Microsoft Word _...._.doc

Transcription

1 GIS A study on GIS-based Model Reuse and Integration

2

3 摘 要 为 了 拓 宽 GIS 的 应 用 领 域, 提 高 GIS 的 空 间 分 析 功 能, 解 决 复 杂 地 理 问 题,GIS 与 应 用 模 型 或 模 型 管 理 系 统 MMS(Model Management System) 集 成 是 必 然 趋 势 目 前,GIS 与 应 用 模 型 或 MMS 集 成 包 括 松 散 集 成 紧 密 集 成 和 无 缝 集 成 三 种 模 式, 在 具 体 集 成 策 略 上, 分 为 GIS 环 境 内 部 集 成 与 GIS 环 境 外 部 集 成 两 种 方 案 这 些 集 成 方 法 存 在 如 下 问 题 :1) 系 统 集 成 产 生 明 显 功 能 冗 余, 且 用 户 很 难 对 模 型 进 行 修 改, 灵 活 性 差 ;2) 由 于 模 型 表 示 方 法 不 同 模 型 元 数 据 等 无 统 一 标 准 模 型 与 数 据 的 链 接 规 则 复 杂 模 型 抽 取 集 成 方 法 不 同, 应 用 模 型 复 用 困 难 ;3)GIS 与 应 用 模 型 集 成, 解 决 复 杂 地 理 问 题, 用 户 操 作 界 面 复 杂, 集 成 实 现 困 难 为 了 有 效 实 现 GIS 与 应 用 模 型 集 成, 应 用 模 型 复 用 与 集 成 方 法 研 究 是 重 要 研 究 问 题 之 一 本 文 在 MS/OR(Management Science/Operation Research) 与 DSS(Decision Support Systems) 领 域 面 向 对 象 结 构 建 模 与 建 模 语 言 分 布 式 模 型 管 理 组 件 式 模 型 软 件 复 用 模 型 属 性 信 息 管 理 HLA 系 列 标 准 等 研 究 成 果 基 础 上, 结 合 地 理 信 息 科 学 领 域 GIS 与 应 用 模 型 集 成 理 论 与 方 法 开 放 的 分 布 式 处 理 参 考 模 型 RM-ODP [ISO/IEC10746] OpenGIS 系 列 规 范 ISO/TC211 系 列 标 准 WebServices 等 技 术, 分 析 了 应 用 模 型 表 示 应 用 模 型 服 务 生 成 应 用 模 型 服 务 集 成 等 相 关 问 题, 提 出 了 基 于 服 务 模 式 的 GIS 应 用 模 型 复 用 与 集 成 方 法 本 文 研 究 解 决 了 目 前 系 统 集 成 功 能 冗 余 的 弊 端, 可 实 现 了 领 域 间 异 构 环 境 下 应 用 模 型 复 用, 简 化 了 集 成 实 现 的 过 程 论 文 主 要 研 究 工 作 包 括 :1) 给 出 了 GIS 应 用 模 型 的 概 念 以 及 七 元 组 的 表 示 方 法, 建 立 了 应 用 模 型 分 类 体 系, 探 讨 了 应 用 模 型 复 杂 性, 建 立 了 GIS 应 用 模 型 复 用 体 系 ;2) 以 RM-ODP 为 基 础, 建 立 了 GIS 应 用 模 型 表 示 体 系, 扩 展 了 OpenGIS 空 间 信 息 服 务 体 系 的 内 容 建 立 了 应 用 模 型 服 务 体 系 ; 探 讨 了 应 用 模 型 服 务 集 成 模 式 服 务 链 表 示 方 法 服 务 集 成 实 现 过 程 等 问 题 ;3) 初 步 建 立 了 应 用 模 型 元 数 据 标 准, 分 别 定 义 了 应 用 模 型 陈 述 元 数 据 与 服 务 元 数 据 核 心 内 容 ;4) 定 义 了 GBMDL 的 BNF 范 式, 建 立 了 基 于 XML Schema 的 应 用 模 型 实 体 模 式 数 据 模 式 约 束 模 式 元 数 据 模 式 组 件 字 典 模 式, 从 而 定 义 了 GIS 应 用 模 型 描 述 语 言 GBMDL, 支 持 应 用 模 型 组 件 应 用 模 型 服 务 抽 取 与 集 成 5) 以 小 流 域 地 貌 演 化 模 型 (MCGEM) 管 理 为 例, 利 用 GIS 应 用 模 型 的 七 元 组 GBMDL 分 别 定 义 了 MCGEM, 开 发 了 小 流 域 地 貌 演 化 模 型 服 务 MCGEMS, 实 现 了 MCGEMS 与 OpenGIS 的 WCS 服 务 集 成, 完 成 了 基 于 服 务 模 式 的 小 流 域 地 貌 演 化 问 题 计 算 创 新 点 如 下 : 1) 提 出 了 基 于 服 务 模 式 的 应 用 模 型 复 用 与 集 成 方 法, 支 持 跨 平 台 异 构 环 境 下 领 域 间 应 用 模 型 复 用 与 集 成, 解 决 了 系 统 集 成 功 能 冗 余 模 型 复 用 困 难 集 成 界 面 复 杂 等 问 题 ; 2) 定 义 了 应 用 模 型 陈 述 元 数 据 与 服 务 元 数 据 核 心 内 容, 初 步 建 立 了 应 用 模 型 元 数 据 标 准 ; 3) 定 义 了 应 用 模 型 描 述 语 言 GBMDL, 完 整 描 述 了 应 用 模 型 定 义 应 用 模 型 元 数 据 应 用 模 型 组 件 信 息 以 及 应 用 模 型 服 务 信 息 随 着 GIS 应 用 领 域 的 进 一 步 扩 展,GIS 将 成 为 各 领 域 解 决 复 杂 问 题 的 必 要 工 具 本 文 基 于 服 务 模 式 的 应 用 模 型 复 用 与 集 成 研 究 实 现 了 跨 平 台 领 域 间 异 构 环 境 下 应 用 模 型 复 用 与 集 成 该 研 究 为 最 终 实 现 应 用 模 型 互 操 作 以 及 面 向 问 题 的 分 布 式 复 杂 问 题 计 算 奠 定 了 基 础, 具 有 一 定 的 理 论 与 现 实 意 义 关 键 词 :GIS 应 用 模 型, 应 用 模 型 复 用, 应 用 模 型 服 务 集 成,GIS I

4 Abstract Geographical Information System (GIS) integrated with GIS-Based Model (GBM) or Model Management System (MMS) is the key for overspreading GIS s application field, improving spatial analysis and resolving complex geographical problems. At present, the schema for integration includes isolation integration, closed integration and seamless integration, which can be implemented in the GIS s environment or out the GIS s environment. However, some problems happen as follows. 1) Function redundancy, lower efficiency and more difficult modification have come into being among system integrations; 2) Different standards for model s and model metadata s definition and representation, and different methods for model retrieve, integration and interaction result in model reuse being very difficult; 3) interfaces of integration are very complex, so limit the model application. To resolve these problems, the model reuse is one of the most important issues. This paper is mainly about GBM reuse and integration. The foundation of the research includes two fields. One is in the Management Science/Operation Research and Decision Support Systems, such as Object Oriented Structure Modeling and Modeling Language, Distributed Model Management, Model Components Reuse, Model Attribute Information Management and the standard about HLA (High Level Architecture). The other is in the Geographical Information Science, such as the methods for integration between GIS and model, Reference Model for Open Distributed Processing (RM_ODP) [ISO/IEC10746], the series of specifications of OpenGIS, the series of standards of ISO/TC211 and WebServices. According to these, the method of GBM reuse and integration is proposed based on Webservices. This research resolves the problems resulting from systems integration, improves the model representation and simplifies the procedure of integration. The main research works are as follows. 1) A study on the GBM concepts, classification architecture, methods of complexity evaluation and GBM reuse architecture. 2) Based on RM_ODP, the Information View and Compute View of GBM are built, and then the model representation and services architecture are built. The integrating schema, Service Train s representation, the integration processing are discussed about GBM services. 3) A standard of GBM metadata is built primarily. The declaration and service kernel metadata about GBM are defined, which are the foundation for model retrieving and integrating. 4) Define the GBM Description Language (GBMDL) based on XML. The BNF of model, the schema of model entity, model data, model constrains, model metadata and model components dictionary are designed, which support GBM defining and transferring. 5) A study on instance of GBM reuse and integration. Taking the Modern Catchment Geomorphic Evolution Model (MCGEM)as an example, the MCGEM s representation based on tuple and GBMDL are given. The MCGEM Service and integration with WCS are implemented respectively. The main innovative points are follows. 1)The method of GBM reuse and integration based on WebServices is proposed, which will support GBM reuse and integration within multi_fields, multi_interface and heterogeneous environment. II

5 This method can resolve the problems of function redundancy, reuse difficult and integration interface complexity. 2) The standard of GBM metadata is defined primarily, which includes the declaration and service kernel metadata. 3) The GBM Description Language (GBMDL) based on XML is defined, which includes GBM definition, metadata, component s description and service s description. GBMDL can describe the GBM completely. With the development of GIS s theory and technology, it will become a very important tool to resolve the complexity issues. This study supports GBM reuse and integration among multi_fields and multi_interface. It can be improved to realize GBM interoperability in deed. Key words: GIS-based model (GBM), GBM reuse, GBM services integration, GIS III

6 目 录 第 一 章 绪 论 问 题 的 提 出 GIS 与 应 用 模 型 集 成 的 必 要 性 GIS 与 应 用 模 型 集 成 研 究 现 状 及 存 在 的 问 题 模 型 复 用 研 究 现 状 及 分 析 模 型 概 念 与 分 类 模 型 生 命 周 期 模 型 复 用 概 念 模 型 复 用 研 究 现 状 模 型 复 用 研 究 现 状 分 析 论 文 研 究 目 的 与 主 要 研 究 内 容 研 究 目 的 主 要 研 究 内 容 论 文 研 究 路 线 与 组 织 结 构...15 第 二 章 GIS 应 用 模 型 及 其 复 用 体 系 GIS 应 用 模 型 概 念 与 特 点 GIS 应 用 模 型 概 念 GIS 应 用 模 型 特 点 GIS 应 用 模 型 分 类 基 于 领 域 特 性 分 类 基 于 应 用 模 型 定 性 / 定 量 特 点 分 类 基 于 输 入 集 信 息 空 间 / 非 空 间 特 性 分 类 基 于 模 型 技 术 条 件 分 类 GIS 应 用 模 型 分 类 体 系 GIS 应 用 模 型 复 杂 性 GIS 应 用 模 型 复 用 体 系 开 放 的 集 成 建 模 环 境 OIME 开 放 的 集 成 应 用 环 境 OIAE 基 础 技 术 与 规 范 本 章 小 节...28 第 三 章 GIS 应 用 模 型 表 示 与 服 务 生 成 应 用 模 型 表 示 应 用 模 型 建 模 框 架 应 用 模 型 实 体 应 用 模 型 数 据...33 I

7 3.1.4 应 用 模 型 元 数 据 应 用 模 型 时 间 要 素 应 用 模 型 实 体 与 应 用 模 型 数 据 约 束 链 接 应 用 模 型 服 务 生 成 应 用 模 型 组 件 抽 取 与 集 成 应 用 模 型 演 化 与 维 护 应 用 模 型 有 效 性 验 证 应 用 模 型 解 释 应 用 模 型 复 杂 性 评 价 应 用 模 型 服 务 定 制 应 用 模 型 库 应 用 模 型 库 概 述 应 用 模 型 库 配 置 模 式 应 用 模 型 服 务 体 系 应 用 模 型 服 务 体 系 与 OpenGIS 服 务 体 系 的 关 系 应 用 模 型 服 务 体 系 本 章 小 节...52 第 四 章 GIS 应 用 模 型 服 务 集 成 基 于 服 务 链 的 应 用 模 型 服 务 集 成 模 式 基 于 PETRI 网 的 服 务 链 表 示 应 用 模 型 服 务 集 成 实 现 过 程 应 用 模 型 服 务 集 成 应 用 本 章 小 节...62 第 五 章 GIS 应 用 模 型 描 述 语 言 GBMDL GBMDL 的 BNF 描 述 GBMDL 的 依 据 和 规 则 应 用 模 型 描 述 文 档 化 基 础 和 规 则 GBMDL 的 定 义 和 内 容 语 法 及 语 言 结 构 应 用 模 型 定 义 GBMDL 模 式 应 用 模 型 元 数 据 GBMDL 模 式 应 用 模 型 组 件 字 典 的 GBMDL 模 式 本 章 小 节...75 第 六 章 GIS 应 用 模 型 复 用 实 例 研 究 基 于 应 用 模 型 七 元 组 的 小 流 域 地 貌 演 化 模 型 表 示...77 II

