面向多目標應用的土壤空間決策支持平臺
2008-12-31 00:00:00解憲麗李安波于泳
計算機應用研究 2008年12期
(1.中國科學院 南京土壤研究所， 南京 210008; 2.南京師范大學 虛擬地理環境教育部重點實驗室， 南京 210046;
3.吉林油田分公司 開發部， 吉林 松源 138000)
摘 要：
由于環境和人為因素的綜合影響，土壤功能在人類時間尺度上可以產生較快的轉變，此開發能夠準確反映和預測土壤信息時空變化的決策支持平臺，對于土地管理者和政策制定者而言是必需的。在解決多源異構數據集成、模型管理和配置、土壤分類參比查詢、科學計算可視化、土壤知識自學習等關鍵問題的基礎上，通過集成地理信息系統和framework技術，構建了開放的土壤空間決策支持平臺，形成了多目標土壤決策應用的解決方案和敏捷開發模式。
關鍵詞：土壤信息； 決策支持平臺； 多目標土壤決策應用； 地理信息系統
中圖分類號：S126 文獻標志碼： A
文章編號：10013695(2008)12357803
Soil spatial decision support platform for multiobjective application
XIE Xianli1， LI Anbo2， YU Yong3
(1.Institute of Soil Sciences， Chinese Academy of Sciences， Nanjing 210008， China;
2.Key Laboratory of Virtual Geographic Environment of Ministry of Education， Nanjing Normal University， Nanjing 210046， China; 3.Exploitation Department， Jilin Oil Field Company， Songyuan Jilin 138000， China)
Abstract:
Multiobjective soil decision support systems meet the urgent needs of multipurpose soil resource management. This paper designed the architecture of a multiobjective soil decision support platform based on the integration of geographic information system， decision support system(DSS) and framework technologies. Discussed the key techniques including heterogeneous data integration，model management and allocation，soil reference and query based on rule engine，visualization of soil science computation and acquisition of tacit knowledge. Also introduced the agile software development for the application of the multiobjective soil spatial decision support platform.
Key words：soil information; decision support platform; multiobjective soil decision application; geographical information system(GIS)
0 引言
土壤是陸地生態系統的主要組分，承擔著生產力、環境質量、人類/動植物健康三個方面的功能[1]，其信息化管理與應用很早就受到國內外的重視。1972年加拿大建立了國際上第一個土壤數據庫后，土壤資源信息系統逐步在一些發達國家和地區建立并應用。中國第二次全國土壤普查為土壤信息系統的建設奠定了良好的基礎，此后各地區相繼建立了一批土壤管理信息系統，主要面向數據管理、統計與查詢、制表制圖等功能，較少涉及模型計算與空間分析等功能[2]。近年來，土壤資源的不合理利用現象日趨嚴重，導致土壤功能產生較快的、難以逆轉的變化。為能夠準確反映和預測土壤信息時空變化，滿足土地管理者和政策制定者的決策支持需要，開發了一批具有一定模型支持和空間分析功能的土壤決策支持系統，如土壤水分預報和灌溉決策系統[3]、土壤重金屬污染決策系統[4]、區域土壤資源適宜性評價系統[5]、土壤侵蝕預報系統[6]、土壤肥力信息管理及施肥推薦系統[7~9]等。