地理信息系統(tǒng)應(yīng)用 網(wǎng)絡(luò)分析教學(xué)設(shè)計

《地理信息系統(tǒng)應(yīng)用》學(xué)習(xí)情境：空間數(shù)據(jù)查詢與分析學(xué)習(xí)單元：如何運用網(wǎng)絡(luò)分析方法解決最正確路徑的選擇和資源配置問題一、學(xué)習(xí)單元教學(xué)目標(biāo).掌握網(wǎng)絡(luò)分析的根本原理和功能.掌握運用網(wǎng)絡(luò)分析解決最正確路徑的選擇的方法和原理.掌握運用網(wǎng)絡(luò)分析解決資源配置的方法.結(jié)合實際、掌握利用網(wǎng)絡(luò)分析方法解決地學(xué)空間分析問題的能力二、學(xué)習(xí)單元教學(xué)內(nèi)容與建議學(xué)時學(xué)習(xí)單元名稱如何開展GIS數(shù)據(jù)的空間插值處理技能點：.尋找最正確行進路線，如：找出兩地通達的最正確路徑。.確定最近的公共設(shè)施，如：引導(dǎo)最近的救護車到事故地點。.創(chuàng)立效勞區(qū)域，如：確定公共設(shè)施〔醫(yī)院〕的效勞區(qū)域。知識點：.網(wǎng)絡(luò)分析的根本原理；.網(wǎng)絡(luò)的組成和建立；.網(wǎng)絡(luò)分析的根本功能和操作。教學(xué)形式：學(xué)中做一做中學(xué)學(xué)時：〔2+2〕備注重點、難點重點：.網(wǎng)絡(luò)屬性的含義和具體應(yīng)用；.網(wǎng)絡(luò)分析的流程。難點：.如何解決最正確路徑的問題；.如何解決資源配置的問題；學(xué)習(xí)型工作任務(wù)能利用提供的實驗數(shù)據(jù)，完成最正確路徑的選擇和資源分配；三、教學(xué)單元設(shè)計方案學(xué)習(xí)單元名稱如何開展GIS數(shù)據(jù)的空間插值處理學(xué)時2+2學(xué)習(xí)型工作任務(wù)技能點知識點教學(xué)載體教學(xué)方法教學(xué)成果形式與考核方式備注文本產(chǎn)品或系統(tǒng)考核方式能利用提供的實驗數(shù)據(jù)，完成最正確路徑的選擇和資源分配.尋找最正確行進路線，如：找出兩地通達的最正確路徑。.確定最近的公共設(shè)施，如：引導(dǎo)最近的救護車到事故地點。.創(chuàng)立效勞區(qū)域，如：確定公共設(shè)施〔醫(yī)院〕的效勞區(qū)域。.網(wǎng)絡(luò)分析的根本原理；.網(wǎng)絡(luò)的組成和建立；.網(wǎng)絡(luò)分析的根本功能和操作。道路層數(shù)據(jù)、專題要素點狀圖層講授法、小組工作法、案例教學(xué)法.教師教學(xué)任務(wù)單.學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)單.學(xué)生實踐操作總結(jié)確定最正確路線和完成資源配置多元化評價方式：.自我評價；.小組評價；.教師評價軟教學(xué)資源配置教學(xué)文件〔附件〕1.教學(xué)情境標(biāo)準(zhǔn)簡表；2.單元教學(xué)設(shè)計方案；3.教學(xué)課件；4.教學(xué)設(shè)計；5.任務(wù)單、工作單；6.考核評價單資源形式1.實驗數(shù)據(jù)2.實驗成果單元授課教案學(xué)習(xí)情境：空間數(shù)據(jù)查詢與分析學(xué)習(xí)單元：如何運用網(wǎng)絡(luò)分析方法解決最正確路徑的選擇和資源配置問題教學(xué)目標(biāo)：1.掌握網(wǎng)絡(luò)分析的根本原理和功能2.掌握運用網(wǎng)絡(luò)分析解決最正確路徑的選擇的方法和原理3.掌握運用網(wǎng)絡(luò)分析解決資源配置的方法4.