（地图学与地理信息系统专业论文）崇明东滩海岸带生态系统管理平台的设计与开发.pdf

i i o 乙天它w u ! i 3 ! b q s u b q s 蠹u ! i - u b 人n q z ：9 l b n p b j o 暑u 它天一暑u o q zo n 0 ：f ! ：j o s ! a j a d n s s u ! u ! u ib 1 b p1 2 1 1 e d s ：p 1 9 1 dj o 即i n 9 s 天su 0 1 1 它u i j o j u i3 j q d 它蝠0 9 0p i i b 天i i d b 塌0 1 j 它3 ：石1 i b l 3 3 d s 天i i d b 蝠0 9 0 ：1 u 3 u j l j b d 3 q l，77、-i u i j o j ，b i ds u ! s b u e i ni i i a l s 天s 0 3 i b l s b 0 3 u b 工s u o qs u ! w s u o q 3j o1 u a d o l 9 a 3 qp u u s ! s 3 q 删 t 7 0 1 0 8 0 8 0 is 。o n i1 0 乙u 0 1 1 b u a s s ! qs w ( 6 9 乙0 i 。o n ) 1 1 s 妁a ! u ni 阻u i o nb u ! q 33 s b 日 0，o；p0j； 鼍ri秽x ，： 、1-够 p ，i矗”r、j-“囊_， il、“v、 fit；f，h，；tlll ol￥*|i。fo，吐，p蠡!， ，。0；h 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文崇明东滩海岸带生态系统管理平台的设计 与丌发，是在华东师范大学攻读魄土博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导 下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均己在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 同期：2 0 i | 年5 月2 午日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 崇明东滩海岸带生态系统管理平台的设计与开发系本人在华东师范大学 攻读学位期间在导师指导下完成的砸左博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研 究成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此 学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位 论文的印刷版和电予版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查 阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进 行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理 复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 、) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名本人签名基丝煎 y i 1 年土7 月珥日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定 过的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方 为有效) ，未经上述部i 、j 审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权) 。 朱燕玲硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 吴健平教授华东师范大学主席 陆衍高工上海市地质调查研究院 叶属峰教授国家海洋局东海分局 益建芳副教授华东师范大学 张立副教授华东师范大学 余柏蒗讲师华东师范大学秘书 。扛东| j f l j 范人学2 0 1 l 届硕i j 学位论文摘要 手茼要 海岸带位于海陆之问的过渡地带，而海岸带生态系统受到海陆两类生态系统 物质、能量、结构和功能体系的影响。因此，一方面海岸带生态系统具有丰富的 初级生产力、较高的生物多样性；另一方面它受到两种生态系统高频率的扰动， 稳定性较差，属于脆弱生态系统。全世界4 5 万k m 的海岸线上居住了大量的人 口，我国7 0 以上的特大城市都集中在海岸带区域。大量人口由内地迁往沿海以 及人类对于海洋的丌发利用，使得海岸带地区出现了能源过度消耗、环境污染、 生态破坏等问题。崇明东滩海岸带位于上海崇明岛的东端，其中有国家级自然保 护区一崇明东滩鸟类自然湿地保护区，崇明东滩海岸带的建设发展在上海社会经 济发展中起到至关重要的作用。 “3 s ”技术的发展使得“数字海洋”提到议程上来，“数字海洋”涉及海量的 与空间有关的数据，这就要借助于数据挖掘的方法对海量数据进行管理。本文在 现有2 0 0 3 年和2 0 0 5 年崇明东滩海岸带资料的基础上，以空间聚类与b p 网络为 基础，基于a r c g i se n 西n e 的组件式g i s 开发，借助v i s u a ls t u d i o n e t 开发平台， 采用c 撑语言设计开发了一个崇明东滩海岸带生态管理系统。 本文开发的系统能够在w i n d o w s 的环境下运行，采用面向对象的地理数 据库一g e o d a t a b a s e 数据模型来管理数据，使空间数据的表达更准确，管理更方 便。本文采用基于减法聚类的模糊c 均值法( f c m ) 来评价东滩海岸带生态现 状，即先确定聚类中心再采用f c m 方法做空间聚类研究，这种方法避免了单纯 f c m 算法易陷入局部最优的缺点；另外，本文采用b p 神经网络方法来模拟预测， 对2 0 0 3 年和2 0 0 5 年的现状评价结果进行学习训练，动态模拟崇明东滩海岸带未 来的生态状况。 关键词：崇明东滩海岸带；c g i se n 舀n e ；空问聚类；模糊c 均值；b p 神经 网络 f 产东师范人学2 0 届颂 c o a s t a lz o n ej s l a n de c o s y s t e ma n d s y s t e m t h e r e f o r e ，c o a s t a le c o s y s t e mh a sr i c hp r i m a r yp r o d u c t i v i t y ，h i g hb i o d i v e r s i t y ； o nt h eo t h e rh a n d ，t h e ya r ei n t e r f e r e df r e q u e n t l yb yt w ot y p e so fe c o s y s t e m ，s 0t h e y a r eu n s t a b l ea n df r a g i l e t h el e n 舀ho ft h ew o r l d sc o a s t l i n ei s4 5 mk m ，a n dal a r g e n u m b e ro fp e o p l el i v et h e r e i no u rc o u n t r y ，m o r et h a n7 0 o fm e g a - c i t i e sa r ei n c o a s t a la r e a s b e c a u s eo ft h el a 唱ep o p u l a t i o nm i g r a t i o nf r o mt h em a i n l a n dt oc o a s t a l a n dt h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o n0 ft h eo c e a n ， e n e l 苫y0 v e 卜c o n s u m p t i o n ， e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n de c o l g g i c a ld e s t r u c t i o nh a v ea p p e a r e di nc o a s t a la r e a s c h o n g m i n gd o n 舀a nc o a s t a lz o n ei sl o c a t e da tt h ee a s t e me n do fc h o n g m i n gi s l a n d i ns h a n 曲a i ，a n dt h e r ei sn a t i o n a ln a t u r er e s e r v e - c h o n g m i n gd o n g t a nb i r d sn a t u r e r e s e e t 1 l e n s t m c t i o na n dd e v e l o p m e n to fc h o n g m i n gd o n g t a nc o a s t a lz o n ep l a y ac m c i a lr o l ei ns o c i a le c o n o m i cd e v e l o p m e n to fs h a n g h a i t h ed e v e l o p m e n t0 f ”3 s ”t e c h n o l o g ym a k e st h ea g e n d ao f ”d i g i t a lm a r i n e m e n t i o n e d ”d i g i t a lm a r i n e ”i n v o l v e sm a s so fs p a t i a ld a t a ，w h i c hi