（环境工程专业论文）基于gis的渭河流域水污染控制决策支持系统.pdf

摘要 渭河是黄河流域的一级支流，为陕西省的经济发展做出了巨大的贡献。然而 随着渭河流域水质质量的严重恶化，对渭河流域水环境信息管理工作提出了更高 的要求。本研究受陕西省自然科学基金资助，综合运用环境信息系统和计算机等 先进技术为渭河流域水环境信息管理工作提供帮助。 本研究以决策支持系统d s s 、地理信息系统g i s 、数据库系统d b s 等理论 为基础，结合较成熟并适用的各种水质模型，建立了渭河流域水污染控制决策支 持系统。论文对决策支持系统和地理信息系统的基本概念以及国内外研究现状进 行了阐述，明晰了研究的目的和意义。以结构化的系统分析方法，展开对渭河流 域决策支持系统的种种分析，详细说明了系统的目标。在系统分析基础上，说明 了系统总体功能、系统数据库以及各子系统功能的详细设计方法。为了更好的对 流域水环境进行管理，系统在模型库中采用各种水质模型对流域水质信息进行全 面的评价和预测。除常规模型外，本文还引入了模糊数学理论和灰色理论，分别 建立了模糊综合评价模型及灰色预测模型，并采用渭河流域实际监测值进行分 析，而分析结果证明了模型的准确性和合适性。本文在系统开发环境上采用了面 向对象的程序设计语言v i s u a lb a s i c 6 0 ，集成m a p l n f o 以及m a p x ，最终实现了 信息录入、数据处理、信息检索、信息统计、水质评价、水质预测、成果输出、 系统管理等诸多功能。本系统的研究开发对流域水环境信息管理领域进行了尝试 和探讨，并为渭河流域水环境管理提供了有力的工具。 本研究受陕西省自然科学基金资助，项目编号为：2 0 0 4 g 1 2 关键词：决策支持系统、地理信息系统、模糊综合评价、灰色理论 a b s t r a c t w e ir i v e ri sat r i b u t a r yo ft h eh u a n gr i v e ra n di tg i v e sal o to fc o n t r i b u t i o n st o t h ee c o n o m yo fs h a a n x ip r o v i n c e u n f o r t u n a t e l y , a st h ew a t e ro fw e ir i v e rh a sb e e n g r e a t l yp o l l u t e d i nt h e p a s t f e wy e a r s ，m o r ea d v a n c e dw a t e re n v i r o n m e n t a l i n f o r m a t i o ns y s t e mi sn e e d e d t h ep u r p o s eo ft h i sp r o g r a ma s s i s t e db yt h en a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a a n x ip r o v i n c ei st oi m p r o v et h ep r e s e n tm a n a g e m e n tb y m e a n so fa d v a n c e dt e c h n o l o g i e s ，s u c ha se n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rs c i e n c e b a s e d0 1 1t h ed e c i s i o ns u p p o r t s y s t e m ( d s s ) ，g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) ，d a t a b a s es y s t e m ( d b s ) ，c o m b i n e d 谢t l la d v 锄c e da n da v a i l a b l em o d e l o f w a t e r q u a l i t ye v a l u a t i o n , t h i sr e s e a r c he s t a b l i s h e dw e i r i v e rv a l l e yw a t e rp o l l u t i o n c o n t r o ld e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m t h et h e s i sd i s s e r t a t e st h eb a s i cc o n c e p to f d e c i s i o n s u p p o r ts y s t e m , g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e ma n dd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l p r e s e n tr e s e a r c