8 6.2 基 于 GBMDL 的 小 流 域 地 貌 演 化 模 型 描 述 小 流 域 地 貌 演 化 模 型 服 务 MCGEMS 设 计 MCGEMS 组 件 划 分 与 集 成 MCGEMS 接 口 定 义 栅 格 数 据 获 取 服 务 WCS 设 计 MCGEMS 与 WCS 集 成 设 计 MCGEMS 与 WCS 集 成 服 务 链 设 计 MCGEMS 与 WCS 集 成 过 程 设 计 MCGEMS 与 WCS 开 发 与 服 务 集 成 实 现 WebServices 平 台 与 技 术 MCGEMS 与 WCS 开 发 与 服 务 集 成 平 台 选 择 与 主 要 技 术 基 于.NET 平 台 的 MCGEMS 与 WCS 集 成 调 用 过 程 MCGEMS 与 WCS 开 发 与 服 务 集 成 实 现 本 章 小 节...96 第 七 章 结 束 语 结 论 讨 论...98 附 录 A:GIS 应 用 模 型 组 件 字 典...99 A.1 应 用 模 型 组 件 标 识 信 息...99 A.2 应 用 模 型 组 件 实 现 信 息...99 A.3 应 用 模 型 组 件 运 行 环 境 信 息 A.4 应 用 模 型 组 件 版 本 关 系 信 息 A.5 应 用 模 型 组 件 分 发 信 息 附 录 B:GIS 应 用 模 型 元 数 据 字 典 B.1 应 用 模 型 陈 述 元 数 据 字 典 B.1.1 实 体 集 信 息 B.1.2 标 识 信 息 B.1.3 内 容 信 息 B.1.4 质 量 信 息 B.1.5 运 行 结 果 表 达 方 式 信 息 B.1.6 分 发 信 息 B.1.7 设 计 与 开 发 信 息 B.1.8 限 制 信 息 B.1.9 维 护 信 息 B.1.10 联 系 类 信 息 B.2 应 用 模 型 服 务 元 数 据 字 典 III

9 B.2.1 服 务 标 识 信 息 B.2.2 服 务 操 作 信 息 B.2.3 服 务 参 数 信 息 参 考 文 献 致 谢 IV

10 图 表 目 录 图 1.1 环 境 污 染 评 价 过 程...2 图 1.2 环 境 污 染 评 价 模 型 运 算 过 程...2 图 1.3 GIS 与 地 理 空 间 过 程 模 型 集 成 模 式...4 图 1.4 模 型 生 命 周 期 流 程 图 ( 王 桥 1998, 修 改 )...7 图 1.5 模 型 转 换 示 意 图 (Kim,2001)...9 图 1.6 模 型 转 换 实 现 模 型 复 用 系 统 体 系 结 构 (Kwon,1996)...9 图 1.7 RMMBS 体 系 结 构 (Hai Zhuge,1998)...9 图 1.8 HLA 仿 真 逻 辑 结 构 ( 周 彦,2002)...13 图 1.9 论 文 研 究 技 术 路 线...15 图 2.1 GIS 应 用 模 型 分 类 体 系 示 意 图...22 图 2.2 应 用 模 型 复 杂 性 示 意 图 (Grove, 2002; 修 改 )...23 图 2.3 模 型 复 用 发 展 趋 势...25 图 2.4 GIS 应 用 模 型 复 用 体 系...26 图 2.5 RM-ODP 各 视 图 之 间 的 关 系 ( 引 自 RM-ODP)...28 图 3.1 应 用 模 型 建 模 流 程...30 图 3.2 应 用 模 型 分 类 分 级 组 织 结 构...31 图 3.3 应 用 模 型 结 构...31 图 3.4 应 用 模 型 实 体 结 构...33 图 3.5 应 用 模 型 数 据 概 念 结 构 (Huh,1995,1999,2000 修 改 )...34 图 3.6 应 用 模 型 数 据 结 构...34 图 3.7 应 用 模 型 元 数 据 结 构...35 图 3.8 应 用 模 型 陈 述 元 数 据 结 构...36 图 3.9 应 用 模 型 服 务 元 数 据 结 构...36 图 3.10 应 用 模 型 运 行 流 程...37 图 3.11 应 用 模 型 实 体 / 应 用 模 型 组 件 与 应 用 模 型 数 据 约 束...38 图 3.12 应 用 模 型 组 件 与 应 用 模 型 数 据 链 接...38 图 3.13 应 用 模 型 数 据 与 应 用 模 型 实 体 / 应 用 模 型 组 件 链 接 产 生 新 的 应 用 模 型...39 图 3.14 应 用 模 型 组 件 抽 取...40 图 3.15 应 用 模 型 组 件 集 成...41 图 3.16 应 用 模 型 演 化 维 护...42 图 3.17 应 用 模 型 有 效 性 检 查...43 图 3.18 应 用 模 型 复 杂 性 评 价 过 程...44 图 3.19 应 用 模 型 服 务 定 制...47 图 3.20 应 用 模 型 服 务 体 系 与 OpenGIS 服 务 体 系 关 系...50 图 4.1 空 间 信 息 服 务 处 理 流 程 示 意 图...53 图 4.2 用 户 自 定 义 链 样 式...54 图 4.3 工 作 流 管 理 链 样 式...55 V

11 图 4.4 集 成 链 样 式...55 图 4.5 空 服 务 与 具 体 服 务 S1 S2 S 图 4.6 服 务 顺 序 组 合...58 图 4.7 服 务 选 择 组 合...58 图 4.8 应 用 模 型 服 务 集 成 实 现 过 程...59 图 4.9 服 务 链 动 态 构 建...61 图 4.10 应 用 模 型 服 务 集 成 开 发 应 用...62 图 5.1 应 用 模 型 的 总 体 BNF 描 述...63 图 5.2 应 用 模 型 定 义 BNF 描 述...65 图 5.3 应 用 模 型 元 数 据 BNF 描 述...66 图 5.4 应 用 模 型 组 件 信 息 BNF 描 述...66 图 5.5 基 础 数 据 类 型 BNF 描 述...66 图 5.6 应 用 模 型 数 据 类 型 模 式...68 图 5.7 应 用 模 型 模 式 结 构...68 图 5.8 应 用 模 型 模 式...69 图 5.9 应 用 模 型 实 体 模 式...69 图 5.10 应 用 模 型 组 件 模 式...70 图 5.11 应 用 模 型 数 据 模 式...71 图 5.12 应 用 模 型 约 束 模 式...72 图 5.13 变 量 结 构 约 束 模 式...72 图 5.14 变 量 时 空 语 义 约 束 模 式 结 构...72 图 5.15 变 量 时 空 语 义 约 束 模 式...73 图 5.16 应 用 模 型 元 数 据 模 式...74 图 5.17 应 用 模 型 陈 述 元 数 据 模 式...75 图 5.18 应 用 模 型 服 务 元 数 据 模 式...75 图 5.19 应 用 模 型 组 件 字 典 模 式...75 图 6.1 MCGEM 实 例 文 档...81 图 6.2 MCGEMS 组 件 结 构...82 图 6.3 风 化 过 程 组 件 接 口...82 图 6.4 坡 面 过 程 组 件 接 口...82 图 6.5 冲 击 沟 谷 河 流 过 程 组 件 接 口...83 图 6.6 基 岩 沟 谷 河 流 过 程 组 件 接 口...83 图 6.7 模 型 数 据 管 理 组 件 接 口...83 图 6.8 MCGEMS 接 口 设 计...84 图 6.9 OGC WCS 接 口 规 范 的 UML 图...85 图 6.10 本 文 WCS 服 务 的 类 结 构 图...86 图 6.11 MCGEMS 与 WCS 顺 序 链 接 集 成...87 图 6.12 MCGEMS 与 WCS 服 务 集 成 实 现 过 程...87 VI

12 图 6.13 MCGEMS 与 WCS 服 务 集 成 调 用 过 程 顺 序 图...88 图 6.14.NET 中 的 WebServices 及 三 种 客 户 端 所 处 的 位 置...91 图 6.15 MCGEMS 与 WCS 开 发 与 服 务 集 成 采 用 的 技 术 平 台...91 图 6.16 基 于.NET 平 台 的 MCGEMS 与 WCS 服 务 集 成 调 用 过 程...92 图 6.17 MCGEMS 与 WCS 服 务 集 成 多 层 调 用 关 系...93 图 6.18 MCGEMS 与 WCS 服 务 集 成 运 行 界 面...94 图 6.19 MCGEMS 相 关 信 息 显 示...94 图 6.20 MGEMS 与 WCS 集 成 运 行 结 果...95 图 6.21 MGEMS 与 WCS 计 算 结 果 数 据 下 载...95 表 1.1 应 用 模 型 与 GIS 集 成 的 三 种 模 式 比 较 (Ungerer, 2002;Mitasova, 2002)...4 表 1.2 GIS 环 境 内 部 集 成 与 GIS 环 境 外 部 集 成 策 略 对 比...5 表 1.3 各 模 型 管 理 阶 段 模 型 软 件 复 用 情 况 对 比 表 1.4 不 同 软 件 形 式 的 模 型 复 用 能 力 对 比...12 表 2.1 决 策 支 持 复 杂 性 六 个 级 别 (Grove, 2002)...23 表 2.2 不 同 复 杂 程 度 的 应 用 模 型 示 例...24 表 2.3 RM-ODP 的 五 类 视 图 定 义...27 表 3.1 应 用 模 型 时 间 复 杂 度 空 间 复 杂 度 决 策 支 持 复 杂 度 组 合 列 表...46 表 3.2 分 布 式 环 境 下 应 用 模 型 与 应 用 模 型 库 配 置 模 式 ( 许 瑞 明,1997, 修 改 )...48 表 3.3 应 用 模 型 服 务 体 系...50 表 4.1 用 户 自 定 义 链 步 骤 描 述...54 表 4.2 工 作 流 管 理 链 步 骤 描 述...55 表 4.3 集 成 链 步 骤 描 述...56 表 6.1 MCGEMS 接 口 定 义...84 VII

13 第 一 章 绪 论 1.1 问 题 的 提 出 GIS 与 应 用 模 型 集 成 的 必 要 性 地 理 信 息 系 统 (Geographical Information System,GIS) 是 从 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 描 述 存 储 分 析 与 输 出 空 间 信 息 的 理 论 和 方 法 的 一 门 新 兴 交 叉 学 科 ; 另 一 方 面 地 理 信 息 系 统 是 一 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 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, 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 需 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 1

14 专 题 地 图 备 选 解 决 方 案 属 性 数 据 输 出 图 形 数 据 输 出 污 染 过 程 模 拟 与 辅 助 决 策 支 持 GIS 空 间 分 析 功 能 环 境 污 染 评 价 决 策 支 持 模 型 大 气 污 染 模 型 河 流 污 染 模 型 海 洋 污 染 模 型 空 间 数 据 管 理 模 型 生 成 模 型 管 理 模 型 评 价 模 型 演 化 维 护 基 础 数 据 污 染 源 数 据 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 的 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 需 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 1.2 方 法 库 模 型 空 间 分 析 图 形 图 表 污 染 源 类 型 环 境 污 染 数 据 库 污 染 源 参 数 模 型 选 择 污 染 源 数 据 参 数 确 定 模 型 计 算 环 境 标 准 指 定 时 段 结 果 数 据 多 时 段 结 果 输 出 过 程 模 拟 决 策 者 环 境 标 准 历 史 数 据 库 图 1.2 环 境 污 染 评 价 模 型 运 算 过 程 2

15 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 的 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 等 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 地 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 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 的 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 理 的 4) 应 用 模 型 可 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, 基 本 上 都 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 化 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, 另 一 是 GIS 缺 乏 对 其 自 身 的 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 需 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, 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) 3

