GIS设计与实现第七章--地理模型库设计PPT课件.ppt

第七章第七章 地理模型地理模型库设计GIS设计与与实现教程教程1第七章第七章 地理模型地理模型库设计地理模型地理模型l对地理地理实体的特性及其体的特性及其变化化规律的一种表示或者抽象。律的一种表示或者抽象。l透透过地理模型，我地理模型，我们可以了解地理可以了解地理实体的本体的本质，便于，便于对地理地理现象与象与地理地理过程程进行定量分析和科学行定量分析和科学处理。理。地理建模的地理建模的过程程l运用数学运用数学语言、地理知言、地理知识和程序和程序设计工具，工具，对地理地理实体加以信息提体加以信息提取、数据取、数据转换、空、空间分析与制分析与制图输出等的程序化出等的程序化过程。程。第七章第七章 地理模型地理模型库设计地理模型的建立地理模型的建立过程：程：“实践践-理理论-实践践”的循的循环l实践：践：问题定定义、模型假、模型假设、演、演绎求解及推断求解及推断过程。程。l理理论：给出数学上和地理上的分析、出数学上和地理上的分析、预报、决策或控制。、决策或控制。l实践：践：经过解解译回到回到现实世界中。世界中。l循循环：如果：如果检验结果正确或可行，即可用于果正确或可行，即可用于GIS分析和操作；否分析和操作；否则就要重新就要重新进行分析、行分析、归纳与修改地理模型，直至得到与修改地理模型，直至得到满意的意的检验结果。果。教学提教学提纲第一第一节 地理模型地理模型第二第二节 地理模型的建立地理模型的建立第三第三节 地理模型地理模型库4第一第一节 地理模型地理模型5第一第一节 地理模型地理模型一、一、地理模型概述地理模型概述二、地理模型的特点二、地理模型的特点三、地理模型在三、地理模型在应用型用型GIS设计中的作用中的作用四、地理模型的分四、地理模型的分类6一、地理模型概述一、地理模型概述地理模型地理模型l描述地理系描述地理系统各地学要素之各地学要素之间的相互关系和客的相互关系和客观规律信息的律信息的语言的言的或数学的或其他表达形式或数学的或其他表达形式.l通常反映了地学通常反映了地学过程及其程及其发展展趋势或或结果。果。专题分析模型分析模型l对于于GIS来来说，专题分析模型是根据关于目分析模型是根据关于目标的知的知识将系将系统数据重数据重新新组织，得出与目，得出与目标有关的更有关的更为有序的新的数据集合的有关有序的新的数据集合的有关规则和和公式，公式，这是是应用用GIS进行生行生产和科研的重要手段。和科研的重要手段。一、地理模型概述一、地理模型概述在建立地理模型在建立地理模型时，必，必须遵守以下原遵守以下原则：l相似性相似性在允在允许的精度范的精度范围内，内，较好地反映地理好地反映地理实体的客体的客观本本质。l抽象性抽象性在深入在深入认识地理地理实体的前提下，抽象出更深体的前提下，抽象出更深层次的理性表达。次的理性表达。l简洁性性既是地理既是地理实体的抽象表达，又必体的抽象表达，又必须是地理是地理实体的体的简化，以降低求解化，以降低求解难度。度。l正确性正确性必必须使模型的运行使模型的运行结果与所模果与所模拟的地理的地理实体的演体的演变有有较高的精确度。高的精确度。l可控性可控性以地理模型所表示的地理以地理模型所表示的地理环境，要能境，要能进行控制下的运行及模行控制下的运行及模拟。二、地理模型的特点二、地理模型的特点地理模型的建立必地理模型的建立必须以以专业知知识和和专门研究研究为基基础地理模型是地理模型是综合利用合利用GIS系系统中大量数据的中大量数据的专业化模化模块地理模型是地理模型是GIS应用系用系统解决各种解决各种实际问题的武器的武器地理模型是地理模型是GIS应用系用系统向更高技向更高技术水平水平发展的基展的基础三、地理模型在三、地理模型在应用型用型GIS设计中的作用中的作用应用型用型GIS总体体设计需根据具体需要采用适用的地理模型需根据具体需要采用适用的地理模型l空空间数据数据库数据内容的数据内容的选择根据根据应用型用型GIS的任的任务目目标，结合地理模型的数据要求，在数据合地理模型的数据要求，在数据库建建设时预先先规划好数据采集的范划好数据采集的范围、精度、量、精度、量测方法等；同方法等；同时，在数据，在数据结构构设计时也也应以最好以最好地表示地理地表示地理现象和易于模型象和易于模型实现为标准。准。lGIS硬件硬件环境的境的选择根据地理模型的根据地理模型的输入、入、输出和运算方法出和运算方法选择经济实用的硬件支持。用的硬件支持。lGIS软件功能的件功能的选择根据地理模型的管理和运行根据地理模型的管理和运行设计适用的适用的软件功能。件功能。