結(jié)合實際、掌握利用網(wǎng)絡(luò)分析方法解決地學(xué)空間分析問題的能力重點與難點：重點：.網(wǎng)絡(luò)屬性的含義和具體應(yīng)用；.網(wǎng)絡(luò)分析的流程。難點：.如何解決最正確路徑的問題；.如何解決資源配置的問題。教學(xué)方法：講授法、小組工作法、案例教學(xué)法教學(xué)媒介：多媒體、課件、理論授課教師、實驗機房、案例數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)與學(xué)習(xí)成果：能利用提供的實驗數(shù)據(jù)，完成最正確路徑的選擇和資源分配；課時分配：2理論+2實踐授課班次：課程執(zhí)行情況：授課教師應(yīng)在該局部說清楚教師授課及學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的體會，有哪些教學(xué)成功之處，哪些知識點的教學(xué)效果尚不理想等幾方面在實際授課中可能存在學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)的理論知識理解不夠的現(xiàn)象。例如，教師可以通過上網(wǎng)使用百度地圖的功能，通過設(shè)定起點和終點，進行最正確路線的選取，讓學(xué)生切實的感覺到網(wǎng)絡(luò)分析功能的實用性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)6￡知識的興趣。學(xué)習(xí)單元如何運用網(wǎng)絡(luò)分析方法解決最正確路徑的選擇和資源配置問題課程名稱地理信息系統(tǒng)應(yīng)用學(xué)習(xí)情境空間數(shù)據(jù)處理工作任務(wù)〔學(xué)習(xí)型工作任務(wù)〕能利用提供的實驗數(shù)據(jù)，完成最正確路徑的選擇和資源分配；適用年級三年級單元學(xué)習(xí)主題利用網(wǎng)絡(luò)分析的方法，對地理網(wǎng)絡(luò)〔如交通網(wǎng)絡(luò)〕、城市根底設(shè)施網(wǎng)絡(luò)〔如各種網(wǎng)線、電力線等〕進行地理分析。教學(xué)時間/學(xué)時2+2單元教學(xué)目標(biāo).掌握網(wǎng)絡(luò)分析的根本原理和功能.掌握運用網(wǎng)絡(luò)分析解決最正確路徑的選擇的方法和原理.掌握運用網(wǎng)絡(luò)分析解決資源配置的方法.結(jié)合實際、掌握利用網(wǎng)絡(luò)分析方法解決地學(xué)空間分析問題的能力單元重點難點重點：1.網(wǎng)絡(luò)屬性的含義和具體應(yīng)用； 難點：1.如何解決最正確路徑的問題；2.網(wǎng)絡(luò)分析的流程。 2.如何解決資源配置的問題。單元教學(xué)方法講授法、小組工作法、案例教學(xué)法教學(xué)設(shè)計教學(xué)目標(biāo)內(nèi)容教學(xué)組織方式期望媒介教學(xué)方法時間分鐘〕掌握課程學(xué)習(xí)的基本理論理解網(wǎng)絡(luò)分析的根本原理和功能全班集中理論學(xué)習(xí)學(xué)生：了解什么是網(wǎng)絡(luò)分析，它有什么作用多媒體講授法45教師：讓學(xué)生理解實施網(wǎng)絡(luò)分析的根本過程掌握理論知識點的實踐操作技能能夠基于具體的GIS平臺開展針對案例數(shù)據(jù)的實踐操作以小組為單位實踐操作學(xué)生：如何操作軟件的主要過程步驟實驗機房案例教學(xué)法45教師：實踐操作背后反映的理論知識內(nèi)容是哪些，注意穿插講解能利用理論及實踐技能分析和解決實能根據(jù)提供的研究數(shù)據(jù)利用網(wǎng)絡(luò)分析功能解決最正確路線學(xué)生自我實踐操作，并提