hc o n d i t i o n s ，i l l u s t r a t e st h ep u r p o s ea n dm e a n i n g s t h i st h e s i ss t a r t s w i t hs y s t e ma n a l y s i s ，a n a l y z e sm a n yf a c t o r so fw e ir i v e rd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m , t h e ni tp r e s e n t st h eg e n e r a lo b j e c tf o rt h es y s t e m b a s e do nt h es y s t e ma n a l y s i s ，t h i s t h e s i sc o m p l e t e st h ed e t a i l e dd e s i g nm e t h o do fs y s t e mg e n e r a lf u n c t i o n , s y s t e m d a t a b a s e ，a n dt h ef u n c t i o no fe a c hs u b s y s t e m i no r d e rt om a k et h ew a t e re n v i r o n m e n t m a n a g e m e n tb e t t e r , i ti sn e c e s s a r yt oa p p l ya l l k i n d so fw a t e rq u a l i t ym o d e l st o e v a l u a t eo rf o r e c a s tt h eq u a l i t yo ft h ew a t e ro fw e ir i v e rr o u n d l yi nt h em o d e lb a s e t h i sp a p e ri n t r o d u c e sf u z z ym a t ht h e o r ya n dg r e yt h e o r ya f c ri n t r o d u c e dt h e c o n v e n t i o n a lm o d e l s ，e s t a b l i s h e st h ef u z z ys y n t h e t i c a le v a l u a t i o nm o d e la n dg r a y p r e d i c t i o nm o d e l a n da n a l y z e sw i mt h ep r a c t i c a lo b s e r v i n gd a t ao fw e ir i v e r t h e f i n a lr e s u l t so ft h ea n a l y s i sp r o v e dt h ea c c u r a c ya n da p p r o p r i a t e n e s so ft h em o d e l s w i t hv i s u a lb a s i c 6 0a n dm 印h l f o m a p x ，t h es y s t e ma c h i e v e sf u n c t i o n so fi n p u t t i n g i n f o r m a t i o n , t r e a t i n gd a t a , s e a r c h i n gi n f o r m a t i o n , w a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o n , w a t e r q u a l i t yp r e d i c t i o n , o u t p u t t i n gr e s u l t s a n ds y s t e mm a n a g e m e n t t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ta r et r ya n dd i s c u s s i o no f t h ew e ir i v e rw a t e re n v i r o n m e n tm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n s y s t e m , a l s o i t p r o v i d e s ap o w e r f u lt o o lf o rw e ir i v e rw a t e r e n v i r o n m e n tm a n a g e m e n t t h et h e s i sa s s i s t e db yt h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a a n x ip r o v i n c e t h e