西北师范大学 地理建模 基于GIS和RS的石羊河流域城镇水绿洲的复合效应 陈晨.docx
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西北师范大学地理建模基于GIS和RS的石羊河流域城镇水绿洲的复合效应陈晨
2010--2011学年第2学期
西北师范大学地理与环境科学学院地理建模
《基于GIS和RS的石羊河流域城镇-水-绿洲的复合效应》
（地理建模）
指导老师:
魏伟
学生姓名:
陈晨、李永亮、王小燕、靳自宝
班级:
08级地理信息系统
评语：
成绩：
（建模题目及要求）
一．题目：
《基于GIS和RS的石羊河流域城镇-水-绿洲的复合效应》
二．要求：
1.论文格式：
标准论文格式。
2.内容安排：
（1）内容摘要；
（2）研究区概况与研究资料；
（3）分析与实验；
（4）结语；
（5）参考文献。
3.具体事项：
综述分析≧5000字。
要有个人观点和方法。
基于GIS和RS的石羊河流域城镇-水-绿洲的复合效应
1摘要：
西北干旱区城镇—水—绿洲的空间分布具有很强空间相关性。
研究西北地区空间分布的特征有助于社会生产、资源配置以及区域发展均有积极意义。
石羊河流域作为西北干旱区人地发展问题较为突出的代表之一，研究该区域有较大的科学和生产价值。
本文选取石羊河流域作为研究对象，通过几个地理模型，利用地理信息软件验证了该区域城镇和水、水和绿洲以及城镇和绿洲的相互影响和空间分布上的的一致性，初步提出了该区域社会发展存在的问题，为该区域现今发展的现状级今后的发展趋势提供有力的决策依据。
2研究区概况与研究资料
2.1研究区概况
石羊河流域（36°29′N～39°27′N；101°22′E～104°16′E）位于甘肃省河西走廊东部,祁连山北麓，属河西走廊3大内陆河流域之一，流域行政区划包括武威市的凉州区、古浪县、民勤县全部及天祝县部分地区,金昌市的永昌县及金川区全部及张掖市肃南裕固族自治县、山丹县部分地区,共3市8县（区）,面积约4.16×104km2,总人口约240.81万人。
该流域地势南高北低,自西南向东北倾斜,且深居大陆腹地,属大陆性温带干旱气候太阳辐射强,日照充足,夏季短而炎热,冬季长而寒冷,温差大,降水少,蒸发强烈,空气干燥。
流域内土壤、植被类型分布因受气候、水文和地形等自然条件的影响,形成了明显的土壤-植被垂直带谱。
2.2研究资料
2.3处理方法
2.3.1数据初处理
主要进行对遥感影像的拼接，大气校正，投影修正等操作，目的在于影像数据和矢量数据有统一的投影系统和坐标系统。
为数据以后叠置分析提供方便。
信息提取，本文研究对象主要是石羊河流域的河流和绿洲的之间的关系，通过解译遥感影像，解译出绿洲的空间矢量数据。
并对数据进行分析和投影改正。
2.3.2河流缓冲区的建立
2.3.2.1本文对河流数据和水文资料进行分析，得出主要河流的径流量G，由公式
计算和每一条主干道径流比例。
以1000为石羊河流域总水量，通过径流比例计算出石羊河单位径流量
。
并把此虚拟径流量作为石羊河主干河流的缓冲区大小。
2.3.2.2分离出主干河流和支流，有河流的空间数据确定河流的结点级数
。
例如从主干流上直接分出来的确定为一级，由一级河流再次进行分流的支流为二级，以此类推，确定所有支流的结点级数。
2.3.2.3对dem进行分类，通过高程信息将dem分为8类，将分级的dem数据classdem转化为矢量数据，并对其进行分析。
2.3.2.4河流高成级数的获取。
通过河流数据和classdem叠置分析，将classdem的空间分级信息通过叠置分析的方法，赋值给河流的矢量数据，使河流数据river具有classdem分级信息
。
