1、1第八章第八章 空間決策支持系統空間決策支持系統武漢大學遙感信息工程學院遙感科學與技術本科生教案武漢大學遙感信息工程學院遙感科學與技術本科生教案(2012)秦秦 昆昆28.1 空間分析空間分析與與空間決策支持空間決策支持 3空間分析是地理信息系統的核心。根據空間分析的智能化程度，空間分析過程中引入知識的多少，空間分析劃分為：一般空間分析、空間決策支持智能空間決策支持4n一般空間分析一般空間分析 一些常用的GIS軟件，如ArcGIS，MapInfo，GeoStar等，都具有空間分析的一般方法，如疊置分析、緩沖區分析、網絡分析、空間插值等。 應用一般空間分析功能模塊進行空間分析時，通常需要同時運用

2、多種空間分析操作。 設計高效率的空間分析過程將十設計高效率的空間分析過程將十分有利于問題的解決。分有利于問題的解決。 5一般空間分析的步驟：步驟1：建立分析目的和標準 分析目的:用戶打算利用地理數據庫回答什么問題;標準:如何利用GIS的空間分析功能回答這些問題。例如，u某項研究的目的:確定適合建造一個新公園的位置，公園的位置必須是從主要公路上容易到達的，但又不能太靠近主要公路等。u滿足這些目的的標準:可以表述成用一系列的空間查詢語句來進行分析的格式。對每個標準可以利用緩沖區分析、疊置分析等空間分析操作進行分析，然后對分析結果進行評價。 6步驟步驟2 2：準備空間操作的數據：準備空間操作的數據

3、準備空間分析所要用到的數據，包括空間數據和屬性數據。數據準備的要求因研究對象不同而異，在進行分析之前，對數據準備進行全面的考察將有助于用戶有效地完成分析工作。 7步驟步驟3：進行空間分析操作：進行空間分析操作 空間分析操作這一步驟是地理信息系統所特有的。正是利用這一步驟產生了用于分析的空間關系。空間分析操作包括：緩沖區分析、拓撲疊加分析、特征抽取以及特征合并等。每個空間分析操作都將產生分析所需要的新的信息。為了得到符合要求的數據，可能需要進行多種空間分析操作。 8步驟步驟4：準備表格分析的數據：準備表格分析的數據 大多數分析都要求利用空間操作得到一個最終圖層(Coverage)或一組圖層(Co

4、verages)。一旦產生了最終的圖層(Coverages)，就必須準備用于分析的數據，包括空間數據和描述性數據。 9步驟步驟5：進行表格分析：進行表格分析 利用邏輯表達式和算術表達式，對步驟3中進行空間分析操作所獲得的新的屬性關系進行分析。 步驟步驟6：結果的評價和解釋：結果的評價和解釋 完成以上分析后，將獲得一個結果，必須對該分析結果進行評價，以確定其有效性。 步驟步驟7：如有需要，改進分析如有需要，改進分析 考慮到分析結果可能還具有某些局限性和缺點，可以決定對分析方法和過程進行改進。 10步驟步驟8：產生分析結果的最終地圖和表格報告。：產生分析結果的最終地圖和表格報告。 以最有效而又可靠

5、的方法輸出分析結果。 可以利用GIS軟件提供的地圖輸出模塊產生地圖，利用屬性數據處理模塊產生表格和報告。 在實際的空間分析應用中，可以按照以上介紹的一般空間分析的步驟完成分析操作，但是不一定要求嚴格按照以上8個步驟進行，可以對部分步驟進行綜合處理。111）問題提出在某地建立一個國家森林旅游點，參考一定的旅游條件，在1:2.5萬地圖上確定出旅游點的范圍，并繪制成圖，最后提交決策者參考。2）數據源建立一個國家森林旅游點所需要的空間數據包括：D1: 公路及鐵路分布圖(1:2.5萬)，一種線狀圖；D2: 森林服務權屬圖(1:2.5萬)，一種面狀圖；D3: 城鎮行政區劃圖(1:2.5萬)，一種面狀圖。

6、123）所需要實現的GIS功能為了完成該任務，需要用到以下GIS功能：屬性重分類；面狀邊界消除與合并；緩沖區生成；拓撲疊加；面積量測；中心點計算及疊加；繪圖輸出；生成報表。這些功能需要綜合應用多種GIS空間分析模型來完成。134）具體操作步驟 (1)根據森林權屬數據將面狀地物分成林地與非林地兩大類。 (2)消除同一屬性值為林地或非林地的相鄰多邊形的邊界并加以合并。 (3)在所有公路或鐵路周圍生成0.5km、1.0km寬的緩沖區，并分別賦屬性值。144）具體操作步驟 (4)拓撲疊加步驟(2)和(3)的圖層，生成新的圖層，并連接相關屬性信息，得到具有下列屬性的多邊形： 非林地； 0.5km內的林地

7、區域； 0.5km外且1.0km范圍以內的林地區域； 1.0km范圍以外的林地區域。(5)拓撲疊加城鎮邊界圖，得到市區、非市區屬性，并添加到步驟(4)所得到的屬性表中。15(6)得到重新分類的面狀地物圖，其屬性組合可能存在以下類型：A: 非林地；B: 林地、市區；C: 林地、非市區且距公路或鐵路0.5km之內；D: 林地、非市區且距公路或鐵路0.5km到1.0km之內E: 林地、非市區且距公路或鐵路1.0km之外。(7)消除并合并步驟(6)所得到的同類多邊形邊界。 (8)量算步驟(7)所得到的多邊形的面積。16(9)依據面積約束條件，對以下C類多邊形再分類： C1：面積小于等于5km2； C2

