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地理建模教程 版權信息
- ISBN：9787030544209
- 條形碼：9787030544209 ; 978-7-03-054420-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
地理建模教程 內容簡介
本書從理論與方法（技術）兩個層面探討了地理建模的有關問題。其中，理論篇的內容包括地理模型的概念、功能與分類，地理建模的思維導向、原則與步驟，地理建模方法概述。方法與技術篇的內容包括確定性建模方法、非確定性建模方法、非線性建模方法、系統仿真建模方法，以及地理建模常用軟件。另外，本書還對靠前上廣泛應用的幾個經典模型做了評介。
本書自成體系，具有專著與教材相結合的寫作風格，既遵從了研究專著的寫作規范，又兼顧了教材的系統性、層次性、通俗性等要求，還吸收了作者本人及他人的**科研成果。
地理建模教程 目錄
目錄
叢書序
前言
Ⅰ理論篇
第1章 地理模型的概念、功能與分類 3
1.1 地理模型的概念 3
1.2 地理模型的特點 5
1.3 地理模型的功能 7
1.4 地理模型的分類 9
參考文獻 13
思考與練習題 14
第2章 地理建模的思維導向、原則與步驟 15
2.1 地理建模的思維導向 15
2.2 地理建模的原則 17
2.3 地理建模的步驟 20
2.4 地理建模應該注意的問題 21
參考文獻 23
思考與練習題 24
第3章 地理建模方法概述 25
3.1 數據分析法 25
3.2 機理分析法 28
3.3 量綱分析方法 31
3.4 類比分析法 34
3.5 仿真模擬方法 40
參考文獻 41
思考與練習題 43
Ⅱ方法與技術篇
第4章 確定性建模方法 47
4.1 系統動態建模方法 47
4.2 運籌決策建模方法 51
參考文獻 65
思考與練習題 66
第5章 非確定性建模方法 67
5.1 經典統計建模法 67
5.2 空間統計建模法 88
5.3 模糊數學建模法 112
5.4 灰色系統建模法 127
參考文獻 138
思考與練習題 140
第6章 非線性建模方法 142
6.1 小波分析方法 142
6.2 集合經驗模態分解 155
6.3 分形理論 165
6.4 自組織臨界性理論 181
6.5 復雜網絡方法 187
參考文獻 198
思考與練習題 202
第7章 系統仿真建模方法 203
7.1 系統動力學方法 203
7.2 人工神經網絡方法 213
7.3 元胞自動機方法 225
7.4 基于agent的建模方法 236
參考文獻 240
思考與練習題 242
第8章 地理建模常用軟件 244
8.1 MATLAB簡介及其應用 244
8.2 Python語言及其應用 264
8.3 R語言及其應用 289
參考文獻 321
思考與練習題 322
Ⅲ經典模型評介篇
第9章 WRF模型評介 327
9.1 WRF模型的基本原理、計算環境及其應用 327
9.2 WRF模型的優缺點及應用中需要注意的問題 357
參考文獻 358
思考與練習題 363
第10章 SWAT模型評介 364
10.1 SWAT模型的基本原理、計算環境及應用 364
10.2 SWAT模型的特點及應用中需要注意的問題 391
參考文獻 394
思考與練習題 397
第11章 InVEST模型評介 398
11.1 InVEST模型的基本原理、計算環境及其應用 398
11.2 InVEST模型的優缺點及應用中需要注意的問題 429
參考文獻 431
思考與練習題 433
第12章 逸度模型評介 435
12.1 逸度模型的基本原理、計算方法及其應用 435
12.2 逸度模型的優缺點及應用中需要注意的問題 450
參考文獻 451
思考與練習題 454
叢書序
前言
Ⅰ理論篇
第1章 地理模型的概念、功能與分類 3
1.1 地理模型的概念 3
1.2 地理模型的特點 5
1.3 地理模型的功能 7
1.4 地理模型的分類 9
參考文獻 13
思考與練習題 14
