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1、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 具有地理空间数据处理,空间分析与模拟 空间分析与模拟,决策分析能力的 决策分析能力的交互式计算机系统 交互式计算机系统 又称辅助空间决策系统 又称辅助空间决策系统(spatial decision support systems(spatial decision support systems or SDSS)or SDSS)是地理信息系统 是地理信息系统(GIS)(GIS)与计算机辅助模拟和决策分析技术 与计算机辅助模拟和决策分析技
2、术相结合的产物 相结合的产物l l 空间模拟 空间模拟(spatial modelling):(spatial modelling):模拟地理过程的数学模型 模拟地理过程的数学模型 自然环境过程 自然环境过程(physical process),(physical process),社会经济过程 社会经济过程(human process)(human process)l l 运筹学 运筹学(operations research):(operations research):解决规划和管理决策问题的数学方 解决规划和管理决策问题的数学方法 法 多标准决策分析 多标准决策分析(multi-cri
3、teria decision analysis)(multi-criteria decision analysis)多目标规划 多目标规划(multi-objective programming)(multi-objective programming)l l 人工智能 人工智能 专家系统 专家系统(expert systems),(expert systems),基因算法 基因算法(genetic algorithms)(genetic algorithms)GIS GISComputer-Aided Computer-AidedModelling&Modelling&Decision An
4、alysis Decision AnalysisSDSS SDSSGeospatialDataGISToolboxPhysicalProcessModelsHumanProcessModelsDecision-MakingModelsRule-BasedModelsSDSS=+Models SDSS=+ModelsGeospatial Data Geospatial Data&Data Manipulation Data Manipulation and Spatial Analysis 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
5、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l l水资源管理水资源管理,城市交通规划城市交通规划,农业土地利用规划农业土地利用规划,购物中心选址购物中心选址 辅助地理决策系统的种类 基于空间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)
6、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UserUser InterfaceDatabaseSpatialModelsGIS ToolsAccessibility 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(由刘素霞博士设计由刘素霞博士设计)一个地点的通达性一个地点的通达性:运用一定的交通工具运用一定的交通工具,从该地从该地点出发到达其它地点以从事某种活动的方便程度点出发到达其它地点以从事某种活动的方便程度l l 评价交通系统的有效性 评价交通系统的有效性,制订
7、交通系统规划方案 制订交通系统规划方案,设置 设置公用服务设施 公用服务设施,规划与开发住宅区等的重要指标 规划与开发住宅区等的重要指标 Accessibility Analyst Accessibility Analyst 将多种通达性分析模型和工将多种通达性分析模型和工具结合起来建立模型库具结合起来建立模型库,并与并与GISGIS相连结相连结l l ArcView GIS ArcView GIS 软件系统的附加模块 软件系统的附加模块Potential Models 位能模型位于地点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,或旅行的费用地点i 的通达性基于知识的辅助地理决
8、策系统UserUser InterfaceDatabaseExpertSystemGIS ToolsExpertise(Explanations&conclusions)Expert SystemKnowledge BaseInference EngineHuman ExpertUserKnowledge EngineeringFactsProblem Domain基于知识的辅助地理决策系统的特点1.1.包含多种知识包含多种知识 某领域专业知识 某领域专业知识,模型知识 模型知识,数据知识 数据知识,数据处理工具知 数据处理工具知识 识,过程知识 过程知识2.2.能运用知识和一定的推理机制引导
9、用户解决决能运用知识和一定的推理机制引导用户解决决策问题策问题 建立表达决策问题的模型 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 根据问题模型设计解答问题的过程 选择和调用合适模型 选择和调用合适模型,数据和数据处理 数据和数据处理计算机 计算机程序 程序,运 运行这些模型和程序求得问题的答案 行这些模型和程序求得问题的答案 评价所得的结果 评价所得的结果Spatial Influence Diagram 空间要素关联图Sites for Housing DevelopmentProximity to LakesLakesProximity to RoadsRoadsSlopeE