8、：面積大于5km2。(10)計算多邊形中心，并累計多邊形的編號。(11)疊加繪出步驟(10)所賦予的分類多邊形、交通圖、行政區劃圖。 (12)統計輸出分類多邊形的面積、屬性資料。175）將分析結果以地圖和表格的形式打印輸出。18本示例的目的：計算由于道路拓寬而需要拆遷的建筑物建筑面積和房價價值；道路拓寬改建的標準：道路從原有的20m拓寬至60m；拓寬道路應盡量保持直線；部分位于拆遷區內的10層以上的建筑物不得拆除。19本例需要兩類信息：現狀道路圖；分析區域內的建筑物分布圖及相關信息。20212223242526n空間決策支持空間決策支持 空間決策支持是應用各種空間分析手段對空間數據進行處理，以

9、提取出隱含于空間數據中的某些事實和關系，并以圖形和文字的形式直觀地加以表達，為現實世界中的各種應用以及決策人員的決策提供科學、合理的支持。 由于空間分析直接融合了數據的空間定位能力，并能夠充分利用數據的現勢性特點，因此，其提供的決策支持將更加符合客觀現實，更具合理性。27n空間決策支持空間決策支持 目前，盡管各種商業軟件不斷推出，各種應用于空間數據處理的商業化手段也日臻完善，但是由于用戶的目的是千變萬化的，不能用一種定式加以限制。提出一種完全封裝的、高度智能的通用空間決策支持軟件是不現實的。目前，更多的空間決策手段則是利用現有軟件提供的某些空間分析工具，按照用戶意圖，開發合理的決策模型，以實現

10、決策支持。 28國土規劃、場址選擇、災害評價等都屬于空間分析決策所研究的領域，分析人員根據特定的決策目的與要求，運用分析手段，分析相關的空間與非空間信息，得出分析結果。空間決策問題大大超過了地理信息系統的一般空間分析功能的要求。 29空間決策支持一般需要以下過程：（1）確定目標）確定目標 根據用戶的要求，確定用戶的最終實現目標，并對目標性質進行分類，確定目標的初步認識。 （2）建立模型）建立模型 建立分析的運作模型及定量模型。前者是指用戶的實際運作過程的各種業務運作模型；后者是指參照用戶的實際工作模型，結合空間數據的空間特點，形成各種定量分析模型。30（3）尋求空間分析手段）尋求空間分析手段

11、結合以上分析結果，逐步分解細節，尋求空間分析手段，對各種可能的分析手段進行分析，確定可行性的分析過程，尤其應注意空間數據的有效連接，最后形成分析結果，提交用戶使用。 31（4）結果評價）結果評價 空間分析結果的合理性，直接影響到決策支持的效果。合理可靠的結果會對決策起到推動和促進作用，并起到事半功倍的效果。如果結果不合理，甚至出現錯誤的分析結果，將會導致決策的失誤乃至失敗，從而導致不可預見的后果。必須對空間分析的結果進行評價，確定結果的合理性和可靠性。32空間決策支持經常用于諸如最佳路徑、選址、定位分析、資源分配等經常與空間數據發生聯系的領域，通過對這些應用領域的延伸，還可用于其它社會或經濟的

12、部門。 空間決策支持與一般空間分析的區別：空間決策支持應用了多種分析運作模型和分析定量模型，空間決策支持比一般的空間分析具有更多的智能處理功能。33n智能空間決策支持智能空間決策支持 智能空間決策支持是在空間決策支持的基礎上，增加了更多的人工智能技術，提高了空間決策支持的智能化處理水平，能夠解決更加復雜的空間決策問題。 利用空間決策支持系統可以解決特定的決策問題。但是，構建一個空間決策支持系統比較費時。經過多年的發展，實踐證明，使用軟件工程軟件工程和知識工知識工程程開發空間決策支持系統的開發環境(外殼或產生器)是建立空間決策支持系統的經濟和靈活的方式。這樣，分析人員可以快速高效地建立多種領域的

13、空間決策支持系統。34一個比較好的解決思路：開發一個通用的開發工具，決策者可以用來操作空間決策支持系統，解決特定的空間決策問題。一個通用的智能空間決策支持系統的結構體系圖35 （1）專家系統殼專家系統殼(Shell)：該系統的核心，可以單獨作為專家系統開發工具，直接控制著SDSS(空間決策支持系統)的控制流和對外交流的元知識，以及非結構化空間知識的推理機。 它是SDSS的大腦。 為了便于使用空間數據和非空間數據，專家系統殼有一個與外部數據庫的接口，包括GIS，關系數據庫和遙感信息系統。36（2）模型庫管理系統）模型庫管理系統管理和處理程式化知識，包括算法、統計程序和數學模型，它也有一個與專家系

14、統殼的接口，可以通過專家系統殼的元知識進行調用。 37（3）其他）其他除了與數據庫管理系統、模型管理系統的接口外，友友好的用戶界面好的用戶界面和知識獲取模塊知識獲取模塊也是專家系統殼的組成部分。 38智能空間決策支持系統目前還處于初期研究階段，要真正實現智能空間決策支持系統目前還有一定的難度。不斷地借鑒人工智能、機器學習等技術，不斷地提高空間分析的智能化程度是一種切實可行的研究思路。 398.2 空間決策支持系統空間決策支持系統 40從目前大多數GIS的發展情況來看，它們尚停留在空間數據獲取、存儲、查詢、分析、顯示、制圖、制表的水平上，缺少對復雜空間問題決策的有效支持能力，很難滿足各級決策者的

15、需要。自本世紀80年代中后期以來，空間決策支持系統(Spatial Decision Support System，SDSS)作為一個新興科學技術領域，在已有的地理信息系統技術和決策支持系統(DSS)技術基礎上就應運而生了，并在國內外引起了越來越廣泛的關注與重視。41n空間決策過程的復雜性空間決策過程的復雜性 1.決策理論決策理論決策決策是一個決策者為達到特定的目的，在一定的約束條件下，選擇最優方案的過程。決策問題的構成決策問題的構成 一般的決策問題具有一定的決策準則，主要由以下幾個部分組成：1)方案集合：方案集合：可供選擇的決策方案集合，記為A。 2)狀態集合：狀態集合：決策問題所處的外界環

