信息工程大学-冯长强-4-地缘环境分析模型图形化建模框架及关键技术_W

1、注册号： 主题： 4. 地理建模与过程模拟 地缘环境分析模型图形化建模框架及关键技术冯长强，华一新 信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州，450001，摘要：我国当前所面临的地缘环境比较严峻，该现状呼吁地缘环境分析新技术、新方法 的产生，这对于脱胎于地理学的 GIS 来说是一次机遇和挑战。此处针对日益增加的地缘 环境分析模型（简称 GEAM）组织管理需求，在对当前 GEAM 进行剖分及组织的基础上， 重点对 GEAM 图形化建模进行研究。文章将图形化建模任务分解为模型组织及管理、模 型编辑、模型验证与运行三个模块，界定了各模块的主要功能，并构建

2、了 GEAM 图形化 建模框架。其次，对图元语义映射与同步、模型验证与运行、模型输出及加载等关键技 术进行了深入研究与剖析。最后，基于.NET 平台开发了 GEAM 图形化建模原型系统，并 通过实际建模案例验证了该原型系统的可用性。关键词：地缘环境分析模型；图形化建模；模型剖分；图元语义映射与同步；模型输出 及加载1 绪论在国外，以美国为代表的西方发达国家一直利用地理信息技术开展地缘环境安全等 问题的研究，为其制定全球及地区战略服务，国内研究则相对迟缓，但随着我国综合国 力的逐步提升以及所面临的地缘环境安全问题逐步凸显1，国内针对该领域的研究逐步升温。研究成果除定性分析以外，主要涉及国家权力或

3、影响力的测算及时空演变2,4、地 缘环境评价5及单元划分6、地缘政治格局划分及演变7,8、地缘政治安全评价9及影响 因素解析10等领域，而且，北京师范大学基于 ArcGIS 开发了国内首个周边地缘环境信 息系统（以南亚为示范区），实现了地缘环境信息的管理、分析及制图等功能11。其不 足之处是缺乏地缘环境分析模型（简称 GEAM）的组织管理模块，各模型孤立存在且无信 息交流，这显然无法满足日益增加的模型组织管理需求，况且不同模型之间往往存在信 息共享，该状况为由已有模型构建新模型提供可能。这不仅可以提高模型代码的重用性， 而且可以降低研究人员的编码负担，因此，本文主要对 GEAM 的组织管理及构

4、建进行研 究。在模型构建方面，图形化建模以其“所见即所得”的特点以及良好的用户交互体验 而倍受青睐，其中，以 UML 为代表的通用建模语言在图形化建模领域发挥了巨大作用， 但其无法满足特定领域的建模需求，如GEAM 的构建，对此，本文主要对GEAM 图形化建 模进行研究。此处首先对 GEAM 进行剖分及分类，然后搭建 GEAM 图形化建模框架并对模 型编辑、模型验证及运行、模型输出及加载等关键技术进行研究，最后对 GEAM 图形化 建模原型系统进行实现及验证。由于数据是模型分析的基础和前提，因此，下文首先对 地缘环境数据的分类及组织进行研究。2 地缘环境数据分类及组织地缘环境数据依赖于特定的空

5、间尺度。当前，地缘环境主要包含四个空间尺度：全 球、地区、国家与边境12，其分别以地区、国家、国家内部的行政区及国家边境地区为 研究对象。由于国家是参与国际事务的主体单元，故本文主要以国家为基本研究实体。 地缘环境数据分为空间数据与非空间数据。对于前者，行政中心、口岸、矿点等 以点要素进行存储，境界线、跨界河流、战略通道及管线、主张线等以线要素进行 及岛礁等战略要地以面要素进行存储，其他数据如 DEM、SO2存储，行政区、争议等以栅格形式进行存储。其中，要素属性表中除了记录基本信息外，还包含与其关联的 国家代码（以 ISO 3166-1 中的三位字母编码为标准）。 非空间数据主要包括属性及数据

6、。前者可划分为政治、经济、军事等类别，每 个类别又包括具体的子属性（简称指标），其中，不随时间变化的同类别的多个指标存 储于同一表中（如国家的主体民族），随时间变化的指标需要单独存储（如 GDP），它们 均通过国家代码与国家实体相关联。而且，为便于数据检索，需要在指标元数据表中记 录指标的基本信息，如存储位置、所属类别等。数据主要包括发生于国家之间的政 治、经济、军事等，主要记录发生的起止时间、地点、涉事国家、类型、 描述及得分等信息。鉴于文章篇幅，不再赘述。3 GEAM 剖分及分类建模是利用基础模型来构建复杂模型的功能重组过程，其中，基础模型的粒度决定 了建模过程的灵活性与便捷性。一般情况下