上述系統對特定目標的決策支持應用較好，但是在模型集成、模型管理和多目標應用方面考慮較少。它們通常采用模型與系統緊密耦合或基于文件方式進行數據交換的集成模式。前者可擴展性差，若要增加或修改模型，往往需要修改程序代碼；后者由于存在兩套數據和頻繁的數據轉換操作，執行效率較低。在模型管理方面，由于缺乏模型定義語言，從而難以實現模型庫的動態擴展，只能進行單一問題和簡單決策應用。土壤信息化建設的最終目標是為各級政府決策、農業生產和環境保護提供技術支持，客觀上要求基于多源數據、多專業模型進行土壤問題的多目標綜合決策，而傳統的土壤信息系統和功能相對單一的土壤決策支持系統已無法勝任這一工作。
將信息系統提升到平臺層次，是多個應用之間避免資源浪費、實現數據共享、有效支持復用的最佳方法和手段[10]。構建具有靈活的模型管理功能、完善的數據集成應用、強大的空間分析能力的土壤空間決策支持平臺，在此平臺的基礎上快速構建土壤多目標綜合決策應用將成為國家土壤信息化建設的重要發展趨勢。為此，本文運用地理信息系統（GIS）、決策支持系統（decision support system，DSS）、framework等技術，構建了土壤空間決策支持平臺的開放體系結構，研究解決了多源異構數據集成、模型管理與配置、土壤知識自學習等關鍵問題，形成了多目標土壤決策應用的解決方案和敏捷開發模式。
1 土壤空間決策支持平臺框架
基于framework開發技術，充分利用GIS、DSS現有研究成果是研發土壤決策支持平臺的快速途徑。平臺建設與土壤信息系統的實用性要求有較大不同，其研發重點與難點在于平臺的普適性、開放性與可擴展性。平臺建設中具體通過以下幾方面工作來解決：a）平臺的本質與核心是決策支持系統，應以成熟DSS的“四庫三功能”框架為原型。這種結構是一種智能決策支持系統的結構[11，12]，具有所謂的四庫（數據庫、模型庫、知識庫、方法庫）及相應的推理系統，可提供信息服務、科學計算和決策咨詢三項功能。b）傳統DSS是用于解決結構化問題的，面對土壤決策中較多的非結構化或半結構化問題，平臺通過增加案例庫及案例推理引擎來解決。c）為應用GIS強大的空間數據管理、空間分析以及制圖功能，進行更為科學、直觀的空間決策支持[13]，平臺中運用ArcGIS產品的AO組件進行二次開發，實現了強大的GIS功能應用。d）為提高平臺的可擴展性、可維護性，實現多目標土壤決策應用的敏捷開發，基于數據層、業務層、界面層三層架構模式進行了平臺框架建設。
2 關鍵問題解決方案
平臺框架設計是為了提高其普適性、開放性，以滿足模型、規則等的管理需要；而多源土壤數據整合、土壤模型動態配置與管理、基于規則引擎的土壤分類與參比查詢、基于元數據的多種資源檢索與配置等關鍵問題的解決，則是為了實現數據共享和模型動態集成，以最終支持多目標應用。
21 多源土壤數據整合
由于土壤數據類型不一（矢量空間數據、柵格空間數據及屬性數據等），來源多樣（野外調查、室內分析及遙感調查等）、存儲方式不一致、數據庫類型和數據組織有較大不同等原因，導致多源土壤數據存在著較高的格式不一致性、尺度不一致性及語義不一致性，難以建設統一的土壤空間數據庫，更難以綜合利用多源土壤信息進行土壤問題綜合決策。
土壤數據整合是解決上述問題的關鍵。土壤數據整合主要包括空間數據整合和屬性數據整合兩種類型。土壤空間數據整合包括空間數據格式的統一、空間數據參照系的統一、數據資料的坐標配準、圖幅接邊以及不同比例尺數據的融合等內容。平臺中利用Safe Software公司的通用數據轉換平臺FME軟件，將空間數據統一轉換成為GIS軟件普遍支持的shapefile文件格式。土壤屬性數據的整合內容包括數據組織及異構數據庫的統一。平臺中運用Oracle的 Express ETL工具提供數據整合和重構功能，可實現SQL Server、Oracle、Foxpro等異構數據庫的統一。兩方面工作可解決多源數據的不一致性問題，滿足多目標土壤決策支持的應用需要。
22 基于規則引擎的土壤分類與參比查詢
土壤分類是土壤科學水平的標志， 是土壤調查制圖的基礎，是因地制宜推廣農業技術的依據之一，也是國內外土壤信息與學術交流的媒介[14]。土壤決策支持平臺作為科研與應用平臺，必須實現國內外多種土壤分類檢索與參比，實現土壤信息的充分資源化[14]，解決土壤分類的語義不一致性問題，才能滿足科研與生產工作的需要。基于土壤分類標準的復雜性、易變性與不規范性，平臺中按照如圖1所示的土壤分類檢索與參比方案進行了模塊開發。首先，在規則管理模塊中，基于規則標記語言（rule markup language，RuleML）[15]，創建多個不同標準的土壤分類規則庫；其次，土壤剖面數據通過開源NxBRE規則推理引擎的規則推理，可實現土壤的多種分類判別，并將結果存入土壤數據庫，供土壤統計與制圖中的分類檢索應用。其中，土壤規則定義與規則引擎采用了開源的JRule產品。該方案用規則引擎替換以程序代碼固化在應用系統中的業務邏輯，無須重新開發系統，即可有效支持多種分類標準的頻繁變更以及規范化描述。
