5讲义GIS与应用分析模型的集成课件.pptx

1、第五章 GIS与应用分析模型的集成南京师范大学泰州学院信息工程学院2022-12-65 GIS与应用分析模型的集成o GIS与应用分析模型的集成概述o 应用分析模型的常用算法o 模型计算网络生成技术o GIS与应用分析模型的集成方法o GIS与应用分析模型的集成实例2022-12-625 GIS与应用分析模型的集成o GIS与应用分析模型的集成概述o 应用分析模型的常用算法o 模型计算网络生成技术o GIS与应用分析模型的集成方法o GIS与应用分析模型的集成实例2022-12-635.3 模型计算网络生成技术o 网格的作用利用网格剖分技术，可以将连续的空间离散化，也可以网格为控制将以后离散的

2、数据重新采样和内插；以网格点作为控制点，可以将模型空间和地理空间对应起来，使GIS与应用分析模型在空间坐标层次上统一起来。网格质量对计算精度和计算效率有着重要的影响。2022-12-645.3 模型计算网络生成技术o 网格的类型n 规则网格（结构网格）：矩形网格和曲线网格n 不规则网格（非结构网格）：任意三边形和四边形2022-12-655.3 模型计算网络生成技术2022-12-665.3 模型计算网络生成技术n 结构网格n 优点网格中节点排列有序，邻点间关系明确，结构简单，构造方便，与计算机语言自然匹配，容易计算，网格生成速度快，质量好，数据结构简单等。n 缺点适用的范围比较窄，只适用于形

3、状规则的图形，对复杂几何形状的适应能力差。2022-12-675.3 模型计算网络生成技术o 非结构网格n 优点舍去了网格节点的结构性限制，易于控制网格单元的大小、形状及节点位置，灵活性好，对复杂外形的适应能力强流场变化比较大的地方，可以进行局部网格加密。n 缺点无规则性导致了在模拟计算中存储空间增大，寻址时间增长，计算效率低于结构化网格，计算时间长等。2022-12-685.3 模型计算网络生成技术o 网格的生成n 步骤一 选择网格在网格划分之前，应从数值仿真的全局出发。比如精度要求，计算时间要求，模型尺寸、复杂程度情况以及机子配置等等。考虑清楚，是使用结构网格，还是非结构网格，抑或是混合网

4、格。因为这关系到接下来的网格划分布置和划分策略。如果模型比较简单规则，应尽量使用结构网格。结构网格比较容易划分，计算结果也比较好，计算时间也相对较短。对于复杂的几何外形，在损失精度尽量少的前提下，一是采用加密重点监控部分网格，逐渐向四周稀疏的划分方法；二是使用分块（混合）网格。2022-12-695.3 模型计算网络生成技术o 网格的生成n 步骤二 确定拓扑根据模型情况，构思网格的拓扑结构，简而言之，就是要明确最终得到什么样的网格，比如翼型网格，是C型，还是O型；一个圆面是想得到“内方外圆”的铜钱币类型的网格，还是一般的网格，等等。2022-12-6105.3 模型计算网络生成技术o 网格的生

5、成n 步骤三 划分前准备在确定了网格拓扑之后，还需要对模型进行划分网格前的准备。比如分割，对尺度小对计算结果影响不大的次要几何进行简化等等。模型分割是一种很重要的针对数值模拟的网格划分前准备手段。一可以提高整体网格的质量，二能够有目的的加密重要部位的流场网格，提高计算、数据交换精度，三则减少整体流域的网格单元，适合计算机较快地进行运算。对尺度小、计算结果影响不大的次要几何进行简化，是当前数值模拟中很重要的一部分，特别是对于线夹角、面夹角较小的模型部分。适当的简化，不仅能够改善网格质量，光顺模型表面，更重要是提高计算精度。2022-12-6115.3 模型计算网络生成技术o 网格的生成n 步骤四

6、 划分网络划分网格一般从线网格开始，再面网格，最后到体网格。线网格的划分，也就是网格节点的布置，对网格的质量、网格的数量以及计算精度影响比较大，比如增长速度、方向，长宽比等等。2022-12-6125.3 模型计算网络生成技术o 三角形网格n 是由相邻但不重叠的三角形构成的一个有限元网格，有限个点集将区域划分为相连的三角形网络。n 规则三角形网格n 不规则三角形网格，较常用，简称TINn 地学领域常用狄洛尼三角网（Delaunay，简称D网）2022-12-6135.3 模型计算网络生成技术o 不规则三角形网格构建规则n 构成的网格是唯一的n 力求最佳的三角形几何形状，即三角形尽量接近等边n