n u m b e ri s2 0 0 4 g 1 2 k e yw o r d ：d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，f u z z y s y n t h e t i c a le v a l u a t i o n ，g r e yt h e o r y i 西北工业大学硕士 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：兰16指导教师签名 洳面年；h ，2 日；月卵日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他己申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：兰! 壹 溺。| 年 h2 5 日 西北工业大学硕士学位论文前言 刖舌 水是人类及一切生物赖以生存的必不可少的重要物质，同时也是工农业生 产、经济发展的极为宝贵的自然资源。但是随着工业的发展，人口的增加，社会 需水量大幅度增加，水量短缺现象非常严重。据联合国调查，由于污水的任意捧 放，全世界河流稳定流量的4 0 0 , 6 受到污染，有的国家受污染的地表水达7 0 0 , 6 。 耗水量的增加和水污染加剧导致全球性的水源危机。 我国是多河流分布的国家，但是由于经济社会高速发展中人类活动影响过 剧，我国当前正面临着严峻的水环境问题。目前，我国各类水体普遍污染，污染 事故时有发生。中国环境监测总站的最新检测报告1 2 0 0 5 年6 月份) 称，我国七大 水系，水质达到i 到i i l 类水体的占4 9 2 ，到v 类( 受污染水质，不能用作 饮用水源) 水体的占2 8 5 ，劣五类( 已丧失直接使用功能) 水体的占2 2 3 ； 辽河、淮河、松花江、黄河水系水体中度污染，海河污染严重。湖泊水库中满足 i i 类水质的湖库有7 个，占2 6 9 ；i v v 类水质湖库有9 个，占3 4 6 ； 劣v 类水质湖库有l o 个，占3 8 5 。水环境问题不仅威胁人民群众的健康，并 且已经成为我国国民经济和社会可持续发展的重要制约因素之一。 为了保护和改善水环境，达到最大限度地减轻水污染危害以及因此造成的损 失，除了要加大污染源的治理力度和行政监督管理外，还要加强水环境管理的建 设。在以改善环境质量，促进经济、社会与环境的协调发展为主题的2 l 世纪， 随着社会的进步，传统的环境管理方式越来越无法满足经济可持续发展的要求。 伴随着新的管理理念、新的管理工具和技术的引入，环境管理技术也得到了飞速 发展，信息技术也引入了环境管理中，并成为一种有力的工具和手段。运用现代 信息技术管理环境信息，克服了以往管理手段的不足，顺应了信息系统发展的新 趋势，为我们更好地开发和利用信息资源提供了技术上的支持和保证。 环境决策支持系统e d s s 是环境信息系统的高级形式，是在环境管理信息系 统e m i s 的基础上，使决策者能通过人机对话，直接应用计算机处理环境管理工 作中的未定结构化的决策问题。它为环境决策者提供了一个现岱化的决策辅助工 具，并且提高了决策的效率和科学性。地理信息系统g i s 是6 0 年代发展起来的， 它是在计算机系统的支持下，用计算机数掘库技术对空间信息进行存储、分析和 评价以及辅助决策的计算机硬件和软件系统。近年来，地理信息系统g i s 与数学 模型的系统集成已广泛应用于城市交通、防洪管理和流域管理等。本研究就是运 塑! ! 三些查堂堡主兰垡堡壅 萱童 用地理信息系统和环境模型的系统集成技术、数据库技术，以监测数据为基础， 基于g i s 平台和组件，利用开放式面向对象开发环境，开发一套流域决策支持系 统。它实现对流域( 包括地表水、地下水、水量、水环境、取排水等) 的动态监 测、数据采集、实时传输和信息存储管理，并结合特定流域的社会、经济、人口、 环境等情况和生活、工农业等对水资源的需求，实现对流域水资源的远程调配控 制和智能管理，以支持流域水资源日常管理办公自动化。 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 渭河是黄河流域最大的一级支流，全长8 1 8 公里，流经陕西后进入黄河。它 横贯关中平原，流域内有宝鸡、咸阳、西安、铜川、渭南等重要的大中城市以及 杨凌农业示范区，流域内人口2 2 0 0 万，是陕西的母亲河。渭河流域是沟通我国 东、西部，连接欧亚大陆的咽喉要道，在我国实行西部大开发战略中具有重要的 地位和作用。 但是，近年来，由于社会经济的快速发展，出现了渭河水量偏枯等一系列问 题，造成渭河水环境日趋恶化，而其中，渭河水体污染问题尤为突出。在陕西省 境内，渭河是宝鸡、西安、咸阳、渭南等4 个重要城市工业企业的主要水源，这 4 个城市辖区内的8 0 0 0 多个企事业单位分布在渭河两岸。大量的工厂每年通过 8 5 个排污口向渭河排放工业废水3 亿吨。污水排放量是流域量的3 倍! 沿河的 大中城市，除了西安有个日处理能力2 7 万吨的污水处理厂外，没有一个城市有 生活污水处理厂。滋润“8 0 0 里秦川”的渭河，污染程度已高居陕西省六大江河之 首，4 0 0 余公里的渭河干流，均为v 类( 污染严重，无法使用的水) 或超v 类( 污染 最严重，水质最差) 水。