第2章 地理建模的思維導向、原則與步驟 15
2.1 地理建模的思維導向 15
2.2 地理建模的原則 17
2.3 地理建模的步驟 20
2.4 地理建模應該注意的問題 21
參考文獻 23
思考與練習題 24
第3章 地理建模方法概述 25
3.1 數據分析法 25
3.2 機理分析法 28
3.3 量綱分析方法 31
3.4 類比分析法 34
3.5 仿真模擬方法 40
參考文獻 41
思考與練習題 43
Ⅱ方法與技術篇
第4章 確定性建模方法 47
4.1 系統動態建模方法 47
4.2 運籌決策建模方法 51
參考文獻 65
思考與練習題 66
第5章 非確定性建模方法 67
5.1 經典統計建模法 67
5.2 空間統計建模法 88
5.3 模糊數學建模法 112
5.4 灰色系統建模法 127
參考文獻 138
思考與練習題 140
第6章 非線性建模方法 142
6.1 小波分析方法 142
6.2 集合經驗模態分解 155
6.3 分形理論 165
6.4 自組織臨界性理論 181
6.5 復雜網絡方法 187
參考文獻 198
思考與練習題 202
第7章 系統仿真建模方法 203
7.1 系統動力學方法 203
7.2 人工神經網絡方法 213
7.3 元胞自動機方法 225
7.4 基于agent的建模方法 236
參考文獻 240
思考與練習題 242
第8章 地理建模常用軟件 244
8.1 MATLAB簡介及其應用 244
8.2 Python語言及其應用 264
8.3 R語言及其應用 289
參考文獻 321
思考與練習題 322
Ⅲ經典模型評介篇
第9章 WRF模型評介 327
9.1 WRF模型的基本原理、計算環境及其應用 327
9.2 WRF模型的優缺點及應用中需要注意的問題 357
參考文獻 358
思考與練習題 363
第10章 SWAT模型評介 364
10.1 SWAT模型的基本原理、計算環境及應用 364
10.2 SWAT模型的特點及應用中需要注意的問題 391
參考文獻 394
思考與練習題 397
第11章 InVEST模型評介 398
11.1 InVEST模型的基本原理、計算環境及其應用 398
11.2 InVEST模型的優缺點及應用中需要注意的問題 429
參考文獻 431
思考與練習題 433
第12章 逸度模型評介 435
12.1 逸度模型的基本原理、計算方法及其應用 435
12.2 逸度模型的優缺點及應用中需要注意的問題 450
參考文獻 451
思考與練習題 454
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地理建模教程 節選
Ⅰ理論篇 第1章 地理模型的概念、功能與分類 現代地理學，是一門研究地理環境及其與人類活動之間相互關系的綜合性、交叉性學科。它以分布、形態、類型、關系、結構、聯系、過程、機制等概念構筑其理論體系，注重的是地理事物的空間格局與地理現象的發生發展及變化規律，追求的目標是人地系統的優化——即人口、資源、環境與社會經濟協調發展。所采用的研究方法，是定性與定量方法相結合、綜合歸納與理論演繹方法并用、規范與實證研究方法并舉。 在現代地理學研究中，模型是十分重要的，它是認識地理問題的橋梁，是地理科學發現問題和創新研究的工具，其作用是不可替代的。特別是描述地理過程或地理系統本質的數學模型，是對地理問題進行定量化研究的依據（徐建華，2010，2016）。 1.1 地理模型的概念 1.1.1 模型 通俗地說，模型就是指真實對象的模仿物。 科學模型，則是人們根據科學研究的特定目的，在一定的假設條件下，用物質形式或思維形式再現原型客體的某種本質特征，如關于客體的某種結構（整體的或部分的）、功能、屬性、關系、過程等。通過對科學模型的研究，來推知客體的某種性質或規律。這種借助模型來獲取關于客體的認識的方法，就是模型方法（孫小禮，2007a）。 在科學研究中，為了揭示客觀對象的本質，人們常常借助于實物、文字、符號、公式、圖表等，對客觀事物的特征、內在聯系、變化過程進行概括和抽象描述，這種描述即模型。 