10、levationAspectValue nodeChance nodeBorder nodeNAME NAME Sites for Housing Development Sites for Housing DevelopmentTYPE TYPE value valuePREDECESSORS PREDECESSORS Proximity to Lakes,Proximity Proximity to Lakes,Proximity to Roads,Slope,Aspect to Roads,Slope,AspectSUCCESSORS SUCCESSORS nil nilFUNCTION
11、AL_MODEL FUNCTIONAL_MODEL SuitabilityForHousing SuitabilityForHousingGIS_MODEL GIS_MODEL overlay overlayASSOCIATED_DATA ASSOCIATED_DATA nil nil基于知识的辅助地理决策系统的特点3.3.综合了地理信息系统(GIS)(GIS)和专家系统技术4.4.系统控制GISGIS和模型的运行,用户无需掌握操作GISGIS和模型的具体知识5.5.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:Islay:苏格兰
12、西 苏格兰西海岸附近的小 海岸附近的小岛 岛 目的 目的:评价土地 评价土地利用潜力 利用潜力 用户 用户:Scottish:Scottish Natural Natural Heritage Heritage 的规 的规划人员 划人员 具备基于知识 具备基于知识的辅助地理决 的辅助地理决策系统的主要 策系统的主要功能 功能ILUDSS Islay 土地利用辅助决策系统 Islay:Islay:苏格兰西海岸附近 苏格兰西海岸附近的小岛 的小岛 评价土地利用潜力 评价土地利用潜力 HARDYCLIPSARC/INFOGraphical User InterfaceQuery Processing
13、 Subsystem Modelling SubsystemKnowledge BaseDomain knowledge base moduleTools knowledge base moduleMetadata know-ledge base moduleProcess knowledge base moduleProblem ProcessorRule-based ModelsData BaseGIS,Analytical Models and Utility ProgramsControl flowData or knowledge flowUserLand Capability fo
14、r ForestryPhysical Land Suitability for ForestrySites of Special Scientific InterestProximity to SSSI AreasLand Capability for AgricultureProximity to RoadsAltitudePotential Sites for AfforestationRoads多标准分析辅助地理决策系统UserUser InterfaceDatabaseMulti-CriteriaModelsGIS Tools一个多标准决策分析问题Identify an optimal
15、 siteSlope Aspect Transport Land use PriceSite 1 Site 2 Site 3多标准决策分析(Multi-Criteria Decision Analysis)(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 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 案中选择最佳方案的技术 多标准决策分析的过程 多标准决策分析的过程l l 制定决策的目标 制定决策的目标(objectives)(objectives)l l 选择评价决策方案 选择评价决策方案(al
16、ternatives)(alternatives)的标准 的标准(criteria)(criteria)l l 确定评价标准的权重 确定评价标准的权重l l 对决策方案进行评价和排序 对决策方案进行评价和排序,选择最佳方案 选择最佳方案 在资源管理 在资源管理,城市与区域规划中有广泛应用 城市与区域规划中有广泛应用l l 水资源规划 水资源规划,交通规划 交通规划,政策评价 政策评价,资源开发和环境规划项目的选取 资源开发和环境规划项目的选取,土地利用选址 土地利用选址,等等 等等 常用的多标准决策分析技术 常用的多标准决策分析技术l l Analytical Hierarchy Proces
17、s(AHP),Multi-Attribute Utility Model,Analytical Hierarchy Process(AHP),Multi-Attribute Utility Model,SMARTER,ELECTRE,Ideal Point SMARTER,ELECTRE,Ideal PointJavaAHP-多标准分析辅助决策系统多目标优化辅助地理决策系统UserUser InterfaceDatabaseMulti-ObjectiveOptimisation ModelsGIS Tools多目标优化 多目标 多目标优化 优化:在一定的限制条件下 在一定的限制条件下,解决资源