16、境，稱之為狀態。系統所有可能的狀態，稱為狀態集合，記為Q。 423）損益函數：）損益函數：在決策問題中，如果采用策略a(aA)，系統狀態出現q(qQ)，系統收益W=(a，q)。定義映射： 為決策問題的損益函數。在A和Q可數的情況下，獲得損益表：RQAW)( :43 4）目標函數）目標函數(決策準則決策準則)：記為F。損益函數是系統的實際收益情況，沒有給出收益的評價標準，即“抉擇”時的優化準則。抉擇準則對于不同的決策者、問題、方法都是不同的，它最終決定了方案的形成。 可以將決策問題記為：Udm = F, A, Q, W F為目標函數或抉擇準則A為候選方案集Q為狀態集W為損益函數 44決策問題的分

17、類決策問題的分類根據決策問題中Q的狀態數，劃分為以下類型：當系統狀態集Q中狀態數n=1時，為確定性決確定性決策問題策問題；當n1時，且系統各狀態出現的概率未知時，為不確定性決策問題不確定性決策問題；當n1且系統各狀態出現的概率服從一個已知的概率分布時，為風險性決策問題風險性決策問題。 45 2、空間決策問題、空間決策問題n空間決策問題的類型空間決策問題的類型空間決策問題分為三種類型三種類型：確定性空間決策、不確定性空間決策、風險空間決策。46 2、空間決策問題、空間決策問題n空間決策問題的類型空間決策問題的類型確定性空間決策確定性空間決策實際上是一個最優化問題。土地適宜性評價的多準則決策和線性

18、規劃均屬此類決策問題，能與GIS的空間分析功能完全集成。但是，大量的空間決策問題往往涉及到結構化知識、非結構化知識、人的評價和判斷等不同形式的知識，決策的不確定性和風險性很大。47以商業網點的空間決策分析問題為例，領域專家已經提出了設施配置的判別規則，這些規則是以描述性方式表達的知識，在充分分析了土地的自然條件、社會經濟條件、人口密度、人均可支配等相關因素的基礎上，根據判別規則推理，得出商業網點方案；專家還構建了相關模擬模型，這些知識都屬于程式化知識。商業網點的選擇是建立在定量模型計算分析的建立在定量模型計算分析的基礎上的估算過程基礎上的估算過程。48n 空間決策中的結構化信息和非結構化信息空

19、間決策中的結構化信息和非結構化信息信息技術的快速發展為決策者提供了越來越多的空間和非空間信息，包括地圖、航片、遙感測量信息、表格、文本數據等。這些海量信息可以分為結構化結構化和非結構化信息非結構化信息。結構化的信息：結構化的信息：結構化信息具有高度結構化的形式和結構化的求解程序，如數學模型、計算機算法等都屬此類型的信息，遵循固定的框架，大多數情況下只能被專家理解，又稱為程式化知識(Procedural Knowledge)。49非結構化信息：非結構化信息：大量的空間信息是非結構化的，像人類的經驗、感官體驗、世界觀等，本質上屬于定性信息，不能用固定的程序進行表達，又稱為描述性知識(Declara

20、tive Knowledge)。 50決策者使用信息和知識，在解決結構化、非結構化和半結構化問題上的復雜程度大不相同。以某城市設置商業網點為例，在某些特定約束條件下，配置最少數量的商業網點是一個結構化問題，可以通過最優化方法進行求解；尋找最優商業網點數量的所有可能位置則是一個半結構化問題，涉及多種準則評價和價值評判；為布設商業網點確定總體目標和總體方針政策則屬非結構化問題，涉及靈活的定性問題，不能用固定的程式化知識來解決。 51空間決策是一個涉及多目標和多約束條件的復雜過程，通常不能簡單地通過描述性知識和程式化知識進行解決，往往要求綜合使用信息、領域專家知識和有效的交流手段。52地理信息系統為

21、決策支持系統提供了強大的數據處理、分析結果顯示的工具，在解決復雜空間決策問題上缺乏智能推理功能。復雜的空間決策問題，需要在地理信息系統的基礎上開發智能決策支持系統，用于數據處理、知識表現和推理、自動學習、系統集成、人機交互等。在進行空間決策支持的過程中，需要用到人工智能技術，涉及到知識獲取、知識表現、知識推理的知識工程技術，以及集成數據庫、模型、非結構化知識及智能用戶界面的軟件工程技術等。53n空間決策支持系統的分類空間決策支持系統的分類 空間決策支持系統(SDSS)的分類可以從它的功能特點、技術水平和體系結構等不同的角度進行。根據系統的功能特點功能特點，SDSS分為：通用開發平臺、專用軟件工

22、具、具體應用系統；根據技術水平技術水平，SDSS分為：地理信息系統、空間決策支持系統、空間群決策支持系統；根據系統的體系結構體系結構，SDSS分為：單機系統、網絡系統。 54SDSS分類體系的建立，有助于對SDSS具體研制任務的目標、范圍、過程和技術路線明確定義和有效實施，有益于整個SDSS科學技術體系的迅速發展和廣泛應用。SDSS分類體系或分類立方體55n空間決策支持系統的一般構建方法空間決策支持系統的一般構建方法 根據SDSS的功能特點、技術水平和體系結構，研制的SDSSP定位在圖中空間決策支持系統、通用開發平臺和網絡系統3個側面相交構成的小立方體上，代表了當前的空間決策支持系統的主要模式

