空間決策支持系統(tǒng)的信息模型研究

（大連理工大學 信息與決策技術研究所， 遼寧 大連 116023）

摘 要：空間決策支持系統(tǒng)作為地理信息系統(tǒng)與決策支持系統(tǒng)的結合體，兼有兩者優(yōu)點，并在國家信息化的發(fā)展中扮演越來越重要的角色。其信息模型（即空間數(shù)據(jù)倉庫的信息模型）的優(yōu)劣直接影響到空間決策支持系統(tǒng)的成敗。從支持一般決策過程的角度出發(fā)，提出了一種通用的空間決策支持系統(tǒng)信息模型，即實體—關系—問題模型，最后給出了基于實體—關系—問題模型的空間數(shù)據(jù)倉庫構建方法。

關鍵詞：空間決策支持系統(tǒng)； 信息模型； 空間數(shù)據(jù)倉庫； 決策； 實體—關系—問題

中圖法分類號：TP311文獻標識碼：A

文章編號：10013695(2006)08002503

Study of Information Model of Spatial Decision Support System

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CHEN Xuelong， WANG Yanzhang， XU Yongtao

(Institute of Information Decision Technology， Dalian University of Technology， Dalian Liaoning 116023， China)

Abstract:Spatial decision support system is the combination of geographical information system and decision support system， so it has the advantages of there two. It plays an important role in the development of national informationalization. Its information model， that is the information model of spatial data warehouse， is the key to the success of implementation of spatial decision support system. This paper proposes an universal， generaldecisionoriented information model， entitiesrelationsproblems， for spatial decision support system. At the end of the paper， the construction method of spatial data warehouse based on entitiesrelationsproblems information model is discussed.

Key words:Spatial Decision Support System;Information Model;Spatial Data Warehouse;Decision;EntitiesRelationsProblems

自20世紀80年代中后期以來，空間決策支持系統(tǒng)（Spatial Decision Support System，SDSS）作為一個新興科學技術領域，在已有的地理信息系統(tǒng)（GIS）和決策支持系統(tǒng)（DSS）基礎上應運而生了，并在國內(nèi)外引起了越來越廣泛的關注與重視。

SDSS能幫助決策者從錯綜復雜、撲朔迷離的現(xiàn)象中抓住本質(zhì)、理清頭緒，明確自己的主要任務和目標，自主、靈活地生成各種解決問題的方案，研究和比較它們的利弊與矛盾，進而找出切實可行的解決辦法，采取相應的措施與行動。SDSS之所以能夠顯現(xiàn)出強大的決策支持能力，是因為有空間數(shù)據(jù)倉庫的支持。空間數(shù)據(jù)倉庫是一類特殊的數(shù)據(jù)倉庫，是用于空間決策支持的、面向主題的、集成的、隨時間而變的、持久的空間數(shù)據(jù)及其屬性數(shù)據(jù)集合。也就是說空間數(shù)據(jù)倉庫就是實現(xiàn)對分散的、各自獨立的現(xiàn)有多種地理空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行統(tǒng)一集成和管理，形成用戶獲取測繪數(shù)字產(chǎn)品的統(tǒng)一模式、界面和標準，然后按照相應的主題查詢數(shù)據(jù)倉庫得到多種測繪數(shù)字產(chǎn)品，再根據(jù)用戶需求通過各種專業(yè)模型關聯(lián)多種專題信息，從多維角度進行分析，滿足用戶空間輔助決策分析信息的需求。一般來說，空間數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，而處理是多變的；具體來說，數(shù)據(jù)實體的類型是不變的，變化的只是這些實體的屬性值。對于倉庫中數(shù)據(jù)項的集合，我們可以找到一種最好的方法來表達其邏輯機構，即穩(wěn)定的信息模型。這種模型是空間數(shù)據(jù)倉庫所固有的，在其后的開發(fā)和長遠應用中很少變化。在空間決策支持系統(tǒng)的開發(fā)中，信息模型是建立計算機化處理的堅實基礎。雖然信息模型是相對穩(wěn)定的，但是空間決策分析的處理過程卻是經(jīng)常變化的。只有建立了穩(wěn)定的信息模型，才能使空間決策分析的變化能被計算機信息系統(tǒng)所適應。在眾多空間決策支持系統(tǒng)的開發(fā)中，由于在系統(tǒng)分析階段沒有抽象出穩(wěn)定的、實用的、靈活的信息模型，致使所開發(fā)出來的系統(tǒng)在實際應用中出現(xiàn)了很多問題，使其難以真正發(fā)揮輔助決策分析的作用。

本文從探討數(shù)據(jù)模型以及一般決策過程出發(fā)，提出了支持一般決策過程的空間數(shù)據(jù)倉庫的實體—關系—問題（EntitiesRelationsProblems，ERP）信息模型。該模型具有一定的通用性，可以很好地支持空間數(shù)據(jù)倉庫的構建以及空間決策支持系統(tǒng)的設計與開發(fā)。