16 1.1.2 GIS 与 应 用 模 型 集 成 研 究 现 状 及 存 在 的 问 题 随 着 GIS 应 用 领 域 的 拓 展, 空 间 信 息 处 理 过 程 越 来 越 复 杂, 为 了 适 应 发 展 的 需 求, 一 些 学 者 对 GIS 与 建 模 系 统 集 成 进 行 了 大 量 的 研 究 1)GIS 与 应 用 模 型 集 成 可 以 在 两 种 粒 度 上 进 行, 即 单 模 型 与 GIS 集 成 模 型 管 理 系 统 MMS (Model Management System) 与 GIS 集 成 采 用 单 模 型 形 式, 应 用 模 型 一 般 内 嵌 到 GIS 环 境 中, 解 决 领 域 应 用 问 题 ; 采 用 模 型 管 理 系 统 MMS 与 GIS 进 行 集 成, 利 用 模 型 库 管 理 模 型 数 据 库 管 理 数 据 知 识 库 管 理 地 理 知 识, 实 现 空 间 决 策 与 支 持, 拓 展 GIS 的 应 用 范 围, 解 决 领 域 问 题 (Goodchild,1993;Lilburne,1996;Bennet,1997;Park,1997;Ungerer and Goodchild,2002) 2)GIS 与 应 用 模 型 集 成 可 以 分 为 三 个 层 次 : 松 散 集 成 紧 密 集 成 和 无 缝 集 成 (Park,1997; Ungerer and Goodchild,2002; Mitasova,2002) 应 用 模 型 与 GIS 集 成 的 三 种 模 式 比 较 如 表 1.1, GIS 与 应 用 模 型 集 成 模 式 如 图 1.3 图 1.3 GIS 与 地 理 空 间 过 程 模 型 集 成 模 式 表 1.1 应 用 模 型 与 GIS 集 成 的 三 种 模 式 比 较 (Ungerer, 2002;Mitasova, 2002) 集 成 方 式 特 点 优 点 缺 点 模 型 与 GIS 各 成 系 统, 松 散 集 成 通 过 文 件 进 行 数 据 交 换 模 型 与 GIS 共 享 空 间 数 据 库, 具 有 统 一 的 运 行 界 紧 密 集 成 面, 模 型 有 自 己 的 数 据 结 构 模 型 与 GIS 共 享 数 据 与 功 能, 融 为 一 体 无 缝 集 成 实 现 简 单, 兼 容 性 强,GIS 与 应 用 模 型 可 维 护 性 强 模 型 分 析 在 GIS 环 境 中 进 行, 模 型 可 以 直 接 使 用 GIS 的 数 据 没 有 文 件 交 换, 系 统 运 行 效 率 高, 开 发 成 本 低 费 时 耗 力 空 间 数 据 冗 余, 运 行 效 率 低, 模 型 复 用 能 力 较 强 开 发 成 本 较 高, 集 成 动 态 模 型 处 理 复 杂, 模 型 复 用 能 力 一 般 应 用 模 型 过 分 依 赖 于 GIS 环 境, 更 新 与 维 护 困 难, 模 型 复 用 能 力 差 3) 按 照 集 成 环 境 不 同,GIS 与 应 用 模 型 集 成 可 以 分 为 两 类 :GIS 环 境 内 部 集 成 与 GIS 环 境 外 部 集 成 (Zang,2000) GIS 环 境 内 部 集 成 指 应 用 模 型 在 GIS 环 境 内 实 现 集 成, 模 型 可 以 采 用 松 4

17 散 紧 密 无 缝 的 集 成 方 式 ;GIS 环 境 外 部 集 成 指 利 用 GIS 提 供 的 功 能, 在 应 用 系 统 中 嵌 入 GIS 的 功 能, 如 空 间 分 析 数 据 管 理 地 图 可 视 化 功 能 等, 并 利 用 应 用 系 统 的 应 用 模 型 计 算 功 能, 实 现 具 体 问 题 解 决, 集 成 可 以 是 松 散 紧 密 或 无 缝 的 方 式 目 前,GIS 环 境 内 部 实 现 GIS 与 应 用 模 型 的 集 成 研 究 较 多 (Goodchild,1993;Lilburne,1996; Park,1997 ;Bennett,1997) Bennett 提 出 了 GIS 计 算 机 模 拟 模 型 库 管 理 以 及 空 间 决 策 支 持 之 间 的 集 成 框 架, 并 采 用 面 向 对 象 的 方 法, 开 发 了 原 型 系 统 在 这 种 集 成 方 式 中 模 型 库 与 数 据 库 分 别 管 理 模 型 与 数 据, 通 过 GIS 集 成 平 台 处 理 复 杂 地 理 问 题, 完 成 对 复 杂 地 理 问 题 计 算 与 模 拟 陈 崇 成 等 (2000) 设 计 了 模 型 库 与 GIS 紧 密 集 成 方 案, 开 发 了 运 行 系 统, 并 应 用 于 厦 门 市 大 气 污 染 物 扩 散 模 拟 总 量 控 制 中 龚 敏 霞 等 (2002) 设 计 了 知 识 驱 动 的 空 间 决 策 支 持 模 型 库 体 系, 它 将 数 据 库 模 型 库 和 知 识 库 技 术 三 库 合 一 融 入 到 GIS 中, 实 现 GIS 与 应 用 模 型 的 无 缝 集 成, 以 进 一 步 提 高 GIS 对 复 杂 空 间 决 策 问 题 的 决 策 能 力 GIS 环 境 外 部 实 现 GIS 与 应 用 模 型 集 成 的 研 究 较 少, 但 目 前 已 经 引 起 关 注 Zhang 与 Griffith (2000) 分 析 了 空 间 统 计 分 析 与 GIS 集 成 的 特 点, 采 用 外 部 集 成 的 方 式, 通 过 Microsoft Access 数 据 库 管 理 系 统, 嵌 入 GIS 组 件, 实 现 了 空 间 统 计 分 析 与 GIS 的 集 成 Ungerer and Goodchild(2002) 利 用 GIS 组 件 与 Excel 组 件, 通 过 VBA 宏 语 言 实 现 了 组 件 之 间 的 连 接, 处 理 空 间 统 计 问 题, 提 出 GIS 应 该 作 为 一 种 查 询 与 分 析 的 工 具 提 供 给 用 户 Yeh(1999) 提 出 了 一 种 外 部 集 成 模 式, 设 计 了 GIS 组 件 与 模 型 库 知 识 库 数 据 库 集 成 框 架, 实 现 了 模 型 抽 取 与 应 用 依 据 Zang et al(2000) 与 Yeh et al(1999) 的 研 究, 总 结 两 种 集 成 策 略 的 优 缺 点 如 表 1.2 表 1.2 GIS 环 境 内 部 集 成 与 GIS 环 境 外 部 集 成 策 略 对 比 集 成 策 略 优 点 缺 点 GIS 环 境 内 部 集 成 1)GIS 具 有 其 他 系 统 不 具 备 的 复 杂 的 地 理 数 据 管 理 功 能 ; 2) 模 型 应 用 的 空 间 信 息 可 以 通 过 GIS 直 接 得 到 ; 3) 许 多 基 本 空 间 分 析 功 能, 在 GIS 系 统 中 已 经 开 发 实 现 1) 由 于 GIS 应 用 领 域 广 阔, 不 可 能 把 所 有 的 应 用 模 型 全 部 引 入 GIS 环 境 中, 因 此 不 能 改 变 GIS 空 间 分 析 能 力 相 对 薄 弱 的 现 实 ; 2) 应 用 模 型 复 用 性 差, 由 于 在 GIS 内 应 用 模 型 是 通 过 功 能 模 块 的 方 式 提 供, 这 不 利 于 广 泛 应 用, 而 且 往 往 绑 定 GIS 系 统 的 其 他 功 能, 产 生 明 显 的 功 能 冗 余 GIS 环 境 外 部 集 成 1) 灵 活 性 强, 可 以 扩 展 GIS 的 应 用 范 围, 提 高 GIS 的 空 间 分 析 1) 由 于 GIS 数 据 结 构 的 复 杂 性, 应 用 系 统 嵌 入 GIS 功 能 函 数 技 术 复 杂 困 难 功 能 ( 从 应 用 领 域 来 看 ); 2) 模 型 的 可 复 用 性 高, 模 型 以 组 件 或 模 型 库 的 形 式 单 独 存 在, 便 于 应 用 共 享, 拓 宽 应 用 领 域 存 在 的 问 题 : 1) 不 管 采 用 GIS 环 境 内 部 集 成 或 外 部 集 成, 以 及 三 种 集 成 方 法 的 何 种 集 成 方 式, 目 前 都 是 系 统 集 成, 是 对 数 据 与 功 能 的 融 合 系 统 集 成 不 可 避 免 地 要 把 GIS 系 统 的 功 能 和 数 据 包 含 进 去, 产 生 明 显 的 功 能 冗 余, 而 且 由 于 功 能 复 杂 限 制 了 用 户 的 使 用 ; 另 外 集 成 的 系 统 最 终 对 用 户 是 一 黑 箱, 用 户 很 难 对 模 型 进 行 修 改, 灵 活 性 差 5

18 2) 单 模 型 与 GIS 集 成, 多 表 现 为 专 业 系 统, 由 于 模 型 分 散, 模 型 表 示 方 法 不 同, 且 无 统 一 的 数 据 接 口 模 型 元 数 据 等, 各 单 模 型 无 法 实 现 抽 取 集 成 动 态 修 改 演 化, 应 用 模 型 复 用 困 难 3) 采 用 应 用 模 型 管 理 系 统 MMS 与 GIS 进 行 集 成, 虽 然 可 以 采 用 MMS 实 现 对 模 型 的 修 改 维 护 调 用 执 行 等 但 各 模 型 库 的 组 织 方 法 模 型 表 示 方 法 模 型 抽 取 集 成 方 法 模 型 与 数 据 的 链 接 规 则 模 型 元 数 据 等 无 统 一 标 准, 难 以 实 现 模 型 复 用, 不 能 有 效 地 利 用 应 用 模 型 库 资 源 4)GIS 与 应 用 模 型 集 成, 解 决 复 杂 地 理 问 题, 用 户 操 作 界 面 复 杂, 给 用 户 的 应 用 带 来 巨 大 的 困 难, 限 制 了 GIS 的 应 用 推 广 对 于 广 泛 的 GIS 应 用 领 域 来 说,GIS 提 供 完 全 丰 富 的 各 领 域 的 分 析 模 型 是 十 分 困 难 的, 因 此 应 该 向 集 成 应 用 的 方 向 发 展, 利 用 领 域 建 模 软 件 建 立 的 领 域 模 型, 集 成 GIS 的 空 间 数 据 管 理 功 能 空 间 分 析 功 能 地 图 可 视 化 功 能, 解 决 复 杂 大 型 的 地 理 问 题, 扩 展 GIS 的 应 用 范 围 这 需 要 对 GIS 的 应 用 模 型 进 行 有 效 管 理, 支 持 模 型 的 复 用, 以 及 与 专 家 系 统 集 成, 完 成 空 间 与 非 空 间 信 息 处 理, 实 现 空 间 决 策 支 持 这 与 地 理 信 息 互 操 作 应 用 模 型 复 用 与 集 成 方 法, 工 作 流 管 理 技 术 紧 密 相 关, 而 应 用 模 型 复 用 与 集 成 方 法 研 究 是 首 要 解 决 的 问 题 1.2 模 型 复 用 研 究 现 状 及 分 析 模 型 概 念 与 分 类 模 型 是 对 于 现 实 世 界 的 事 物 现 象 过 程 或 系 统 的 简 化 描 述, 特 别 是 指 对 客 观 事 物 中 一 些 要 研 究 的 特 征 状 态 结 构 或 属 性 及 其 变 化 规 律 的 抽 象 ( 陈 文 伟,1994) 模 型 一 般 由 系 统 要 素 关 联 约 束 条 件 组 成 系 统 : 即 模 型 描 述 的 对 象 ; 要 素 : 构 成 系 统 的 各 成 分 或 子 系 统 ; 关 联 : 各 要 素 或 子 系 统 之 间 以 及 整 个 系 统 与 外 部 环 境 之 间 的 联 系 ; 约 束 条 件 : 系 统 所 处 环 境 和 约 束 条 件 按 照 模 型 的 表 现 可 以 分 为 : 物 理 模 型 数 学 模 型 结 构 模 型 仿 真 模 型 等 物 理 模 型 也 称 为 实 体 模 型, 它 是 对 原 系 统 进 行 比 例 处 理 的 实 物 模 型 或 根 据 一 定 规 律 制 定 的 比 拟 和 类 推 模 型 数 学 模 型 是 用 数 学 语 言 工 具 和 公 式 描 述 的 一 类 模 型 结 构 模 型 主 要 是 反 映 系 统 的 结 构 特 点 和 因 果 关 系 的 模 型, 图 模 型 是 结 构 模 型 中 的 一 类 重 要 模 型, 结 构 模 型 是 研 究 复 杂 系 统 的 有 效 手 段 仿 真 模 型 是 通 过 计 算 机, 在 计 算 机 上 运 行 的 程 序 表 达 的 模 型 物 理 模 型 数 学 模 型 结 构 模 型 一 般 可 以 通 过 计 算 机 仿 真 生 成 仿 真 模 型 模 型 生 命 周 期 模 型 生 命 周 期 包 括 模 型 准 备 模 型 建 立 模 型 表 示 模 型 生 成 四 个 阶 段 ( 王 桥,1998;Krishnan, 2000): 模 型 准 备 阶 段 包 括 模 型 准 备 与 模 型 假 设 模 型 准 备, 了 解 模 型 问 题 背 景, 明 确 建 模 对 象 与 目 的, 并 建 立 模 型 目 标 ; 模 型 假 设, 对 问 题 进 行 必 要 的 简 化, 并 用 明 确 的 语 言 作 出 假 设, 同 时 根 据 模 型 问 题 要 求 和 模 型 目 标, 拟 定 模 型 规 范 ; 模 型 建 立 阶 段 包 括 模 型 研 究 与 模 型 建 立 两 个 阶 段 模 型 研 究, 根 据 假 设 和 模 型 目 标 规 范, 确 定 模 型 所 涉 及 的 各 种 要 素, 利 用 适 当 的 工 具 建 立 各 要 素 之 间 的 数 学 关 系 和 因 果 关 系 ; 模 型 建 立, 建 立 概 念 模 型 ( 理 论 模 型 ), 该 模 型 可 以 是 数 学 公 式 图 结 构 模 型 或 者 是 自 然 语 言 描 述 的 逻 辑 6