本文研究对象为绿洲和水域，有绿洲的定义可知，实际绿洲的范围并不大，进一步对river的分级信息就进行系数化，在绿洲范围内按高程分别将其级数系数化为1、0.9、0.8和0.河流数据得到分级系数
。
2.3.2.5支流缓冲区的建立。
通过空间数据的分析，得出各个支流的权属信息，并按照权属信息将主流的单位径流量赋值给支流，得到支流的初始单位径流量
。
则支流的单位径流量
2.3.2.6缓冲区生产。
分别以主流和径流为对象，制作缓冲区。
缓冲区大小由他对应的单位径流量确定。
2.3.2.7河流数据与绿洲数据叠置分析
3分析与实验
3.1城镇-水
城镇-水数据处理流程图
对于干旱的石羊河流域而言，其水资源的分布状况对城镇的规模及发展起到相当大的作用。
由于城镇的分布与河流的分布具有很强的相关性，而这种特点在内陆石羊河流域显得更加的突出。
城镇是个用水大户，所以城镇的城市化水平与城镇总用水量之间具有很大的相关性，因此建立第一个城镇化水平与用水量之间的模型。
[11]（5）
其中Y为城市化水平（%），X为总用水量（万立方），利用鲍超、方创琳对河西走廊城市化与水资源利用关系的量化研究的结论，将石羊河流域的系数a取为7.8541,b取为80.43。
根据《2009年甘肃年鉴》中的相关数据可以得到石羊河流域主要城镇和城市化水平的数据，根据公式1我们可以得到石羊河流域各主要城镇的城市化水平Y和用水量X之间的关系（如表5）。
表5石羊河流域主要城镇城市化水平
城镇
城市化水平（%）
用水量（万立方）
凉州区
41.50
1.52017062
民勤县
25.00
1.237604825
古浪县
7.43
0.994740969
天祝县
25.80
1.249976131
金川区
29.60
1.310449894
永昌县
30.49
1.325031233
肃南自治县
1.34
0.922202062
山丹县
32.00
1.350142471
根据表5的计算结果可以清楚地得到在石羊河流域凉州区、民勤县、天祝县、金川区、永昌县和山丹县的用水量较大，古浪县和肃南自治县的用水量相对较小。
因此，根据如此巨大的用水量，城镇应该分布于与水源较近的区域，而在干旱区这一点应该主要表现在河流分布上。
依照杨小梅等的观点[12]，河西走廊区域的城镇分布属于河流指向型这一理论。
由矢量数据（图6）可以得到河流和城镇分布的现实状况，很明显城镇是沿河流分布的。
图6石羊河流域各支流和城镇分布关系图
确定了城镇分布都是沿着河流紧密的分布，就需要研究城镇与河流的分布之间相关型的大小，本文选择场强模型来验证城镇分布与河流分布的相关性大小。
城镇与水域距离的场强模型:
[13]（6）
其中
表示第
个城镇和第
个水域之间的引力；
表示城镇中心与河流之间的加权平均距离；
为摩擦系数，用缓冲区的缓冲级数的平均值表示；
，
分别表示城市规模（总人口数）和水域规模（河流年径流量）。
由加权平均距离公式：
[14]（7）
通过ArcGIS建立石羊河流域各城镇的多级缓冲区，可以得到石羊河流域六个主要城镇（由于天祝县和山丹县的城镇中心不在该流域，所以未进行数据统计）几何中心与周围河流之间的分组距离；利用上述加权公式可以得到各个城镇与河流之间的距离（如图7）。
图7石羊河流域主要城镇多级缓冲区示意图
由石羊河流域各支流和城镇分布关系图可以很清楚的看到凉州区的河水水源补给主要是西营河、金塔河、杂木河和黄羊河，民勤县的河水水源补给主要是石羊河和红水河（石羊河的一个支流），金川区的河水水源补给主要是西大河和东大河，永昌县的河水水源补给主要是西大河和东大河，肃南县的河水水源补给主要是东大河，古浪县的河水水源补给主要是古浪河。
