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第四讲 环境决策支持系统的技术基础 PowerPoint PPT Presentation


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第四讲 环境决策支持系统的技术基础. 2007 年 3 月. 第一部 环境决策支持系统技术概述回顾. · 决策过程 决策是为了达到某一 目的 而在若干 可行方案 中经过科学的分析、比较、判断,从中选取 最优方案 并赋予实施的 过程 。 决策过程一般分为五个步骤: ( 1 )识别 问题 或对决策的要求; ( 2 )分析和阐明方案( 对策 ); ( 3 )做出选择( 决策 ); ( 4 )传达和 执行 决策; ( 5 ) 追踪和反馈 决策的结果。. 决策支持系统的基本结构.

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第四讲 环境决策支持系统的技术基础

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第四讲环境决策支持系统的技术基础

2007年3月


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第一部

环境决策支持系统技术概述回顾


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·决策过程

决策是为了达到某一目的而在若干可行方案中经过科学的分析、比较、判断,从中选取最优方案并赋予实施的过程。

决策过程一般分为五个步骤:

(1)识别问题或对决策的要求;

(2)分析和阐明方案(对策);

(3)做出选择(决策);

(4)传达和执行决策;

(5)追踪和反馈决策的结果。


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决策支持系统的基本结构

决策支持系统是一个由多种功能协调配合而成的,以支持决策过程为目标的集成系统。从内部结构上看,它有以下两种基本形式:

  • 一种形式由对话子系统、数据库子系统、模型库子系统和方法库子系统组成,如图1所示。

  • 另一种DSS的内部结构形式由语言子系统、知识子系统和问题处理子系统组成,如图2所示。

  • 在实际建立DSS时,可以由上述两种基本结构通过分解或增加某些基本部件而演变出多种形式。


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DSS的构造与系统结构


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软件环境

  • 数据库与地理信息系统软件(ArcGIS等)

  • 方法与模型管理系统软件或算法集合

  • 专家系统与知识推理系统

  • 决策方法

    >单目标决策分析模型(风险决策分析、竞争型决策分析、序贯决策分析、不确定型决策分析、贝叶斯决策分析、马尔可夫决策分析、自适应决策分析等)

    >多指标决策分析模型(层次分析法、分层序列分析法、理想点分析法、效用函数分析法、优劣系数分析法),模糊决策分析以及现代管理决策问题(如,价格决策、存货决策、投资决策问题)

  • 人机界面技术

  • 群决策支持软件(如DICODESS)

  • 系统集成软件等


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决策支持软件的三个技术层次

从技术角度看,DSS具有专用DSS、 DSS生成器与DSS工具等三个层次,它们面向不同的人员,起着不同的作用,三个层次相互间有着依托支撑的关系。


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基于DSS工具的EDSS的实现方案

1)应用模式

利用现有成熟的软件如GIS系统如ARC/INFO、MAPINFO、INTEHGRAH等,RS软件ERMAPPER、PCI等,可用LISP、PROLOG编制专家系统推理软件。这种方法的局限性在于要求使用者有较强的GIS,RS软件应用技术,和识别RS数据、GIS数据表现的能力等。对决策者而言是勉为其难。

2)自主开发集成系统

RS和GIS数据的复杂性决定了对应系统是复杂的信息系统,其开发难度决非一般MIS开发所能比的,因此,从底层用C/C++语言开发难度非常大,需要投入极大的人力物力,同时必须对系统进行良好的设计才能满足系统的易用、易扩展等性能。

3)应用现代信息技术的系统集成方案

系统集成方案是指将现有GIS、RS、ES等成熟软件包中的可重用组件,重新融合为新的实用决策软件系统。

基于数据流集成技术进行系统开发


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决策支持系统的关键技术

  • 数据库系统

  • 模型库系统面向事实

  • 知识处理系统 面向问题

  • 脑图系统面向思路

  • 接口技术

  • 集成技术

  • 决策模型和方法


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数据库子系统

  • 数据和信息是减少决策不确定因素的根本所在,因此,数据库子系统是决策支持系统不可缺少的重要组成部分。

  • 数据库子系统包括数据库(DB)和数据库管理系统(DBMS),其功能包括对数据的存储、检索、处理和维护,并能从来自各种渠道的各种信息资源中析取数据,把它们转换成DSS要求的各种内部数据。从某种意义上说,DSS数据库子系统的主要工作就是进行一系列复杂的数据转换过程,与一般的数据库相比,DSS的数据库特别要求灵活易改,并且在修改和扩充中不丢失数据。


