地理信息系统应用 网络分析教学设计

《地理信息系统应用》学习情境：空间数据查询与分析学习单元：如何运用网络分析方法解决最正确路径的选择和资源配置问题一、学习单元教学目标.掌握网络分析的根本原理和功能.掌握运用网络分析解决最正确路径的选择的方法和原理.掌握运用网络分析解决资源配置的方法.结合实际、掌握利用网络分析方法解决地学空间分析问题的能力二、学习单元教学内容与建议学时学习单元名称如何开展GIS数据的空间插值处理技能点：.寻找最正确行进路线，如：找出两地通达的最正确路径。.确定最近的公共设施，如：引导最近的救护车到事故地点。.创立效劳区域，如：确定公共设施〔医院〕的效劳区域。知识点：.网络分析的根本原理；.网络的组成和建立；.网络分析的根本功能和操作。教学形式：学中做一做中学学时：〔2+2〕备注重点、难点重点：.网络属性的含义和具体应用；.网络分析的流程。难点：.如何解决最正确路径的问题；.如何解决资源配置的问题；学习型工作任务能利用提供的实验数据，完成最正确路径的选择和资源分配；三、教学单元设计方案学习单元名称如何开展GIS数据的空间插值处理学时2+2学习型工作任务技能点知识点教学载体教学方法教学成果形式与考核方式备注文本产品或系统考核方式能利用提供的实验数据，完成最正确路径的选择和资源分配.寻找最正确行进路线，如：找出两地通达的最正确路径。.确定最近的公共设施，如：引导最近的救护车到事故地点。.创立效劳区域，如：确定公共设施〔医院〕的效劳区域。.网络分析的根本原理；.网络的组成和建立；.网络分析的根本功能和操作。道路层数据、专题要素点状图层讲授法、小组工作法、案例教学法.教师教学任务单.学生学习任务单.学生实践操作总结确定最正确路线和完成资源配置多元化评价方式：.自我评价；.小组评价；.教师评价软教学资源配置教学文件〔附件〕1.教学情境标准简表；2.单元教学设计方案；3.教学课件；4.教学设计；5.任务单、工作单；6.考核评价单资源形式1.实验数据2.实验成果单元授课教案学习情境：空间数据查询与分析学习单元：如何运用网络分析方法解决最正确路径的选择和资源配置问题教学目标：1.掌握网络分析的根本原理和功能2.掌握运用网络分析解决最正确路径的选择的方法和原理3.掌握运用网络分析解决资源配置的方法4.结合实际、掌握利用网络分析方法解决地学空间分析问题的能力重点与难点：重点：.网络属性的含义和具体应用；.网络分析的流程。难点：.如何解决最正确路径的问题；.如何解决资源配置的问题。教学方法：讲授法、小组工作法、案例教学法教学媒介：多媒体、课件、理论授课教师、实验机房、案例数据学习任务与学习成果：能利用提供的实验数据，完成最正确路径的选择和资源分配；课时分配：2理论+2实践授课班次：课程执行情况：授课教师应在该局部说清楚教师授课及学生学习过程中存在的体会，有哪些教学成功之处，哪些知识点的教学效果尚不理想等几方面在实际授课中可能存在学生对网络的理论知识理解不够的现象。例如，教师可以通过上网使用百度地图的功能，通过设定起点和终点，进行最正确路线的选取，让学生切实的感觉到网络分析功能的实用性，激发学生学习6£知识的兴趣。学习单元如何运用网络分析方法解决最正确路径的选择和资源配置问题课程名称地理信息系统应用学习情境空间数据处理工作任务〔学习型工作任务〕能利用提供的实验数据，完成最正确路径的选择和资源分配；适用年级三年级单元学习主题利用网络分析的方法，对地理网络〔如交通网络〕、城市根底设施网络〔如各种网线、电力线等〕进行地理分析。教学时间/学时2+2单元教学目标.掌握网络分析的根本原理和功能.掌握运用网络分析解决最正确路径的选择的方法和原理.掌握运用网络分析解决资源配置的方法.结合实际、掌握利用网络分析方法解决地学空间分析问题的能力单元重点难点重点：1.网络属性的含义和具体应用； 难点：1.如何解决最正确路径的问题；2.网络分析的流程。 2.如何解决资源配置的问题。