地理模型的概念功能和分類市公開(kāi)課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

1、 在當(dāng)代地理學(xué)中，地理模型作用是十分主要，它是認(rèn)識(shí)地理問(wèn)題橋梁，是地理科學(xué)發(fā)覺(jué)和創(chuàng)新研究工具。在地理科學(xué)問(wèn)題研究中，模型作用是不可替換。第1頁(yè)本章主要內(nèi)容地理模型概念、功效及分類地理建模思維導(dǎo)向與標(biāo)準(zhǔn)建立地理模型步驟與數(shù)學(xué)方法地理建模方法概述第2頁(yè)第1節(jié) 地理模型概念、功效及分類地理模型概念 地理模型特點(diǎn)地理模型功效地理模型分類第3頁(yè)（一）模型 在科學(xué)研究中，為了揭示客觀對(duì)象本質(zhì)，人們經(jīng)常借助于實(shí)物、文字、符號(hào)、公式、圖表等，對(duì)客觀事物特征、內(nèi)在聯(lián)絡(luò)、改變過(guò)程進(jìn)行概括和抽象描述，這種描述即模型。一、地理模型概念 第4頁(yè)模型分類 （1）百分比模型( scale model） （2）模擬模型（an

2、alogue Model，simulation Model） （3）符號(hào)模型（symbolic Model)第5頁(yè)百分比模型百分比模型，是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)小規(guī)模重現(xiàn)，也叫做圖像模型（Iconic model）。比如，地理教學(xué)中所用地球儀就是一個(gè)百分比模型。另外，風(fēng)沙模擬試驗(yàn)室里風(fēng)洞，研究水土流失而設(shè)計(jì)人工降水徑流試驗(yàn)場(chǎng)，基于遙感影像建立三維地貌模型，等都是百分比模型。)第6頁(yè)符號(hào)模型符號(hào)模型，是將客觀對(duì)象系統(tǒng)或過(guò)程特征用數(shù)學(xué)等專門符號(hào)語(yǔ)言表示一個(gè)模型。模型不一定是用公式表示，也能夠是用符號(hào)、邏輯圖形（圖形、表格）表示。第7頁(yè)模擬模型對(duì)于那些結(jié)構(gòu)性質(zhì)基本了解，但又難于直接用物理式數(shù)學(xué)模型表示系統(tǒng),往往

3、采取另一系統(tǒng)去替換原系統(tǒng)，這種替換系統(tǒng)稱為模擬模型。比如，在電路模擬模型中，用電壓模擬機(jī)械運(yùn)動(dòng)中速度，電流模擬力，電容模擬質(zhì)量；在計(jì)算機(jī)上，經(jīng)過(guò)軟件系統(tǒng)運(yùn)行模擬一個(gè)實(shí)際對(duì)象系統(tǒng)或過(guò)程。第8頁(yè)（二）地理模型地理模型，就是指真實(shí)地理對(duì)象（過(guò)程、系統(tǒng)）模仿物，它能夠用實(shí)物、邏輯符號(hào)、圖形、表格、文字、數(shù)學(xué)公式、計(jì)算機(jī)軟件來(lái)表示。，廣義地理模型包含： 語(yǔ)言模型（文字模型） 圖形模型 模擬模型第9頁(yè)地理模型研究方面著作 （1）Bunge（1962）理論地理學(xué) （2）Haggett（1965）人文地理中區(qū)位分析） （3）Chorley和Haggett編著（1967）地理學(xué)中模型 （4） Haggett和C

4、horley（1969）地理學(xué)中網(wǎng)絡(luò)分析 （5） Harvey（1969）地理學(xué)中解釋第10頁(yè)二、地理模型特點(diǎn) 地理模型主要含有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）抽象性 首先，地理模型是在一定假設(shè)條件下對(duì)現(xiàn)實(shí)地理系統(tǒng)（過(guò)程）簡(jiǎn)化。其次，地理模型不可能與真實(shí)地理系統(tǒng)（過(guò)程）完全對(duì)應(yīng)，不過(guò)它必須包含真實(shí)地理系統(tǒng)（過(guò)程）中主要原因，而且只應(yīng)該包含那些決定系統(tǒng)（過(guò)程）本質(zhì)性主要原因。第11頁(yè)（2）與原型相同性 地理模型與地理原型之間存在著一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。任何一個(gè)地理模型，都是基于一定目標(biāo)對(duì)一個(gè)地理原型相同性描述。 地理模型作用，就是描述原型系統(tǒng)要素組成、要素之間相互關(guān)系及其動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。所以，地理模型與其所描述原型地

