【正文】 武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院 時(shí)間：星期五 : 67節(jié) (13:1514:00, 14:0514:50) 地點(diǎn)： 3區(qū) 2104 第 6章 空間分析在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用建模 2 主要內(nèi)容： 概述 數(shù)據(jù)模型 環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)用建模 環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用建模 環(huán)境模擬與預(yù)測(cè)應(yīng)用建模 3 概述 隨著全球性環(huán)境的日益惡化，環(huán)境保護(hù)在實(shí)現(xiàn)人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略過(guò)程中扮演著越來(lái)越重要的角色。而環(huán)境問(wèn)題與地理因素緊密相關(guān)，通常帶有很強(qiáng)的地理或地理分布特征。因此，運(yùn)用 GIS技術(shù)有效處理基于環(huán)境問(wèn)題的大量復(fù)雜空間信息，將在很大程度上提高環(huán)保工作的質(zhì)量和效率。 必要性 4 概述 GIS空間分析在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用建模就是根據(jù)環(huán)境領(lǐng)域的具體應(yīng)用，將 GIS空間分析方法和環(huán)境應(yīng)用模型相結(jié)合，使得 GIS技術(shù)能夠運(yùn)用在環(huán)境領(lǐng)域，發(fā)揮其處理大量復(fù)雜空間信息的能力，實(shí)現(xiàn)環(huán)境領(lǐng)域的分析應(yīng)用，提高模型的精度和易用性。 目前， GIS空間分析應(yīng)用建模已經(jīng)在環(huán)境諸多領(lǐng)域得到了的應(yīng)用。主要有以下幾個(gè)方面： 1. 環(huán)境工程管理 2. 環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià) 3. 環(huán)境監(jiān)測(cè) 4. 環(huán)境事故模擬與決策 5. 環(huán)境污染應(yīng)急與處理 基本概念 5 所需數(shù)據(jù) GIS空間分析在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用建模需要多源、多種類(lèi)、多時(shí)相的數(shù)據(jù)。主要包括以下數(shù)據(jù)： 1. 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù) 2. 社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù) 3. 多源多時(shí)相衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù) 4. 污染事故歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 5. 環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 6. 環(huán)境工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 7. 區(qū)域環(huán)境矢量數(shù)據(jù) 概述 6 所需方法 GIS空間分析在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用建模需要多種空間分析的方法 ,主要包括以下方法： 1. 柵格數(shù)據(jù)的空間分析方法 :包括聚類(lèi)、聚合分析、信息復(fù)合分析、追蹤分析、窗口分析、量算分析等； 2. 矢量數(shù)據(jù)的空間分析方法：包括包含分析、緩沖區(qū)分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析等； 3. 三維數(shù)據(jù)的分析方法：包括三維可視化、三維空間查詢(xún)、地形分析、陰影分析、水淹分析等； 4. 空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法：包括空間點(diǎn)模式分析、格網(wǎng)或面狀數(shù)據(jù)空間統(tǒng)計(jì)分析、空間變異函數(shù)、克里金估計(jì)、探索性空間分析等。 概述 7 (1)柵格模型 ： 地理空間被劃分為規(guī)則的小單元，空間位置由柵格單元的行、列號(hào)表示。柵格單元的大小反映了數(shù)據(jù)的分辨率即精度，空間物體由若干個(gè)柵格單元隱含描述。 (2)矢量模型 ： 各類(lèi)地理要素根據(jù)空間形態(tài)特征分為點(diǎn)、線、面三類(lèi) /（體狀空間對(duì)象）。地物是顯示描述的。 空間數(shù)據(jù)的兩種表示模型： 空間數(shù)據(jù)表示模型 數(shù)據(jù)模型 8 空間數(shù)據(jù)模型 數(shù)據(jù)模型 空間數(shù)據(jù)模型 ： 是關(guān)于 GIS中空間數(shù)據(jù)組織的概念，反映現(xiàn)實(shí)世界中的空間實(shí)體，及其相互之間的聯(lián)系，為空間數(shù)據(jù)組織和空間數(shù)據(jù)庫(kù)模式設(shè)計(jì)提供基本的概念和方法。 GIS數(shù)據(jù)模型的三個(gè)層次： ?概念數(shù)據(jù)模型 ?邏輯數(shù)據(jù)模型 ?物理數(shù)據(jù)模型 9 空間數(shù)據(jù)模型 數(shù)據(jù)模型 GIS空間分析在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用建模需要的數(shù)據(jù)模型多種多樣，針對(duì)環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用，下面主要講述應(yīng)用較多的兩種數(shù)據(jù)模型： ? 時(shí)空數(shù)據(jù)模型 :常用在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，針對(duì)環(huán)境狀況進(jìn)行時(shí)間序列的監(jiān)測(cè)和變化研究，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。 ? 三維空間數(shù)據(jù)模型 ：常用在環(huán)境事故模擬、應(yīng)急和決策領(lǐng)域，可視化顯示事故發(fā)生的地點(diǎn)、污染擴(kuò)散情況，根據(jù)分析結(jié)果及時(shí)有效做出應(yīng)急處理，為政府部門(mén)提供決策支持。 