地理案例推理及其应用_杜云艳.pdf

第5 7卷 第2期 2 002 年 3 月 地 理 学报 ACTAGEO GRAP HICASI NIC A V ol石7 N oZ Ma r o 2002 地理案例推理及其应用 杜云艳 周 成虎 邵全琴 苏奋振 史忠植 2 叶 施仁 2 l 中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统 国家重点实验室 北京1 00 10 1 2 中国科学院计算技术研究所 北京 10 X 81 摘要 由于案例推理接近于人类认识 解决问题最原始的思维方式 具有在无法获取机 理模 型 确定规则或统计模型时 采用简单的历史相似性实现问题的 定量求解和预测 的特点 成 为当前人工智能中备受关注的领域 在讨论案例推理 方法发展的基础 上 探讨应用案例推理 进行地学 问题求解的具体方法 从地学数据分析的角度 提出 了地理案例推理 并结合地理案 例的特点 具体讨论了地理案例 的表达模型和推理模型 最后结合 东海中心渔场预报 的实际 工作 给出这种方法的具体应用实例 关 键 词 人工智能 地理案例推理 表达模型 推理模型 东海 中心渔场 中图分类号 P20 8 1 引言 2 0世纪9 0年代以来 人工智能向两个大的方 向发展 一方面 基于数据挖掘和分 析的计算智 能成为新的发展 方向 川 另一方面 传统人工智能领域基于相似性的推理越 来 越受到重视 从 而提出基于案 例的推 理方法 Ca s e一B a se d Re a so n i n g 简称 CBR C B R用以往案例 的知识或信 息进行相似案例 的问题求解 可 以克服专家系统面临的难 题 具有简化知识获取 提高求解效率 改善求解质量 进行知识积 累等优点 2 因 此 案例推理提供了与人类解决问题很接近且可以突破知识系统 脆弱性的一种方法 3 4 从 CB R 提出 以来 美国和欧洲 相继在各个行业结合自身的需求研制许多系统 在 模型 方法以及理论上带来不 同程度的发展 使其成为近年来人工智能领域研究热点 随着应用推广 在地学领域也曾开 展过应 用 如 Br a n ti ng Ha sti ng s l 994 Lek ka s 19 94 Jo n es和 R o yd h o u se 1993 G o el 1994 K eller 1994 等 但这些应用比较零 散缺乏体系 并且仅仅对属性特征进行传统 的 CBR 推理 因此 有必要深入系统地研 究案例推理解决地学 问题应用的概念和方法 同时 由于地学问题复杂特性 从 8 0年代 中期开始 Gl s 领域便用计算机领域的 信息系统技术进行复杂问题的预测和分析 而 CBR 是人工智能领域新兴的一种推理方 法 它 与地理学的结合进行空 间 问题求解成 为地学数据 分析和预测 的新方法 因此从地 学角度引入地理案例推理的概念和方法 是地理学发展的迫切需求 本文把案例推理应 用 于地学领域 探讨该方法进行地理现象定量推理 和预测 的具体问题 并构建地理案例 推理应用的模型和方法 收稿日期 基金项 目 作者 简介 20 1 一0 6一0 4 二 修订日期 2 0 01 一09一2 6 国家8 6 3计划 杜云艳 19 7 3 818 一1 1一0 3 Fo u nd at io n It em T h e N atl onal 86 3 PrO J即t of Chln a Nosls 一 1 1 一0 3 女 主要从事海洋遥感和海洋Gl s研究 E 一m a ll du穷 l r ei s a c C n 015 1一0 158页 地理学 报 57卷 2 地理案例推理 2 1 地理案例定义 地理案例可 以看作是与地理学有关的一类案例 目前比较详细的案例定义是199 3 年给出的 对 于以往经验的具有一定关系的知识表达 记录了要想达到某目标所必须 吸取的基本教训或经验 围 根据该定义可以辨识案例 如 不同路口的交通设计案例 根据道路结构及状况等对应于多种状况 闭 据此分析可知 案例是随研究问题和时间变 化而动态变化 因此与地理有关的案例可定义为 发生在特定 的地理空间 且案例受区 域分异规律的影响呈现随案例空间位置变化而变化的特征 如 自然界中迁徙动物的空间 集群问题属于地理案例 因为受空间分异规律的影响 导致动物在不 同时间 不 同区域 集群数量的不同 从而形成不同的案例 案案例表达达 l l l 1 题 结果果 J J J也 里 特征集集 少少少少少少少少少 履 护 资资 案案例空间 图 