【正文】 地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論 第十章 空間建模與空間決策支持 1．空間分析過程及其模型 ? 1． 1空間分析過程 ? 空間分析的目的是解決某類與地理空間有關(guān)的問題 ，通常涉及多種 空間分析操作的組合 。 ? 一般步驟是： ? 1）明確分析的目的和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則； ? 2）準(zhǔn)備分析數(shù)據(jù)； ? 3）進(jìn)行空間分析操作； ? 4）進(jìn)行結(jié)果分析； ? 5）解釋、評(píng)價(jià)結(jié)果（如必要，返回步驟 1）； ? 6）結(jié)果輸出（地圖、表格和文檔）。 ? 例 1 道路拓寬改建過程中拆遷指標(biāo)計(jì)算 ? 這里將舉例說明如何利用 建立緩沖區(qū)、拓?fù)浏B加和特征提取 ,計(jì)算一條道路拓寬改建過程中的拆遷指標(biāo)。 ? 1）明確分析的目的和標(biāo)準(zhǔn) ? 2）準(zhǔn)備進(jìn)行分析的數(shù)據(jù) ? 3）進(jìn)行空間操作 ? 4）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析 ? 5）將分析結(jié)果以地圖和表格的形式打印輸出。 1．空間分析過程及其模型 ? 1． 2空間分析建模 ? 1． 2． 1地圖模型的概念 ? 為了解決復(fù)雜的空間問題，人們也試圖 建立一個(gè)簡(jiǎn)化的模型，模擬空間分析過程 ?？臻g分析建模，由于是建立在對(duì)圖層數(shù)據(jù)的操作上的，又稱為 “ 地圖建模 ” 。它是通過組合空間分析命令操作以回答有關(guān)空間現(xiàn)象問題的過程，更形式化一些的定義是通過作用于原始數(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。 1．空間分析過程及其模型 ? 反向用圖形或符號(hào)將有關(guān)數(shù)據(jù)及其操作流程表示出來就得到一個(gè) 地圖模型 。本例表示如圖 101： ? 圖 101：提取坡度大于 20度的計(jì)算流程 ? 矩形框?yàn)閿?shù)據(jù)，箭頭表示操作命令，方向表示操作順序。 坡度大于20 度的地區(qū)坡度圖象數(shù)字高程圖象等高線數(shù)據(jù)再分類 坡度計(jì)算 空間插值1．空間分析過程及其模型 ? 1． 2． 2地圖模型實(shí)例 ? 地圖模型有多種表示方法，為了進(jìn)一步理解制圖建模過程，下面給出三個(gè)不同領(lǐng)域的地圖模型實(shí)例，分別采用了三種不同的表示方法。 ? 1）食草動(dòng)物棲息地質(zhì)量評(píng)價(jià)模型 ? 本例是一個(gè)食草動(dòng)物棲息地質(zhì)量評(píng)價(jià)簡(jiǎn)化模型，模型只考慮了影響食草動(dòng)物生存的基本因子：水源、食物、和隱藏條件，以及景觀單元的面積，連通性和破碎程度的度量指標(biāo)。模型形式如圖 102所示： 1．空間分析過程及其模型 圖 102：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)1．空間分析過程及其模型 ? 2）國家森林公園選址模型 ? 本例是一個(gè)為某地建立一國家森林公園確定大致范圍，是一個(gè)數(shù)據(jù)源已知，需要進(jìn)行空間信息提取的模型。數(shù)據(jù)源包括公路鐵路分布圖，森林分布圖，城鎮(zhèn)區(qū)劃圖。地圖模型可以用下面的形式表示： 表 101：國家森林公園選址模型 1．空間分析過程及其模型 ? 3）木材毀壞量回歸預(yù)測(cè)模型 ? 根據(jù)多年的統(tǒng)計(jì)數(shù)字和經(jīng)驗(yàn)方程，本例是一個(gè)林場(chǎng)砍伐木材時(shí)木材毀壞量回歸預(yù)測(cè)模型。 ? 模型的因變量有坡度，樹徑，樹高，蓄積量，樹木缺矢量。公式如下： ? 地圖模型 可以表示成下面的形式（圖 103）： 木材毀壞量回歸預(yù)測(cè)模型 1．空間分析過程及其模型 ? 1． 2． 3 地圖模型實(shí)現(xiàn) ? 大多數(shù) GIS軟件提供了 宏命令或腳本描述語言 ，可以將上述建立的各種地圖模型表示成 GIS的操作命令序列，自動(dòng)批處理完成整個(gè)模型過程 。 ? 還有一些 GIS軟件提供了高級(jí)的 可視化的地圖建模輔助工具 ，用戶只需使用其提供的工具在窗口中繪出模型的流程圖，指定流程圖的意義、所用的參數(shù)，矩陣等即可完成地圖模型的設(shè)計(jì)，而無需書寫復(fù)雜的命令程序。 1．空間分析過程及其模型 圖 104：通過流程圖表現(xiàn)的 GIS模型 1．空間分析過程及其模型 2．空間決策支持模型 ? 區(qū)域規(guī)劃、土地利用規(guī)劃、設(shè)施位置選擇、環(huán)境管理等都是有關(guān)空間行為的決策問題 ，這些問題的解決方案是由決策者或領(lǐng)域?qū)＜以趯I(yè)領(lǐng)域知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的啟發(fā)下，在分析大量的空間和非空間信息的基礎(chǔ)上得到的?？臻g決策問題大大超過了地理信息系統(tǒng)通常的空間分析功能的要求。 ? 2． 1空間決策過程的復(fù)雜性 ? 決策是一個(gè)決策者為達(dá)到某種目標(biāo)或目標(biāo)集合，根據(jù)一定的約束條件下在多種侯選方案里進(jìn)行選擇的復(fù)雜過程。當(dāng)采用數(shù)學(xué)表述形式表達(dá)一般化決策問題時(shí)，包括以下幾個(gè) 構(gòu)成部分 ： 2．