交通地理信息系統(tǒng)09_空間建模和空間決策支持

1、第十講第十講 空間建模與空間決策空間建模與空間決策支持支持 課課 題：題：空間建模與空間決策支持空間建模與空間決策支持 目的要求：目的要求：要求掌握空間分析的一般過程，掌握空間決策分析的一般步驟，能根據(jù)所給問題進(jìn)行分析，建立地圖模型并進(jìn)行分析，輔助空間決策。 教學(xué)重點(diǎn)：教學(xué)重點(diǎn)：空間分析、空間決策支持相關(guān)技術(shù)的概念和理論 教學(xué)難點(diǎn)：教學(xué)難點(diǎn)： 對(duì)具體問題進(jìn)行分析并建模 教學(xué)課時(shí)：教學(xué)課時(shí)：2課時(shí) 教學(xué)方法教學(xué)方法: 講授 本次課涉及的學(xué)術(shù)前沿：本次課涉及的學(xué)術(shù)前沿：專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘、元胞自動(dòng)機(jī) 空間分析過程及其模型空間分析過程及其模型 空間分析是地理信息系統(tǒng)技術(shù)的核心。 根據(jù)空間分析的智能化

2、程度，可以將空間分析劃分為一般空間分析、空間決策支持、智能空間決策支持。 1 一般空間分析 一般空間分析方法前面已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的討論，主要包括疊置分析、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)分析、空間插值等。 在一些常用的GIS軟件中，如ARC/INFO，ARCVIEW，GEOSTAR等，都具有這些空間分析的功能。 應(yīng)用這些一般的空間分析功能模塊進(jìn)行空間分析時(shí)，通常同時(shí)運(yùn)用多種空間分析操作。 因此，設(shè)計(jì)高效率的空間分析過程設(shè)計(jì)高效率的空間分析過程將十分有利于問將十分有利于問題的解決。題的解決。 執(zhí)行空間分析的一般步驟：執(zhí)行空間分析的一般步驟：步驟1：建立分析目的和標(biāo)準(zhǔn) 分析目的是用戶打算利用地理數(shù)據(jù)庫(kù)回答什么問題，

3、而標(biāo)準(zhǔn)是將如何利用GIS來回答這些問題。 例如， 某項(xiàng)研究的目的：目的：是確定適合建造一個(gè)新公園的位置 公園的位置必須是從主要公路上容易到達(dá)的，但又不能太靠近公路等。 而滿足這些目的的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該可以表述成用一系列的空間查詢語句來進(jìn)行分析的格式。 對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以利用緩沖區(qū)分析、疊置分析等空間分析操作進(jìn)行分析，然后對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。一般空間分析的步驟步驟步驟2：準(zhǔn)備空間操作的數(shù)據(jù) 確定和準(zhǔn)備空間分析中所要用到的數(shù)據(jù)，包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備要求因研究對(duì)象不同而異，在進(jìn)行分析之前，對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備進(jìn)行全面的考察將有助于用戶有效地完成分析工作。 根據(jù)任務(wù)考察數(shù)據(jù)的精度、分辨率、時(shí)效性一般空間

4、分析的步驟步驟步驟3 3：進(jìn)行空間分析操作 這一步驟是地理信息系統(tǒng)所特有的。正是利用這一步驟產(chǎn)生了用于分析的空間關(guān)系。 空間分析操作包括緩沖區(qū)分析、拓?fù)浏B加分析、特征抽取以及特征合并等。 每個(gè)空間分析操作都將產(chǎn)生分析所需的新信息。為了得到符合要求的數(shù)據(jù)，可能需要進(jìn)行多種操作。一般空間分析的步驟步驟步驟4：準(zhǔn)備表格分析的數(shù)據(jù) 大多數(shù)分析都要求利用空間操作得到一個(gè)最終圖層（Coverage）或一組圖層（Coverages）。 一旦產(chǎn)生了最終的圖層（Coverage），就必須準(zhǔn)備用于分析的數(shù)據(jù)，包括空間數(shù)據(jù)和描述數(shù)據(jù)。步驟步驟5：進(jìn)行表格分析 利用邏輯表達(dá)式和算術(shù)表達(dá)式，對(duì)步驟步驟3中進(jìn)行空間操作所