7、，细粒度模型的功能相对简单，可以提高建 模的灵活性且能够较好适应复杂问题的建模；粗粒度模型的功能相对复杂，可以提高建 模的速度及便捷性。对此，为保证建模的灵活性与便捷性，本文根据模型功能对当前 GEAM 进行剖析，获得原子模型（其功能不可再分，如表 1 中的最大值函数），同时保留使用 频率较高的粗粒度模型（如硬实力测算模型）。此外，为便于对模型进行组织管理，本文根据模型应用是否限于特定领域，将模型 分为基础模型集（即领域无关）与领域模型集（即领域相关）。其中，根据功能类型将 前者进一步划分为数学模型集、统计模型集、评价模型集、聚类模型集、分类分级模型 集等，根据应用领域将领域模型集进一步划分为

8、地缘政治模型集、地缘经济模型集、综 合分析模型集等，如表 1 所示。表 1 GEAM 剖分结果与分类模型集类型具体模型集所含模型数学模型集加、减、乘、除、幂函数、对数函数等统计模型集指标取值函数、最大值函数、最小值函数、求和函数等基础模型集评价模型集AHP、熵权法、变异系数法、主成分分析法、模糊综合评价法等聚类模型集K-means 聚类、k-中心点聚类、系统聚类、模糊聚类等分类分级模型集自然间断点法、标准差分级、最优分割分级、级数分级等地缘政治模型集硬实力测算模型、软实力测算模型、科技力测算模型、综合国力模型、 国家关系测量模型、地缘位势测算模型、地缘影响力测算模型等 领域模型集地缘经济模型集

9、经济互补系数测度模型、经济合作潜力测度模型、地缘经济关系匹配 模型等 综合分析模型集地缘环境单元评价模型、地缘环境单元划分模型等4 GEAM 图形化建模框架图形化建模是用户通过对代表子模型及参数的图元进行编辑、布局来实现自定义模 型的构建。对此，本文设计了图 1 所示的 GEAM 图形化建模框架，主要包括模型组织管 理、模型编辑与模型验证运行三个模块。图 1 GEAM 图形化建模框架4.1 模型组织管理模块该部分主要实现自定义模型（集）的创建、删除、加载和输出。基于上节模型分类 结果，本文利用目录树对模型进行组织管理。对于系统内部模型集，在模型目录树初始 化时由配置文件加载，用户不能对其进行编

10、辑修改，但可以对自定义模型（集）进行创 建、删除等操作，而且，可将自定义模型集输出至Xml 文件中或将其从后者加载到模型 目录树中，实现自定义模型的共享及重用。4.2模型编辑模块模型编辑通过模型逻辑流程图来间接实现。模型逻辑流程图是模型的图形化表现形 式，由一系列具有不同语义的图元（包括椭圆、矩形与单向连线）构成。本文以椭圆及 矩形分别代表参数和模型，并利用连接线将椭圆与矩形相连接（其本质是将自定义模型 参数映射到子模型的内部参数）。模型逻辑流程图编辑包括图元创建、删除及位移等操 作，其核心是图元语义映射与同步。4.3模型验证与运行模型逻辑流程图构建完成后需要对其进行验证，判断是否存在回路以及

11、子模型所需 的参数数量及类型是否满足要求等问题，而且，在模型逻辑流程图中可以同时存在串行 结构与并行结构，因此，在模型运行前需要确定各子模型的执行顺序。由于子模型既可 以是系统内部模型也可以为其他自定义模型，因此，还需要对模型运行机制进行研究。 5 GEAM 图形化建模关键技术由上可知，GEAM 图形化建模关键技术主要包括图元语义映射与同步、模型验证与运 行、模型集输出与加载。对此，本文构建了图 2 所示的主要结构类图，其中，GraphManager 为图元管理器，主要对矩形 GRect、椭圆 GOval 与连线GArrow 等图元进行管理；GModel 为自定义模型，包含多个子模型（涉及系统

