（土壤学专业论文）gis环境下基于知识规则的土地利用数据制图综合研究.pdf

摘要 地理信息系统( g i s ) 已经成为入仃l 研究糸l 管理地理信息的重要二 其土地利用数据是地理 数据的蠡要组成部分，突出描述了土地利用专业领域涉及的地理现象的特征。士地利用数据制幽 综合作为饿s 环境下敷嚣鼹理豹重委方式之一，为满足_ = ：地利朋专题地理信息的多尺应或多分辨 率描述瓤管理提供条件。 土地利用数据制翻综台需要依据一定的知识规划来保证数据综合围绕赢刚需求和j 反映主要 地物的地理特征。土地利用数据包括描述其空问状态的空问数据和反映其自然和1 社会属性的属性 数据数据综台过张中要考虑综合运瑚豳形知识、语义知识、过程性知识雨i 结构知识。 本文研究了士地利用数据制圈综台的主要内容和特征。提出了一个基丁：知识规姗的土地利 数据翻留综合概念模璎，在制髑综台理论和原则的指导下建立了面向土地利用地理要素的制图综 合指标体系采用产生式规则方法将综合知识和综合撵作相结合形式化表达为知识规则。 选用大兴区土地翮用鼗据为其体应甩实错，建立了实验系统。提出了一个基于知识规则的教 据综合解决方案该方案一方面体现了g i s 环境下基于知识规则进行数据综合的重要性，i 飘i 亨也 验征了零文挺出的数据练台指标的有效牲 关键词l土地利用数据制图综台知识规则 l i a b s t r a c t g e o g r a p h i cl n f o m m t i o ns y s t e m ( g i s ) h a sb e e no n eo fi m p o r t a n tt o o l su s e di nr e s e a r c ha n d m a n a 舢t 0 1 1 9 e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n l a n d * u s e d a t a ，a s 觚i m p o r t a n t p a r t o f g e o g r a p h i cd a 忸i n g i s - h i g h l i g h tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg e o g r a p h i cp h e n o m e n ai n v o l v e di nl a n d - u s f i e l d l a n d - u s ed a t a g e n e r a l i z a t i o n ，a so n eo f d a t ao p e r a t i o n si ng i s ，p r o v i d e sm u l t i - s c a l eo rm u l t i - r e s o l u t i o nd a t af o r s o m ea p p l i c a t i o n s l a n d u s ed a t ag e n e r a l i z a t i o nn e e d st h es u p p o r to f g e t m - a l i z a t i o nk n o w l e d g er u l e st os a t i s f yt h eu s e r e q u i r e m e n t sa n dr e f l e c tt h em a i ng e o g r a p h i cn a n e t h eg e n e r a l i z a t i o nk n o w l e d g eo fl a n d - u s ed a t a i n c l u d e st h em a pk n o w l e d g et h a ti su s e dt or e p r e s e n tl a n d u s ed a t aa sw e l la sn a t u r ea n dd i s t r i b u t i o n m l e so fg e o g r a p h i cp h e n o m e n ad e s c r i b e db yl a n d ，r i s ed a t a g e n e r a l i z a t i o ns h o u l dt a k ei n t oa c e o u b t g r a p h i ck n o w l e d g e - s c n m n t i ek n o w l e d g e - p r o c e d u r ek n o w l e d g ea n ds t r t t c k i r ek n o w l e d g e b ym a k i n gas t u d yo f t h ec o n t e n to fl a n d - u s ed a t ag e n e r a l i z a t i o na n d i t sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e