5、獲得的新屬性關(guān)系進(jìn)行分析。步驟步驟3：進(jìn)行空間分析操作 這一步驟是地理信息系統(tǒng)所特有的。正是利用這一步驟產(chǎn)生了用于分析的空間關(guān)系。 空間分析操作包括緩沖區(qū)分析、拓?fù)浏B加分析、特征抽取以及特征合并等。 每個(gè)空間分析操作都將產(chǎn)生分析所需的新信息。為了得到符合要求的數(shù)據(jù)，可能需要進(jìn)行多種操作。一般空間分析的步驟步驟步驟6：結(jié)果的評(píng)價(jià)和解釋 通過表格分析后獲得了一個(gè)結(jié)果，必須對(duì)這個(gè)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定其有效性。 步驟步驟7：如有需要，改進(jìn)分析 考慮到分析還具有某些局限性和缺點(diǎn)以后，可以決定改進(jìn)分析。 步驟步驟8：產(chǎn)生分析結(jié)果的最終地圖和表格報(bào)告。 以最有效而又可靠的方法輸出分析結(jié)果?？梢岳肎IS

6、軟件提供的地圖輸出模塊產(chǎn)生地圖，利用屬性數(shù)據(jù)處理模塊產(chǎn)生表格和報(bào)告。 例例1：道路拓寬改建過程中的拆遷指標(biāo)計(jì)算：道路拓寬改建過程中的拆遷指標(biāo)計(jì)算1）明確分析的目的和標(biāo)準(zhǔn)目的是： 計(jì)算由于道路拓寬需拆遷的建筑物的建筑面積和房產(chǎn)價(jià)值。道路拓寬改建的標(biāo)準(zhǔn)是：道路從原有的20m拓寬至60m；拓寬道路應(yīng)盡量保持直線；部分位于拆遷區(qū)內(nèi)的10層以上的建筑不拆除。 2）準(zhǔn)備進(jìn)行分析的數(shù)據(jù) D1：現(xiàn)狀道路圖 D2：分析區(qū)域內(nèi)建筑物分布圖及相關(guān)信息 3）進(jìn)行空間操作 首先選擇擬拓寬的道路，根據(jù)拓寬半徑，建立道路的緩沖區(qū) 然后將此緩沖區(qū)與建筑物層數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)浏B加，產(chǎn)生一幅新圖，此圖包括所有部分或全部位于拓寬區(qū)內(nèi)的建

7、筑物信息4）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析圖形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)： 對(duì)全部或部分位于拆遷區(qū)內(nèi)的建筑物進(jìn)行選擇，凡部分落入拆遷區(qū)且樓層高于10層以上的建筑物，將其從選擇組中去掉，并對(duì)道路的拓寬邊界進(jìn)行局部調(diào)整。屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)： 然后對(duì)所有需拆遷的建筑物進(jìn)行拆遷指標(biāo)計(jì)算。5）將分析結(jié)果以地圖和表格的形式打印輸出例例2：輔助建設(shè)項(xiàng)目選址：輔助建設(shè)項(xiàng)目選址1）明確分析的目的和標(biāo)準(zhǔn)分析目的是：確定一些具體的地塊，作為一個(gè)輕度污染工廠的可能建設(shè)位置。工廠選址的標(biāo)準(zhǔn)是：建設(shè)用地面積不小于10 000m2；地塊的地價(jià)不超過1萬元/m2；地塊周圍不能有幼兒園、學(xué)校等公共設(shè)施，以免受到工廠生產(chǎn)的影響。2）從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取用于選址的數(shù)據(jù)D1:包括

