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11.1. 空间数据挖掘

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11.3. 智能GIS


11.2. 空间决策支持系统

地理信息系统有很强的地理信息处理、分析和综合能力,这些能力与空间模拟和决策分析技术相结合,可以构成空间决策支持系统,用于辅助资源与环境能过的规划和管理。空间决策支持系统可以看作是地理信息系统在空间模拟和决策分析能力上的延伸,它允许决策人员能更加有效的使用地理信息,能更加简便和灵活地使用系统提供的模型和决策分析工具分析决策问题,探讨不同的决策方案,评价和选择最佳决策方案。

11.2.1. 空间决策支持系统的概念

决策支持系统(Decision Support System,简称DSS)是以计算机技术为手段,主要针对半结构化或非结构化决策问题的求解,通过人机交互实现辅助决策的信息系统(王家辉,2003)。它通过数据库系统、模型库系统和人机交互系统,为决策者提供决策所需的数据、信息等背景材料,帮助用户明确决策目标和识别问题,利用建立和修改决策模型来提供多个备选方案,通过人机交互对方案进行分析、比较和判断,为正确的决策提供支持。DSS系统以模型库系统为核心,模型分析技术与数据存取技术结合起来,通过提供友好的人机交互界面,帮助解决管理人员面临的结构化程度不高的决策问题。但是DSS系统并不是要完全取代管理人员。决策支持系统的理论及其技术的发展与许多学科有关,它涉及到计算机软件和硬件、信息论、人工智能、管理科学、行为科学等领域,这些学科的相互交叉构成了它的理论基础(石昊楠,2005)。决策支持系统又是一种开放的技术,一般来说,只要是面向计算机并且能给管理人员提供决策支持的技术,都能将它转换成为决策支持系统的技术。

空间决策支持系统(Spatial Decision Support System,SDSS)是由空间决策支持、空间数据库等相互依存、相互作用的若干元素构成,并进行空间数据处理、分析和决策的有机整体,即具有地理数据管理、空间分析与模拟以及决策分析能力的交互式计算机系统。空间决策支持系统是在常规决策支持系统和地理信息系统相结合的基础上发展起来的新型信息系统。空间决策支持是应用空间分析的各种手段对空间数据进行处理变换,以提取出隐含于空间数据中的事实与关系,并以图形、表格和文字的形式直接地加以表达,为现实世界中的各种应用提供科学、合理的决策支持。空间决策可以认为是空间分析的高级阶段,空间分析技术则是实现空间决策的工具,二者的关系如图11-2所示(朱选,2006)。从图可以看出,空间分析与空间决策之间的关系可表达为空间决策=空间数据/操作/分析+模型。由于空间分析的手段直接融合了数据的空间关系,并能充分利用数据的现势性特点。因此,其提供的决策支持将更加符合客观现实,因而更有利于决策。

空间决策支持系统与一般的决策支持系统相比较,有其特点,如数据具有明显的空间特征,系统中涉及到大量的空间模型与空间分析运算。空间问题比较复杂,不确定性程度也更大,因此,空间决策支持系统比一般DSS要复杂一些,具体来说,两者的差异主要在于以下五个方面:

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(1)数据形式不同。空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济数据,它们可以具有图形、图像、文字、表格和数字等形式。在空间信息系统中,数据又由三部分组成:①在某个已知参考坐标系中的位置,即几何坐标。②地理实体之间的空间拓扑关系,即通常的点、线、面之间的逻辑关系。③与几何位置无关的属性,是与地理实体相联系的地理变量或地理意义,以定性或定量形式表达的自然、社会、经济要素。