第一第一节 地理模型地理模型四、地理模型的分四、地理模型的分类1.按空按空间对象分象分类2.按按对象状象状态分分类3.按功能分按功能分类11四、地理模型的分四、地理模型的分类|按空按空间对象分象分类根据所表达的空根据所表达的空间对象的不同分象的不同分为：l理理论模型模型基于物理或化学原理的理基于物理或化学原理的理论模型，一般模型，一般应用数学分析方法来建立数学表达式，反用数学分析方法来建立数学表达式，反映地理映地理过程本程本质的理化的理化规律，如地表径流模型、海洋和大气律，如地表径流模型、海洋和大气环流模型等。流模型等。l经验模型模型基于基于变量之量之间的的统计关系或启关系或启发式关系的模型的式关系的模型的统称，是通称，是通过数理数理统计方法和大方法和大量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。建立的模型，如水土流失模型、适宜性分析模型等。l混合模型混合模型基于理基于理论原理和原理和经验的混合模型。的混合模型。这类模型中既有基于理模型中既有基于理论原理的确定性原理的确定性变量，量，也有也有应用用经验加以确定的不确定性加以确定的不确定性变量，如量，如资源分配模型、位址源分配模型、位址选择模型等。模型等。四、地理模型的分四、地理模型的分类|按空按空间对象分象分类按空按空间对象分象分类模型分模型分类理理论依据依据应用用领域（域（举例）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用模型的空间对象分象分类 （据（据陈述彭等）述彭等）四、地理模型的分四、地理模型的分类|按空按空间对象分象分类三种模型的三种模型的优缺点缺点l理理论模型模型优点：因果关系清楚，可以精确地反映系点：因果关系清楚，可以精确地反映系统内各要素之内各要素之间的定量关系，的定量关系，对自然自然过程易于控制。程易于控制。缺点：缺点：难以包括太多的要素，以包括太多的要素，简化的理想情形削弱了化的理想情形削弱了实用性。用性。l经验模型模型优点：可以通点：可以通过大量的大量的实践建立，践建立，简单实用、适用性广、可以用、适用性广、可以处理大量相关因素。理大量相关因素。缺点：缺点：过程不清，采用程不清，采用“黑箱黑箱”或或“灰箱灰箱”方法建立。方法建立。l混合模型混合模型结合上述两种模型的特点，在地理建模中合上述两种模型的特点，在地理建模中应用用较为广泛。广泛。四、地理模型的分四、地理模型的分类|按按对象状象状态分分类按照研究按照研究对象的瞬象的瞬时状状态和和发展展过程，地理模型的分程，地理模型的分类l静静态地理模型地理模型面向地理空面向地理空间格局分析，用于分析地理格局分析，用于分析地理现象及要素的空象及要素的空间相互作用。相互作用。这是目前是目前较为常常见的地理模型，大部分的地理模型，大部分GIS平台都具平台都具备较好的空好的空间分析工具用于分析工具用于静静态模型的模型的应用。用。l动态地理模型地理模型主要面向地理主要面向地理过程研究，用于程研究，用于预测研究目研究目标的的时空空动态演演变及及趋势。如城市。如城市扩展、展、土地利用土地利用变化、人口迁移、疾病化、人口迁移、疾病扩散、火灾蔓延、洪水淹没等。散、火灾蔓延、洪水淹没等。这是是应用型用型GIS进行地理建模行地理建模应重点关注的内容。重点关注的内容。四、地理模型的分四、地理模型的分类|按功能分按功能分类按照地理模型的功能，地理模型的分按照地理模型的功能，地理模型的分类l统计分析模型分析模型l预测模型模型l决策模型决策模型l模模拟模型模型lGIS空空间分析模型分析模型第二第二节 地理模型的建立地理模型的建立17第二第二节 地理模型的建立地理模型的建立一、一、地理建模的一般地理建模的一般过程程二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法三、地理模型的建立三、地理模型的建立四、四、GIS与地理模型的集成与地理模型的集成18第二第二节 地理模型的建立地理模型的建立建立平台建立平台l在在应用型用型GIS建建设中，一般采用在通用型中，一般采用在通用型GIS平台（如平台（如ArcGIS）上）上进行二次开行二次开发的建的建设模式。模式。l在在这种情况下，地理模型的建种情况下，地理模型的建设也是基于通用型也是基于通用型GIS平台所提供的空平台所提供的空间处理与分析理与分析设计基基础环境境进行。行。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。