井工煤礦沉陷區土地復墾評價專家系統初步設計

周 沖，張和生

(太原理工大學礦業工程學院，山西太原030024)

井工煤礦沉陷區土地復墾評價專家系統初步設計

周 沖，張和生

(太原理工大學礦業工程學院，山西太原030024)

土地復墾;專家系統;知識庫;沉陷區;井工煤礦

為了提高土地復墾評價的效率，實現土地復墾評價的自動化和智能化，以Microsoft Visual C2010、ArcEngine、ArcSDE等技術為開發環境，采用Microsoft Visual C2010語言與ArcEngine開發組件集成的方式，設計了井工煤礦沉陷區土地復墾評價專家系統。該系統包括地圖操作、知識獲取、適宜性評價、獲取專家意見等功能模塊。系統通過專家知識、經驗，自動匹配復墾模式，確定復墾方向，避免了復墾工程規劃設計中的不足。

專家系統是一個智能的計算機程序系統，它應用人工智能技術和計算機技術來模擬人類專家的推理思維過程，根據某領域一個或多個專家提供的知識、經驗和方法，通過與用戶交互對話的方式，對輸入的原始事實進行推理判斷，模擬人類專家解決問題，從而解決那些需要人類專家處理的復雜問題［1］。20世紀60年代起，專家系統就開始被廣泛地應用于各類專業領域，在礦業方面也研發了一些專家系統，如采礦方法選擇專家系統、采礦設備選擇專家系統、邊坡失穩預測專家系統、礦產資源管理專家系統、確定露天礦開拓運輸方案的專家系統和安全專家系統等［2］，在系統的功能、交互性、可操作性等方面取得了一些進展。然而，目前將專家系統理論應用在土地復墾方面的研究還比較少，土地復墾評價采取的主要還是人類專家評價的方法，這樣的土地復墾評價方式不但工作效率低下，而且評價的結果在很大程度上會受到專家知識水平和經驗的限制。為了提高土地復墾評價的效率和充分利用各專家的知識經驗，筆者設計了井工煤礦沉陷區土地復墾評價專家系統。

1 井工煤礦沉陷區土地復墾評價專家系統結構設計

將與井工煤礦沉陷區土地復墾評價有關的專家系統統稱為井工煤礦沉陷區土地復墾評價專家系統，根據井工煤礦沉陷區的實際情況，通過專家經驗得到土地在復墾方向上的專家意見，從而更有針對性地指導井工煤礦沉陷區土地復墾工作。井工煤礦沉陷區土地復墾評價專家系統主要由土地復墾知識庫、土地復墾綜合現狀數據庫、解釋器、推理機、人機交互界面等組成，此系統的特色是將推理機與知識庫分離設計，從而方便知識庫添加、修改和刪除操作，使得此系統更具有靈活性。系統結構見圖1。

圖1 土地復墾評價專家系統結構

1.1 井工煤礦沉陷區土地復墾評價知識庫

井工煤礦沉陷區土地復墾評價知識庫用來存放土地復墾專家提供的知識。土地復墾評價專家系統問題求解是通過土地復墾評價知識庫中的知識來模擬土地復墾專家思維方式進行的，土地復墾評價知識庫是土地復墾評價專家系統的關鍵，即土地復墾評價知識庫中知識的質量和數量決定著土地復墾評價專家系統的質量水平，因此知識庫的構建與知識的取得就顯得尤為重要。土地復墾知識庫由規則庫和事實庫構成，這里的事實庫是土地適宜性評價中評價單元的實際參數取值。

土地復墾評價專家知識的獲取是建造知識庫的核心問題，也是建造專家系統的“瓶頸”問題，知識獲取就是從某些知識源中提煉出求解問題的知識。土地復墾評價知識獲取的一種方式是計算機操作人員通過人機交互界面把土地復墾專家經過多年實踐與總結得到的經驗知識錄入知識庫中，另一種方式則是學習知識數據庫中的原有知識經驗生成新的知識。

知識表示是用計算機能夠接受并進行處理的符號和方式來完成的。不同的知識表示方法不僅對專家系統的工作效率有重要影響，而且對土地復墾推理機制有決定性作用，因此知識表示是研制專家系統的重要問題。常用的知識表示有產生式系統、框架結構、語義網絡、一階謂詞邏輯等幾種方法。專家系統對知識表示的要求是可擴充性、簡潔性和明確性，本文以Microsoft Visual C2000語言為工具，采用產生式系統表示法，知識表示語言簡明，接近于自然語言，知識庫的可讀性高。產生式規則的一般形式為