8、全市所有地塊信息的數(shù)據(jù)層D2:全市公共設(shè)施（包括幼兒園和學(xué)校）的分布圖3)進(jìn)行特征提取和空間拓?fù)浏B加 從地塊圖中選擇所有滿足條件1，2的地塊，并與公共設(shè)施層數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加4）進(jìn)行鄰域分析對(duì)疊加結(jié)果進(jìn)行鄰域分析和特征提取，選擇滿足要求的地塊5）將選擇的地塊及相關(guān)信息以地圖和表格形式打印輸出2 空間分析建模空間分析建模 概念：概念： 空間分析建模空間分析建模： 又稱為地圖建模地圖建模（Cartographic Modeling），通過作用于原始數(shù)據(jù)和派生數(shù)據(jù)的一組順序的、交互的空間分析操作命令，對(duì)一個(gè)空間決策過程進(jìn)行的模擬。 地圖建模的結(jié)果得到一個(gè)“地圖模型”。 地圖建?？梢允且粋€(gè)空間分析流程的逆過

9、程，即從分析的最終結(jié)果開始，反向一步步分析為得到最終結(jié)果，那些數(shù)據(jù)室必須的，并確定每一步要輸入的數(shù)據(jù)以及這些數(shù)據(jù)是如何派生來的。地圖建模實(shí)例：地圖建模實(shí)例： 假設(shè)需要獲得這樣一個(gè)結(jié)果，即要顯示出所有坡度大于20度的地區(qū)。坡度大于20度的地區(qū)坡度圖像數(shù)字高程圖像等高線數(shù)據(jù)再分類坡度計(jì)算空間插值圖10-1 提取坡度大于20度的計(jì)算流程矩形框內(nèi)為數(shù)據(jù)，箭頭表示操作命令，方向表示操作順序地圖模型實(shí)例：地圖模型實(shí)例： 食草動(dòng)物棲息地質(zhì)量評(píng)價(jià)模型食草動(dòng)物棲息地質(zhì)量評(píng)價(jià)模型水源地植被類型景觀單元植被類型景觀單元景觀單元景觀單元飲水難易度覓食難易度隱藏難易度面積凸度指數(shù)歐拉數(shù)相對(duì)大小相對(duì)連通性相對(duì)一致性景觀各

10、點(diǎn)棲息質(zhì)量景觀單元棲息質(zhì)量總體質(zhì)量復(fù)合棲息質(zhì)量再分類再分類再分類再分類再分類再分類平均平均再分類再分類再分類疊加（和）定級(jí)食草動(dòng)物棲息地質(zhì)量評(píng)價(jià)模型 國(guó)家森林公園選址模型國(guó)家森林公園選址模型步驟操作命令找出所有森林地區(qū)1為林地 ，0為非林地再分類合并森林分類圖屬性相同的相鄰 多邊形的邊界歸組找出距公路或鐵路0.5公里的地區(qū)緩沖區(qū)分析找出距公路或鐵路1公里的地區(qū)緩沖區(qū)分析找出非城市區(qū)用地 1為非市區(qū)，0為市區(qū)再分類找出森林地區(qū)、非市區(qū)、且距公路或鐵路0.5至1公里范圍內(nèi)的地區(qū)拓?fù)浏B加分析合并相同屬性的多邊形歸組木材毀壞量回歸預(yù)測(cè)模型地圖模型實(shí)現(xiàn)：地圖模型實(shí)現(xiàn)：（1）宏命令或腳本語言）宏命令或腳本

11、語言 由多個(gè)原始圖生成一個(gè)新圖的命令由多個(gè)原始圖生成一個(gè)新圖的命令 Newmap = f（map1，map2，.）其中f()表示一個(gè)GIS命令 復(fù)雜函數(shù)表達(dá)一個(gè)完整的地圖模型：復(fù)雜函數(shù)表達(dá)一個(gè)完整的地圖模型：Newmap1， Newmap 2，.= f1,f2,f3,(map1,map2,Newmap1,Newmap2,)以下是以從以下是以從DEM中自動(dòng)提取坡度大于中自動(dòng)提取坡度大于15度的柵格為例，度的柵格為例，在在ArcGIS中建立的地圖模型腳本中建立的地圖模型腳本新建一個(gè)文本文檔，重新命名為slope.vbs，文本內(nèi)容如下： 建立處理對(duì)象set gp = WScript.CreateOb

