1、第六章 GIS与知识规则库集成铜陵学院建筑工程学院2022-4-25 我们淹没在信息海洋之中 但仍处于知识的饥渴中2022-4-2526 GIS与知识规则库集成o 知识概述o 知识库的设计与实现o 基于空间知识规则库的GIS集成2022-4-2536.1 知识概述o 知识的概念对数据包含的信息更抽象的描述，是对大量数据进行分析的过程（具有一定程度的智能性、自动性），包括数据准备、模式搜索、知识评价，以及反复的修改求精。2022-4-254o 知识的表示就是知识的形式化，就是研究用机器表示知识的可行性、有效的、通用的方法。o 目前常用的方法:产生式规则、语义网络法、产生式规则、语义网络法、框架表
2、示法、与或图法、过程表示法、特征框架表示法、与或图法、过程表示法、特征表示法、黑板结构、神经网络法等表示法、黑板结构、神经网络法等o 产生式规则“若,则”（if,then）2022-4-255o 知识的推理是依据一定规则从已有的事实推出结论的过程o 根据知识表示的特点可分为：n 图搜索方法n 逻辑论证方法o 根据推理过程是否应用启发性知识，可分为n 启发推理n 非启发推理2022-4-256o 根据求解的推理过程中结论是否精确，可分为：n 精确推理n 非精确推理o 根据问题求解过程中特殊和一般的关系可分为：n 演绎推理n 归纳推理o 根据推理方向，可分为：n 正向推理n 反向推理n 正反向混合
3、推理2022-4-257o 知识的挖掘n 是指从数据库中发现隐含的、先前不知道的、潜在有用的信息，它综合了机器学习、数据库、专家系统、模式识别、统计、管理信息系统、基于知识的系统、可视化等邻域的有关技术。n 是在数据和数据库膨胀的情况下产生的，也是人工智能、专家系统技术发展的必然结果。2022-4-258o 数据挖掘技术从GIS数据库中挖掘的内容包括：n GIS的数据精炼n GIS数据更新n 自动建立空间知识库o 从GIS的属性数据库和图形数据库中可发现的主要知识类型有：n 目标几何信息知识n 目标关系知识n 目标几何性质与属性性质之间的关系n 面向对象的知识2022-4-259o 这些知识可
4、以表达为：n 空间特征规则n 空间分区规则n 空间关联规则n 空间聚类规则n 空间分类规则n 面向对象的规则n 空间演变规则2022-4-2510o 数据挖掘的方法n 统计方法n 归纳方法n 聚类分析方法n 空间相关分析2022-4-25116 GIS与知识规则库集成o 知识概念o 知识库的设计与实现o 基于空间知识规则库的GIS集成2022-4-25126.2 知识库的设计与实现o 面向对象的知识处理模型o 面向对象的知识库管理系统实现2022-4-2513面向对象的知识处理模型o 知识处理的问题空间由现象和概念构成o 现象有三个主要方面n 现象存在的实体n 表征现象属性的可度量性质n 现象
5、的动态行为o 概念则抽象了现象的主要方面2022-4-2514o 面向对象的方法n 认为模型由对象构成n 对象由属性和动作序列构成n 对象可分为主动对象和被动对象n 类是一类对象的模式，定义了一类对象的共性n 整个模型的行为是由对象的动作序列体现的2022-4-2515o 面向对象的方法的主要机制包括:n 概念和现象被表示成类和对象，属性通过封装而局限于对象内部，向外提供统一的服务界面。n 概念和现象相互联系，往往构成层次结构的关系。n 对象间动态的相互作用通过消息传递来实现。2022-4-2516o 面向对象的知识处理方法的主要步骤包括:n 分析问题空间，定义一系列分成层次的类，构造各种对象
6、，它们是系统的组成元素，这构成了系统的静态结构。n 建立对象之间的各种联系，激活系统，得到一个动态的系统。2022-4-2517o 能够获取、掌握和运用知识的个体，称为智能实体。o 在面向对象系统中，实体用对象描述，智能实体用智能对象描述。o 智能对象是系统中包含知识及其处理方法的对象。o 智能对象=对象+知识+处理方法。o 知识及其处理方法又称知识单元。2022-4-2518o 智能类定义为有共同模式的智能对象的集合。智能类的定义如下：o Intelligent class: 2022-4-2519o 知识单元类的定义如下：o Intelligent unit: 2022-4-2520o 面
