基于CBR與CGE技術(shù)的土地利用決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廣西師范學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 童新華 范文杰 韋燕飛

基于CBR與CGE技術(shù)的土地利用決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廣西師范學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 童新華 范文杰 韋燕飛

單一地理信息系統(tǒng)（GIS）缺乏對(duì)地學(xué)空間問題決策的支持能力，考慮到在GIS中集成基于案例的推理（CBR）與可計(jì)算一般均衡模型（CGE）技術(shù)開展地理計(jì)算既能有效解決動(dòng)態(tài)決策環(huán)境下不良結(jié)構(gòu)問題的同時(shí)，又具備評(píng)價(jià)研究區(qū)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的出色能力，文中以ARCGIS 10為基礎(chǔ)平臺(tái)，以Visual C#為開發(fā)工具，建立了一個(gè)基于CBR與CGE技術(shù)的土地利用決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、GIS空間數(shù)據(jù)分析處理子系統(tǒng)系統(tǒng)、CBR子系統(tǒng)以及CGE分析子系統(tǒng)等6個(gè)部分，具有圖屬互查、空間數(shù)據(jù)分析、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和輔助決策等功能，系統(tǒng)滿足土地利用決策的普遍要求，有一定的推廣使用價(jià)值。

基于案例的推理技術(shù)；可計(jì)算一般均衡；地理信息系統(tǒng)；決策支持系統(tǒng)

基于GIS技術(shù)進(jìn)行土地利用管理，通過管理和分析空間數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行綜合的定量與定性分析，從而及時(shí)地向地學(xué)工作者、各級(jí)管理和生產(chǎn)部門提供有關(guān)區(qū)域綜合、方案優(yōu)選、戰(zhàn)略決策等方面可靠的地理或空間信息。

但現(xiàn)有的基于GIS建立的土地利用管理系統(tǒng)存在一定的不足，表現(xiàn)在：①對(duì)于復(fù)雜的空間問題，尤其是在處理非結(jié)構(gòu)化的土地利用決策問題時(shí)，一些模糊的、不確定的和人文主觀的土地規(guī)劃知識(shí)難以用明確的形式加以表達(dá)和提??；②傳統(tǒng)的GIS重點(diǎn)放在管理數(shù)據(jù)、分析和制圖上，模型庫停留在原生GIS模型中，缺乏經(jīng)濟(jì)模型，因而于實(shí)際操作中容易造成土地空間分布與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)生沖突，對(duì)土地空間布局與整體發(fā)展造成不利影響；③用戶只能看到問題的輸入和結(jié)果的輸出，很難解釋系統(tǒng)的最后結(jié)果，這種黑箱式的風(fēng)格難以為規(guī)劃人員所接受；④單純的GIS對(duì)業(yè)務(wù)規(guī)則的嚴(yán)格執(zhí)行，可能造成在實(shí)際情況中無法界定沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的邊界信息和模糊信息。這些缺點(diǎn)使得傳統(tǒng)GIS缺乏對(duì)地學(xué)空間問題決策的支持能力，阻礙了GIS在土地利用管理中的進(jìn)一步應(yīng)用。

基于案例的推理技術(shù)(Case-based Reasoning，CBR)解決問題所需的知識(shí)是以具體案例的形式，而不是以抽象的規(guī)則或模型的形式存在，推理過程的基本方式是搜索和修改案例，而不是根據(jù)規(guī)則進(jìn)行邏輯推導(dǎo)?？捎?jì)算一般均衡(Computable General Equilibrium，CGE)最主要的特征就是把經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的整體作為分析對(duì)象，通過對(duì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)整體仿真對(duì)特定的經(jīng)濟(jì)策略變動(dòng)進(jìn)行分析，用全面的觀點(diǎn)考察一個(gè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中各種產(chǎn)出和生產(chǎn)要素之間的供給和需求關(guān)系。

