Transcript 地理决策系统的发展与前景

计算机辅助地理决策系统及其
在资源管理和规划中的应用
朱选
新加坡南洋理工大学国立教育学院
计算机辅助地理决策系统



具有地理空间数据处理, 空间分析与模拟, 决策分析能力的
交互式计算机系统
又称辅助空间决策系统 (spatial decision support systems
or SDSS)
是地理信息系统 (GIS) 与计算机辅助模拟和决策分析技术
相结合的产物

空间模拟 (spatial modelling): 模拟地理过程的数学模型
• 自然环境过程 (physical process), 社会经济过程 (human process)

运筹学 (operations research): 解决规划和管理决策问题的数学方
法
• 多标准决策分析 (multi-criteria decision analysis)
• 多目标规划 (multi-objective programming)

人工智能
• 专家系统 (expert systems), 基因算法 (genetic algorithms)
Physical
Process
Models
GIS
Toolbox
GIS
Geospatial
Data
SDSS =
SDSS
Human
Process
Models
Computer-Aided
Modelling &
Decision Analysis
DecisionMaking
Models
RuleBased
Models
Geospatial Data
&
Data Manipulation + Models
and Spatial Analysis
辅助地理决策系统的特点
 使用地理空间数据和模型获取有助决策的
信息
 交互式, 允许用户灵活探索决策问题的求解
空间, 以及制定, 分析, 评价多种决策方案
 用户界面易用, 其主要用户为没有GIS和模
型知识的管理和规划人员
 大多使用专业模型, 为特定用途而设计

水资源管理, 城市交通规划, 农业土地利用规划,
购物中心选址 …
辅助地理决策系统的种类
基于空间模型的辅助地理决策系统
 基于知识的(knowledge-based)辅助地理决策
系统
 多标准分析(multi-criteria analysis)辅助地理决
策系统
 多目标优化(multi-objective optimisation)辅助
地理决策系统
 综合式(integrated)辅助地理决策系统
 合作式(collaborative)辅助地理决策系统

基于空间模型的辅助地理决策系统
User
User Interface
GIS Tools
Database
Spatial
Models
Accessibility Analyst – 通达性评价系统
用于城市土地利用和交通规划中通达性分析评价
(由刘素霞博士设计)
 一个地点的通达性: 运用一定的交通工具, 从该地
点出发到达其它地点以从事某种活动的方便程度



评价交通系统的有效性, 制订交通系统规划方案, 设置
公用服务设施, 规划与开发住宅区等的重要指标
Accessibility Analyst 将多种通达性分析模型和工
具结合起来建立模型库, 并与GIS相连结

ArcView GIS 软件系统的附加模块
Potential Models – 位能模型
Mj
Pi   
j Cij
地点i 的通达性
位于地点j 某种活动的规模
从地点i 到地点j 的距离, 或
旅行的时间, 或旅行的费用
基于知识的辅助地理决策系统
User
User Interface
GIS Tools
Database
Expert
System
Problem Domain
Expert System
Expertise
(Explanations
& conclusions)
Knowledge
Engineering
Human
Expert
Knowledge Base
User
Facts
Inference Engine
User Interface
Expert System Environment
Query Processing Subsystem
Query
Result
Display
Modelling Subsystem
Help
Knowledge
Acquisition
User-assisted
Modelling
Automatic
Modelling
Problem Processor
Knowledge Base
Domain
Knowledge
Module
Model
Knowledge
Module
Utility Program
Knowledge
Module
Process
Knowledge
Module
Meta-data
Knowledge
Module
Interface to the Back-End Subsystem
Back-End Subsystem
Expert System
(Rule Bases)
GIS
(Database + GIS Analysis
Functions)
Figure 6.3 Architecture for KBSDSS systems
Analytical Procedures and
Utility Programs
基于知识的辅助地理决策系统的特点
包含多种知识
1.

某领域专业知识,模型知识,数据知识,数据处理工具知
识,过程知识
能运用知识和一定的推理机制引导用户解决决
策问题
2.




