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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

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)

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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

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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

  2. 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)

  3. Geospatial Data & Data Manipulation and Spatial Analysis SDSS = + Models Physical Process Models GIS Toolbox Human Process Models Computer-Aided Modelling & Decision Analysis GIS SDSS Geospatial Data Rule- Based Models Decision- Making Models

  4. 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 …

  5. 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

  6. User User Interface Spatial Models GIS Tools Database 基于空间模型的辅助地理决策系统

  7. 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

  8. 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

  9. User User Interface Expert System GIS Tools Database 基于知识的辅助地理决策系统

  10. Problem Domain Expert System Expertise Knowledge (Explanations Engineering & conclusions) Knowledge Base Human User Expert Facts Inference Engine

  11. 基于知识的辅助地理决策系统的特点 • 包含多种知识 • 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 • 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

  12. Proximity Lakes to Lakes Proximity Roads to Roads Sites for Housing Development Slope Aspect Elevation Border node Chance node Value node Spatial Influence Diagram – 空间要素关联图

  13. 基于知识的辅助地理决策系统的特点 • 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

  14. 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

  15. User HARDY Graphical User Interface CLIPS Query Processing Subsystem Modelling Subsystem ARC/INFO Knowledge GIS, Analytical Base Models and Utility Problem Processor Programs Process knowledge base module Domain knowledge base module Tools knowledge Data Base base module Rule-based Metadata know- Models ledge base module Control flow Data or knowledge flow ILUDSS – Islay 土地利用辅助决策系统 • Islay: 苏格兰西海岸附近的小岛 • 评价土地利用潜力

  16. Proximity Roads to Roads Sites of Special Potential Sites Proximity Scientific Interest for to SSSI Afforestation Areas Altitude Land Physical Land Capability Suitability for for Forestry Forestry Land Capability for Agriculture

  17. User User Interface Multi-Criteria Models GIS Tools Database 多标准分析辅助地理决策系统

  18. Identify an optimal site Slope Aspect Transport Land use Price Site 1 Site 2 Site 3 一个多标准决策分析问题

  19. 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 • 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 • 在资源管理, 城市与区域规划中有广泛应用 • 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

  20. JavaAHP - 多标准分析辅助决策系统

  21. User User Interface Multi-Objective Optimisation Models GIS Tools Database 多目标优化辅助地理决策系统

  22. 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

  23. 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

  24. 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

  25. 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 Conver- gence? No Yes Insert Offspring into Population Stop

  26. 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

  27. GENE 2 UMA#: 2 Assigned Land use: Pasture Land suitability: pasture–Class 1 sugarcane–Class 2 … GENE n-1 UMA#: n-1 Assigned Land use: Sugarcane Land suitability: pasture–Class 3 sugarcane–Class 4 … Genes 1 2 3 4 5 6 n-1 n 1 2 3 4 5 6 n-1 n Chromosomes 1 2 3 4 5 6 n-1 n 34 2 5 3 1 16 n - 1 Land use patterns n 4 20 28 9 6 土地利用布局的基因表达

  28. LUOS - 土地利用优化系统

  29. 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.) • 目标: 在今后12年内获取最佳的净收入( net present value)

  30. 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 Good enough Form a new set of land use plans from these subsets Randomly select subsets of land parcels from the selected land use plans Yes Stop

  31. NPV = $67,323,920 NPV = $66,575,596 NPV = $67,296,272

  32. Server Machine HTML Rule Base Rule- Based System (JESS) Client Machine Java Web Server Web Browser Multi-Criteria Analysis Tool (JavaAHP) Java Servlets Internet HTML/ Java Applets Internet Mapping Tool (WebMap) Map Image GIS Database GIS (ArcView) (HTML — Hypertext Markup Language) VegMan - 综合式辅助地理决策系统

  33. Server Machine HTML Rule Base Rule- Based System (JESS) Client Machine Java Web Server Web Browser Multi-Criteria Analysis Tool (JavaAHP) Java Servlets Internet HTML/ Java Applets Internet Mapping Tool (WebMap) Map Image GIS Database GIS (ArcView) (HTML — Hypertext Markup Language) WebMap • map generation • map browsing • spatial query • classification operations Internet Mapping Tool (WebMap)

  34. Server Machine HTML Rule Base Rule- Based System (JESS) Client Machine Java Web Server Web Browser Multi-Criteria Analysis Tool (JavaAHP) Java Servlets Internet HTML/ Java Applets Internet Mapping Tool (WebMap) Map Image GIS Database GIS (ArcView) (HTML — Hypertext Markup Language) JESS Rule- Based System (JESS) • Deliver the Central Highlands Regional Vegetation Strategy

  35. Server Machine HTML Rule Base Rule- Based System (JESS) Client Machine Java Web Server Web Browser Multi-Criteria Analysis Tool (JavaAHP) Java Servlets Internet HTML/ Java Applets Internet Mapping Tool (WebMap) Map Image GIS Database GIS (ArcView) (HTML — Hypertext Markup Language) Regional Strategy Rule Base • Regional Vegetation Strategy as rules • Basic features of each vegetation community Rule Base

  36. Server Machine HTML Rule Base Rule- Based System (JESS) Client Machine Java Web Server Web Browser Multi-Criteria Analysis Tool (JavaAHP) Java Servlets Internet HTML/ Java Applets Internet Mapping Tool (WebMap) Map Image GIS Database GIS (ArcView) (HTML — Hypertext Markup Language) JavaAHP Multi-Criteria Analysis Tool (JavaAHP) • Combine best available information and DM’s value judgements • Evaluate and prioritise management options

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