第十讲空间建模与空间决策支持

第十讲空间建模与空间决策支持 城市建设系GIS教研室

课题：空间建模与空间决策支持 • 目的要求：要求掌握空间分析的一般过程，掌握空间决策分析的一般步骤，能根据所给问题进行分析，建立地图模型并进行分析，辅助空间决策。 • 教学重点：空间分析、空间决策支持相关技术的概念和理论 • 教学难点：对具体问题进行分析并建模 • 教学课时：2课时 • 教学方法: 讲授 • 本次课涉及的学术前沿：专家系统、数据挖掘、元胞自动机

空间分析是地理信息系统技术的核心。 根据空间分析的智能化程度，可以将空间分析划分为一般空间分析、空间决策支持、智能空间决策支持。空间分析过程及其模型

一般空间分析方法前面已经进行了详细的讨论，主要包括叠置分析、缓冲区分析、网络分析、空间插值等。一般空间分析方法前面已经进行了详细的讨论，主要包括叠置分析、缓冲区分析、网络分析、空间插值等。在一些常用的GIS软件中，如ARC/INFO，ARCVIEW，GEOSTAR等，都具有这些空间分析的功能。应用这些一般的空间分析功能模块进行空间分析时，通常同时运用多种空间分析操作。因此，设计高效率的空间分析过程将十分有利于问题的解决。执行空间分析的一般步骤： 1 一般空间分析

步骤1：建立分析目的和标准 分析目的是用户打算利用地理数据库回答什么问题，而标准是将如何利用GIS来回答这些问题。例如，某项研究的目的：是确定适合建造一个新公园的位置公园的位置必须是从主要公路上容易到达的，但又不能太靠近公路等。而满足这些目的的标准，应该可以表述成用一系列的空间查询语句来进行分析的格式。对每个标准可以利用缓冲区分析、叠置分析等空间分析操作进行分析，然后对分析结果进行评价。

步骤2：准备空间操作的数据 确定和准备空间分析中所要用到的数据，包括空间数据和属性数据。数据准备要求因研究对象不同而异，在进行分析之前，对数据准备进行全面的考察将有助于用户有效地完成分析工作。根据任务考察数据的精度、分辨率、时效性…… 一般空间分析的步骤

步骤3：进行空间分析操作 这一步骤是地理信息系统所特有的。正是利用这一步骤产生了用于分析的空间关系。空间分析操作包括缓冲区分析、拓扑叠加分析、特征抽取以及特征合并等。每个空间分析操作都将产生分析所需的新信息。为了得到符合要求的数据，可能需要进行多种操作。一般空间分析的步骤

步骤4：准备表格分析的数据 大多数分析都要求利用空间操作得到一个最终图层（Coverage）或一组图层（Coverages）。一旦产生了最终的图层（Coverage），就必须准备用于分析的数据，包括空间数据和描述数据。一般空间分析的步骤

步骤5：进行表格分析 利用逻辑表达式和算术表达式，对步骤3中进行空间操作所获得的新属性关系进行分析。 • 步骤3：进行空间分析操作 • 这一步骤是地理信息系统所特有的。正是利用这一步 • 骤产生了用于分析的空间关系。 • 空间分析操作包括缓冲区分析、拓扑叠加分析、特征 • 抽取以及特征合并等。 • 每个空间分析操作都将产生分析所需的新信息。为了 • 得到符合要求的数据，可能需要进行多种操作。

步骤6：结果的评价和解释 通过表格分析后获得了一个结果，必须对这个分析结果进行评价，以确定其有效性。步骤7：如有需要，改进分析考虑到分析还具有某些局限性和缺点以后，可以决定改进分析。步骤8：产生分析结果的最终地图和表格报告。以最有效而又可靠的方法输出分析结果。可以利用GIS软件提供的地图输出模块产生地图，利用属性数据处理模块产生表格和报告。一般空间分析的步骤

例1：道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算 1）明确分析的目的和标准目的是：计算由于道路拓宽需拆迁的建筑物的建筑面积和房产价值。道路拓宽改建的标准是：道路从原有的20m拓宽至60m；拓宽道路应尽量保持直线；部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除。

2）准备进行分析的数据 D1：现状道路图 D2：分析区域内建筑物分布图及相关信息 3）进行空间操作首先选择拟拓宽的道路，根据拓宽半径，建立道路的缓冲区然后将此缓冲区与建筑物层数据进行拓扑叠加，产生一幅新图，此图包括所有部分或全部位于拓宽区内的建筑物信息

