第八讲：空间模型与GIS建模孔云峰河南大学环境与规划学院2006年4月内容•事么是空间模型•空间模型的应用•GIS建模方法一、什么是空间模型空间模型（spatial model）•空间模型是用“方法+数据”的方式，对地理格局或过程的抽象和简化；•空间模型：–数学模型；–基于数理逻辑的决策模型，如层次分析模型；–基于Agent的模型，如元胞自动机；–智能仿生模型：如神经元网络、遗传算法。
•空间模型的作用：–表达/描述某种复杂的地理现象（知识交流）；–模拟某种地理运动的过程（场景分析）；–揭示某种地理想象的机理（科学研究）；–预测某种地理现象的发展（预测应用）。
理解空间模型•空间现象：自然现象、人文现象•空间数据：位置、时间、属性、尺度•空间模型：对于空间格局、过程的抽象描述•空间知识：空间认知、空间理论、空间规划理解空间模型•空间模型的种类相当多元化；•空间模型是对地理格局或过程的描述；•空间模型与空间位置密切相关，位置改变了，模型运算的结论也随之改变；•空间模型的本质：地理空间看起来像什么、他是如何运动的？•空间模型是现实世界的高度简化，空间模型的不确定性与空间、时间的详细程度相关。
模型举例•基于数学公式/数理逻辑的模型；–大量自然过程模型，如气候、水文、水土流失等–大量人文过程模型，如扩散现象、移民、FDI等–AHP/MCDM评估与决策模型•基于Agent的模型–城市交通行为：汽车–公共场所人群疏散：个人–SARS传播：个人–细胞自动机（CA）：地理单元•仿生模型–神经元网络–遗传算法二、空间模型的应用GIS空间模型的应用领域•应用领域–自然地理学–人文地理学–社会科学–商业–政府管理•应用目的–揭示地理“格局、过程、机理”–空间决策：资源分配、最佳位置、最佳线路多指标评价（AHP）模型•美国运筹学家T. L. Saaty于20世纪70年代提出的AHP 决策分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP方法），是一种定性与定量相结合的决策分析方法。
•它常常被运用于多目标、多准则、多要素、多层次的非结构化的复杂决策问题，特别是战略决策问题的研究，具有十分广泛的实用性。
•AHP决策分析法，是一种将决策者对复杂问题的决策思维过程模型化、数量化的过程。
通过这种方法，可以将复杂问题分解为若干层次和若干因素，在各因素之间进行简单的比较和计算，就可以得出不同方案重要性程度的权重，从而为决策方案的选择提供依据。
•AHP决策分析法，是解决复杂的非结构化的地理决策问题的重要方法，是计量地理学的主要方法之一。
多准则评价 模型 (MCDM)多准则评价模型 选择因子 因子分类 因子打分（隶属函数） 权重确定（比较矩阵） 因子影响累积 工业可持续发展评估 • 道路交通 • 人力资源 • 地形坡度投资环境评估 多指标综合评价模型 层次分析法(AHP)空间相关分析与回归分析相关分析是揭示地理要素之间相互关系的密切程 度。
而地理要素之间相互关系密切程度的测定，主 要是通过对相关系数的计算与检验来完成的。
– 两要素之间相关程度的测定 – 多要素间相关程度的测定 简单回归模型：两个地理要素x和y的回归模型 – yi=a+bxi x为自变量，y为因变量 – 通过最小二乘法估算参数ab 多个地理要素、非线性回归模型比较复杂“浮游植物的数量分布”与“养分”的相关关系分析• 数据相关分析表明：浮游植物数量与无机氮和无机磷的相关性均不显 著，但与活性硅酸盐呈显著相关，在枯水期两者之间呈显著正相关,而 在丰水期则刚好相反。
（为什么？） 依据此结论，建立两者之间的回归模型，预测浮游植物的空间分布， 服务于环境保护。
•考洲洋养殖水域浮游植物的数量分布（枯水期、丰水期）空间回归分析• 融雪速度与地面 温度和空气温度 密切相关 • 建立回归模型： M=aT+bD • 计算回归模型参 数a、b基于Agent的空间模型• 宏观现象是由大量的微观活动构成的； • 研究微观活动者（个人、地块）在特定地 理环境中的行为特征； • 计算机模拟大量微观活动者的集体行为。
• 人群疏散、城市交通、城市土地扩张、散 伙蔓延、 SARS传播…基于CA模型的开封市土地利用演化模 拟：2002、2010a、2010b（河南大学 GIS专业研究生 管相荣，2005）山火模拟SARS 传播与控制的模拟与分析（龚建华，2005）基于虚拟地理环境的SARS 传播与控制模拟研究。