第二第二节 地理模型的建立地理模型的建立GIS平台所具平台所具备的主要空的主要空间数据数据处理与空理与空间分析功能分析功能一、地理建模的一般一、地理建模的一般过程程地理建模流程地理建模流程l在地理研究在地理研究实践中通践中通过不断不断观察和察和总结，形成研究，形成研究实体的概念模型。体的概念模型。l采用数理采用数理统计方法摸索方法摸索统计规律，上升到理律，上升到理论模型。模型。l再采用再采用综合方法建立合方法建立实用的分析模型。用的分析模型。建模准建模准备模型模型应用用模型分析与模型分析与检验建模假建模假设建立模型建立模型模型求解模型求解地理建模流程地理建模流程图一、地理建模的一般一、地理建模的一般过程程地理建模的一般地理建模的一般过程程l建模准建模准备一、地理建模的一般一、地理建模的一般过程程地理建模的一般地理建模的一般过程程l建模准建模准备建模准建模准备包括了解地理包括了解地理问题的的实际背景、明确地理建模的目的、掌握地理背景、明确地理建模的目的、掌握地理对象的象的各种信息（如数据各种信息（如数据资料等）以及搞清料等）以及搞清对象的特征。象的特征。针对不同的不同的领域域问题，建模者需要，建模者需要进行深入行深入细致的致的调查研究，按模型的需要有目研究，按模型的需要有目的地收集所需的地收集所需资料。料。一、地理建模的一般一、地理建模的一般过程程地理建模的一般地理建模的一般过程程l建模准建模准备l模型假模型假设一、地理建模的一般一、地理建模的一般过程程地理建模的一般地理建模的一般过程程l建模准建模准备l模型假模型假设模型假模型假设是根据地理是根据地理对象的特性和建模的目的，象的特性和建模的目的，对问题进行必要的行必要的简化，并且用化，并且用精确的精确的语言作出假言作出假设。这是地理建模的关是地理建模的关键，要辨，要辨别问题的主要和次要方面，尽量将的主要和次要方面，尽量将问题均匀化、均匀化、线性性化。化。一、地理建模的一般一、地理建模的一般过程程地理建模的一般地理建模的一般过程程l建模准建模准备l模型假模型假设l建立模型建立模型一、地理建模的一般一、地理建模的一般过程程地理建模的一般地理建模的一般过程程l建模准建模准备l模型假模型假设l建立模型建立模型建立模型是指根据所做的假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，利用适当的数学工具，确定各因子之间的的联系，系，通通过表格、表格、图形或是其它数学形或是其它数学结构建立地理模型。构建立地理模型。建模者需要掌握建模者需要掌握较为广泛的数学知广泛的数学知识。一、地理建模的一般一、地理建模的一般过程程地理建模的一般地理建模的一般过程程l建模准建模准备l模型假模型假设l建立模型建立模型l模型求解模型求解一、地理建模的一般一、地理建模的一般过程程地理建模的一般地理建模的一般过程程l建模准建模准备l模型假模型假设l建立模型建立模型l模型求解模型求解对以上建立的模型以上建立的模型进行数学上的求解，包括解方程、画行数学上的求解，包括解方程、画图形、形、逻辑推理、推理、稳定性定性讨论等。等。模型求解要求建模者掌握一些常用数据分析模型求解要求建模者掌握一些常用数据分析软件，如件，如Matlab、SPSS等。等。一、地理建模的一般一、地理建模的一般过程程地理建模的一般地理建模的一般过程程l建模准建模准备l模型假模型假设l建立模型建立模型l模型求解模型求解l模型分析模型分析一、地理建模的一般一、地理建模的一般过程程地理建模的一般地理建模的一般过程程l建模准建模准备l模型假模型假设l建立模型建立模型l模型求解模型求解l模型分析模型分析对模型求解的模型求解的结果果进行数学和地理上的分析。行数学和地理上的分析。需根据地理需根据地理问题的性的性质，分析各，分析各变量之量之间的依的依赖关系；要求关系；要求对结果果进行行预测、最、最优决策或控制等。决策或控制等。一、地理建模的一般一、地理建模的一般过程程地理建模的一般地理建模的一般过程程l建模准建模准备l模型假模型假设l建立模型建立模型l模型求解模型求解l模型分析模型分析l模型模型检验一、地理建模的一般一、地理建模的一般过程程地理建模的一般地理建模的一般过程程l建模准建模准备l模型假模型假设l建立模型建立模型l模型求解模型求解l模型分析模型分析l模型模型检验用用实际现象或数据象或数据检验模型的合理性和适用性，即模型的合理性和适用性，即检验模型的正确性。模型的正确性。若若检验结果正确，模型即可用；若果正确，模型即可用；若检验结果有果有误，则需修改或重新建模。需修改或重新建模。经验表表明，模型假明，模型假设是最易是最易导致致结果有果有误的的环节。