（农业机械化工程专业论文）gis和专家系统集成技术的研究.pdf

摘要 ( 现在许多应用系统所涉及到的问题都与地理信息有关，例如：诊断专家系统中的 社会、农业、经济等方面的各种诊断和排错系统：预测专家系统中的气象、水文、人 口、地理、经济、军事以及政治等方面的预测分析系统；工程设计、规划、咨询和管 理决策等方面的专家系统，都离不开地理信息的支持。但是，传统的地理信息系统 ( g i s ) 解决问题的方法和模式基本上都是以数学方法为基础建立的，所能解决的有 关地理问题也主要是那些能够用数学方法描述和解释的具有确定性解的问题，在解决 空间规划决策中有很大的不足。然而，在实际工作中，我们遇到的大量问题是既有确 定性的，也有非确定性的，或介于二者之间。因此，实际应用领域要求专家系统技术 ( e s ) 和地理信息系统技术结合起来，或统一于一体，建立智能型g i s 应用系统 ( e g i s ) 。将地理信息系统与专家系统视为两个紧密联系且又相互独立的系统，以地 理信息系统来对大量的地理数据进行管理和空间关系的分析，而以专家系统来解决地 理研究中所涉及到知识推理问题。这种分布式的策略，给专家系统和地理信息系统的 结合提供了一条可行的途径。 e s 和g i s 是两个独立的庞大的系统，各自有各自的作用，如何将两者集成起来， 使之既能很好地实现各自的功能，又能很好地实现e g i s 的功能，是这项技术的关键。 这里我作了用t o m 技术及其统一数据传输机制和o l e 自动化功能进行e s 和g i s 集成 的研究：其中，将e s 作为控制器，g i s 作为自动化对象连接起来，能很好地完成数 据的转换与共享，支 讨论了c o m 及o l e 间信息操作的同步进行，本文由此重点 本文从解决农业用地评价中的空间决策问题入手，通过分析传统g i s 系统技术方 法在解决空间规划决策中的不足，从g i s 系统技术方法的应用角度出发，就一段时期 以来g i s 系统技术的功能结构方面的发展变化趋向，进行了详细的阐述。围绕建立智 能型g i s 应用系统的需要，对专家系统( e s ) 与地理信息系统( g i s ) 的集成方法进 行了深入地研究。 关键词集成；地理信息系统；专家系统；c o m ；o l e 自动化 a b s t r a c t t o d a y , al o t o fa p p l i c a t i o ns y s t e m sc o m b i n ew i t hg i s ，s u c ha sd i a g n o s i se x p e r t s y s t e mi n c l u d i n gt h ed i a g n o s i st h ev a r i e sa s p e c t so fs o c i e t y , e c o n o m y , a n da g r i c u l t u r e ； f o r e c a s te x p e r ts y s t e mi n c l u d i n gt h ef o r e c a s to fw e a t h e r , h y d r o m e t e o r o l o g y , p o p u l a t i o n ， g e o g r a p h y , e c o n o m y , m i l i t a r ya f f a i r s ，p o l i t i c s ，e t c ；d e c i s i o ns u p p o r t i n gs y s t e mi n c l u d i n g t h e a s p e c t o f e n g i n e e r i n gd e s i g n ，p r o g r a m m i n g ，c o n s u l t a t i o n ，m a n a g e m e n t e t c 1 1 1 e t r a d i t i o n a lg i ss y s t e mc a no n l yu s em a t h e m a t i cm e t h o dt od e s c r i b ea n de x p l a i nt h e c o n f i r m e dp r o g r a m sb u tt h ep o w e ro fm a k i n gs p a c ed e c i s i o na n ds o l v i n gt h eu n c e r t a i n p r o g r a m sa r ev e r yw e a k l y b u ti nt h er e a lw o r d ，t h ep r o g r a m sw e m e e ta r ei nu n c e r t a i na s w e l la sc e r t a i n ，o ri n t e r v e n i e n t ，s oi np r a c t i c ew en e e dc o m b i n e 埘t l lg i sa n de s ( e n g i n e e r s y s t e m ) a n de s t a b l i s hi n t e l