r 幽t ob u i l dat h e o r e t i c a lm o d e lf o rl a n d - o s d a t ag e n e r a l z a t i o nb a s e do nk n o w l e d g er u l e sa n d e s t a b l i s h _ 孽m 既i z 蚯姗i n d e xs y s t e mf o rg e o g r a p h i cp i 掉瑚卿嘲i nl i n ew i t ht h et h e o r ya n dp r i n c i p l e o f 窖就鼠蝴_ i z 越o m t h i sp a p e rt a k e st h el a n d m s ed a t ao fb e i j i n g sd a x i n gd i s m c t 硒ac 蛳a n dt r i e st ob u i l da n o g p c t - i m e 幢s y s u n n 抽i m p l m e n tk n o w l e d g e - - b a s e dg e n e r a l i z a t i c e ns c h e m e ，w h i c hu n d e r l i n e st h e m , o m 瓣o ft h ea p p l i c a t i o ao fg e n e r a l i z a t i o nb a s e do nk n o w l e d g er u l e si ng i s a n da t1 h es a n l e 畦眦v e r i f i e st h ev a l i d i t yo f t h eg e n e r a l i z a t i o ni n d e xs y s t e mt h a tt h i sp a p e r h a s 佴叩o s e d k e y w o r d s l a n d - u d a t ag c n e c a l i z a t i o n k n o w l e d g er u l e s i h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的浣明并表示了谢意。 研究生签名时间：年月同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名： 时问：年月日 时间：年月曰 中国农业大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 问题的提出 1 1 1 研究意义 第一章引言 _ 七地作为一种稀缺资源，其不可再生性决定了合理利用土地的重要性。开展土地资源调查是 了解十地资源的各种特征和规律，掌握土地资源的数量、质量及分布格局的主要手段是开展十 地资源研究| l f 勺基础性：i ：作。_ = _ 二地利j 现状| ! l 作为十地资源调商 i 作的主要成果，反l 映了十地利用 的特点和利用的合理程度，为改良土地利j ：l j 方式莆l 进一步挖 拄i i 土地潜力提供科学依据。而传统的 土地利用现状图绘制大多采用基于航空像片或卫星影像的遥感制图方式，成图质量不仅取决于影 像豹质量，还在很大程度上取决于对制图区复杂程度的认识和遥感解译的深度，所以对人员、技 术各方面要求较商制图周期长，成本也较高( 李乔等，2 0 0 0 ) 缱着g i s 技术应用的普及，传统的土地资源谴查成果已不能满足建立土地信息系统的需要， 所i ；l 编制数字土地利用现状翻势在必行如何按照制圈的目的和要求，更好她对原有地图内容进 行选取、简化、概括和关系协调，将土地利用的规律性和典型特征，清晰、准确地表示出来是完 成数字土地利用现状圊编翻的关键。也是土地利用数据制圈综台的棱心问题之一。本文结合北京 市第二次地利用现状调查项目，对在g i s 环境下土地利用数据的制图综合闷题进行了研究 随着g 珞研究的深入，针对特殊用途的专题性质空婀数据处理越来越受重视。在地图综合研 究领域。由过去面向通用几何类型数据的综合算子、模型研究转向面向专题地理特征的空问数据 研究。同样是多边形数据，目精练台研究重点则集中在建筑物、衡区、湖泊及土地利用几个类型 上。 1 1 2 土地利用数据的特点 土地利用数据是多边形类型数据的典型代表( 其他还有诸如森林植被、土壤、矿物分布等) ， 在空问分布上具有垒覆盖、无重叠、无缝隙特征在语义上具有类型的层次化划分对其综合包 含着空问上几何特征简化处理和语义上类型层次的归并，相邻地块的邻近关系既有几何上的距离 影响也有专题属性上的语义相似度影响练合的结果应达到类型减少( 予类向父类归并) ，几何 形状简化，同时保持全覆盖、无重叠特征。以及统计上的各类型用地砸积相对百分比不变周对 藏足避些综合约雍条件是十分困难的对多边形地块遂个化简使几何形状简化了但必然导致麸 事边界的不一致，产生硬缝或重叠碎片。