1 第八章空间决策支持系统 武汉大学遥感信息工程学院遥感科学与技术本科生教案 2012 秦昆 qinkun163 2 8 1空间分析与空间决策支持 3 空间分析是地理信息系统的核心 根据空间分析的智能化程度 空间分析过程中引入知识的多少 空间分析划分为 一般空间分析 空间决策支持智能空间决策支持 4 一般空间分析一些常用的GIS软件 如ArcGIS MapInfo GeoStar等 都具有空间分析的一般方法 如叠置分析 缓冲区分析 网络分析 空间插值等 应用一般空间分析功能模块进行空间分析时 通常需要同时运用多种空间分析操作 设计高效率的空间分析过程将十分有利于问题的解决 5 一般空间分析的步骤 步骤1 建立分析目的和标准分析目的 用户打算利用地理数据库回答什么问题 标准 如何利用GIS的空间分析功能回答这些问题 例如 某项研究的目的 确定适合建造一个新公园的位置 公园的位置必须是从主要公路上容易到达的 但又不能太靠近主要公路等 满足这些目的的标准 可以表述成用一系列的空间查询语句来进行分析的格式 对每个标准可以利用缓冲区分析 叠置分析等空间分析操作进行分析 然后对分析结果进行评价 6 步骤2 准备空间操作的数据准备空间分析所要用到的数据 包括空间数据和属性数据 数据准备的要求因研究对象不同而异 在进行分析之前 对数据准备进行全面的考察将有助于用户有效地完成分析工作 7 步骤3 进行空间分析操作空间分析操作这一步骤是地理信息系统所特有的 正是利用这一步骤产生了用于分析的空间关系 空间分析操作包括 缓冲区分析 拓扑叠加分析 特征抽取以及特征合并等 每个空间分析操作都将产生分析所需要的新的信息 为了得到符合要求的数据 可能需要进行多种空间分析操作 8 步骤4 准备表格分析的数据大多数分析都要求利用空间操作得到一个最终图层 Coverage 或一组图层 Coverages 一旦产生了最终的图层 Coverages 就必须准备用于分析的数据 包括空间数据和描述性数据 9 步骤5 进行表格分析利用逻辑表达式和算术表达式 对步骤3中进行空间分析操作所获得的新的属性关系进行分析 步骤6 结果的评价和解释完成以上分析后 将获得一个结果 必须对该分析结果进行评价 以确定其有效性 步骤7 如有需要 改进分析考虑到分析结果可能还具有某些局限性和缺点 可以决定对分析方法和过程进行改进 10 步骤8 产生分析结果的最终地图和表格报告 以最有效而又可靠的方法输出分析结果 可以利用GIS软件提供的地图输出模块产生地图 利用属性数据处理模块产生表格和报告 在实际的空间分析应用中 可以按照以上介绍的一般空间分析的步骤完成分析操作 但是不一定要求严格按照以上8个步骤进行 可以对部分步骤进行综合处理 11 1 问题提出在某地建立一个国家森林旅游点 参考一定的旅游条件 在1 2 5万地图上确定出旅游点的范围 并绘制成图 最后提交决策者参考 2 数据源建立一个国家森林旅游点所需要的空间数据包括 D1 公路及铁路分布图 1 2 5万 一种线状图 D2 森林服务权属图 1 2 5万 一种面状图 D3 城镇行政区划图 1 2 5万 一种面状图 示例1 国家森林公园的选址 12 3 所需要实现的GIS功能为了完成该任务 需要用到以下GIS功能 属性重分类 面状边界消除与合并 缓冲区生成 拓扑叠加 面积量测 中心点计算及叠加 绘图输出 生成报表 这些功能需要综合应用多种GIS空间分析模型来完成 13 4 具体操作步骤 1 根据森林权属数据将面状地物分成林地与非林地两大类 2 消除同一属性值为林地或非林地的相邻多边形的边界并加以合并 3 在所有公路或铁路周围生成0 5km 1 0km宽的缓冲区 并分别赋属性值 14 4 具体操作步骤 4 拓扑叠加步骤 2 和 3 的图层 生成新的图层 并连接相关属性信息 得到具有下列属性的多边形 非林地 0 5km内的林地区域 0 5km外且1 0km范围以内的林地区域 1 0km范围以外的林地区域 5 拓扑叠加城镇边界图 得到市区 非市区属性 并添加到步骤 4 所得到的属性表中 