l 地理案例 的概念模型 Fi g 1 T h ee o n c ePt ua m o d s lofGe O 一ea s e 在地理案例定义的指导下 给出 了地理案例的概念模型 图l 该模型是对一般案例模 型的扩展 由图1可知 案例 空间受地域分异和综合规律的 影响 发生的地理现象或事件 与其周边的地理环境存在高度 地空间关联 问题的特征描述 需考虑地理时空分布特征 和 在此时空分布特征下的其它属 性特征 对问题结果的状态描 述基于地理事件或现象的环境 分析之上 是地学问题经过一 定的时空域关联分析之后的结 果状态 2 2 地理案例的构建 根据地理案例的概念模型 可以给出地理案例构建的一般流程 图2 整个流程分 为 3 部分 问题状态一方法一结果状态 问题提出需结合定性的地理现象或事件描述 进行抽象 对应于问题的特征描述需充分考虑案例时空分布特征 其它特征属性是基于 这一前提进行的 并且这 3 者之间是相互联系的 方法层描述并不十分明显 有时隐含 在揭示案例特征状态的过程 中 3 地理案例的表达模型 3 1 地理案例的综合表达模型 当前国内外 主要的案 例 表 达模型有 4 种 传统的表达 模 型 结构 化表达模型 层次表 达模型和 基于 t es s cr a l的表 达模 型四 这 4 种表达模型各有优 缺点和具体的应用领域 但 地 理案例的空间定位和问题属性选 择的灵 活性使对 其表达比较 复 地地理左 见 象减事件件 离离离离离离离离散 连续续 时时司 特征 征征征征征征征征 空间分布 令令令令令令令令令令令令令令令 特特征选择 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 一 J 尸 一一 特特翻间关系系 尸尸曰 产 图 2 地理案例构建的一般流程 Fig Z T h ee o m m o n f low c ha x t t自叮pla t e of Ge O 成笼巧e bu ll ding 2 期杜云艳等 地理案例推理及其应用 杂 对比分析以往的表达之后 给出 了基于 Te ss e r a l 的地理案例综合表达方法 3 LI 基于 Te s s er al的案例表达核心是Te s se r a l 的空间表达 这种空间表达是一种 GI S 栅格数据结构 它不受维数限制 又利于存储和计算 n 维空 间 为了表达 S空 间 采用 维 数的有限集合来表达 几 D z 几 每一维的取值范围为 漏 o V l念 V 面卜 砚狱 根据公式 3 一 l 给每一维分配一个整数位 根据这种位模式 利用公 式 3 一2 计算 n 维空间中的地址编码 b a s峨 109 2 爪 袱 i一 维数 ZJ 3 一z 地址编码 M Xba s e 从Xba s司 v n X b a se n 3 一2 至 式中 叭 认 v n为每一维的取值 ba se n 一 2 其中 b a s e 由公式 3 一 l 决定 实际问题时 抽取描述案例的特征空间 对具体的特征空间 采用公式 3 一l 3 一2 计算位模式编码 从而给出代表案例 的取值 具有计算的优越性 可 以实现对案例的计 算简化 此外 对于案例具有缺失信息时 也可以有效地表达案例 3 L2 地理案例的综合表达模型 表达地理案例时 需要体现 案例的时空属性 因此在 Te ss er al案例表达方法基础上 提出 了地理案例 的综合表达模型 加入时间场或者空间 场的编码 并在属性场的表 达时附带有案例发生的时空约束 比较具体 的表达地理案 例 具体的表达模型如下 l 空 间编码 对地理案例发生 的空 间域采用类似于T e ss e r a l 的表达方法给出具 体的 空间位置编码 如发生在 D 真实空间的案例 采用公式 3 一3 对 n 维空 间中某单元 v a 人 v a 几 v a l n 进行空 间编码 空间编码 v a 八 v a 儿 v a 儿 3 3 式中 v a 鱿 v a几 v a儿分别为k 凡 k n 位的整型数值 是补O补够k n位 对应于 每维最大值的位数 的v a几 v a 几 v a 几的值 这种编码方法 易于计算案例 间相邻 关系 采用反推方法可判定空间上 是否相邻 2 时 间编码 采用相似的方法进行时 间编码 所不 同 的是 时间维有特定的取值范 围 如一年有1 2个月 一月有 3 0或3 1 天等 以2维时间空间为例 其时间编码为公 式 时 间编码 一 x y 3 一4 式中 x 为年份 4位数 y为月份 2 位数 3 属性的Te ss er