由上述两个因素可以得到石羊河流域各城镇与各河流之间的加权距离（图6）。
表6石羊河流域各城镇与河流之间的加权距离（单位：
千米）
古浪河
黄羊河
杂木河
金塔河
西营河
东大河
西大河
凉州区
4.232
2.114
6.237
民勤县
7.460
7.460
7.460
7.460
古浪县
1.460
金川区
2.085
2.085
永昌县
5.240
2.886
肃南县
2.309
由《2009年甘肃年鉴》可以得到2008年年末石羊河流域主要城镇总人口数量。
根据石羊河流域各水文站点1956年~2000年的统计数据可以得到石羊河流域八大支流的年径流量平均值数据（见表7，表8）。
表7石羊河流域主要城镇2008年末人口数量
凉州区
民勤县
古浪县
天祝县
金川区
永昌县
肃南县
山丹县
99.92
30.2
39.2
21.52
21.41
25.88
3.14
表8石羊河流域八大支流41年平均径流量
大靖河
古浪河
黄羊河
杂木河
金塔河
西营河
东大河
西大河
1268
7275
14282
23797
13670
37001
32317
15768
根据王录仓、王航等人的研究，在西北干旱区，河流的影响范围一般较小。
[15]本文取10千米的影响范围，由此理论可以得到石羊河流域各城镇周围10千米以内河流所在的缓冲区，本文选用一千米作为缓冲区半径，得到各个城镇10级缓冲区级数，利用各个缓冲区级数的大小得到其平均数，由一般数据的平均值公式：
[14]（8）
可以得到摩擦系数b（见表9）。
城镇
凉州区
民勤县
古浪县
金川区
永昌县
肃南县
摩擦系数b
6.200
4.167
1.000
4.667
3.400
2.667
根据表7、表8和表9的数据，由公式6、公式7和公式8可以计算出石羊河流域主要城镇几何中心和附近十千米以内的水域的场强值，通过数据处理得到表10的结果。
表10石羊河流域主要城镇与水域之间的场强值
古浪河
黄羊河
杂木河
金塔河
西营河
东大河
西大河
凉州区
56.049
93.390
53.647
145.208
民勤县
51.572
101.243
168.694
96.905
262.295
古浪县
383150
金川区
42.982
71.743
永昌县
14505.939
7077.688
肃南县
4492.282
由上表可以看出石羊河流域中古浪县、永昌县和肃南县与水域的引力场值很大；凉州区和民勤县的引力值也较大，达到了几百；只有金川区的引力值相对较小。
由于古浪县、永昌县和肃南县地处水域上游，城镇沿河分布特征明显，而做为下游的金川区、凉州区、民勤县，虽然河流引力较前者小，但是这些地区附近都修建了大型水库，人为的打破了城镇与河流距离较远的障碍，方便了城镇居民的生活和生产用水。
综合研究得到：
石羊河流域各主要城镇分布围河流具有很强的相关性。
由于本文采用的河流年径流量是多年的平均值，对每一条河流的流量取相同的值，对每条河流与城镇的距离做缓冲区取其缓冲区所在的级数，这使得最后建立的模型与实际状况有既定的差距，对最后的结果的精确性也有一定的影响。
但是从总体的分析研究结果来看石羊河流域城镇和河流之间存在很强的吸引力，致使它们具有很强的空间相关性。
3.2水-绿洲
3.2.1整理数据，首先将下载的遥感影像拼接，去云，然后用石羊河流域的边界对影像按4、3、2波段作为mask裁剪。
数据的提取。
以研究对象为目标，对绿洲空间数据进行提取。
将影像分别以4、3、3波段（标准假彩色）和3、2、1波段（真彩色）显示图形。
使用ARCgis的草图工具，沿绿洲将绿洲描绘出来。
如图1所示，为提取的绿洲面积：
3.3缓冲区的建立。
从石羊河水管所得到的数据是石羊河流域8大水系2000年到2008年的径流量数据。