第二第二节 地理模型的建立地理模型的建立二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法1.主成分分析法主成分分析法2.系系统聚聚类分析法分析法3.层次分析法次分析法4.模糊模糊综合合评价法价法5.地地统计分析方法分析方法6.人工神人工神经网网络方法方法7.元胞自元胞自动机模型机模型34二、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主要应用用l需要涉及大量相互关需要涉及大量相互关联的自然和社会要素的背景的自然和社会要素的背景基本原理基本原理l较少的少的综合指合指标替代替代较多的多的变量指量指标l较少的少的综合指合指标尽量多的反映尽量多的反映较多的信息多的信息l较少的少的综合指合指标彼此独立彼此独立二、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主成分分析法主要的计算步算步骤l建立建立观测值矩矩阵。l计算相关系数矩算相关系数矩阵。l计算特征算特征值与特征向量。与特征向量。l计算主成分算主成分贡献率及累献率及累计贡献率。献率。l计算主成分算主成分载荷，最荷，最终得到各主成分的得分。得到各主成分的得分。系系统聚聚类分析的基本原理分析的基本原理l假假设要要评价的地理要素有价的地理要素有n个个评价价单元元,每个每个单元元测得得P个指个指标（变量）量）评价价值：首先将首先将n个个单元（或元（或样本）各自看成一本）各自看成一类。然后根据然后根据单元（或元（或样本）本）间的相似程度，将最相似的两的相似程度，将最相似的两类加以合并。加以合并。然后然后计算新算新类与其他与其他类之之间的相似程度，再的相似程度，再选择最相似者并最相似者并类，这样每合并一每合并一类，就减少一就减少一类，继续这一一过程，直至将所有相似程，直至将所有相似单元（或元（或样本）合并本）合并为一一类为止。止。其相似程度由距离或相似系数定其相似程度由距离或相似系数定义，主要有，主要有绝对值距离、欧氏距离、切比雪夫距距离、欧氏距离、切比雪夫距离、离、马氏距离、氏距离、兰氏距离、相似系数、指数相似系数和定性指氏距离、相似系数、指数相似系数和定性指标的距离等。的距离等。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|系系统聚聚类分析法分析法层次分析法的基本原理次分析法的基本原理l层次分析法将复次分析法将复杂问题的各个因素划分的各个因素划分为相互相互联系的有序系的有序层次，使之次，使之条理化，然后客条理化，然后客观的判断每一的判断每一层次各因素的相次各因素的相对重要性，确定出每一重要性，确定出每一层次相次相对重要性的重要性的权值。l层次分析法在次分析法在许多地理决策建模中得到广泛的多地理决策建模中得到广泛的应用。用。地理决策地理决策问题关关联着很多因素因子条件，着很多因素因子条件，层次分析法把相关次分析法把相关联的要素按隶属关系的要素按隶属关系划分划分为若干若干层次，次，请有有经验的的专家家们对各各层次、各因素的相次、各因素的相对重要性重要性给出定量指出定量指标，利用数学方法，利用数学方法综合众人意合众人意见给出各出各层次、各要素的相次、各要素的相对重要性重要性权值。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|层次分析法次分析法层次分析方法的一般步次分析方法的一般步骤l建立建立层次次结构模型。构模型。将有关的各个因素按照不同属性自上而下地分解成若干将有关的各个因素按照不同属性自上而下地分解成若干层次，最上次，最上层为目目标层，最下最下层通常通常为方案或方案或对象象层，中，中间可以有一个或几个可以有一个或几个层次，通常次，通常为准准则或指或指标层。l构造成构造成对比比较阵。从从层次次结构模型的第构模型的第2层开始，开始，对于从属于（或影响）上一于从属于（或影响）上一层每个因素的同一每个因素的同一层诸因素，用成因素，用成对比比较法和法和1-9比比较尺度构造成尺度构造成对比比较阵，直到最下，直到最下层。l计算算权向量并做一致性向量并做一致性检验。对于每一个成于每一个成对比比较阵计算最大特征根及算最大特征根及对应特征向量，利用一致性指特征向量，利用一致性指标、随机、随机一致性指一致性指标和一致性比率做一致性和一致性比率做一致性检验。l计算算组合合权向量并做向量并做组合一致性合一致性检验。