4）进行统计分析 图形数据统计：对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择，凡部分落入拆迁区且楼层高于10层以上的建筑物，将其从选择组中去掉，并对道路的拓宽边界进行局部调整。属性数据统计：然后对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。 5）将分析结果以地图和表格的形式打印输出

例2：辅助建设项目选址 1）明确分析的目的和标准分析目的是：确定一些具体的地块，作为一个轻度污染工厂的可能建设位置。工厂选址的标准是：建设用地面积不小于10 000m2；地块的地价不超过1万元/m2；地块周围不能有幼儿园、学校等公共设施，以免受到工厂生产的影响。

2）从数据库中提取用于选址的数据 D1:包括全市所有地块信息的数据层 D2:全市公共设施（包括幼儿园和学校）的分布图 3)进行特征提取和空间拓扑叠加从地块图中选择所有满足条件1，2的地块，并与公共设施层数据进行叠加 4）进行邻域分析对叠加结果进行邻域分析和特征提取，选择满足要求的地块 5）将选择的地块及相关信息以地图和表格形式打印输出

概念： 空间分析建模：又称为地图建模（Cartographic Modeling），通过作用于原始数据和派生数据的一组顺序的、交互的空间分析操作命令，对一个空间决策过程进行的模拟。地图建模的结果得到一个“地图模型”。地图建模可以是一个空间分析流程的逆过程，即从分析的最终结果开始，反向一步步分析为得到最终结果，那些数据室必须的，并确定每一步要输入的数据以及这些数据是如何派生来的。 2 空间分析建模

地图建模实例： 假设需要获得这样一个结果，即要显示出所有坡度大于20度的地区。坡度大于20度的地区坡度图像数字高程图像等高线数据再分类坡度计算空间插值图10-1 提取坡度大于20度的计算流程矩形框内为数据，箭头表示操作命令，方向表示操作顺序

地图模型实例： 食草动物栖息地质量评价模型食草动物栖息地质量评价模型

国家森林公园选址模型

木材毁坏量回归预测模型

地图模型实现： （1）宏命令或脚本语言由多个原始图生成一个新图的命令 Newmap = f（map1，map2，…….）其中f()表示一个GIS命令复杂函数表达一个完整的地图模型： Newmap1， Newmap 2，……. = f1,f2,f3,……(map1,map2,……Newmap1,Newmap2,……) 以下是以从DEM中自动提取坡度大于15度的栅格为例，在ArcGIS中建立的地图模型脚本

新建一个文本文档，重新命名为slope.vbs，文本内容如下： '建立处理对象 set gp = WScript.CreateObject("esriGeoprocessing.GPDispatch.1") '检查扩展模块的license gp.CheckOutExtension "spatial" '加载必要的Toolbox ，因为本例中用到的提取坡度和栅格计算命令均在Spatial Analyst扩展模块中，因此要加载这个模块。 gp.AddToolbox "D:/Program Files/ArcGIS/ArcToolbox/Toolboxes/Spatial Analyst Tools.tbx" '定义脚本变量 Raster_Dataset = wscript.arguments.item(0) Output_raster__2_ = wscript.arguments.item(1) if Output_raster__2_ = "#" then Output_raster__2_ = "E:/Chp12/LessTha_slop1"如果没有指定路径的话，默认的路径 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度的栅格 gp.LessThan_sa slope__2_, Input_raster_or_constant_value_2, Output_raster__2_

（2）图解建模（建立模型流程图） eg：ArcGIS Model Builder • 通过多个处理过程将多个因子组合在一起，实现对复杂问题的建模

空间决策支持是应用各种空间分析手段对空间数据进行处理，以提取出隐含于空间数据中的某些事实和关系，并以图形和文字的形式直观地加以表达，为现实世界中的各种应用提供科学、合理的支持。由于空间分析手段直接融合了数据的空间定位能力，并能够充分利用数据的现势性特点，因此，其提供的决策支持将更加符合客观现实，更具合理性。 3空间决策支持

目前，尽管各种商业软件不断推出，各种应用于空间的商业化手段也日臻完善，但是由于用户的目的是千变万化的，不能用一种定式加以限制，目前，尽管各种商业软件不断推出，各种应用于空间的商业化手段也日臻完善，但是由于用户的目的是千变万化的，不能用一种定式加以限制，因此，提出一种完全封装的，高度智能的通用软件是不现实的。目前，更多的空间决策手段则是利用现有软件提供的某些空间分析工具，按照用户意图，开发合理的决策模型，以实现决策支持。