sm a n a g e du n d e r t h eh e l po fd a t am i n i n g i nt h i sp a p e r t h ed a t ao fc h o n g m i n gd o n 皿nc o a s t a lz o n e i n2 0 0 3a n d2 0 0 5i su s e d ，w i t ht h ed a t am i n i n gm e t h o d so fs p a t i a lc l u s t e r i n gt h e o r y a n db pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kb a s e do nt h ec o m p o n e n tg i s ，t h a ti sa r c g l se n g i n e ， t h ec h o n g m i n gd o n g t a nc o a s t a le c o s y s t e mm a n a g ep l a t f 0 咖h a sb e e nd e s i g n e da n d d e v e l o p e do nt h ev i s u a ls t u d i 0 n e tp l a t f b n nb yu s i n go fc 挣 t h i ss y s t e mc a nb eo p e r a t e du n d e rt h ee n v i r o n m e n to fw i n d o w s t 1 1 e p l a t f o 肌m a n a g e sd a t ab yo b j e c t - o r i e n t e dg e o g r a p h i cd a t a b a s e g e o d a t a b a s ed a t a m o d e l t h i st y p eo fd a t am o d e lc 锄m a k et h ee x p r e s s i o no fs p a t i a ld a t am o r ea c c u r a t e a i l dt h em a n a g e m e n tm o r ec o n v e n i e n t t l l i sp a p e re v a l u a t e st h ee c o l o g i c a ls t a t u so f d o n 9 1 hc o a s t a lz o n eb yf u z z yc 哪e a n sm e t h o d ( f c m ) ，w h i c hi sb a s e ds u b t r a c t i v e c l u s t e r i n g n a m e l y ，c l u s t e r i n gc e n t e r sw e r ed e t e n n i n e db ys u b t r a c t i v ec l u s t e r i n ga t f i r s t ；a n dt h e nm a k es p a t i a lc l u s t e r i n gb yf c mm e t h o d t h ep u r ef c ma l g o r i t h mc a n f a l li n t ol o c a lo p t i m u me a s i l y 柚dt h es h o r t c o m i n gc a nb ea v o i d e db yu s i n gt h i s m e t h o d h lt h i sp a p e r ，b pn e u r a ln e m o r ki su s e dt os i m u l a t ef u t u r ee c o l o 百c a l n m 一 华东i | i 范人学2 0 1 1 历ii ：学位论文 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 第四章 4 1 4 2 第血章 目录 七i 录 绪 仑1 研究背景与选题意义1 国内外研究现状3 研究内容一7 论文安排7 基本理论8 人工神经网络理论。8 空间聚类理论一1 3 海岸带生态评价的空间聚类方法实现1 8 研究区域概况1 8 海岸带生态化管理空间聚类技术路线2 2 图像分割2 3 遥感解译2 4 生态评价单元2 6 k r i g i n g 插值2 8 减法聚类过程3 0 f c m 聚类过程3 】 崇明东滩海岸带管理平台系统设计与实现j 3 3 系统设计3 3 系统实现3 6 结论与展望5 0 5 1 结论- 5 0 5 2 展望5 0 附录5 2 参考文献5 3 后记5 7 华东帅范人学2 0 l l 届顺i ：学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与选题意义 第一章绪论 海岸带生态系统是一种脆弱的生态系统类型，海岸带是地球上海洋、陆地与 大气等系统进行物质、能量、信息交换最为频繁、最为集中的区域，受到来自物 理、化学等多过程的制约，是一种多功能、多界面、多过程的生态系统。