23、。 56SDSSP的開發、應用過程中的主要作用： (1)SDSSP由SDSS專用工具、應用系統以及決策方案的基本軟件工具模塊組成，用戶能夠方便、靈活、自主和高效地生成各種SDSS專用工具，決策方案的基本軟件工具模塊是一種完全獨立于任何具體決策應用任務之外的通用開發工具系統。 (2) SDSSP能根據用戶的具體需要，通過框架流程圖或集成語言程序運作方式，調用系統中的模型、數據、工具、知識等資源，生成、比較和選擇多種決策方案，提供給用戶決策支持。57SDSSP的開發、應用過程中的主要作用：(3)SDSSP能把自己的各個組成部分以不同的布局安排和組合方式，在由客戶端控制系統、模型庫服務器、數據庫服務

24、器組成的多用戶、分布式的異構環境里運行服務，實現模型等資源的共享，SDSSP是一種網絡系統。 58nSDSSP的技術構成和運行方式。 SDSSP的技術構成 SDSSP由客戶端交互控制系統、廣義模型服務器系統和空間數據庫服務器系統3個部分組成。 59它們之間的通信是通過嚴密定義的網絡通信協議、應用程序接口(API)和遠程調用實現的，具有由交互控制系統和模型庫服務器和數據庫服務器構成的一體化3層客戶/服務器結構。60(1)客戶端交互控制系統客戶端交互控制系統 客戶端交互控制系統由可視化系統生成工具可視化系統生成工具、模型庫服務模型庫服務器操作模塊器操作模塊、數據庫服務器操作模塊數據庫服務器操作模塊

25、3部分組成。可視化系統生成工具可視化系統生成工具可以通過各種圖標(模塊、選擇、循環、并行、合并等)的調用，迅速地建造、修改解決實際問題的系統控制流程，進而通過流程的運行生成可供比較與選擇的多種決策方案。61模型庫服務器操作模塊模型庫服務器操作模塊從客戶端對廣義模型服務器中的各種廣義模型庫進行管理和操作，如：瀏覽、查詢、增加、修改、刪除、運行等操作。62數據庫服務器操作模塊數據庫服務器操作模塊從客戶端對空間數據庫中各數據庫進行數據存取操作，如瀏覽、查詢、增加、修改、刪除、保存等操作。 63（2）廣義模型服務器系統）廣義模型服務器系統 廣義模型庫服務器系統的基本組成廣義模型服務器由服務器通信接口服

26、務器通信接口、命令解釋器命令解釋器、運運行引擎行引擎、廣義模型庫廣義模型庫、廣義模型庫管理系統廣義模型庫管理系統和數據庫數據庫接口接口共6個部分組成。64廣義模型服務器系統主要包括：統一管理模型庫、算法庫、工具庫、知識庫、方案庫、實例庫，控制運行以及負責從數據庫服務器提取數據等功能。這種統一管理屬于靜態管理范疇，包括存儲結構和庫操作兩方面內容，均用管理語言來完成。 65各庫的存儲結構統一規定為：各庫的存儲結構統一規定為：文件庫字典庫。具體的庫文件：具體的庫文件：算法程序文件、模型數據描述文件(MDF)和模型說明文件(MIF)、工具程序文件、知識的文本文件、框架流程圖文件、框架流程實例文件；各庫

27、的字典：各庫的字典：該庫的一些具體的說明信息，包括目錄、名稱、分類、說明文件等內容。各庫的操作：各庫的操作：查詢、瀏覽、增加、修改、刪除等。66廣義模型服務器系統的運行方式廣義模型服務器系統的運行方式模型服務器的運行模型服務器的運行由運行引擎控制。它解釋和并發執行(多線程)用戶提出的請求(描述文本)，匹配檢索模型庫中的模型或算法，匹配提取數據庫中的數據，驅動和完成模型或算法的運算，將處理結果提交給通訊接口并傳送給客戶端。67廣義模型服務器系統的運行方式廣義模型服務器系統的運行方式在各庫中只有模型庫、工具庫、實例庫、知識庫是可運行的。模型模型通過運行命令完成它的運行，工具程序工具程序一般傳到客戶

28、端由用戶控制運行，實例實例通過實例解釋程序完成它的運行，知識知識是在推理機下進行搜索和匹配完成它的推理。 68算法庫算法庫本身是不可運行的，只有在與數據連接之后作為模型才能運行；方案庫方案庫是一些不可運行的系統流程圖文件，只有在實例化以后，作為實例才可運行。從數據庫服務器中存取模型，在運行時所需各種數據的任務由數據庫接口完成。 69模型庫系統模型庫系統模型庫系統的基本概念模型庫系統的基本概念模型庫系統模型庫系統(Model Base System，簡稱，簡稱MBS)對模型進行分類和維護，支持模型的生成、存儲、查詢、運行和分析應用。模型庫系統模型庫系統是開發管理及應用模型的有力工具，模型庫系統包

29、含多種用于模型管理和生成的子系統，利用這些系統，可幫助研究人員完成模型的部分工作，提高空間決策支持的科學性和有效性。70模型庫系統的基本結構模型庫系統的基本結構模型庫系統的主要包括：模型的生成模型的生成、模型運行模型運行及模模型的管理型的管理三個子系統。 71在模型的生成部分要調用模型方法庫中的構造模型的連接方法模塊，同時調用模型數據庫中的數據字典。模型的運行是在方法庫和模型數據庫的支持下完成的。 模型庫系統的基本結構圖72模型庫系統的基本功能包括： 建立新模型：建立新模型：用戶利用系統建立新模型或輸入新模型，并自動完成對新增模型的管理。 模型連接：模型連接：系統按照用戶的需求自動將多個模型連