l i g e n tg i ss y s t e m ( e o i s ) i ne g i s ，g i sc a np r o v i d ep o w e r f u l a n a l y s i s o fs p a c e r e l a t i o n s h i p s a n d g e o g r a p h i c a ld a t a ；e s c a ns o l u t et h e k n o w l e d g e r e a s o n i n g a n dm a k ed e c i s i o n e sa n dg i sa r ea nv e r y b i gs y s t e m s h o w t oe f f e c t i v e l yi n t e g r a t et h e ma n dr e a l i z et h e i r f u n c t i o ni st h e k e yt e c h n o l o g yo fe g i s h e r ew es t u d yt h e m e t h o do fu s i n gc o m s u b a s s e m b l ya n d o l ea u t o m a t i o nt e c h n o l o g yt os o l v et h e i n t e g r a t ep r o b l e m t 1 1 i s t e c h n o l o g y c a nf u l f i l lt h et a s ko fd a t a s s h a r i n g a n d c o n v e r s i o n ，s u p p o r t i n g t h e s y n c h r o n i z a t i o no fs p a c ed e c i s i o nr e a s o n i n ga n a l y s i sa n ds p a c ei n f o r m a t i o nm a n i p u l a t i o n ， r e a l i z i n gt h es e a m l e s si n t e g r a t i o n t h ep a p e rb a s e do ns o l v i n gt h ee v a l u a t i o no fl a n du s i n gp r o b l e m ，b ya n g l i c i z i n gt h e d e f i c i e n c yo f g i s ss p a c ed e c i s i o na n dt h em e r i to fe g i s a n dl u c u b r a t et h ei n t e g r a t i o n m e t h o do f e sa n dg i s k e yw o r d s ：i n t e g r a t i o n ；g i s ； e s ；c o m ；o l ea u t o m a t i o n | ， 第一部分文献综述 1 地理信息系统 1 1 地理信息系统概念 本世纪6 0 年代开始，在北美出现并迅速发展起来的地学研究新技术方法与手段 一地理信息系统( g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是一种具有很强的空间 数据采集存储、编辑管理、描述分析等功能的计算机硬软件系统。由于g i s 具有强大 的空间数据管理、分析和制图能力，己被广泛应用于所有空间特征和空间要素及其相 互关系的描述和表征的研究应用之中。 g i s 是一门介于地球科学与信息科学之间的交叉学科，它将地学空间数据与计算 机技术相结合，通过系统建立、操作与模型分析，产生对资源、环境、区域规划、 管理决策、灾害防治等方面的有用信息。 1 1 1 信息 信息( i n f o r m a t i o n ) 是近代科学的一个专门术语，狭义的定义为“两次不定性之 差”f7 1 ，即人们获得信息前后对事物认识的差别，广义则认为“信息是指主体( 人， 生物或机器) 与外部客体( 环境或其他人，生物，机器) 之间相互联系的一种形式， 是主体和客体之间的一切有用的消息或知识，是表征事物特征的一种普通形式”f 7 1 。 可以说，信息是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、事物、现象等的内容、 数量和特征的。它给人们( 或系统) 提供了关于现实世界的知识，作为生产、管理、 经营、分析和决策的依据。 1 1 2 地理信息 地理信息是描述现实世界中地理实体的特征或状态的量，是指与所研究对象的空 间地理分布有关的信息，它表示地表物体及环境固有的数量、质量、分布特征、联系 和规律。它包含三个部分： 1 ) 属性信息：用来描述实体的特征、变量、值和其他性质等。 2 ) 位置信息：用来描述实体在空间上与其他实体相关的位置。 3 ) 时间信息：用来描述属性信息和位置信息有效的时刻或时间区间。 地理信息属于空间信息，其位置识别是与数据联系在一起的。它具有多维结构的 特征，即在同一x y 平面上具有多个专题和属性的信息结构。