7、保证最临近的三个点构成三角形，三角形的边长最小2022-12-6145.3 模型计算网络生成技术o 狄洛尼（Delaunay）网的特点n 在D网中任意一个三角形的外接圆中不会有其他三角形的顶点，即空圆特性n 如果两个共边三角形组成的四边形的对角线可以互换的话，那么两个三角形中最小的内角的角度不会变大，即最小角特性n 不论从参与构网的数据点的任何一点开始构网，最终得到一致的三角网，即D网的唯一性2022-12-6155.3 模型计算网络生成技术o 三角网生成算法的基本过程：n 在数据中取任意一点，查找距离此点最近的点，相连后作为初始基线n 在初始基线右边应用Delaunay法则（空圆法则）搜寻第

8、三点n 生成Delaunay三角形，以三角形的两边新边作为新的基线n 重复2,3步直至所有基线处理完毕2022-12-6165.3 模型计算网络生成技术o 三角形网格的存储形式n 平面坐标n 拓扑关系n 三角形及邻接三角形关系2022-12-6175 GIS与应用分析模型的集成o GIS与应用分析模型的集成概述o 应用分析模型的常用算法o 模型计算网络生成技术o GIS与应用分析模型的集成方法o GIS与应用分析模型的集成实例2022-12-6185.4 GIS与应用分析模型的集成方法o 源代码集成方式o 函数库集成方式o 可执行程序集成方式o DDE和OLE集成方式o 基于组件的集成方式o

9、模型库集成方式2022-12-619源代码集成方式o 定义利用GIS系统的二次开发工具和其他的编程语言，将已经开发好的应用分析模型的源代码进行改写，使其从语言到数据结构与GIS完全兼容，成为GIS整体的一部分。o 特点n 优点：数据结构等一致；灵活。n 缺点：要求开发人员知识全面。2022-12-620函数库集成方式o 定义是将开发好的应用分析模型以库函数的方式保存在函数库中，集成开发者通过条用函数库将应用分析模型集成到GIS中。包括动态连接和静态连接两种。2022-12-621函数库集成方式o 特点n 优点可以实现高度的无缝集成，GIS开发者不必去研究模型的源代码，使用方便。n 缺点应用分析

10、模型的状态信息很难在函数库中有效的表达。2022-12-622可执行程序集成方式o 定义GIS与应用分析模型均以可执行文件的方式独立存在，二者的内部、外部结构均不变化，相互之间独立存在，二者的交互以约定的数据格式通过文件、命名管道、匿名管道或者数据库进行。分为独立方式和内部嵌套方式两种。2022-12-623可执行程序集成方式o 特点n 优点：集成方便、简单，代价较低，需要做的工作就是制定数据的交换格式和编制数据转换程序，不需要太多的编程工作。n 缺点：运行效率低，自动化程度低，交互性和亲合性受GIS数据文件格式的影响较大。2022-12-624DDE和OLE集成方式o 概述进行DDE或者OL

11、E操作是必须有两个主体存在，分别是服务器和客户，即一方主体为另一方服务。o 优点程序运行流畅，编程工作量由要实现的任务决定。o 缺点稳定性不高，效率低。2022-12-625基于组件的集成方式o 概述组件技术是现在最流行的软件系统集成方法，实质是开发一个个相对独立的软件模块。o 优点：数据结构等一致；灵活。o 缺点：要求开发人员知识全面。2022-12-626模型库集成方式o 定义模型库是指按一定的组织结构存储的模型的集合体。模型库可以有效地管理和使用模型，实现模型的作用。模型库符合客户机/服务器（C/S）工作模式，当需要模型时，模型被动态地调入内存，按照预先定义好的调用接口实现模型与GIS系

12、统的交互操作。模型库是模型与GIS研究的前沿。2022-12-6275 GIS与应用分析模型的集成o GIS与应用分析模型的集成概述o 应用分析模型的常用算法o 模型计算网络生成技术o GIS与应用分析模型的集成方法o GIS与应用分析模型的集成实例2022-12-628概述 应用分析模型与GIS的集成一方面可以解决GIS应用分析能力的不足，另一方面可以解决模型的交互界面以及分析结果不形象、不直观等问题。模型库支持下的模型与GIS集成方式是较为理想的，被公认为是最有发展前途的集成方式。空间决策支持系统（Spatial Decision Support System，SDSS）是GIS的一个重要