交學(xué)生：懂得如何分析問題，懂得如何根據(jù)理論知識提出解決問題的思路實訓(xùn)工作室小組工作法、研討、90〔課外〕際問題的選擇及資源的最優(yōu)分配實踐成果教師：幫助分析建立解決問題的邏輯思路論證多元性的評價方法自我評價、小組評價、教師評價參考資料學(xué)習(xí)資源參考書、專業(yè)雜志、資源庫學(xué)習(xí)平臺步驟教學(xué)內(nèi)容教學(xué)方法教學(xué)手段學(xué)生活動時間分配告知〔教學(xué)內(nèi)容、目的〕①復(fù)習(xí)上節(jié)課所講的主要內(nèi)容，用提問的方式來檢驗學(xué)生是否掌握②告知本次課的能力目標(biāo)③告知本次課的知識目標(biāo)講授〔口述〕①板書本次課的工程名稱、中英文②課件展示個別答復(fù)5分鐘引入〔任務(wù)項目〕實例：①向大家展示網(wǎng)絡(luò)分析的成果，讓學(xué)生們對即將完成的工作成果有個直觀的認(rèn)識。②介紹最正確路徑選擇中阻值確實定、起點和終點的選擇以及中途經(jīng)過的中間點。③根據(jù)解決問題的需要，重點介紹資源配置中中心確實定和中心效勞范圍確實定。演示啟發(fā)提問個別回答成果展示課件40分鐘操練〔掌握初步或根本能力〕〔點評學(xué)生意見、教師完善方案、學(xué)生明確步驟〕①利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)向?qū)W生演示實踐操作的主要步驟；②就實踐操作中的技術(shù)難點聯(lián)系根本原理進行講解教師操作示范和課件演示上機操作課件觀察并記錄教師的指導(dǎo)步驟15分鐘深化〔加深對根本能力的體會〕①請學(xué)生根據(jù)教師提示的操作步驟完成案例操作；②提供更加復(fù)雜的根底數(shù)據(jù)，提高對成果的要求，讓學(xué)生自行思考完成作業(yè)啟發(fā)、誘導(dǎo)重點講解個別指導(dǎo)課件個人操作25分鐘歸納〔知識和能力〕教師指出學(xué)生在解決新問題中，思考方式、技術(shù)方法選擇與運用上存在的問題，對要掌握的能力和知識、注意從實踐到理論、系統(tǒng)，有條理，重點突出，難點化解講授，請個別同學(xué)演示、教師操作課件觀察并記錄教師的指導(dǎo)步驟5分鐘訓(xùn)練穩(wěn)固拓展檢驗利用學(xué)生在測量課中獲得的學(xué)校路網(wǎng)數(shù)據(jù)，思考如何實現(xiàn)兩地點間最正確路徑的實現(xiàn)啟發(fā)、誘導(dǎo)、重點講解、個別指導(dǎo)討論個人操作小組操作80分鐘總結(jié)歸納本次課所講的內(nèi)容，要很好的實現(xiàn)能力目標(biāo)，大家還需要在課下多做練習(xí)，多到實踐中總結(jié)經(jīng)驗；教師講授或提問課件板書5分鐘作業(yè)請每個學(xué)生以報告的形式記錄本堂課實驗中所反映的主要實驗步驟，對實驗步驟中存在的重點和主要難點進行分析5分鐘后記板書設(shè)計：一、網(wǎng)絡(luò)分析根本知識 二、路徑分析 三、資源分配 四、定位---配置分析1、網(wǎng)絡(luò)分析定義 1、最短路徑分析含義 1、資源分配含義 1、定位---配置的含義2、網(wǎng)絡(luò)分析用途 2、路徑分析的分類 2、資源分配的分類：定位和分配 2、定位---配置的應(yīng)用3、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組成 3、Dijkstra算法 3、資源分配實現(xiàn)的主要算法4、最正確路徑的選擇 4、資源分配的具體應(yīng)用總結(jié)：作業(yè)：預(yù)習(xí)：教學(xué)內(nèi)容教學(xué)組織與教學(xué)方法知識點一■：網(wǎng)絡(luò)根本知識網(wǎng)絡(luò)是一個由點和線的二元關(guān)系構(gòu)成的系統(tǒng)，通常用來描述某種資源或物質(zhì)在空間上的運動。