19 模 型 模 型 表 示 阶 段, 用 模 型 描 述 语 言 和 工 具 表 示 要 素 变 量 及 其 相 互 关 系 模 型 约 束 条 件 等 ; 模 型 生 成 阶 段, 包 括 模 型 开 发 存 储 模 型 有 效 性 检 验 模 型 求 解 模 型 解 释 模 型 演 化 与 维 护 等 模 型 要 素 模 型 建 立 战 略 与 目 标 模 型 问 题 模 型 目 标 模 型 规 范 模 型 关 系 模 型 准 备 现 实 问 题 模 型 制 约 模 型 生 成 模 型 有 效 性 验 证 模 型 解 释 模 型 求 解 模 型 生 成 ( 简 化 ) 模 型 表 示 模 型 表 示 结 束 模 型 演 化 与 维 护 计 算 机 类 型 数 据 规 格 化 定 量 化 方 法 图 1.4 模 型 生 命 周 期 流 程 图 ( 王 桥 1998, 修 改 ) 模 型 复 用 概 念 Kwon(1996) 认 为 模 型 复 用 旨 在 提 高 模 型 的 生 产 力 ( 可 利 用 程 度 ), 通 过 完 整 或 部 分 ( 包 括 模 型 演 化 ) 复 用 已 经 存 在 的 模 型 建 立 新 模 型 ( 计 算 机 中 存 储 的 模 型 ), 避 免 模 型 重 新 开 发 所 造 成 的 成 本 浪 费, 提 高 模 型 的 利 用 效 率 模 块 化 通 用 化 独 立 于 具 体 建 模 语 言 是 模 型 复 用 的 基 本 要 求 模 型 复 用 包 括 模 型 描 述 实 体 复 用 与 模 型 运 行 实 体 复 用 其 中 模 型 描 述 实 体 复 用 指 模 型 相 关 描 述 信 息 ( 文 档 ) 复 用 ; 运 行 实 体 复 用 指 以 计 算 机 软 件 形 式 存 在 的 模 型 软 件 ( 可 执 行 程 序 动 态 链 接 库 DLL 以 及 模 型 组 件 等 ) 复 用 模 型 管 理 是 模 型 复 用 的 前 提 与 基 础 模 型 管 理 的 目 的 就 是 便 于 模 型 应 用, 增 加 模 型 的 生 产 力, 扩 展 模 型 的 应 用 领 域 与 范 围, 模 型 复 用 是 模 型 管 理 的 最 高 目 标 模 型 复 用 涉 及 到 模 型 生 命 周 期 流 程 中 模 型 建 立 模 型 表 示 模 型 生 成 等 各 个 阶 段 为 了 实 现 模 型 复 用, 各 个 阶 段 都 应 采 取 相 应 的 策 略 与 技 术 标 准, 保 证 模 型 从 语 义 结 构 到 软 件 组 件 各 个 级 别 的 复 用 模 型 复 用 研 究 现 状 模 型 复 用 经 历 了 模 型 程 序 文 件 模 型 软 件 包 模 型 管 理 系 统 MMS(Model Management System) 集 成 建 模 环 境 IME(Integrated Model Environment) 四 个 阶 段 ( 陈 文 伟,1994; 王 桥, 1998), 从 模 型 复 用 的 研 究 现 状 来 看, 模 型 复 用 研 究 主 要 集 中 在 五 个 方 面 :1) 建 模 方 法 与 建 模 语 言 ;2) 模 型 转 换 ;3) 模 型 属 性 信 息 定 义 与 管 理 ;4) 模 型 软 件 复 用 ;5) 集 成 建 模 环 境 开 发 与 应 7

20 用 建 模 方 法 与 建 模 语 言 针 对 同 一 问 题, 不 同 的 建 模 方 法 与 建 模 语 言 将 生 成 不 同 的 模 型 形 式 如 在 MS/OR 领 域,AMPL 与 GASM 同 样 是 对 数 学 模 型 的 描 述, 但 两 者 存 在 差 异 由 于 建 模 方 法 与 建 模 语 言 不 同, 导 致 了 模 型 复 用 的 巨 大 困 难 在 模 型 复 用 研 究 领 域, 大 量 研 究 集 中 在 统 一 建 模 方 法 与 建 模 语 言 方 面 具 有 代 表 性 研 究 包 括 : 结 构 建 模 SM(Structured Modeling) 与 结 构 建 模 语 言 SML(Structured Modeling Languange) 通 用 模 型 框 架 (Generic Model Concepts) 以 及 基 于 XML 的 面 向 对 象 结 构 建 模 语 言 OOSML 等 结 构 建 模 SM(Geoffrion,1987,1989,1992a,1992b) 是 一 种 基 于 图 论 的 标 准 的 描 述 型 模 板, 它 扩 充 了 数 据 库 技 术 中 的 语 义 数 据 模 型, 用 以 描 述 数 学 模 型 中 的 复 杂 性 结 构 建 模 允 许 用 户 在 不 同 的 抽 象 层 面 上 以 图 形 文 本 或 代 数 形 式 描 述 模 型 结 构 建 模 支 持 多 种 问 题 表 达, 被 认 为 是 统 一 建 模 的 基 础 Huh(1995) 分 析 了 AMPL GAMS SML 三 种 建 模 语 言 的 特 点, 提 出 了 通 用 模 型 概 念 框 架 (Generic Model Concepts), 该 框 架 提 供 了 一 种 不 同 建 模 语 言 之 间 转 换 的 概 念 基 础, 支 持 异 构 的 数 学 模 型 的 集 成 应 用 Holocher(1997) 结 合 结 构 建 模 方 法 与 面 向 对 象 的 建 模 方 法, 定 义 了 一 种 基 于 分 布 式 环 境 独 立 于 平 台 的 集 成 建 模 体 系, 该 体 系 涉 及 模 型 的 表 示 执 行 数 据 与 方 法 的 远 程 访 问 等 Kim(2001) 在 面 向 对 象 结 构 建 模 框 架 的 基 础 上, 针 对 MS/OR 以 及 DSS 领 域 模 型, 设 计 了 基 于 XML 的 结 构 标 记 语 言 OOSML, 该 语 言 继 承 了 XML 简 单 可 扩 展 互 操 作 开 放 的 优 点, 为 模 型 复 用 与 互 操 作 提 供 了 基 础, 同 时 分 析 了 基 于 Web 的 模 型 共 享 方 式 Kim 的 研 究 使 模 型 的 复 用 与 互 操 作 更 进 了 一 步, 支 持 分 布 式 异 构 环 境 下 数 学 模 型 共 享 从 上 述 研 究 现 状 可 以 看 出, 在 MS/OR 以 及 DSS 领 域, 主 要 是 对 数 学 模 型 的 建 模 表 达, 结 构 建 模 以 及 面 向 对 象 结 构 建 模 与 基 于 XML 的 建 模 语 言 逐 步 成 为 统 一 的 建 模 方 法 与 建 模 语 言 模 型 转 换 针 对 已 经 建 立 的 模 型, 如 何 实 现 模 型 的 复 用, 一 些 研 究 者 提 出 了 模 型 转 换 与 模 型 知 识 化 等 方 法 模 型 转 换 主 要 是 对 不 同 建 模 方 法 与 不 同 建 模 语 言 表 示 的 同 一 模 型 进 行 转 换, 其 目 的 在 于 实 现 进 一 步 的 模 型 集 成 应 用 模 型 转 换 类 似 于 数 据 转 换, 存 在 一 对 一 多 对 一 的 转 换 方 式, 比 较 有 效 的 方 式 是 建 立 一 种 标 准 建 模 框 架 与 建 模 语 言, 作 为 中 介, 通 过 该 中 介 实 现 模 型 转 换 (Kim,2001), 如 图 1.5 所 示 Kwon(1996) 依 据 模 型 转 换 器 的 思 路, 提 出 一 种 框 架 用 于 快 速 理 解 模 型 抽 取 模 型 结 构 并 重 构 模 型 框 架 由 元 系 统 模 型 转 换 器 模 型 库 组 成 元 系 统 定 义 一 个 元 模 型 并 产 生 模 型 转 换 器 ; 模 型 转 换 器 分 解 模 型, 抽 取 模 型 结 构, 并 用 元 模 型 ( 采 用 面 向 对 象 的 方 法 ) 表 示 该 模 型 结 构 ; 模 型 库 包 含 以 对 象 结 构 表 示 的 模 型 结 构 模 型 转 换 实 现 模 型 复 用 系 统 体 系 结 构 如 图 1.6 模 型 知 识 化 主 要 是 在 保 证 现 有 模 型 不 变 的 基 础 上, 对 模 型 的 属 性 信 息 进 行 提 炼 与 管 理, 从 而 实 现 模 型 复 用 Zhuge(1998) 认 为 目 前 部 分 数 学 模 型 库 是 基 于 FORTRAN 语 言 开 发 实 现 的, 这 8

21 些 模 型 库 只 包 含 了 模 型 基 本 运 行 实 体, 不 包 括 模 型 属 性 信 息, 不 支 持 灵 活 的 抽 取 机 制 虽 然 目 前 面 向 对 象 语 言 OOPL 支 持 类 抽 象, 然 而 把 现 有 的 这 些 数 学 模 型 库 按 照 面 向 对 象 原 理 的 要 求 重 新 建 立 是 十 分 困 难 的, 主 要 由 于 原 有 模 型 难 于 理 解, 同 时 也 很 难 保 证 重 新 开 发 模 型 的 一 致 性 与 完 整 性 基 于 这 样 的 事 实, 把 模 型 库 分 割 成 抽 象 层 与 实 现 层, 实 现 层 保 持 原 有 模 型 库 的 样 式, 抽 象 层 表 达 模 型 的 多 值 继 承 关 系 属 性 等, 并 实 现 抽 象 层 模 型 与 实 现 层 模 型 的 对 应 在 此 基 础 上, 提 出 了 一 种 基 于 继 承 规 则 的 模 型 抽 取 机 制, 并 设 计 了 原 型 系 统 RMMBS 的 体 系 结 构 ( 图 1.7), 实 现 模 型 抽 取 与 复 用 图 1.5 模 型 转 换 示 意 图 (Kim,2001) 图 1.6 模 型 转 换 实 现 模 型 复 用 系 统 体 系 结 构 (Kwon,1996) 图 1.7 RMMBS 体 系 结 构 (Hai Zhuge,1998) 9