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模型库子系统(1)

  • 现实数据表示的是过去已经发生了的事实,因此数据必然是面向历史的。我们利用各种模型,就可以把面向过去的数据变换成面向现在或者将来的有意义的信息。在DSS中,决策支持模型体现了管理者解决问题的途径,所以随着管理者对问题认识程度的深化,他们所使用的模型也必然会跟着产生相应的变化。模型库子系统应能够灵活地完成模型的存储和管理功能。

  • 模型库子系统包括模型库(MB)和模型库管理系统(MBMS),它是决策支持系统的核心,是最重要的也是较难实现的部分。

  • 模型库管理系统管理的模型有两类:一类是标准模型(如规划模型、网络模型等),这些模型按照某些常用的程序设计语言编程,并存在库中。

  • 另一类是由用户应用建模语言而建立的模型,即使是标准模型也有个再开发的过程


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模型库子系统(2)

  • 模型不同于数据,模型库也不同于数据库。如何表示模型,如何组织模型库,模型库管理系统的功能要求有哪些,这些问题是决策支持系统开发的关键。目前尚未出现成熟的商品软件,也没有关于模型库系统的统一标准,模型库系统的开发是由研制者自行完成的。

  • 模型种类很多,有数学模型、数据处理模型、智能模型、图形模型、图像模型等。数学模型可以用数学方程形式表达,也可以用算法形式描述。数据处理模型一般用数据处理过程来说明。它们在计算机中均以计算机程序的形式表示。而图形、图像模型等在计算机中都是以数据文件形式表示。模型库既包含数据文件,又包含程序文件,需要设计统一的格式进行存储,以便使模型库管理系统对它们进行有效的管理。

  • 模型库管理系统可以参照数据库管理系统的功能,如库的建立、模型的查询、增加、删除、修改等。由于模型比数据复杂,模型库比数据库复杂得多,模型库管理系统的功能相应地也复杂许多。

  • 数据库管理系统是通过数据库语言来完成各项管理功能,模型库管理系统同样需要设计一套语言来完成模型库的各项管理功能,模型库语言比数据库语言复杂。


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模型库子系统(3)

  • 模型库管理系统支持决策问题的定义和概念模型化、维护模型,包括联结、修改、增删等。

  • 模型库子系统与对话子系统的交互作用,可使用户控制对模型的操作、处置和使用;

  • 它与数据库子系统交互作用,以便提供各种模型所需的数据,实现模型输入、输出和中间结果存取自动化;

  • 它与方法库子系统交互作用,实行目标搜索、灵敏度分析和仿真运行自动化等。

  • 模型库子系统的主要作用是通过人机交互语言使决策者能方便利用模型库中各种模型支持决策,引导决策者应用建模语言和自己熟悉的专业语言建立、修改和运行模型。


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方法库子系统

  • 方法库子系统包括方法库(MEB)和方法库管理系统(MEBMS)。在DSS中,通常是把决策过程中的常用方法(如优化方法、预测方法、蒙特卡罗法、矩阵方程求根法等)作为子程序存入方法库中。方法库管理系统对标准方法进行维护和调用。

  • 有的决策支持系统没有方法库子系统


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对话子系统

  • 对话子系统(DGMS)是决策支持系统的人机接口,它负责接收和检验用户的请求,协调数据库系统、模型库系统和方法库系统之间的通信,为决策者提供信息收集、问题识别以及模型构造、使用、改进、分析和计算等功能。

  • 对话子系统通过人机对话,使决策者能够依据个人经验,主动地利用DSS的各种支持功能,反复学习、分析、再学习,以便选择一个最优决策方案。显然,对话决策方式充分重视和发挥了认识主体-人的思维能动性,必然使管理决策质量大幅度提高。由于决策者大都是非计算机专业人员,他们要求系统使用方便,灵活性好,所以,对话子系统硬件和软件的开发和配置往往是决策支持系统成败的关键。