目前CBR和CGE技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)具備集成到GIS中的條件，三者的結(jié)合，一方面可以增強(qiáng)非結(jié)構(gòu)化空間問題的處理能力，另一方面可以利用經(jīng)濟(jì)模型量化分析土地資源數(shù)量與布局上的合理性，有利于解決與土地空間有關(guān)的決策問題。本文根據(jù)土地利用決策問題的需求，開發(fā)了一個(gè)基于CBR和CGE技術(shù)的土地決策支持系統(tǒng)，下面就本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文致力于研究將地理信息系統(tǒng)(GIS)、決策支持系統(tǒng)(DSS)、基于案例的推理技術(shù)(CBR)以及可計(jì)算一般均衡模型(CGE)相結(jié)合，建立一個(gè)運(yùn)用CBR技術(shù)進(jìn)行歷史案例推理并集成有可計(jì)算一般均衡模型以輔助決策的土地利用決策支持系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)為：

①構(gòu)造基于地理的CBR案例庫與推理機(jī)，實(shí)現(xiàn)決策數(shù)據(jù)的匯總、分析和表達(dá)，使系統(tǒng)的開發(fā)和使用可以為土地利用規(guī)劃和管理部門的決策活動(dòng)提供依據(jù)；②構(gòu)造集成CGE的經(jīng)濟(jì)分析環(huán)境，實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的導(dǎo)入功能和CGE模型的調(diào)用，包括運(yùn)用恰當(dāng)?shù)牟逯捣ㄊ沟媒?jīng)濟(jì)分析的成果空間化；③提供以項(xiàng)目為單位的選址評(píng)價(jià)功能，并得出不同選址方案的適宜性評(píng)價(jià)；④具備對(duì)土地資源利用現(xiàn)狀、土地類型、土壤類型等基礎(chǔ)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢、更新、統(tǒng)計(jì)、出圖等基礎(chǔ)功能；⑤提供空間數(shù)據(jù)融合、空間數(shù)據(jù)疊加、緩沖區(qū)分析、空間插值等空間分析手段，能有效配合決策成果進(jìn)行二次分析；⑥系統(tǒng)能方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新和功能模塊的擴(kuò)充，最終形成具有一定通用性的功能完善的決策支持系統(tǒng)，同時(shí)系統(tǒng)要有良好的人機(jī)界面，能通過簡(jiǎn)單的操作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于CBR與CGE技術(shù)的土地利用決策支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括以下幾個(gè)子系統(tǒng)：人機(jī)界面、系統(tǒng)總控、數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、包含空間數(shù)據(jù)庫的GIS空間數(shù)據(jù)分析處理子系統(tǒng)、包含案例推理機(jī)和案例庫的CBR子系統(tǒng)、包含模型庫的CGE分析子系統(tǒng)。

圖1 基于CBR與CGE技術(shù)的GIS結(jié)構(gòu)

2.1 人機(jī)界面

人機(jī)界面和系統(tǒng)總控模塊直接聯(lián)系，如圖2所示。人機(jī)界面可以提供多種形式的人機(jī)交互方式，包括菜單、表格、命令語言、屏幕顯示、窗口、報(bào)表輸出、圖形輸出等。通過人機(jī)交互界面，用戶可以方便快捷地調(diào)用和查詢數(shù)據(jù)庫中的各種數(shù)據(jù)和模型。人機(jī)接口的設(shè)計(jì)要求可視化程度高，對(duì)用戶友好。

圖2 基于CBR與CGE技術(shù)的城市土地利用決策支持系統(tǒng)人機(jī)界面

2.2 系統(tǒng)總控

系統(tǒng)總控負(fù)責(zé)連接各個(gè)子系統(tǒng)，求解過程中對(duì)模型庫、案例庫、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫等資源調(diào)度、協(xié)調(diào)、糅合。作為系統(tǒng)中各模塊、各子系統(tǒng)的中央樞紐，系統(tǒng)總控是整個(gè)決策支持系統(tǒng)開發(fā)的中軸，需要根據(jù)不同的子系統(tǒng)提供不同的數(shù)據(jù)接口，在保證數(shù)據(jù)傳輸交換的同時(shí)也要求有一定的功能模塊擴(kuò)展性。