例如在一个地面点位上 可以取得高度、噪声、污染、交通等多种信息。地理信息有明显的动态变化特征，就 要求及时采集和更新，并根据多时相的数据来寻找随时间的分布规律，进而对未来作 出预测。 1 1 3 地图 地图是指空间上分布的地理要素以图形表示的形式。前苏联地图学家萨里谢夫将 地图定义为“由数学所确定的经过概括并用形象符号表示的地理表面在平面上的图形 用其各种自然现象和社会现象的分布、状态和联系，根据每种地图的具体用途的表示 进行选择和概括，结果得到的图形叫地图”1 7 1 。它传递各地物的定位、特征、地物之 间的关系等信息。此外，地图同时传递自身的一些信息，如比例尺和地图投影等。地 图区别于其它地表图形的特征为： 1 ) 由数学决定结构：即首先确定地球表面上点的地理坐标或其他坐标与这些点 在地图平面上的直角坐标或其他坐标之间的映射函数关系。 2 ) 特殊的符号系统：地图采用便于空间定位的形式表示各种现象及其性质和相 互关系的专用图解符号，用于记录、转换和传递各种自然和社会现象知识，从而在地 图上构成客观实际的空间形象。 3 ) 现象表示的取舍和概括：这是由于地图图幅比例的限制和图解符号表示的可 能性制约造成的，地图的用途也常需要对自然景观进行取舍和概括表示。 地图是一种图解图像，从地图上我们可以获得一个地区或整个地球表面的同一时 间的表象，从而可以从地图上得出地表景象的空间尺度，即空间坐标、长度、面积、 高度和体积，除表示地物的数量和质量方面的特征外，地图还可以表示地物之间的空 间联系，即邻近性、包含性、相对性、从属关系、经济和交通方面的联系等。 地图表达的对象可以是具体的和抽象的、现实的和预期的，更重要的是它还可以 表示自然现象的发生发展过程，表达其空间上的变化和时间上的发展。如表示土地利 用变化图，反映土壤侵蚀速率等。 由于地图具有表达空间地理信息精确、简洁、丰富、动态、灵活等特点，地图已 经成为地理信息系统的重要数据来源。 1 2 信息系统与地理信息系统 1 2 1 信息系统 2 能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用户问题的系统称为信 息系统。它的四大功能为：数据采集、管理、分析和表达。它是基于数据库的问答系 统。 1 2 2 地理信息系统3 矗7 2 3 】 地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间数 据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供 多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系 统。它具有三个特点： 1 ) 公共的地理基础。在g i s 中我们输入的地形图、水资源分布、土地利用、道 路交通等专题的地图信息，既可以就某一专题信息进行分析处理，也可以将几幅图的 信息叠加起来进行综合的分析和处理。这一功能建立在公共的地理基础之上。 2 ) 标准化和数字化。由于数据来源不同，原始数据的形式多种多样，有的是统 计数据，有的是影像数据，有的是文字，为了让计算机能够接受这些数据，就要实现 标准化。 3 ) 多维结构。现在我们用的g i s 实际上只是2 维的，布满整个三维空间建立的 g i s 才是三维。一般也常将数字位置模型( 2 维) 和数字高程模型( 1 维) 的结合称 为3 维，加上时间坐标的称为4 维或动态g i s 。 地理信息系统内涵是计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一 个逻辑缩小的高度信息化的地理系统。地理学家可以在g i s 支持下提取地理系统不同 侧面、不同层次的空间和时间特征信息，也可以快速模拟自然过程的演变和思维过程， 取得地理预测和实验的结果，选择优化方案，避免错误的决策。 1 3 地理信息系统的构成 完整的地理信息系统主要由4 个部分组成：1 ) 计算机硬件系统，用于存储、处 理和显示数字地图数据。2 ) 计算机软件系统，用于执行系统的各项操作功能。3 ) 地 理空间数据，用于执行系统的各项操作功能。4 ) 系统的组织管理者。 1 4g i s 系统趋向 1 )应用模型化趋向 2 )智能化趋向 3 ) 功能结构网络化趋向 4 )组件化趋向 5 )标准化趋向 2 专家系统 2 1 什么是专家系统 从本质上讲，专家系统是一类包含着知识和推理的智能计算机程序，其内部含有 大量专门领域专家水平的知识和经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来 处理该领域的问题。现在习惯于把每一个利用了大量领域知识的大而复杂人工智能系 统都称为专家系统【2 1 】。自1 9 8 6 年f e i g e n b a u m 等人研制成功第一个专家系统d e n d r l 以来，专家系统技术已经获得了迅速发展，并广泛应用于医疗诊断、语音识别、图像 处理、金融决策、地质勘探、石油化工、数学、军事、计算机设计等领域。由知识工 程师从人类专家那里抽取他们求解问题的过程、策略和经验规则，然后把这些知识建 造在专家系统之中，人们把建造一个专家系统的过程称为“知识工程”。 