城市的道路系統(tǒng)、各類地下管網(wǎng)系統(tǒng)等，都可以用網(wǎng)絡(luò)來表示，形成各類物質(zhì)、能量和信息流通的通道。1、網(wǎng)絡(luò)分析定義：GIS中的網(wǎng)絡(luò)分析是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系〔線性實體之間，線性實體與結(jié)點之間，結(jié)點與節(jié)點之間的連接，連通關(guān)系〕，通過考察網(wǎng)絡(luò)元素的空間及屬性數(shù)據(jù)，以數(shù)學(xué)理論模型為根底，對網(wǎng)絡(luò)的性能特征進行多方面的一種分析計算。2、網(wǎng)絡(luò)分析用途：最正確路徑選擇：公交運營線路選擇；緊急救助線路選擇；網(wǎng)絡(luò)流量分析、負(fù)荷估計：供電網(wǎng)，供熱網(wǎng)資源配置：消防站分布，醫(yī)療機構(gòu)配置3、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的根本組成局部和屬性如下：1〕鏈〔Link〕網(wǎng)絡(luò)中流動的管線，如街道、河流、水管等，其狀態(tài)屬性包括阻力和需求。2〕結(jié)點〔Node〕網(wǎng)絡(luò)中鏈的結(jié)點，如港口、車站、電站等，其狀態(tài)屬性包括阻力和需求等。結(jié)點中又有下面幾種特殊的類型。障礙〔82竹10「〕，禁止網(wǎng)絡(luò)中鏈上流動的點。拐點〔Turn〕，出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)鏈中的分割結(jié)點上，狀態(tài)屬性有阻力，如拐彎的時間和限制〔如在8：00到18：00不允許左拐〕。中心〔Center〕，是接受或分配資源的位置，如水庫、商業(yè)中心、啟發(fā)、誘導(dǎo)、重點講解電站等，其狀態(tài)屬性包括資源容量〔如總量〕，阻力限額〔中心到鏈的最大距離或時間限制〕。?站點〔Stop〕，在路徑選擇中資源增減的結(jié)點，如庫房、車站等，其狀態(tài)屬性有資源需求，如產(chǎn)品數(shù)量。除了根本的組成局部外，有時還要增加一些特殊結(jié)構(gòu)，如鄰接點鏈表用來輔助進行路徑分析。相關(guān)知識：網(wǎng)絡(luò)圖論根底網(wǎng)絡(luò)分析是GIS空間分析的重要組成局部。在網(wǎng)絡(luò)分析中用到的網(wǎng)絡(luò)模型是數(shù)學(xué)模型中離散模型的一局部。分析和解決網(wǎng)絡(luò)模型的有力工具是圖論。圖論中的“圖〞并不是通常意義下的幾何圖形或物體的形狀圖，而是一個以抽象的形式來表達確定的事物，以及事物之間具備或不具備某種特定關(guān)系的數(shù)學(xué)系統(tǒng)。由點集合V和點與點之間的連線的集合E所組成的集合對〔V，E〕稱為圖，用G〔V，E〕來表示。V中的元素稱為節(jié)點，E中的元素稱為邊。節(jié)點集V與邊集合E均為有限的圖稱為有限圖。本章只討論有限圖。CB圖1圖的構(gòu)成在圖1中，節(jié)點集合V二｛A,B,C,D｝，邊集合為E=｛e1,e2,e3,e4,e5,e6,e7,e8｝。連接兩個節(jié)點間的邊可能不止一?條，如61,e2都連接A和B。連接同一■節(jié)點的邊稱為自圈，如e8。圖2有向圖 圖3路和樹如果圖中的邊是有向的，則稱為有向圖，如圖2所示。在無向圖中，首位相接的一串邊的集合稱為路。在有向圖中，順向的首尾相接的一串有向邊的集合稱為有向路。通常用順次的節(jié)點或邊來表示路或有向路。如圖5-7-4中，｛e1,e2,e4｝為一條路，該路也可用"1,v2,v3,v5｝來表示。起點和終點為同一節(jié)點的路稱為回路〔或圈〕。如果一個圖中，任意兩個節(jié)點之間都存在一條路，稱這種圖為連通圖。假設(shè)一個連通圖中不