(2)信息获取方式不同。空间数据有专门的获取途径,它们是通过数字化仪、扫描仪或图像处理系统等硬件设备及相应的驱动软件输入空间信息系统。

(3)决策模型不同。空间决策支持系统中有许多特有的空间模型,空间模型有时候可以转化为非空间模型来运算,而非空间模型亦可通过在每一个空间单元上实施该模型而空间化。

(4)决策结果的输出不同。空间决策支持系统输出的决策结果多为图形、图像和表格等。

(5)系统结构不同。SDSS增加了GIS空间数据库及数据库管理系统。

11.2.2. 空间决策支持系统的结构

决策支持系统的结构,有过二单元、三单元、四单元和五单元的提法。二单元是由模型库与数据库组成,较为低级。三单元是由人机对话系统、模型库与数据库单元组成,增强了决策者在决策过程中的主观能动和必要干预,同时也能对决策者有所启示(高雪迪,2006)。参照DSS的结构组成划分,可把基于空间决策支持系统的组成要素分为空间数据库及其管理系统(数据部分)、空间模型库及其管理部分(模型部分)和人机接口(对话管理部分),如图11-3所示。(常晋义,1996;高雪迪,2006;聂庆华,2006;刘耀林,2007)

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1.空间模型库及其管理系统

所谓模型是以某种形式对一个系统的本质属性的描述,以揭示系统的功能、行为及其变化规律。模型是客观世界的一个表征和体现,同时又是客观事物的抽象和概括。空间决策支持系统的模型库中有以下几种模型:数学模型,数据处理模型,图形、图像模型,报表模型,空间分析模型等。模型库(Model Base)是提供模型存储和表示模式的计算机系统。在这个系统中,还包含一个以上适当的存储模式进行模型提取、访问、更新和合成等操作的软件系统,这个软件系统称为模型库管理系统。由于空间问题研究对象的复杂性和不确定性等特点,SDSS模型自动生成尚处于理论探索阶段。如何充分有效的组织和管理已有模型,使之在具体应用任务中发挥作用,是系统必须解决的实际问题。

2.方法库及其管理系统

方法库实现模型与方法的分离存储,为模型生成和修改提供了方便,也提高了模型的运行效率。由于方法总是相对成熟和固定的,每一种方法又总是相对独立的,模型对方法来说是一种调用和被调用的关系,方法库为模型库提供算法上的支持。各种模型共享一类方法或一类模型共享多种方法,因此实现了软件资源共享。方法库管理系统主要包括源码的编辑、目标的生成、方法入库、修改、删除、划块分类和加工等功能。

3. 知识库及其管理系统

知识库用来存放各种规则、专家的经验、有关的知识和因果关系等。主要包括事实库、规则库和约束三部分。事实库存放求解问题的说明性知识、构成信息实体的事实等内容。规则库中的主要内容是特定领域的规则、定理、定律等过程性知识及说明模型库中各个模型的使用范围、方法及关系的规则信息。约束库主要是说明知识的使用范围和条件。知识库系统的结构与知识的表达有关。常用的知识表示法有:产生式规则、语义网络、谓词逻辑、框架、面向对象的表示及几种方法的混合使用的表示法。以产生式规则表示的知识库系统,由知识库、知识生成支持机构、推理机、工作存贮器等部分组成。无论知识库系统结构如何组成,知识库、推理机及工作存贮器是知识库系统的基本组成要素。

知识库管理系统的功能是在决策过程中,通过人机交互作用,使系统能够模拟决策者的思维方法和思维过程,发挥决策者的经验、判断和推测,从而使问题得到满意且具有一定可信度的解答。

4.空间数据库及其管理系统

数据库是SDSS的基础,用来存放某区域空间内关于一定空间要素特征的数据。SDSS中的数据分为两类:空间数据和属性数据。空间数据描述空间实体的几何位置,以及实体之间的空间关系,具体地理位置特征。其内部结构较紧密,数据类型一致,内部关系非常复杂。属性数据用以描述实体的自然、社会特性,其相互关系较少,数据类型复杂,结构松散。在SDSS数据库设计中,重要的是如何组织和管理空间数据并确保空间数据与属性数据的密切配合。数据库管理系统的功能是:对数据进行常规的管理和维护,支持数据的查询和标志,及时准确地为系统提供所需的信息,支持模型运算及统计分析,在决策推理中提供各种基本事实等。