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|层次分析法次分析法定定义l一种运用模糊数学原理分析和一种运用模糊数学原理分析和评价模糊系价模糊系统分析方法。分析方法。原理原理l模糊数学把模糊数学把经典集合典集合论中的只能取中的只能取0和和1两个两个值的特征函数，拓展到在的特征函数，拓展到在0，1闭区区间上取上取值得到隶属函数，把得到隶属函数，把绝对的属于与不属于的的属于与不属于的“非此非此即彼即彼”扩展展为更加灵活的更加灵活的渐变函数。函数。应用用l在地理学中，模糊在地理学中，模糊综合合评判方法常常被用于判方法常常被用于资源和源和环境条件境条件评价、生价、生态评价、区域可持价、区域可持续发展展评价等方面价等方面二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|模糊模糊综合合评价法价法地地统计学的基本概念学的基本概念l以区域化以区域化变量理量理论为基基础，以，以变异函数异函数为主要工具，研究那些在空主要工具，研究那些在空间分布上既有随机性、又有分布上既有随机性、又有结构性，或空构性，或空间相关相关联性和依性和依赖性的的自然性的的自然现象的一象的一门科学。科学。在地在地统计分析方法中的几个重要概念分析方法中的几个重要概念l地地统计学最基本的两个函数，学最基本的两个函数，协方差函数和半方差函数和半变异函数，是以建立区异函数，是以建立区域化域化变量理量理论为基基础而建立起来的。而地而建立起来的。而地统计的主要插的主要插值方法之一，方法之一，克里格（克里格（kringing），就是建立在），就是建立在边缘函数理函数理论和和结构分析基构分析基础之上之上的。的。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|地地统计分析方法分析方法在地在地统计分析方法中的几个重要概念分析方法中的几个重要概念l区域化区域化变量量也称也称为区域化随机区域化随机变量，区域化随机量，区域化随机变量量则根据其在区域内的位置不同而取不同根据其在区域内的位置不同而取不同值。也就是。也就是说，区域化随机，区域化随机变量是普通随机量是普通随机变量在一个区域内确定位置上的确定量在一个区域内确定位置上的确定取取值，它是与位置有关的函数。，它是与位置有关的函数。区域化区域化变量具有两个最重要的特性，即随机性和量具有两个最重要的特性，即随机性和结构性。构性。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|地地统计分析方法分析方法在地在地统计分析方法中的几个重要概念分析方法中的几个重要概念l空空间协方差：它反映区域化方差：它反映区域化变量量间的差异，用下式表示：的差异，用下式表示：式中，式中，为两两样本点的空本点的空间分隔距离；分隔距离；为 在空在空间位置位置 处的是的是实测值，是是 在在处距离偏离距离偏离 的的实测值 ，是分隔距是分隔距离离为 时的的样本点本点总对数，数，和和 分分别为 和和 的的样本平均数。本平均数。l半半变异函数异函数半半变异函数又称半异函数又称半变差函数或半差函数或半变异矩。是地异矩。是地统计分析所特有的工具。区域化分析所特有的工具。区域化变量量 在点在点 和和 处的的值 和和 差的方差的一半，称差的方差的一半，称为区域化区域化变量量 的半的半变异函数，异函数，记为 。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|地地统计分析方法分析方法在地在地统计分析方法中的几个重要概念分析方法中的几个重要概念l克里格插克里格插值方法方法 克里格法是根据待估克里格法是根据待估样本点有限本点有限邻域内若干已域内若干已测定的定的样本点数据，在考本点数据，在考虑了了样本本点的形状、大小和空点的形状、大小和空间相互位置关系，与相互位置关系，与样本点的相互空本点的相互空间位置关系，以及位置关系，以及变异异函数提供的函数提供的结构信息之后，构信息之后，对待估待估样本点本点值进行的一种行的一种线性无偏最性无偏最优估估计。克里格方法主要有：普通克里格、克里格方法主要有：普通克里格、简单克里格、泛克里格、克里格、泛克里格、协同克里格、同克里格、对数正数正态克里格、指示克里格、概克里格、指示克里格、概论克里格、析取克里格等。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|地地统计分析方法分析方法人工神人工神经网网络l是具有高度非是具有高度非线性的超大性的超大规模模连续时间的的动力系力系统。l由大量神由大量神经元广泛互元广泛互联形成的网形成的网络。