5、理系統(tǒng)（過(guò)程），在狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、過(guò)程或者功效上，必須含有高度相同性。第12頁(yè)（3）可驗(yàn)證性 假如一個(gè)模型不含有可驗(yàn)證性，就不是一個(gè)科學(xué)模型，是沒(méi)有方法論意義。 普通說(shuō)來(lái)，地理模型含有一定目標(biāo)性和應(yīng)用性，所以能夠用于實(shí)際問(wèn)題計(jì)算、分析、仿真和模擬，并得出詳細(xì)結(jié)果。這么，我們就能夠把模型運(yùn)行結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行比較，以此驗(yàn)證模型有效性。第13頁(yè)（4）目標(biāo)性 地理學(xué)研究對(duì)象，不但包含地貌、氣候、土壤、水文、植物等部門自然地理學(xué)，還包含農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通、旅游、文化等人文地理學(xué)，同時(shí)也包含城市、鄉(xiāng)村等區(qū)域地理學(xué)以及綜合地理學(xué)。 不一樣分支學(xué)科研究目標(biāo)不一樣，因而其建立和應(yīng)用地理模型自然是不一樣。既是在同一個(gè)

6、學(xué)科中，對(duì)應(yīng)于同一個(gè)原型系統(tǒng)，為了不一樣目標(biāo)也能夠建立各種不一樣模型，各種不一樣模型所反應(yīng)內(nèi)容也因其目標(biāo)不一樣而有所不一樣。第14頁(yè)比如，為了研究一個(gè)地域氣候改變，能夠依據(jù)不一樣目標(biāo)，建立若干個(gè)不一樣模型。能夠建立反應(yīng)氣溫、降水、濕度等改變規(guī)律動(dòng)態(tài)模型，也能夠建立反應(yīng)它們之間相互關(guān)系相關(guān)分析或回歸分析模型。不過(guò)，在服務(wù)于不一樣目標(biāo)模型中，本質(zhì)變量選擇是不一樣。如，為了研究降水量年際改變規(guī)律，模型就無(wú)須描述各月份降水量改變，但必須反應(yīng)各年份降水量改變。也就是說(shuō)，各月份降水量改變，對(duì)該模型來(lái)說(shuō)是非本質(zhì)。相反，假如研究降水量季節(jié)改變規(guī)律，那么，各月份降水量改變，對(duì)于該模型來(lái)說(shuō)就是本質(zhì)，模型必須對(duì)它進(jìn)

7、行描述。第15頁(yè)（5）多時(shí)空特征因?yàn)榈乩韺W(xué)研究對(duì)象含有各種時(shí)空尺度，所以描述研究對(duì)象地理模型也含有各種時(shí)空尺度性質(zhì)。從空間尺度上來(lái)看，地理學(xué)研究對(duì)象地理區(qū)域，既能夠是全球范圍、洲際范圍、國(guó)家范圍，也能夠是流域范圍、地域范圍、城市范圍、小區(qū)范圍。所以，描述地理區(qū)域各種地理數(shù)據(jù)，含有各種空間尺度。第16頁(yè)其次，從時(shí)間尺度上來(lái)看，地理學(xué)研究對(duì)象地理過(guò)程，現(xiàn)有以地質(zhì)年代和地層年代衡量古地理過(guò)程，也有以歷史年代衡量歷史地理過(guò)程，還有以天、月、季度、年等為時(shí)間單位衡量當(dāng)代地理過(guò)程。所以，描述地理過(guò)程各種地理數(shù)據(jù)也含有各種時(shí)間尺度。第17頁(yè)另外，從一定意義上講，地理系統(tǒng)（過(guò)程）空間尺度與時(shí)間尺度有一定聯(lián)絡(luò)，