专家系统可以解决的问题一般包括解释、预测、诊断、设计、规划、监视、修理、 指导和控制等。发展专家系统的关键是表达和运用专家知识。专家系统和传统的计算 机“应用程序”最本质的不同在于：专家系统所要解决的问题一般没有算法解，并且 经常要在不完全、不精确或不确定的信息基础上作出结论。 2 2 专家系统的基本组成 不同的专家系统，其功能和结构都不尽相同，通常一个以规则为基础，以求解问 题为中心的专家系统主要包括五部分：知识库( k n o w l e d g eb a s e ) 、推理机( i n f e r e n c e e n g i n e ) 和智能化用户界面( u s e ri n e r f a c e ) ，综合数据库( g l o b a ld a t a b a s e ) ，解释接口 ( e x p l a n a t i o ni n t e r f a c e ) 。 实际上，一般专家系统工具除了上述部件外，还具有一个类似于工作存储器的东 西，用于临时存放专家系统运行中新生成的知识与信息。 专家系统中的知识的组成方式是：把问题领域中的知识和系统的其他知识分离 开，后者是关于如何解决问题的一般知识或如何与用户打交道的知识。领域知识的集 合称为知识库，而通用问题求解过程称为推理机。 2 2 1 知识库 是知识的存储器，用于存储领域专家的经验知识及有关事实，一般常识等。它的 开发是专家系统建设的重要工作，它包括知识获取、表达和测试。知识获取是一个把 专门领域内的各种专家知识、经验、规则、标准和判断条件等进行规范化，生成计算 机能够理解的知识形式。其中包括对专业内各专家进行访谈获取的相关专业知识和通 过对典型的专家决策范例进行综合归纳得到的专家知识。 2 2 2 推理机 是专家系统的思维机构，实际上是求解问题的计算机软件系统，其主要功能是协 调、控制系统，决定如何选用知识库中的有关知识，对用户提供的证据进行推理、求 得问题的解答或证明结论的正确性。 推理机的运行可以用不同的控制策略。从原始的数据和已知条件判断出结论的方 法称为正向推理或数据驱动策略，先提出结论或假设，然后寻找支持这个结论的条件 或证据，若成功则结论成立，这种方法叫反向推理或目标驱动策略。若运用正向推理 帮助系统提出假设，然后用反向推理巡诊支持该假设的证据，这种方法称为双向推理。 2 2 3 综合数据库 又称为“黑板”或“数据库”。它是用于存放推理的初始证据、中间结果以及最 终结果的工作存储器。它的内容是不断变化的。 2 2 4 解释接口 又称人机界面，它把用户输入的信息转换成系统内规范化的表示形式，然后交给 相应模块去处理，把系统输出的信息转换成用户易于理解的外部表示形式显示给用 户。另外，能对自己的行为作出解释，可以帮助系统建造者发现知识库及推理机中的 错误。 2 2 5 知识获取 知识的获取是通过人工方法或机器学习的方法，将领域内的事实性知识和领域专 家所特有的经验性知识转化为计算机程序的过程。早期的专家系统完全依靠领域专家 和知识工程师共同合作，把领域内的知识总结归纳出来，规范化后送入知识库。这是 一件困难的工作。目前，一些专家系统已经具有自动知识获取的功能。它包含两个方 面：一是外部知识的获取，通过向专家提问，以接受教导的方式接收专家知识，然后 把它转换成内部表示形式存入知识库；二是内部知识获取，即系统在运行中不断从错 误和失败中归纳总结经验，并修改和扩充知识库。 2 3 专家系统的特征 专家系统是基于知识工程的系统，有如下特征： 1 ) 具有专家水平的专门知识。2 ) 能进行有效推理。专家系统具有启发性，能够 运用人类专家的经验教训和知识进行启发式搜索，试探性推理，不精确性推理或不完 全推理。3 ) 专家系统的透明性和灵活性。 正确的解答，还能知道给出该解答的依据： 透明性指它能在求解问题时，不仅能得到 灵活性表现在绝大多数专家系统中都采用 了知识库与推理机相分离的构造原理，彼此相互独立，使知识的更新和扩充比较灵活 方便，不会因一部分的变动而牵动全局。系统运行时，推理机可以根据具体安排问题 的不同特点选取不同的知识来构成求解序列，具有较强的适应性。4 ) 具有一定的复 杂性与难度。人类的知识，特别是经验性知识是不精确、不完整或模糊的，这就为知 识的表示和利用带来了一定的困难。另外，专家系统所要求解的问题都是结构不良且 难度较大的，不存在确定的求解方法和求解路经，从客观上造成建造专家系统的困难 性和复杂性。 2 4 决策问题 决策问题按其结构化程度的不同，可以分为三类”3 ：1 ) 结构化决策。在这种决策 中，有关决策依据和条件很明确，决策方案和结果也是很确定的；2 ) 半结构化决策。 在半结构化决策中，问题的解决有时将牵涉到决策人的直觉和经验判断；3 ) 非结构 化决策问题。对于非结构化决策问题的解决，在很大程度上，依赖决策者的直觉和经 验判断。 西蒙( s i m o n ) 把解决空间规划决策问题的方法步骤归结为。1 ：第一步是在整个问 题的解空间中寻找可行方案线索；其次是为了生成可行的方案，分析可能的行动方案； 最后是从可选方案中，选取所需的可行方案。 长期以来，由于缺乏强有力的空间规划决策支持工具，往往造成规划决策过程慢 长、结果的随意性和不确定性。解决这方面的问题需要探索强有力的支持手段。实际 上，大多数规划决策问题多属于半结构化，或非结构化问题。