18、的最优配置或 解决资源的最优配置或最佳利用问题 最佳利用问题 多目标 多目标优化 优化问题 问题:规划土地利用以增加就业率 规划土地利用以增加就业率l l 土地利用现状 土地利用现状:8200 8200公顷森林地 公顷森林地,4520,4520公顷农田 公顷农田,1050,1050公顷城市用地 公顷城市用地l l 4 4 个目标 个目标:就业 就业:增加 增加500 500个就业机会 个就业机会 环境 环境:保留 保留70%70%以上的现有森林地 以上的现有森林地 投资 投资:用于改变现有土地利用类型的投资为一亿元 用于改变现有土地利用类型的投资为一亿元 城市化 城市化:新增城市用地面积不超过
19、 新增城市用地面积不超过400 400公顷 公顷l l 如何合理安排土地利用布局才能实现这 如何合理安排土地利用布局才能实现这4 4个目标 个目标?多目标 多目标优化技术 优化技术l l 线性规划 线性规划(linear programming),(linear programming),目标规划 目标规划(goal programming),(goal programming),基 基因算法 因算法(genetic algorithms),(genetic algorithms),等等 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 建立在达尔文生物进化论基础上的机器学习(machin
20、e(machine learning)learning)模型 模型l l 一群随机产生的个体经过一个模拟的进化过程 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 能适应生存条件的具有竞争力的个体继续生存下去 具有竞争力的个体继续生存下去,繁殖后代 繁殖后代,不能适应生存条件的 不能适应生存条件的个体则被淘汰 个体则被淘汰 基因算法的基本要素 基因算法的基本要素l l 基因 基因(genes):(genes):个体的最基本的结构单位 个体的最基本的结构单位,或问题的参数 或问题的参数.如 如:土地 土地利用分配中 利用分配中,一个基因代表一个土地单元及其属性 一个基因代表一个土地单
21、元及其属性l l 染色体 染色体(chromosomes):(chromosomes):由一组基因组成的个体 由一组基因组成的个体,或问题可行解区 或问题可行解区域 域(solution space)(solution space)中的一点 中的一点.如 如:一种可行的土地利用布局 一种可行的土地利用布局l l 目标函数 目标函数(fitness function):(fitness function):计算染色体或个体的竞争力 计算染色体或个体的竞争力(fitness),(fitness),用于判断一个染色体是否能生存下去 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 也是衡量
22、目标是否优化的尺度 度.如 如:产量 产量,利润 利润,费用 费用.l l 群体 群体(population):(population):所有在基因算法中不断进化的染色体 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基因算法的基本算子(operators)(operators)l l 竞争力评价 竞争力评价(fitness evaluation)(fitness evaluation)运用目标函数确定染色体的竞争力 运用目标函数确定染色体的竞争力l l 选择 选择(selection)(selection)比较染色体的竞争力 比较染色体的竞争力,选择较具竞争力的染色体以便将
23、他们的 选择较具竞争力的染色体以便将他们的基因传到下一代 基因传到下一代l l 对换 对换(crossover)(crossover)一旦选择了一对父母染色体后 一旦选择了一对父母染色体后,随机地将他们的基因交换 随机地将他们的基因交换,组成 组成一对新的染色体 一对新的染色体l l 变异 变异(mutation)(mutation)随机地修改一个染色体 随机地修改一个染色体l l 插入 插入(insertion)(insertion)将新产生的染色体加入群体 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 并将不具竞争力的染色体除去基因算法的工作流程DefineProblem Crea
24、te aRandomPopulationEvaluateFitness ofIndividualsSelectIndividualsfor Mating MateIndividualsto ProduceOffspring viaCrossoverMutateIndividualsto ProduceOffspringStopConver-gence?Insert Offspring into PopulationNo Yes运用基因算法于土地利用分配土地利用分配涉及的要素l l土地单元土地单元,待分配待分配的土地利用种类的土地利用种类,每一每一土地单土地单元对各种元对各种土地利用类型的适宜性
25、土地利用类型的适宜性,需优化的目需优化的目标标,基因:土地单元及其属性l l地点地点,分配的分配的土地利用土地利用,土地利用的适宜性土地利用的适宜性,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123456n-1n201634289ChromosomesGENE 2UMA#:2Assigned Land use:PastureLand suitability:pastureClass 1 sugarcaneClass 2 GENE n-1UMA#:n-1Assigned Land use:SugarcaneLand suitability:pastureClass 3