al编码 Te s s e r al方法要求把每维具体的取值转化为标准的空 间 值域 因此假设表征地理案例的属性为 A 人 A n 它 们取值类型各不相同 经过 一定转换 把每个属性都归并到 讥如 O 从月 的取值空 间 从如与从公的 绝对值相等 采用 几 一 10 9 犷 给每属性空 间分配一个整型类型位数 采用这种位模式 实际上可 以表达一个的2 一 x Z x 火2 一 的 n 维空 间 属性域 的地址编码见公式 3 一2 因此对于任意一个案例 根 据各个属性项的值 都可 以按照 该 方法给出唯一的地址 4 地理案例的综合表达模型 地理案例 的综合表达模型 是把上述空间场 表达和属 性场进行综合 具体见式 3 一5 案例 二 编码 空 间编码 时 间编码 3 一 5 式中 i为案例在案例库中的位置 地理学报 57卷 4 地理案例 的推理模型 4 1 地理案例推理的特点 地理案例的推理需考虑特定时空分布模式或区域规律 从推理过程看增加了地理案 例库时空模式 的挖掘或者地理规则引入 推理模型的建立也依赖于这种 时空关系 它不 是直接地进行相似推理 也不是仅仅基于历史上某一个相似案例 而需要根据多个具有 相似时空关系的案例组进行求解 4 2 隐含有空间和时间特征的地理案例推理模型 由于地理学的区域分异和综合特征 导致地理案例间的时空关系非常复杂 主要概 括为 案例间呈现固定的时空分布模式 案例 间呈现特定的时空分布模式 但模式有一 定程度的变动 案例间没有确切的时空分布模式 但存在潜在的区域分布规则这三大类 关系 针对这种隐含有一定时空分布规律的地理案例 推理模型的建立过程如下 4 2 1 Te sse ra l 空间的案例抽取 首先进行时空关系的历史案例抽取 具体步骤如下 l 按表达式 3 一3 和 3 一4 给出时间和空间编码 分别为 S T z 一 凡 均 2 确定时空影响参数 指属性所依赖的时空影响形状和大小 分别对应空间大小 d和形状p 时间类型 和长短 甲 如 杜 能的 区位理论 p 为圆形 d 的大小取 决于 城市的大小和研究尺度 需要结合地理学的一些概括或规律 并权衡所要研究的尺度 3 根据给出的影响参数 对案例库进行时空抽取 选取落在特定范围内历史案例 以当前案例的空间位置为中心 按照形状p和距离d 给出该范围内所有的时空编码 与原始案例库中的时空编码匹配 求出落在该范围内的历史案例 4 2 2 基于t es s er al 和区间值模糊计算的地理案例 推理模型 时空抽 取后 要根据属性 计算案例间的相似性系数 并最终进行新案例求解 由于地理案例的特征属性取值大部 分不是确切 的值 多对应的是区间 这样的取值区间决定了新案例与历史案例的相似性 距离计算需要考虑各属性项取值区间的影响 例如 给定一组案例 一共有 n 项属性 每个案例 的取值分别 为 气叼 叼 i为案例 的序号 那么当新案例 的观测值 x l 为 劝时 如何计算相似性系数 根据王国俊的理论l l 4 考虑采用区间值模糊推理 中的p敏感度距离计算公式 4 一l 一 1 心 扩 一e们 c a h a c a 二 一 瓦酬一灭一 4 一 l 式中 n 为特征属性个数 为对应于属性项 j新案例的取值 为属性 j区间取值的中心取 值 而为属性j 的取值区间 距离的远近 代表了相似性的高低 相似性系数计算则用公式 4 一2 琪 1 一 砌 O 1一 哦山 4 一2 式中 鲡 为利用公式 4 一l 求出的距离最大值 峨为新案例与案例j的p敏感距离 w 0 为常数 是给定的最小的相似性系数 尽为相似性系数 口 根据前面的讨论 在地理案例推理中时空抽取后的所有历史案例与当前案例都有相 似的可能性 因此新案例的求解采用公式 4 一3 R二 一 叉 s x 卿 4 一3 式中 R e sult孟为 案例 i的解 m为抽取的历史案例的总的个数 凡为相似系数 2 期杜云艳 等 地理案例推理及其应用 5 地理案例推理的应用实例 结合东海区海洋渔场遥感信息服务 给出具体应用实例 在该项目中 主要的任务 是进行海洋渔业 中心渔场的实时预报 所谓中心渔场 是那些 捕捞密 度高 网次产量高 的渔场 海洋环境的 周期性变动 和鱼类的生物学习性导致海洋渔场呈现一定的时空 分布规律 但由于这种分布规律呈现复杂地变化 难以用传统 的数学方法和模型描述 因此对海洋中心渔场的预报可 用案例推理 的方法进行 5 1 数据准备 本研究区的 范 围是 118 5一130o E 2今36o N 包括了东海区 的全部 所采用的数据主 要有 海洋环 