对小面积地块删除由相邻地块填充可能导致小面积地块 所在类型的百分比严重下降，破坏原有土地类垄的相对平衡( 艾廷华等，2 0 0 2 ) 。 中翻农业火学确士学位论文 第一章引苦 i ii 囊皇鼍昔簟吕量皇曾皇暑量墨詈暑曼暑皇墨置墨墨墨量皇审皇曾置量量 1 2 国内外相关技术研究综述 1 2 1g i s 技术的进展： 地理信息系统g i s ( o e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 它是由地理学、制图学、遥感与摄影测量 学、计算机c a d 技术、数据库技术等学科和技术综合发展而来的，其研究对象是各种具有空间 地理特征的空间数据g i s 广泛应用于与自然界有关的领域和行业，随着g i s 应用需求的增加t 应用g 1 s 的开发工作日显重要。利用开发工具充分发挥g i s 的功能也成为今后信息系统评价的一 个方面，因此如何针对不同的应用目标高效地开发出既合乎需要、又具有方便美观界面的应用型 g i s 成为开发人员背遍关心的闽题。 第三代地理信息系统软件出现丁9 0 年代的中衙捌，一直延续到2 l 世纪。在这段时间信息 技术的发展十分迅速。其中最引人注目的是面向对象的软件构造技术承| j “域网，特别是 i n t e r n e t 技术的发展和普及这个时期的地理信息系统软件里现出一些新的特点：利用商的 软件构造工具，实现了地理信息系统的组件化结构，极大的提高了支持二次开发的能力模糊了 软件平台和应用系统之间的界线；普遍实现了一体化存储和一体化查询，一体化技术实现了数据 管理的烧范化和数据操纵的标准化，可以让用户比较方便的组织各类空问信息处理事务，在数据 完整性和一致性方面提供了有效的保证；3 s 技术舳各自发展以及它们的集成，虽然现在的集成还 是比较初步的，但是，即便是这样初步的集成，也在实际应用中产生了积极的意义。 g i s 软件技术的发展经历了从简单到复杂、从单一功能到多功能的逐渐成熟完善的发展过 程。传统g i s 大多是基于十多年前甚至更早的技术体系设计和开发的，在很大程度上限制了g i s 软件的进一步发展和应用计算机技术和全球信息技术的飞速发展，特别是面向对象 ( o j e c t - o r i e n t e d ) 、可视化程序设计、组件式软件( c o m p o n e n t ss o f t w a r e ) 、分布式计算 ( d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g ) 、多媒体( m u l t i m e d i a ) 和i n t e r n e t i n t r a n e t 等技术的不断出现和广 泛应用，对g i s 提出了新的技术要求，g i s 软件发展到一个全新的阶段，出现了组件式g i s ( c o m p o n e n t sg i s ，简称c o m g i s ) 和万维网g i s ( 简称w e b g i s ) 。组件式g i s 不是一种小技术在 g i s 软件开发中的应用，而是一种全新的g i s 软件技术体系。不仅仅是g i s 。组件式软件技术给 整个软件产业带来了一场技术革命( 陈致明等，2 0 0 1 ) 。 1 2 2 计算机制图综合研究 随著信息技术及o i s 技术的飞速发展，从广泛共事的基础数据库中准确地概括、提取专题信 息，连撑自动化制图镰台的研究日益深化。制图综合是她图学中难度较高的应用基础研究。制图 综合并称制图概括，印c a r t o 掣叩k o 睁m a p ) 铲咖l i z 酬函际文献中多略为g m * m l i z a i o n ) = 利用 计算机进行制稠综合，可表述为9 0 m c r a l i z a t i o ni nd i g i m le m v i r o n n m m 、d i g i t a lg e n e r a l i z a t i o n 、 柏t o 撇t e d 甜姻p i l 蛔dg e n e r a l i z a t i o n 等形式 按照m c m a s t e r0 9 9 2 ) 的较完整表达，计算机制图综合，是通过空间和地理属性的变换，从 2 中圈农业犬学顺i ：学位论文第一章引言 数据源导出一个符号化的、数字编码的地瞄数据集的过程其目标是减少或简化图域内地图或编 码数据的数黛、类型和地图学描述，以求符合于所选择豹制圈目的和所面向的读者，并保持预定 比例尺上表达的清晰性这个定义较好地表达了计算机制闰综合的内涵和特点。该定义表明。计 算机综合是手：c 综合的延伸和发展：一方面，它继续遵锸传统制图综合的基本思想和原则；另一 方面，它又不是传统意义上的制图综合，制翻综台一经与计算枫相结合，事实上发生了一系列质 的变化，这种变化不仅发生在操作层次上，也发生在思维方式上。计算机综合与人工综合的主要 区别可以归纳为f 述三个方面( m c m a s t e r1 9 9 2 ) ： 第一。人工综台过程是极端费力的：而计算机综台通过高效率自动化动作力图把地i 到学家 从高强度的繁难手工劳动中解放出来。 