一個具體的模型，是對實際對象系統或過程的某一個（一些）特性的描述（王庚和王敏生，2008）。如果按表述給定問題的真實程度，可以把模型劃分為三大類，即比例模型（scale model）、符號模型（symbolic model）和模擬模型（analogue model，simulation model）。 （1）比例模型。比例模型，是對真實系統的小規模的重現，也叫做圖像模型（iconic model）。例如，地理教學中所用的地球儀就是一個比例模型。另外，風沙模擬實驗室里的風洞，研究水土流失而設計的人工降水徑流試驗場，基于遙感影像建立的三維地貌模型等都是比例模型。 （2）符號模型。符號模型，是將客觀對象系統或過程的特性用數學等專門的符號語言表示的一種模型。模型不一定是用公式表示的，也可以是用符號、邏輯圖形（圖形、表格）表示的。 （3）模擬模型。對于那些結構性質基本清楚，但又難以直接用物理式數學模型表達的系統，往往采用另一系統去替代原系統，這種替代系統稱為模擬模型。例如，在電路模擬模型中，用電壓模擬機械運動中的速度、電流模擬力、電容模擬質量；在計算機上，通過軟件系統的運行模擬一個實際的對象系統或過程等。 1.1.2 地理模型 對研究對象（系統、過程）的描述是科學研究的前提和基礎。而對于一個真實的復雜系統的描述，往往需要借助于一定的模型來實現。地理模型，就是指真實的地理對象（過程、系統）的模仿物，它可以用實物、邏輯符號、圖形、表格、文字、數學公式、計算機軟件來表示。 真實的地理系統中，包含著各種不同的地理要素，這些地理要素之間構成了復雜的關系，其中有物理的、化學的、生物的及社會的各種成分和過程，而且各種成分和過程又都隨著時間的變化呈現出不同的空間分布。然而，地理模型是對地理系統的抽象描述，這種描述注重于地理系統的實質性內容和關鍵性環節，它舍棄了與研究問題無關的次要因素及不必要的環節和過程，從而求得了地理系統內在規律的暴露。由此可見，在地理學研究中，特別是在多要素、多層次的復雜地理系統分析中，利用模型和建造模型具有十分重要的意義。 從廣義上來說，地理模型包括語言模型（文字模型）、圖形模型、模擬模型等多種形式。但是，數學模型是對地理系統（過程）*為基礎、*為深刻的描述。地理數學模型能夠反映出真實地理系統（過程）中各主要因素之間的邏輯關系和數學關系，從而使模型成為定量分析和模擬計算的工具。某些地理問題，在現實中是難以借助于實驗進行模擬和研究各變量之間的數量關系的，但是當建立了有關的地理數學模型后，就可以借助于計算機技術將其轉換為計算機程序，從而實現對真實地理系統的模擬、仿真及系統變量之間的數量關系進行研究。另外，地理系統的演化是一個漫長的過程（徐建華，1991），人們很難在較短的時間內觀察出其變化的規律，而地理數學模型和計算仿真模型，可以幫助人們認識其動態變化過程，預測其未來變化趨勢，從而為地理系統的優化調控提供科學依據。 地理模型是伴隨著地理學的發展而發展的（徐建華，1991）。在地理學“計量運動”的推動下（Burton，1963），20世紀60年代以后，地理模型研究方面出現了**批“里程碑”式的著作，如Bunge（1962）的《理論地理學》、Haggett（1965）的《人文地理中的區位分析》、Chorley和Haggett（1967）的《地理學中的模型》、Haggett和Chorley（1969）的《地理學中的網絡分析》、Harvey（1969）的《地理學中的解釋》等。這些著作標志著地理學走向成熟和理論地理學的誕生，使地理學從一種半文學半科學的知識領域真正地走向了科學化（楊吾揚，1985，1989）。此后，先后經歷了多元化、系統化、理論化和計算化等不同階段的發展（徐建華，2010），使地理模型的研究不斷地得到深化（徐建華，2016）。 1.2 地理模型的特點 概括起來，地理模型主要具有如下幾個特點。 1.2.1 抽象性 一個具體的模型，是為了某個特定目的，將實際系統（過程）經過簡化、提煉后保留其本質屬性而構造的原型替代物，地理模型也不例外。從本質上來說，地理模型是借助于有關手段對地理系統（過程）的抽象描述，它以簡潔的形式刻畫了客觀地理系統（過程）的本質。