7、向对象的知识处理模型主要有以下几点优点:n 系统直接自然地反映问题空间，因而易于理解和维系统直接自然地反映问题空间，因而易于理解和维护，易于开发模拟系统。护，易于开发模拟系统。n 类和对象的机制易于系统重构和扩充、集成，这为类和对象的机制易于系统重构和扩充、集成，这为知识获取、系统升级带来便利。知识获取、系统升级带来便利。n 类、对象、继承等便于表达知识的内部联系，降低类、对象、继承等便于表达知识的内部联系，降低描述的复杂度，较易于构成复杂系统，进行复杂的描述的复杂度，较易于构成复杂系统，进行复杂的处理。处理。n 描述清晰自然、结构性良好，知识和实体表示一致，描述清晰自然、结构性良好，知识和实
8、体表示一致，便于知识表示。便于知识表示。2022-4-2521面向对象的知识库管理系统实现o 知识库的要求n 标准化n 统一化n 客观化o 知识库的组成n 专业知识n 推理机n 用户接口n 知识扩充模块2022-4-2522o 知识库管理系统结构n 模块化n 面向数据流2022-4-2523数据库管理系统的设计o 数据存取和逻辑操作相分离的设计思想n 知识库管理层（直接面向应用）n 知识库层（连接上、下两层）n 知识库表现层（操作）2022-4-2524数据库管理系统的设计o 数据建模与库表结构设计n 对象模式和关系模式的转变n 数据结构定义n 库表结构设计n 复杂对象嵌套引用的实现2022-
9、4-2525数据库管理系统的设计o 知识库与开放式数据库连接开放式数据库连接（ODBC）接口定义了一个函数库，应用系统通过结构化查询语言SQL访问数据库管理系统o 优点n 设计简单n 便于集成n 减少开发周期、费用2022-4-2526数据库管理系统的设计o 知识运用和知识获取过程o 运用过程：n 智能对象探测环境，辨别环境的变化，修改知识库中的有关事实，使得知识单元能根据环境来推理。n 知识单元运用知识处理方法，根据知识数据库的信息进行知识推理，得出极优策略。n 根据极优策略，智能对象改变自己的状态，并对环境施加影响，以改变其他对象的状态。2022-4-2527o 获取过程：n 事实知识的获
10、取n 概念和方法的获取o 知识获取的要求：n 有条理的系统的获取n 不遗漏知识2022-4-25286 GIS与知识规则库集成o 知识概念o 知识库的设计与实现o 基于空间知识规则库的GIS集成2022-4-25293.1 基于空间知识规则库的GIS集成o 决策支持系统（Decision Support System ，简称DSS）是辅助决策者通过数据、模型、知识以人机交互式进行半结构化或非结构化决策的计算机应用系统。o 基本组成n 数据n 模型n 推理机n 人机交互2022-4-25302022-4-2531o 空间决策支持系统的基本功能如下：n不同数据源的空间和非空间数据的获取、输入和存储
11、。n复杂的空间数据结构和空间关系的表示，适于查询、检索、统计、计算功能。n灵活地集成程式式知识和数据处理能力。n灵活的功能修改和扩充机制。n友好的人机交互界面。n提供决策需要的多种输出。n提供非结构化空间知识的形式化表达方法。n提供基于领域专家知识的推理机制。n提供自动获取知识或自学习的能力。n提供基于空间信息、描述性知识、程式式知识的智能控制机制。2022-4-25323.2 基于知识的空间决策支持系统的集成o 地理信息系统能定量分析和空间分析; o 产生式专家系统能表达人类专家的领域知识, 可方便地表述专业问题的解决方法;o 空间决策模型注重数学分析, 通常基于因子图。o 三类建模技术n
12、基于函数n 基于人工神经网络n 基于规则2022-4-2533o 智能空间决策支持系统ISAT( Intelligent Spatial Analysis Tools) ，中科院遥感所研发。o 具有按照规则组合方式来构造空间决策模型的能力, 并且可以处理模糊数据。2022-4-2534o ISAT 更主要的是提供一种基于规则集成模型的手段。o ISAT 的主要思路n 是以规则做粘合剂将数据库、地理信息系统和模型集成在一起。n 因为在解决复杂的空间决策问题时, 既需要基于规则的知识, 也需要过程知识( 结构化分析技术和模型)；既需要从数据库中获得统计数据, 也需要从地理信息系统中获得空间数据。n
13、 因此模糊逻辑、知识处理、综合集成成为工作的出发点。2022-4-2535o ISAT运行形式：n 空间数据的获取和存储是以GIS 来完成；n 空间决策用ISAT 来完成或由ISAT 引导外部模型来完成；n 模型以函数的形式在规则的结论中使用。2022-4-25362022-4-2537ISAT应用实例o 重庆市区投资环境评价系统2022-4-2538o 主要步骤n 按1：5 万比例尺数字化重庆市区地形、水系、交通等图件, 形成坡度、高程、交通影响距离等9个空间量250m*250m 网格的栅格图;n 依据重庆市区的人口、经济、邮电、教育等统计资料, 结合行政区划图、人口经济重心, 运用模糊数学