境数据和渔业生产统计数据 众所周知 温度是影响鱼类集群最重要的 因素 过去这方面的研究很多 作者针对 东海区海表温度同围网渔获量之间关系进行分析 得出它们之 间的相关系数随区域不同 而不同 而温度梯度则与渔获量呈现大的相 关系数 且在渔场 的边缘相关系数相对较 大 表 明温差较大的地方是鱼群相对 集 中的地方 因此主 要选取海洋 温度数据 为 19 87一2 0 0 0的 30 x30 的海洋表面温 度数据 S ST 与渔业 的大渔区 相匹配 该数据是 经过东海区实测点矫正 的NOA A A VllRR反演的每周 一次数据 生产统计数据 是具有代表性的4大渔业公 司 上海 宁波 江苏 舟山 以小渔区 统计的每日捕捞数据和部分个体渔业公 司数据 历史的渔业统计数据 主 要是用于分析 历史的中心渔场 因此针对东海区多年来的实际情况 采用总产量 网产 渔区个数和 渔场持续时间 4 个指标定量地抽取历史中心渔场 以构成中心渔场的历史案例库 口 5 2 东海区中心渔场的历史案例库 案例推理方法的前提是有长时间序列的历史案例 渔场预报时首要 问题是建立历史 案例库 即构建中心渔场案例库 根据上述讨论 要表达中心渔场 时间 空 间 属性 编码是必须的 时间编码采用与温度数据同步的以周为 单位的标示方式 即中心渔场 范 例号 为 年份 日月份u 周次 空 间编码利用原始的渔捞数据进行以周边渔区为单位 的时空合并 并根据 4 个定量指标进行中心渔场的抽取 对得到的中心渔场进行空间编 码 用 行 u 列 方式表达 由于中心渔场往往是多个渔区 因此选其 中心点所在的渔 区进行 空间编码 并且需要进行渔 区与经纬度的转换 属性编码 受数据限制 仅用海 表温度数据 根据公式 3 一l 编码 为 v al 温度 Xb asel ba s e l 2 0 一l 因此 对某周次的某个具体的中心渔场可表示为 温度值 范例 号 空 间编码 如 24 10 0 19900501 0607 表明 1990 年 5月第l周的某个中心渔场案例 渔场海洋表面 温度为2 4 中心位置在该区域的第 6行第7 列 采用该方法对连续1 0多年的数据进行 中心渔场的表达 从而 形成案例库 表1 系统中采用动态更新方法直接从海表温度 和 生产统计子库自动生成案例库 使用触发器技术 当调用案例库自动根据前两个子库 进行更新 5 3 基于案例推理的东海区中心渔场 预报 5 3 1 历史上本周相似案例的抽取 中心渔场预报问题可简化为根据 当前周 的渔捞和环 境状况预报下 周 渔场情况 根据前文的推理模型知历史上本周相似渔场的抽取是首先工 作 主要包括 l 时空抽取核心是确定时间和空间参数 根据经验 认为历史上较为固定的渔 场出现 的时间前后浮动为两周 因此选定 L一 年 甲一士1 4 大 4周 而在空 间上 认 为渔场受环境变化的 影响 历 史上较为固定渔场的空 间变异最大范围不会超过矩形士5 个渔区 因此d一1 0 渔区 p 矩 形 根据这些 参数 首先从范例库中检索时间上 与当前案例匹配的 历史案例 集 并进一步抽取落在相似范围内的历史案例 地理学 报 57卷 表1中心渔场案例库 的数据格式 T a b IT七ef on 口目t ofc a seof c e nten习血be叮 争 o u n d 范例号 199 0 0 5 0 1 渔场序号 4 空间编 码 0 6 07 渔 场大小 3 渔区 温度值 2 4 经度 1 2 2 oE 纬度 275 oN 2 渔场环境相似考虑到环境场的效应 对其相似性的计算 需要考虑一定的空 间范围 按照以上给定的空 间参数 则需要计算r o x 1 0的矩形区域内各点温度的相似 经过时空抽取后的历史案例 认为都 是影响当前案例的历史案例 需要根据环 境要素 温度 给出中心渔场环境相似性评价 一 一 乏二 5 一l 式 中 场 为当前案例对应于某点的海表温度 1认心为 同一点历史案例 的海表温度 j 为抽取的案例的序数 w i为权重 是测试点与当前案例 中心点距离 d t 的函数 呈线性 内插 w 一兰旦二竺业 d 5 一2 式中 d 为空间参数 5 3 2 下周中心渔场预报及修正预报问题简化为对渔场 的位置预报 主要的思想是 用抽取的历史上本周相似渔场的下周渔场位置进行当前渔场的下周渔场位置预报 p os二 一 艺 叭 xpo s 5 一3 式中 二为抽取的历史案例总个数 血 为抽取的案例 f与当前案例的相似系数 p仍稠 为案例f对应的下周渔场位置 53 3 实例研究为了直观地说明该方法 从案例库中 