8、往往較大空間尺度對(duì)應(yīng)較長(zhǎng)時(shí)間周期，如全球范圍內(nèi)氣候改變周期可能是幾十或幾百年；而城市地籍可能以年為改變周期。正是因?yàn)榈乩硐到y(tǒng)（過(guò)程）節(jié)律性，才決定了地理模型多時(shí)空尺度特征。在實(shí)際問(wèn)題研究中，僅有單一時(shí)間尺度或空間尺度地理模型是不夠，只有建立各種時(shí)空尺度地理模型系統(tǒng)，才能深入揭示地理系統(tǒng)（過(guò)程）內(nèi)在規(guī)律。第18頁(yè)（6）應(yīng)用性 地理學(xué)是研究人類生存地理環(huán)境，以及人類活動(dòng)與地理環(huán)境之間關(guān)系一門綜合性學(xué)科，其研究?jī)?nèi)容廣泛，應(yīng)用性和實(shí)踐性較強(qiáng)。 地理學(xué)應(yīng)用性決定了地理模型應(yīng)用性。地理學(xué)應(yīng)用性決定了刻畫(huà)人地關(guān)系、模擬和仿真地理系統(tǒng)演化過(guò)程，預(yù)測(cè)和協(xié)調(diào)人口、資源、環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可連續(xù)發(fā)展地理模型應(yīng)用性。第1

9、9頁(yè)三、地理模型功效地理模型功效作用（1）認(rèn)識(shí)地理問(wèn)題橋梁（2）地理科學(xué)發(fā)覺(jué)工具（3）綜合研究功效 第20頁(yè)（1）認(rèn)識(shí)地理問(wèn)題橋梁 地理模型能夠幫助地理學(xué)家從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)問(wèn)題、剖析問(wèn)題，并最終處理地理問(wèn)題。為了揭示地理系統(tǒng)內(nèi)在機(jī)制及其演化規(guī)律，就需要從錯(cuò)綜復(fù)雜地理現(xiàn)象中找出本質(zhì)東西，以求得地理系統(tǒng)（地理過(guò)程）內(nèi)在規(guī)律暴露，為此必須建立與應(yīng)用地理模型。 第21頁(yè)（2）地理科學(xué)發(fā)覺(jué)工具 地理模型建立與利用，不論在思想創(chuàng)新，還是方法技術(shù)創(chuàng)新方面都含有不可替換作用。模型是當(dāng)代地理科學(xué)發(fā)覺(jué)和創(chuàng)新基本工具。實(shí)際上，對(duì)于一個(gè)復(fù)雜地理問(wèn)題，能不能順利地進(jìn)行研究，其關(guān)鍵經(jīng)常就在于能不能針對(duì)所要研究問(wèn)題構(gòu)建出一個(gè)科

10、學(xué)地理模型。 第22頁(yè)（3）綜合研究功效 綜合性是地理學(xué)基本特征之一。地理學(xué)研究對(duì)象，是多個(gè)子系統(tǒng)、多要素相互作用地球表層系統(tǒng)，這決定了地理學(xué)研究綜合性特點(diǎn)。地理學(xué)綜合研究，不但僅局限于研究其各個(gè)要素或各個(gè)子系統(tǒng)，更主要是把地球表層系統(tǒng)作為統(tǒng)一整體，綜合地研究其組成要素、各個(gè)子系統(tǒng)及它們空間組合。 第23頁(yè)四、地理模型分類（一）靜態(tài)模型與動(dòng)態(tài)模型 靜態(tài)模型是對(duì)靜態(tài)系統(tǒng)描述。靜態(tài)系統(tǒng)，亦稱無(wú)記憶系統(tǒng)，即系統(tǒng)在任何一個(gè)時(shí)刻輸出只與該時(shí)刻輸入相關(guān)，而與該時(shí)刻之前或之后輸入無(wú)關(guān)。 動(dòng)態(tài)模型是對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)描述。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)亦稱為記憶系統(tǒng)，這類地理系統(tǒng)，在任何一個(gè)時(shí)刻輸出不但與該時(shí)刻輸入相關(guān)，而且也與該時(shí)刻以前