渭河水体的严重恶化，引起了整个流域的生态环境的失 调，严重的阻碍了我省的经济与社会的可持续发展。而在对渭河流域的管理进行 充分调查的基础上了解到渭河流域信息管理现状分析如下： ( 1 ) 没有统一的数据管理平台。流域水环境数据存储格式多种多样，并且表 现形式以单一繁杂的文档形式为主，查询、检索困难，造成数据信息缺乏有效管 理： ( 2 ) 信息利用不充分。目前对于流域信息的利用主要停留在基本的查询、统 计以及简单的分析上，而没有利用数据进行深层次的挖掘，从而不能对水环境进 行科学评价及预测等，不能很好地为流域管理者的决策服务； ( 3 ) 数据安全没有保障，缺乏必要的系统及数据安全防护措施。 ( 4 ) 系统应用和局域网建设落后 流域业务管理水平停留在单机操作系统，使用d b a s e 和f o x p r o 等单机桌面 数据库，严重滞后于信息技术的发展。同时，c s ，b s 局域网没有得到应用， 系统数据共享和跨平台操作能力差。 亘! ! 三些盔堂堡主兰堡丝茎星二兰堡垒 在这种情况下，对流域的整体环境治理已迫在眉睫，而对渭河水系统的规划 和管理首当其冲。 1 2 研究现状及趋势 早期的决策支持系统是在管理科学和运筹学的基础上发展起来的，运用于模 型辅助决策【“，有着很大的局限性。随着计算机技术以及新兴的人工智能、各种 分布式技术、数据仓库和数据挖掘、联机分析处理等技术的发展【2 3 1 ，决策支持 系统处于最新发展阶段，它正向分布式、智能化、综合性方向延伸。它广泛应用 于企业管理、系统开发、资源管理、投资规划等方面。在国外，决策支持系统已 经进行实际应用，并成为一种正规的、普遍使用的信息系统。在我国，决策支持 系统也正广泛应用于各个领域。 当前，人们将决策支持系统应用于水资源管理领域，以解决水环境管理工作 中出现的问题，实现合理地使用水资源、控制水污染。欧美国家在2 0 世纪8 0 年 代末就在这方面有了较大的发展，如加拿大m a n i t o b a 大学开发的i d s s r e z e s 就取得了较好的效果。而我国虽然起步较晚，可是近年来发展较快，已经出现了 一些基于决策支持系统的水环境及流域管理的理论研究，并已经投入实际应用 中。如梁文斌等建成的京津唐水资源规划决策支持系统，以及2 0 0 0 年广东环境 信息中心开发的“东深流域水环境管理辅助决策系统”。这些研究为监控和管理流 域的水质情况、提供保护决策提供了有力的帮助。因此，随着相关技术的不断成 熟，决策支持系统已经成为水环境综合管理中不可缺少的组成部分。 由于流域水环境决策问题不可避免地涉及到地理空间位置和环境模型，因此 通过环境模型与3 s ( 地理信息系统g i s ，遥感r s ，全球定位系统g p s ) 技术耦 合以完善决策支持功能，实现水环境信息的可视化和共享化已经成为当前研究的 热点【4 】。我国目前已有理论研究和实际应用的系统出现，如广州市城市环境管理 信息与决策支持系统，基于g i s 的汉江水污染信息管理系统等。 1 3 研究目的和意义 基于g i s 的渭河流域决策支持系统的建立目的是实现渭河流域水质信息的 采集、处理、分析、存储、评价、预测、决策和管理的智能化。随着全球网络信 息化的发展，信息己成为了人类社会发展的核心。面对越来越迫切的对快速、有 效的环境信息的需求，对环境信息系统的要求越来越高。因此结合数据库、地理 信息系统等技术建立起一个高度集成、功能齐全、实用性强、技术先进的决策支 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 持系统，对于提高渭河流域环境管理的工作效率和决策水平具有重要的意义。决 策系统的建立研究了地理信息系统g i s 与环境模型的集成方法，充分利用g i s 的分析及管理功能把现有的水系、水文、以及多年的水质资料存储在软件中，可 快速、直观地查询和预测水质情况，提供水环境图文资料，并创建了一个界面友 好、可视化的系统软件来进行流域动态管理，为渭河流域的管理者提供了清晰明 了、简单实用的管理软件工具，使他们更科学、更系统的进行流域信息管理，从 而改善落后的信息管理现状，为合理的利用流域资源提供强有力的技术支持。 1 4 研究的主要内容和论文结构 为了给陕西省渭河流域的管理者提供帮助，解决渭河污染治理问题，本文通 过对渭河流域陕西全段进行现场调研，并取得水质数据后，建立了“基于g i s 的 渭河流域水污染控制决策支持系统”。本系统将地理信息系统g i s 和决策支持系 统d s s 集成应用于渭河水环境信息系统项目，从而对g i s 和d s s 集成进行了开 发研究，给出了解决方案。系统的主要任务是实现系统的结构和功能设计，并且 包括决策支持功能部分的模型库和数据库的设计与实现，其中重点研究了环境综 合评价的模糊数学模型和灰色预测模型的设计和实现，最后完成系统的界面编程 开发工作。 。 本论文共分为六章，具体如下： 第一章为绪论，介绍了陕西省渭河水环境及其管理的现状和面临的问题，以 及本论文所要研究的主要内容、目的与意义。 第二章为相关理论介绍，包括决策支持系统d s s 和地理信息系统g i s 的定 义与特征、发展与趋势、结构与功能等。 