2.3 數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)是整個(gè)決策支持系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)管理模塊，負(fù)責(zé)建立、使用和維護(hù)系統(tǒng)基礎(chǔ)信息，以及系統(tǒng)的調(diào)配、運(yùn)行。系統(tǒng)通過DBMS訪問基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，用戶也可以通過DBMS進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的維護(hù)和擴(kuò)展工作。該子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)定義語言DDL和數(shù)據(jù)操作語言DML，供用戶定義數(shù)據(jù)庫的模式結(jié)構(gòu)與權(quán)限約束，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的更新、刪除等操作。

2.4 GIS空間數(shù)據(jù)分析處理子系統(tǒng)

GIS空間數(shù)據(jù)分析處理子系統(tǒng)與空間數(shù)據(jù)庫連接，用于對(duì)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)操作，為決策者提供決策輸入所必需的信息和數(shù)據(jù)。在該子系統(tǒng)中，以空間數(shù)據(jù)庫為核心，空間數(shù)據(jù)庫中存放地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖、規(guī)劃圖等基礎(chǔ)矢量圖件，以及通過決策過程由系統(tǒng)生成的針對(duì)問題的綜合決策圖等各種專題圖件。

基礎(chǔ)圖件的建庫主要有兩種途徑：一是以通用GIS軟件如MAPGIS或ARCGIS等軟件為依托進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、導(dǎo)入；二是通過外部數(shù)據(jù)源如遙感數(shù)據(jù)獲取?？臻g數(shù)據(jù)庫中還包括自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面的相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)在決策過程中生成的中間及結(jié)果數(shù)據(jù)。

在土地利用中使用的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間有較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此數(shù)據(jù)庫選擇關(guān)系模型，其中空間數(shù)據(jù)庫選擇柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)結(jié)合的數(shù)據(jù)庫類型。由于涉及到不同來源的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、格式及規(guī)范可能不盡相同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要求做好數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、編碼和命名原則。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對(duì)空間和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)管理和維護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)據(jù)文件的編輯、檢索、修改和組織等功能，同時(shí)支持模型運(yùn)算及統(tǒng)計(jì)分析。

2.5 CBR子系統(tǒng)

CBR子系統(tǒng)由兩大部分組成，一是案例庫，二是推理機(jī)。案例就是CBR中的知識(shí)表達(dá)的基本單元，是問題狀態(tài)到相應(yīng)解空間的一個(gè)映射。CBR系統(tǒng)解決問題的過程包括了案例的檢索、案例的復(fù)用、案例的修正、案例的保存。多數(shù)情況下我們很難得到一個(gè)完全相同情況的案例，當(dāng)一對(duì)一的匹配失敗之后，通過對(duì)新案例進(jìn)行多方位適當(dāng)?shù)姆纸猓瑢?duì)縱向和橫向類似案例的修正和集成，產(chǎn)生一個(gè)全新的解，將其納入到案例庫中，向人機(jī)界面輸出決策結(jié)果，同時(shí)綜合其它子系統(tǒng)的分析結(jié)果，這就使得CBR子系統(tǒng)有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力。

以一種適當(dāng)?shù)男问絹砻枋龅乩戆咐菍?shí)現(xiàn)基于案例決策支持的前提，可以采用的案例表示方法有：記憶網(wǎng)絡(luò)法、謂詞邏輯表示法、因果關(guān)系圖、面向?qū)ο蟮谋硎竞腿谋颈硎镜?。?duì)于使用CBR技術(shù)的決策支持來講，案例表示的不僅僅是案例的描述方法，而重要的是案例描述中所包含的內(nèi)容，應(yīng)該包括與問題解答有關(guān)的一切重要信息。因此，所選取的案例應(yīng)該是典型的、對(duì)有類似結(jié)構(gòu)的決策問題具有一定指導(dǎo)意義、對(duì)新問題的解決具有啟發(fā)性，且推理機(jī)算法應(yīng)致力于盡可能地發(fā)現(xiàn)和利用案例中的共同特性，協(xié)調(diào)案例特征的抽象性與具體性，以便更有效地指導(dǎo)新問題的求解。CBR子系統(tǒng)的求解的方法及過程如圖3所示。的部門，通過輸入的變化率結(jié)合求出的系數(shù)矩陣按照CGE的求解原理即可以得出內(nèi)生變量的變化值，最后利用CGE子系統(tǒng)的可視化功能通過表格或者圖形的形式顯示計(jì)算的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況的分析與預(yù)測(cè)，同時(shí)將結(jié)果數(shù)據(jù)特征值通過系統(tǒng)總控傳入CBR子系統(tǒng)，用于結(jié)果相關(guān)方案的情景模擬，綜合后提出相應(yīng)的決策與建議。