第二，人下综合的过程是高度主观的，因而在各种制篷综合方法的选择录l 应刚程度上，是个 性化、风格备异的。相比之下，计算机综合定额化地遵循一组预先决定的计算机指令，以求为制 幽综台实戡提供客观、一致性的应朋方法。 第三人i ：综台的行为始终在蹦域内全局、整体性考虑下进行 丽计算机综合操作是一系列 按预先定义的顺序依次进行、相对独立的局部性综台措施之组合。计算机综合至今不具备人脑综 含思维的能力，难以从全局、整体的角度( 而不是仅从相邻图元的角度) 很好地估价施加在一个 圈元上的综合行为对其它图元综合的影响。 上述兰点实际上给出了计算机制圈综合相对人工过程的两个主要优点：高效率和客观性。和 一个主要的缺点：局限性。克服这个局限性，即不断援商综合的智能化程度，正是计算机制圈综 合领域的主要努力方向。 计算机制图综合的早期工作多是基于某种单纯的图形，主要是线状符号，发展较单一的制图 综合的程序或算法。首先一系列线形简化( 删减细节) 的算法被开发出来这些算法大体可分 为几类；其一，逐点考虑相邻点特征的沿线顺序处理方法，有代袭性豹如j e n k s ( 1 9 8 1 ) 的算法。 箕二，逐段分析特征的沿线顺序处理算法如d e v e a u ( 1 9 8 5 ) 、b u t t e n f i e l d ( 1 9 8 5 ) 和帕蛳a 蚰 ( 1 9 7 4 ) 等的程序( 后者较为特殊，其葬法基于线形的几何形态复杂性分析) 。其三，将全线段 作为整体来处理的线形简化算法，以d o u g l a s ( 1 9 7 3 ) 的为典型其四。根据m a n d e l b r o t ( 1 9 8 3 ) 提出的分形几何理论所发展起来的线形简化算法其次，线形平滑( 柔缓尖硬折角) 的一些程序， 采用滑动平均、过滤或数学曲线粗合等恩踌被设计出来c b o y l e ，1 9 7 0 tc h a i k e n ，1 9 7 4 ) m c m a s t c r ( 1 9 8 9 ) 等进一步研究了不同算法台理选择，以及线形简化和线形平滑两种算法集成的词熙点 状与面状( 多边形) 图元的制图综合问葱，明显没有象线欹圈元薄样受到较多的关注；只有少数 学者作了研究如d e l u c i a 和b l a c k ( 1 9 8 7 ) 给出若干点状图元聚台为一个面状图元的算法。 年代中后期计算机制图综合镶域的另一个重要进步，是引入a i 即计算机人工智能技术( 首 先是专家系统) 。该技术为模拟人类制雷综合过程提供了可能性9 0 年代计算机制图练台发展最 突出的特点。是实践技术的突飞猛进豹年代还难议想象的复杂地图的计算辊钳霉综合实践很 快地成为现实；这种进步的背景，是众所周知的计算机技术的飞速发展随着软硬件性能价格比 的极大提惠，8 0 年代后期铡凰学家垒黠的离级盈形界疆( g u d 和并行处理( i 耻a l l e lp r o c e s s n g ) 等技术缀快地在g i s 藏地图软件中成为现实著普遍地被应用 地图学家在屏幕上以人枫变互的 方式绘图，辘象在纸上那样方便由此制图实践家们，报自然地想剜一种实施全计算机化制圈 3 中嫡农业；= 擎碗。 ：学位论文 第一章引言 _ _ i 一 皇崮皇薯置曩鼍曹基鼍_ 综合的途径那就是：对那些需要火黛重复势动和需要客观综台幸亍为的稍图环节采用全自动的方 法；丽在计算机力不能及、要求入脑箍体幕i 全局思维的环节上，采用人机交互的半自动方法作为 补充；在不断的实睃中，逐步提高全自动部分所占的比重 早在1 9 9 2 年，p o w i t z 就报道了汉诺威大学制图研究所发展较大比例尺地图制图综合和自动 设计模块的努力，以及他们欲集成分立的制豳综合模块以便实践复杂制图综台的计划。另一项有 关的重要工作是欧炯共同体项g f 环境信息协作c o - - o d i n a t i o n o f i n f o m a t i o no h t h e e n v i r o n m e n t ， 简称c o r i n e ) 中的一个子项目成员囡的土地覆盖翻的绘制。c o r i n e 地圈是一种兼有土地利 j _ l ： 币l 士蛾覆盖特色的地幽，矢量格式，分“个地类，h1 0 万比例尺显示。f u l l e r 和b r o w n ( 1 9 9 6 ) 描述了在一个g i s 软件环境下利埘半白动技术，从英国原有的、由t m 数据编绘的2 5 个地类 十地覆盖酗( l c m g b ) 向c o r i n e 转换的：i ：俸其中包括成功的空间制图综合。 9 0 年代发展计算机制i 鳘l 综台概念模式的努力仍在继续。m c m a s t e r 和s h e a ( 1 9 9 2 。受国地理 学会出版) 的蓑作更加详尽地阐述了m c m a s t e r 的综台概念模式。“和s t , ( 】9 9 5 ) 从制幽综合的 直接动机( 其唯一因素是比例尺) 和间接动机出发，将数字制圈综合过程区分为“比例尺改变导 致的实体转换”和“数字到翻形的转换”两类，并由此导出一个要领框架。