任意选择一个历史案例进行预 报 并与实际的捕捞情况进行对比 给出具体的实例 图3 图4是采用上述模型 实 现的预报结果 绿色是预报渔场 红色是下周实际渔场 蓝色是本周实际渔场 为了评定预报精度 用渔场位置预报精度 渔场范围预报精度和总的预报精度 3个 指标 根据这 3 个指标 所得精度分别为 位置精度 7 8 3 3 大小精度 4 5 4 5 总体精度 7 0 1 1 整体上看预报的精度还是比较满意的 6 结论 在分析当前案例推理方法应用于空间问题求解的基础上 结合地学数据分析 从地 学的角度提出了地理案例推理的方法 主要有以下结论 l 初步给出地理案例的概念 认为地理案例 的特殊性表现为 地理学的空间分异 和 区域规律是引起案例之间区别 的根本原因 2 在前人T e s s et a1案例空间表达方法上提出地理案例综合表达模型 简单实用地 描述了地理案例 3 分析总结了地理案例推理的特殊性 认为它是基于案例间特定时空关系的推理 158 地 理学报 57卷 T he o ret iean d APPl ic at i on R e sear c h of G eo一Case Ba s ed R easo n i n g D UYu n ya n l Z H OUChen g 一h u SllAO Q U a n 一q in SUFen 一山en S班 Z h o n g 一Z h i Z Y卫Sh i 一renZ 1 加s打t U t e o fG e雌 P力允 S ci印ce s a n d N a tur al R e s ou r c e s Rcs e ar c ll 洲5 Bei ji ngr oo lo l C h i n a 2 血s行细t eo f A币五百aZ加把刀 娜 丸加丽t u t e o f 为11切ut龙n g 汤5 Bc方加9 1 00 08 1 涅 foa Abstract A s a n e m erg ng br a n ch o f A J Case 一Ba sed Rea so llm g CB助 ha s t h e I nb o m a b ilit y o f q ua n t itatl v e i n t er pre t a t io n a n dPr ediet i o nslm Pl yba s ed o ns而11币t yo fh is t o r i eale v en t s ev en t h er e 15dif f i eu l t y toget t h e w o r k i ng m eeha n ism Pr i n e i Pl es or build st a t ist i e al m odels f o r tho se e om Ple x systems Si n ee it15 a Pe成etm o d elof hum a n r e eo g n it i onalld itsw orking m e chan ism15 v er ys加ila r tot h e 1 1 um a n Pr imit iv erea son l n glog i c t h e mtrod u etiono f CB R to ge og r叩hic al system G e o 一e ase B a sed R e as oning st o dy t o sol ve t h e Pr oblem of qu an titati v e Predi et io n w a s Pr om oted W i t h t r a ek ing t h e f r o n t o f i n t em a tio n alCB Rr e sea r e h exPr ession a n d rea so n i n gm o dels o f CB Rha vebee nPr om oted A ndaPPl iea t i onof CB R m o d el a n dm et ho d to s P eci f ie g e og raPhic al Phe nom en on h as beenf u 衍 d i se ussed as w e ll T h e eonten t of 面 5 Pa pe r ea n b e su 们 rn a r i z edint h e f ol l o 俪n g as Pects l G eoCB R h a s bee nPo sed f