罗波特( r o b e r t ，1 9 7 1 ) 曾进行了这方面的研究，在罗波特的研究中，他研究了在解决规划布局问题时，规划 人员和规划决策者使用的方法，并把他们所得到的决策结果与计算机产生的结果进行 比较，得出的结论是两者极为相似。1 。 3 系统集成“。8 “”1 3 1 什么是系统的集成 系统的集成就是要实现各单元信息系统之间的异构同化和同构整体化。一般地 6 说，系统集成是适应某种目的的相关对象类的有机集合与完备操作。其中，目的性体 现系统目标与功能的统一要求，相关性体现集成对象的相容与互斥属性，集成性体现 单元与整体的作用关系，完备性体现集成事件的完整与统一程度，适应性体现系统不 断适应环境变化的开放程度。从客观上讲，系统的集成对象类和对象属性集可以描述 为： 集成对象类= 对象l ，对象2 ) 对象属性集= ( 同构，异构) ，( 集中，分布) ，( 同步，异步) 其中，同构与异构，集中与分布，同步与异步从结构，状态和时间三个方面表述 了集成对象的属性，并覆盖了集成的接口方式。 3 2o l e c o m 介绍“钾 m i c r o s o f t 的0 l e c o m 是基于分布式对象模型的开放标准 1 9 ，得到多系统软件 开发商，独立软件开发商和用户的支持。 o l e 是建立在组件对象模型( c o m ) 基础上的高层次技术。从基本中间件功能的角 度来看支持对象的定义，创建，调度，引用及对象之间的通信，提供了接口定义语言 ( i d l ) 。 o l e c o m 的结构如下图所示： o l e c o m 结构 服务控制管理( s c m ) 集中负责搜索服务对象和在客户与服务器之间建立信道。 当客户向某个特定的对象发出初始化请求时，s c m 判断包含该对象的服务程序是否已 经运行，如否，则通过注册表查找服务程序所在的位置。随后，客户端s c m 建立起与 服务器s c m 连接的r p c 信道；服务器端s c m 也进行同样的处理，并在必要的情况下启 动服务程序。最后，信道两端的s c m 分别将代理程序载入到客户进程和服务器进程中。 o l e c o m 结构的另一个要素是自动化，它允许客户程序动态构造请求( 包括方法 名，相关参数的类型和类型的取值等) ，并将请求发送到远端对象。任何符合o l e c o m 规范的对象都能自动提供其所能支持的接1 ：3 信息。 第二部分引言 农业生产布局中的土地利用规划评价是一个全方位的、跨学科的活动。它不仅仅 包括农业生产技术和相关的自然条件，还涉及经济、社会和政策等方面的问题。如何 合理地配置农业生产资源，充分利用土地资源，常常涉及到具体的定性和定量分析， 而且在很多的情况下有赖于规划评价人员的直觉判断与专家的经验。 在g i s 的应用推广过程中，面对的许多是结构化程度较差的空间决策问题。而这 些问题的解决是有赖于难以量化和不能量化的专家知识与经验( r u l e so ft h u m b ) 。 在计算机中，这些专家知识与经验，可通过一定的方法规则，采用一定的符号( 字符 串，或类似自然语言的字符串) 加以表示。从8 0 年代开始，美国等发达国家的g i s 专业人士( g i sp r o f e s s i o n a l ) 和有关空间规划领域的专家，开始探索利用专家系统 技术( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 扩展g i s 的系统功能形成智能化g i s ( e g i s ) ，解决复杂 的空间规划决策问题，以期把空间规划决策过程和g i s 的辅助决策作用统一起来，弥 补g i s 系统处理符号信息能力不足的问题。 但是e s 和g i s 是两个独立而庞大的系统，各自有各自的作用，如何将两者集成 起来，使之既能很好地实现各自的功能，又能很好地实现e g i s 的功能，是这项技术 的关键。这里我们作了用c o m 技术及其统一数据传输机制和o l e 自动化功能进行e s 和g i s 集成的研究：其中，将e s 作为控制器，g i s 作为自动化对象连接起来，能很 好地完成数据的转换与共享，支持对象之间的互操作功能，支持空间决策推理分析和 对空间信息操作的同步进行。本文由此重点讨论了c o m 及o l e 自动化技术。 本文从解决农业用地评价中的空间决策问题入手，通过分析传统g i s 系统技术方 法在解决空间规划决策中的不足，从g i s 系统技术方法的应用角度出发，就一段时期 以来g i s 系统技术的功能结构方面的发展变化趋向，进行了详细的阐述。围绕建立智 能型g i s 应用系统的需要，对专家系统( e s ) 与地理信息系统( g i s ) 的集成方法进 行了深入地研究。 9 第三部分e g i s 构建与集成方法 1 农业用地评价系统的设计与实现问题“2 “5 ”3 1 1 系统体系结构 通过深入分析系统的服务对象及其特点，确定了集成式农业用地评价信息系统的 系统结构由人机交互界面、专家系统子系统、g i s 子系统、数据库子系统和数学模型 库等几部分组成，如下图所示其中，1 ) 专家系统子系统主要负责系统的启发式推理 分析( h e u r i s t i ca n a l y s i s ) 和整个系统运行的总控制；2 ) g i s 子系统主要用于负责 空间信息操作与管理及提供空间分析功能；3 ) 数据库子系统是一个基于关系数据库 管理系统( r d b m s ) 的非空间数据库系统，用于管理系统的专题数据( t h e m a t i cd a t a ) ： 4 ) 数学模型库主要是在专家系统的控制下，用于存放和管理各种分析评价模型。 