盛业华等( 1 9 9 5 ) 给 出一个g i s 环境下铡圈综合的综台概念模式。李伟生( 1 9 9 5 ) 发展了一个地图制图自动综合中相 邻关系的概念框架。 9 0 年代计算机制圈练台在理论方法和原则的探讨上，k e i i 。s e ( 1 9 9 5 ) 在较深入讨论的基 础上建议进一步应用龟括专家系统和神经网络在内的a i 技术、包括知识工程和人机交互心理学 在内的摩觉科学和社会科学的研究结果。b j o r k e ( 1 9 9 6 ) 基于信息理论讨论了通过信息量( 熵) 度量来控制自动纯制闺综合和地图设计的原则方法。 1 2 3 土地利用数据瓤圈综台研究 制图综合是指根据地图的主露、用途、比例尺和制图区域的特点，对各地理要素及其内在联 系加诅分析和研究。并将地面最重要、最基本的事物或现象反映在地图上，而含去某些次要韵、 非奉质的事物或现象的过程。随着数字制图的兴起，制图综合的内涵发生了许多变化。其概念扩 展为在g i s 环境下对空问信息和属性信息构加工方法。 g i s 中地理数据包括了空间数据、非空间的专题属性数据、时阔数据，用于描述自然地理现 象、社会经济现象和人文地理现象等其中专题阐性数据又分为定性簸据和定量数据。定性数据 用于描述地理现象的质量特征，突出反映现象问质的差别如描述壤类型、行政区划名称等； 定量数据描述地理现象的数量特征，如降雨量、人口数等。目前，地图界和gis 界的数错综合 主要是针对普通圈和空问数据进行的。蔼且已经发展了比较完备的综合思想、综合模型、练合算 法以及综台系统，两对于专题属性数据的综合一般集中在定性敷据综合的研究上从地圈学的角 度讲，定性赣据一般用于制棒类型圈或区域圈，如土壤类型圈、植被类型图、行政厦划图等许 多学者称这种数据为类型数据或分类数据，而且利用矢量模型、摄格模型以及矢橱混合模型来实 现这樊数据的综合( 郭庆胜等。2 0 0 2 ) 。 类型数据或分类数褥是专题数据的一个重要类型，它多用于描述呈面状分布的不同类型地理 4 中嗣农妲太学硕士学位论文 第一章引言 _ l l - _ - _ ii _ _ 目_ - _ _ - _ l _ l 墨 现象的分布状况这类地理现象一般存在鼠高级分黉捌瓿缀分类。或者是从详细分类到粗略分类 的分类体系随着比倒尺缩小应用需求，依据一定的约束规卿，进行类型的转换、图形的合并和 化筒等操作：j i 实现数据综合。 专题数据的综合是指在科学研究综合问题以及所涉及的专题内容要素特征的基础上对专题 数据加以处理，抽取最重要的要素、对象的基本轮廓、主要特征和基本规律( 邬伦，2 0 0 1 ) 。专题 数据综合围绕着几何性和地理性两方蕊进行。在几何性方面综合主要表现为专题属性数据所描述 纳地理实体的选取及其图形轮廓的化简，这一点实质上与空间数据的综合是类似的。专题属性数 据综合的地理性方面的综台则要复杂很多，羽为gis 中专题属性数据类型多种多样，gis 在 不同领域研究的专题内容也各不相同。专题属性数据处理手段也千变万化。它一方面要保持专题 属性数据与空阔数据豹对应关系，另一方面根据专题内容采用台适的数学模型处理数据，也有可 能对多种已有的属性数据进行联台运葬推导出靳数据以反映地理实体的特征。 士地利用数据也包含_ 丁地理数据中，起专题数据的一种，由于它是多边形类玳数据的典1 4 代 表，在空问分布上其有金覆盖、无重叠、无缝隙特征，在语义上具有类型的层次化划分。所以也 就成为众多学者研究的重点。 1 3 本文的研究目标和内容 1 3 1 研究目标 遥过对目前匿内外制图综含理论与方法的分析与研究以制图综台概念模式、专霹知识、地 鹰制图学为基础，通过对土地利用数据的分析，概括出土地利用数据制图综台模型。面向土地利 用地理要素进行三缀分类，归纳出基于知识的土撼利用数据综合规划。并基于组件式地理信息系 统平台进行二次开发完成地利用数据制图综台功能模块的实现 1 3 。2 研究内窖 l ，土地剥用数据制凰综台的相关理论与知识研究 地理信息系统( g i s ) 已经成为人们研究和管理地理信息的重要工具t 土地利用数据是地理 数据的重要组成部分。突出描述了地利用专业骥域涉及的地理现象的特征。土地利用数据制图 综台作为g i s 环境下致据处理的主要方式之一为满足土地利用专题地理信息的多尺度或多分辨 率描述和管理提供条件。 土地铡甩数据嗣图综合需要依据一定的知识规划来保证数据综合围绕应用需求和反竣主要 地物地理特征土地利用数据包括描述箕空向状态的空间数据和反映其自然和社会属性的属性数 据。数据综合过程中耍考虑综台运用图形j 封识、语义知识、过程性知识和结 勾知识 2 、土地利用数据错图综合的原则和综台方案 本文研究了土地利用数据髑圈练台的主要内容和特征提出了一个基于知识规则韵土地利用 s 中隔被业大学顿士学位论文 第一章引言 敷嚣翻圈综合概念模型，在翻圈综合理论和原刚的指导下建立了砸翻土地利用专题地理要素的制 留综合指标体系采_ l j l 产生式规则方法将综台知识和综台操作相结合形式化表达为知识规则。 