圖3 CBR子系統(tǒng)求解的方法及過程

圖4 CGE分析子系統(tǒng)模型構(gòu)建與求解過程

2.6 CGE分析子系統(tǒng)

CGE分析子系統(tǒng)與CGE模型庫連接，用于對(duì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可向用戶直接輸出分析結(jié)果，同時(shí)將分析結(jié)果特征值輸入CBR子系統(tǒng)，用于進(jìn)一步?jīng)Q策論證。

調(diào)用CGE模型實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、政策的模擬是設(shè)計(jì)CGE集成GIS模塊的應(yīng)用核心，其求解問題的過程從確定項(xiàng)目區(qū)的特點(diǎn)和背景開始，如圖4所示，首先利用現(xiàn)有的CGE模型庫匹配適宜的CGE模型，系統(tǒng)根據(jù)用戶給定的外生變量值，通過界面的形式輸入外生變量以及對(duì)應(yīng)

傳統(tǒng)的CGE求解軟件在構(gòu)建模型時(shí)，變量、參數(shù)和方程的定義都需要用戶通過編碼來描述，為了增加了系統(tǒng)的靈活性，降低系統(tǒng)使用的難度，本文設(shè)計(jì)將CGE模型以及構(gòu)成模型的方程封裝起來，用戶僅需要知道這些模型和方程包括哪些參數(shù)，并為這些參數(shù)賦上對(duì)應(yīng)的值，系統(tǒng)將根據(jù)對(duì)應(yīng)值計(jì)算出系數(shù)矩陣，從而避免編寫腳本帶來系統(tǒng)使用的難度。當(dāng)用戶創(chuàng)建了某一個(gè)方程，系統(tǒng)即可以自己調(diào)用。除了用戶調(diào)用系統(tǒng)中已有的方程庫，還允許用戶構(gòu)建自己的方程，因此系統(tǒng)應(yīng)該考慮如何創(chuàng)建、生成、調(diào)用這些方程，從而方便用戶構(gòu)建自己的系統(tǒng)。

3.系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)輸入輸出功能

系統(tǒng)矢量數(shù)據(jù)以ARCGIS的shp格式為標(biāo)準(zhǔn)，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和導(dǎo)入功能接收多種外部GIS軟件采集的矢量數(shù)據(jù)文件，如MAPGIS、MapInfo等；提供Excel、Access等關(guān)系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的導(dǎo)入功能，以此減輕手工輸入的壓力。系統(tǒng)能以圖件、報(bào)表、透視圖等方式輸出決策結(jié)果。按照國(guó)家制圖規(guī)范的要求，提供豐富的地圖模板和自定義模板，進(jìn)行地圖數(shù)據(jù)符號(hào)化、制圖比例尺確定、注記、圖名、圖例、指北針等一系列地圖整飾要素的放置等。

3.2 圖屬互查功能

一方面可以查詢顯示圖形上任何一個(gè)目標(biāo)屬性，或查詢?nèi)我饩匦畏秶械娜磕繕?biāo)屬性，也可以用光標(biāo)查詢、顯示圖形上任一點(diǎn)的坐標(biāo)；另一方面還可以根據(jù)屬性反向檢索其相對(duì)應(yīng)的圖形。