23 土壤模型動態配置與管理
土壤模型是以某種形式對一個土壤系統的本質屬性的描述，以揭示土壤系統的功能、行為及其變化規律。當前應用的土壤模型有很多，如土壤質量評價、土壤肥力評價、土壤侵蝕與退化、土地分類與定級等。建立用于土壤信息解譯和應用的模型庫是土壤信息系統的重要工作內容之一[16]。為實現對多土壤模型的動態管理，平臺開發了模型管理系統，實現了模型與平臺間的松散耦合。這是當前功能最為強大、應用最為靈活的模型管理方式。模型管理主要基于數據庫管理原理。首先將模型處理為數據抽象，并采用類似數據庫管理技術，建立模型定義語言和模型查詢語言。基于這一原理，土壤模型管理系統進行了設計與實現。它主要包括模型編輯器、模型解釋引擎、模型管理組件和模型庫等。其中，模型編輯器基于模型定義語言，通過可視化、人機交互方式進行模型的快速構建；模型管理工具主要用于土壤模型的增加、刪除、修改及查詢；模型運算時則調用模型解釋引擎來解釋執行模型；模型庫由模型字典及方法庫來組成。模型字典庫需要對模型的名稱、編號、模型的文件等進行說明，以提供對模型文件的索引、模型分類、查詢和修改的支持；方法庫則主要存儲各模型的源程序文件或目標程序文件，可根據具體需要，按長二進制數據形式存入數據庫或直接以文件方式存儲。
24 基于元數據的多種資源檢索與配置
土壤問題決策過程，就是各種土壤數據、土壤模型、土壤知識、相關案例等多種資源的綜合運用過程。土壤模型動態擴展問題解決之后，模型的動態集成應用就成為進一步的研究重點。為提高資源檢索效率，快速配置問題解決方案，平臺建設以元數據為中心，充分發揮了元數據在以下多方面的作用：a)元數據在資源配置中的作用。在進行資源配置時，面對眾多的數據、模型、知識、案例資源，需充分了解其內容、存儲位置、作用信息，才能進行高效、準確、動態的配置，而元數據是勝任這一工作的最合適選擇。b)元數據在應用分析中的作用。土壤空間分析與空間決策應用中，需充分了解數據精度、準確度等數據質量狀況，以及功能的處理精度、處理方法等元數據信息的基礎上進行結果評價與誤差分析。c)元數據是模型集成的關鍵。模型庫中的多種模型在進行集成應用時，根據模型元數據來進行模型數據準備、模型因子設定、實例化模型對象，以及相關函數、方法調用。d)元數據在數據倉庫中的應用。數據倉庫是決策支持的基礎和保障，而元數據則是數據倉庫的中樞，在數據抽取、數據轉換及數據倉庫管理等多個方面，數據倉庫離不開元數據。
25 土壤知識獲取
傳統土壤決策支持系統多關注于知識的運用，對知識的自動獲取關注較少。實現知識的自動獲取，是實現平臺的自學習能力，不斷提高系統決策能力的關鍵。土壤決策支持平臺中存在屬性數據、空間數據、文本數據、多媒體數據等多種類型，平臺中使用不同的知識獲取工具和方法進行知識獲取，如圖2所示。對于數據資料，因其是一種結構化數據，主要應用統計方法(包括回歸分析、判別分析、聚類分析、探索性分析、模糊集和粗糙集等）、機器學習方法（決策樹、規則歸納等）、神經網絡方法、數據庫方法（基于可視化的多維數據分析或OLAP方法）等進行知識獲取；對于空間數據，則主要應用ArcGIS軟件中提供的疊加分析、表面分析、地統計分析、地圖代數運算等方法進行知識獲取并存入到知識庫中；對于文本資料，因其是一種非結構化數據，是在規范化處理存入案例庫后，基于案例推理引擎提供一定的類比分析和案例支持。
26 土壤科學計算可視化
數據提供準確信息，圖形提供直觀信息。圖形與數據結合，是提供信息和知識的最佳途徑。傳統的土壤決策支持系統中數據計算與處理功能較強，可視化功能較弱。可視化作為空間知識獲取的一種有效手段，是直觀獲取土壤知識與規律的必要。綜合科學計算可視化技術現狀及土壤數據特點，平臺開發了科學計算可視化模塊，可以支持一維、二維、二維半以及三維空間的土壤可視化及制圖應用。具體包括：
a)基于GIS與土壤空間數據庫，可制作各類土壤專題圖。
b)利用土壤相關位置信息及屬性信息，組成三維點集后可運用GIS的數字地面模型（DTM）構模算法，實現25D的DTM生成。
c)土壤剖面組件可直接從數據庫中提取單個土壤剖面數據進行土壤剖面(圖3)的可視化；土壤剖面對比組件，可從土壤數據庫中提取多個土壤剖面進行土壤剖面對比分析。
d)基于多個平行土壤剖面的三維重建，可進行一定的土壤三維建模；基于VTK開發的體視化組件包，則可實現土體三維可視化及切片分析。
3 多目標土壤決策應用敏捷開發