l具有自学具有自学习功能、功能、联想存想存储功能和高速功能和高速寻找找优化解能力等三大化解能力等三大优势。l特特别适合用于地理模式适合用于地理模式识别、地理、地理过程模程模拟和和预测、复、复杂地理系地理系统的的优化化计算等算等问题的研究。的研究。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|人工神人工神经网网络方法方法与回与回归模型相比人工神模型相比人工神经网网络的的优点：点：l神神经网网络是非是非线性的，不要性的，不要输入入变量和量和输出数据之出数据之间的先的先验函数关系。函数关系。l神神经网网络技技术可以用来分析复可以用来分析复杂的数据模型，包括的数据模型，包括连续的、近似的、近似连续的或者明确的、模糊的的或者明确的、模糊的输入数据，以及数据入数据，以及数据实现多元多元输出。出。l神神经网网络的分析的分析训练和和检验阶段一旦成功，段一旦成功，产生的算法很容易运用于生的算法很容易运用于实践。践。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|人工神人工神经网网络方法方法元胞自元胞自动机机l以空以空间中有中有规则排列的元胞（排列的元胞（Cell）为数据数据单元。元。l每个元胞有一个状每个元胞有一个状态（State）。）。l元胞的下一个状元胞的下一个状态取决于所有相取决于所有相邻元胞的状元胞的状态和和转换规则。元胞自元胞自动机最基本的机最基本的组成要素成要素l元胞空元胞空间（Lattice）、状）、状态空空间（States）、）、邻居（居（Neighbors）、）、转化化规则（Rule）l利用形式利用形式语言以一个四元言以一个四元组描述：描述：二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|元胞自元胞自动机模型机模型元胞自元胞自动机模型机模型l 式中，式中，M为元胞自元胞自动机；机；L代表代表规则划分的网格空划分的网格空间，也就是元胞空，也就是元胞空间，每个格网，每个格网单元就是一个元胞；元就是一个元胞；S是元胞是元胞处于的状于的状态集合；集合；N是元胞的是元胞的邻域域环境；境；f是局域是局域转换规则函数。函数。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|元胞自元胞自动机模型机模型元胞自元胞自动机模型机模型l元胞空元胞空间元胞分布的空元胞分布的空间，元胞空，元胞空间通常是一通常是一维或者二或者二维空空间，但理，但理论上可以是任意正整上可以是任意正整数数维的欧式空的欧式空间。l元胞的状元胞的状态空空间指元胞在某离散的指元胞在某离散的时刻的状刻的状态取取值的集合，每一个元胞可以的集合，每一个元胞可以对应多个状多个状态变量，量，它是一个离散的有限集合。元胞的状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。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|元胞自元胞自动机模型机模型元胞自元胞自动机模型机模型l元胞的元胞的邻域域指元胞周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些元胞的状态来决定，要确定由周来决定，要确定由周围哪些元胞的状哪些元胞的状态来决定，来决定，则必必须定定义一个一个邻域域结构来明确构来明确一个元胞的一个元胞的邻域范域范围。l转换规则是一个状是一个状态转移函数，是根据当前移函数，是根据当前时刻本元胞及其刻本元胞及其邻居的状居的状态确定下一个确定下一个时刻本刻本元胞状元胞状态的的动力学函数。力学函数。二、地理建模常用方法二、地理建模常用方法|元胞自元胞自动机模型机模型第二第二节 地理模型的建立地理模型的建立三、地理模型的建立三、地理模型的建立1.地理模型建模途径地理模型建模途径2.地理建模地理建模实例例51在在GIS环境内构建地理模型，分境内构建地理模型，分为两两类：lGIS软件商直接提供，如件商直接提供，如ESRI公司提供的水文分析模公司提供的水文分析模块。lGIS应用者利用用者利用GIS软件提供的宏件提供的宏语言、言、应用函数用函数库（API）或功能）或功能组件（件（COM）等，）等，发展各自所需的空展各自所需的空间分析模型。分析模型。将由将由GIS软件支持的功能看做模型部件，按照分析目的和件支持的功能看做模型部件，按照分析目的和标准，准，对部件部件进行有机行有机的的组合。