存在任何回路，則稱為樹，如圖3。由樹的定義，直接得出以下性質(zhì)：1〕樹中任意兩節(jié)點之間至多只有一條邊。2〕樹中邊數(shù)比節(jié)點數(shù)少1。3〕樹中任意去掉一條邊，就變成不連通圖。4〕樹中任意添一條邊，就會構(gòu)成一個回路。任意一個連通圖，或者是樹，或者去掉一些邊后形成樹，這種樹稱為這個連通圖的生成樹。一般來說，一個連通圖的生成樹可能不止一個。如果圖中任一邊〔i,j〕都賦一個數(shù)3〔i,j〕,稱這種數(shù)為該邊的權(quán)數(shù)。賦以權(quán)數(shù)的圖成為賦權(quán)圖。有向圖的各邊賦以權(quán)數(shù)后，成為有向賦權(quán)圖。賦權(quán)圖在實際問題中非常有用。根據(jù)不同的實際情況，權(quán)數(shù)的含義可以各不相同。例如，可用權(quán)數(shù)代表兩地之間的實際距離或行車時間，也可用權(quán)數(shù)代表某工序所需的加工時間等。啟發(fā)、誘導(dǎo)、重點講解知識點二：路徑分析啟發(fā)、誘導(dǎo)、重點講解1、最短路徑分析含義：在網(wǎng)絡(luò)中從起點經(jīng)一系列特定的結(jié)點至終點的資源運移的最正確路線，即阻力最小的路徑。2、路徑分析分類：1〕靜態(tài)求最正確路徑：在給定每條鏈上的屬性后，求最正確路徑。2〕N條最正確路徑分析：確定起點或終點，求代價最小的N條路徑，因為在實踐中最正確路徑的選擇只是理想情況，由于種種因素而要選擇近似最優(yōu)路徑。3〕最短路徑或最低消耗路徑：確定起點、終點和要經(jīng)過的中間點、中間連線，求最短路徑或最小消耗路徑。4〕動態(tài)最正確路徑分析：實際網(wǎng)絡(luò)中權(quán)值是隨權(quán)值關(guān)系式變化的，可能還會臨時出現(xiàn)一些障礙點，需要動態(tài)的計算最正確路徑。相關(guān)知識：計算最短路徑的Dijkstra算法1、距離矩陣的計算GIS中的網(wǎng)絡(luò)可以看作是圖，可以是有向圖，也可以是無向圖。對于無向圖，可當(dāng)作有向圖來處理。為了求出最短路徑，需先計算兩點間的距離，并形成距離矩陣。假設(shè)兩點間沒有路，則距離為8。ABCDEA■fl4co12BDD07co4CCOCD02coD3CC902E516502、最短路徑搜索的依據(jù)網(wǎng)絡(luò)圖中的最短路徑應(yīng)該是一條簡單路徑，即是一條不與自身相交的路徑。最短路徑搜索的根本依據(jù)是，假設(shè)從點S到點T有一條最短路徑，則該路徑上的任何點到S的距離都是最短的。

為了進行最短路徑搜索，令d(X,Y)表示點X到Y(jié)的距離，D(X)表示X到起始點5的最短距離。在以下搜索算法中，還需假定兩點之間的距離不為負(fù)。3、最短路徑搜索的步驟(1)對起始點5作標(biāo)記，且對所有頂點令D(X)=8,Y=S。(2)對所有未作標(biāo)記的點按以下公式計算距離，D(X)=min{D(X),d(Y,X)+D(Y)}其中Y是己確定作標(biāo)記的點。取具有最小值的D(X),并對X作標(biāo)記，令Y=X。假設(shè)最小值的D(X)為8,則說明S到所有未標(biāo)記的點都沒路，算法終止；否則繼續(xù)，。(3)如果丫等于T,則已找到5到1的最短路徑，算法終止；否則轉(zhuǎn)(2)。知識點三：資源分配資源分配網(wǎng)絡(luò)模型由中心點(分配中心)及其狀態(tài)屬性和網(wǎng)絡(luò)組成。分配有兩種形式，一種是有分配中心向四周輸出；另一種是由四周向中心集中。