单元教学方法讲授法、小组工作法、案例教学法教学设计教学目标内容教学组织方式期望媒介教学方法时间分钟〕掌握课程学习的基本理论理解网络分析的根本原理和功能全班集中理论学习学生：了解什么是网络分析，它有什么作用多媒体讲授法45教师：让学生理解实施网络分析的根本过程掌握理论知识点的实践操作技能能够基于具体的GIS平台开展针对案例数据的实践操作以小组为单位实践操作学生：如何操作软件的主要过程步骤实验机房案例教学法45教师：实践操作背后反映的理论知识内容是哪些，注意穿插讲解能利用理论及实践技能分析和解决实能根据提供的研究数据利用网络分析功能解决最正确路线学生自我实践操作，并提交学生：懂得如何分析问题，懂得如何根据理论知识提出解决问题的思路实训工作室小组工作法、研讨、90〔课外〕际问题的选择及资源的最优分配实践成果教师：帮助分析建立解决问题的逻辑思路论证多元性的评价方法自我评价、小组评价、教师评价参考资料学习资源参考书、专业杂志、资源库学习平台步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知〔教学内容、目的〕①复习上节课所讲的主要内容，用提问的方式来检验学生是否掌握②告知本次课的能力目标③告知本次课的知识目标讲授〔口述〕①板书本次课的工程名称、中英文②课件展示个别答复5分钟引入〔任务项目〕实例：①向大家展示网络分析的成果，让学生们对即将完成的工作成果有个直观的认识。②介绍最正确路径选择中阻值确实定、起点和终点的选择以及中途经过的中间点。③根据解决问题的需要，重点介绍资源配置中中心确实定和中心效劳范围确实定。演示启发提问个别回答成果展示课件40分钟操练〔掌握初步或根本能力〕〔点评学生意见、教师完善方案、学生明确步骤〕①利用网络教学向学生演示实践操作的主要步骤；②就实践操作中的技术难点联系根本原理进行讲解教师操作示范和课件演示上机操作课件观察并记录教师的指导步骤15分钟深化〔加深对根本能力的体会〕①请学生根据教师提示的操作步骤完成案例操作；②提供更加复杂的根底数据，提高对成果的要求，让学生自行思考完成作业启发、诱导重点讲解个别指导课件个人操作25分钟归纳〔知识和能力〕教师指出学生在解决新问题中，思考方式、技术方法选择与运用上存在的问题，对要掌握的能力和知识、注意从实践到理论、系统，有条理，重点突出，难点化解讲授，请个别同学演示、教师操作课件观察并记录教师的指导步骤5分钟训练稳固拓展检验利用学生在测量课中获得的学校路网数据，思考如何实现两地点间最正确路径的实现启发、诱导、重点讲解、个别指导讨论个人操作小组操作80分钟总结归纳本次课所讲的内容，要很好的实现能力目标，大家还需要在课下多做练习，多到实践中总结经验；教师讲授或提问课件板书5分钟作业请每个学生以报告的形式记录本堂课实验中所反映的主要实验步骤，对实验步骤中存在的重点和主要难点进行分析5分钟后记板书设计：一、网络分析根本知识 二、路径分析 三、资源分配 四、定位---配置分析1、网络分析定义 1、最短路径分析含义 1、资源分配含义 1、定位---配置的含义2、网络分析用途 2、路径分析的分类 2、资源分配的分类：定位和分配 2、定位---配置的应用3、网络数据结构的组成 3、Dijkstra算法 3、资源分配实现的主要算法4、最正确路径的选择 4、资源分配的具体应用总结：作业：预习：教学内容教学组织与教学方法知识点一■：网络根本知识网络是一个由点和线的二元关系构成的系统，通常用来描述某种资源或物质在空间上的运动。城市的道路系统、各类地下管网系统等，都可以用网络来表示，形成各类物质、能量和信息流通的通道。1、网络分析定义：GIS中的网络分析是依据网络的拓扑关系〔线性实体之间，线性实体与结点之间，结点与节点之间的连接，连通关系〕，通过考察网络元素的空间及属性数据，以数学理论模型为根底，对网络的性能特征进行多方面的一种分析计算。2、网络分析用途：最正确路径选择：公交运营线路选择；紧急救助线路选择；网络流量分析、负荷估计：供电网，供热网资源配置：消防站分布，医疗机构配置3、网络数据结构的组成网络数据结构的根本组成局部和属性如下：1〕链〔Link〕网络中流动的管线，如街道、河流、水管等，其状态属性包括阻力和需求。