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1 空間數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)模型分析

由空間數(shù)據(jù)倉庫的定義可知，空間數(shù)據(jù)倉庫是空間及屬性數(shù)據(jù)的集合，所以空間數(shù)據(jù)倉庫的構建方法和過程與空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型特點有著密切的關系。下面將具體分析空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型特點。

（1）空間數(shù)據(jù)模型。人們認知現(xiàn)實世界的事務和現(xiàn)象及相互之間的關系總是在一定范疇內(nèi)進行，即確定問題域（論域），然后明確研究對象，最后構造對象之間的相互關系。問題域就是現(xiàn)實世界地理空間，地理空間的范圍可以是全球、一個國家或一個地區(qū)。具有一定范圍的地理空間，我們可以將其稱之為工作區(qū)。地理空間可以包括若干工作區(qū)，工作區(qū)之間可以相互重疊，人們可以通過工作區(qū)這個窗口來認知和操作GIS所描述的地理空間實體及關系。工作區(qū)中的各種地理實體或現(xiàn)象，我們稱之為地理要素（或?qū)ο螅谝欢ǖ乩硪饬x上相關的地理要素的集合成為一個地理要素層。地理要素（對象）包括空間、屬性和時間特征的數(shù)據(jù)，空間特征數(shù)據(jù)包括定位數(shù)據(jù)和空間關系。在模型的數(shù)據(jù)結構中既要描述定位數(shù)據(jù)，還要描述對象之間的拓撲空間關系；屬性和時間特征數(shù)據(jù)表示地理要素的質(zhì)量、類型、狀態(tài)、周期、持續(xù)時間等，它們用屬性數(shù)據(jù)結構元素來表達。

對于具體的地理空間總是形成這樣一個層次分類的體系結構，例如地理空間可以分為交通、水系、行政區(qū)、居民地、地形等，而交通可以分為公路、鐵路等，水系可分為河流、水庫、湖泊等，如圖1所示。根據(jù)地理空間的這種層次體系結構，我們可以抽象出一種面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型[1]，如圖2所示。

在上述模型中，地理要素及相互關系勾畫出地理實體的屬性關系和構成關系，進而描述了要素的空間定位、空間分布和空間關系。

由以上分析可知，空間數(shù)據(jù)具有十分明顯的層次關系，而這種層次關系與人們認知客觀世界進而作出某種決策的過程具有天然的同構關系。

（2）屬性數(shù)據(jù)模型。狹義的屬性數(shù)據(jù)是指描述空間數(shù)據(jù)特征的數(shù)據(jù)，而廣義的屬性數(shù)據(jù)是指空間數(shù)據(jù)倉庫中除具有空間特征數(shù)據(jù)的所有其他數(shù)據(jù)，如經(jīng)濟數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。這里的屬性數(shù)據(jù)指廣義屬性數(shù)據(jù)。

由于大型關系型數(shù)據(jù)庫在管理非空間數(shù)據(jù)方面有著傳統(tǒng)的、突出的優(yōu)勢，所以在GIS的發(fā)展過程中，屬性數(shù)據(jù)基本上是采用大型關系型數(shù)據(jù)庫對其進行管理，而數(shù)據(jù)模型多采用關系數(shù)據(jù)模型。近些年來，由于對象關系型數(shù)據(jù)庫以及面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的迅速發(fā)展，基于對象的數(shù)據(jù)模型在描述屬性數(shù)據(jù)時也顯示出相當靈活的結構與能力，而且可以明確地定義完整性約束。目前較為流行的基于對象的數(shù)據(jù)模型有E－R模型（實體—關系模型）與面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型。

可見，無論是空間數(shù)據(jù)還是屬性數(shù)據(jù)都可以通過實體與實體間的關系加以描述。

2 ERP信息模型

我們知道空間決策支持系統(tǒng)的最終目標是進行決策支持，那么何為決策呢？所謂決策，是指針對某些宏觀或微觀問題，按預期目標，采用科學理論、方法和手段，明確問題，制定若干可供選擇的行動方案，確定評價準則，從待選方案中選擇最滿意的方案，加以實施，使目標得以實現(xiàn)的一系列活動。為描述一般決策過程給出數(shù)學描述[2]，如圖3所示。

這里，Φ為對應客觀系統(tǒng)的完整知識集或空間；S為認識了的客觀系統(tǒng)的知識空間；P為問題空間，即客觀系統(tǒng)可能涉及的問題集合；M為問題或客觀系統(tǒng)對應的廣義模型集合或稱模型空間；Ω為算子空間；X為解空間；U為評價指標空間；h，g，f，d，u分別表示對應上述空間或集合的映射。