基于虚拟地理环境理论与方法以 及居民社会活动行为时空模型，建立地理空间数据库、智能体对象库、知识库 等，开展基于智能体技术的虚拟地理环境原型系统研究，并在虚拟社区以及虚拟 医院内分别开展模拟试验、以及进行SARS控制措施效果的评价，以服务于SARS控 制的科学决策支持。
医院内的SARS时空传播模拟（龚建华，2005）人群疏散大型场所人群疏散足球比赛、演唱会、民间灯会、烟花晚会、集市、庙会… 如何疏导人流？ 紧急情况如何进行应急指挥？解决方案：1）场所设施与地理环境分析；2）个人疏散行为分 析；3）各种情形的人群疏散模拟；4）指挥方案确定。
麦加朝圣悲剧地理过程时空模拟• • • • 确定某一地理现象或地理问题； 采集具有时空特征的地理数据； 使用特定的模型进行计算； 模拟地理时空过程。
• 例如：环境变化、洪水、山火、污染扩 散、人口迁移等等地理过程（海湾氮浓度）动画模拟山洪模拟山火模拟浙江省诸暨市高湖流域的洪水演进三维可视化（龚建华提供）陕西韭园沟小流域水土保持坝系规划三维可视化系统，龚建华提供小流域水土保持坝系三维可视化模拟规划系统。
本系统旨在研究如何在计算机信息系统的 支持下，以陕西省绥德县韭园沟作为典型区域，快速生成小流域坝系规划方案，进行流域 坝系规划方案的优化比选，将坝系规划结果及水土保持现状以三维可视化技术进行模拟演 示。
二维规划坝高库容曲线坝的相关参数坝的位置坝的位置选择模型•模型的理论基础是否坚实，受否经受得起推敲？•模型的前提假设与实际情形是否一致？•模型运算结果与现实世界的近似程度？•实现模型的复杂程度？•模型需要的数据、计算能力？•模型应用的状况：有效性与精度？三、GIS环境建模方法GIS建模（GIS modeling）•GIS建模是在计算机环境中；•使用GIS软件管理空间数据；•选择或开发空间模型工具；•对空间数据进行计算、模拟、分析；•将分析结果（地图、动画等）输出。
数学方法和GIS的结合z研究一些复杂的地理问题，需要综合应用多种数学方法，建立一系列具有分析、模拟、仿真、预测、规划、决策、调控等多种功能的众多模型组成的模型系统。
这些模型系统离不开GIS的支持。
z GIS的基本技术及建造空间分析模型需要借助有关的数学方法来实现。
近几年来出现的基于知识的空间决策支持系统就是数学方法、人工智能技术与GIS技术在地理学应用研究领域中相互结合的成功典范。
GIS建模应用设计面临的主要问题•拟解决的问题，问题性质；•是否需要模型和建模；•模型的选择，包括模型类型和模型参数；•空间单元的设计；•选择或开发模型工具；•设计模型计算的步骤；•模型结果检验；•问题分析。
GIS建模四要素•良好的GIS建模工作需要：–数据：适当、可靠的数据；–模型：合适的模型；–计算机及软件工具：GIS、模型工具；–人：‘聪明’的人，理解问题、目标、方法和数据。
如何做好地理建模？•明确地理建模目标（科学目标、决策目标）；•理解空间现象与过程（定性化、定量化）；•使用数学语言（函数、模糊数学、离散数学、场论等）；•采集高质量数据（观测站、卫星遥感、测绘、空间采样等）；•使用计算机管理数据（数据库）；•信息技术：GIS、空间分析、制图、编程、多媒体；•做出合理的解释。
建模程序（威尔逊，英国）z明确建模的目标，选择/建造一个数学模型；z分析地理问题，即所研究的对象系统；z明确哪些变量是可控变量，即通过对这些变量的调控使系统的行为发生改变；z在模型中，如何处理时间概念，即认为被研究的对象系统是无记忆系统还是记忆系统，是建立静态模型还是建立动态模型。
ArcMap建模•利用ArcMap的数据管理、地图制图等功能；•利用ArcMap的空间分析工具；•选择概念模型，编程实现：–利用ArcObjects–使用内嵌VBA编程–使用任何语言，生成DLL，EXE 或OCX，ArcMap集成总结（1）•地理学中模型相当多；•地理模型分类：–数学模型–决策模型–Agent模型–神经元网络模型，等•地理建模要满足逼真度和复杂度的要求；•地理建模时，要抓住主要因子，描述或模拟地理现象。
总结（2）•常在GIS环境中进行地理建模与模拟：–GIS用于管理地理数据；–GIS作为地理数据探索工具；–GIS作为建模工具；–在GIS中运行模型，模拟地理现象；–使用GIS输出模拟结果。