通过比较分析，所建的系统同传统的g i s 系统相比，具有以下几方面的优点：1 ) 系统的自动化程度高，大大减少人机交互的频率；2 ) 系统对终端用户隐藏技术细节， 并能回答用户提出的问题。这个特点对于不太熟悉计算机的规划人员，或非计算机专 业的管理人员具有特别的意义；3 ) 具有为不同子系统的数据交换和系统控制提供智 能型地理信息系统环境( e g i s ) ，使不同子系统间信息传递更加顺畅，方便用户的使 用；4 ) 具有处理结构化程度差问题的能力，特别是在信息不完备时，具有帮助用户 作出正确的决策的能力；5 ) 把e s 与g i s 有效地结合起来，使系统具备了处理定量与 定性信息的能力，使充分而有效地利用各种信息资源辅助决策成为可能。 1 2 系统功能 富 农业用地评价系统设计与实现 l o 影响土地利用的因素不仅包括气候、土壤、水资源、光热条件、土地利用类型、 作物生长条件、坡度、作物类型等自然环境因素，而且包括人口变化、经济增长、经 济结构、技术进步、政治因素、价值、观念、思维和土地管理政策、法律等社会经济 因素。各种因素相互作用、相互影响共同构成农业用地评价系统的各组成成分。农业 用地评价系统就是分析土地利用的各种影响因素，从中筛选主要影响因素，深入研究 这些影响因素与土地利用之间内在定性、定量关系，建立相关数学模型，模拟各种因 素对土地利用的影响，预测今后土地利用变化的各种可能性，并为决策者提供决策依 据。 1 3e s 和g i s 的主要接口与数据联系 1 ) 地理信息系统( g i s ) 对空间数据处理的结果通过一定的格式转换进入专家系统 ( e s ) 数据库，其它专题图数字化后也经同一数据转换进入数据库。以供推理时使用 2 ) 专家系统中知识获取这一环节与g i s 中的图像显示连接，通过图像显示，圈定 各类别的样本区，进行各种判据的参量估算，以形成规则，然后在知识库中按一定的 规则存储起来。 3 ) 专家系统的推理机，根据综合数据库的事实与知识库中的规划进行推理( 选择、 匹配) ，给出有关的推理结论，解释和评价土地利用同时生成专题数据库，供打印 显示输出。 2e g i s 推理过程 2 1 推理机 推理过程表现为一种简单的思维模拟，包括推理模型选择、控制和搜索策略。控 制策略有正向、逆向、混合和无控制。搜索有深度优先、广度优先等。 2 2 知识表达 知识表达是知识符号化的过程。其中产生式规则方法具有结构清楚、易于表达， 所表示的知识便于检索和使用，又符合人的思维特点。所以在这里我们选取了产生式 规则方法来构建农业用地评价信息系统的知识库。规则主要表示领域专家的知识。这 些知识既有过程性的，又有判断性的。推理判读可用规则表示，例如判读地物的规则 可用“i f( 条件) t h e n( 结论)c f = x ”获取专家知识 知识库实现是结合农业用地选择步骤和p a i d 系统的推理机制约定，分别构建农 业用地评价临界知识库、自然适宜性评价知识库、环境适宜性评价知识库和可达性评 价知识库。临界知识库用于存储用地选择的基本规则，其中主要是农业用地的初步筛 选规则条件等。 自然适宜性评价知识库主要是把有关作物的专家知识分别编码成不同的知识规 则，如对灌溉型水稻的土地利用要求可以表达成：r u l ex i i f t e x t u r e = c l a y l o a m o r t e x t u r e = s a n d c l a y o r t e x t u r e = c l a y a n d d r a i n a g e = p o o r a n d e _ d e p t h ) 5 0 ( c n l ) a n d p h v a l u e = 6 a n d p hv a l u e = 7a n d s l o p e 2 ( 9 6 ) t h e n p h y s i c a l s u i t a b i l i t y = v e r y h i g h ： 环境适宜性评价知识库主要存储一些有关区域环境方面的专家知识规则和标准， 如评价一个地区是否是洪水、滑坡等环境灾害多发地区，或是环境上敏感地区，需要 保护等。类似的规则有：r u l ex j i f 1 a n d f o r m = d i s t i n c t i v eo r 1 a n d f o r m = u n u s u a lo r e c o l o g i c a l f u n c t i o n = v t a l o r v e g e t a t i o n = h i g h _ q u a l i t y o r f l o o d _ c l a s s = s e v e r e _ f l o o d i n g o r t h e n e n v i r o n s u i t a b i l i t y = p r o h i b i t i v e c n f8 0 e n v i r o n s u i t a b i l i t y = v e r y l o w 、c n f1 0 0 ： 可达性评价知识库主要用于存储有关评价地区到周围主要城镇或交通干线的距 离或旅行时间等方面的评价标准或指标等。