3 、土地利用数据制图综合的具体实现 本文选用火兴区土地利用数据为具体应用实例，建立了实验体系，提出了一个基于知识规则 的数据综合解决方案该方案一方面体现了g i s 环境下基于知识规则进行数据综台的重要性，同 对也验证了本文提出的数据综合指标的有效性。 6 中圈农业_ 大学砸：学位论文 第二章土地利用数据翻 生i 综含的理论和概念模型 第二章土地利用数据制图综合的理论和概念模型 2 1 土地利用数据制图综合的理论 作为地图学的核心理论和方法之一，制图综合始终是地图学家们所关注的焦点问题：近3 0 多年来制图综合的自动化一真是人们追求的目标，近年来又成为g i s 研究领域内的热点和前沿 问题。然而对制图综合婀题的解决远没有达到人们所期望的程度。究其原因，一方面在于制豳综 台问题本身的复杂性，使得人们无论在理论上还是在实践中，都不可能将这一高度依赖于主观判 断、带有强烈智能化色彩的问题在一朝一夕、仅从某个狭窄的突破口加以解决：另一方面，也在 予以往研究中存在一些偏差，例如：过分依赖于计算机翻形学方法，研究的重点妖期停留在线划 幽形概括的算法上因而忽视( 或重视得不够) 地理规律对制图概括的指导作h j ：把g i s 与机助 铡圈割裂开来，只认为地图的图形综合是制毽综合，不承认数据库的综合( 或称地理要素的语义综 合) 也是制圈综合的组成部分。因而也就否认了g i s 的分析功能在制图综合过程中的重要意义； 在铹銎缘台手段上或者只注重数学模型方法，或者只研究专家系统方法，而没有将两者结合在一 起( 齐清文等。1 9 9 8 ) 本文研究的方向是。g i s 环境下基于知识规则的土地利用数据制图综合研究”。其具体含义有 两个方面： ( 1 ) g i s 环境下的制圉综台。这又包含= 层含义：其一。翻圈综合应该是g f s 系统的组成部 分或应具备的功能g i s 中需要制图综台。是近几年来才被人们认识判的。一方面出于节约成 本，减少数据采集量的考虑人们逐渐认识到了数据库“一库多用”的重要性；另一方面g i s 的 空闯分析结果只有用通过恰当的翻图表达。才具有最优化的可读性，而按地图要求进行表达就 磐然要使用翻圈综台手段因此，本文所逮的制圉练合”是g i s 系统中的制图综台，其台义比传 统地图学中豹制图综合概念丰富。其二通用g i s 软件中豹某些空向分析工具可以用于错图综合 操作从这个意义上讲，* g i s 环境下船嘲圈综合”又可以被理解为 g i s 环境支持下的制图综舌r 竹 ( 2 ) 面向土地利用专题地理要素的制图综合“面向土地秘用专题地理要素的制图综合”一词 也有两层含义：其一，地理锚圈中的翻圈综合必须以地理规律作为指导，在对地物对象实施综合 时必须顾及到它们的地理特征( 如空闽维敷、空间分布、空闻相互关系、类型和等级等) 其二 制圈综合的结果又反殃了土地莉用规律不仅综合后的地图更加突出了地物的土地利用的地理特 征和规律。丽且综合后所形成的系列地圈也从大、中、小不同尺度( 指比例概括) 反映出地物特征 够层次性，或通过不同要素的组合( 指目的概括) 反映出土地科用专题地理要素问相互关系的各个 侧面 地图学理论的探讨有狠多是概念性的。也有一些方法论伺题。地图学理论在信息时代，其研 究内容和研究方法发生了很大的变化，这对于制图综合也产生了比较大的影响： 7 中园农韭大学硬士学位论文第二二章土地利用数据制脚综合的理论和概念模型 2 1 1 现代制图综合理论 l 、以信息论为基础的地图信息论和地图信息传输论 它的前提条件是地图科学是空间信息表示的科学，是信息科学的一个分支。地图是一种信息 通道，是一种交流工县。制图综合是信息的压缩不可避免地涉及到信息的丢失。地圈研究者提 出了檄多地图信息传输模型。设计了镁多地图信息的计量方法，并对传输过程中信息丢失进行评 价。建立了搬多基于信息量计算的地图综合选取模型和专题地豳数据处理模型。其理论研究的主 要方向为：信息制图表示的方法和原燃的发展。地图自动化理论的发展等。 2 、以认知科学为基础的认知地图学 认知这一概念早已广泛被她圈学者所认识，在计算机视觉领域，以认知为基本思想，发展 了幽象理解。在地图学中，其基本观点是地图学是通过地豳制圈模拟周嗣现实的认知科学，一幅 地幽培一个现实的幽形符号化模式，地幽综合是一幅地| 釜| 上所表示的要素有目的的选抒萃综合的 过程，其促进了擐重要要素及其关系的研究，以及大量新信息的获取。 3 、以视觉感受接受信息为基本思想的“可视化” 在纸制地图编辑与应用时期，井未报关注此概念随着数字地图和地理信息系统的广泛应用。 地理信息的可视化成为学者们研究的重要课爱之一。如d r ft a y l o r 的地图学兰角形结构，把空 间鼓据的处理与地图制图可视化紧密结合在一起，并把可视化与地图制图形式化、地图信息传输 和地霸认知与分折之间的关系进于亍了详细分析。 地理信息可视纯产品中最重要的是她图。在数字环境下撼圉的生产与制作和阅读环境都发生 了变化，两且地图综台的概念也发生了变化，不再只强调从大比例尺到小比侧尺地图的综合。测 量技术和地理信息获取技术曲数字化，使得地图综合要从数字模型刭数字模型( 郭庆胜等。2 0 0 2 ) 2 1 2 人工智能和专家系统在地学中的应用综述 1 、关于人工智能 人工智能目前并没有一个明聩的定义。