合。构建的空构建的空间分析模型，开分析模型，开发的效率的效率较高，高，GIS用用户比比较容易理解和容易理解和应用。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在在GIS环境外构建地理模型境外构建地理模型l将将GIS当作一个空当作一个空间数据数据库来用，空来用，空间模型分析的功能模型分析的功能则利用其他利用其他软件（例如件（例如SAS，SPSS，GLIM）或）或计算机高算机高级程序程序语言如言如C，C+等等来来编写。写。l根据不同的数据共享方法，可分根据不同的数据共享方法，可分为两两类：一一类是不与空是不与空间数据数据库共享数据，共享数据，这种方法比种方法比较容易容易实现，但，但时间和空和空间效率均效率均不高。不高。另一另一类是空是空间分析模型和分析模型和GIS空空间数据数据库共享数据，共享数据，这种方法的最大种方法的最大优点是，可点是，可以利用以利用现有的空有的空间分析分析软件。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独立开独立开发构建地理模型构建地理模型l独立开独立开发实现一个一个GIS应用用软件系件系统：如国：如国产的的MAPGIS、SuperMap、GeoStar等等软件就包含了很多自行开件就包含了很多自行开发实现的的应用分析用分析模型。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ArcGIS Model Builder简介介l提供了一种便捷构造地理模型的提供了一种便捷构造地理模型的图形化建模工具形化建模工具模型生成器模型生成器（Model Builder）。）。lModel Builder的技的技术特色特色空空间处理流程自理流程自动化。化。方便共享地理方便共享地理处理知理知识。方便添加复方便添加复杂处理模型。理模型。三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模地理建模实例例ArcGIS Model Builder简介介l模型生成器窗口由菜模型生成器窗口由菜单栏、工具条和、工具条和图形窗口形窗口3部分部分组成。成。三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模地理建模实例例工具条工具条图形窗口形窗口菜菜单条条ArcGIS Model Builder简介介l通通过Model Builder生成的模型主要生成的模型主要输入数据、入数据、输出数据和空出数据和空间处理理工具三部分工具三部分组成。成。输入数据和入数据和输出数据的出数据的类型可以是型可以是栅格数据集、格数据集、Shape文件、文件、Coverage等。等。空空间处理工具包括理工具包括ArcToolbox中的所有工具集，也可以使用模型（中的所有工具集，也可以使用模型（model）、由）、由脚本（如脚本（如Python）定制的工具或其他工具箱中的系）定制的工具或其他工具箱中的系统工具。工具。三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模地理建模实例例ArcGIS Model Builder简介介lModel Builder的元素的元素三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模地理建模实例例Tools（工具）（工具）:与与ArcToolbox一一样，可以直接拖拽到，可以直接拖拽到Model中来使用，在中来使用，在Model中，默中，默认用金黄色的方框表用金黄色的方框表现；Project data（业务数据）：在工具数据）：在工具执行之行之前存在的任何数据，前存在的任何数据，Project data 作作为工具的工具的输入数据，用深入数据，用深蓝色的色的椭圆来表来表现；Derived data（中（中间生成数据）：是根据生成数据）：是根据业务数据与工具分析之后数据与工具分析之后生成的新数据生成的新数据,一般用一般用绿色的色的椭圆来表来表现；Values（值）：参）：参考工具参数而不是数据考工具参数而不是数据集，如集，如缓冲工具的冲工具的缓冲冲距离，距离，value一般用浅一般用浅蓝色色椭圆表表现；Derived values（中（中间生成参数）：运行工具以后生成参数）：运行工具以后创建的建的参考参考值，例如，例如计算默算默认簇容限工具的簇容限工具的输出出值。用浅。用浅绿色色椭圆表表现。