22 模 型 属 性 信 息 定 义 与 管 理 模 型 属 性 信 息 是 模 型 抽 取 模 型 复 用 的 关 键, 用 户 在 利 用 现 有 模 型 时 首 先 必 需 了 解 模 型 条 件 制 约 因 素 模 型 参 数 模 型 数 据 要 求 等 信 息, 从 而 才 能 决 定 模 型 是 否 可 用 这 些 信 息, 通 常 称 为 模 型 属 性 信 息 如 何 实 现 对 模 型 属 性 信 息 内 容 定 义 与 组 织 管 理, 是 目 前 模 型 复 用 研 究 的 重 点 Pos(1996) 提 出 从 系 统 组 件 物 理 过 程 数 学 关 系 三 个 方 面 描 述 工 程 仿 真 模 型, 提 出 了 (Content Assertions, Goal Statements, Behavioral Statements, Metalevel Statements, Validity Assumptions, Performance Qualifications) 的 六 元 组 的 表 达 结 构, 并 定 义 了 每 一 类 先 验 知 识 的 内 容 Keller et al. (1999) 提 出 一 种 基 于 元 建 模 (Meta-Modeling) 的 新 的 建 模 方 式, 这 种 建 模 方 式 旨 在 清 晰 说 明 模 型 概 念 基 础 与 构 建 过 程 的 背 景 信 息 ( 包 括 What, When, Where, Why, and How 等 方 面 的 信 息, 用 于 表 达 数 学 公 式 中 包 含 的 信 息 ), 从 而 提 高 模 型 的 可 解 性 与 可 复 用 性 基 于 这 种 方 式 在 SIGMA (Scientists Intelligent Graphical Modeling Assistant) 建 模 平 台 中 实 现, 并 且 提 供 了 可 复 用 的 组 件 ( 方 程 属 性 过 程 结 构 ), 提 高 了 模 型 的 可 复 用 性 王 桥 对 模 型 的 标 准 问 题 进 行 了 初 步 的 研 究 ( 王 桥 等,1999), 分 别 探 讨 了 空 间 决 策 支 持 系 统 中 模 型 的 分 类 编 码 基 于 面 向 对 象 方 法 的 模 型 字 典 和 模 型 结 构 形 式, 给 出 了 初 步 的 研 究 结 果 West (2002) 提 出 分 别 用 元 数 据 与 软 件 引 擎 的 方 式 管 理 模 型 陈 述 性 知 识 (Declarative Knowledge) 与 过 程 知 识 这 种 把 模 型 知 识 ( 模 型 属 性 信 息 ) 分 为 陈 述 性 知 识 与 过 程 知 识 的 方 式, 进 一 步 明 确 了 模 型 属 性 信 息 的 内 涵 模 型 软 件 复 用 从 模 型 实 现 软 件 本 身 而 言, 模 型 复 用 涉 及 的 内 容 十 分 广 泛, 包 括 模 型 数 据 与 方 法 的 组 织 模 型 方 法 与 数 据 通 信 模 型 外 部 接 口 定 义 模 型 抽 取 机 制 模 型 集 成 方 法 以 及 分 布 式 模 型 ( 组 件 ) 之 间 交 互 等 模 型 管 理 系 统 MMS 技 术 的 产 生 与 发 展 为 模 型 复 用 奠 定 了 基 础, 模 型 软 件 复 用 技 术 的 发 展 也 随 着 模 型 管 理 系 统 的 发 展 而 发 展 模 型 软 件 复 用 经 历 了 如 下 几 个 阶 段 :1) 基 于 文 件 的 模 型 管 理 系 统 2) 基 于 关 系 数 据 库 的 模 型 管 理 系 统 3) 面 向 对 象 的 模 型 管 理 系 统 4) 智 能 模 型 管 理 系 统 5) 分 布 式 模 型 管 理 系 统 各 模 型 管 理 阶 段 模 型 软 件 复 用 情 况 如 表 1.3 从 表 1.3 可 以 看 出, 模 型 软 件 复 用 充 分 结 合 了 计 算 机 领 域 软 件 复 用 AI 与 KM 领 域 的 知 识 表 达 与 管 理 相 关 技 术, 由 集 中 式 向 分 布 式 由 简 单 式 向 智 能 式 方 向 发 展 按 照 模 型 的 软 件 存 在 形 式, 模 型 软 件 复 用 的 发 展 经 历 了 模 型 源 代 码 复 用 可 执 行 程 序 方 式 复 用 内 嵌 可 执 行 程 序 DLL 方 式 复 用 DDE 或 OLE 方 式 复 用 模 型 组 件 复 用 的 发 展 过 程, 与 各 模 型 管 理 系 统 发 展 相 辅 相 成 ( 王 文 等,1999;Goodchild,2002) 不 同 软 件 形 式 的 模 型 复 用 能 力 对 比 如 表

23 表 1.3 各 模 型 管 理 阶 段 模 型 软 件 复 用 情 况 对 比 模 型 复 用 发 展 阶 段 基 于 文 件 的 模 型 管 理 系 统 基 于 关 系 数 据 库 的 模 型 管 理 系 统 面 向 对 象 的 模 型 管 理 系 统 智 能 模 型 管 理 系 统 分 布 式 模 型 管 理 系 统 描 述 模 型 复 用 情 况 模 型 库 由 模 型 字 典 库 和 模 型 文 件 基 于 文 件 方 式, 模 型 之 间 组 合 困 难, 模 型 操 作 库 组 成, 而 模 型 文 件 库 又 是 模 型 复 杂, 难 以 支 持 模 型 复 用 库 的 主 体 ( 王 桥,1998) 模 型 以 及 模 型 数 据 可 以 采 用 关 系 实 现 了 模 型 三 级 视 图 独 立, 为 模 型 组 合 集 成 数 据 库 的 方 式 进 行 管 理, 支 持 模 奠 定 了 基 础, 支 持 模 型 字 典 级 别 的 模 型 选 择 型 查 询 与 维 护, 可 实 现 模 型 库 用 但 由 于 模 型 之 间 关 系 复 杂, 使 基 于 数 据 库 的 模 户 视 图 逻 辑 视 图 物 理 视 图 三 型 管 理 系 统 开 发 组 织 较 为 困 难, 模 型 选 择 集 级 独 立 ( 卞 雷 等,1995) 成 较 为 困 难, 模 型 复 用 有 限 面 向 对 象 的 模 型 管 理 系 统 由 模 型 1) 面 向 对 象 方 法 的 继 承 机 制 多 态 性 减 少 了 模 字 典 模 型 类 型 结 构 库 模 型 算 型 定 义 冗 余, 支 持 模 型 演 化, 实 现 结 构 复 用 ; 法 库 模 型 数 据 库 模 型 管 理 部 模 型 实 例 是 实 现 模 型 复 用 的 典 型 应 用 ( 周 宽 件 和 用 户 界 面 组 成 (Muhanna, 九, 黄 梯 云,1996;Ma Jian,1997) 1993; 薛 文 革 等,1995a,1995b; 2) 面 向 对 象 分 析 与 设 计 方 法 的 封 装 机 制 将 模 型 Huh,1995;Ma Jian, 1995; 周 宽 与 对 应 的 方 法 封 装 起 来, 解 决 了 模 型 与 方 法 不 九,1996; 邓 建 华,1998; 洪 一 匹 配 问 题 ( 周 宽 九, 黄 梯 云,1996) 帆,2002) 组 件 式 模 型 管 理 系 统 3) 通 过 类 之 间 的 继 承 关 系 研 究 模 型 的 并 交 是 基 于 面 向 对 象 的 模 型 管 理 系 统 补 运 算, 并 设 计 推 理 规 则, 增 加 了 模 型 集 成 的 的 一 种 具 体 实 现 方 法, 它 结 合 了 有 效 性 与 可 操 作 性 (Ma Jian,1997; 蔡 延 光 等, 层 次 化 建 模 的 思 想 用 户 可 以 从 2000;Zhuge,1998,2003) 不 同 组 件 包 中 选 择 的 组 件, 进 行 4) 实 现 模 型 与 数 据 分 离, 支 持 模 型 与 数 据 的 多 模 型 组 装, 构 成 新 的 模 型 ( 马 金 重 组 合, 提 高 模 型 复 用 能 力 (Rizzoli,1998; 平,2001) 杜 江 等,2000) 引 入 人 工 智 能 AI 专 家 系 统 ES 1) 通 过 在 模 型 抽 取 过 程 中 引 入 模 型 知 识 推 理, 中 知 识 获 取 知 识 表 达 知 识 推 实 现 模 糊 抽 取, 提 高 了 模 型 抽 取 的 灵 活 性 理 机 器 学 习 的 原 理 与 方 法 智 2) 基 于 面 向 对 象 方 法, 模 型 集 成 规 则 隐 含 在 类 能 模 型 管 理 系 统 主 要 由 模 型 管 继 承 关 系 中, 集 成 规 则 无 统 一 管 理 方 法, 给 模 理 模 型 库 知 识 表 达 数 据 提 取 型 集 成 带 来 了 困 难 知 识 表 达 原 理 与 推 理 机 制 接 口 及 语 义 分 析 器 组 成 ( 王 桥, 恰 好 弥 补 了 该 不 足, 实 现 对 模 型 知 识 推 理 规 1998; 王 保 江 等,1998; 黄 跃 进, 则 的 管 理, 提 高 了 模 型 集 成 的 可 操 作 性 (Chu, 2000; 苏 理 宏 等,2002) 1994;Shaw,1998; 龚 敏 霞 等,2002) 基 于 网 络 技 术 与 分 布 式 计 算 技 1) 模 型 分 布 式 管 理 减 少 了 模 型 冗 余, 针 对 集 术, 分 布 式 模 型 管 理 系 统 实 现 对 中 式 模 型 管 理 模 式, 提 高 了 模 型 复 用 效 率, 并 模 型 数 据 的 集 成 与 组 合, 完 成 有 利 于 模 型 的 一 致 性 群 体 分 析, 模 型 的 运 算 结 果 通 过 2) 模 型 分 布 式 管 理, 扩 展 了 模 型 应 用 领 域, HTML 或 ASP 以 网 页 的 方 式 返 回 支 持 分 布 式 环 境 下 模 型 集 成, 拓 展 了 模 型 复 用 给 客 户 端 (Holocher,1997; 沈 晖, 领 域 2001; 黄 健 昌,2001) 11

24 表 1.4 不 同 软 件 形 式 的 模 型 复 用 能 力 对 比 复 用 方 式 描 述 优 点 缺 点 模 型 源 代 码 复 用 采 取 模 型 重 写, 融 入 应 用 系 统 完 全 融 入 应 用 系 统, 数 据 格 式 界 面 统 一 重 新 开 发 成 本 浪 费 改 写 容 易 出 错, 模 型 不 能 更 进 一 步 复 用 独 立 可 执 行 程 序 方 式 复 用 应 用 模 型 以 可 执 行 程 序 方 式 存 在, 通 过 中 间 文 件 进 行 数 据 转 换 复 用 方 式 简 洁 复 用 开 发 工 作 较 少 系 统 效 率 低, 交 互 不 方 便, 很 难 支 持 模 型 分 解 与 集 成 内 嵌 可 执 行 程 序 方 以 应 用 系 统 命 令 驱 动 应 用 模 型 程 序, 共 同 读 写 操 作 数 集 成 系 统 有 基 本 统 一 的 界 面, 具 有 一 个 无 缝 集 成 需 要 了 解 模 型 内 部 运 行 机 制, 用 户 应 用 复 杂 式 复 用 据 文 件 的 操 作 环 境 便 于 开 发 工 模 型 组 合 很 困 难 (DLL) 作 的 组 织 管 理, 系 统 运 行 性 能 比 独 立 可 执 行 程 序 方 式 好, 便 于 操 作 DDE 或 通 过 DDE 或 OLE 实 现 数 据 实 现 无 缝 集 成, 编 程 工 作 应 用 系 统 与 模 型 必 须 支 OLE 方 式 复 用 传 递, 应 用 程 序 作 为 客 户 程 序, 应 用 模 型 为 服 务 程 序, 实 现 动 态 数 据 调 用, 利 依 据 实 现 功 能 决 定, 相 对 工 作 量 较 少 持 DDE 或 OL E 协 议, 系 统 效 率 不 高, 其 次 系 统 稳 定 性 不 是 很 好 用 操 作 系 统 提 供 的 功 能 进 行 数 据 交 换 模 型 组 件 复 用 采 用 COM CORBA 等 规 范, 建 立 模 型 组 件, 并 通 过 由 于 组 件 开 发 遵 循 相 应 标 准, 提 高 了 可 复 用 性 与 依 赖 开 发 环 境, 不 支 持 跨 平 台 异 构 环 境 集 成 其 他 组 件 实 现 数 据 交 互 互 操 作 性 集 成 建 模 环 境 IME 面 向 对 象 技 术 分 布 式 计 算 技 术 以 及 知 识 表 达 与 推 理 技 术 的 发 展, 可 视 化 构 模 理 论 的 发 展, 使 得 集 成 建 模 环 境 的 研 究 开 发 成 为 热 点 在 该 环 境 中, 完 全 实 现 模 型 生 命 周 期 的 全 过 程, 融 模 型 构 建 表 达 生 成 管 理 与 一 体, 实 现 模 型 的 集 成 应 用 目 前, 具 有 代 表 性 的 集 成 建 模 环 境 包 括 : DecisionNet 基 于 agent 的 建 模 环 境 SWARM HLA 等 DecisionNet 是 一 个 4 年 ( ) 的 研 究 项 目, 由 美 国 海 军 研 究 院 的 H. Bhargava 卡 内 基 - 梅 隆 大 学 的 R. Krishnan 和 德 国 的 Humboldt 大 学 的 R.Muller 合 作 完 成 该 项 目 旨 在 利 用 互 联 网 技 术 的 优 势 增 进 决 策 技 术 的 可 用 性 可 复 用 性 与 互 操 作 性 ( 唐 锡 晋,2001) 在 DecisionNet 中 有 多 种 决 策 技 术, 如 数 据 集 模 型 实 例 模 型 模 板 算 法 求 解 器 模 型 语 言 模 型 系 统 与 环 境 供 方 主 要 提 供 两 类 技 术 : 独 立 技 术 与 独 占 技 术 独 立 技 术 主 要 是 供 方 开 发 的 基 于 Web 的 应 用, 他 们 可 以 独 立 于 DecisionNet 运 行 ; 独 占 技 术 是 DecisionNet Agent 提 供 的 界 面 和 动 态 控 制 等 技 术 DecisionNet 实 现 了 AMPL 和 GAMS 两 类 Agent,AMPL Agent 可 为 供 求 双 方 提 供 重 要 的 知 识 和 推 理 需 求,GAMS Agent 封 装 了 GAMS 语 言 和 建 模 环 境, 协 调 供 方 注 册 模 型, 并 为 用 户 创 造 一 个 运 行 界 面 多 Agent 平 台 主 要 用 于 研 究 复 杂 系 统 行 为 的 模 拟 分 析, 如 Santa Fe 研 究 所 的 SWARM, Brooking 研 究 所 的 Ascape 与 芝 加 哥 大 学 经 济 系 的 RePast 等 其 中 RePast 吸 收 了 前 两 者 的 一 些 特 12