例如评价一块用地的交通可达性的规则可 2 表达为： r u l ex k i f a v e r a g e t r a v e 一t i m e 0 c f ( h ) = c f ( e ) = e n i = 1 c f ( e ；) k ；( k t = o 或1 ) ， 其中c f ( e 。) 为第i 个限定因子编码e j 的可信度，n 为规则前提中限定因子的数目。 作者认为选择的限定因子数目越多，则分类结果越准确。但从实际的角度考虑，某个 分类单元可能不满足规则中所规定的全部条件，即其特征编码仅与规则中的条件编码 部分元素相匹配，它仍可能是此规则中所描述的分类类型。因此，用k 。来表示两者的 元素是否匹配。若匹配则k = 1 ，否则，k = o 。这样又会导致一个分类单元与多个规则 匹配，解决冲突的办法就是将所有规则结论的可信度作比较，取其值最大的结论作为 此分类单元的分类结果。模型如下图所示： 专 推理分析过程 2 4 专家系统开发工具w - - - - p a i d 开发系统 “网络化、构件化农业专家系统开发平台p a i d ”是专门用于农业专家系统开发的 通用类工具软件。该平台在充分的应用需求分析基础上进行系统总体设计。平台具有 网络化、组件化、层次化、智能化、可视化等特点。它是一个具有真正意义的构件化、 规范化开发平台。 平台采用”浏览器w e b 服务器擞据库系统”三层网络结构模型，以后台数据库管 理为核心，在w e b 服务器上挂接服务构件，通过前台浏览器的管理和运行，开发基于 不同用户的需求的专家系统。它结合农业领域的特点，设计并实现了系统管理、知识 规则维护、数据编辑、数据处理、数据查询和帮助六大功能模块，如下图所示。 平台提供了二次开发智能系统所需的一整套框架结构，只要装入不同的知识，可 非常方面快捷地开发比面向不同开发的应用程序。 更重要的是：平台采用软件组件技术、面向对象技术等，并且符合c o m d c o m 技术规范，使平台具有开放性、异构性、封装性和继承性等特点，容易跟其他关键技 术集成。可面向对象进行定制组件，挂接任何基于w i n d o w s 开发的动态连接库d l l ( 服务器端) 和基于o l e 技术标准的a c t i v e x 构件( 客户端) 。 p a i d 开发平台结构 3g i s 的空间分析能力“ 3 1g i s 的工作原理 1 ) 空间模型。g i s 将现实世界抽象为相互连接不同特征的层面( l a y e r ) 组合 这一简单实用的概念提供了解决各种纷繁复杂难题的捷径。 2 ) 地理参考系。空间数据包括绝对位置信息：如经纬坐标，以及相对位置信息： 包括地址、编码、统计调查值等。g i s 的地理坐标系可以有效帮助用户在地球表面任 意空间定位。 3 ) 矢量和栅格数据结构。g i s 数据包括矢量和栅格两种基本模式。矢量数据以 点，线，面方式编码并以( x ，y ) 坐标串存储管理，是表现离散空间特征的最佳方式 栅格数据( 扫描图像或照片) 是通过一系列网格单元表达连续地理特征。在g i s 软件 中矢量、栅格数据结合使用，取长补短。 3 2g i s 空间查询与分析 g i s 提供从最简单的点击式查询( i d e n t i t y ) 到辩证思维的空间分析方法。g i s 最引人入胜的作用是通过各种假设分析来模拟区域内空间规律和发展趋势。在提供空 间分析工具中，以下两点最为重要： 1 ) 领近度分析( p r o x i m i t y ) ，例如：灌井周围5 0 0 米内的作物比例? g i s 提供 缓冲区分析( b u f f e r ) 工具，对地物要素间相互关系进行计算度量。 2 ) 叠加分析( o v e r l a y ) ，不同地理层面间的物理叠加是g i s 的看家本领，通 过空间上的“相交，合并，切割”等运算，可获取和派生空间决策最重要的依据。 3 3 组件式g i s “8 一“2 5 “7 3 组件式g i s 的基本思想是把g i s 的各大功能模块划分为几个控件，每个控件完成 不同的功能。各个g i s 控件之间，以及g i s 控件与其它非g i s 控件之间，可以方便地 通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的g i s 应用。控件如同一堆各式各样 的积木，他们分别实现不同的功能( 包括o l s 和非g i s 功能) ，根据需要把实现各种功 能的“积木”搭建起来，就构成应用系统。 3 3 1 组件式g i s 系统的特点 把g i s 的功能适当抽象，以组件形式供开发者使用，将会带来许多传统g i s 工具 无法比拟的优点： 1 ) 小巧灵活、价格便宜。组件化的g i s 平台集中提供空间数据管理能力，并且 能以灵活的方式与数据库系统连接。 2 ) 无须专门g i s 开发语言，可以直接嵌入m i s 开发工具。