对其进行分析，得出每条河流的径流量。
在分析处理的时候舍去地形坡度级比较高的部分，也就是在山区地方，因为在山沟里不能算做是荒漠地带，并且山上以树林为主，所以其不属于荒漠地方。
在地形坡度较低的地方分类后只剩下一级，二级和三级。
分别给三个技术赋予权重为1、0.9、0.8然后使其参与缓冲区的建立。
以主流为一级节点，对石羊河流域的支流进行节点分析，对每一条支流赋予节点级数。
并对每个级数赋予权重，参与缓冲区的计算。
表1石羊河流域河流水量数据万立方
河流名称
年平均径流量
年平均径流比例
河流径流排序
杂木河
7.82
17.74%
6
西大河
5.97
13.54%
3
大靖河
0.38
0.86%
9
黄羊河
3.69
8.37%
7
古浪河
1.64
3.72%
5
东大河
1.41
3.21%
8
石羊河
11.43
25.92%
1
西营河
4.54
10.31%
4
金塔河
7.19
16.32%
2
由上表看出石羊河流域主要的水量分布在石羊河中，其中平行的河流，即上游的河流主要以杂木河和金塔河水量最多，大靖河水量最少。
图1石羊河流域绿洲分布图图2石羊河流域河流与地形坡度级数
图3石羊河流域主流与支流缓冲区图4石羊河流域缓冲区分级图
表2石羊河流域缓冲区面积公顷，%
名称
面积
百分比
一级缓冲带面积
161504.3049
19.18%
二级缓冲带面积
299158.3109
35.52%
三级缓冲带面积
381527.2407
45.30%
由上表可以看出，石羊河流域绿洲缓冲带为面积为161504.3049公顷，二级缓冲带面积增加16.34%，三级缓冲区面积增加9.7%。
3.3结论
4.1石羊河流域绿洲分布较破碎，绿洲主要分布在上游地区，而下游地区，除了石羊河周围分布着绿洲，其他地方一荒漠为主。
此种分布对河流的要求较为敏感，如果石羊河断流，则可能意味着下游地区的绿洲面积全部沦为荒漠。
如果下游地区全部变成荒漠，而可能导致下游失去活力，出现沙进人退的现象，并且这种现象很难逆转。
所以保持石羊河水量的需求对于石羊河流域面积的维护有着重要的意义。
4.2石羊河流域绿洲的分布式以河流为引力，其中一级缓冲区中面积为：
161504.3049公顷占19.18%，二级缓冲区面积为299158.310公顷占35.52%，三级缓冲区面积为381527.2407公顷，占45.30%。
3.3绿洲-城镇
绿洲-城镇数据处理流程图
从大量重复的观察中可以进行预测和估计，并可以了解估计的变化性和不确定性。
对于大部分的空间数据而言，平稳性的假设是合理的。
这其中包括两种平稳性：
一是均值平稳，即假设均值是不变的并且与位置无关；另一类是与协方差函数有关的二阶平稳和与半变异函数有关的内蕴平稳。
二阶平稳是假设具有相同的距离和方向的任意两点的协方差是相同的，协方差只与这两点的值相关而与它们的位置无关。
内蕴平稳假设是指具有相同距离和方向的任意两点的方差（即变异函数）是相同的。
二阶平稳和内蕴平稳都是为了获得基本重复规律而作的基本假设，通过协方差函数和变异函数可以进行预测和估计预测结果的不确定性。
1.区域化变量
当一个变量呈现一定的空间分布时，称之为区域化变量，它反映了区域内的某种特征或现象。
区域化变量与一般的随机变量不同之处在于，一般的随机变量取值符合一定的概率分布，而区域化变量根据区域内位置的不同而取不同的值。
而当区域化变量在区域内确定位置取值时，表现为一般的随机变量，也就是说，它是与位置有关的随机变量。
在实际分析中，常采用抽样的方式获得区域化变量在某个区域内的值，即此时区域化变量表现为空间点函数：
根据其定义，区域化变量具有两个显著特征：
即随机性和结构性。