25 点 ( 唐 锡 晋,2001) 这 些 工 具 广 泛 应 用 于 自 然 社 会 和 经 济 问 题 分 析, 如 SWARM 用 于 生 态 系 统 仿 真 ( 王 卫 红,2002) 高 层 体 系 结 构 HLA 在 美 国 国 防 建 模 与 仿 真 办 公 室 DMSO(Defense Modeling &Simulation Office)1995 年 10 月 制 定 的 建 模 与 仿 真 主 计 划 MSMP(Modeling and Simulation Master Plan) 中, 提 出 了 未 来 建 模 / 仿 真 的 共 同 技 术 框 架 它 包 括 三 个 方 面 : 高 层 体 系 结 构 HLA(High Level of Architecture) 任 务 空 间 概 念 模 型 CMMS(Conceptual Model of the Mission Space) 和 数 据 标 准 DS (Data Standard) 它 们 的 共 同 目 标 是 实 现 仿 真 间 的 互 操 作, 并 促 进 仿 真 资 源 的 复 用 其 中,HLA 用 于 解 决 仿 真 系 统 的 集 成 问 题, 为 构 造 大 规 模 仿 真 应 用 提 供 了 一 种 应 用 集 成 方 法, 是 实 现 DMSO 建 模 / 仿 真 的 关 键 美 国 国 防 部 DoD(Department of Defense) 已 规 定 HLA 为 美 国 国 防 部 所 有 仿 真 的 标 准 技 术 结 构 目 前,HLA 已 被 正 式 接 受 为 IEEE 标 准, 成 为 新 一 代 分 布 交 互 式 仿 真 体 系 结 构 的 标 准 ( 黄 健,2000; 周 彦,2002) HLA 将 实 现 某 种 特 定 仿 真 目 的 的 仿 真 系 统 称 为 联 邦 (Federation) 联 邦 由 联 邦 对 象 模 型 若 干 联 邦 成 员 ( 它 可 以 是 真 实 实 体 仿 真 系 统 构 造 或 虚 拟 仿 真 系 统 以 及 一 些 辅 助 性 的 仿 真 应 用, 如 联 邦 运 行 管 理 控 制 器 数 据 收 集 器 等 ) 和 运 行 时 间 支 撑 系 统 RTI(Run-Time Infrastructure) 构 成 ( 如 图 1.8 所 示 ) HLA 是 一 个 通 用 的 仿 真 技 术 框 架, 它 定 义 了 构 成 分 布 交 互 仿 真 各 部 分 的 功 能 和 相 互 关 系, 主 要 包 括 三 部 分 内 容 : 规 则 对 象 模 型 模 板 接 口 规 范 说 明 IFSpec 其 中, 联 邦 是 个 层 次 概 念, 它 可 以 是 更 复 杂 系 统 的 一 个 联 邦 成 员, 由 此,HLA 定 义 的 联 邦 系 统 是 一 个 开 放 性 的 分 布 式 仿 真 系 统, 系 统 具 有 可 扩 展 性 成 员 之 间 的 交 互 通 过 RTI 提 供 的 服 务 来 实 现 模 型 复 用 研 究 现 状 分 析 图 1.8 HLA 仿 真 逻 辑 结 构 ( 周 彦,2002) 模 型 复 用 的 研 究 主 要 集 中 在 MS/OR 与 DSS 领 域, 同 时 模 型 复 用 又 与 计 算 机 领 域 软 件 复 用 理 论 与 技 术 紧 密 相 关 从 前 文 可 知, 模 型 复 用 的 研 究 主 要 集 中 在 建 模 方 法 与 建 模 语 言 模 型 转 换 模 型 属 性 信 息 定 义 管 理 模 型 软 件 复 用 集 成 建 模 环 境 等 方 面 目 前, 模 型 复 用 能 力 还 十 分 有 限, 模 型 复 用 还 存 在 如 下 问 题 :1) 模 型 界 面 相 互 交 叉 混 杂 ;2) 缺 少 模 块 结 构 ;3) 模 型 开 发 环 境 不 同 ;4) 模 型 属 性 ( 概 念 限 制 与 先 验 条 件 ) 文 档 匮 乏 ;5) 输 入 与 输 出 结 构 缺 少 标 准 等 (Rizzoli et al., 1998);6) 人 员 和 财 务 因 素 ( 万 洪 涛 等,2001; 刘 纪 根 等,2003) 具 体 而 言 : 在 建 模 语 言 上, 目 前 还 未 形 成 共 识, 各 领 域 都 开 发 了 自 己 的 建 模 语 言, 面 向 对 象 的 结 构 建 模 语 言 成 为 数 学 模 型 表 达 的 基 础 在 模 型 属 性 信 息 的 定 义 管 理 上, 目 前 还 未 形 成 统 一 的 标 准, 即 模 型 属 性 信 息 的 种 类 内 容 表 达 形 式 没 有 形 成 一 致, 是 目 前 模 型 复 用 研 究 的 重 点 模 型 管 理 经 历 了 从 文 件 数 据 库 到 面 向 对 象 智 能 分 布 式 的 发 展 过 程, 在 该 过 程 中 模 型 复 13

26 用 性 逐 渐 增 强, 目 前 分 布 式 智 能 模 型 管 理 是 模 型 管 理 的 主 要 方 式, 分 布 式 智 能 模 型 组 件 是 模 型 软 件 的 主 要 存 在 形 式, 但 模 型 组 件 受 开 发 环 境 限 制, 不 支 持 跨 平 台 异 构 环 境 的 集 成 应 用 集 成 建 模 环 境 IME 实 现 整 个 模 型 生 命 周 期 全 过 程, 支 持 领 域 环 境 内 模 型 复 用 具 有 代 表 性 的 集 成 建 模 环 境 之 一 是 系 统 仿 真 建 模 环 境 HLA,HLA 定 义 了 自 己 的 集 成 建 模 模 型 管 理 模 型 复 用 的 标 准 与 模 式,HLA 已 被 正 式 接 受 为 IEEE 标 准, 支 持 模 型 集 成 复 用 但 HLA 主 要 是 针 对 军 事 领 域 系 统 仿 真, 具 有 很 强 的 领 域 特 性, 难 于 支 持 物 理 化 学 过 程 模 型 ( 数 学 模 型 ) 建 模 与 表 示 及 集 成 应 用 集 成 建 模 环 境 IME 在 模 型 复 用 方 面 主 要 的 不 足 是 各 集 成 建 模 环 境 IME 之 间 同 一 集 成 建 模 环 境 的 不 同 领 域 之 间 不 能 实 现 模 型 复 用 (William,2002) 模 型 复 用 标 准 研 究 相 对 滞 后, 虽 然 各 个 领 域 建 立 了 自 己 的 建 模 语 言 领 域 内 部 也 逐 渐 形 成 模 型 复 用 的 规 范, 但 这 些 规 范 相 对 狭 隘, 不 支 持 领 域 之 间 的 模 型 复 用 与 集 成 应 用 1.3 论 文 研 究 目 的 与 主 要 研 究 内 容 研 究 目 的 GIS 与 应 用 模 型 集 成, 是 提 高 GIS 空 间 分 析 能 力 的 关 键 目 前 GIS 与 应 用 模 型 集 成 仍 然 存 在 系 统 集 成 功 能 冗 余 应 用 模 型 复 用 困 难 集 成 界 面 复 杂 等 问 题 从 模 型 复 用 本 身 而 言, 还 存 在 建 模 语 言 各 异 模 型 描 述 信 息 内 容 缺 少 标 准 不 支 持 跨 平 台 领 域 间 异 构 环 境 模 型 复 用 等 问 题 本 文 的 研 究 正 是 针 对 这 些 问 题 提 出 的, 将 通 过 应 用 模 型 复 用 与 集 成 方 法 研 究 探 讨 解 决 这 些 问 题 具 体 研 究 目 的 如 下 : 1) 由 系 统 集 成 方 式 向 服 务 集 成 方 式 转 变, 改 变 系 统 集 成 的 缺 点, 克 服 系 统 集 成 功 能 冗 余 的 弊 端 组 件 式 GIS WebServices 等 技 术, 以 及 OpenGIS 主 题 十 二 OpenGIS Service Architecture 规 范 的 建 立 等 为 实 现 服 务 集 成 奠 定 了 基 础 基 于 服 务 模 式, 系 统 开 发 商 不 是 向 用 户 提 供 系 统, 而 是 向 用 户 提 供 服 务, 特 定 站 点 的 GIS 服 务 可 以 由 开 发 商 运 营, 也 可 以 由 第 三 方 运 营 用 户 获 取 数 据 后, 提 供 给 远 程 服 务, 服 务 最 后 将 计 算 结 果 返 回 给 用 户 (Finch et al., 1999) 基 于 面 向 服 务 模 式, 专 业 领 域 的 应 用 模 型 提 供 者, 提 供 给 用 户 的 是 模 型 服 务, 模 型 使 用 者 通 过 服 务 集 成, 解 决 具 体 复 杂 地 理 问 题, 克 服 系 统 集 成 功 能 冗 余 的 弊 端 2) 基 于 服 务 模 式 的 应 用 模 型 复 用 与 集 成 方 法 研 究, 以 应 用 模 型 服 务 的 方 式 实 现 应 用 模 型 复 用 本 文 将 结 合 MS/OR 以 及 DSS 领 域 模 型 复 用 的 理 论 地 理 信 息 科 学 领 域 分 布 式 计 算 与 处 理 相 关 标 准, 基 于 服 务 模 式, 建 立 应 用 模 型 复 用 与 集 成 方 法, 为 应 用 模 型 服 务 开 发 以 及 服 务 集 成 提 供 理 论 基 础, 指 导 应 用 模 型 服 务 开 发 服 务 集 成, 实 现 应 用 模 型 跨 平 台 领 域 间 异 构 环 境 下 的 集 成 应 用 3) 应 用 模 型 复 用 实 例 研 究, 探 讨 基 于 服 务 模 式 的 GIS 与 应 用 模 型 集 成 实 现 方 法, 讨 论 集 成 界 面 复 杂 可 操 作 性 差 等 问 题 解 决 方 案 GIS 应 用 模 型 复 用 与 集 成 方 法 研 究, 将 提 高 GIS 的 空 间 分 析 能 力, 拓 展 GIS 的 应 用 领 域, 为 实 现 面 向 问 题 的 分 布 式 复 杂 问 题 计 算 奠 定 基 础, 具 有 一 定 理 论 现 实 意 义 同 时, 对 于 MS/OR 以 及 DSS 领 域 的 模 型, 实 现 基 于 WebServices 技 术 的 模 型 复 用 研 究 也 具 有 十 分 突 出 的 意 义 14

27 1.3.2 主 要 研 究 内 容 1)GIS 应 用 模 型 概 念 七 元 组 表 示 分 类 体 系 复 杂 性 复 用 体 系 等 研 究 该 研 究 是 GIS 应 用 模 型 复 用 研 究 的 基 础 2) 以 RM-ODP 为 基 础, 定 义 应 用 模 型 信 息 视 图 与 计 算 视 图, 建 立 GIS 应 用 模 型 表 示 体 系, 扩 展 OpenGIS 空 间 信 息 服 务 体 系 内 容 建 立 应 用 模 型 服 务 体 系 ; 探 讨 应 用 模 型 服 务 集 成 模 式 服 务 链 表 示 方 法 服 务 集 成 实 现 过 程 等 问 题 3)GIS 应 用 模 型 元 数 据 研 究, 初 步 建 立 应 用 模 型 元 数 据 内 容 与 标 准 4) 应 用 模 型 描 述 语 言 GBMDL 研 究 定 义 GBMDL 的 BNF 范 式, 基 于 XML Schema, 建 立 应 用 模 型 实 体 模 式 数 据 模 式 约 束 模 式 元 数 据 模 式 以 及 应 用 模 型 组 件 字 典 模 式, 定 义 GBMDL 5)GIS 应 用 模 型 复 用 实 例 研 究 以 小 流 域 地 貌 演 化 模 型 MCGEM 管 理 为 例, 利 用 GIS 应 用 模 型 的 七 元 组 表 示 方 法 GIS 应 用 模 型 描 述 语 言 GBMDL 分 别 描 述 MCGEM, 开 发 小 流 域 地 貌 演 化 模 型 MCGEM 服 务, 实 现 MCGEM 模 型 服 务 与 OpenGIS 的 WCS 服 务 集 成, 基 于 服 务 模 式 完 成 小 流 域 地 貌 演 化 计 算 1.4 论 文 研 究 路 线 与 组 织 结 构 论 文 的 研 究 路 线 按 照 GIS 应 用 模 型 分 析 复 用 与 集 成 方 法 研 究 具 体 问 题 研 究 复 用 实 例 研 究 的 思 路 进 行, 遵 循 从 理 论 到 实 践 的 研 究 方 法 论 文 研 究 路 线 如 图 1.9 所 示 MS/OR 与 DSS 领 域 模 型 重 用 理 论 与 方 法 开 放 的 分 布 式 处 理 参 考 模 型 RM-ODP OpenGIS 地 理 信 息 服 务 体 系 研 究 理 论 基 础 GIS 应 用 模 型 复 用 与 集 成 方 法 研 究 GIS 应 用 模 型 复 用 与 集 成 方 法 研 究 应 用 模 型 描 述 语 言 GBMDL 定 义 GIS 应 用 模 型 复 用 具 体 问 题 研 究 应 用 模 型 复 用 与 集 成 实 例 研 究 实 例 研 究 图 1.9 论 文 研 究 技 术 路 线 15