建立表达决策问题的模型
根据问题模型设计解答问题的过程
选择和调用合适模型, 数据和数据处理计算机程序, 运
行这些模型和程序求得问题的答案
评价所得的结果
Proximity
to Lakes
Spatial
Influence
Diagram –
空间要素关
联图
Proximity
to Roads
Lakes
Roads
Sites for
Housing
Development
NAME
Sites for Housing Development
TYPE
value
PREDECESSORS
Proximity to Lakes, Proximity
to Roads, Slope, Aspect
SUCCESSORS
nil
FUNCTIONAL_MODEL
SuitabilityForHousing
GIS_MODEL
overlay
ASSOCIATED_DATA
nil
Aspect
Slope
Elevation
基于知识的辅助地理决策系统的特点
3.
4.
5.
综合了地理信息系统(GIS)和专家系统技术
系统控制GIS和模型的运行, 用户无需掌握
操作GIS和模型的具体知识
具有解释功能, 用户可以理解,检查整个问
题的解决过程
ILUDSS – Islay 土地利用辅助决策系统




Islay: 苏格兰西
海岸附近的小
岛
目的: 评价土地
利用潜力
用户: Scottish
Natural
Heritage 的规
划人员
具备基于知识
的辅助地理决
策系统的主要
功能
User
ILUDSS
– Islay 土地利用辅助决策系统
HARDY
Graphical User Interface


CLIPS 苏格兰西海岸附近
Islay:
的小岛
Query Processing Subsystem
评价土地利用潜力
Modelling Subsystem
Knowledge
Base
Process knowledge
base module
Domain knowledge
base module
Tools knowledge
base module
Metadata knowledge base module
Problem Processor
Rule-based
Models
Control flow
Data or knowledge flow
ARC/INFO
GIS, Analytical
Models and Utility
Programs
Data Base
Proximity
Roads
to Roads
Sites of Special
Potential Sites
Proximity
for
to SSSI
Afforestation
Areas
Scientific Interest
Altitude
Physical Land
Suitability for
Forestry
Land
Capability
for Forestry
Land
Capability for
Agriculture
多标准分析辅助地理决策系统
User
User Interface
GIS Tools
Database
Multi-Criteria
Models
一个多标准决策分析问题
Identify an optimal site
Slope
Aspect
Site 1
Transport
Site 2
Land use
Site 3
Price
多标准决策分析
(Multi-Criteria Decision Analysis)


多标准决策分析是一套用于辅助决策人员从一系列决策方
案中选择最佳方案的技术
多标准决策分析的过程





在资源管理, 城市与区域规划中有广泛应用


制定决策的目标(objectives)
选择评价决策方案(alternatives)的标准 (criteria)
确定评价标准的权重
对决策方案进行评价和排序, 选择最佳方案
水资源规划, 交通规划, 政策评价, 资源开发和环境规划项目的选取,
土地利用选址, 等等
常用的多标准决策分析技术

Analytical Hierarchy Process (AHP), Multi-Attribute Utility Model,
SMARTER, ELECTRE, Ideal Point
JavaAHP - 多标准分析辅助决策系统
多目标优化辅助地理决策系统
User
User Interface
GIS Tools
Database
Multi-Objective
Optimisation Models
多目标优化


多目标优化: 在一定的限制条件下, 解决资源的最优配置或
最佳利用问题
多目标优化问题: 规划土地利用以增加就业率

土地利用现状:
• 8200公顷森林地, 4520公顷农田, 1050公顷城市用地

4 个目标:
•
•
•
•


就业: 增加500个就业机会
环境: 保留70%以上的现有森林地
投资: 用于改变现有土地利用类型的投资为一亿元
城市化: 新增城市用地面积不超过400公顷
如何合理安排土地利用布局才能实现这4个目标?
多目标优化技术

线性规划(linear programming),目标规划(goal programming), 基
因算法(genetic algorithms), 等等
基因算法

建立在达尔文生物进化论基础上的机器学习 (machine
learning) 模型


一群随机产生的个体经过一个模拟的进化过程, 能适应生存条件的
具有竞争力的个体继续生存下去,繁殖后代, 不能适应生存条件的
个体则被淘汰
基因算法的基本要素




基因 (genes): 个体的最基本的结构单位, 或问题的参数. 如: 土地
利用分配中, 一个基因代表一个土地单元及其属性
染色体 (chromosomes): 由一组基因组成的个体, 或问题可行解区
域 (solution space) 中的一点. 如:一种可行的土地利用布局
目标函数 (fitness function): 计算染色体或个体的竞争力 (fitness),
用于判断一个染色体是否能生存下去, 也是衡量目标是否优化的尺
度. 如: 产量, 利润, 费用.
群体 (population): 所有在基因算法中不断进化的染色体
基因算法 (续)

基因算法的基本算子 (operators)

竞争力评价 (fitness evaluation)
• 运用目标函数确定染色体的竞争力

选择 (selection)
• 比较染色体的竞争力, 选择较具竞争力的染色体以便将他们的
基因传到下一代

对换 (crossover)
• 一旦选择了一对父母染色体后, 随机地将他们的基因交换, 组成
一对新的染色体

变异 (mutation)
• 随机地修改一个染色体

插入 (insertion)
• 将新产生的染色体加入群体, 并将不具竞争力的染色体除去
基因算法的工作流程
Define
Problem
Create a
Random
Population
Evaluate
Fitness of
Individuals
Select
Individuals
for Mating
Mate
Individuals
to Produce
Offspring via
Crossover
Mutate
Individuals
to Produce
Offspring
Convergence?
No
Yes
Insert Offspring into
Population
Stop
运用基因算法于土地利用分配
 土地利用分配涉及的要素

