基于GIS的地域开发分区决策支持系统

基于GIS的地域开发分区决策支持系统邵嗣杨1江南1，2胡斌2王甡2（1.南京大学地理与海洋学院地理信息科学系，南京，210093；2.中国科学院南京地理与湖泊研究所，南京，210008）摘要：地域开发适宜性分区是以生态——经济为导向，能促进经济、人口、资源、环境相互关系及空间秩序的协调。针对地域开发适宜性分区需求，将地理信息系统（GIS）与决策支持系统（DSS）有机结合，建立了地域开发分区决策支持系统(RRDDSS)。介绍了系统分区的思路和原理，进行了系统框架的构建，重点分析了系统功能模块的组成和系统功能的实现。该系统集数据库管理、模型库管理、知识库管理、分区决策、专题图制作、成果管理和人机交互于一体，可为地域开发适宜性分区提供多种决策方案，弥补了传统的GIS和单一的DSS的不足。关键词：GIS；地域开发适宜性分区；决策支持系统1、引言经济发达地区城市化和工业化进程的加快，导致了地域开发秩序混乱，自然生态及农业用地保护难度大，可持续性受到威胁。因此，中国提出各地区要根据资源环境承载能力和发展潜力，按照优化开发、重点开发、限制开发和禁止开发的主体功能要求构建区域发展格局[1]。地域开发适宜性分区是以生态——经济为导向，能促进经济、人口、资源、环境相互关系及空间秩序的协调。随着GIS技术的日趋成熟，GIS可以作为分区工作重要的技术支持工具[2]。但传统的GIS缺乏空间建模能力，开发的系统缺乏对空间问题决策的支持能力。决策支持系统(DSS)是从数据库中找出必要的数据，并利用数学模型的功能，为用户产生所需要信息的计算机程序系统[3]。DSS以提供决策为目标，能帮助决策者进行高水平的决策。但目前大多数的DSS不能灵活、直观地描述对象的空间位置、空间分布等信息。将GIS与DSS有机地结合起来，即借助GIS对空间数据处理功能，并在DSS中加入空间分析模块，使之能够辅助决策者求解复杂的空间问题[4]。笔者根据地域开发适宜性分区的需求，结合GIS与DSS各自的特点，建立了一个基于GIS的地域开发分区决策支持系统(简称RRDDSS系统)。资助项目：中国科学院南京地理与湖泊研究所所长专项基金（NIGLAS2007-05）。作者简介：邵嗣杨（1984-），男，硕士，主要从事虚拟现实研究和GIS开发。E-mail:[e-mail]2、地域开发适宜性分区地域开发适宜性分区，就是充分考虑地区自然生态条件、资源条件、经济效益与开发需求，遵循区域相似性、差异性和等级性原则，划分开发与保护空间，强调让开发成本低、资源环境容量大的地区承担高强度的工业化和城市化活动；让生态保护价值高的区域主要承担农业及生态开敞等功能，缓解经济社会发展与资源环境的空间矛盾。地域开发适宜性分区根据不同的对象和不同类型的分区，而具有不同的分区方法和思路。RRDDSS系统设计采用的分区思路借鉴以自然生态保存价值和经济社会发展需求的地域单元矩阵分类方法[5]，通过自然生态和经济社会两大类指标的地域要素叠加分析，分别评价各单元的生态重要性指数和经济重要性指数，对其等级进行互斥性矩阵分类，确定适宜性类型。RRDDSS系统设计中，分区类型包括优先开发、适度开发、适度保护和禁止开发四类，其中优先开发区域一般指生态重要性指数低，经济重要性指数高的区域；适度开发区域指生态重要性指数中等、经济重要性指数较高或中等的区域；生态重要性指数较高的区域，根据生态优先原则，以适度保护为主；禁止开发区域，则依据最高的生态重要性指数直接确定。3、系统构架RRDDSS的系统设计利用分层原理，根据信息表达类型、应用范围、使用层面的不同，将RRDDSS系统的数据和应用资源划分为不同的层次（如图1）。通过层次划分，每一层实现一种相对独立的功能，将庞大的系统分解为若干个逻辑层，降低了系统复杂度，为系统的建设提供了清晰的接口。