海岸带 处于陆地与海洋两大类生态系统的过渡带，受到两者中物质、能量、结构和功能 体系的影响，一方面该生态系统的初级生产力丰富、生物多样性高，另一方面它 受到来自海洋和陆地高频率的扰动，稳定性差，属于典型的脆弱生态系统【1 1 。由 于具有复杂的自然要素和生态过程，海岸带生态系统便成为既有别于一般陆地生 态系统又有别于典型海洋生态系统的独特生态系统，在生态学上，将其划分为过 渡性生态系统。海岸带生态系统由海岸生态系统、近海海洋生态系统、部分陆地 生态系统( 例如森林和草原等) 和部分湿地生态系统( 例如沼泽和滩涂等) 这四 个典型生态系统组成。它们既具有相对的独立性和完整性，彼此之间又保持着能 量流动与物质循环，从而构成一个紧密联系的大系统海岸带生态系统。海岸 带生态系统具有高生物的生产力以及便利的交通，因此海岸带地区成为人类活动 的中心【2 j o 作为一个开放的生态系统，海岸带生态系统在自然状态下尚能保持较为稳定 的状态，人类以恰当的方式开发利用海岸带生态系统的资源，也能够实现海岸带 资源的可持续发展目的【3 1 。但是，当人为干扰超过一定的阈值时，海岸带生态系 统便会在结构、功能、过程、能量流动与物质循环、生物多样性等方面出现受损 状态，生态系统平衡将会被打破，甚至导致系统崩溃，演变为另一种低水平的状 态，即发生海岸带生态系统退化1 4 j 。 我国海岸线总长约为1 8 0 0 0 k m ，自北至南横跨了温带、亚热带和热带三个气 候带1 5 j 。它是推动我国改革开放迅猛发展和带动我国经济迅速提高不可或缺的自 然资源i 引，海岸带区域人口密集，经济发达，超过7 0 的大城市和5 0 的人口集 中在东南部沿海地区。占陆域国土面积1 3 的沿海经济带，承载着全国4 2 的 人口，创造全国6 0 以上的国民生产总值。长江三角洲、珠江三角洲和环渤海地 区是我国重要的经济圈，在国家经济战略布局中占据举足轻重的地位。 第一章绪论 但是，随着人口的大量增加和城市化进程的不断加快，海岸带币面临着生态 环境破坏、污染加重、渔业资源退化、生物多样性减少等严重问题。人类对海岸 带进行开发导致的后果主要表现在三个方面：一是过度捕捞，导致沿岸生物种类 减少及再生产力下降；二是大量围垦，破坏了海鸟的栖息地和某些物种的繁殖场 所，减少了对近岸初级产品的供给；三是污染严重，降低了整个生态系统的质量， 给依赖海岸带生态系统的所有生物带来了不利影响，对生物多样性造成严重破 坏。此外，人工围海造田，超采地下水，砍伐防护林兴建虾蟹场，不合理的海岸 建设等也已引起了海岸带的海水人侵、海岸侵蚀和海岸线后退等后果。尤其是进 入2 0 世纪以来，随着科技的迅速发展，生产力水平日益提高，工业化城市化的 进程加快，人类对自然环境的开发利用不断加强，引发了一系列的海岸带生态环 境问题，造成海岸带生态系统的退化趋势日益明显。 崇明东滩海岸带位于上海崇明岛东端，其中有国家级自然保护区一崇明东滩 鸟类自然保护区位。崇明东滩湿地是上海市目前仅有的优质自然资源，1 9 9 2 年 被列入中国保护湿地名录，1 9 9 8 年经上海市人民政府批准建立鸟类自然保 护区，2 0 0 2 年2 月2 日( 国际湿地同) 被正式列入“拉姆萨尔国际湿地保护公 约的国际重要湿地名录，2 0 0 4 年7 月2 7 日，胡锦涛总书记视察崇明时提出“尽 快把崇明建设成为世界一流的生态岛，西太平洋沿岸的国际性水上花园，国内领 先、国际一流的人类生态发展模式示范地区。”由此可见，崇明岛尤其是崇明东 滩海岸带湿地的建设发展在上海社会经济发展中起到极其重要的作用。 近年来，随着信息技术尤其是空间技术的发展，地理信息系统( g i s ) 得到 了广泛应用。这为海岸带科学化j 定量化的研究提供了新的方法，尤其是3 s 技 术的应用，为数据的收集、操作、分析与管理提供了便利。 目前，针对崇明东滩海岸带的研究颇多，但是大都停留在数据资料的分析与 应用上。本文依托于2 0 0 8 年度海洋行业公益性科研经费专项项目海岸带区域 综合承载力评估决策技术集成及示范研究( 2 0 0 8 0 5 0 8 0 ) 项目的子课题海岸 带生态系统退化诊断及其生态化管理技术研究，旨在构建一个可以应用于崇明 东滩海岸带生态系统的管理平台，为崇明东滩海岸带实施科学化的管理提供依 据。 2 牛东帅范人学2 0 l l 届坝i j 学位论文笫一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 海岸带管理与研究现状 世界海岸线长约4 5 万k m ，约有2 3 的人口居住在宽约8 0 k m 的沿海平原地 区，其中有5 0 左右的人口聚居在离海洋6 0 k m 的狭长地带。自城市化和工业化 兴起以来，全世界有3 2 个特大城市位于海岸带，其中2 2 个位于河口及三角洲。 中国的海岸带集中了全国7 0 以上的特大城市，百万人口以上的大城市1 5 座【5 1 ， 此外，在人口由内地迁往沿海的同时，必然会出现海岸带地区能源过度消耗、环 境污染、生态破坏等问趔引，因此，必须保护海岸带的环境，使其能够可持续发 展1 7 1 。 