首先，区域化变量是一个随机变量，它具有局部的、随机的、异常的特征；其次，区域化变量具有一定的结构特点，即变量在点x与偏离空间距离为h的点x+h处的值Z（x）和Z（x+h）具有某种程度的相似性，即自相关性，这种自相关性的程度依赖于两点间的距离h及变量特征。
除此之外，区域化变量还具有空间局限性（即这种结构性表现为一定范围内）、不同程度的连续性和不同程度的各向异性（即各个方向表现出的自相关性有所区别）等特征。
在对绿洲——城镇同向等距观测点上属性的结构进行空间建模，由一个经验半变函数结构分析/变异分析拟合模型，计算每对间距为的两点的属性值。
这个公式计算每两点间属性值之差的平方。
下图给出某一点与其它所有测量点之间的情况。
这个处理过程依次对每个点进行计算。
通常，每两个点都有一个唯一的距离值，而且也有许多这样成对的点。
同时把所有点对都绘制出来是不可行的。
为了避免绘制每一对点，需要将它们归并到不同的步长分组（lagbin）中。
经验半变函数是y轴上表示平均的半变函数值，x轴上表示距离（步长）的图形。
空间自相关关系量化了最基本的绿洲——城镇地理规律：
相近相似、相离相异。
因此相近的点对——半变函数图上x轴上靠左的部分——属性值较为相近——y轴上的变异函数值较小。
点对间距离越远——半变函数图上x轴上靠右的部分——其属性值差异越大，偏差的平方值也越大——y轴上的变异函数值较大。
2.变异分析
（1）协方差函数协方差又称半方差，表示两随机变量之间的差异。
地统计学中的协方差函数为：
其中，Z（x）为区域化随机变量，并满足二阶平稳假设，即随机变量Z（x）的空间分布规律不因位移而改变；h为两样本点空间分隔距离；Z（xi）为Z（x）在空间点xi处的样本值；Z（xi+h）是Z（x）在xi处距离偏离h的样本值[i=1,2,…,N（h）]；N（h）是分隔距离为h时的样本点对总数；
和
分别为Z（xi）和Z（xi+h）的样本平均数。
上式中，n为样本单元数。
一般情况下，
（特殊情况下可以认为近似相等）。
（2）半变异函数
区域化变量Z（x）在点x和x+h处的值Z（x）与Z（x+h）差的方差的一半称为区域化变量Z（x）的半变异函数，记为r（h），2r（h）称为变异函数。
区域化变量Z（x）满足二阶平稳假设，半变异函数依赖于自变量x和h，当半变异函数r（x,h）仅仅依赖于距离h而与位置x无关时，r（x,h）可改写为r（x），即：
由上式可知，半变异函数依赖于自变量x和h，当半变函数r（x,h）仅仅依赖于距离h而与位置x无关时，r（x,h）可改写为r（x），具体表示为：
各变量的含义同前。
也有将r（h）称为变异函数，两者使用上不引起本质上的差别。
（3）变异分析
半变异函数和协方差函数把统计相关系数的大小作为一个距离的函数，是地理学相近相似定理定量量化。
半变异值的变化随着距离的加大而增加，协方差随着距离的加大而减小。
这主要是由于半变异函数和协方差函数都是事物空间相关系数的表现，当两事物彼此距离较小时，它们是相似的，因此协方差值较大，而半变异值较小；反之，协方差值较小，而半变异值较大。
此外，协方差函数和半变异函数随着距离的加大基本呈反向变化特征，它们之间的近似关系表达式为：
r（h）=sill-C（h）
半变异函数曲线图和协方差函数曲线反映了一个采样点与其相邻采样点的空间关系。
此外，它们对异常采样点具有很好的探测作用，在ArcGIS地统计分析模块中可以使用两者的任意一个，一般采用半变异函数。
在半变异曲线图中有两个非常重要的点：
间隔为0时的点和半变异函数趋近平稳时的拐点，由这两个点产生四个相应的参数：
块金值（Nugget）、变程（Range）、基台值（Sill）、偏基台值（PartialSill）它们的含义表示如下：