地域开发分区决策支持系统应用层模型管理平台知识管理平台决策支持平台GIS组件平台应用交互平台支撑层资源环境数据库社会经济数据库模型库知识库数据层基础层操作系统数据库软件GIS软件图1地域开发分区决策支持系统体系结构图RRDDSS系统共分4层，依次为基础层、数据层、支撑层和应用层。基础层是RRDDSS系统的最底层，包括操作系统，GIS软件、数据库软件，RRDDSS系统将GIS软件定位于ESRI公司的ArcInfo系列,将数据库软件定位于Oracle,操作系统是MicroSoft公司的WindowsXP。数据层是系统的核心，包括地区的资源环境数据库、地区的社会经济数据库、系统开发需要的模型库和知识库。支撑层由模型管理平台、知识管理平台、决策支持平台、GIS组件平台和应用交互平台组成，这些都是构建RRDDSS系统的基础。应用层直接面向决策者，用于系统日常管理和决策评价。4、系统功能设计和实现RRDDSS系统的系统功能组成如图2所示，主要包括数据库管理、模型库管理、知识库管理、分区决策、专题图制作、成果管理和人机交互七大功能。用户人机接口地域开发适宜性分区决策支持系统数据库管理成果管理知识库管理模型库管理分区决策专题图制作图2地域开发分区决策支持系统功能组成图4.1数据库管理数据库管理子系统是RRDDSS系统的基础，它为决策者提供决策输入所必需的信息和数据。这些数据主要以空间数据库和属性数据库的形式进行组织的，其中，以空间数据库为核心。空间数据库中存放地区地形图、各种自然生态因素图等基础图件，以及由系统生成的单要素评价图和综合评价图等各种专题图件。属性数据库包括资源、环境、生态、区域开发和发展潜力等相关的属性数据，以及系统在评价过程中生成的中间和结果数据。为了提高数据的使用效率，我们需要给各种数据建立元数据，元数据基于XML格式进行描述，并存储于Oracle元数据库中。RRDDSS系统的数据库关系模式选择的是关系模型，其中空间数据库选择栅格数据结构和矢量数据结构结合的数据库类型。同时，由于涉及到不同来源的数据，获取数据的时间和手段也有一定的差异，所以系统设计时要求建立统一的数据格式、编码和命名原则。4.2模型库管理模型库是提供模型存储和表示模型的计算机系统，是RRDDSS系统的核心。RRDDSS系统的模型库包含两类模型，即空间模型和应用模型[6]。其中空间模型主要完成对系统空间和属性数据的各种运算，包括空间检索、网络分析和空间扩散计算等。应用模型包括适宜性分区常用的基本方法和标准算法，主要由因子分值标准化模型库（极差标准化、极大值标准化、总和标准化和标准差标准化）、权重确定模型库（层次分析法、特尔斐法、专家打分法和主成份分析法）、因素因子分值叠加模型库（概化聚类、空间关联和星座图法）、适宜性分区模型库（线性扩散、指数扩散和均质扩散）等组成。模型库管理子系统主要是对各个模型库实施管理操作，实现各类模型（包括模型元数据）的增加、修改、删除、保存和导入导出功能，同时具有模型选择推荐功能，即可以针对不同的决策需要选择合适的算法。4.3知识库管理地域开发适宜性分区会随着指标因素的变化和专家经验的不断认识而变化，建立指标知识库，可以实现业务规则快速、低成本的更新，提高了系统的可扩展性。RRDDSS系统的知识库主要包括事实库、规则库和约束库。事实库用于存放评价过程中的说明性知识、构成信息实体的事实等内容；规则库中的主要内容是评价的规则、定理、定律等过程性知识及说明模型库中各个模型的使用范围、方法和关系的规则信息；约束库主要用于说明事实库与规则库中知识的适用范围和条件。RRDDSS系统的知识库管理子系统的功能包括：知识的输入、增加、删除、修改和查询；对知识进行一致性检验，以消除大量的冗余、矛盾、蕴含等现象；对知识进行编辑和编译，知识的获取等等。4.4分区决策分区决策是RRDDSS系统建设的根本目标所在，也是系统功能操作的主线。分区决策是基于模型库系统和知识库系统，遵循一定的评价流程，根据需要运用相关知识，选择评价模型和相应方法，实现对开发地区自然和经济社会等现状数据的分析，评价指标的选择和权重的确定，最终完成地域开发适宜性分区等工作。