10 數(shù)據(jù)模型 時(shí)空數(shù)據(jù)模型 時(shí)空數(shù)據(jù)模型 通常由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和完整性約束三部分組成（張祖勛等， 1996）。 時(shí)空數(shù)據(jù)模型是一種有效組織和管理時(shí)態(tài)地學(xué)數(shù)據(jù)、空間、專(zhuān)題、時(shí)間語(yǔ)義完整的地學(xué)數(shù)據(jù)模型，它不僅強(qiáng)調(diào)地學(xué)對(duì)象的空間和專(zhuān)題特征，而且強(qiáng)調(diào)這些特征隨時(shí)間的變化，既時(shí)態(tài)特征。建立合理、完善、高效的時(shí)空數(shù)據(jù)模型是實(shí)現(xiàn)時(shí)態(tài) GIS的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。 時(shí)空數(shù)據(jù)模型是 TGIS和 STDB的基礎(chǔ)。 11 時(shí)空數(shù)據(jù)模型的 核心問(wèn)題 是研究如何有效地表達(dá)、記錄和管理現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體及其相互關(guān)系隨時(shí)間不斷發(fā)生的變化。這種時(shí)空變化表現(xiàn)為三種可能的形式： ? 屬性變化，其空間坐標(biāo)或位置不變； ? 空間坐標(biāo)或位置變化，而屬性不變，這里空間的坐標(biāo)或位置變化既可以是單一實(shí)體的位置、方向、尺寸、形狀等發(fā)生變化，也可以是兩個(gè)以上的空間實(shí)體之間的關(guān)系發(fā)生變化； ? 空間實(shí)體或現(xiàn)象的坐標(biāo)和屬性都發(fā)生變化。 數(shù)據(jù)模型 時(shí)空數(shù)據(jù)模型 12 時(shí)空數(shù)據(jù)模型的主要類(lèi)型 ： ? 序列快照模型 ：將一系列時(shí)間片段的快照保存起來(lái)，各個(gè)切片分別對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻的狀態(tài)圖層，反映地理現(xiàn)象的時(shí)空演化過(guò)程。 ? 基圖修正模型 ：基態(tài)修正模型按事先設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，它只存儲(chǔ)某個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)狀態(tài) (基態(tài) )和相對(duì)于基態(tài)的變化量。 ? 空間時(shí)間立方體模型 ：由空間兩個(gè)維度和一個(gè)時(shí)間維組成，描述了二維空間沿著第三個(gè)時(shí)間維演變的過(guò)程。 ? 空間時(shí)間組合體模型 ：空間分隔成具有相同時(shí)空過(guò)程的最大的公共時(shí)空單元，每個(gè)時(shí)空對(duì)象的變化都將在整個(gè)空間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)新的對(duì)象。將空間變化和屬性變化都映射為空間的變化，是序列快照模型和基態(tài)修正模型的折衷模型。 數(shù)據(jù)模型 時(shí)空數(shù)據(jù)模型 13 數(shù)據(jù)模型 三維空間數(shù)據(jù)模型 三維空間數(shù)據(jù)模型 是研究三維空間的幾何對(duì)象的數(shù)據(jù)組織、操作方法以及規(guī)則約束條件等內(nèi)容的集合。 三維空間數(shù)據(jù)模型是人們對(duì)客觀世界的理解和抽象，是建立三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)的理論基礎(chǔ)。三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是三維空間數(shù)據(jù)模型的具體實(shí)現(xiàn)，是客觀對(duì)象在計(jì)算機(jī)中的底層表達(dá)，是對(duì)客觀對(duì)象進(jìn)行可視表現(xiàn)的基礎(chǔ)。 14 數(shù)據(jù)模型 三維空間數(shù)據(jù)模型 15 數(shù)據(jù)模型 三維空間數(shù)據(jù)模型 1. 基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型 是將三維空間劃分成一系列連通但不重疊的幾何體素 , 它可以看成是二維柵格模型的擴(kuò)展。 2. 基于矢量的數(shù)據(jù)模型 以物體邊界為基礎(chǔ)定義和描述幾何形體 , 并能給出完整和顯式界面描述的方法。 3. 分析型數(shù)據(jù)模型 又稱(chēng)參數(shù)函數(shù)表示法，它可以描述三維空間中的線、面和體目標(biāo)，其指導(dǎo)思想就是利用有限的空間數(shù)據(jù)，來(lái)尋求一個(gè)函數(shù)的解析式，用這個(gè)解析式來(lái)生成新的空間點(diǎn)，用以逼近原有物體。 4. 基于混合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型 是將兩種或兩種以上的數(shù)據(jù)模型加以綜合 , 形成一種具有一體化結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型。以適應(yīng)不同分辨率、不同背景條件、不同應(yīng)用的要求。 三維空間數(shù)據(jù)模型的類(lèi)型 16 數(shù)據(jù)模型 三維空間數(shù)據(jù)模型 ?二維 GIS：即傳統(tǒng)意義上的 GIS，只能處理平面 X、 Y軸上的信息，不能處理鉛垂方向 Z軸上的信息。 ?（假三維） GIS：在二維 GIS的基礎(chǔ)上，考慮了 Z軸上的信息，但并未處理，只將其作為附屬的屬性變量對(duì)待 。如 DEM，雖然賦予了 Z軸高程信息，能夠表達(dá)出表面起伏的地形，但地形下面的信息卻不具有 。 ?三維 GIS：表達(dá)考慮多個(gè) Z值的出現(xiàn) ，能表示多層屬性。 二維 GIS GIS 三維 GIS 17 環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)用建模 環(huán)境質(zhì)量： 環(huán)境系統(tǒng)客觀存在的一種本質(zhì)屬性 ， 并能用定性和定量的方法加以描述的環(huán)境系統(tǒng)所處的狀態(tài) 。 環(huán)境始終處于不停的運(yùn)動(dòng)和變化之中 ， 作為環(huán)境狀態(tài)表示的環(huán)境質(zhì)量 ， 也是處于不停的運(yùn)動(dòng)和變化之中 。 引起環(huán)