其中:R#表示規則名稱，E表示條件，H表示結論，CF(H|E)表示可信度;條件部分則可能是多個條件元素(把組成E的各個邏輯組合E1，E2，…，En等稱為條件元素)的邏輯組合。根據土地復墾適宜性評價原理，準則庫包括耕地評價準則、林地評價準則和草地評價準則，這些準則通過表結構的形式存儲在知識庫中。下面將通過各種方式獲取到的土地復墾評價知識經驗用產生式規則表示出來，如表1—3。

表1 知識庫中耕地規則的表示格式

表2 知識庫中林地規則的表示格式

表3 知識庫中草地規則的表示格式

在找到了規則的表示方法之后，就應該尋求這些 規則的存儲方法。由于產生式規則有著固定的格式，而關系型數據庫可以很好地存儲固定格式的數據，所以可以把以上的規則經過轉化存儲在數據庫中。規則在數據庫中的表示如表4(以耕地為例)。

表4 規則在數據庫中的表示格式

1.2 井工煤礦沉陷區土地復墾評價推理機的設計與實現

推理機是專家系統的重要部件，其工作原理是以一定的推理策略，有效地選擇知識庫中的知識，根據用戶提供的問題進行推理，得到用戶可接受的結論和專家建議［3］。在土地復墾評價中，推理機通過數據讀寫接口從知識庫中獲得土地適宜性評價相關的地理信息，包括沉陷后地形坡度、灌溉條件、排水條件、土壤類型、下沉值、破壞類型等評價指標，以及一些社會經濟和人文因素，如作物的年產值等。這些數據經過校正、過濾及變換等預處理，得到某一評價單元的實際值并送入推理機，這時的數據驅動方式采取正向推理是最合適的。在進行正向推理的過程中，推理機根據上下文可能會提出假設目標，這時需要對該目標進行反向求證。另外，為了保證推理結果的完備性，不論獲取的沉陷區數據狀況如何，推理過程必須保證對所有的最終結論因素進行定值，即測試所有的目標，這是一個目標驅動的反向推理。基于以上考慮，推理機采用正反混合推理機制。

1.3 數據庫的設計

本專家系統是以數據庫系統為基礎的，所涉及的土地復墾知識庫和土地復墾綜合現狀數據庫均是數據庫系統的一部分。數據庫系統為用戶提供信息和數據，主要以空間數據庫為核心，包括空間數據庫和屬性數據庫?？臻g數據庫主要用于存儲、管理與空間位置相關的采礦、地質、地理、土地等空間信息。利用Arc-GIS地理信息軟件將地形圖、遙感數據、測量數據等通過配準、分層提起、格式轉換等操作，導入GeoDatabase數據庫實現空間數據與基礎屬性數據的無縫鏈接。屬性數據主要包括專家經驗規則，自然和社會經濟方面的相關數據，以及在土地復墾評價過程中生成的中間和結果數據，采用SQL Server數據庫來存儲管理。

1.4 GIS與專家系統的集成技術

土地復墾評價過程為:確定評價對象→選擇評價因子→選擇評價模型→得到評價結果→對結果進行表達、分析→提供決策建議。對于土地復墾評價來說，評價因子一般包括地形坡度、灌溉條件、排水條件、土壤類型、下沉值、破壞類型等指標。傳統方法主要靠人工對照輸入，既麻煩又容易出錯，而作為一種集成方式，專家系統在GIS技術的支持下，對shp格式文件進行疊加分析處理。專家系統根據井工煤礦沉陷區的實際情況來自動匹配復墾模式，復墾模式分為工程復墾和生態復墾，工程復墾主要是針對耕地的坡改梯工程復墾，生態復墾主要是針對林地、草地的生物物種、樹木和種植方式的選擇，這些都能直接從知識庫中獲得答案，并通過可視化界面的方式展現給用戶。本文采用VC++6.0進行整個系統的開發，GIS采用ESRI公司的ArcGIS10.0。在開發過程中，主要利用ArcGIS通過ArcObjects組件提供的二次開發功能，在開發環境中對ArcObjects提供的API函數進行封裝來對GIS元素進行操作，實現專家系統與GIS的集成。