第三章为本系统设计的详细介绍，包括系统的设计原则、设计目标、基本结 构、基本功能和开发环境与工具等。 第四章为系统模型库的介绍，包括系统中模型库的设计以及具体的数学模型 如模糊评价模型和灰色预测模型在渭河信息系统中的应用，并对其应用结果进行 分析。 第五章为系统的具体实现，将介绍系统的各个子系统的界面情况以及它们具 体的功能和用法。 第六章为结论和展望，对论文工作进行了总结。指出了本次开发研究工作所 取得的主要成果以及需要继续完善的方面，为本课题的进一步深入研究指明了方 向。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 本文受陕西省自然科学基金资助，基金项目编号为：2 0 0 4 g 1 2 。 6 西北工业大学硕士学位论文第二章决策支持系统和地理信息系统的综述 第二章决策支持系统和地理信息系统的综述 2 1 决策支持系统o s s 概述 2 0 世纪7 0 年代末期，科学界对应用系统分析、传统运筹学、管理信息系统 进行了认真的反思，并得出一个重要的结论：系统分析人员和信息系统本身不能 取代决策者做出决策，支持决策者才是他们正确的定位。于是在这样的结论下， 一种新的用于管理的信息系统：决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t c m , d s s ) 诞生了。迄今为止，d s s 已经取得了迅速的发展，成为系统工程、管理科学、人 工智能等领域十分活跃的研究课题i ”。 2 1 1 决策支持系统的概念和特征 ( 1 ) 决策支持系统的概念 决策支持系统是2 0 世纪7 0 年代初提出的一个新概念，作为一个仍在发展、 尚要不断完善和补充的理论体系及应用系统，它的严格的定义还需要进一步的探 讨。虽然d s s 目前还没有严格确定的定义，人们对它的理解有差异，但是这些 看法还是有共同之处。我们认为： 决策支持系统是支持半结构化决策问题的信息系统。它以管理科学、计算机 科学、行为科学和控制论为基础，以计算机技术、人工智能技术、经济数学方法 和信息技术为手段，面对半结构化的决策问题，是支持中、高级决策者的决策活 动的一种人机系统【叼。总的来说，它能为决策者迅速而准确地提供决策需要的数 据、信息和背景资料，帮助决策者明确目标，建立和修改模型，提供备选方案， 评价和优选各种方案，通过人机对话进行分析、比较和判断，为正确决策提供有 利支持。 ( 2 ) 决策支持系统的特征 d s s 的主要特点如下： 面向决策者：d s s 的输入和输出、起源和归宿都是决策者。 主要解决半结构化问题：半结构化的决策问题，既要利用自动化的数据处理， 又要靠决策者的直观判断。因此，对人的要求不同于传统的数据处理信息系 统。 。 强调支持的概念：d s s 是为决策者扩展做出决策的能力，而不是取而代之， 7 堕些工业大学硕士学位论文 第二章决策支持系统和地理信息系统的综述 人是决策的主体。 模型驱动：d s s 把模型引入软件系统嗍，这是与以往的管理信息系统的重要 区别。半结构化的决策问题，其求解方法和求解过程是不完全明确的。因此， 想要解决问题，首要的任务就是确定系统的模型。模型是推动系统运行的关 键因素。 交互式的处理方式：d s s 对用户和环境有较强的适应能力，能使非计算机专 业人员易于以对话方式使用，协助和支持决策者做好决策。 2 1 2 决策支持系统的发展现状和趋势 自上世纪7 0 年代提出决策支持系统d s s 以来，d s s 得到了极大极快的发展。 早期的它是在管理信息系统的基础上发展起来的。管理信息系统是一个由人、计 算机等组成的、能进行管理信息的收集、传递、存储、加工、维护和使用的系统 1 1 0 o 但是它只能帮助管理者对信息作表面上的组织和管理，而不能把信息的内在 规律更深刻地挖掘出来为决策服务。而决策支持系统则是为各级管理者提供服务 决策的能力，它是管理者应用数量模型解决环境中所面l 临的日常问题的主要手 段。 从决策支持系统d s s 概念的提出至今，d s s 本身已经历了不同的发展阶段。 1 早期的d s s ：早期的d s s 指的是7 0 年代中期以前的d s s 。那时尽管已经在 理论上提出了决策支持系统的概念，而且当时的d s s 采用各种定量模型，在定 量分析和处理中发挥了巨大作用，它也对半结构化和非结构化决策问题提供支 持，但它实际上支持的仅仅是决策过程中结构化和具有明确过程性的部分。随着 决策环境日趋复杂，d s s 的局限性日益突出，如：系统在决策支持中的作用是被 动的，不能根据决策环境的变化提供主动支持，对决策中普遍存在的非结构化问 题无法提供支持，以定量数学模型为基础对决策中常见的模糊问题和不确定性问 题缺乏相应的支持解决手段 1 l - 1 5 】。 2 智能化的d s s ：8 0 年代以来，随着知识工程、人工智能、专家系统、数据仓 库、数据挖掘、i n t e m e t 等技术的不断创新，决策支持系统也向智能化、分布式 和集成化方向发展。针对不同对象，相应地可以增加知识库、专家库、数据仓库， 以及基于w e b 技术的多智能体等模块，使决策支持系统的功能越来越强大，所 提供的决策更精确。