15 6 得到重新分类的面状地物图 其属性组合可能存在以下类型 A 非林地 B 林地 市区 C 林地 非市区且距公路或铁路0 5km之内 D 林地 非市区且距公路或铁路0 5km到1 0km之内E 林地 非市区且距公路或铁路1 0km之外 7 消除并合并步骤 6 所得到的同类多边形边界 8 量算步骤 7 所得到的多边形的面积 16 9 依据面积约束条件 对以下C类多边形再分类 C1 面积小于等于5km2 C2 面积大于5km2 10 计算多边形中心 并累计多边形的编号 11 叠加绘出步骤 10 所赋予的分类多边形 交通图 行政区划图 12 统计输出分类多边形的面积 属性资料 17 5 将分析结果以地图和表格的形式打印输出 18 示例2 道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算 1 明确分析的目的和标准本示例的目的 计算由于道路拓宽而需要拆迁的建筑物建筑面积和房价价值 道路拓宽改建的标准 道路从原有的20m拓宽至60m 拓宽道路应尽量保持直线 部分位于拆迁区内的10层以上的建筑物不得拆除 19 示例2 道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算 2 准备进行分析的数据本例需要两类信息 现状道路图 分析区域内的建筑物分布图及相关信息 20 3 进行空间操作首先选择拟拓宽的道路 根据拓宽半径 建立道路的缓冲区 然后将此缓冲区与建筑物层数据进行拓扑叠加 产生一幅新图 此图包括所有部分或全部位于拓宽区内的建筑信息 21 4 进行统计分析首先对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择 凡部分落入拆迁区且层数高于10层以上的建筑物 将其从选择组中去掉 并对道路的拓宽边界进行局部调整 然后对所有需要拆迁的建筑物进行拆迁指标计算 22 5 将分析结果以地图和表格的形式打印输出 23 示例3 辅助建设项目选址 1 建立分析的目的和标准分析的目的 确定一些具体的地块 作为一个轻度污染工厂的可能建设位置 工厂选址的标准 地块建设用地面积不小于10000m2 地块的地价不超过1万元 m2 地块周围不能有幼儿园 学校等公共设施 以免受到工厂生产的影响 24 示例3 辅助建设项目选址 2 从数据库中提取用于选址的数据为达到选址的目的 需要准备两种数据 包括全市所有地块信息的数据层 全市公共设施 包括幼儿园 学校等 的分布图 25 3 进行特征提取和空间拓扑叠加从地块图中选择所有满足条件1 2的地块 并与公共设施层数据进行拓扑叠加 4 进行邻域分析对叠加的结果进行邻域分析和特征提取 选取满足要求的地块 5 将选择的地块及相关信息以地图和表格形式打印输出 26 空间决策支持空间决策支持是应用各种空间分析手段对空间数据进行处理 以提取出隐含于空间数据中的某些事实和关系 并以图形和文字的形式直观地加以表达 为现实世界中的各种应用以及决策人员的决策提供科学 合理的支持 由于空间分析直接融合了数据的空间定位能力 并能够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 更具合理性 27 空间决策支持目前 尽管各种商业软件不断推出 各种应用于空间数据处理的商业化手段也日臻完善 但是由于用户的目的是千变万化的 不能用一种定式加以限制 提出一种完全封装的 高度智能的通用空间决策支持软件是不现实的 目前 更多的空间决策手段则是利用现有软件提供的某些空间分析工具 按照用户意图 开发合理的决策模型 以实现决策支持 28 国土规划 场址选择 灾害评价等都属于空间分析决策所研究的领域 分析人员根据特定的决策目的与要求 运用分析手段 分析相关的空间与非空间信息 得出分析结果 空间决策问题大大超过了地理信息系统的一般空间分析功能的要求 29 空间决策支持一般需要以下过程 1 确定目标根据用户的要求 确定用户的最终实现目标 并对目标性质进行分类 确定目标的初步认识 