26、sugarcaneClass 4 GenesLand use patternsLUOS-土地利用优化系统LUOS 应用实例 实验地 实验地:澳大利亚 澳大利亚 Noosa Noosa 郡 郡 待分配的土地利用 待分配的土地利用:果园 果园,蔬菜和 蔬菜和草地 草地 假设的经济数据 假设的经济数据:($/ha.):($/ha.)目标 目标:在今后 在今后12 12年内获取最佳的净收入 年内获取最佳的净收入(net present net present value)value)果园 果园 蔬菜 蔬菜 草地 草地Class 1 Class 1 320.1 320.1 280.0 280.0 222
27、.0 222.0Class 2 Class 2 280.0 280.0 245.2 245.2 210.0 210.0Class 3 Class 3 230.0 230.0 235.2 235.2 200.5 200.5Class 4 Class 4 180.0 180.0 200.0 200.0 190.0 190.0Create a set of land useplans by randomlyassigning land usesto land parcels Evaluate each land useplan by calculating thenet present value(
28、NPV)Select the land use plans with the highestNPVs Randomly select subsets of land parcels from theselected land use plansForm a new set of landuse plans from thesesubsetsGoodenoughStopNoYesNPV=$66,575,596NPV=$67,296,272NPV=$67,323,920VegMan-综合式辅助地理决策系统Server MachineClient MachineWeb BrowserHTML/Jav
29、a AppletsJava Web ServerRule-Based System(JESS)Map ImageInternetJava ServletsMulti-Criteria Analysis Tool(JavaAHP)Internet MappingTool(WebMap)HTMLRuleBase(HTML Hypertext Markup Language)GISDatabaseGIS(ArcView)Server MachineClient MachineWeb BrowserHTML/Java AppletsJava Web ServerRule-Based System(JE
30、SS)Map ImageInternetJava ServletsMulti-Criteria Analysis Tool(JavaAHP)Internet MappingTool(WebMap)HTMLRuleBase(HTML Hypertext Markup Language)GISDatabaseGIS(ArcView)WebMapInternet MappingTool(WebMap)map generation map browsing spatial query classification operationsJESSServer MachineClient MachineWe
31、b BrowserHTML/Java AppletsJava Web ServerRule-Based System(JESS)Map ImageInternetJava ServletsMulti-Criteria Analysis Tool(JavaAHP)Internet MappingTool(WebMap)HTMLRuleBase(HTML Hypertext Markup Language)GISDatabaseGIS(ArcView)Rule-Based System(JESS)Deliver the Central Highlands Regional Vegetation S
32、trategyServer MachineClient MachineWeb BrowserHTML/Java AppletsJava Web ServerRule-Based System(JESS)Map ImageInternetJava ServletsMulti-Criteria Analysis Tool(JavaAHP)Internet MappingTool(WebMap)HTMLRuleBase(HTML Hypertext Markup Language)GISDatabaseGIS(ArcView)Regional Strategy Rule BaseRuleBase R
33、egional Vegetation Strategy as rules Basic features of each vegetation communityServer MachineClient MachineWeb BrowserHTML/Java AppletsJava Web ServerRule-Based System(JESS)Map ImageInternetJava ServletsMulti-Criteria Analysis Tool(JavaAHP)Internet MappingTool(WebMap)HTMLRuleBase(HTML Hypertext Markup Language)GISDatabaseGIS(ArcView)JavaAHPMulti-Criteria Analysis Tool(JavaAHP)Combine best available information and DMs value judgements Evaluate and prioritise management options