与传统d s s 相比，现有的d s s 除了在定量分析上有提升外， 对于决策中的半结构化和非结构化的问题也提供一定的定性分析支持【1 6 l 。新技术 的运用增强了d s s 的效能，提高了决策支持的质量，极大丰富了d s s 的信息存 取和信息处理能力，同时使d s s 在军事、政府、工程规划、制造等领域受到越 8 西北工业大学硕士学位论文第二章决策支持系统和地理信息系统的综述 来越多的关注。当前，将自然语言处理和语音处理技术、专家系统、人工神经网 络等智能技术集成起来，进行智能决策支持系统( i d s s ) 研究与开发应用，已经成 为该领域中最有生命力、最有前途的方向。 3 群体决策支持系统( g r o u pd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，g d s s ) ：个体d s s 是 g d s s 的基础，群体决策比个体决策更合理、更科学。只是在个体d s s 的基础 上，要增加一个接口操作环境，从而支持群体成员更好地相互作用。 4 行为异向的d s s ：它的主要研究对象是人，而不是以计算机为基础的信息处 理系统，主要是利用对决策行为的引导来支持决策，而不仅仅是用信息支持。这 种决策支持系统能够为人类最终解决决策问题提供更先进的帮助，只是在当前的 技术范围内，这种设想还无法得到实现。 2 1 3 决策支持系统的基本部件和系统结构 随着科学技术水平的发展，实现决策支持的方法也会越来越先进，但是当支 持方法的水平不同时，所要求的决策支持系统也会有所不同。因此如同决策支持 系统d s s 的定义一样，不同时期的d s s ，它的基本结构也具有一定的差异性。 但是对决策支持系统进行深入研究后，我们会发现尽管d s s 在形态上表现出 了多样性，但是它们在结构上都有一个基本特征，那就是集成性；而对一些比较 成功的不同形态的d s s 进行分解后又会发现，d s s 包括几个特性十分明显的基 本部件。这几个部件分别是：人机接口，数据库，模型库，知识库和方法库。与 之对应，在这些部件的基础上又开发了各自的管理系统，即对话管理系统，数据 库管理系统，模型库管理系统，知识库管理系统和方法库管理系统。由这些模块 的不同组合和集成，最终构成了不同形态的决策支持系统【l ”。 最初级的智能决策支持系统i d s s 的结构是被称为四库三功能的逻辑结构。 如图2 1 所示：用户通过人机接口输入要解决的决策问题和数据，系统根据知识 库中已有的知识与用户交互，直到决策问题明确，然后系统选择适用的模型，通 过调用模型计算出分析结果，最终提交给用户。 而最典型的智能d s s 的结构是由三个子系统构成，它们分别是语言系统l s ， 问题处理系统p p s 和知识系统k s ，如图2 - 2 所示。语言系统l s 是一种载体， 是一种传输信息的手段。而问题处理系统p p s 的主要功能是接受问题，然后获 取按k s 表示规则组织的知识，从而产生信息支持决策过程。这种系统又被称为 3 s 系统，而它的关键技术是自然语言处理，这项工作由l s 和p p s 共同完成。 9 西北工业大学硕士学位论文第二章决策支持系统和地理信息系统的综述 图2 - 1 四库三系统的系统结构图 i 。? i 知识系统k s ：j 图2 - 2 典型智能d 镐的基本结构 2 2 地理信息系统g i s 概述 决策支持系统应用于流域环境问题中，给环境管理者提供决策支持帮助。这 样就不可避免地涉及到地理空间位置问题，所以地理信息系统成为流域环境决策 支持系统中的重要角色。地理信息系统作为一门新兴的边缘学科正在世界范围内 日益广泛地得到应用，并且正在形成一个独特的行业而得到用户的认可。它不仅 是进行资源普查、区域开发规划、国土管理规划、环境保护、灾害预测与防治以 及城市规划和调度决策管理的根本基础，也是政府、企业，公司进行现代化管理 及预决策的强有力手段，有着广阔的应用前景。 2 2 1 地理信息系统的定义与特征 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是一种在计算机软硬 l o 西北工业大学硕士学位论文第二章决策支持系统和地理信息系统的综述 件技术支持下采集、存储、管理、检索和综合分析各种地理空间信息，以多种形 式输出数据或图形产品的计算机系统。它的内涵是由一些计算机程序和各种地学 信息数据组合而成的可显示空间信息的模型。通过这些模型，可以从视觉、计量 和逻辑上对现实空间从功能上进行模拟，通过计算机程序的运行和各类数据的变 换还可以对各类信息变化进行仿真。总之，g i s 就是综合处理和分析空间数据的 一种技术系统【娜。 地理信息系统g i s 是横贯计算机科学、信息学、遥感科学、测量学、地图学、 地理学、资源学、环境学等学科的一门学科。它的核心是计算机科学，基本技术 是数据库、地图可视化及空间分析技术，与其他信息系统相比，g i s 具有以下特 点： g i s 的处理对象是地理数据。其中地理数据包括属性数据和空间数据。空间 数据库技术是g i s 技术的核心。而g i s 数据管理的基本思想是利用空间坐标 来表达实体的空间位置。 g i s 提供了地理数据采集、存储、显示、操作、分析、建模、输出等工具。 