30、接起來運行，同時檢查模型之間數據的傳輸是否合理，若不合理，系統將提示用戶不能進行模型連接。模型查詢：模型查詢：系統提供了對庫內模型的查詢功能，用戶通過模型查詢，選用適當的模型。 模型庫字典及管理功能：模型庫字典及管理功能：系統建有模型庫字典以存儲關于模型的描述信息，并能完成對模型庫字典的管理。當有新模型生成時，系統自動將新模型的有關信息存入字典，實現對新模型的管理。 73模型庫系統的基本功能包括： 模型的生成模型的生成模型生成是模型運行系統的關鍵部分。系統可根據用戶輸入的模型名在模型庫內查詢出所需運行的模型及其有關信息，其中重要的信息是該模型所使用的方法和模型使用的數據庫名稱。系統根據這兩項內

31、容從方法庫內調出該方法的運行程序，從模型數據庫中調出該模型所使用的數據，經過連接后投入運行。74模型庫系統的基本功能包括： 模型運行模型運行庫內模型運行與一般模型運行的區別：某方法程序運行結束后，可自動連接模型方法鏈中下一個環節的方法，直到鏈內所有的方法運行完成后返回到運行系統模塊的控制之下，所有這些步驟中間無須用戶的干預。 75（3）空間數據庫服務器）空間數據庫服務器 SDSSP的數據庫服務器由現有的商品數據庫服務器SQL Server、Oracle以及有關的應用軟件，如數據的條件查詢、分級查詢、地圖查詢等模塊構成。主要功能：根據用戶查詢、模型運行等方面的需要，對有關數據庫進行統一管理以及完

32、成必要的數據查詢、存取作業。76nSDSSP的運行方式的運行方式 用戶在SDSSP支持下生成和運行解決某個或某些實際問題的方案時，可供選擇的SDSS運行方式有框架流程圖框架流程圖和集成語言程序集成語言程序兩種方式。它們在客戶端構成了SDSS中的“人機對話系統”，實際控制著流程圖的生成和修改、模型的選擇和調用、大量數據的存取和顯示、多模型的組合運行、模型庫與數據庫的接口，真正把數據庫、模型庫和人機對話系統等有機地集成起來，使之成為一個完整的SDSS集成系統。這兩種方式都是通過“解釋”執行的，而且彼此能夠對應、相互可以轉換。77框架流程圖方式框架流程圖方式 SDSSP用框架流程圖方式生成和運行SD

33、SS的具體過程。用戶通過交互方式使用SDSSP可視化系統生成工具的有關圖標，生成解決某個或某些實際問題的框式流程框式流程圖圖或邏輯方案邏輯方案。 78每個框都與模型庫中相應的模型連接，模型又與算法庫中相應的算法、數據庫中相應的輸入輸出數據連接。通過這種框架流程圖的運行，完成從框架運行到模型運行，以及相應算法調用和數據存取的過程。79集成語言程序方式集成語言程序方式 由SDSSP可視化系統生成工具所生成的、能夠解決某個或某些實際問題的系統框式流程圖或邏輯方案，可以轉換成相應的集成語言程序。SDSS生成和運行的集成語言程序方式流程圖中模型框的連接可以轉換成模型的調用語句，流程圖中的分支循環結構可以

34、轉換為相應的選擇循環語句。 80n空間決策支持系統的功能空間決策支持系統的功能 空間決策支持系統與一般的決策支持系統的功能相同，只是更注重空間數據和空間問題的獲取和解決。空間決策支持系統包括以下功能：不同數據源的空間和非空間數據的獲取、輸入和存儲； 復雜空間數據結構和空間關系表示方法，適于數據查詢、檢索、分析和顯示； 靈活的集成程序式空間知識(數學模型、空間統計)和數據的處理功能； 靈活的功能修改和擴充機制； 81空間決策支持系統包括以下功能：友好的人機交互界面； 提供決策需要的多種輸出； 提供非結構化空間知識的形式化表達方法； 提供基于領域專家知識的推理機制；提供自動獲取知識或自學習功能；

35、提供基于空間信息、描述性知識、程式化知識的智能控制機制。 82這些空間決策支持系統的功能的要求超出了GIS的功能范圍，需要集成人工智能、知識工程、軟件工程、空間信息處理和空間決策理論等領域的最新技術。838.3 空間決策支持系統的相關技術空間決策支持系統的相關技術 84空間決策支持系統沿著一般空間分析、空間決策支持系統、智能空間決策支持系統的發展軌跡不斷發展，不斷地引入各種相關技術，提高空間分析解決復雜問題的能力，提高智能化水平。 空間決策支持系統必須研究一些相關技術，包括：決策支持技術、人工智能技術、專家系統技術、數據倉庫技術、數據挖掘和知識發現技術等。85n決策支持系統技術決策支持系統技術

36、 決策支持系統(DSS, Decision Support System)是輔助決策者通過數據、模型、知識以人機交互方式，進行決策的計算機應用系統。DSS起始于管理信息系統(MIS)，在MIS的基礎上增加了非結構化問題處理模塊、模型計算和各種方法，以解決結構化、非結構化和半結構化決策問題。86DSS為決策者提供分析問題、建立模型、模擬決策過程和方案的環境，調用各種信息資源和分析工具，幫助決策者提高決策水平和質量。決策支持系統是輔助管理者進行的決策過程，支持而不是代替管理者的判斷，提高決策的有效性的計算機應用系統。 87DSS的基本結構，包括：數據部分、模型部分、推理機部分、人機交互部分。 88

37、目前GIS的邏輯結構和智能層次不能滿足復雜空間決策問題的需要，特別是那些非結構化的問題。為更好地輔助空間決策，GIS需要增加對描述性知識和程式化知識的處理功能，目前，GIS還不適合用于對各種知識形式的處理，不能作為空間決策支持系統的神經中樞，GIS可以作為SDSS的一個組成部分，即GIS可以嵌入到一個SDSS中，用于空間信息處理。 89n專家系統技術專家系統技術 人工智能的目的：人工智能的目的：用計算機模擬人類，如模擬人類的動作、視覺、聽覺、人類大腦以及人類的語言等。從幼兒開始模擬人腦從幼兒開始模擬人腦應該是人工智能研究的起點，但是，模擬的難度比較大，因為幼兒還不能清楚闡述知識與邏輯，所以研究