土地单元, 待分配的土地利用种类, 每一土地单
元对各种土地利用类型的适宜性, 需优化的目
标, …
 基因:

土地单元及其属性
地点, 分配的土地利用, 土地利用的适宜性, …
 染色体:
构成某一种土地利用布局的一系列
土地单元
土地利用布局的基因表达
Genes
GENE 2
GENE n-1
UMA#: 2
Assigned Land use:
Pasture
Land suitability:
pasture–Class 1
sugarcane–Class 2
…
UMA#: n-1
Assigned Land use:
Sugarcane
Land suitability:
pasture–Class 3
sugarcane–Class 4
…
1
1
Chromosomes
1
2
2
1
Land use
patterns
2
3
3
2
3
4
4
4
5
5
6
n-1
6
n-1
n-1
n
6
34
5
3
16
4
9
5
20
6
n-1
n
28
n
n
LUOS - 土地利用优化系统
LUOS 应用实例




实验地: 澳大利亚 Noosa 郡
待分配的土地利用: 果园,蔬菜和草地
假设的经济数据: ($/ha.)
草地
Class 1
果园
320.1
蔬菜
280.0
222.0
Class 2
280.0
245.2
210.0
Class 3
230.0
235.2
200.5
Class 4
180.0
200.0
190.0
目标: 在今后12年内获取最佳的净收入 ( net present
value)
Create a set of land use
plans by randomly
assigning land uses
to land parcels
Evaluate each land use
plan by calculating the
net present value (NPV)
Select the land use
plans with the highest
NPVs
No
Form a new set of land
use plans from these
subsets
Good
enough
Yes
Stop
Randomly select subsets
of land parcels from the
selected land use plans
NPV =
$67,323,920
NPV =
$66,575,596
NPV =
$67,296,272
VegMan - 综合式辅助地理决策系统
Server Machine
Rule
Base
HTML
Client Machine
Java Web Server
RuleBased System
(JESS)
Web Browser
HTML/
Java Applets
Internet
Multi-Criteria
Analysis Tool
(JavaAHP)
Java
Servlets
Internet Mapping
Tool (WebMap)
Map
Image
(HTML — Hypertext Markup Language)
GIS
Database
GIS
(ArcView)
WebMap
Server Machine
Client Machine
Web Browser
HTML/
Java Applets




Rule
Base
HTML
map generation
map browsing
spatial query Java Web Server
classification
Internet
operations
Java
RuleBased System
(JESS)
Multi-Criteria
Analysis Tool
(JavaAHP)
Servlets
Internet Mapping
Mapping
Internet
Tool (WebMap)
(WebMap)
Tool
Map
Image
(HTML — Hypertext Markup Language)
GIS
Database
GIS
(ArcView)
JESS
Server Machine
Rule
Base
HTML
Client Machine
Java Web Server
RuleBased System
(JESS)
Web Browser
HTML/
Java Applets
Internet
Multi-Criteria
Analysis Tool
(JavaAHP)
Java
Servlets
RuleInternet Mapping
Based System
Tool (WebMap)
(JESS)
 Deliver the Central
Highlands
Regional
(HTML — Hypertext
Markup Language)
Vegetation Strategy
Map
Image
GIS
Database
GIS
(ArcView)
 Regional Vegetation
Regional
Strategy
Rule
Base
Strategy as rules
 Basic features of each
vegetation community
Client Machine
Server Machine
Rule
Base
HTML
Java Web Server
RuleBased System
(JESS)
Web Browser
HTML/
Java Applets
Internet
Multi-Criteria
Analysis Tool
(JavaAHP)
Java
Servlets
Internet Mapping
Tool (WebMap)
Map
Image
(HTML — Hypertext Markup Language)
GIS
Database
GIS
(ArcView)
JavaAHP
Server Machine
Rule
Base
HTML
Client Machine
Java Web Server
RuleBased System
(JESS)
Web Browser
HTML/
Java Applets
Internet
Multi-Criteria
Analysis Tool
(JavaAHP)
Java
Servlets
Internet Mapping
Tool (WebMap)
 Combine best available
information and DM’s
value judgements
 Evaluate and prioritise
(HTML — Hypertext
Markup Language)
management
options
Map
Image
GIS
Database
GIS
(ArcView)