利用这些工具g i s 实现了一些其他信息系统无法实现的功能，如空间位置的 表达、最佳路径选择、工程影响预测等。 g i s 实现了地图实体与其属性数据库的关联。通过建立两者间的关联关系， 可以实现图形数据与属性数据的同步查询、统计和分析，这是g i s 与其他图 形系统的主要区别之一 2 2 2 地理信息系统的发展与趋势 地理信息系统的存在与发展已经历经3 0 余年，用户的需要、技术的进步、 应用方法论的提高，以及有关组织机构的建立等因素，深深地影响着地理信息系 统的发展。综观g i s 的发展，它的发展可以分为以下几个阶段1 1 9 - 2 0 l ： ( 1 ) 6 0 年代为地理信息系统开拓期，注重于空间数据的地学处理。地理信息 系统萌芽于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 2 年加拿大的r o g e ret o m l i n s o n 提出利用数字 计算机处理和分析大量的土地利用地图数据，并建议加拿大土地调查局建立地理 信息系统，以实现专题地图的叠加、面积量算等。与此同时，美国的d u a n ee m a r b l e 在美国西北大学研究利用数字计算机研制数据处理系统，以支持大规模 城市交通研究，并提出建立地理信息系统软件系统的思想。另外许多大学研制了 一些基于栅格系统的软件包，如哈佛的s y m a p 、马里兰大学的m a n s 等。这个 时期，国际地理联合会的成立、专家兴趣以及政府的推动对地理信息、系统的发 展起着积极的引导作用。 西北工业大学硕士学位论文第二章决策支持系统和地理信息系统的综述 ( 2 ) 7 0 年代为地理信息系统的巩固发展期，注重于空间地理信息的管理。1 9 7 2 年，c g i s 全面投入运行和使用，成为世界上第一个运行型的地理信息系统。地 理信息系统开始走向实用的发展时期。美国、加拿大、瑞典和日本等国家投入大 量的人力、物力和财力进行g i s 的研究工作。这个时期地理信息系统发展的总体 特点是：地理信息系统在继承6 0 年代技术基础之上，充分利用了新的计算机技术， 但系统的数据分析能力仍然很弱；地理信息系统技术方面未有新的突破；系统的 应用与开发多限于某个机构；专家个人的影响削弱，而政府影响增强。 ( 3 ) 8 0 年代为地理信息系统技术大发展时期，注重于空间决策支持分析。由 于计算机技术的飞速发展，地理信息系统的应用领域迅速扩大，从资源管理、环 境规划到应急反应，从商业服务区域划分到政治选举分区等，涉及到了许多的学 科与领域，如景观生态规划、森林管理以及计算机科学等。一些发达国家开始把 地理信息系统用于国土规划、支持资源与环境管理系统，同时发展中国家也开始 引进、应用和开发自己的地理信息系统。这个时期地理信息系统发展最显著的特 点是商业化实用系统进入市场，如a r c i n f o ，g e n a m a p ，m a p i n f o 等。 ( 4 ) 9 0 年代为地理信息系统的用户时代。一方面，地理信息系统已成为许多 机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影 响而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。另一方面，社会对地理信 息系统认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致地理信息系统应用的扩大与深 化。国家级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题，例如地理信息系 统己列入美国政府制定的 言息高速公路”计划；我国的2 l 世纪议程”和“三金工 程”也包括地理信息系统。 从“六五”到“八五”期间，我国的g i s 技术得到了长足的发展。特别是“九五， 期间，原国家科委将g i s 作为独立课题列入“重中之重”科技攻关计划，给予了充 分的重视和支持，技术发展速度明显加快，g i s 基础软件技术支持得到了全面的 加强，出现了一批有水平的技术成果和产品。如空间数据采集方面的扫描数字化 技术、数字摄影测量技术等已达到与国外相当的水平；地图出版技术已经超过国 外的g i s 软件：小型g i s 基础软件的整体设计水平己经接近国外水平。 近年来地理信息系统技术发展迅速，其主要的原动力来自日益广泛的应用领 域对地理信息系统不断提高的要求，另一方面，计算机科学的飞速发展为地理信 息系统提供了先进的工具和手段，许多计算机领域的新技术，如面向对象技术、 三维技术、图像处理和人工智能技术都可直接应用到地理信息系统中。下面是当 前地理信息系统研究中的几个热点研究领域：g i s 中面向对象( o b j e c to r i e m e d ) 技 术研究、时空系统( s p a t i ot e m p o r a ls y s t e m ) 、地理信息建模系统( g e o g r a p h i c 1 2 西北工业大学硕士学位论文第二章决策支持系统和地理信息系统的综述 i n f o r m a t i o nm o d e l i n gs y s t e m ，g i m s ) 、三维g i s 的研究、开放式地理信息系统 ( o p e n - g i s ) 、基于i n t e r n e t 的地理信息系统一w e b g i s 、组件式地理信息系统 - - c o m g i s 。