组件式g i s 建立在严 格的标准之上，不需要额外的g i s 二次开发语言，只需实现g i s 的基本功能函数，按 照m i c r o s o f t 的a c t i v e x 控件标准开发接口。 3 ) 更加大众化。组件式技术已经成为业界标准，用户可以象使用其他a c t i v e x 控件一样使用g i s 控件，使非专业的普通用户也能够开发和集成g i s 应用系统，推动 了g i s 大众化进程。 4 ) 更容易与其他系统集成。 3 3 2 组件式g i s 的开发平台结构 组件式g i s 开发平台通常可设计为三级结构： 1 ) 基础组件。面向空间数据管理，提供基本的交互过程，并能以灵活的方式与 数据库系统连接； 2 ) 高级通用组件。由基础组件构造而成，面向通用功能，简化用户开发过程。 如显示工具组件、选择工具组件、编辑工具组件、属性浏览器组件等。它们之间的协 同控制消息都被封装起来。这级组件经过封装后，使二次开发更为简单。如一个编辑 查询系统，若用基础平台开发，需要编写大量的代码，而利用高级通用组件，只需几 旬程序就够了。 3 ) 行业性组件。抽象出行业应用的特定算法，固化到组件中，进一步加速开发 过程。以g p s 监控为例。对于g p s 应用，除了需要地图显示、信息查询等一般的g i s 功能外，还需要特定的应用功能，如动态目标显示、目标锁定、轨迹显示等。这些 g p s 行业性应用功能组件被封装起来后，开发者的工作就可简化为设置显示目标的图 例、轨迹显示的颜色、锁定的目标，以及调用、接受数据的方法等。 3 3 3g l s 组件的构成 g i g 软件的模型包含若干功能单元，诸如空间数据获取、坐标转换、图形编辑、 数据存储、数据查询、数据分析、制图表示等。可以想象要把这些所有的功能放在一 个控件中几乎是不可能的，即使实现也会带来系统效率上的低下。一般可以认为g i s 构件的设计主要遵循应用领域地需求。例如e s r i 地m a p o b j e c t s 就是以空间数据访问、 查询、制图为主要目标的g i s 构件。 g i s 组件的代表作应首推m a p o b j e c t s 以及m a p x 等。其中m a p o b j e c t s 由全球最大 的g i s 厂商e s r i ( 美国环境研究所) 推出；m a p x 由著名的桌面g i s 厂商美国m a p l n f o 公司推出。另外还有加拿大阿波罗科技集团的t i t a n 等。下图是m a p x 的模型结构。 m a p x 组件的基本组成单元是o b j e c t ( 单个对象) 和c o l l e c t i o n ( 集合) 。其中集合 包括对象，是多个对象的组合。每种对象和集合负责处理地图某一方面的功能。由图 中可以看出，位于项层的是m a p 对象本身，其它均由m a p 对象继承。l a y e r s 、d a t a s e t s 、 a n n o t a t i o n s 是m a p 对象下面的三个重要的分支。其中l a y e r 主要用于操作地图的图 层，d a t a s e t 用于访问空间数据表，a n n o t a t i o n 用于在地图上增加文本或者符号。 3 3 4 组件式6 i s 的缺点 m a p x 的模型结构 虽然采用g i s 组件在开发上有许多优势，但是不可避免的也存在一些功能上的欠 缺和技术上的不成熟，主要包括以下几个方面： i ) 与专业的g i s 客户端软件相比，采用组件技术不可避免的带来效率上的相对 低下，这在访问超大空间数据( 如大数据量的遥感图象) 的时候表现得尤为明显； 2 ) 支持的空间数据量有限 3 ) 支持的功能有限，由于是组件，只覆盖了g i s 系统的部分功能，于是对于特 殊领域，它就显得无能为力； 4 ) 系统的可靠性、容错性有待提高。因为d c o m 的一大特点是：开发及使用过程 中必须时刻注意w i n d o w s 系统o l e 系统注册表的正确。 下表是m a p o b j e c t s 和m a p x 的主要功能对比 功能 fm a p o b j e c bm a p x a r c v i e w 的s h p 、a r c i n f o 显示的地图数据格式 m a p l n f o 的数据格式 的c o v e r a g e 、s d e 图层 叠加栅格图像有有 对地图的常用操作放大、缩小、漫游等放大、缩小、漫游等 图层控制增加、移走、设置当前层增加、移走、设置当前层 属性数据绑定有有 1 通过鼠标选取特征1 通过鼠标选取特征 地图信息查询方式2 通过s q l 查找特征2 通过s q l 查找特征 3 通过空间操作选取特征3 通过空间操作选取特征 专题地图较弱有 g p s 集成有有 用户绘图图层无 有 生成，编辑地图对象较弱较弱 地图标注有有 地图符号化较弱较强 分析功能无 无 地理编码有有 v c 、v b 、p o w e r b u i l d e r 、v c 、v b 、p o w e r b u i l d e r 、 可使用的开发语言 d e l p h i 、a c c e s s 等d e l p h i 、l o t u sn o t e s 等 m a p o b j e c t s 和m a p x 的主要功能对比 4 专家系统( e s ) 与地理信