斯坦福大学人工智能研究中心的n i l s s o n 教授认为“人 工智能是关于知识的科学一怎样表示知识以及怎样获得知识并使用知识的科学”m i t 的w m s m n 教授认为“人工智能就是研究如何使计算机去做过去只有人才能做的智能工作”。从广义上讲 一般认为用计算机模拟人的智能行为辘属于人工智能的范畴人工智能广泛应用于知识工程、专 家系统、决策支持系统、模式识别、自然语言理解、智能机器人等方面。 专家系统m 删y s 把m ，脚是其中应用最为成熟的一个领域早在6 0 年代。人们兢歼始应 用人工智能技术解决实际闯题t 9 6 5 年h 毒q 锄研翻了第一个专家系统d c n d r a l ，从而开创 了专家系统的研究目前，专家茑统的应用领域已扩展尉各个领域，剩用各领域专家的知识和经 验解决存在的实际饲题撼理蓿息系统( g 骼) 是在计算机错圉的基础上发展起来的，在以后的发展 过程中逐渐向空惘信息系统韵方囱发展，提供地理数据采集、处理、分析和输出的功能早期的 g i s 主要被用作空间事物处理系统( g r p s ) 和空间管理信息系统( s m 玲) 而没有和人工智能相结台 地学专家系统与地理信息系统是平行发展的( 张健挺1 9 9 8 ) 。 8 中嗣农业犬学联：b 学位论文第二章土地利用数据制图综台的理论和概念模型 一i i ii i 蕾瞄舅审舞蔓量墨 2 、专家系统与地理信息系统的结合 专家系统与地理信息系统的结合其有非常重要的意义。专家系统在应用过程中，知识获取的 瓶颈是最大的障碍之一。如葡所述，由于地理现象的复杂性和强烈韵她域个性使系统地理学试图 寻找普遍规律的努力只能停留在理论研究阶段，而嚣域地理学一般性描述无法确定性地揭示地理 现象的内在规律亦无法让人们满意。 地理信息系统建立的区域空间数据库是特定区域的定量反缺，是个性和共性的统一，包含着 丈鬣的地学知识。可以在此基础上探讨普遍性莆l 特殊性的地学规律。对于已经明确的规律，可以 直接应用于摸型分析而不必经过烦琐的摊理，对机理不清的现象可以用专家系统的方法加以解 决同时地理信息系统提供的空间分析功能也为地学专家系统提供了有力的工具。另一方面。与 其它信息系统的发展相类似g i s 也开始向决策支持系统发展，即空间决策支持系统( s d s s ) 。决 策支持系统是人r ：智靛在信息系统中的又一应朋，与专家系统有密切联系。 近年来趣着g i s 的飞速发展，已建立了火批g i s 系统，许多系统经过l t 时间的运行质积 累了人蜮的数据，而且可以利j ；i j 的空间数据源的种类羊 j 数黛正在e 速增长，这些数据中包含了重 妥豹空间信息和空闻规律依靠传统的人工方法已不可能处理如此庞太和复杂的数据，迫切需要 能够处理多维和海量数据的智能化的地理信息系统的支持目前的g i s 大都属于s t p s 和s m i s 的阶段，而为数不多的s d s s 多数还是数据镌塑尊重吉果的类型，少量的s d s s 提供独立的地学专 家系统攘块蜓还称不上智能空同决策支持系统未来的智能空问决策支持系统应该不仅具有传 统的鼓舞瞥理和模型分析的功能，还应包括人工智能和专家系统的许多方面，如人机接口、自然 语言理解、知识学习和积累、知识表达、模墼组织等，能够在人规结合的集成环境孛解决复杂的 她学问愿 3 、专家系统在铜图综合中的应用 专家系统是一个基于知识的智嫩推理系统。它涉及对知识获取、知识库、推理控徊机制以及 智能人帆界面的研究，集人工智能和专业领域知识于一体近几年来，专家系统技术不断渗透 到墙田制图学科中来，对地图倒隧学的理论研究和应用发展起到了积极的接动作用，使捌图由传 筑的手工停业方式发展到半自动和部分自动化然而，目前制图自动化只停留在数据采集、转换 及图形的自动输出等阶段，面对需要广大测绘专家和专业技术入员凭借大量制图知识、经验以及 判断才能褥以解决的销圈综合闻蹶，则由于只停留在数学方法的寻求和模型的建立上，而没有得 到根本的解决究其愿因是由于剩凰综合是一种掇为复杂的智能分析决策过程，髑图者或制图专 家长期积累的经验在此过程中起着根大的作用。另外，制圈综合结果的评价还没有固定的客观标 准解决这些阀题的有效方法就是把专家系统技术引避劐制圈综台领域，建立一个能够模仿制图 专家思维和推理方式，正确运用错翻专家专门知识和经验。解决制圈综合领域具体闷题的专家系 统现在己建立的地图数据痒。为自动综合提供了数据淫，同时也便人们对自动制圈综合的要求 日盏追切( 王光覆，1 9 0 ) 。 9 中嗣农业大学颟：l ：学位论文 第二章土地利用数据制图综台的理论和概念模型 _ i i _ 2 。2土地利用数据制圈综合概念模型 2 2 1 土地利用数据制豳综台的数据类型和综合目的 l 、土地利用数据制图综合的类型 地理数据是指表征地理豳或地理环境中黼有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规 律的数字、文字、图象和图形等的总称。具有空间特征、属性特征和时间特征，由空间数据、属 性数据和时间数据组成，分为基础地理数据和专题地理数据。