ArcGIS Model Builder建模示例建模示例（利用（利用DEM数据提取子流域）数据提取子流域）l加加载数据数据在在ArcMap中新建地中新建地图文档，添加文档，添加DEM、行政、行政边界等数据，并界等数据，并设置地置地图显示示样式。式。三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模地理建模实例例研究区研究区DEM数据数据ArcGIS Model Builder建模示例建模示例（利用（利用DEM数据提取子流域）数据提取子流域）三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模地理建模实例例l模型工作目模型工作目录设置置打开打开Arctoolbox，执行菜行菜单命令：命令：“Tools”（工具）（工具）“Options”（选项）。）。打开打开设置置对话框，框，设置置“Geoprocessing”（空（空间处理）理）选项页中中“My Toolboxes”（我（我的工具箱）。的工具箱）。指定模型存指定模型存储工作路径，如工作路径，如“D:ArcGIS Models”，下面建立的模型将会被保存到，下面建立的模型将会被保存到该目目录，文件后，文件后缀为.tbx。ArcGIS Model Builder建模示例建模示例（利用（利用DEM数据提取子流域）数据提取子流域）三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模地理建模实例例l新建工具集新建工具集在在Arctoolbox中，右中，右键点点击根目根目标“ArcToolbox”。在右在右键菜菜单中中执行行“New Toolbox”（新的（新的工具箱）命令。工具箱）命令。将会在上面定将会在上面定义的模型工作目的模型工作目录“D:ArcGIS Models”创建一个工具箱，将建一个工具箱，将新建工具箱改名，比如新建工具箱改名，比如“MyFirst”。ArcGIS Model Builder建模示例建模示例（利用（利用DEM数据提取子流域）数据提取子流域）三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模地理建模实例例l模型模型创建建右右键点点击新建的工具箱新建的工具箱“MyFirst”，在右，在右键菜菜单中，中，执行命令：行命令：“New”（新建）（新建）“Model”（模型），将打开（模型），将打开“Model Builder”编辑窗口。窗口。对已存在的模型，右已存在的模型，右键点点击模型后，模型后，选择“Edit”（编辑）也可以打开）也可以打开“Model Builder”窗口，窗口，对已存在的模型已存在的模型进行行编辑。ArcGIS Model Builder建模示例建模示例（利用（利用DEM数据提取子流域）数据提取子流域）三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模地理建模实例例l模型属性模型属性设置置在在“Model Builder”窗口中，窗口中，执行菜行菜单命令命令：“Model”（模型）（模型）“Model Properties”（模型属性），在其中可（模型属性），在其中可对模型的名称及模型的名称及标注、注、Environment Settings（环境参数）、境参数）、Diagram Properties（图解属性）等内容解属性）等内容进行行设置。置。ArcGIS Model Builder建模示例建模示例（利用（利用DEM数据提取子流域）数据提取子流域）三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模地理建模实例例l模型模型编辑应用用ArcToolbox中中“Spatial Analyst toolbox Hydrology”工具集，使用工具工具集，使用工具条上的条上的绘图工具（如工具（如选择、添加、添加连接等）接等）在在编辑窗口窗口绘制模型。制模型。ArcGIS Model Builder建模示例建模示例（利用（利用DEM数据提取子流域）数据提取子流域）三、地理模型的建立三、地理模型的建立|地理建模地理建模实例例l模型运行模型运行在在“Model Builder”窗口中窗口中执行菜行菜单命令：命令：“Model”（模型）（模型）“Run Entire Model”（运行整个模型），耐心等待（运行整个模型），耐心等待计算算结果。果。第二第二节 地理模型的建立地理模型的建立四、四、GIS与地理模型的集成与地