12、ject(esriGeoprocessing.GPDispatch.1) 檢查擴(kuò)展模塊的license gp.CheckOutExtension spatial 加載必要的Toolbox ，因?yàn)楸纠杏玫降奶崛∑露群蜄鸥裼?jì)算命令均在Spatial Analyst擴(kuò)展模塊中，因此要加載這個(gè)模塊。gp.AddToolbox D:/Program Files/ArcGIS/ArcToolbox/Toolboxes/Spatial Analyst Tools.tbx 定義腳本變量Raster_Dataset = wscript.arguments.item(0) Output_raster_2_ =

13、wscript.arguments.item(1) if Output_raster_2_ = # then Output_raster_2_ = E:/Chp12/LessTha_slop1 如果沒有指定路徑的話，默認(rèn)的路徑end if slope_2_ = E:/ChP12/slope Input_raster_or_constant_value_2 = 15 提取坡度gp.Slope_sa Raster_Dataset, slope_2_, DEGREE, 1 提取坡度大于15度的柵格gp.LessThan_sa slope_2_, Input_raster_or_constant_va

14、lue_2, Output_raster_2_ （2）圖解建模（建立模型流程圖）圖解建模（建立模型流程圖） eg：ArcGIS Model Builder 通過多個(gè)處理過程將多個(gè)因子組合在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜問題的建模3空間決策支持空間決策支持 空間決策支持空間決策支持是應(yīng)用各種空間分析手段對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提取出隱含于空間數(shù)據(jù)中的某些事實(shí)和關(guān)系，并以圖形和文字的形式直觀地加以表達(dá)，為現(xiàn)實(shí)世界中的各種應(yīng)用提供科學(xué)、合理的支持。 由于空間分析手段直接融合了數(shù)據(jù)的空間定位能力，并能夠充分利用數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性特點(diǎn)，因此，其提供的決策支持將更加符合客觀現(xiàn)實(shí)，更具合理性。 目前，盡管各種商業(yè)軟件不斷推出，各

15、種應(yīng)用于空間的商業(yè)化手段也日臻完善，但是由于用戶的目的是千變?nèi)f化的，不能用一種定式加以限制， 因此，提出一種完全封裝的，高度智能的通用軟件是不現(xiàn)實(shí)的。 目前，更多的空間決策手段則是利用現(xiàn)有軟件提供的某些空間分析工具，按照用戶意圖，開發(fā)合理的決策模型，以實(shí)現(xiàn)決策支持。 國(guó)土規(guī)劃、場(chǎng)址選擇、災(zāi)害評(píng)價(jià)等都屬于空間分析決策所研究的領(lǐng)域，分析人員根據(jù)特定的決策目的與要求，運(yùn)用分析手段，分析相關(guān)的空間與非空間信息，得出分析結(jié)果。 因此，空間決策問題大大超過了地理信息系統(tǒng)的一般空間分析功能的要求?？臻g決策支持一般需要以下過程： （1）確定目標(biāo)）確定目標(biāo) 根據(jù)用戶的要求，確定用戶的最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，并對(duì)目標(biāo)性質(zhì)進(jìn)