14、方法, 得到反映人口素质、工农业发展水平等17 个区域量重庆7 个城区单因子位序, 并以行政区界为基准形成250m*250m 网格的栅格图;2022-4-2539o 主要步骤n 依据重庆投资环境评价指标体系, 逐级构造评价知识库。其中重要的是给各因子确定等级值和权重, 等级值是模糊分级的; 各因子间的相互作用是通过规则来描述的。n 在重庆投资环境评价中, 使用的模型是模糊综合评价模型。2022-4-25403.3 基于知识规则的AM/FM/GISo AM/FM/GIS简介AM/FM/GIS（自动制图设备设施管理地理信息系统技术）作为一门与技术密切相关的新兴计算机应用技术, 其应用已远超出传统技
15、术所覆盖的应用范畴2022-4-2541o AM/FM/GIS的应用主要面向供电、供气、供水、通讯等行业, 在这些行业中的设备设施之间通过管、线等发生物理或逻辑上的联系, 所以由各个不同的设备元器件组成的系统是一个有机的整体。o 整体系统有两个最突出的特点n 系统中设备设施都有较为明显的空间概念n 系统中设备设施等地理对象的运行参数实时数据等经常发生变化, 且整个系统中图形对象的拓扑结构也经常发生变化。2022-4-2542o AM/FM/GIS与GIS的区别n 在GIS技术中, 系统应用数据是按地理空间要素进行”结构化组织” 的, 这种”组织” 的特点是对空间地理信息几何、拓扑及属性信息进行
16、”框架性结构化描述, 以期充分提高地学领域中, 各种基于地理信息的应用分析操作的运行效率。n 在AM/FM/GIS技术中, 系统内部应用数据的”结构化组织”是按运行规则完成, 这种”组织” 的特征是以描述系统网络结构及运行逻辑对象模型为主, 目的是保证各种应用分析操作具有较高的运行效率, 而地理图形在”组织” 中只是背景参考信息。2022-4-2543o AM/FM/GIS存在的问题n AM/FM/GIS以为公共领域的设备、设施运行过程控制及设备管理提供自动化工具为直接应用目的。n GIS前者以解决地学领域应用问题为研究目标n 虽然AM/FM/GIS作为GIS应用的一个分支, 但它的特点决定了
17、在应用方面和存在较大的差别, 而现有的AM/FM/GIS应用大部分还定位于GIS的基础上。具体表现在体系结构上还跟随GIS发展, 更多依赖GIS基础软件。2022-4-2544o 基于“ 知识与规则” 的AM/FM/GIS应用大致分为四层n 用户访问层n 应用服务层n 知识管理层n 数据访问层2022-4-25452022-4-2546o 用户访问层n 力求简洁，美观o 应用服务层n 该层的业务逻辑请求调用核心服务处理, 并显示处理结果业务规则为中间层, 实现核心业务逻辑, 管理并接受客户的服务请求, 向资源管理器提交数据操作, 并将处理结果返回给请求者客户或其他服务器n 应用服务层的出现使得
18、整个系统更加健壮、系统更加灵活, 系统的可扩展性也有了较大的提高。2022-4-2547o 知识管理层n 对象知识库n 知识提取模型建模及知识管理n 知识库引擎n 规则处理GUIn 规则库引擎n 规则库2022-4-25482022-4-25492022-4-2550o 基于知识与规则的AMFMGIS数据表达o AMFMGIS中知识类层次表示2022-4-2551超类类类子类子类超类超类超类超类2022-4-2552o 规则定义：o 1，编码规则o 2，设备线路连接规则o 3，设备与设备连接规则o 基于“ 知识与规则” 的AM/FM/GIS是行业专家、用户和应用开发人员共同努力的结果, 系统中
19、对“ 知识与规则” 的处理方法使的整个系统结构更加合理,系统的健壮性和扩展性都比以往的AM/FM/GIS要好。2022-4-2553o 利用面向对象的知识库来表达AM/FM/GIS中复杂的对象及其操作、运行规程, 同时也封装了部分行为规则利用规则库来表达和存储系统中存在的规则和约束。o 基于“ 知识与规则” 的AM/FM/GIS能很好的适应公共行业AM/FM管理, 同时能够提供全面的辅助决策另外基于“ 知识与规则” 的AM/FM/GIS是应用开发人员和行业专家、用户共同建设和维护的系统, 它使得整个系统的扩展性及实用性都得到了极大的提高。2022-4-2554作业o 1,知识表示、推理和挖掘各是什么含义？o 2，一般的知识库系统应满足的要求及组成部分有哪些？o 3，空间决策支持系统应包括哪些功能？2022-4-2555