国土规划、场址选择、灾害评价等都属于空间分析决国土规划、场址选择、灾害评价等都属于空间分析决策所研究的领域，分析人员根据特定的决策目的与要求，运用分析手段，分析相关的空间与非空间信息，得出分析结果。因此，空间决策问题大大超过了地理信息系统的一般空间分析功能的要求。空间决策支持一般需要以下过程：（1）确定目标根据用户的要求，确定用户的最终实现目标，并对目标性质进行分类，初步认识目标。

（2）建立模型 建立分析的运作模型及定量模型。前者可以不考虑用户的实际运作过程；后者则可以参照用户实际工作模型，结合数据的空间特点，形成定量分析模型。（3）寻求空间分析手段结合以上分析结果，逐步分解细节，寻求空间分析手段，对各种可能的分析手段进行分析，确定可行性的分析过程，尤其应注意空间数据的有效连接，最后形成分析结果，提交用户使用。

（4）结果评价 空间分析结果的合理性，直接影响到决策支持的效果。合理可靠的结果会对决策起到推动和促进作用，并起到事半功倍的效果。但是，如果结果不合理，甚至错误的分析结果会导致决策的失误乃至失败，从而导致不可预见的后果。因此，应对空间分析结果进行评价，确定结果的合理性和可靠性。

空间决策支持经常用于诸如最佳路径、选址、定位分析、资源分配等，经常与空间数据发生关系的领域，通过对这些应用领域的延伸，还可用于其它的某些社会或经济的部门。空间决策支持经常用于诸如最佳路径、选址、定位分析、资源分配等，经常与空间数据发生关系的领域，通过对这些应用领域的延伸，还可用于其它的某些社会或经济的部门。空间决策支持与一般空间分析的区别: 空间决策支持应用了多种分析运作模型和分析定量模型，可以认为空间决策支持比一般的空间分析具有更多的智能处理功能。

1．问题提出 在某地建立一个国家森林旅游点，参考一定的旅游条件，在1：2.5万地图上确定出旅游点的范围，并绘制成图，最后提交决策者参考。 2．数据源建立一个国家森林旅游点所需要的空间数据： D1：公路及铁路分布图（1：2.5万）——线状图 D2：森林服务权属图（1：2.5万）——面状地图 D3：城镇行政区划图（1：2.5万）——面状图实例分析：详细说明空间决策支持的一般过程

3．所实现的GIS功能 属性重分类面状边界消除与合并缓冲区生成拓扑叠加面积量测中心点计算及叠加绘图输出生成报表以上这些功能需要综合应用多种GIS的空间分析模型完成。

4．具体操作步骤 （1）根据森林权属数据将面状地物分成林地与非林地两大类。（2）消除同一属性值为林地或非林地的相邻多边形的边界并加以合并。（3）在所有公路或铁路周围生成0.5km、1.0km宽的缓冲区，并分别赋属性值。（4）拓扑叠加（2）、（3），生成新图层，并连接属性信息，得到具有下列属性的多边形： ①林地、非林地； ②0.5km内区域; ③0.5km外且1.0km范围以内的区域； ④1.0km范围以外的区域；

（5）拓扑叠加城镇边界图，得到市区、非市区属性，并添加到步骤（4）所得到的属性表中。（5）拓扑叠加城镇边界图，得到市区、非市区属性，并添加到步骤（4）所得到的属性表中。（6）得到重新分类的面状地物图，其属性组合可能存在以下类型：类型约束条件 A 非林地 B 林地、市区 C 林地、非市区且距公路或铁路0.5km之内 D 林地、非市区且距公路或铁路0.5km到1.0km之内 E 林地、非市区且距公路或铁路1.0km之外 ┇ ┇ （7）消除并合并步骤（6）所得到的同类多边形边界。（8）量算步骤（7）所得到的多边形的面积。

（9）依据面积约束条件，对以下C类多边形再分类： C1：面积等于5km2 C2：面积大于5km2 （10）计算多边形中心，并累计多边形的编号。（11）叠加绘出（10）所赋予的计数值的分类多边形、交通图、行政区划图。 (图形) （12）统计输出分类多边形的面积、属性资料。（属性）

1.运用GIS知识，分析说明利用栅格数据进行工业厂址适宜性分析的方法步骤。（提示：影响因素只考虑土地利用现状、地形坡度、人口密度和自然保护区） 2.运用GIS知识，分析说明城市道路拓宽中拆迁指标计算的操作步骤。（提示：道路向两侧平均拓宽，部分位于拆迁区内的10层以上的建筑物不拆迁。）作业及思考题

第十讲 空间建模与空间决策支持