与应用模型集成的必要性

与应用模型集成的必要性

1.1.1　GIS与应用模型集成的必要性

地理信息系统（Geographical Information System,GIS）是从20世纪60年代开始迅速发展起来的一门多学科交叉的信息处理技术。一方面地理信息系统是一门学科,是一门描述、存储、分析与输出空间信息的理论和方法的新兴交叉学科；另一方面地理信息系统是一个技术系统,是以地理数据库（Geospatial Database）为基础,采用地理模型分析方法,适时提供多种空间与动态地理信息、为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。其理论研究和技术开发自产生以来取得了巨大的发展,现在已经广泛应用于地理、地质、城市、环境、灾害、经济、国防等众多领域,并发挥了重要作用（邬伦,2001）。

在所有的GIS应用和决策支持工作中,空间分析操作是最基本的组成要素。空间分析是指基于地理对象位置和形态特征的空间数据分析技术,其目的在于提取和传输空间信息（郭仁忠,2001）。空间分析应用的目的是解决地理空间相关问题,通常涉及多种空间分析操作的组合,良好的空间分析过程设计是完成地理空间信息挖掘与提取的关键。

空间分析更深层的应用是关于空间决策支持方面的问题,区域规划、土地利用规划、设施位置选择、环境污染评价与决策等都是有关空间信息的决策问题,这些问题的解决方案是由决策者和相关领域专家在大量空间与非空间信息分析的基础上获取的,空间决策支持服务是空间分析本身与领域决策评价模型的深层结合应用。下面以环境污染评价为例说明GIS与应用模型集成应用以及解决复杂问题的处理过程。需要说明的一点是,该过程并不一定完善,只是用作实例进行说明。

环境污染评价通过对污染源（点源、线源、面源）成因、扩散特点分析,研究污染源在时间、空间上的分布特点与扩散规律,对污染现状、环境质量进行评价,进而进行辅助决策的过程。环境污染涉及的问题主要包括大气污染问题、河流污染问题、海洋污染问题等。环境污染评价过程如下:①数据获取与管理,包括基础空间数据、污染源数据等；②模型生成与管理,具体包括大气污染评价模型、河流污染评价模型、海洋污染评价模型等,必须对这些模型进行有效管理,支持模型抽取、集成、演化、维护等功能；③污染评价,是GIS空间分析与环境污染模型的集成应用,其中GIS空间分析功能包括包含分析、叠加分析、缓冲区分析等；④评价结果可视化输出,利用GIS地图可视化功能,以专题图的方式显示污染源在时间、空间上的分布,直观显示污染扩散范围与扩散量；⑤过程模拟并与监测数据进行对比分析,进而对各环境污染评价模型进行评估,进一步研究污染源的扩散特性,优化模型；⑥辅助决策,在环境污染评价与过程模拟的基础上,结合辅助决策模型进行决策支持。整个环境污染评价过程如图1.1所示。

图1.1　环境污染评价过程

环境科学领域对环境污染问题进行了大量的研究,建立了大量的模型。这些模型的适用范围、模型假设、模型参数、模型质量、模型复杂性互不相同,分别解决不同问题,适用于特定情况,具体污染评价计算是多模型的集成。有效的模型管理功能成为解决环境污染评价问题的关键,是实现环境污染评价的基础。模型管理功能包括模型库组织、模型抽取集成、模型演化维护、模型调度执行等；支持模型参数的自适应选择与生成,对于因客观条件不能获得的模型参数,模型管理应提供根据历史统计资料或参考已经发生的可供参考的同类事故而选择或生成缺失的参数,进行计算,并对参数的置信区域进行评估；在获得某一模型计算的结果之后,应将其与历史数据库中保存的计算结果或者是与实际监测数据进行对比,从而进行模型评价。在有效模型管理的基础上,污染评价模型必须与GIS空间分析功能集成,实现环境污染评价,具体过程包括功能融合、数据交互、处理逻辑设计等问题。环境污染评价模型运算过程如图1.2所示。

图1.2　环境污染评价模型运算过程

从如上分析可知,在环境污染评价过程中,模型管理以及空间分析功能与应用模型集成是最突出的问题。

GIS本身提供了空间信息处理过程所需的基本空间操作功能和空间分析模型,但所提供的空间分析模型是原子级别的基本的空间分析模型,对于如上复杂问题的处理仍然需要集成领域应用模型,支持复杂地理空间问题的解决。从GIS本身来说,其并没有提供有效的手段,用于对复杂地理问题建模、模型管理、模型调度与执行、模型复用集成等,以及管理复杂的空间信息处理过程。具体来说,GIS在这些领域所表现出来的问题和不足主要包括如下几个方面（高勇,2003）:

（1）应用复杂:GIS同其他管理信息系统相比,是一专业信息系统。GIS提供了一系列空间分析功能和专业模型,需要将这些功能进行有效组织,才能更好地应用于实际工作中。但GIS本身并没有为这些应用提供必要的规范模式,因此对于普通用户而言,难以掌握。

（2）缺乏空间过程建模的能力:GIS具有强大的空间分析功能,但是本身缺乏空间分析应用过程建模能力,目前一般是针对某一具体问题通过GIS的二次开发来实现应用建模,这种方式开发的系统复用性很差且成本较高。20世纪90年代以来,GIS与建模软件集成的研究越来越多,GIS应用模型不再是简单的空间分析操作,而是数据、多模型集成的复杂过程,这种应用模式超出了传统GIS制图和决策支持的范围。

（3）缺乏对GIS应用模型管理功能:GIS平台不能管理用户自定义的GIS应用模型,更谈不上对这些GIS应用模型的复用和自动执行的支持。在实际应用中,对一个复杂的空间分析问题进行建模是耗时与耗力的工作,如果不对模型进行有效管理,在数据和应用环境发生变化后,用户必须重复建模过程与所有操作程序,从成本与效率本身来说,是非常不合算的。

（4）应用模型复用能力差:在过去的几十年里,大量专业地理信息系统相继出现,各系统有不同的数据存储格式、数据访问方法、模型的组织方法等,这些封闭独立的系统由于缺乏统一的互操作规范,给空间数据的共享、应用模型的复用带来了巨大的困难,无法有效利用已有资源。

（5）网络协同工作能力差:计算机网络的快速发展和应用普及也对GIS提出了更高的要求。大型GIS的应用往往涉及海量数据管理和处理,空间操作非常耗时,通常是在一个网络环境内协作完成的。GIS如何充分利用网络资源、合理分配处理任务、使网络内的各节点协同工作是GIS面临的新问题。

（6）对工作人员的参与缺乏有效的控制:在GIS应用中,存在大量的人工活动需要工作人员的干预或操作,这时GIS成为操作人员手中的工具,根本不可能控制并规范操作人员的工作,这就给工程应用管理带来了巨大的不确定和不可控制的因素。

（7）与办公系统结合困难:把GIS与OA集成主要困难存在两点:一是对于普通用户来讲,其应用过于复杂；二是GIS缺乏对其自身业务流程的有效表达和管理,与办公自动化的要求相距较远。

为了拓宽GIS的应用领域,更好地发挥GIS的作用,提高GIS的空间分析功能,以及操作的易用性等,GIS必须与建模系统、专家系统、应用模型管理系统、工作流系统等进行集成,并采用分布式计算技术如Web Service技术、面向服务的架构体系SOA（SOA-RM Editors Subcommittee,2006）等,解决复杂问题计算。这也是新一代GIS中面向问题、实现分布式计算等进一步发展的需要（方裕,2001；陈斌,方裕,2001；于海龙,等,2006a；于海龙,等,2007）。