2 系統功能模塊

井工煤礦沉陷區土地復墾評價專家系統主要由文件管理、地圖操作、查詢檢索這些基本操作模塊和專家知識的獲取與維護模塊、空間分析、適宜性評價、專家建議等功能模塊構成，如圖2。

2.1 專家知識的獲取與維護模塊

用戶通過本模塊實現土地復墾相關專家知識的增加、修改、刪除或查詢，在本系統中不僅可以對知識庫中的文件直接進行操作，也可以用對話框的形式對知識進行更新或查詢。

2.2 空間分析模塊

空間分析模塊通過ArcEngine組件提供的地圖操作接口，對數據庫中的地圖數據進行空間分析，實現地圖的空間坐標變換、投影變化、矢量存儲格式變換、地圖渲染、緩沖區分析及邊坡分析等功能，以滿足井工煤礦沉陷區土地復墾地圖的相關前期處理，為土地復墾評價工作做準備。

圖2 系統功能模塊

2.3 適宜性評價模塊

土地復墾評價專家意見的取得需要根據井工煤礦沉陷區土地利用的實際情況確定土地復墾方向并給出專家建議。本模塊依據宜林則林、宜農則農、宜建則建、宜漁則漁等原則，選取評價指標，進行適宜性分析。主要操作步驟:①評價指標體系建立。指標體系是進行煤礦沉陷區土地適宜性評價的關鍵，也是綜合反映土地復墾方向的依據，指標的選取不僅要全面，更要科學合理。②評價指標標準化處理。由于各因子對土地復墾適宜性的重要程度不同，所以評價指標體系建立后，需對指標進行定性分級和定量賦值。③評價指標權重確定。各指標對評價結果的影響和作用是不一樣的，通常采用權重來衡量。在綜合評價模型中，各指標權重的確定是其核心問題，經過準確計算得出的權重是科學評價結果的保證。④評價目標適宜等級的確定。根據評價指標值及各指標權重計算出每一評價單元針對某一復墾目標類型的適宜度。

2.4 專家建議模塊

將適宜性評價所得評價單元的實際結果與規則庫中的經驗知識進行匹配，并根據得到的結果從知識庫中獲得復墾方向和專家建議。

3 結語

根據井工煤礦沉陷區土地的實際特點，主要從經濟、工程技術、生態和社會等方面來考慮，在對井工煤礦沉陷區實際狀況進行調查研究時，通過專家交流、查閱文獻等途徑整理歸納獲得了一些專家規則。評價因子的選擇也符合井工煤礦沉陷區的實際情況。此系統在數據和技術準備充分的前提下，以Microsoft Visual C2010 、ArcEngine、ArcSDE、SQL Server 2008技術作為開發環境，采用 Microsoft Visual C2010語言與 ArcEngine開發組件集成的方式，由 Microsoft Visual C2010提供操作界面，完成了井工煤礦沉陷區土地復墾評價專家系統功能的初步設計。

本文所涉及的用于井工煤礦沉陷區土地復墾評價的專家系統可以利用GIS強大的空間分析功能(空間統計、空間關系、可視化等)，對煤礦沉陷區土地復墾評價問題進行可視化表達。本系統是基于功能最完整的GIS二次開發組件ArcGIS Engine，實現了脫離GIS應用軟件而獨立進行土地復墾評價功能的專家系統，為用戶提供了準確直觀的輔助決策。

［1］敖志剛.人工智能及專家系統［M］.北京:機械工業出版社，2010:164－170.

［2］孟祥瑞.試論計算機在煤炭工業中應用的前景［J］.礦業科學技術，1995(1):40－43.

［3］程慧霞.用C++建造專家系統［M］.北京:電子工業出版社，1996:42 －43.

TD88

A

1000－0940(2013)04－0055－04

國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室基金項目(LEDM2010B09)

周沖(1986—)，男，四川眉山市人，碩士研究生，主要從事地理信息系統應用和土地復墾等領域的研究工作;通信作者張和生(1962—)，男，山西晉城市人，副教授，博士，主要從事地理信息系統理論及應用、開采沉陷、土地復墾等方面的研究工作。

2012－11－02

(責任編輯 孫占鋒)