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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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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 - PowerPoint PPT Presentation


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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. 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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Presentation Transcript
slide1

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

slide2
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)
slide3

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

slide4
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 …
slide5
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
slide6

User

User Interface

Spatial

Models

GIS Tools

Database

基于空间模型的辅助地理决策系统
accessibility analyst
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
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

slide13

User

User Interface

Expert

System

GIS Tools

Database

基于知识的辅助地理决策系统
slide14

Problem Domain

Expert System

Expertise

Knowledge

(Explanations

Engineering

& conclusions)

Knowledge Base

Human

User

Expert

Facts

Inference Engine

slide16
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
spatial influence diagram

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
slide18
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
iludss islay
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
iludss islay1

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
slide21

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

slide22

User

User Interface

Multi-Criteria

Models

GIS Tools

Database

多标准分析辅助地理决策系统
slide23

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
multi criteria decision analysis
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
slide27

User

User Interface

Multi-Objective

Optimisation Models

GIS Tools

Database

多目标优化辅助地理决策系统
slide28
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
slide29
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
slide30
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
slide31
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

slide32
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
slide33

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
slide35
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)
slide37

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

slide38

NPV = $67,323,920

NPV = $66,575,596

NPV = $67,296,272

vegman

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
webmap

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)

slide42

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

regional strategy rule base

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

javaahp1

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