空間決策支持模型 ? 1） 方案集合 ：決策問題的方案集合是指可以選擇的行動(dòng)方案集合，記為 A。 ? 2） 狀態(tài)集合 ：任何一個(gè)決策問題都面臨一定的外界環(huán)境，稱之為狀態(tài)。系統(tǒng)各種可能的狀態(tài)，稱為狀態(tài)集合，記為 Q。 ? 3） 損益函數(shù) ：這是決策分析中的一個(gè)重要概念。在決策問題中，如果采用策略，假定系統(tǒng)狀態(tài)出現(xiàn)，系統(tǒng)收益。因此定義映射為決策問題的損益函數(shù)。在 A、 Q可數(shù)的情況下，可獲得損益表如下所示（表 102）。 2．空間決策支持模型 ? 表 102：決策損益表 ? 4） 目標(biāo)函數(shù)（決策準(zhǔn)則） ：記為 F。損益函數(shù)只給出了系統(tǒng)的實(shí)際收益情況，但沒給出收益的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即 “ 抉擇 ” 時(shí)的優(yōu)化準(zhǔn)則。決策準(zhǔn)則對(duì)于不同的決策者、問題、方法都是不同的，它最終決定了方案的形成。 2．空間決策支持模型 ? 決策學(xué)常規(guī)方法用于解決普通決策問題，這類問題滿足以下條件： ? 存在決策者希望達(dá)到的明確目標(biāo)； ? 存在可供決策者選擇且可以明確組分的侯選方案； ? 存在不受決策者控制的系統(tǒng)狀態(tài)，系統(tǒng)狀態(tài)集與侯選方案集相互獨(dú)立； ? 損益值可以精確數(shù)量化， A， Q均為可數(shù)集合。 2．空間決策支持模型 ? 總之， 空間決策是一個(gè)涉及多目標(biāo)和多約束條件的復(fù)雜過程 ，通常不能簡(jiǎn)單地通過描述性知識(shí)或程式式知識(shí)進(jìn)行解決，往往要求綜合地使用信息，領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)和有效地交流手段。 圖 105：空間決策過程 空間決策知識(shí) 信息收集表現(xiàn)存儲(chǔ)檢索處理顯示獲取表現(xiàn)存儲(chǔ)推理分析2．空間決策支持模型 ? 地理信息系統(tǒng) 為決策支持提供了強(qiáng)大的 數(shù)據(jù)輸入、存儲(chǔ)、檢索、顯示 的工具，但是在分析、模擬和推理方面的功能比較弱，本質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)豐富但理論貧乏的系統(tǒng)，在解決復(fù)雜空間決策問題上缺乏智能推理功能。所以，為解決復(fù)雜的空間決策問題，需要在地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)智能決策支持系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)獲取、輸入、存儲(chǔ)、分析、輸出；用于知識(shí)表現(xiàn)和推理；用于自動(dòng)學(xué)習(xí)，系統(tǒng)集成，人機(jī)交互。 2．空間決策支持模型 ? 2． 2空間決策分析的理論和方法 ? 2． 2． 1效用理論 ? 效用理論是決策分析的基礎(chǔ)。事物的不確定性可看作是許多簡(jiǎn)單隨機(jī)事件的復(fù)合。每一個(gè)簡(jiǎn)單隨機(jī)事件是由兩個(gè)互斥事件 Z1 和 Z2組成的。事件 Z1發(fā)生的概率為 P，事件 Z2發(fā)生的概率為 1—P，則隨機(jī)事件記為 L（ Z1， P，Z2） 。在簡(jiǎn)單隨機(jī)事件內(nèi)引進(jìn) “ 優(yōu)先 ” 或 “ 偏好 ” 的概念，并在隨機(jī)事件集合的基礎(chǔ)上建立公理體系，即假設(shè)在隨機(jī)事件集合中存在下列條件： 2．空間決策支持模型 ? 1）相對(duì)偏好順序； ? 2）偏好關(guān)系具可傳遞性； ? 3）簡(jiǎn)單隨機(jī)事件間的可比性； ? 4）偏好關(guān)系可以量化； ? 5）不確定性可以量化； ? 6）等價(jià)隨機(jī)事件可相互代換。 2．空間決策支持模型 ? 2． 2． 2決策樹 ? 決策分析中最常用的方法之一是決策樹方法，圖 106為典型的決策樹。圖中長(zhǎng)方形小框表示由人選擇的決策點(diǎn)。把需要作決策的問題過程畫成示意圖，由圖的最左邊出發(fā)，在作決策之前先作試驗(yàn)。決策樹的方法是順著樹的各個(gè)分校進(jìn)行分析，并計(jì)算各種可能情況的概率大小，最后計(jì)算在這些條件下最終出現(xiàn)的后果的效用，將各種效用加以比較，從中選取最佳效用所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)與決策作為應(yīng)取的決策。 2．空間決策支持模型 ? 圖 106：決策樹示例 2．空間決策支持模型 ? 2． 2． 3貝葉斯決策 ? 由于決策總是在事件發(fā)生之前做出，而事件是否發(fā)生又不是確定的，因此常采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中貝葉斯公式對(duì)事件發(fā)生的概率作先驗(yàn)估計(jì)，這就是貝葉斯方法。 2．空間決策支持模型 ? 2． 3空間決策支持系統(tǒng) ? 決策支持系統(tǒng) （ DSS）是輔助決策者通過數(shù)據(jù)、模型、知識(shí)以人機(jī)交互方式進(jìn)行半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化決策的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。它為決策者提供分析問題、建立模型、模擬決策過程和方