28 论 文 理 论 研 究 基 础 跨 越 两 个 领 域 : 1)MS/OR 与 DSS 领 域 模 型 复 用 理 论 具 体 包 括 : 面 向 对 象 结 构 建 模 与 建 模 语 言 研 究 成 果, 分 布 式 模 型 管 理 理 论 与 技 术, 模 型 组 件 复 用 方 法, 模 型 属 性 信 息 定 义 管 理 方 法 HLA 系 列 标 准 等 ; 2) 地 理 信 息 科 学 领 域 相 关 技 术 理 论 具 体 包 括 :GIS 与 应 用 模 型 集 成 理 论 与 方 法, 开 放 的 分 布 式 处 理 参 考 模 型 RM-ODP [ISO/IEC10746] (Reference Model for Open Distribute Processing), OpenGIS 系 列 规 范,ISO/TC211 系 列 标 准,WebServices 技 术 等 针 对 本 文 的 主 要 研 究 内 容, 采 用 如 下 结 构 撰 写 论 文 : 第 一 章 绪 论 提 出 问 题, 概 述 模 型 复 用 研 究 现 状, 给 出 论 文 的 研 究 目 的 与 主 要 研 究 内 容, 确 定 论 文 研 究 路 线 与 组 织 结 构 第 二 章 GIS 应 用 模 型 及 其 复 用 体 系 分 析 研 究 应 用 模 型 概 念 七 元 组 表 示 分 类 体 系 复 杂 性, 建 立 应 用 模 型 复 用 体 系 本 章 是 论 文 后 续 研 究 的 基 础 第 三 章 GIS 应 用 模 型 表 示 与 服 务 生 成 以 RM-ODP 为 基 础, 定 义 应 用 模 型 信 息 视 图 与 计 算 视 图, 建 立 应 用 模 型 表 示 与 服 务 体 系, 支 持 应 用 模 型 服 务 生 成 第 四 章 GIS 应 用 模 型 服 务 集 成 探 讨 基 于 服 务 模 式 的 应 用 模 型 服 务 集 成 应 用 方 法 第 五 章 GIS 应 用 模 型 描 述 语 言 GBMDL 定 义 GBMDL 的 BNF 范 式, 建 立 GIS 应 用 模 型 实 体 模 式 数 据 模 式 元 数 据 模 式 以 及 应 用 模 型 组 件 字 典 模 式, 定 义 GBMDL 第 六 章 GIS 应 用 模 型 复 用 实 例 研 究 以 小 流 域 地 貌 演 化 模 型 MCGEM 管 理 为 例, 采 用 应 用 模 型 七 元 组 应 用 模 型 描 述 语 言 GBMDL 分 别 表 示 MCGEM, 开 发 小 流 域 地 貌 演 化 模 型 服 务 MCGEMS, 并 实 现 MCGEMS 与 OpenGIS 的 WCS 服 务 集 成 第 七 章 结 束 语 概 括 本 文 的 研 究 内 容, 提 出 了 进 一 步 研 究 问 题 16

29 第 二 章 GIS 应 用 模 型 及 其 复 用 体 系 本 章 首 先 从 GIS 应 用 模 型 概 念 七 元 组 表 示 方 法 分 类 体 系 复 杂 性 等 方 面 对 论 文 研 究 对 象 进 行 相 关 阐 述, 然 后 对 应 用 模 型 复 用 发 展 趋 势 进 行 分 析, 建 立 基 于 服 务 模 式 的 应 用 模 型 复 用 体 系, 确 定 基 于 服 务 模 式 的 应 用 模 型 复 用 体 系 的 主 要 研 究 内 容 2.1 GIS 应 用 模 型 概 念 与 特 点 GIS 应 用 模 型 概 念 GIS 应 用 模 型 的 概 念 目 前 还 没 有 形 成 统 一 认 识, 国 外 部 分 学 者 把 其 称 为 空 间 模 型 (Spatial Model) 或 地 理 模 型 (Geographical Model)(Fischer, 1996; Wegener, 2000), 国 内 通 常 称 其 为 GIS 应 用 模 型 部 分 学 者 对 GIS 应 用 模 型 概 念 描 述 如 下 : Wegener(2000) 认 为 空 间 模 型 是 描 述 空 间 与 属 性 的 模 型, 时 空 模 型 是 描 述 空 间 时 间 属 性 三 类 信 息 的 模 型, 可 以 分 为 尺 度 模 型 概 念 模 型 数 学 模 型 三 类 邬 伦 等 (1994) 认 为 GIS 应 用 模 型 多 指 地 学 模 型, 并 认 为 地 学 模 型 是 用 来 描 述 地 理 系 统 各 地 学 要 素 之 间 相 互 关 系 和 客 观 规 律 信 息 的 语 言 的 数 学 的 或 其 他 的 表 达 形 式, 通 常 反 映 了 地 学 过 程 及 其 发 展 趋 势 宫 辉 力 等 (2000) 认 为 GIS 应 用 模 型 主 要 包 含 空 间 分 析 模 型 与 应 用 数 学 模 型 两 大 类 空 间 分 析 模 型 主 要 用 于 管 理 决 策 中 的 半 结 构 化 和 非 结 构 化 问 题 研 究, 这 类 模 型 无 法 用 精 确 的 数 学 模 型 表 达, 更 多 依 赖 于 专 家 的 知 识 与 经 验 ; 应 用 数 学 模 型 用 于 解 决 结 构 化 问 题, 能 用 精 确 的 数 学 模 型 表 达 毕 硕 本 王 桥 等 (2003) 认 为 GIS 应 用 模 型 是 对 地 理 系 统 各 地 学 要 素 之 间 的 相 互 关 系 和 客 观 规 律 的 语 言 的 数 学 的 或 其 他 方 式 的 表 达, 通 常 反 映 了 地 学 过 程 及 其 发 展 趋 势 或 结 果 闾 国 年 等 (2003) 认 为 GIS 应 用 模 型 是 具 有 地 理 空 间 特 征 的 仿 真 模 型, 特 别 是 具 有 明 显 机 理 过 程 的 机 理 过 程 模 型 根 据 如 上 定 义, 本 文 给 出 了 如 下 GIS 应 用 模 型 定 义 GIS 应 用 模 型 是 指 在 GIS 应 用 领 域 内, 为 完 全 解 决 领 域 问 题, 必 需 建 立 的 GIS 未 提 供 的 领 域 专 题 模 型 ( 土 壤 侵 蚀 模 型 环 境 评 价 模 型 城 镇 土 地 潜 力 评 价 模 型 MS/OR 领 域 各 种 规 划 模 型 等,GIS 本 身 的 空 间 分 析 功 能 不 属 于 应 用 模 型 范 畴 ), 该 模 型 是 对 解 决 具 体 问 题 采 用 的 分 析 方 法 和 操 作 步 骤 的 抽 象, 是 要 素 之 间 的 相 互 关 系 和 客 观 规 律 的 语 言 的 数 学 的 或 其 他 方 式 的 表 达, 通 常 反 映 了 GIS 应 用 领 域 内 相 关 过 程 及 其 发 展 趋 势 或 结 果, 可 表 现 为 数 学 模 型 结 构 模 型 仿 真 模 型, 我 们 把 这 种 领 域 专 题 模 型 称 为 GIS 应 用 模 型 GIS 应 用 模 型 多 表 现 为 数 学 模 型 数 学 模 型 是 用 字 母 数 字 和 其 他 数 学 符 号 来 描 述 系 统 的 特 征 及 其 内 部 联 系 的 模 型, 它 是 真 实 系 统 的 一 种 抽 象, 这 种 抽 象 关 系 构 成 了 建 模 的 基 础 结 构 模 型 可 以 转 化 为 数 学 模 型 ( 用 数 学 语 言 表 示 的 结 构 模 型 ), 而 仿 真 模 型 是 在 计 算 机 上 运 行 的 程 序 表 达 的 模 型, 并 以 数 学 模 型 为 基 础 因 此 GIS 应 用 模 型 中 数 学 模 型 是 其 他 模 型 的 基 础 采 用 数 学 建 模, 一 个 系 统 (GIS 应 用 模 型 ) 可 以 形 式 化 表 示 成 如 下 的 七 元 组 结 构 ( 王 桥,1998; 王 红 卫,2002): M =< T, X, Ω, Q, Y, δ, λ > 式 中 :T 时 间 基,X 输 入 集,Ω 输 入 段 集,Q 内 部 状 态 集,Y 输 出 集,δ 状 态 转 移 函 数,λ 17

30 输 出 函 数 1) 时 间 集 T 是 描 述 时 间 和 为 事 件 排 序 的 一 个 集 合, 通 常 T 为 整 数 I 或 为 实 数 R, 则 M 相 应 地 分 别 称 为 离 散 时 间 模 型 连 续 时 间 模 型 2) 输 入 集 X 代 表 模 型 界 面 的 一 部 分, 外 部 环 境 通 过 它 作 用 于 模 型 通 常 选 取 X 为 R n, 其 + 中 n I, 即 X 代 表 n 个 实 值 的 输 入 变 量 如 外 部 输 入 是 离 散 事 件,X 可 以 表 示 为 X { } m U, 其 中 X m 为 外 部 事 件 集 合, 为 空 事 件 3) 输 入 段 集 一 个 输 入 段 描 述 了 在 某 一 时 间 间 隔 内 模 型 的 输 入 模 式, 当 一 个 模 型 嵌 套 在 一 个 大 模 型 中 时, 上 述 模 式 由 模 型 上 下 文 ( 环 境 ) 所 决 定 当 模 型 处 于 孤 立 的 情 况 时, 上 下 文 被 一 个 段 集 所 代 替 考 虑 到 系 统 重 构, 该 段 集 应 该 包 括 系 统 所 能 接 受 到 的 所 有 输 入 模 式 输 入 段 集 是 这 样 一 个 映 射 : ω : < t0, t1 > X1, 其 中 < t0, t1 > 是 时 间 基 中 从 t 0 ( 初 始 时 刻 ) 到 t 1 ( 终 止 时 刻 ) 的 一 个 区 间 若 将 上 述 输 入 段 构 成 的 集 合 记 作 < XT, >, 则 输 入 段 集 Ω 是 < XT, > 的 一 个 子 集 4) 内 部 状 态 集 内 部 状 态 集 Q 表 示 模 型 的 记 忆, 即 过 去 历 史 的 遗 留 物, 影 响 模 型 现 在 和 将 来 该 集 合 是 模 型 内 部 结 构 建 模 的 核 心 5) 状 态 转 移 函 数 它 是 一 个 映 射 δ : Q Ω Q 其 含 义 是 : 若 模 型 在 时 刻 t 0 处 于 状 态 q, 并 且 施 加 一 个 输 入 段 ω : < t 0, t 1 > X 1, 则 δ ( q, ω ) 则 表 示 模 型 在 t 1 时 刻 的 状 态 因 此, 任 意 时 刻 的 内 部 状 态 和 从 该 时 刻 起 的 输 入 段, 唯 一 决 定 了 该 时 段 终 止 时 的 状 态 对 于 每 一 个 q Q,ω Ω,t 在 ω 定 义 域 中, 有 : δ ( q, ω) = δ[ δ( q, ωt> ), ω< t] 其 中 ω = t ω < < t0, t >( 由 t 0 到 t 的 输 入 段 ω 部 分 ), ω = t ω < < tt, >( 1 由 t 到 t 1 的 输 入 段 ω 部 分 ) 这 要 求 对 于 任 意 时 刻 t 的 状 态 qt = δ ( q, ω t < ) 都 概 括 了 以 前 必 要 的 历 史 情 况, 这 样 从 这 状 态 起 继 续 状 态 转 移, 就 能 与 其 他 状 态 一 样 最 终 得 到 相 同 的 状 态 6) 输 出 集 输 出 集 合 Y 代 表 模 型 界 面 的 另 一 部 分, 模 型 通 过 它 作 用 于 环 境 除 方 向 不 同 外, 其 含 义 完 全 与 输 入 集 相 同 若 该 模 型 嵌 套 在 一 个 大 模 型 中, 则 它 的 输 入 ( 输 出 ) 部 分 刚 好 是 其 环 境 的 输 出 ( 输 入 ) 部 分 7) 输 出 函 数 最 简 单 的 形 式 是 映 射 λ :Q Y 它 使 模 型 的 内 部 状 态 与 模 型 对 其 环 境 的 影 响 相 关 联 但 上 述 的 输 出 映 射 通 常 不 允 许 输 入 直 接 影 响 输 出, 因 此 更 为 普 遍 的 输 出 函 数 是 λ : Q X T Y, 简 言 之, 当 模 型 处 于 状 态 Q 时, 并 且 当 模 型 的 当 前 输 入 为 X 时, 其 输 出 为 λ ( QXT,, ) M =< T, X, Ω, Q, Y, δ, λ > 七 元 组 表 示 应 用 模 型, 通 过 时 间 基 的 抽 象 可 以 描 述 离 散 / 连 续 事 件 模 型, 通 过 状 态 转 移 函 数 可 描 述 地 理 空 间 过 程 变 化, 通 过 输 入 集 的 数 据 模 型 不 同 定 义 可 以 表 示 空 间 模 型 与 非 空 间 模 型 以 及 基 于 场 的 空 间 模 型 与 基 于 对 象 的 空 间 模 型, 通 过 对 δ,λ 的 不 同 定 义 可 以 表 达 定 量 与 定 性 模 型 七 元 组 的 表 达 方 法 将 可 以 充 分 概 括 GIS 应 用 模 型 GIS 应 用 模 型 特 点 GIS 应 用 模 型 跨 越 多 学 科 领 域 种 类 繁 多, 并 具 有 空 间 性 动 态 性 复 杂 性 多 元 性 综 合 性 的 特 点 ( 王 桥,1997), 从 GIS 与 应 用 模 型 关 系 而 言 具 有 如 下 特 性 : 1) 应 用 模 型 是 联 系 GIS 应 用 与 常 规 专 业 研 究 的 纽 带 模 型 的 建 立 绝 非 是 纯 数 学 或 技 术 性 问 题, 必 需 以 专 业 知 识 为 基 础, 对 专 业 研 究 的 深 入 程 度 决 定 者 模 型 的 质 量 与 效 果 ; 2) 应 用 模 型 是 综 合 利 用 GIS 中 大 量 数 据 的 工 具 对 于 大 量 的 数 据 而 言, 对 其 综 合 处 理 分 18