2〕结点〔Node〕网络中链的结点，如港口、车站、电站等，其状态属性包括阻力和需求等。结点中又有下面几种特殊的类型。障碍〔82竹10「〕，禁止网络中链上流动的点。拐点〔Turn〕，出现在网络链中的分割结点上，状态属性有阻力，如拐弯的时间和限制〔如在8：00到18：00不允许左拐〕。中心〔Center〕，是接受或分配资源的位置，如水库、商业中心、启发、诱导、重点讲解电站等，其状态属性包括资源容量〔如总量〕，阻力限额〔中心到链的最大距离或时间限制〕。•站点〔Stop〕，在路径选择中资源增减的结点，如库房、车站等，其状态属性有资源需求，如产品数量。除了根本的组成局部外，有时还要增加一些特殊结构，如邻接点链表用来辅助进行路径分析。相关知识：网络图论根底网络分析是GIS空间分析的重要组成局部。在网络分析中用到的网络模型是数学模型中离散模型的一局部。分析和解决网络模型的有力工具是图论。图论中的“图〞并不是通常意义下的几何图形或物体的形状图，而是一个以抽象的形式来表达确定的事物，以及事物之间具备或不具备某种特定关系的数学系统。由点集合V和点与点之间的连线的集合E所组成的集合对〔V，E〕称为图，用G〔V，E〕来表示。V中的元素称为节点，E中的元素称为边。节点集V与边集合E均为有限的图称为有限图。本章只讨论有限图。CB图1图的构成在图1中，节点集合V二｛A,B,C,D｝，边集合为E=｛e1,e2,e3,e4,e5,e6,e7,e8｝。连接两个节点间的边可能不止一•条，如61,e2都连接A和B。连接同一■节点的边称为自圈，如e8。图2有向图 图3路和树如果图中的边是有向的，则称为有向图，如图2所示。在无向图中，首位相接的一串边的集合称为路。在有向图中，顺向的首尾相接的一串有向边的集合称为有向路。通常用顺次的节点或边来表示路或有向路。如图5-7-4中，｛e1,e2,e4｝为一条路，该路也可用"1,v2,v3,v5｝来表示。起点和终点为同一节点的路称为回路〔或圈〕。如果一个图中，任意两个节点之间都存在一条路，称这种图为连通图。假设一个连通图中不

存在任何回路，则称为树，如图3。由树的定义，直接得出以下性质：1〕树中任意两节点之间至多只有一条边。2〕树中边数比节点数少1。3〕树中任意去掉一条边，就变成不连通图。4〕树中任意添一条边，就会构成一个回路。任意一个连通图，或者是树，或者去掉一些边后形成树，这种树称为这个连通图的生成树。一般来说，一个连通图的生成树可能不止一个。如果图中任一边〔i,j〕都赋一个数3〔i,j〕,称这种数为该边的权数。赋以权数的图成为赋权图。有向图的各边赋以权数后，成为有向赋权图。赋权图在实际问题中非常有用。根据不同的实际情况，权数的含义可以各不相同。例如，可用权数代表两地之间的实际距离或行车时间，也可用权数代表某工序所需的加工时间等。启发、诱导、重点讲解知识点二：路径分析启发、诱导、重点讲解1、最短路径分析含义：在网络中从起点经一系列特定的结点至终点的资源运移的最正确路线，即阻力最小的路径。2、路径分析分类：1〕静态求最正确路径：在给定每条链上的属性后，求最正确路径。2〕N条最正确路径分析：确定起点或终点，求代价最小的N条路径，因为在实践中最正确路径的选择只是理想情况，由于种种因素而要选择近似最优路径。3〕最短路径或最低消耗路径：确定起点、终点和要经过的中间点、中间连线，求最短路径或最小消耗路径。4〕动态最正确路径分析：实际网络中权值是随权值关系式变化的，可能还会临时出现一些障碍点，需要动态的计算最正确路径。相关知识：计算最短路径的Dijkstra算法1、距离矩阵的计算GIS中的网络可以看作是图，可以是有向图，也可以是无向图。对于无向图，可当作有向图来处理。为了求出最短路径，需先计算两点间的距离，并形成距离矩阵。假设两点间没有路，则距离为8。ABCDEA■fl4co12BDD07co4CCOCD02coD3CC902E516502、最短路径搜索的依据网络图中的最短路径应该是一条简单路径，即是一条不与自身相交的路径。最短路径搜索的根本依据是，假设从点S到点T有一条最短路径，则该路径上的任何点到S的距离都是最短的。