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语言子系统

  • 语言子系统是用户与系统联系的工具,用户的问题需要通过语言子系统来描述和响应。


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知识库子系统

  • 知识库子系统是DSS能够解决用户问题的智囊,它主要包括一个综合性的知识库,其中存储的是与问题领域有关的各种知识,相关数据和模型等。


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问题处理子系统

  • 问题处理子系统是DSS的核心部分,它完成系统的动态过程,即接受用户的问题,运用知识子系统的知识,实现用户问题的求解过程。


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接口技术

在数据库系统和模型库系统建立后,部件之间的接口技术是一个关键技术。

1)模型部件和集成部件存取数据库的接口

  • 模型程序一般采用数值计算语言编制。而数据库语言主要进行非数值的数据处理工作,对数组运算等数值计算功能很弱,更不具有指针链表、集合运算、递归运算等功能。故数据库语言不适合于编制数值计算类型的模型程序。

  • 决策支持系统需要将数值计算和数据处理二者结合起来。目前尚无一种计算机语言具有二者兼顾的功能。有效的途径是解决好模型存取数据库的接口。

  • 数值计算语言编制的模型程序所用到的数据一般以文件形式输入和输出。大多数决策问题都是多模型的组合,各模型之间是通过数据相连的,即严格模型的输出数据是另一个模型的输入数据。在决策支持系统中,把所有公用的数据都放入数据库中,这既便于数据库共享,也便于数据的统一管理。

  • 当各模型程序所需的数据都放入数据库后,模型存取数据库的接口就很重要了。模型程序用到数据时,要通过这个接口存取所需数据。

  • 集成部件存取数据库接口类似于模型对数据库的接口。

    2)集成部件对模型的接口

  • 这个接口体现在集成部件对模型的控制运行以及多模型的组合。按计算机程序形式来组织模型,一般采用“顺序、选择、循环”结构以及嵌套组合结构形式来组合模型。


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集成部件的集成技术

  • 决策支持系统由“知识、模型、数据”三部件组成。如何使三部件有机集成为系统是又一个关键技术。这里集成部件是关键,它要真正能控制单模型运行以及多模型的组合运行,控制大量数据库的存取,实现DSS的系统集成。

  • 集成部件需要利用一种计算机语言,针对具体的决策问题,编制或者自动生成决策总控程序,将所需要的模型库、数据库进行集成,形成一个实际的决策支持系统。

  • 人机交互系统完成人机对话功能,即对数据或信息的输入、显示和输出。应当充分利用各种界面技术,为人机交互提供更友好的环境。

  • 对实际决策问题,完成组织和控制模型的运行和对数据的存取,需要一种计算机集成语言,它具有人机交互、数值计算、数据处理、模型调用等多种功能。目前还没有哪种计算机语言能达到这个要求。可以采取两种方法:

    1)自行设计这种多功能的集成语言来完成决策支持系统的需求;

    2)选用功能较强的计算机语言,如C,C++,java, vb, Python等作为宿主语言,增加一些它不足的功能语句,如数据处理功能语句,嵌入到宿主语言中形成一种集成语言。

  • 有了这种集成多功能的集成语言,就能有效完成决策支持系统部件集成的需要。


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  • 是决策支持系统的基础

  • EIS空间基础:地球球体-制图介质平面的变换关系,地图投影

  • EIS数据组织:地理编码、空间位置、拓扑关系

  • EIS数据分析与处理:基于地理编码、空间位置和拓扑关系的各种分析处理

  • EIS建模:在EIS环境下对环境演变等进行模拟与预测,从历史数据生成现在或未来的数据

  • EIS集成-应用

第二部

数据库-环境信息系统


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环境(地理)信息系统的发展

60年代起源于北美:加拿大国家土地调查局为了处理大量的土地调查资料,于60年 代开始建立地理信息系统(CGIS),于70年代初投入产品生产;同一时期的美国哈佛大学的计算机图形与空间分析实验室,建立通 用的制图软件包,竭力发展空间分析模型和软件。