12、内部模型ConcreteModel 与其他自定义模型）、 参数Parameter 与参数映射对象SubModel，它们分别存储于GModel 内部相应容器中。 5.1图元语义映射与同步图元语义映射与同步是指在图元编辑过程中图元与其语义的同步更新。对此，在同 一自定义模型建模过程中作如下规定：所有图元、子模型及参数分别通过图元名称 strGraphName、模型别名strModelAliasName 及参数名称strParaName 来唯一标识。图元语义映射与同步发生于图元的创建及删除过程，它们分别引发图元语义映射的 创建和删除。其中，椭圆与参数的映射通过其名称来实现，当椭圆创建（删除）时，需

13、要创建（删除）具有相同名称的参数对象；同理，矩形与子模型的映射通过它们的唯一 标识来实现，当矩形创建（删除）时，需要创建（删除）具有相同唯一标识的子模型对 象。 图 2 GEAM 图形化建模主要结构类图自定义模型参数与子模型内部参数的映射通过 SubModel 来实现，且仅当上述参数 类型相同且后者尚未被映射时方可建立映射关系。当连接线被创建时，其 strGraph1 与 strGraph2 属性分别被赋值为连接线起点与终点所依附的图元名称，同时需要在哈希表 paraMap 中添加新的“键-值”元素（“键”和“值”分别为自定义模型参数名称与子模 型内部参数名称），同理，当连接线被删除时，需要将

14、 paraMap 中的相应“键-值”元素 删除。5.2模型验证与运行5.2.1模型验证 该部分主要包括子模型参数数量及类型匹配、回路检测，其中，仅当参数类型正确 匹配时方可用连接线将椭圆与矩形相连接，且参数数量匹配可通过判断各子模型的所有 必选参数是否均已获得映射来完成，故此处主要对模型回路检测进行研究。鉴于模型逻辑流程图中往往同时存在串行与并行结构，对此，本文借鉴经典 Petri 网13的基本思想对自定义模型运行过程进行模拟，进而对潜在回路进行检测并生成依正 确顺序执行的模型序列，主要步骤如下。其中，flagTable 为哈希表，key 为图元名称， value 用于记录对应参数是否已被赋值

15、或对应子模型的入参是否均已被赋值； readyModels 用于存储已满足运行条件但尚未运行的子模型；models 用于存储已运行的 子模型。（1）变量初始化。利用所有参数及子模型分别构建“key-value”对（value 均为 false）插入flagTable 中，将所有叶节点入参对应的value 值设为true，将满足运行 条件的子模型插入readyModels，并将models 清空。 （2）重复如下操作，直至readyModels 为空：从 readyModels 中取出一个子模型M 插入models，将 M 及其出参对应的value 值设 为 true，并将以 M 的出参作为入参

16、的子模型中满足运行条件的子模型插入readyModels 中。步骤（2）执行完成后，若models 中包含自定义模型中的所有子模型，则不存在回 路，且 models 中的模型顺序即为所有子模型的一个正确执行序列，否则，存在回路， 需要建模人员予以修正。5.2.2 模型运行 （1）参数值设置 模型运行前需要在参数值设置窗口中对参数进行赋值。由于参数类型既可以为数值、 日期等简单类型，也可以为复合类型（如“缓冲区半径”为“5.2Km”），对此，需要为 不同类型的参数设计相应的参数值接收控件。如图 3 所示，简单类型参数与复合类型参 数分别对应于简单控件SimpleStrl、用户自定义控件 User

17、DefCtrl，后者可以同时包含 多个简单控件和其他自定义控件，如“距离”参数对应的控件由分别接收数值与距离单 位的文本控件与下拉列表框组合而成。 图 3 参数类与控件类由于不同模型包含的参数类型及数量并不一致，因此，参数值设置窗口中的控件需 要动态加载。此处将控件名称设置为参数名称，由此可以获得与指定参数对应的控件及 参数值。其中，在参数值设置窗口中仅对 bRequired 属性为 true 的参数创建控件，且 控件显示顺序取决于用户设置模型必选参数的次序（ 存储于模型内部数组 requiredParaRanks 中）；所有控件具有相同宽度且按纵向依次排列。 （2）模型运行鉴于所有自定义模型