開發土壤空間決策支持平臺的目的是為了快速構建多目標、綜合土壤問題決策應用。具體應用構建過程如圖4所示。首先，借助平臺相關定制工具，進行數據、模型及界面資源的定制，定制結果存入資源庫的同時，資源類型、內容、數據格式、存儲位置等相關背景信息存入元數據庫；其次，進行用戶或角色的資源使用權限快速配置，實現不同用戶的多目標土壤決策應用。在配置過程中，面對繁多的數據、模型及界面資源，為實現快速準確定位，需充分發揮元數據的檢索、定位能力。
在土壤決策應用定制與配置的基礎上，不同用戶在登錄系統時，系統就能夠根據用戶權限，自動搜索相關配置信息，并基于元數據進行系統數據和模型及界面的快速、動態配置，最終呈現給用戶一個面向特定土壤決策應用的個性化系統界面。
4 結束語
a)基于五庫（數據庫、模型庫、知識庫、方法庫、案例庫）及其管理系統，土壤空間決策支持平臺可實現對相關數據、模型等計算資源的動態擴展與維護；基于元數據，可實現這些計算資源的快速檢索、動態裝配及集成應用。兩方面的研發工作保障了多目標應用能力的不斷提高。
b)多源數據整合、基于規則引擎的土壤分類與參比查詢等關鍵問題的解決，有效解決了多目標決策應用中多源異構數據的格式不一致性、尺度不一致性及語義不一致性。
c)基于數據挖掘和知識發現技術進行土壤知識獲取模塊的開發，使得平臺具有一定的自學習能力。科學計算可視化模塊的研發，提高了平臺決策結果的表達能力。
d)多目標土壤決策支持平臺開發，實現了數據共享與模塊功能復用，避免了重復開發導致的資源浪費。
參考文獻:
[1]趙其國，孫波，張桃林.土壤質量與持續環境I:土壤質量的定義及評價方法[J].土壤，1997， 29 (3):113120.
[2] 周勇，田有國，任意，等.基于GIS的區域土壤資源管理決策支持系統[J].系統工程理論與實踐，2003， 23 (3):140144.
[3] 毛飛，張光智，周麗.冬小麥區土壤水分預報和灌溉決策系統的業務應用[J].氣象，2002， 27 (6):3639.
[4] 王元勝，趙春江，王紀華，等.基于WebGIS的重金屬污染決策支持系統設計與應用[J].農業工程學報，2005， 21 (12):137140.
[5] 邱炳文，周勇，李學恒，等.地理信息系統支持下的區域土壤資源適宜性動態評價[J].土壤學報，2002， 39 (3):301307.
[6] 章文波，劉寶元.基于GIS的中國土壤侵蝕預報信息系統[J].水土保持學報，2003， 17 (2):8992.
[7]呂新，魏亦農，李少昆.基于GIS的土壤肥力信息管理及棉花施肥推薦支持決策系統研究[J].中國農業科學，2002， 35 (7):883887.
[8]SARANGI A， MADRAMOOTOO C A， COX C. A decision support system for soil and water conservation measuers on agricultureal watersheds[J].Land Degradation Development，2004， 15 (1):4963.
[9] 孫波，嚴浩，施建平，等.基于組件式GIS的施肥專家決策支持系統開發和應用[J].農業工程學報，2006， 22 (4):7579.
[10] 蔣海琴，張書亮，張宏.基于共享平臺的南京市房產管理GIS系統的建設框架[J].計算機工程與應用，2004， 40 (4):205208.
[11] 高洪深.決策支持系統（DSS）理論#8226;方法#8226;案例[M].2版.北京:清華大學出版社，2000.
[12] 俞瑞釗，陳奇.智能決策支持系統實現技術[M].杭州:浙江大學出版社，2000.
[13] LAM D， LEON L， HAMILTON S， et al. Multimodel integration in a decision support system: a technical user interface approach for watershed and lake managementscenarios[J].Environmental Modelling Software，2004， 19 (3):317324.
[14] 中國科學院南京土壤研究所土壤系統分類課題組，中國土壤系統分類課題研究協作組.中國土壤系統分類檢索[M].3版.合肥:中國科學技術大學出版社，2001.
[15] 徐偉，王儒敬，楊化峰.基于RuleML的多級知識單元知識表示方法[J].計算機工程與應用，2005， 41 (1):174177.
[16] 張甘霖，龔子同，駱國保，等.國家土壤信息系統的結構、內容與應用[J].地理科學，2001， 21 (5):401416.