为了进行最短路径搜索，令d(X,Y)表示点X到Y的距离，D(X)表示X到起始点5的最短距离。在以下搜索算法中，还需假定两点之间的距离不为负。3、最短路径搜索的步骤(1)对起始点5作标记，且对所有顶点令D(X)=8,Y=S。(2)对所有未作标记的点按以下公式计算距离，D(X)=min{D(X),d(Y,X)+D(Y)}其中Y是己确定作标记的点。取具有最小值的D(X),并对X作标记，令Y=X。假设最小值的D(X)为8,则说明S到所有未标记的点都没路，算法终止；否则继续，。(3)如果丫等于T,则已找到5到1的最短路径，算法终止；否则转(2)。知识点三：资源分配资源分配网络模型由中心点(分配中心)及其状态属性和网络组成。分配有两种形式，一种是有分配中心向四周输出；另一种是由四周向中心集中。这种分配功能可以解决资源的有效流动和合理分配。在资源分配模型中，研究区可以是机能区，根据网络流的阻力来研究中心的吸引区，为网络中的每一链接寻找最近的中心，以实现最正确效劳。资源分配还可以模拟资源如何在中心和它周围的网络元素之间流动。资源分配模型可以用来为电站确定其供电区，为消防站确定效劳范围，为学校选址，确定垃圾收集站点分布；也可用来计算中心地的等时区、等交通距离区、等费用距离区等；还可以用来进行城镇中心、商业中心或港口等地的吸引范围分析，以用来寻找区域中最近的商业中心，进行各种区划和港口腹地的模拟等。启发、诱导、重点讲解相关知识：主要算法(-一)、Teitz-Bart算法1、算法思想在众多的启发式算法中，交换式算法(Interchange)用得最多，其中著名的有Teitz-Bart算法。这一算法主要用来解决P—中心的定位分配问题。3、Teitz-Bart算法分析Teitz-Bart算法主要的计算是在将需求点分配到其最邻近的供给点，并求总的加权距离。在这多层次的循环计算中，不可能临时求解点间的最小距离，这些数据必须预先求得，随时取用，以提高算法的效率。这些最小距离正是用最短路径算法求得的。采用类似动态数据结构——供给点数据串和需求点数据串。数据串的长度常常可用实际应用中效劳距离的最大值来限制，可以大大减少计算时间和内存。从供给点的数据串中，可以非常容易找到哪些需求点是在该点的效劳范围，而从需求点数据串中可以找出其相邻的供给点。这在定位与分配的启发式算法中起到了关键的作用。Teitz-Bart算法其计算量很大，因为在其多层次循环取代的计算有很大的计算量，尽管有相应的数据结构支持，对大的网络的计算仍需要相当长的时间。P.Densham和G.Rushton在对Teitz-Bart算法的修改中，引入了一个新的全局和区域性算法(GlobalandRegional).Densham-Rushton的这一'新的算法充分利用候选点和需求点数据的信息，在计算取代中大大减少了计算量。(二)、Densham-Rushton算法可以表达如下：1、先选P个候选点作为起始供给点集，并将所有需求点分配到最近的供给点，计算其目标方程值，即总的加权距离。2、作全局性调查(a)检验所有的选择的供给点，选定一个供给点准备删去，它的删去仅引起最小的目标方程值的增加。(①从未选入的候选点中，寻找一个候选点来代替(a)中选择的供给点，其可以最大限度地减少目标方程值。(c)如果(b)中选择的点所减少的目标方程值大于(a)中选择的点所增加的目标方程的值，用(b)中点代替(a)中点，并更新目标方程值，并到(a)步重复检验。否则的话，转入第3步。3、对每一供给点依次作出区域性调整：[)如果不是固定的供给点，用它的邻近的候选点来代替检验。(0如果这一代替可以最大程度地减少目标方程值，则进行这一替换，直到P—1个供给点都被检验，并无新的替换为止。4、重复第2步和第3步直到两步都无新的替换为止。这样最后的供