18、均包含多个参数及子模型，且它们的执行均依赖于系统内部模 型，对此，本文将图 2 中的模型基类设计为图 4 样式。此时，系统内部模型 ConcreteModel 在其 Execute()函数中基于相应参数实现特定功能；所有自定义模型对应于同一模型类 GModel，且通过模型别名来唯一标识，其执行过程均为依子模型执行顺序作如下处理（假 设自定义模型为Model 且当前子模型为subModel）： 首先根据模型名称从全局模型对象容器（在模型目录树初始化以及自定义模型加载、 创建时需要创建对应的模型对象并保存于该容器中）中获取对应的子模型 M；然后根据 subModel 中的paraMap 对M 中的

19、参数进行赋值；最后调用 M 的执行函数，并根据 paraMap 对Model 中的参数进行赋值，便于后续子模型的信息共享。此处，如果M 仍为自定义模 型，则其运行过程需要调用其内部子函数的执行函数，以此类推。可知，自定义模型的 运行过程是对子模型执行函数的递归调用。图 4 模型类结构图5.3模型集输出与加载为了模型的共享及复用，需要对自定义模型集进行输出。为了能够对用户建模结果 进行真实再现及后续优化，不仅需要对各模型所含子模型及参数等信息进行输出，而且 需要对图元的坐标、外观、语义映射以及模型创建日期、时间等元数据信息进行输出。 鉴于上述信息具有较好的层次性及结构性，以及 XML 在信息结构

20、化存储及传输方面的优 势，本文选取XML 文档对模型集进行存取。由于XML 是一棵由底层元素经逐级聚合而形成的文档树，因此，需要对输出文件结 构进行设计。对此，本文构建了图 5 所示的自定义模型集输出文件文档树，可知，模型 集的输出就是将其所包含的各模型所对应的 GModel、GraphManager 等对象进行结构化 存储的过程。 图 5 自定义模型集输出文件文档树自定义模型集的复用主要通过模型集的加载来实现，后者可视为模型集输出过程的 逆向操作，主要任务是对模型集 XML 文档进行解析并对 GModel、GraphManager 等对象 进行实例化，实现用户建模结果的复现。6 原型系统实现

21、与应用案例基于上述研究，本文在VS2010 及ArcGIS Engine10.0 环境下利用C#语言开发了图形化建模原型系统（主界面见图 6），实现了自定义模型的创建、编辑、验证、运行、 输出及加载等功能，并通过实际建模案例（地缘环境单元划分图形化建模）来验证该原 型系统的可用性。图 6 GEAM 图形化建模原型系统界面6.1 地缘环境单元划分模型构建地缘环境单元划分是在对不同地缘体的地缘环境进行综合评价的基础上，通过对综 合评价值进行分级来实现，其中，地缘环境综合评价是前提。此处借鉴文献5中的方 法，利用模糊评价法与层次分析法（AHP）进行评价（后者为前者提供指标权重）。可知， 地缘环境单元

22、划分可以通过三个子模型来实现，即模糊评价模型、AHP 及分级模型（以 自然间断法为例）。通过将上述子模型从模型目录树拖入建模窗口并对其参数进行设置， 最终获得图 7 所示的地缘环境单元划分模型逻辑流程图。 图 7 地缘环境单元划分模型逻辑流程图6.2 地缘环境单元划分模型运行在模型目录树中双击指定模型，打开模型参数值设置窗口，见图 8。其中，国家集、 指标集、判断矩阵与分级数目为输入参数，国家分级结果与评价值分级结果为输出结果， 待参数值设置完毕后点击“确定”即可。此处以南亚七国为示范区，输入参数与文献5一致（分级数目为四级），南亚地缘 夫，不丹的地缘环境最差，该格局在一定程度上可由“地理决定论”来解释。图 8 模型运行参数值设置窗口 图 9 南亚地缘环境单元划分结果7 结束语本文在对当前GEAM 进行剖分及组织的基础上，重点研究了 GEAM 的图形化建模技术。 文章构建了 GEAM 图形化建模框架，并对模型编辑、模型验证与运行、模型输出及加载 等关键技术进行了深入研究。在此基础上，基于.NET 平台开发了 GEAM 图形化建模原型 系统，其不仅能够对当前 GEAM 进行有效组织管理，而且可以增加模型的重用性并降低 研究人员的编码负担，对于地缘环境的深入研究提供了有力技术支撑。在后续研究中， 需要继续对新的GEAM