16、行分類，初步認(rèn)識(shí)目標(biāo)。（2）建立模型）建立模型建立分析的運(yùn)作模型及定量模型。前者可以不考慮用戶的實(shí)際運(yùn)作過程；后者則可以參照用戶實(shí)際工作模型，結(jié)合數(shù)據(jù)的空間特點(diǎn)，形成定量分析模型。（3）尋求空間分析手段）尋求空間分析手段 結(jié)合以上分析結(jié)果，逐步分解細(xì)節(jié)，尋求空間分析手段，對(duì)各種可能的分析手段進(jìn)行分析，確定可行性的分析過程，尤其應(yīng)注意空間數(shù)據(jù)的有效連接，最后形成分析結(jié)果，提交用戶使用。 （4）結(jié)果評(píng)價(jià)）結(jié)果評(píng)價(jià) 空間分析結(jié)果的合理性，直接影響到?jīng)Q策支持的效果。合理可靠的結(jié)果會(huì)對(duì)決策起到推動(dòng)和促進(jìn)作用，并起到事半功倍的效果。但是，如果結(jié)果不合理，甚至錯(cuò)誤的分析結(jié)果會(huì)導(dǎo)致決策的失誤乃至失敗，從而導(dǎo)致

17、不可預(yù)見的后果。因此，應(yīng)對(duì)空間分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定結(jié)果的合理性和可靠性。 空間決策支持經(jīng)常用于諸如最佳路徑、選址、定位分析、資源分配等，經(jīng)常與空間數(shù)據(jù)發(fā)生關(guān)系的領(lǐng)域，通過對(duì)這些應(yīng)用領(lǐng)域的延伸，還可用于其它的某些社會(huì)或經(jīng)濟(jì)的部門。 空間決策支持與一般空間分析的區(qū)別: 空間決策支持應(yīng)用了多種分析運(yùn)作模型和分析定量模型，可以認(rèn)為空間決策支持比一般的空間分析具有更多的智能處理功能。實(shí)例分析：1問題提出問題提出 在某地建立一個(gè)國(guó)家森林旅游點(diǎn)，參考一定的旅游條件，在1：2.5萬地圖上確定出旅游點(diǎn)的范圍，并繪制成圖，最后提交決策者參考。 2數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)源 建立一個(gè)國(guó)家森林旅游點(diǎn)所需要的空間數(shù)據(jù)： D1：公路

18、及鐵路分布圖（1：2.5萬）線狀圖 D2：森林服務(wù)權(quán)屬圖（1：2.5萬）面狀地圖 D3：城鎮(zhèn)行政區(qū)劃圖（1：2.5萬）面狀圖詳細(xì)說明空間決策支持的一般過程3所實(shí)現(xiàn)的所實(shí)現(xiàn)的GIS功能功能 屬性重分類 面狀邊界消除與合并 緩沖區(qū)生成 拓?fù)浏B加 面積量測(cè) 中心點(diǎn)計(jì)算及疊加 繪圖輸出 生成報(bào)表 以上這些功能需要綜合應(yīng)用多種GIS的空間分析模型完成。4具體操作步驟具體操作步驟 （1）根據(jù)森林權(quán)屬數(shù)據(jù)將面狀地物分成林地與非林地兩大類。 （2）消除同一屬性值為林地或非林地的相鄰多邊形的邊界并加以合并。（3）在所有公路或鐵路周圍生成0.5km、1.0km寬的緩沖區(qū)，并分別賦屬性值。 （4）拓?fù)浏B加（2）、（3），生成新圖層，并連接屬性信息，得到具有下列屬性的多邊形： 林地、非林地； 0.5km內(nèi)區(qū)域;0.5km外且1.0km范圍以內(nèi)的區(qū)域； 1.0km范圍以外的區(qū)域；（5）拓?fù)浏B加城鎮(zhèn)邊界圖，得到市區(qū)、非市區(qū)屬性，并添加到步驟（4）所得到的屬性表中。（6）得到重新分類的面狀地物圖，其屬性組合可能存在以下類型： 類型約束條件 A 非林地 B 林地、市區(qū) C 林地、非市區(qū)且距公路或鐵路0.5km之內(nèi) D 林地、非市區(qū)且距公路或鐵路0.5km到1.0km之內(nèi) E 林地、非市區(qū)且距公路或鐵路1.0km之外 （7）消除并合并步驟（6）所得到的同類多邊形邊界。（8）量算步驟（7）