這種分配功能可以解決資源的有效流動和合理分配。在資源分配模型中，研究區(qū)可以是機能區(qū)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流的阻力來研究中心的吸引區(qū)，為網(wǎng)絡(luò)中的每一鏈接尋找最近的中心，以實現(xiàn)最正確效勞。資源分配還可以模擬資源如何在中心和它周圍的網(wǎng)絡(luò)元素之間流動。資源分配模型可以用來為電站確定其供電區(qū)，為消防站確定效勞范圍，為學(xué)校選址，確定垃圾收集站點分布；也可用來計算中心地的等時區(qū)、等交通距離區(qū)、等費用距離區(qū)等；還可以用來進行城鎮(zhèn)中心、商業(yè)中心或港口等地的吸引范圍分析，以用來尋找區(qū)域中最近的商業(yè)中心，進行各種區(qū)劃和港口腹地的模擬等。啟發(fā)、誘導(dǎo)、重點講解相關(guān)知識：主要算法(-一)、Teitz-Bart算法1、算法思想在眾多的啟發(fā)式算法中，交換式算法(Interchange)用得最多，其中著名的有Teitz-Bart算法。這一算法主要用來解決P—中心的定位分配問題。3、Teitz-Bart算法分析Teitz-Bart算法主要的計算是在將需求點分配到其最鄰近的供給點，并求總的加權(quán)距離。在這多層次的循環(huán)計算中，不可能臨時求解點間的最小距離，這些數(shù)據(jù)必須預(yù)先求得，隨時取用，以提高算法的效率。這些最小距離正是用最短路徑算法求得的。采用類似動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——供給點數(shù)據(jù)串和需求點數(shù)據(jù)串。數(shù)據(jù)串的長度常?？捎脤嶋H應(yīng)用中效勞距離的最大值來限制，可以大大減少計算時間和內(nèi)存。從供給點的數(shù)據(jù)串中，可以非常容易找到哪些需求點是在該點的效勞范圍，而從需求點數(shù)據(jù)串中可以找出其相鄰的供給點。這在定位與分配的啟發(fā)式算法中起到了關(guān)鍵的作用。Teitz-Bart算法其計算量很大，因為在其多層次循環(huán)取代的計算有很大的計算量，盡管有相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持，對大的網(wǎng)絡(luò)的計算仍需要相當(dāng)長的時間。P.Densham和G.Rushton在對Teitz-Bart算法的修改中，引入了一個新的全局和區(qū)域性算法(GlobalandRegional).Densham-Rushton的這一'新的算法充分利用候選點和需求點數(shù)據(jù)的信息，在計算取代中大大減少了計算量。(二)、Densham-Rushton算法可以表達如下：1、先選P個候選點作為起始供給點集，并將所有需求點分配到最近的供給點，計算其目標(biāo)方程值，即總的加權(quán)距離。2、作全局性調(diào)查(a)檢驗所有的選擇的供給點，選定一個供給點準(zhǔn)備刪去，它的刪去僅引起最小的目標(biāo)方程值的增加。(①從未選入的候選點中，尋找一個候選點來代替(a)中選擇的供給點，其可以最大限度地減少目標(biāo)方程值。(c)如果(b)中選擇的點所減少的目標(biāo)方程值大于(a)中選擇的點所增加的目標(biāo)方程的值，用(b)中點代替(a)中點，并更新目標(biāo)方程值，并到(a)步重復(fù)檢驗。否則的話，轉(zhuǎn)入第3步。3、對每一供給點依次作出區(qū)域性調(diào)整：[)如果不是固定的供給點，用它的鄰近的候選點來代替檢驗。(0如果這一代替可以最大程度地減少目標(biāo)方程值，則進行這一替換，直到P—1個供給點都被檢驗，并無新的替換為止。4、重復(fù)第2步和第3步直到兩步都無新的替換為止。這樣最后的供