38、的方向轉向領域專家的思維過程所以研究的方向轉向領域專家的思維過程。隨著專家系統工具軟件的出現，許多領域展開了專家系統的研究，其中最成功的是國際象棋的專家系統。90人工智能的主要目的是模擬人腦的功能，但是目前人們對人腦的思維過程并不十分清楚。專家系統是人工智能在信息系統中的具體應用，它是一個智能計算機程序系統，內部存儲大量專家水平的某個領域知識與經驗，決策者利用專家的知識和經驗可以解決相關領域的問題。 91專家系統的主要功能取決于大量知識，設計專家系統的關鍵是知識表達和知識應用。專家系統與一般計算機程序本質的區別：專家系統與一般計算機程序本質的區別：專家系統所解決的問題一般沒有算法解，并且往往是

39、要在不完全、不精確或不確定的信息基礎上做出結論。 一般的專家系統包括：數據庫、知識庫、推理機，解釋器及知識獲取5個部分組成。 92（1）知識庫）知識庫 知識庫用于存取和管理專家知識和經驗，供推理機利用，具有知識存儲、檢索、編輯、增刪、修改和擴充功能。 （2）數據庫）數據庫 用來存取系統推理過程中用到的控制信息，中間假設和中間結果。 93（3）推理機）推理機 推理機利用知識進行推理，求解專門問題。具有啟發式推理、算法推理；具有正向、反向或雙向推理；具有串行或并行推理等功能。 94（4）解釋器）解釋器 解釋器用于作為專家系統與用戶的“人-機”接口，其功能是向用戶解釋系統的行為，包括： 咨詢理解：對

40、用戶咨詢進行“理解”，將用戶輸入的提問及有關事實、數據和條件轉換為推理機可接受的信息。 結論解釋：向用戶輸出推理的結論或答案，并且根據用戶需要對推理過程進行解釋，給出結論的可信度估計。 95（5）知識獲取器）知識獲取器 知識獲取是專家系統與專家交互的“界面”。知識庫中的知識一般都是通過“人工移植”方法獲得的，“界面”就是知識工程師（專家系統的設計者），采用“專題面談”、“口語記錄分析”等方式獲取知識，經過整理后，再輸入知識庫。 96（5）知識獲取器）知識獲取器 為了提高知識工程師獲取專家知識的效率，可以借助“知識獲取輔助工具”來幫助專家整理或輔助擴充和修改數據庫。 近年來，逐漸發展了一些新的知

41、識獲取方法和工具，如基于機器學習、機器識別的方法，以及數據挖掘與知識的方法等。 97n空間知識的表達和推理空間知識的表達和推理知識的表達和推理是利用人工智能技術建立一個信息系統時需要考慮的主要問題。為了能夠理解和推理，智能系統需要關于問題領域的先驗知識。例如，自然語言理解系統需要關于談話主題和談話人的先驗知識。為了能夠觀看和解釋景物，景物的視覺系統需要存儲關于被觀察對象的先驗信息。任何一個智能系統都應該具有一個知識庫，在知識庫中存儲與問題領域和問題的相互關系相關的事實和概念。98智能系統同時應該具有一個推理機制，能夠處理知識庫中的符號，并且能夠從顯示表達的知識中抽取出隱含的知識。 空間決策支持

42、系統是一個空間推理的智能系統，知識表達在其開發過程中具有十分重要的作用。知識表達的形式體系包括：知識表達的形式體系包括：表達領域知識的結構，知識表達語言和推理機制。知識表達體系的主要任務：選擇一個以最明顯的、正式的方式表達知識的符號結構，以及一個合適的推理機制。99知識的表示就是知識的形式化，就是研究用機器表示知識的可行的、有效的、通用的原則和方法。目前常用的知識表示方法：命題邏輯和謂詞邏輯、產生式規則、語義網絡法、框架表示法、過程表示法、黑板結構、Petri網絡法、神經網絡等。100u命題邏輯命題邏輯命題邏輯能夠把客觀世界的各種事實表示為邏邏輯命題輯命題，最基本的命題邏輯的知識表達是給一個對

43、象命名或陳述一個事實。 命題邏輯和謂詞邏輯命題邏輯和謂詞邏輯101GIS操作中的命題：(1)區域A是一塊濕地。 (2)多邊形K內有一個湖泊。(3)公路R是陡峭的和曲折的。(4)像元B是一塊農田或者是一個魚池。(5)區域Q的人口不密集。 (6)多邊形A與多邊形B相連。(7)如果溫度高，那么壓力就低。 102 “是(is a)”：命名或描述對象；“有(has a)”：描述對象的屬性；連接詞“和(and)”、“或(or)”：用于形成復合語句；“不(not)”：表示對立；“與相連(is（related）to)”：表示相互的關系；“如果那么(if-then)”：表示對象的條件或關系，可以用于推理。 形成

44、命題邏輯的基本組成是句子(陳述或命題)和形成復雜句子的連接詞。原子句用于表達單個事實，它的值是“真”或“假”。103根據連接詞“和”、“或”、“不”、“如果那么”，GIS語句可以形式化表達如下：濕地(區域K)。( “區域A是一塊濕地” )有湖泊(多邊形K)。(“多邊形K內有一個湖泊” )陡峭的(公路R) 曲折的(公路R)。(“公路R是陡峭的和曲折的” )農田(像元B)魚池(像元B)。(“像元B是一塊農田或者是一個魚池” )人口密集(區域Q)。(區域Q的人口不密集 )相連(多邊形A，多邊形B)。(多邊形A與多邊形B相連 )高(溫度) 低(壓力)。 (如果溫度高，那么壓力就低 )104u謂詞邏輯謂