3.3 數(shù)據(jù)的空間分析功能

提供了多種空間分析功能，包括空間數(shù)據(jù)融合、空間數(shù)據(jù)疊加、緩沖區(qū)分析、空間插值等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土地利用現(xiàn)狀、土地類型、土地利用規(guī)劃等數(shù)據(jù)的疊加和提取，滿足了土地利用決策過程中空間數(shù)據(jù)分析的需要。

3.4 社會(huì)經(jīng)濟(jì)分析功能

提供對(duì)研究區(qū)宏觀經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分類、加工、信息挖掘的功能，為用戶提供有關(guān)土地用途變化時(shí)對(duì)各種經(jīng)濟(jì)的影響信息，有效解決相關(guān)從業(yè)人員在決策中碰到的數(shù)據(jù)處理問題、模型計(jì)算問題、計(jì)算結(jié)果比較、存儲(chǔ)、顯示問題，使他們能在簡(jiǎn)單的工作環(huán)境下從事更全面、更深入的研究。

3.5 輔助決策功能

利用空間數(shù)據(jù)庫、模型庫、案例庫的結(jié)合，根據(jù)決策問題需要選擇相關(guān)數(shù)據(jù)，運(yùn)用評(píng)價(jià)模型和相應(yīng)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的分析、研究單元的劃分和評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇和權(quán)重的確定，最終完成土地利用的決策工作。

4.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)，并針對(duì)土地利用決策支持系統(tǒng)的開發(fā)模式，依據(jù)城市土地利用業(yè)務(wù)需求和地理信息系統(tǒng)二次開發(fā)的實(shí)際，選擇ARCGIS 10桌面、組件及其開發(fā)包作為空間信息分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)土地利用空間信息的獲取、分析、存儲(chǔ)；模擬真實(shí)地理維度空間，通過構(gòu)建整形補(bǔ)碼的空間編碼，利用Tesseral方法將屬性值映射到相應(yīng)的取值范圍區(qū)間，實(shí)現(xiàn)地理案例的構(gòu)建與表達(dá)；將CGE中的每一個(gè)方程看成方法庫中方法，將每一個(gè)方程封裝成DLL，利用.NET的發(fā)射技術(shù)來構(gòu)建插件機(jī)制，將方程庫中的每一個(gè)方程看成一個(gè)方程插件，通過用戶白定義將指定的方程加載進(jìn)入宿主系統(tǒng)；借助Visual Studio開發(fā)環(huán)境，使用C#作為開發(fā)語言，以CBR技術(shù)為核心的決策支持模型嵌入到GIS中，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的無縫集成；以Microsoft SQL Server 2008作為其后臺(tái)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)倉庫，DSS組件之間與GIS組件之間主要采取動(dòng)態(tài)鏈接的方式集成。

5.結(jié)語

基于CBR與CGE技術(shù)的土地利用決策支持系統(tǒng)考慮了土地從業(yè)人員的決策偏好，能為業(yè)務(wù)使用者提供多種決策方案，同時(shí)又集成了CGE的社會(huì)經(jīng)濟(jì)分析功能，系統(tǒng)具有界面友好、使用簡(jiǎn)便、通用性強(qiáng)和評(píng)價(jià)方法先進(jìn)等特點(diǎn)，基本實(shí)現(xiàn)了土地利用決策的自動(dòng)化，大大提高了決策的工作效率，對(duì)高效利用土地資料，實(shí)現(xiàn)土地資源科學(xué)利用具有一定實(shí)踐意義。在今后的使用中，系統(tǒng)還需進(jìn)一步完善，主要的改進(jìn)集中在兩方面：一是豐富地理案例庫，繼續(xù)優(yōu)化地理案例的構(gòu)建和表達(dá)方法，提高案例檢索的效率；另一方面是改進(jìn)CGE模型，使之能更好地配合地學(xué)決策問題的經(jīng)濟(jì)模擬。

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童新華（1964—），男，廣西靖西人，廣西師范學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院副教授，主要研究方向：土地信息系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。

范文杰（1988—），男，碩士研究生，主要研究方向：空間信息智能處理。

韋燕飛（1978—），女，廣西田陽人，廣西師范學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院副教授，主要研究方向：土地利用規(guī)劃及調(diào)控。