圖，Wij=0（i≠j），輸入W，并設待確定的最短路徑的起始節點為K，終點為L，可根據Dijkstra算法進行最短路徑計算，從而得到最低成本的路徑I-B-K-D-M-F-O-H；通過區域單元的連接，得到路徑位置，再經過裁直處理，得到優化后路徑位置。（三）區位選擇分析階段(GIS)第六章--地理信息系統的應用模型ppt課件(GIS)第六章--地理信息系統的應用模型ppt課件(GIS)第六章--地理信息系統的應用模型ppt課件第六節交通規劃模型城市交通模型包括城市交通發生量預測，出行分布預測和交通量最優分配三個部分。目前，普通采用的是OD（出行端點）調查的方式了解城市交通的發生、分布和規劃分析。第六節交通規劃模型城市交通模型包括城市交通發生量預測，出該模型采用因果分析法，綜合考慮影響交通發生量發生的各因素，用回歸分析法建造多因素相關回歸方程。設有n個居民小區，m種出行目的，L個影響因素。rij為區域i居民第j類出行目的的出行發生率，為區域i居民第j類出行目的的第k個影響因素，則構造回歸方程：及出行交通發生量：其中，第j種出行目的的交通發生量：i小區的交通發生量即為：式中：a0，ak由回歸分析確定；

可以取平均每戶就業率、到出行目的地距離、家庭收入水平等。一、交通發生量預測模型該模型采用因果分析法，綜合考慮影響交通發生量發生的各因素，用出行分布包括出行方向、出行數量以及出行工具的空間分配。以下主要考慮以居民區為出發點的出行分布情況。設為從i居民區到j出行目的地用k種交通工具的交通量。則一般的出行分布預測模型為：式中：Ai為與i居住區有關的比例因子；

Bj為與j居住區有關的比例因子；Oi為與i居住區的總出行量；

Dj為與j區域的吸引力測度；為i與j區域間的離散性測定；二、出行分布預測模型出行分布包括出行方向、出行數量以及出行工具的空間分配。以下主交通量在交通網絡中的最優分配，對于客流，往往采用最短路徑算法，以出行距離最小為原則，求出各居住小區到各出行目的地的出行量。對于貨流，一般采用線性規劃中的運輸模型。三、交通量最優分配規劃交通量在交通網絡中的最優分配，對于客流，往往采用最短路徑算法（一）平衡運輸模型與不平衡運輸模型以Xij表示待求的從地點i到j的最佳運輸量并由模型求解得出。Dj表示地點貨物可供數量或生產量，Cij表示從i地運到j地的單位產品運輸成本。給出以下約束：

生產量約束：

消費量約束：

目標函數，總運費最省：

由于假定生產量嚴格等于消費量，稱為平衡運輸模型。

如果即要求全部消費量小于生產量；全部生產量大于消費量，稱為不平衡模型。（一）平衡運輸模型與不平衡運輸模型（二）交通量分配模型是以引力模型為基礎的分配模型，建模時需要考慮以下因素：道路功能的合理劃分交通流對速度的要求道路使用的經濟性對交叉道路流量的限制（二）交通量分配模型是以引力模型為基礎的分配模型，建模時需要城市綜合交通規劃分析，是以交通工程理論為依據，進行現狀交通調查數據的統計分析和遠期交通流的模擬預測，為確定城市用地布局和優選規劃路網提供定量的決策依據。城市綜合交通規劃分析，是以交通工程理論為依據，進行現狀交通調第七節地球科學模擬模型一、一般介紹地球科學模擬模型是應用計算機、數字模擬技術及綜合分析方法來模擬地理過程或現象，如氣候變遷，沙漠化過程、土地退化過程、湖泊沼澤化、河道沖淤、沙嘴發育，以及土壤侵蝕等，使受多個因素共同影響，且需要經過若干年才能完成的地理過程，采用計算機模擬模型