45、詞邏輯l語法和語義語法和語義(Syntax & Semantics)謂詞是用來刻畫一個個體的性質或多個個體之間關系的詞，如“與相連（is（related）to）”。個體是研究對象中可以獨立存在的具體的或抽象的客體，如多邊形A，區域B等。原子公式是謂詞演算的基本積木塊。原子公式是公式的最小單位，是最小的句子單位。項不是公式。P(x1,xn)是n元謂詞，t1,tn是項，P(t1,tn)為原子公式。可以用連詞把原子謂詞公式組成復合謂詞公式，并稱之為分子謂詞公式。105謂詞邏輯的基本組成部分是謂詞符號、變量符號、函數符號和常量符號，并用圓括弧、方括弧、花括弧和逗號隔開，以表示論域內的關系。例如

46、：x是有理數：x是個體變量項，“是有理數”是謂詞，用G(x)表示。 x與y具有關系L：x，y為兩個個體變量項，謂詞為L，符號化形式為L(x，y)。小王與小李同歲：小王，小李都是個體常項，“與同歲”是謂詞，記為H，命題符號化形式為H(a，b)，其中，a代表小王，b代表小李。機器人(ROBOT)在1號房間(R1)內：ROBOT，R1是個體變量項，“在房間內”是謂詞(INROOM)，用INROOM(ROBOT，R1) 表示。1062）連詞和量詞(Connective & Quantifiers) 連詞與合取(conjunction)：合取就是用連詞把幾個公式連接起來而構成的公式。合取項是合取

47、式的每個組成部分。“LIKE(I，MUSIC)LIKE(I，PAINTING) ”表示“我喜愛音樂和繪畫”。或析取(disjunction)：析取就是用連詞把幾個公式連接起來而構成的公式。析取項是析取式的每個組成部分。“PLAYS(LILI，BASKETBALL) PLAYS(LILI，FOOTBALL)”表示“李力打籃球或踢足球”。107蘊涵(Implication)：蘊涵是表示“如果那么”的語句用連詞“ ”連接兩個公式所構成的公式叫做蘊涵。蘊涵可以用產生式規則來表示，即：“IFTHEN”左側的IF部分表示前項，或稱左式；右側的THEN部分表示后項，或稱右式。例如：“RUNS(LIUHUA，

48、FASTEST) WINS(LIUHUA，CHAMPION)”，表示“如果劉華跑得最快，那么他取得冠軍”。108非(NOT)：表示否定，用或表示均可。例如：“INROOM(ROBOT，r2)”表示“機器人不在2號房間內”。109量詞全稱量詞(Universal Quantifier)：若一個原子公式P(x)對于所有可能變量x都具有真值T，則用( x)P(x)表示。例如：“( x)ROBOT(x) COLOR(x, GRAY)”表示“所有的機器人都是灰色的”。“( x)Student(x) Uniform(x, Color)”表示“所有學生都穿彩色制服”。110量詞存在量詞(Existentia

49、l Quantifier)：若一個原子公式P(x)，至少有一個變元x，可使P(x)為T值，則用( x)P(x)表示。例如：“( x )INROOM(x, r1)”表示“1號房間內有個物體”。量化變元(Quantified Variables)：如果一個合適公式中某個變量是經過量化的，我們就把這個變量稱為量化變元，或者稱為約束變量。 111“SET(x)”、“SET(y)”分別表示集合x和y，即：“set x”和“set x”，“CARD(x, u)”表示集合x的基數為u，“CARD(y,v)”表示集合y的基數為v，“G(u,v)”表示u大于v。),(),(),()()()()()(vuGvyC

50、ARDuxCARDySETvuyxSETx3）利用謂詞邏輯表示復雜句子可以用謂詞演算來表示復雜的英文句子。如：“For every set x, there is a set y, such that the cardinality of y is greater than the cardinality of x”，謂詞演算表示為：112113114在“ x 濕地(x)”中使用變量x，使用量詞 表示“所有的”。“所有的公路或者連接到A點，或者連接到B點”表達為：( x) 公路(x)連接到(x,A)連接到(x,B) 命題： x 發生(x, t0)表示空間事件x(洪水或地震)在時間t0時發生。通

51、過引入量詞和變量到命題邏輯中，并且使用連接詞形成復雜的命題，知識可以得到更加有效的表達。115Back strom(1990)定義兩個實體O1，O2是否在點P處相互連接：Pcontact(O1,O2,p)Outerpcontact(O1,O2,p)Innerpcontact(O1,O2,p).1162、基于產生式系統的空間知識表達、基于產生式系統的空間知識表達 人類的知識可以通過“如果如果那么那么”規則組成的系統進行有效地表達。包含一套包含一套“如果如果那么那么”規則的有序集合稱作產生規則的有序集合稱作產生式規則式規則。它包含了一個工作存儲器、一個規則庫和一個解釋器。工作存儲器工作存儲器存儲臨

52、時信息，例如用戶提供的事實、系統生成的中間結論、相關領域特定問題的知識等。規則庫規則庫以“如果那么”規則的形式存儲永久的信息，這些規則對于解決領域中的所有問題都是必要的。解釋器解釋器用來對推理進行控制。117118根據專家確定領域的知識，通過一組“如果那么”規則可以確定穩定性的值。一旦土地的穩定性被確定，區域開發政策就可以相應形成。119120規則“If A and B then C”規則“If A or B then C”1211221233、基于語義網絡的空間知識表達、基于語義網絡的空間知識表達 語義網絡是知識的一種圖解表示，它由結點和結點之間的弧組成。結點結點用于表示實體、概念和情況等，