1 9 9 2 年6 月3 1 4 日在巴西旱约热内卢召开了联合国环境与发展大会，此次 大会的所有成果都包括了海洋部分，其中2 1 世纪议程的第十七童专门针对 海洋7 个领域的具体目标进行了筹划，其核心思想是如何保护海洋资源和环境， 以及如何进行海洋资源环境的综合管理与可持续发展【引。海岸带地区是海洋与陆 地的过渡地区，因此，在对海岸带地区进行管理时，就要将陆海界面所有的组成 部分和空间范围当成一个有机整体，统筹资源的利用与管理【8 1 ，综合考虑各种利 用对环境带来的压力，才能确保该区域的可持续发展，因此便提出了海岸带综合 管理( h l t e g r a t e dc o a s t a lz o n em a n a g e m e n 【，缩写为i c z m ) l 引。 国外对于海岸带综合管理和海岸带生态退化领域的研究都早于我国，许多国 家和地区，如欧洲国家、美国、拉美国家对i c z m 的管理机制、国际合作、公众 参与等方面都做了很多有意义的尝试i 丌。 欧洲国家的海岸带管理对环境的演变趋势高度重视，海岸工程分为“硬工程” 和“软工程”。前者集中在沿海低地，高度开发的北海南部地区( 荷兰三角洲、 英格兰泰晤士河口) ，造价较高；后者是指海滩补给及砾石滩补绐喂养措施，如 英格兰东南的邓杰内斯，工程造价较为廉价。另外欧洲共同体在海岸带的自然环 境规划方面也开展了多方面的工作【5 1 。 美国有7 5 的人口居住在离岸约8 0 k m 以内的区域，2 5 左右的海岸处于侵 蚀状态，给美国的海岸带生态造成了巨大压力，为此，1 9 7 2 年，美国通过了海 岸带管理法( c z m a ) ，由美国国家海洋大气局( n o a a ) 的海洋和海岸带资 源管理署( o c r m ) 共同实施，该法的目的是促使海岸带开发活动走向正规，避 免和减少利用过程中的冲突，减少沿岸环境质量的下降【5 1 。 3 。芦东师范人学2 0 1 1 届坝l ：学位论义第一幸绪论 由于海岸带资源环境具有信息量大、涉及学科门类繁多以及面临坏境污染、 资源破坏、生态恶化的问题，因此，对海岸带进行动念的监测、管理与规划，就 要建立一种基于计算机硬件，以3 s 技术为核心，能够存储、管理、分析海岸带 资源环境的空间信息系统【9 1 。3 s 技术为构建海岸带地区的信息基础设施、空间信 息基础设施提供了关键的技术依托【1 0 j 。目前，实施海岸带管理的国家中，美国 首先实施了国家政府级别的海岸带管理；加拿大是较早的将g i s 技术引入海岸 带管理的国家之一，在上世纪8 0 年代就利用g i s 技术管理海岸带渔业和海上交 通；荷兰早在1 9 9 3 年开发了海岸带管理系统( g m s c o a s t ) ，用于建立海岸带 文档信息库【1 1j 。 我国为全面掌握海岸带资源和环境状况，在1 9 8 0 1 9 8 6 年间丌展了全国海岸 带和海涂资源综合调查，又在1 9 8 9 1 9 9 4 年间，开展了全国性的海岛资源综合调 查。近年来，国家海洋局正在全面开展海洋功能区划、海域使用管理与勘界立法 工作，并对海水水域环境进行定期监测和评价，设立海滨湿地保护区，开展海岸 带管理信息系统和数字海岸的示范研究，并且运用3 s 技术进行海岸带资源与环 境的时空变化监测【5 1 ，但是由于我国对海岸带领域的研究刚刚起步，因此，有很 多问题亟待解决l 引。 1 2 2g i s 及其二次开发 1 、g i s 发展现状与发展趋势 地理信息系统( g e o 舯p h i c a li i l f o 肌a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是一种决策支持系 统。它既是一门描述、分析、存储和输出空间信息的理论与方法的一门科学，又 是一个基于地理空间数据库( g e o s p a t i a ld a t a b a s e ) ，采用地理模型的分析方法， 实时提供多种空间及动态的地理信息，为地理研究与决策服务的计算机技术系统 【1 2 】。，美国联邦数字地图协调委员会( f i c c d s ) 对g i s 的定义是“g i s 是由计算 机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统具有支持空间数据的获取、管理、 处理、分析、建模和显示的功能，并可解决复杂的规划管理问题”【1 3 】。有学者 认为g i s 是在计算机硬件与软件的支持下，对具有空间位置与拓扑关系的空间 数据及相关的属性信息进行输入、存储、分析、查询、运算与表达的综合性技术 系统，它是计算机科学、地理学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和 管理科学为一体的一门新兴的边缘学科【1 4 】。 g i s 从发展初期至今经历了5 0 多年的发展历程，上世纪6 0 年代，出现了许 多与g l s 有关的组织机构，如美国的城市和区域系统协会( u r i s a ) 、美国州信 息系统全国协会( n a s i s ) 、城市信息系统跨机构委员会( u a a c ) 等，他们主 要是组织一系列的地理信息系统讨论会。