70年代是GIS发展的巩固阶段:美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对地理信息系统的研究均投入了大量的人力、物力、财力,研究不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统。

80年代为地理信息系统的大发展阶段:计算机的迅速发展和普及,地理信息系统也逐 步走向成熟,并在全世界范围内全面地推向应用阶段。

90年代至今为地理信息系统的应用普及时代 :由于计算机的软硬件均得到飞速的发展,网络已进入千家万户,地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统,尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。从美国的 “国家信息基础设施:行动计划(National Information Infrastructure ,简称NII)” 建设到数字地球的提出,由“数字地球”细化到“数字中国”、“数字省区”、“数字城市” 、“数字小区”直到“企业信息化”、“电子商务”、“数字通讯”、“虚拟现实”等众多的信息化领域的工作已全面铺开。


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GIS在我国的发展

  • 准备阶段:1978年到1980年,进行舆论准备,正式提出倡议,开始组建队伍、组织个别实验研究。

  • 起步阶段:1981年到 1985年,理论探索和区域性实验研究。并在此基础上制定国家地理信息系统规范。

  • 初步发展阶段:1986年到90年代。地理信息系统的研究被列入我国“七 五”攻关课题,并且作为一个全国性的研究领域,已逐步和国民经济建设相结合,并取得了重要进 展和实际应用效益。

  • 快速发展阶段: 90年代末到现在。理论日趋成熟,应用日益广泛,三维GIS、WEBGIS走向应用,GIS市场开始形成。


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GPS

磁带机

光盘机

活动硬盘

硬盘阵列

全站仪

解析和数字

摄影测量仪器

存储设备

专用设备

全数字摄影

测量工作站

绘图仪

遥感与遥感

图象处理系统

输入设备

处理设备

输出设备

打印机

数字化仪

终端

扫描仪

服务器

工作站

常规设备

键盘、鼠标

计算机硬件系统


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用户界面

GIS应用软件

GIS软件

GIS基本功能软件

标准软件

(图形、数据库等)

基础软件

GIS

系统库

(编程语言、数学库等)

系统软件

操作系统

(系统调用、设备运行、网络等)

计算机软件系统


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栅格结构

矢量结构

地理空间数据

定位

拓扑关系

属性


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空间对象(实体)的地图表达

点:位置:(x,y)

属性:符号

线:位置: (x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)

属性:符号—形状、颜色、尺寸

面:位置:(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn)

属性:符号变化

等值线


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GIS的空间基础

  • 地球模型

  • 坐标参考系统

  • 地图投影

  • 地图比例尺


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水准面

铅垂线

地球椭球体

地球模型

地球表面

大地水准面


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地理空间坐标系

  • 地理坐标系是以地理极(北极、南极)为极点。

  • 通过A点作椭球面的垂线,称之为过A点的法线。

  • 法线与赤道面的交角,叫做A点的纬度ψ。

  • 过A点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角,叫做A点的经度λ。


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坐标参考系统—平面系统

直接建立在球体上的地理坐标,用经度和纬度表达地理对象位置

投影

建立在平面上的直角坐标系统,用(x,y)表达地理对象位置


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A

hAB

H´A

H´B

任意水准面

HA

HB

大地水准面

铅垂线

坐标系统—高程系统


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黄海海面

1952-1979年平均海水面为0米

水准原点1985国家高程基准,

72.2604米


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地图投影

  • 将地球椭球面上的点映射到平面上的方法,称为地图投影

  • 地理坐标为球面坐标,不方便进行距离、方位、面积等参数的量算

  • 地球椭球体为不可展曲面

  • 地图为平面,符合视觉心理,并易于进行距离、方位、面积等量算和各种空间分析


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地图投影


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地图投影:投影变形

将不可展的地球椭球面展开成平面,并且不能有断裂,则图形必将在某些地方被拉伸,某些地方被压缩,故投影变形是不可避免的。

  • 长度变形

  • 面积变形

  • 角度变形


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投影分类

  • 变形分类:

  • 等角投影:投影前后角度不变

  • 等面积投影:投影前后面积不变;