总之，由于地理信息在人类生活和国民经济中的重要作用，地理信 息系统在未来的几十年中将保持高速发展的势头，成为高科技领域的核心技术 【2 l - 3 0 l 。 2 2 3 地理信息系统的组成和功能 从计算机科学角度看，完整的地理信息系统g i s 至少由四个主要部分组成， 即g l s 硬件系统、g i s 软件系统、g i s 地理空间数据以及系统的组织管理人员。 其中，硬件和软件系统是g i s 的核心部分，空间数据库可以用来表达地球表层的 地理数据，而g i s 的管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表达方式。另 外，由于地理信息系统g i s 不同于一般的管理信息系统，它是一个集空间型、管 理型于一体的信息系统，具有数据存储量大、功能繁多、处理复杂、规模宏大等 特点。因此，根据g i s 的特点选择能满足其功能要求的合适的运行环境，也是决 定该g i s 能否充分发挥其效率的关键问题之一。如图2 3 所示。 在面对不同的用户需求时，g i s 需要采用不同的功能实现，但大多数商用 g i s 软件包都提供了如下功能：数据的获取( d a t aa c q u i s i t i o n ) 、数据的初步处理 ( p r e l i m i n a r yd a t ap r o c e s s i n g ) 、数据的存储及检索( s t o r a g ea n dr e t r i e v a l ) 、数据的 查询与分析( s e a r c ha n da n a l y s i s ) 、图形的显示与交互( d i s p t a ya n di n t e r a c t i n g ) 。 图2 - 3 地理信息系统g i s 的基本组成 亘j ! 三些奎堂堡主兰垡笙茎墨三兰壅箜塞堑墨堑塑丝堡生垦至堕塑堡堕 2 2 4 地理信息系统的常用专业软件及开发方式 在地理信息系统g i s 的应用系统开发过程中，存在着很多的开发软件和开发 方式。国内开发软件有g e o s t a r 、v r m a p 等，国外开发软件有e s r i 公司的觚g i s 和m a p l n f o 公司的m a p i n f o 系列等。 其中m a p l n f o 系统是美国m a p i n f o 公司研制的地理信息系统软件，它的系列 软件产品有：m a p l n f o p r o f e s s i o n a l ，m a p l n f om a p x ，m a p l n f os p a t i a l w a r e ，m a p x t r e m e 等。m a p l n f o 系统是一个基于矢量数据结构的桌面地图系统，具有强大的数据可 视化功能，使用简单，价格低廉，非常适合广大普通用户对地理信息系统的需求。 因此m a p l n f o 很快在资源环境管理、城市规划、商业管理、交通运输、军事公安 等得到了广泛应用。 a r c g i s 是e s l u 推出的全新g i s 平台系列软件，它继承了e s r i 产品强大的 空间数据管理和分析能力，同时还全面采用了工业标准的和开放的主流i t 技术。 a r c g i s 的客户端产品包括a r c v i e w 8 ，a r c l n f oe d i t o r , a r c l n f op r o f e s s i o n a l 以及 a r c l m s 的客户端v i e w e r 等。 g e o s t a r 是武汉吉奥信息工程公司开发的地理信息系统软件。g c o s t a r 系列软 件最具独特的特征在于矢量数据、属性数据、影像数据、d e m 数据高度集成。 其主要产品包括：g e o s t a r 系统主模块、g c o g r i d 三维再现软件、g e o t i n 三角网构 建模块、g e o l m a g e r 遥感图像处理系统、g e o l m a g e r d b 影像数据库、c y b e r c i t y g i s ( c c g i s ) 数码城市制作系统、g e o m a p 二次开发空间和g e o s u r f 网络地图构建工 具等。 地理信息系统g i s 的开发方式主要有三种，即独立开发、单纯二次开发和集 成二次开发。独立开发是指不使用任何g i s 工具软件，而是单纯利用高级语言软 件编程完成，这种方式的优点在于无须依赖任何商业g i s 工具软件，减少了成本， 但缺点同样明显，大多数开发者受到能力、时问、财力方面的限制使其虽然花费 很大的心血，但是开发出来的产品功能仍然较差；单纯二次开发是指使用g i s 软件提供的开发语言来进行g i s 应用系统开发，如a r c v i e w 提供的a v e n u e 语言 和m a p i n f o 提供的m a p b a s i c 语言等，这种方式较简单，但进行二次开