31 析 应 用 主 要 通 过 领 域 专 题 模 型 实 现, 数 据 使 用 效 率 与 深 度 取 决 于 应 用 模 型 的 数 量 与 质 量 ; 3) 应 用 模 型 是 GIS 解 决 各 类 问 题 的 有 效 工 具 通 过 应 用 模 型, 结 合 GIS 数 据 管 理 空 间 分 析 功 能 的 优 势, 是 解 决 复 杂 地 理 问 题 的 有 效 手 段 ; 4) 应 用 模 型 是 GIS 应 用 纵 深 发 展 的 基 础 GIS 本 身 不 可 能 涵 盖 所 有 应 用 领 域, 只 有 有 效 地 应 用 各 领 域 的 应 用 模 型, 才 能 深 入 各 个 应 用 领 域 大 量 应 用 模 型 研 究 开 发 与 应 用 将 是 进 一 步 拓 展 GIS 应 用 领 域 的 基 础 2.2 GIS 应 用 模 型 分 类 为 进 一 步 认 识 GIS 应 用 模 型, 研 究 GIS 应 用 模 型 分 类 是 有 效 的 手 段, 同 时 研 究 模 型 分 类 对 于 GIS 应 用 模 型 库 设 计 应 用 模 型 管 理 等 都 具 有 重 要 作 用 本 节 依 据 应 用 模 型 七 元 组 的 表 示 方 法, 阐 述 GIS 应 用 模 型 分 类 体 系 基 于 领 域 特 性 分 类 GIS 应 用 模 型 首 先 具 有 鲜 明 的 领 域 特 性, 不 同 领 域 的 模 型 表 达 不 同 的 问 题 与 现 象 在 不 同 的 领 域 上 进 行 模 型 的 划 分 与 定 义, 可 以 从 整 体 上 规 划 应 用 模 型 分 类 体 系, 实 现 从 整 体 到 局 部 控 制, 便 于 应 用 模 型 库 组 织 管 理, 更 好 支 持 应 用 模 型 抽 取 与 集 成 GIS 的 应 用 涉 及 到 农 业 林 业 地 质 水 利 能 源 气 象 旅 游 海 洋 电 力 通 讯 交 通 军 事 以 及 城 市 规 划 与 管 理 土 地 管 理 资 源 与 环 境 评 价 等 广 泛 的 领 域 ( 王 桥,1997) 这 些 领 域 可 以 划 分 为 自 然 科 学 与 社 会 科 学 两 大 领 域 (Wegener,2000) 在 自 然 科 学 领 域, 包 括 大 气 建 模 领 域 的 通 用 循 环 模 型, 水 文 科 学 建 模 领 域 地 表 水 模 型, 陆 地 表 面 建 模 领 域 的 植 物 生 长 地 表 侵 蚀 模 型 土 地 利 用 规 划 模 型 地 质 模 型, 生 物 生 态 领 域 单 物 种 / 多 物 种 植 被 / 野 生 动 物 分 布 模 型 等 在 社 会 科 学 领 域, 主 要 应 用 于 经 济 ( 多 区 域 贸 易 模 型 区 域 经 济 发 展 模 型 等 ) 地 理 ( 迁 移 模 型 空 间 交 互 与 定 位 模 型 等 ) 社 会 ( 城 市 种 族 分 布 模 型 城 市 入 侵 模 型 城 市 行 为 空 间 模 型 等 ) 交 通 工 程 建 模 等 ( 交 通 与 产 品 运 输 模 型 路 径 搜 索 与 流 分 配 路 径 规 划 模 型 等 ) 在 领 域 分 支 中, 可 以 具 体 细 化, 建 立 GIS 应 用 模 型 领 域 分 类 树, 不 同 模 型 应 用 于 不 同 领 域 领 域 分 类 处 于 GIS 应 用 模 型 分 类 的 最 顶 层, 便 于 不 同 应 用 领 域 的 模 型 组 织 与 管 理 基 于 应 用 模 型 定 性 / 定 量 特 点 分 类 在 领 域 分 类 的 基 础 上, 基 于 应 用 模 型 表 达 对 象 不 同, 可 以 分 为 定 量 模 型 定 性 模 型 与 定 量 定 性 混 合 模 型 三 类 定 量 模 型 是 基 于 理 化 原 理 的 理 论 模 型 基 于 变 量 之 间 的 统 计 关 系 模 型, 是 应 用 数 学 分 析 方 法 建 立 的 数 学 表 达 式 以 及 通 过 数 理 统 计 方 法 建 立 的 统 计 模 型, 反 映 领 域 过 程 的 本 质 理 化 规 律, 解 决 结 构 化 问 题 定 量 模 型 可 以 采 用 M =< T, X, Ω, Q, Y, δ, λ > 七 元 组 的 表 达 方 法 如 地 表 径 流 模 型 海 洋 与 大 气 环 流 模 型 流 域 地 貌 演 化 模 型 水 土 流 失 模 型 土 地 适 宜 性 分 析 模 型 等 定 性 模 型 是 对 各 种 知 识 表 达 的 模 型, 由 表 达 领 域 知 识 的 结 构 框 架 知 识 表 达 语 言 与 推 理 机 19

32 制 组 成, 主 要 是 选 择 一 种 适 当 的 符 号 结 构 最 清 晰 最 正 式 地 表 达 知 识, 并 设 计 适 当 的 推 理 机 制 定 性 模 型 包 括 基 于 谓 词 逻 辑 的 定 性 模 型 基 于 规 则 与 决 策 树 的 定 性 模 型 基 于 语 义 网 的 定 性 模 型 基 于 关 系 框 架 的 定 性 模 型 基 于 面 向 对 象 的 定 性 模 型 等 (Yee Leung, 1997), 解 决 非 结 构 化 决 策 问 题 如 地 理 知 识 模 型 交 通 规 划 模 型 计 量 经 济 模 型 等 定 性 模 型 也 可 以 统 一 在 七 元 组 的 表 示 体 系 中, 在 M =< T, X, Ω, Q, Y, δ, λ > 中, < δ, λ > 表 示 逻 辑 公 式 集, 可 以 用 L 替 代, 用 于 描 述 现 实 系 统 知 识 规 律, 而 Q 表 达 规 则 与 事 例 ( 规 则 的 集 合 ), 用 于 推 理 判 断 因 此, 定 性 模 型 可 以 简 化 为 < T, X, Q, Y, L> 的 表 达 方 式 定 量 定 性 混 合 模 型 是 定 量 模 型 与 定 性 模 型 的 混 合 体, 模 型 中 部 分 变 量 之 间 关 系 是 定 量 的 数 理 过 程, 是 应 用 数 学 分 析 方 法 建 立 的 数 学 表 达 式 以 及 通 过 数 理 统 计 方 法 建 立 的 统 计 模 型 ; 部 分 变 量 之 间 关 系 是 定 性 的 知 识 推 理, 由 表 达 领 域 知 识 的 结 构 框 架 知 识 表 达 语 言 与 推 理 机 制 组 成 ; 定 量 定 性 混 合 模 型 解 决 半 结 构 化 问 题 现 实 世 界 的 大 部 分 问 题 表 现 为 半 结 构 化 问 题, 是 定 量 与 定 性 的 混 合 模 型 基 于 输 入 集 信 息 空 间 / 非 空 间 特 性 分 类 基 于 模 型 处 理 信 息 的 特 点,GIS 应 用 模 型 主 要 包 括 空 间 模 型 与 非 空 间 模 型 两 部 分 ( 王 桥, 1997) 依 据 GIS 应 用 模 型 元 模 型 的 七 元 组 M =< T, X, Ω, Q, Y, δ, λ > 集 合 结 构, 可 知 该 分 类 是 对 七 元 组 中 输 入 集 X 的 分 类 当 输 入 集 X 所 表 达 的 信 息 包 含 空 间 信 息 时, 我 们 称 该 类 模 型 为 空 间 模 型, 它 是 实 体 对 象 在 空 间 时 间 属 性 上 的 抽 象, 绝 大 部 分 GIS 应 用 模 型 属 于 空 间 模 型 该 类 模 型 可 以 表 示 为 Ms =< T, Xs, Ω, Q, Y, δ, λ >, 其 中 M S 与 X S 分 别 表 示 空 间 模 型 与 空 间 信 息 输 入 集 当 输 入 集 X 所 表 达 的 信 息 不 包 含 空 间 信 息 时, 我 们 称 该 类 模 型 为 非 空 间 模 型, 非 空 间 模 型 是 实 体 对 象 在 时 间 属 性 上 的 抽 象, 非 空 间 模 型 主 要 是 应 用 于 MS/OR 与 DSS 领 域 的 规 划 决 策 模 型, 如 计 量 经 济 模 型 ( 经 济 增 长 模 型 居 民 消 费 模 型 ) 经 济 控 制 论 模 型 ( 经 济 预 测 模 型 生 产 函 数 模 型 财 政 收 入 模 型 ) 投 入 产 出 模 型 系 统 动 力 学 模 型 扩 散 模 型 等 它 是 GIS 应 用 模 型 的 辅 助 部 分 该 类 模 型 可 以 表 示 为 Mns =< T, Xns, Ω, Q, Y, δ, λ >, 其 中 M NS 与 X NS 分 别 表 示 非 空 间 模 型 与 非 空 间 信 息 输 入 集 基 于 模 型 技 术 条 件 分 类 依 据 模 型 技 术 条 件 (Yee Leung,1997), 空 间 / 非 空 间 模 型 可 以 按 照 如 下 三 种 方 法 进 行 分 类, 即 模 型 确 定 性 ( < δ, λ > 的 确 定 性 ) 模 型 时 间 基 T 的 静 态 / 动 态 表 达, 模 型 输 入 集 X 空 间 信 息 的 数 据 模 型 1) 模 型 确 定 性 ( < δ, λ > 的 确 定 性 ) 空 间 模 型 依 据 处 理 现 实 世 界 的 不 确 定 现 象 的 方 法, 可 以 分 为 确 定 模 型 概 率 模 型 (Berry, 1995) 确 定 模 型 依 据 已 经 定 义 关 系 可 以 得 到 确 定 解, 而 不 考 虑 随 机 变 量 的 影 响, 如 各 种 基 于 物 理 化 学 原 理 的 理 论 模 型, 这 些 模 型 可 以 用 精 确 的 数 学 公 式 表 达 ; 概 率 模 型 基 于 统 计 对 立 事 件 的 概 率 分 布, 给 出 值 的 一 个 范 围 随 机 模 型 是 考 虑 了 时 空 连 续 性 的 条 件 分 布 概 率 模 型 对 于 确 定 模 型 来 说, 模 型 的 七 元 组 M =< T, X, Ω, Q, Y, δ, λ > 中 δ, λ 是 确 定 的, 是 可 以 用 精 20