13、的发展方向。模型库技术有助于推动空间决策支持系统的发展，进而推动了GIS的深层次的应用。空间决策支持系统的发展，反作用于模型库及GIS与应用分析模型的集成研究，使之取得突破性的进展。空间决策支持模型库与模型库系统 GIS的应用模型主要有空间分析模型和应用数学模型两大类，前者主要用于管理决策中的半结构化和非结构化问题研究，这类模型无法用精确的数学模型表达，更多的依赖于专家的知识和经验；后者则常用于解决结构化的研究问题，能用精确的数学模型刻画。1980年，Blanning首次提出了模型库的概念，并设计的模型库查询语言（MQL，Model Query Language）；1987年，Geoffrio

14、n设计了一套结构化模型构造语言；1988年，Muhana等又将系统论的概念用于模型管理系统；1993年，K.M.Vanhee建立了基于模型概念的模型运行环境系统；1996年，Wesseling设计了动态模型语言来支持空间数据结构；国内的王桥等专家也对模型标准化问题进行了较深入的研究。空间决策支持模型库与模型库系统 实际应用中，复杂的问题对单一模型提出了组合的要求，这就导致了模型组织形式有传统的软件包向模型库方向发展。模型库系统（Model Base System，MBS）是对模型进行分类和维护并支持模型的生成、存储、查询、运行和分析应用的软件系统，它主要包括基础模型库、应用模型库、模型库管理系

15、统、模型库应用四个部分。处理模型存取和各种管理控制的软件用来存储通用规范的可多次重复使用的基础模型用来存储用户开发的、针对专业问题的应用模型模型库管理系统的核心，是关于模型描述信息的特殊数据库，直接参与对模型的分析、定义、设计、实现、操作和维护模型库支持下的GIS与应用分析模型集成1.模型库支持下的GIS与应用分析模型集成的特点 模型库系统具有完整的模型管理功能，能够提供原子模型，有能动态组合或复合模型，系统的灵活性很大，可扩展性好，同时支持模型的动态调用和静态链接，内存可动态分配，从而使系统具有很高的运行效率。只适用于结构化程度较高的模型，解决较简单的空间决策问题，对那些结构化程度不高又比较

16、复杂的模型而言，这种方式则显得有些捉襟见肘。模型库支持下的GIS与应用分析模型集成2.智能化的模型库系统 提供经验规则、专家知识，辅助用户进行模型运作，从而提高模型的智能性；模型随参数、环境等因素的变化而变化，通过和知识库系统中的知识不断磨合，模型得到完善、优化。模型库支持下的GIS与应用分析模型集成知识获取途径：（1）领域专家的经验、知识 行业专家与用户对系统的理解和操作，形成一般的概念性知识，应用开发人员通过和他们反复的交流、归纳、总结、抽象，最终形成逻辑知识。模型库支持下的GIS与应用分析模型集成知识获取途径：（2）知识挖掘 知识挖掘技术是从GIS数据库中发掘知识的重要途径，主要包括GI

17、S的数据精炼、GIS数据更新、自动建立空间知识库。具体的知识挖掘方法有统计法、归纳法、聚类分析法和空间相关法等。模型库支持下的GIS与应用分析模型集成3.智能化模型库决策过程 用户首先完成对决策问题的描述，然后系统对问题进行分析/识别，通过建模工具建模、系统的智能性判断及用户交互共同进行模型选择/优化，再实施模型的简化运行来对模型进行评价，最后完成模型的求解、结果输出显示，到此整个决策过程完成。模型库支持下的GIS与应用分析模型集成4.智能模型库支持下GIS应用分析模型集成实现 集成框架的核心是智能体运行池，它有数据转换器、推理机黑板结构和模型运行体三部分组成。智能模型运行池接收到GIS的决策

18、模型运行请求后，一方面从模型库中调出具有统一规范接口的相应模型，进入模型运行体；同时从数据库中调出数据，经数据转换器转换后进入模型运行体，在模型与数据俱全的情况下，模型开始运行。运行过程中，需要数据、状态及结构在黑板结构中暂存，推理机进行知识推理，用户中间参与。模型运行结束后，分析结果从智能模型运行池返回给GIS系统运行显示或再入库。5 GIS与应用分析模型的集成o GIS与应用分析模型的集成概述o 应用分析模型的常用算法o 模型计算网络生成技术o GIS与应用分析模型的集成方法o GIS与应用分析模型的集成实例2022-12-6385.6 GIS与应用分析模型的集成实例o 大气质量预报的发展o 大气高斯模型简介o 基于WebGIS的三位大气模型集成的实例o 系统功能实现2022-12-639o 不规则三角网的特征及狄洛尼（Delaunay）三角网的特点各是什么？o GIS与应用分析模型方法有几种？各有什么优、缺点？2022-12-640