2 建立模型建立分析的运作模型及定量模型 前者是指用户的实际运作过程的各种业务运作模型 后者是指参照用户的实际工作模型 结合空间数据的空间特点 形成各种定量分析模型 30 3 寻求空间分析手段结合以上分析结果 逐步分解细节 寻求空间分析手段 对各种可能的分析手段进行分析 确定可行性的分析过程 尤其应注意空间数据的有效连接 最后形成分析结果 提交用户使用 31 4 结果评价空间分析结果的合理性 直接影响到决策支持的效果 合理可靠的结果会对决策起到推动和促进作用 并起到事半功倍的效果 如果结果不合理 甚至出现错误的分析结果 将会导致决策的失误乃至失败 从而导致不可预见的后果 必须对空间分析的结果进行评价 确定结果的合理性和可靠性 32 空间决策支持经常用于诸如最佳路径 选址 定位分析 资源分配等经常与空间数据发生联系的领域 通过对这些应用领域的延伸 还可用于其它社会或经济的部门 空间决策支持与一般空间分析的区别 空间决策支持应用了多种分析运作模型和分析定量模型 空间决策支持比一般的空间分析具有更多的智能处理功能 33 智能空间决策支持智能空间决策支持是在空间决策支持的基础上 增加了更多的人工智能技术 提高了空间决策支持的智能化处理水平 能够解决更加复杂的空间决策问题 利用空间决策支持系统可以解决特定的决策问题 但是 构建一个空间决策支持系统比较费时 经过多年的发展 实践证明 使用软件工程和知识工程开发空间决策支持系统的开发环境 外壳或产生器 是建立空间决策支持系统的经济和灵活的方式 这样 分析人员可以快速高效地建立多种领域的空间决策支持系统 34 一个比较好的解决思路 开发一个通用的开发工具 决策者可以用来操作空间决策支持系统 解决特定的空间决策问题 一个通用的智能空间决策支持系统的结构体系图 35 1 专家系统壳 Shell 该系统的核心 可以单独作为专家系统开发工具 直接控制着SDSS 空间决策支持系统 的控制流和对外交流的元知识 以及非结构化空间知识的推理机 它是SDSS的大脑 为了便于使用空间数据和非空间数据 专家系统壳有一个与外部数据库的接口 包括GIS 关系数据库和遥感信息系统 36 2 模型库管理系统管理和处理程式化知识 包括算法 统计程序和数学模型 它也有一个与专家系统壳的接口 可以通过专家系统壳的元知识进行调用 37 3 其他除了与数据库管理系统 模型管理系统的接口外 友好的用户界面和知识获取模块也是专家系统壳的组成部分 38 智能空间决策支持系统目前还处于初期研究阶段 要真正实现智能空间决策支持系统目前还有一定的难度 不断地借鉴人工智能 机器学习等技术 不断地提高空间分析的智能化程度是一种切实可行的研究思路 39 8 2空间决策支持系统 40 从目前大多数GIS的发展情况来看 它们尚停留在空间数据获取 存储 查询 分析 显示 制图 制表的水平上 缺少对复杂空间问题决策的有效支持能力 很难满足各级决策者的需要 自本世纪80年代中后期以来 空间决策支持系统 SpatialDecisionSupportSystem SDSS 作为一个新兴科学技术领域 在已有的地理信息系统技术和决策支持系统 DSS 技术基础上就应运而生了 并在国内外引起了越来越广泛的关注与重视 41 空间决策过程的复杂性1 决策理论决策是一个决策者为达到特定的目的 在一定的约束条件下 选择最优方案的过程 决策问题的构成一般的决策问题具有一定的决策准则 主要由以下几个部分组成 1 方案集合 可供选择的决策方案集合 记为A 2 状态集合 决策问题所处的外界环境 称之为状态 系统所有可能的状态 称为状态集合 记为Q 42 3 损益函数 在决策问题中 如果采用策略a a A 系统状态出现q q Q 系统收益W a q 定义映射 为决策问题的损益函数 在A和Q可数的情况下 获得损益表 43 4 目标函数 决策准则 记为F 损益函数是系统的实际收益情况 没有给出收益的评价标准 即 抉择 时的优化准则 抉择准则对于不同的决策者 问题 方法都是不同的 它最终决定了方案的形成 可以将决策问题记为 U