RRDDSS系统的分区决策模块包括单要素评价和适宜性分区两个子系统，如图3所示。分区决策单要素评价适宜性分区指标体系建立因子权重处理分值标准化叠加分析聚类分析自然要素评价经济要素评价单元转换叠加分析聚类分析矩阵级联分析成果输出成果输出图3分区决策模块设计图单要素评价主要是选择影响地域开发适宜性分区的某个要素，来评价其对地域开发的分区影响，是适宜性分区评价的基础。主要流程包括指标体系建立、因子权重处理、分值标准化、叠加分析、聚类分析和成果输出。指标体系建立主要是要确定自然生态要素和社会经济要素。因子权重是根据权重确定模型库中的方法来给选择的因素因子赋予权重。分值标准化就是将因子图层的图元分值根据因子分值标准化模型库中的方法进行标准化。叠加分析主要是使用因素因子分值叠加模型库中的方法，对因子图层进行叠加运算形成单元图层。聚类分析是针对单元图层进行分类。最后通过成果输出得到单要素评价分区图。适宜性分区是在自然要素指标和经济社会要素指标评价的基础上，以行政区单元为评价单元，通过单元转换、叠加分析、聚类分析和矩阵级联分析，从而得到地域开发适宜性分区结果。其中，单元转换是将自然和经济社会要素指标评价图层进行叠加运算，把自然指标评价单元切分到经济评价单元，并计算自然指标在行政单元中的自然单元聚类指数。矩阵级联主要是对经济社会评价单元图层的自然单元聚类指数和经济单元聚类指数进行矩阵组合，得到评价单元的适宜性指数。如图4为RRDDSS系统在一定的指标体系得到的江苏省适宜性分区评价结果图。图4一定指标体系下的江苏省适宜性分区结果图4.5专题图制作根据一定的分级分类方法及专题图类型，将选定的评价分值图形化，使评价分值以更直观的形式在地图上体现出来，可以清楚地发现评价分值的分布模式和趋势，为决策者的决策支持提供依据。RRDDSS系统的专题图制作功能包括单值专题图、统计专题图、范围专题图和自定义专题图等专题图的制作，决策者可以按照专题图创建向导完成专题图的创建，并且系统还支持专题图的编辑。4.6成果管理RRDDSS系统的成果为各类指标专题图、适宜性分区专题图以及相关的统计图表，成果管理子系统就是对这些成果进行存储、查询和删除管理，可减少不必要的系统运行，不同用户间也可共享应用成果。RRDDSS系统的成果存储是以BLOB字段方式存入成果数据库，存储时一并存入成果处理流程的相关日志信息。4.7人机接口人机接口是人和计算机之间相互作用的一个界面，所有的人和计算机信息交流都发生在这个界面上，能有效地将数据库、模型库和知识库集成在一起。人机接口可以提供多种形式的人机交互方式，包括菜单、填表、命令语言、屏幕显示、窗口、报表输出等。5、结语和讨论本文针对地域开发适宜性分区需求，结合分区评价流程，以软件工程学的分层架构技术，对RRDDSS系统设计进行了一系列的探索，提出了构建该类系统的一个通用性框架，并在该框架的指导下进行了系统功能模块的设计与实现。系统具有界面友好、使用简便、可靠性强、通用性强和分区评价方法先进等优点，很好支持了地域开发适宜性分区需要，并且RRDDSS系统考虑了决策者偏好，实现了信息可视化管理，所以它能为决策者提供基于空间可视化的决策方案，为不同层次的管理者和决策者服务。RRDDSS系统暂时还只是应用到部分地区的适宜性分区评价工作中，有待于在分区评价应用中得到不断的检验、改进和完善。参考文献：[1]陈雯、段学军、陈江龙等．空间开发功能区划方法[J]．地理学报增刊，2004,59（增刊）：1～6．[2]黄杏元、倪绍祥、徐寿成等．地理信息系统支持区域土地利用决策的研究[J]．地理学报，1993,48(2)：114～121．[3]陈文伟．决策支持系统及其开发[M]．北京：清华大学出版社，2000．[4]王家耀、周海燕、成毅．关于地理信息系统与决策支持系统的探讨[J]．测绘科学,2003,28(1)：1～4．[5]InstitutfürRaumordnungundEntwicklungspla