  • 任意投影:角度、面积、长度均变形

  • 投影面:

  • 横圆柱投影:投影面为横圆柱

  • 圆锥投影:投影面为圆锥

  • 方位投影:投影面为平面

  • 投影面位置:

  • 正轴投影:投影面中心轴与地轴相互重合

  • 斜轴投影:投影面中心轴与地轴斜向相交

  • 横轴投影:投影面中心轴与地轴相互垂直

  • 相切投影:投影面与椭球体相切

  • 相割投影:投影面与椭球体相割


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我国常用地图投影

  • 1:100万:兰勃投影(正轴等积割圆锥投影)

  • 大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃投影

  • 1:50万、1:25万、1:10万、1:5万、1:2.5万、1:1万、1:5000采用高斯—克吕格投影。


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地图比例尺

比例尺的含义:

制图区域较小,采用各方面变形都较小的地图投影,图上各处的比例是一致的,故此时比例尺的含义是图上长度与相应地面长度的比例;

制图区域较大时,地图投影比较复杂,地图上长度因地点和方向的不同而有所变化,这种地图比例尺一般是指在地图投影时,对地球半径缩小的比率, 称为主比例尺。地图经过投影后,体现在图上只有个别点线没有长度变形,也就是说,只有在这些长度没有变形的点或线上,才可用地图上注明的比例尺

我国地图比例尺分级系统:

大比例尺:1:500—1:10万

中比例尺:1:10万—1:100万

小比例尺:〈1:100万

无级比例尺概念


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空间对象的描述要素

  • 编码:区别不同的实体,包括分类码和识别码。分类 码 表识空间对象的类别,而识别码对每个空间对象进行表识,是唯一的。

  • 位置:坐标形式给出空间对象的空间位置

  • 类型:空间对象所属的实体类型,或有那些实体组成

  • 行为:空间对象所具备的行为和功能

  • 属性:空间对象所对应的非几何信息

  • 说明:实体数据来源、精度等

  • 关系:与其他实体之间的关系


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空间对象的编码

  • 为什么要进行编码?

  • 编码对象:属性数据

  • 编码方法:

    层次分类编码

    多源分类编码

  • 编码标准化


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管线:7

电力线71

管线73

地下检修井74

地下电力线

与电缆72

低压712

电杆713

电塔714

电线架715

依比例7141

不依比例7142

空间对象的层次分类编码

  • 分类对象的从属和层次关系

  • 有明确的分类对象类别和严格的隶属关系

高压711


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空间对象的空间关系表达

  • 描述空间对象之间的空间相互作用关系

  • 方法

    • 绝对关系: 坐标、角度、方位、距离等;

    • 相对关系:相邻、包含、关联等

  • 相对关系类型

    • 拓扑空间关系:描述空间对象的相邻、包含等

    • 顺序空间关系:描述空间对象在空间上的排列次序,如前后、左右、东、西、南、北等。

    • 度量空间关系:描述空间对象之间的距离等。

  • 地图、遥感影象上的空间关系是通过图形识别的,在GIS中的空间关系则必须显式的进行定义和表达。

  • 空间关系的描述多种多样,目前尚未有具体的标准和固定的格式,但基本原理一致。不同的GIS可能采用不同的方法进行描述


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空间对象的拓扑空间关系

  • 基于点集拓扑理论

  • 拓扑元素:

    • 点:孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点

    • 线:两结点之间的有序弧段,包括链、弧段和线段

    • 面:若干弧段组成的多边形

  • 基本拓扑关系

    • 关联:不同拓扑元素之间的关系

    • 邻接:相同拓扑元素之间的关系

    • 包含:面与其他元素之间的关系

    • 层次:相同拓扑元素之间的层次关系

    • 拓扑元素量之间的关系:欧拉公式

  • 点、线、面之间的拓扑关系


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邻接

相交

相离

包含

重合

点—点

点—线

点—面

线—线

线—面

面—面


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空间分析方法

数字地面模型分析

空间叠合分析

空间缓冲区分析

空间网络分析

空间统计分析


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应用模型

适宜性分析模型

发展预测模型

位址选择模型

交通规划模型

地学模拟模型


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谢谢!


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