土地利用数据指与土地利用专业领 域相荧的地理数据，它突出描述了土地利h = 专业相关的各种信息。 | ：地利j ：i j 数据包括了空问数据和属性数据和时间数据。 空闯数据是描述土地利用数据中空闻特征部分的数据，即描述十地利 j 地理要素或地理实体 的空间位置、形状、太小以及他们之间的关系( 如拓扑关系) 所需要的数据。 属性数据是描述土地利甩数据中属性特征部分的数据，即描述土地利j ； j 地理要素或地理实体 的定性或定量指标，包括语义与统计数据等 时闯数据是描述土地利用数据形成周期的长短以及数据更新的相关信息。 2 、土地利用数据制图综台目的 土地利用数据制图综合主要有两个目的：不同精度的地理分析( 空间分析) 的需要和不同比 例尺的地图显示( 生产) 的需要。 土地利用数据潮圈综合是对土地利用专题地理信息的综合，综合的起点是土地利用数据库 综台的环境是在g 玲的支持下 土地利用数据库是用地理实体来表示地利用现象或者说是将土地利用理象以地理实体的 形式来表达地理实体具备了空阔、属性、时阐等地理特征，对地理实体以及地理实体之间的空 闻关系的定义和描述是连续的、完整的g i s 环境下地利用数据综合分为两个阶段：数据库综 合( 模型综合) 和地图综合( 图形综台) 数据库综合是从原始的数字景观模型经过信息抽象派 生次级效字景蕊模型。它独立手地理实体的地图表达方式，其结果除了通过继续进行图形综合制 作地翻之外。还可以用于其他用途，如空间查询、空闾分析等。图形综台是从数字景观模型到数 字地圈模型的转变过程在o i s 环境下的数据库综合能够保持地理实体的空匈位置精度可以从 商分辨率的内容丰富的土地秘用数据库派生出适用于一定目的韵子敷据库，在派生数据库上进行 统计分析、空闫查询、空问分析等其他操作。 利用g i s 中的可视化功能将派生数据库中的数据经过空问投影变换表现为土地利用图。 2 3 2 土地利用数据制图综合概念模型 1 、土地利用数据制凋综台问题的求解 在进行土地利用数据制图综合时，有三个基奉嗣趣要回答：为什么要综合? 综合什么、什么 地方需要综合? 如何进行综合? 1 0 中国采监夫学颈- _ l - 学位论文第二章土地辆稠数据翻缘合豹理论和概念模型 一i 曩_ 墨置审蔓曾鼍量囊田皇蔓脚 一为什么要综合4 提出了制图综合的目的问题，也决定了制图综合成果的评价标准，其主要 原因是：精度和空润冲突。 “侍么地方需要综合? ”主要考虑剖幽综合的限制条件，地理抽象对应该保持什么样的地理 特征，以及这些将怎样控制下西的综合过程。 “如何综台。表现为制圈综合方法的具体实现和综合参数的选择。 制图综合必须具备的三个模块是：模型综合、制圈综合知识的获取和综合方法选择的评价。 综合方法评价的基本要求是：1 ) 可产生预知的的结果；2 ) 精度的变形最小；3 ) 数据压缩量虽 人；4 ) 目标的完箍性、关系的完整性；5 ) 综台结聚应当明显：6 ) 效率高( 郭庆胜等，2 0 0 2 ) 。 从以上所述的三个基本问题可以看出。限制制翻综台的因素有：制图综合目的、比例尺要 求、数据的质鼙、区域特定的地理特征、幽形可视化的隈制等。 因此，实现士地剩数据制圈综合的必备条件是： 1 ) 贝商完鹅土地利】i j = l 目标概念的基础十她利埘空间数据库的建立。 2 ) 空间关系和地理要素特征的相互关联。 3 ) 制幽综合过程中知识的获取、表达和应用。 4 ) 空问信息的抽象及地理空间关系和要素特征的维护。 5 ) 地图综合方法和成果的评价标准。 2 、基于知识规剐的土地j f l l 用致据制图综合概念模型 翎豳窘动综合系统是一个庞大的软件工程。嗣对从目前已有的嗣内外研究成果看，耐圈自动 综合的算法还有特进一步完善，很多学者提出了不同的雠强综台概念摸型和累统框架，这种模型 是制图综合进一步研究的基础 本文提出的模型是从整体的专题数据综合的角度描述土地剩用致据翻图综合的基本思路和 过程，突出了土地利用数据制图综合的特点。 土地利用数据预处理是制翻综台的起点，主舞任务是： 1 ) 确定效据翻图综合的目的、应用内容、研究区域、比例尺、结果袭述等基本的控制信息 2 ) 考察耘检验土地舜f f 用基础数据库中的鼓嚣内容及精度是否满足基本控常8 信患的需要 3 ) 归纳总结用于效据制图综合的综合知识，并建立练合知识规则在她基础上，建立土地 利用数据综合指标体系。 数据预处理工作为土地利用数据制图综合准备了必要条件。制图综合操作从数据库综合开 始，数据库综合涉及到空问数据变化、属性数据变化和时淘数据变化，综合的结果是生成了目标 数据库 生成目标数据库后，有两种综合方向，一种是继续在综合规刚的指导下进行图形镓舍。运用 点实体、境实体、越实体的合并、压缩、删除等掇俸解决圈形冲突反映土地利用现象的主要特 征并保证数据表达的清晰莠读；另一种是将目标数据痒用于空伺查询，统计，空间分析以及 其他应用 最后都要进行数据可视化的表达。根据应用需求生成各种类型的图件。 数据制图综合质量评价和合理性分析是对各级综合步骤结果正确性韵检验，也是对运行过程 中嗣农业人学颈i ：学位论文 第二二章地利用数据制圈综台的理论和概念模型 _ i 簟墨墨葺鼍| 黑