1 9 6 3 年加拿大政府建立的加拿大地理 信息系统( c g i s ) 是世界上第一个较为完善的地理信息系统，主要是用末处理 加拿大土地调查的海量数据【1 5 】。进入2 0 世纪7 0 年代，随着计算机硬件和软件 技术的飞速发展，尤其是大容量存储设备硬盘的使用，为空间数据的录入、存储、 检索和输出提供了强有力的技术支持，另外，人机对话和高质量的图形显示功能 的发展，促使g l s 朝着使用方向迅速发展，涌现出多种多样的地理信息系统， 如美国的资源信息显示系统、日本的数字国土信息系统、瑞典的斯德哥尔摩地理 信息系统以及法国的地理数据库g l 口蝌系统等。此外，该时期探讨以遥感数据 为基础的地理信息系统受到了重视，如美国研制的用以处理l a n d s a t 影像多光谱 数据的影像信息系统( i b i s ) 以及n a s a 的e l a s 地理信息系统。进入2 0 世纪 8 0 年代，由于计算机软硬件技术的发展普及，g i s 逐渐走向成熟，该时期是地 理信息系统发展的重要时期，国外地理信息系统现已进入了产业化阶段，出现了 大批以g i s 为核心的信息技术产业公司，当时具有代表性的较著名的国外g i s 软件有a r c i n f o ，t i g r i s ，s p ! a n s ，m a p l n f o ，g e n a m a p 及e r d a s 等【”j 。 进入2 0 世纪9 0 年代，随着地理信息产业的建立与数字化信息产品的世界范围的 普及，g i s 深入到各行各业中，走进了人们的生产生活，g i s 成为许多机构尤其 是政府决策部门必备的工作系统，国家级乃至全球性的g i s 己经成为公众关注 的问题。 我国对g i s 技术的研究较晚起步于上世纪8 0 年代初期，以1 9 8 0 年中科 院遥感所成立的第一个地理信息系统研究室为标志。我国早期的g i s 研究主要 以引进国外的g l s 软件为主。“七五 计划之后，尤其是在“九五”期间，我国 的g i s 研究进入快速发展时期，原国家科委将g i s 作为独立的研究课题列入重 点科技攻关计划，并且给予充分的重视，g i s 技术的发展明显加快。g i s 基础软 件得到了全面加强，出现了一批有水平的技术成果和产品。国内较著名的有 m a - p g l s 、g e o s ，】 ：f 气r 、c i w s l 队r 、s u p e r l 气p 和l 气p e n g i n e 等【1 3 ，1 4 ，1 6 1 。 另一方面，随着g i s 理论的日趋成熟和人们对空间信息的需求，g i s 技术必 须向着集成化与智能化方向发展。主要的发展方向包括【1 2 】：1 ) 未来的g i s 要求 图形与属性数据二者的完全结合；2 ) g i s 与r s 的结合，r s 是g i s 重要的数据 源和数据更新手段，g i s 是r s 数据处理的辅助信息，二者可能的结合方式包括 乍东! j i f j 范人学2 0 1 l 届烦l j 学化论文第一章绪论 表面无缝结合与整体的结合等；3 ) g l s 、g p s 与c c d 技术的结合，g i s 与g p s 结合可以实现电子导航，用于交通管理、自动导航及公安侦破等，两者再结合 c c d 摄像机实时摄像可以形成实时的g l s 运行系统：4 ) g l s 与专家系统( e x p e n s y s t e m ) 的结合，由于g l s 是基于地理数掘的空问信息系统，它能够智能化地分 析和运用数据，提供科学决策咨询，因此它与e s 的结合可以形成智能化的高度 集成g i s 系统。 2 、基于g i s 的二次开发 根据内容不同，将g i s 分为应用型g i s 与工具型g i s ，前者是以某一个领 域为内容，包括专题与区域综合g i s ；后者具体是指g i s 的工具软件包，如 觚g i s ，这种类型的g i s 具备空间数据的输入、存储、处理及分析等g i s 基本 功能。随着g i s 应用领域的不断扩展，各个行业的需求不同，于是开发具有方 便、美观以及丰富的界面形式的g i s 就成为软件开发人员关注的问题。目前常 用的g i s 开发方式主要有独立丌发、单纯二次开发与集成二次开发三种开发方 式：独立开发不依赖于任何现有的g i s 软件，开发者采用某种程序设计语言， 将所有的算法编程实现，这种开发难度很大，并且开发的产品无法与商业化g i s 软件相比；单纯的二次开发是完全借助g i s 软件提供的开发语言( 如加c v i e w 提供的a v e n u e 语言以及m a p i n f op r o f e s s i o n a l 提供的m a p b a s i c 语言等) 进行开 发，这种开发简单，但是进行二次开发所用的编程语言功能极弱，丌发的产品不 尽人意；集成二次开发利用专业的g i s 软件( 觚g l s ，m a d i n f 0 ) 实现g i s 基本 功能，然后以可视化开发工具( v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + ) 为开发平台，进行二 者的集成开发，这种开发一方面充分利用g i s 软件对空间数据库的管理、分析 功能，另一方面又利用具有高效、方便等编程优点的可视化开发语言，可以提高 系统的效率，而且开发的系统具有良好的外观效果、强大的数据库功能，并且系 统的可靠性好、易于移植、便于维护。 