5.人机交互系统

人机交互系统是决策支持系统与用户之间的交互界面。用户通过该系统控制实际决策支持系统的运行,决策支持系统既需要用户输入必要的信息和数据,同时要向用户显示运行情况以及最后结果。它要有以下几个功能:1)提供丰富多彩的显示和对话,对于SDSS要有显示空间数据的功能;2)输入输出转换功能,系统对输入数据和信息要转换成能够理解和执行的内部表示形式,系统运行结束后应该把系统的结果按一定格式显示或打印给用户;3)控制决策支持的有效运行,人机交互系统需要将模型系统、数据系统进行有机综合集成形成系统,并使系统有效运行。

11.2.3. 空间决策支持系统的功能与应用

1.空间决策支持系统的功能

SDSS的最终目的是辅助和支持决策者做出决策。这里,需要特别注意的是:DSS 是辅助决策者进行决策,而不是代替人做决策;其用户一般是相应层次的决策者,而不是计算机专业人员;其能处理的问题一般是半结构化甚至是非结构化的问题,辅助决策的工作方式是人机交互式的。SDSS是在GIS和决策支持系统的基础上发展起来的,是信息服务系统的更高层次。实现SDSS的关键在信息的有效提取并加以分析,不在于信息收集与更新的过程。一个使用有效的SDSS应具有以下功能:

(1)及时、准确的向决策者提供信息。决策行为的实效性很强,必须在规定的时间内作出。因此,要求SDSS能及时地提供决策者信息,即使不能实时的提供信息,也要在允许范围内尽快地为决策者提供信息。信息的准确性就是反映客观事物的真实性,如果信息不准确,就会误导决策。

(2)提供多层次的信息。决策者所需要的信息大多是经过加工整理、能够反映事物的本质特征和发展趋势的综合信息。而综合信息是建立在对大量信息的收集、存储的基础之上的,因此SDSS应能提供多层次的信息访问功能。

(3)多维数据视图及数据挖掘。所谓“维”,就是观察问题的角度,决策分析需要从不同角度观察分析数据,即SDSS能为决策者提供多侧面、全方位的信息。数据挖掘功能则帮助决策者一步步深入地进行数据分析,从而找出事物的内在规律,为决策服务。近年来,快速发展的OLAP技术和基于数据仓库的数据挖掘技术对实现这一功能奠定了基础。

(4)信息分析功能。包括产生各种固定的及随机的报表、图形,并根据各种基于数学方法的模型进行分析预测功能。

2.空间决策支持系统的应用

由于社会需求的牵引和技术发展的推动,空间决策支持系统已经发展到了一个新的阶段,在与空间问题有关的各领域内得到了广泛的应用,如城市用地选址、最佳路径选取、定位分析、资源分配和机场净空分析等(石昊楠,2005)。

(1)在军事领域的应用,如指挥自动化系统,它是一种用于战场军事地理环境分析和辅助决策的现代军事应用系统,可辅助各级指挥员完整、准确、快速地分析战场环境地理要素,科学地进行军事决策,正确选择作战方向和作战空间,合理地组织军事行动;

(2)在防洪防凌及水量调度决策支持中的应用,如黄河防洪防凌决策支持系统,黄河水量调度管理决策支持系统,抢险救灾决策支持系统;

(3)在大型水利工程中的应用,如基于GIS的万家寨工程移民决策支持系统;

(4)在城市规划、管理决策支持中的应用,如城市公交线路规划决策支持系统,城市房地产管理决策支持系统;在各种管网(电力、通信、供水、煤气等)管理决策支持中的应用,如基于GIS的配电网故障后处理决策支持系统;

(5)在生态环境决策支持中的应用,如黄河生态环境监测与规划系统等等。

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