块金值（Nugget）：
理论上，当采样点的距离为0时，半变异函数值应为0，但由于存在测量误差和空间变异，使得两采样点非常接近时，它们的半变异函数值不为0，即存在块金值。
测量误差是仪器内在误差引起的，空间变异是自然现象在一定空间范围内的变化。
它们任意一方或两者共同作用产生了块金值。
基台值（Sill）：
当采样点间的距离h增大时，半变异函数r（h）从初始的块金值达到一个相对稳定的常数时，该常数值称为基台值。
当半变异函数值超过基台值时，即函数值不随采样点间隔距离而改变时，空间相关性不存在。
偏基台值（PartialSill）：
基台值与块金值的差值。
变程（Range）：
当半变异函数的取值由初始的块金值达到基台值时，采样点的间隔距离称为变程。
变程表示了在某种观测尺度下，空间相关性的作用范围，其大小受观测尺度的限定。
在变程范围内，样点间的距离越小，其相似性，即空间相关性越大。
当h>R时，区域化变量Z（x）的空间相关性不存在，即当某点与已知点的距离大于变程时，该点数据不能用于内插或外推。
当限定的样本点间隔过小时，可能出现曲线图上所有r（h）≈Nugget，即曲线为一近似平行于横坐标的直线，此时半变异函数表现为纯块金效应。
这是由于所限定的样本间隔内，点与点的变化很大，即各个样点是随机的，不具备空间相关性，区域内样点的平均值即是最佳估计值。
此时只有增大样本间隔，才能反映出样本间的空间相关性。
空间相关性的强弱可由Partial_Sill/Sill来反映，该值越大，空间相关性越强。
相应地，Nugget/Sill称为基底效应，表示样本间的变异特征，该值越大，表示样本间的变异更多得是由随机因素引起的。
3．空间估值
一个完整的地统计分析过程，或者说空间估值过程，一般认为：
首先是获取原始数据，检查、分析数据，找寻数据暗含的特点和规律，比如是否为正态分布、有没有趋势效应、各向异性等等；然后选择合适的模型进行表面预测，这其中包括半变异模型的选择和预测模型的选择；最后检验模型是否合理或几种模型进行对比。
（1）数据显示
在ArcMap数据视图窗口中添加并显示待分析的数据图层。
（2）数据检查
分析数据集的统计属性，对数据进行深入了解。
数据检查内容包括检验数据分布、寻找数据离群值、全局趋势分析、探测空间自相关及方向变异，以及多数据集协变分析。
（3）模型拟合
基于对数据的认识，初步选择一个认为合适的模型创建表面。
全面的数据检查有助于选择出合适的模型。
（4）模型诊断
评估模型的输出（表面），了解所选模型对未知值的预测效果。
诊断的主要内容包括：
①预测的准确性。
②模型的有效性。
（5）模型比较
通过设置不同参数或者选择多个可选模型创建表面，通过对比分析可以确定哪个模型对未知值的预测更好。
4结语
本文以石羊河流域城镇-水-绿洲系统作为研究对象，选取RS和GIS作为研究技术支持，通过城镇-水、水-绿洲、绿洲-城镇两两之间的空间相关分析，分别建立地理模型，验证了该区域城镇和水、水和绿洲以及绿洲和城镇的相互影响和空间分布上的复合性，拟合出西北干旱区城镇—水—绿洲的复合效应。
石羊河流域作为西北干旱区人地发展问题较为突出的代表之一，研究该区域有较大的科学和生产价值。
研究西北地区空间分布的城镇—水—绿洲的复合效应特征有助于区域发展、资源配置以及社会生产均有积极意义。
本文初步提出了该区域城镇—水—绿洲复合发展存在的问题，谋求为该区域现今发展的现状级今后的发展趋势提供有力的决策依据。
参考文献：
[1]《ArcGIS中的地理处理》作者Jil
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