目前有关g i s 的工具软件包觚g i s 的研究应用较为广泛，c g i s 作为一个 开放的地理信息处理平台，它在地理数据的管理、显示、分析以及处理等方面的 功能非常强大。觚g i s 的主要应用有两个方面：一是用来处理用户数据；二是 做基于a r c g i s 的二次开发，而针对c g i s 的丌发方法，有基于心c m a p 应用框 架定制开发模式、基于a 0 ( c o b j e c t s ) 的单纯开发模式和基于c g i se n 西n e 的开发等。 6 华东帅范人学2 0 l l 厢硕i j 学位论文 1 3 研究内容 第一幸绪论 随着海洋的丌发利用，海岸带地区出现了一系列的环境问题，加强海岸带 地区的生态管理是一项长期的任务，而如何将海岸带地区的生态利用现状直观形 象的展示以及动态模拟未来的发展变化情况，以供管理人员做出科学合理的决策 就成为一个亟待解决的问题。本文以崇明东滩海岸带为研究对象，根据已掌握的 2 0 0 3 年与2 0 0 5 年崇明东滩海岸带数据，开发了一个基于c g i se n 西n e 的崇明 东滩海岸带生态管理平台系统。本系统基于数据挖掘工具中空间聚类的原理形象 的展示东滩海岸带各个生态区的利用现状，并且以2 0 0 3 年和2 0 0 5 年的现状评价 数据为基础，基于b p 神经网络的原理模拟预测未来的生态状况。 1 4 论文安排 基于本文的研究内容，论文共分五章加以论述： 第一章结合国内外有关海岸带管理方面的研究现状以及g i s 二次开发的研 究现状，提出了本文的研究内容与意义。 第二章重点阐述了系统丌发中用到的数据挖掘理论一人工神经网络理论与 空间聚类理论，在人工神经网络理论中着重介绍了本文动态模拟采用的b p 神经 网络的原理，在空间聚类理论中重点介绍了本文采用的减法聚类与模糊一c 均值 理论。 第三章主要论述了系统实现中采用的空间聚类算法的具体实现问题。 第四章主要研究了系统的设计与实现，从系统的需求分析出发，说明了系统 的设计目的、功能、采用的关键技术以及功能的实现。 第五章对论文进行归纳与总结，阐述了论文取得的工作，指出了研究中存在 的不足之处，提出了系统完善的方向。 7 f 扛东帅范人学2 0 l l 娟坝i ：学位论文 第二章基本理论 2 1 人工神经网络理论 2 1 1 人工神经网络的概念 神经网络在神经生理学以及神经解剖学范畴内指生物神经网络，在信息计 算机科学的领域内，神经网络是指向生命学习的人工神经网络( a n i f i c i a ln e u r a l n e 觚o r k ，a n n ) 【1 7 钠】。关于人工神经网络的定义目前还没有统一的标准，美国 神经网络学家h e c h th i e l s e n 给出的定义是“神经网络是由多个简单的处理单元 彼此按某种方式相互连接而形成的计算机系统，该系统靠其状态对外部输入信息 的动态响应来处理信息”；而美国国防高级研究计划局给出的关于神经网络的解 释是“人工神经网络是一个由多个简单的并行工作的处理单元组成的系统，功能 取决于网络的结构、连接强度以及各单元的处理方式”。结合人工神经网络的来 源、特点以及各种解释等，人工神经网络可表述为【2 0 】：人工神经网络是一种模 仿人脑结构及其功能的脑式智能处理系统。人工神经网络的研究始于上世纪4 0 年代，7 0 多年以来，人工神经网络的研究主要经历了启蒙时期、低潮时期、复 兴时期和新时期四个阶段【2 1 】。 人工神经网络由生物神经网络发展起来，是对生物神经网络处理信息的模 拟。人们在生物神经元结构与工作原理的基础上，构造了人工神经元模型f 2 2 】， 如图2 1 所示。人工神经元是人工神经网络的基本单元，相当于一个多输入单输 出的非线性单元器件。 p w 十一、 k 、婴，一一 、 ： w 。_ 、_ 口( j f ，卜一一a 。 二l p r 图2 1 人工神经元模型 通常一个典型的神经元由五部分组成： 1 ) 输入，假设p ，p 2 ，办代表神经元的r 个输入，在m a t l a b 中，输入通 常用一个尺1 维的列矢量p 表示，也就是p = b 。，p ：，p ，】r 。 2 ) 网络权值和阈值，假设w 。，m 为网络权值，表示输入与神经元之间 8 f 东师 i i ：人学2 叭1 届顾l j 学位论文 第二章荣奉理论 的连接强度，臼为神经元的阈值，它被看作是一个输入恒为l 的网络权值，在 m a t l a b 中，神经元的网络权值可以用一个1 尺维的行矢量w 来表示， w = w ，m ，阈值口为1 1 的标量，在这里，网络的权值与阈值都是可以 调节的，通过动态调节网络权值和阈值，神经元与神经网络：d 能表现出某种特定 的行为特性，因此，网络权值和阈值的可调性是神经网络学习特性的基本特征之 o 3 ) 求和单元，它用来完成对输入信号的加权求和，即n = 罗见w f + 口，该 过程是神经元对输入信号处理的第一个过程。 