11、輸入相關(guān)。 第24頁(yè)（二）線性模型和非線性模型 線性模型和非線性模型分別是對(duì)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)描述。 所謂線性地理系統(tǒng)，就是指系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)原因共同作用結(jié)果等于每一個(gè)原因單獨(dú)作用結(jié)果機(jī)械疊加，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)就是滿足疊加原理。 第25頁(yè) 用公式來(lái)描述線性地理系統(tǒng)： 設(shè) 為系統(tǒng)內(nèi)部n個(gè)不一樣作用原因， 為n 個(gè)常數(shù)，L代表作用算子，則線性地理系統(tǒng)就是滿足 一類地理系統(tǒng)。反之，不滿足疊加原理地理系統(tǒng)就是非線性地理系統(tǒng)。 嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，線性地理系統(tǒng)（過(guò)程）是不存在，任何一個(gè)地理系統(tǒng)（過(guò)程），普通都含有非線性作用原因存在。第26頁(yè)（三）離散模型與連續(xù)模型 離散模型與連續(xù)模型，是按模型所包括變量連續(xù)性所作一個(gè)分

12、類。假如某一地理系統(tǒng)（過(guò)程）狀態(tài)集X 、輸入集U 以及輸出集Y 是Rk ( R為實(shí)數(shù)集）中連續(xù)集合時(shí)，就稱之為連續(xù)地理系統(tǒng)；當(dāng)X 、U 及Y是離散集合時(shí)，就稱之為離散系統(tǒng)。 第27頁(yè)（四）確定性模型和不確定性模型 對(duì)于任何一個(gè)地理系統(tǒng)，我們都能夠?qū)λ髌胀ㄐ孕问矫枋觯?S X , U , Y ， 式中，X ：狀態(tài)空間；U ：輸入空間；Y ：輸出空間；：動(dòng)態(tài)（狀態(tài)）轉(zhuǎn)移函數(shù)；：輸出函數(shù)。 據(jù)此，描述地理系統(tǒng)模型可被分為兩類，即確定性模型和非確定性模型。第28頁(yè) 確定性模型描述是確定性系統(tǒng)行為，即系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸入和實(shí)時(shí)狀態(tài)能明確唯一地要求下一個(gè)狀態(tài)和實(shí)時(shí)輸出。 非確定性模型描述是不確定性系統(tǒng)行為，即系

13、統(tǒng)實(shí)時(shí)輸入和實(shí)時(shí)狀態(tài)不能明確唯一要求下一個(gè)狀態(tài)和實(shí)時(shí)輸出，即被要求是一些可能狀態(tài)集合或一些可能輸出集合。 第29頁(yè)（五）黑色模型、自色模型和灰色模型 黑色系統(tǒng)，是指人們掌握信息量最少一類地理系統(tǒng)。對(duì)這種系統(tǒng)，人們只知道系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系，但不知道實(shí)現(xiàn)輸入輸出關(guān)系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與過(guò)程。 白色系統(tǒng)，是指人們不但知道系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系，而且知道實(shí)現(xiàn)輸入輸出關(guān)系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與過(guò)程。 灰色系統(tǒng)則是介于“黑色”與“白色”之間一類系統(tǒng)。它是指人們對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系結(jié)構(gòu)與過(guò)程只有部分地了解，尚無(wú)全方面地認(rèn)識(shí)。就當(dāng)前人們認(rèn)識(shí)程度而言，大多數(shù)地理系統(tǒng)是灰色系統(tǒng)。第30頁(yè)（六）集中參數(shù)模型和分布參數(shù)模型 集中參數(shù)模型中模型各變量與空間位置無(wú)關(guān)，而把變量看作在整個(gè)系統(tǒng)中是均一，對(duì)于穩(wěn)態(tài)模型，其為代數(shù)方程，對(duì)于動(dòng)態(tài)模型，則為常微分方程。 分布參數(shù)模型中最少有一個(gè)變量與空間位置相關(guān)，所建立模型對(duì)于穩(wěn)態(tài)模型為空間自變量常微分方程，對(duì)于動(dòng)態(tài)模型為空間、時(shí)間自變量偏微分模型。（七）非參數(shù)模型與參數(shù)模型 非參數(shù)模型是指模型中非顯式地包含可估參數(shù)。它是直接或間接地從實(shí)際系統(tǒng)試驗(yàn)分析中得到響應(yīng)。 參數(shù)模型目標(biāo)就在于確定已知模型結(jié)構(gòu)中各個(gè)參數(shù)第31頁(yè)（八）單變量模型與多變量模型 只有一個(gè)變量模型稱為