53、弧弧表示結點之間的相互關系。124at(在)，on(在上)，in(在里面)，above(在上面)，below(在下面)，front(前面)，back(后面)，left(左邊)，right(右邊)，between(在兩者中間)，among(在中間)，amidst(在中間)，near to(與鄰近)，far from(遠離)，close by(與接近)，語義網絡可以用來對空間關系進行表達。以下空間關系可以通過語義網絡進行表達。125east of(在東邊)，south of(在南邊)，west of(在西邊)，north of(在北邊)，disjoint(與脫離)，overlap(疊置)，meet

54、(交匯)，inside(在內部)，outside(在外邊)，central(中央的)，peripheral(外圍的)，across(穿越)，through(穿過)，into(在里面)，可以將這些空間關系表達為可以將這些空間關系表達為語義網絡的聯系語義網絡的聯系來簡化空來簡化空間關系的表達。間關系的表達。126空間關系above（在上面）和below（在下面）的語義網絡表示。127128129語義網絡在基于語義的遙感影像識別和理解中得到了很好的應用。例如，航空影像中的“停車場”的識別可以利用語義網絡進行表達。130從航空影像上根據觀察到的土地覆蓋目標，抽取實例和表達語義的通用場景模型，用一些節點

55、表示這些目標，它們之間用特定含義的鏈連接，這樣就構成一個停車場的語義網絡。為了說明該停車場是一種土地覆蓋類型，建立“土地覆蓋(Land Cover)”節點，為進一步說明停車場的組成部分，需要增加“成行排列的車(Car Row)”節點，并且用“part-of”鏈與“停車場(Parking Lot)”節點相連。131132車由“車頂(Roof) ”和“引擎蓋(Hood)”等部分組成；若干“線段(Segment)”組成“線(Line)”，若干“線(Line)”構成停車場的“輪廓(Contour)”。部分與整體之間的關系用“part-of”表示。133建筑物的屋頂可能屬于某個概念系統，它在幾何概念系統

56、中的具體形式又可能是平行線。這些鏈在一個模型中形成一個概念層次。每一層代表從可見信息中抽取的不同程度。“Part of”和“concrete”鏈可以是多重的。如果概念是強制的、可操縱的和固有的，那么可以特化其具體部分。1344、基于框架的空間知識表達方法、基于框架的空間知識表達方法 框架是知識的一種層次化表達方法。框架可用于表達原型知識或具有良好結構的知識。 與邏輯和產生式規則不同，框架是以相互聯系的較大的概念實體形式存儲知識。 135框架的總體結構136通過一組層次框架表達費水處理場所費物槽的合法值只能是固體和液體。收集區域槽可能是框架參考槽，聯系到一個較低層次的框架，如從城市分區到傾倒地。

57、它的基數確定了槽可以擁有的城市分區數。它也是一個賦有“if-needed”槽過程的過程槽。這個槽是空的，但是無論何時從槽中需要信息時，系統將執行處理過程。137138垃圾1是一個實例槽，它的槽具有確定的值，或者是可從用戶處獲取的值，或者是缺省值。處理過程也涉及到一些發送到框架的信息的方法或者輔助推理的規則集。“IS-A”槽和其它的框架參考槽服務于沿著層次的框架之間的聯系通過框架可以將信息分層結構化。槽可以有靜態的側面，它們的值可以是缺省的或者是限制條件。它們的動態槽可以通過以下處理得到：“if-needed”、“if-added”、“if-deleted”，當必要時，執行這些處理。當新的信息放

58、入槽時執行if-added處理；當信息從槽中移出時，執行if-deleted處理；1395、面向對象的空間知識表達方法面向對象的空間知識表達方法 面向對象的方法使用類、對象、方法和屬性等面向對象的概念及消息機制來描述和解決問題，把各種不同類型的知識用統一的對象形式加以表達，利用對象的數據封裝、繼承、多態等機制，較好地實現知識的獨立性、隱藏性以及重用性。面向對象的知識表達方法適宜于表達各種復雜的具有動態或靜態特性的知識對象及空間的關系，具有很強的語義表達與對象交互能力。140141142143n空間數據倉庫空間數據倉庫1、基本概念、基本概念（1）數據倉庫）數據倉庫“數據倉庫是面向主題的、集成的、

59、時變的、非易數據倉庫是面向主題的、集成的、時變的、非易失的并且隨時間而變化的數據集合失的并且隨時間而變化的數據集合”(W.H.Inmon)。四個關鍵詞：四個關鍵詞：面向主題的、集成的、時變的、非易失的，將數據倉庫與其他數據存儲系統(如關系數據庫系統、事務處理系統和文件系統)相區別。（1）面向主題的：）面向主題的：數據倉庫圍繞一些主題，如顧客、供應商、產品和銷售組織。144（2）集成的：）集成的：構造數據倉庫是將多種數據源，如關系數據庫、一般文件和聯機事務處理記錄，集成在一起進行存儲。使用數據清理和數據集成技術，確保命名約定、編碼結構、屬性度量等的一致性。（3）時變的：）時變的：數據存儲從歷史的

60、角度（例如過去5-10年）提供信息。數據倉庫中的關鍵結構，隱式或顯示地包含時間元素。（4）非易失的：）非易失的： 是指數據保持不變，按計劃添加新數據，但是依據規則，原數據不會丟失。 145 （2）空間數據倉庫）空間數據倉庫空間數據倉庫(Spatial Data Warehouse，SDW)是空間信息科學(RS、GIS、GPS)技術和數據倉庫技術相結合的產物，可以為逐漸興起的全球變化和區域可持續發展研究以及復雜的商業地理分析提供強有力的支持。1462、空間數據倉庫的出現、空間數據倉庫的出現傳統的GIS應用系統一般面向某個具體應用、由日常工作流程驅動，數據往往處于采集時的原始狀態；系統應用也只是對業務數據進行增、