4 ) 传递函数，传递函数又叫做激发函数，用f 表示，用于对求和单元的计 算结果进行函数运算，得到神经元的输出，该过程是神经元对输入信号处理的第 二个过程。 5 ) 输出，输入信号神经元经过加权求和以及传递函数作用后，得到最终输 出为爿= f ( w p + 9 ) 。 定义p = p 。，p ：，bj 表示其它神经元的轴突输出，也表示该神经元的输入 向量；w = 【w ，m 】表示其它神经元与该神经元r 个突触的连接强度，即权 值向量，每个元素的权值可正可负，分别表示兴奋性突触与抑制性突触；当神经 元输入向量的加权和罗m p ，大于阈值a 时，该神经元被激活，所以也称输入向量 的加权和为激活值；f 表示神经元的输入输出关系函数，即传输函数。因为激活 值越大表示神经元的膜电位总和越大，该神经元兴奋所发放的脉冲数越多，所 以传输函数一般为单调增函数，但它又是一个有限值函数，因为神经元发放的脉 冲数是有限的。因此，神经元的输出可表示为： r 彳= f ( 罗m p f 一口) 筒 这样，人工神经元则反映了生物神经元的基本功能。 2 1 2 人工神经网络的结构 与生物神经网络类似，单个人工神经网络也不能完成对输入信号的处理，要 按一定的规则连接成网络，并让网络中每个神经元的权值和阈值按一定的规则变 化，才能实现所设计神经网络的功能要求。人工神经网络的连接形式和拓扑结构 多种多样，但总的来说，有分层型神经网络和互连型神经网络两种形式【2 3 1 。 分层型神经网络可以分为简单前馈网络、反馈型前馈网络和内层互连前馈网 9 牛东师范人学2 0 1 1 扁硕i j 学位论文第二章果奉理论 络，拓扑结构如图2 2 所示。 1 i 一目 。 飞 ，一，一- r 一 ， 一、一 一、，s ( a ) 简单前馈网络 ，7 7 ， 一、 ， ， i 一 一一 ， 、。氧 l j 、j ( b ) 反馈型前馈网络 + 父1 | ，。，一1 1 7 一- p ，一+l 一 ， 一、 ( c ) 内层互连前馈网络 图2 2 分层型神经网络的结构 简单前馈网络中的神经元分层排列：每个神经元只与前一层神经元相连。最 上面一层是输出层，最下面一层是输入层，两者之间为中间层，也称为隐层。隐 层的数目可以是一层或多层，前向网络在神经网络中应用十分广泛，如感知机， 线性网络、b p 网络都是简单前馈网络。 反馈型前馈网络本身是前向型的，但与简单前馈网络不同的是从输入到输出 有反馈回路，如f u k u s h i m a 网络。 内层互连前馈网络是通过层内神经元的互相连接，可以实现同一层神经元之 间的互相制约，从而可以将层内神经元分为几组，让每组作为一个整体，如自组 织竞争性神经网络。 互连型神经网络的拓扑结构如图2 3 所示，网络的任意两个神经元都互相连 接，构成全连接神经网络；如果不是全部的神经元都彼此互相连接，则构成局部 互连接神经网络，如h o p f i e l d 网络和b o l t z m a 肋网络。 1 0 卢东师范人学2 0 l l 届顾i ：学位论文 第二章綦奉理论 一f 图2 3 互连型神经网络拓扑结构 2 1 3 人工神经网络的学习方法 神经网络的基本特性是学习特性，神经网络的学习与训练是通过网络权值和 阈值的调整来实现的。其学习算法【2 1 】可以分为有监督学习( 有教师学习) 、无监 督学习( 无教师学习) 与再励学习( 强化学习) 三类。 1 ) 监督学习 监督学习需要外界存在一个“教师”，它给出了与所有输入模式对应的“j 下 确答案”，即期望输出目标。另外，网络训练需要一定数量的训练样本，洲练样 本通常由输入矢量p 和目标矢量t 组成。在学习过程中，神经网络不断地将实际 输出与目标输出进行比较，并将比较结果或误差按照一定的规则或算法进行调 节，从而使网络的输出逐渐接近目标值，并使网络性能达到性能指标为止。最典 型的有监督学习算法代表是b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 算法，即误差逆传播算法。 p 输 神经网络 ( 学习系统) 一一t + a 实际输出 - | tj 期望输出 图2 4 有教师学习方式 2 ) 无监督学习 无监督学习不存在“教师”的指导，由神经网络本身来完成。由于没有现成 的信息作为响应的校正，学习则是根据输入的信息，根据其特有的网络结构和学 习规则来调整自身的参数或结构，从而使网络的输出反映输入的某种固有特性。 1 1 f 仁东师 ! i ：c 人学2 0 1 l 届颂i j 学位论文第一二章桀奉理论 p a 实际输出 图2 5 无教师学习方式 3 ) 再励学习 再励学习介于有教师学习和无教师学习之间，外部环境对学习的输出只给出 评价的奖惩信息，不给出正确答案，神经网络学习系统通过强化那些受奖惩的行 为来改善自身性能。 p 卜 输入 神经网络 ( 学习系统) a 实际输出 图2 6 强化学习方式 以上三种学习方式都需要一定的学习规则，常用的神经网络学习规