首先，地理模型是在一定假設條件下對現實地理系統（過程）的簡化。其次，地理模型不可能與真實地理系統（過程）完全對應，但是它必須包含真實地理系統（過程）中的主要因素，而且只應當包含那些決定系統（過程）本質性的重要因素。如果將所有因素不分主次，一概計入模型，不僅顯得十分龐雜，而且事實上無法求解，反而掩蓋了問題的本質。 1.2.2 與原型的相似性 地理模型與地理原型（geographical prototype）之間存在著一定的對應關系（徐建華，2010，2014）。任何一個地理模型，都是基于一定的目的對一個地理原型的相似性描述。這里的地理原型，就是地理學家所關心和研究的地理現象、地理事件或地理過程。在地理學領域，人們常常把所考察的地理原型用“××系統”或“××過程”等術語代之，如地貌系統、氣候系統、水文系統、土壤系統、生態系統、城市系統、區域經濟系統；地貌演化過程、氣候變化過程、徑流過程、生態演替過程、城市化過程、經濟發展過程、污染擴散過程等。 地理模型的用途，就是描述原型系統的要素構成、要素之間的相互關系及其動態演變過程。因此，地理模型與其所描述的原型地理系統（過程），在狀態、結構、過程或者功能上，必須具有高度的相似性。 1.2.3 可驗證性 模型具有與原型的相似性，但是否是本質上的相似性呢?模型具有簡單性，但是否是合理的簡單性呢?這些都是需要加以驗證的。如果一個模型不具有可驗證性，就不是一個科學模型，是沒有方法論意義的（孫小禮，2007b）。 一般來說，地理模型具有一定的目的性和應用性，因此可以用于實際問題的計算、分析、仿真和模擬，并得出具體的結果。這樣，就可以把模型運行的結果與實際情況進行比較，以此驗證模型的有效性。 地理學家，不但要善于建立和運用地理模型，而且要善于對模型的有效性進行檢驗。如果通過檢驗發現了模型的缺陷，就要對模型進行修改，甚至代之以新的模型。如果模型經受了實踐檢驗，也還需要進而從理論上論證其科學性，從實踐方法驗證其應用性。建立了一個地理模型后，就應該從理論和實踐應用兩個方面，不斷地檢驗—修改—驗證—修改，從而使之更加完善。 1.2.4 目的性 地理模型的基本特征是由其目的決定的。 地理學的研究對象，不僅包括地貌、氣候、土壤、水文、植物等自然地理學，還包括農業、工業、交通、旅游、文化等人文地理學，同時也包含城市、鄉村等區域地理學及綜合地理學。不同分支學科的研究目的不同，因而其建立的和應用的地理模型自然也不同。即使在同一個學科中，對應于同一個原型系統，為了不同的目的也可以建立多種模型，不同的模型所反映的內容也因其目的的不同而有所不同。例如，為了研究一個地區的氣候變化，可以根據不同的目的，建立若干個不同的模型，可以建立反映氣溫、降水、濕度等變化規律的動態模型，也可以建立反映它們之間相互關系的相關分析或回歸分析模型。在服務于不同目的模型中，本質變量的選擇是不同的。例如，為了研究降水量的年際變化規律，模型就不必描述各月份降水量的變化，但必須反映各年份降水量的變化。也就是說，各月份降水量的變化，對該模型來說是非本質的。相反，如果研究降水量的季節變化規律，那么，各月份降水量變化對于該模型來說就是本質的，模型必須對它進行描述。 從目的性來看，地理模型既有分析的模型，又有綜合的模型；既有分布的模型，又有過程的模型；既有擴散模型，又有生滅模型；既有相互作用模型，又有相互聯系模型；既有仿真模型，又有模擬模型；既有揭示系統結構與過程機制的機理模型，又有反映系統行為的功能模型；等等。 1.2.5 多時空特征 由于地理學的研究對象具有多種時空尺度，所以描述研究對象的地理模型也具有多種時空尺度的性質。 首先，從空間尺度上來看，地理學的研究對象——地理區域，既可以是全球范圍的、洲際范圍的、國家范圍的，也可以是流域范圍的、地區范圍的、城市范圍的、社區范圍的。因此，描述地理區域的各種地理模型，具有多種空間尺度。既有全球尺度的、洲際尺度的、國家尺度的，也有流域尺度的、地區尺度的、城市尺度的、社區尺度的、小區尺度
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