決策過程體現(xiàn)人們對客觀事物系統(tǒng)的認識和把握過程，圖3的集合和空間對應了人們的不同認識層次，圖4描述了Φ，S，P，M，Ω對應的認識層次關系。

按照前述模型和哲學觀點，一個客觀事物總是可以分成單元、元素或下一個層次的事物，這些單元、元素、下一層次事物或簡稱為子事物，是一種客觀實在，構成客觀事物的內(nèi)在活動因素，這些客觀實在稱為實體（Entities）。

從事物普遍聯(lián)系觀點看，構成一個客觀事物的所有實體都是相互聯(lián)系的。這種聯(lián)系體現(xiàn)在實體之間的相互依賴、相互作用關系（Relations）。任一個客觀事物的運動或任一領域的知識，都可以分解成實體和關系加以描述。這樣，一個客觀事物系統(tǒng)S的知識就可以用實體集E和關系集R來描述。

而問題是人的主觀愿望或要求與客觀事物系統(tǒng)狀態(tài)的差異，因此問題P（Problems）是關于人們主觀目標（目標的概念來源于客觀事物系統(tǒng)）和客觀事物系統(tǒng)的集合。

這樣，對客觀事物系統(tǒng)S和有關問題P的表示可分別從實體E、關系R和問題P的表示進行，從而形成了客觀事物系統(tǒng)的ERP體系。ERP給出了空間數(shù)據(jù)倉庫信息描述和知識表示的系統(tǒng)化方法。

3基于ERP信息模型的空間數(shù)據(jù)倉庫的構建

由空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型特點可知，空間信息及其屬性信息可按概念屬性體系抽象出實體（E）信息和關系（R）型信息，而問題信息是在ER(S)信息基礎上輔之分析問題信息和知識而構成的，后者將以元數(shù)據(jù)為主加以描述和管理。因此，空間數(shù)據(jù)倉庫將以大型關系型數(shù)據(jù)庫（如Oracle，SQL Server等）為基礎，綜合應用面向?qū)ο蠛完P系數(shù)據(jù)庫設計思想，采用ERP信息模型加以集成，基本體系如圖5所示。

(1)分層次對象數(shù)據(jù)庫管理組件。空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)概念屬性實體（E）信息可抽象成如圖6所示的層次結構模型。它是空間數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)事務對象內(nèi)涵概念和相關屬性信息的表述，本組件將提供基本的對象和層次結構管理。

(2)關系數(shù)據(jù)庫基本管理組件。該組件是面向具體空間及屬性信息對象、屬性關聯(lián)集合的管理工具，它以前述對象數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用大型關系數(shù)據(jù)庫的表管理功能，實現(xiàn)常規(guī)意義上的數(shù)據(jù)庫管理，即數(shù)據(jù)庫表、表結構、索引、關聯(lián)、統(tǒng)計等管理，這里不贅述。

(3)數(shù)據(jù)描述元數(shù)據(jù)管理組件。數(shù)據(jù)對象的描述、數(shù)據(jù)的自動關聯(lián)處理、數(shù)據(jù)交換和加載等操作如何變得方便及部分實現(xiàn)自動化，這將要求相應處理組件能夠按照某些給定的規(guī)則和有關描述進行一些自主的處理，這些規(guī)則和有關描述就是一種元數(shù)據(jù)。這些元數(shù)據(jù)實際上是在相應數(shù)據(jù)處理組件中定義或界定好的可以進行獨立管理的結構化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)描述元數(shù)據(jù)管理組件就是要實現(xiàn)其相應的添加、修改、刪除和應用管理。

(4)數(shù)據(jù)調(diào)用與集成管理組件。該組件封裝了任何對空間數(shù)據(jù)倉庫的訪問操作，組件的調(diào)用是由問題管理實現(xiàn)的。

(5)數(shù)據(jù)交換接口組件。由圖5易見，空間數(shù)據(jù)倉庫是面向決策分析的萬變需求，基于ERP信息模型封裝起來的有組織的面向?qū)ο蠡旌闲蛿?shù)據(jù)模式。因此，數(shù)據(jù)加載和交換必須提供與多種異構數(shù)據(jù)源的交換接口，這對應用開發(fā)和系統(tǒng)平臺的實用性至關重要。這里將采用基于Schema的XML接口標準提供通用的數(shù)據(jù)導入/導出處理。

ERP建模體系從一般的決策問題出發(fā)，體現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)倉庫決策支持的核心內(nèi)容；同時，基于面向?qū)ο蟮乃枷耄狭丝臻g數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)，并運用大型關系型數(shù)據(jù)庫對其進行統(tǒng)一的管理，加強了倉庫的安全性與完整性。所以，以ERP建模體系為基礎構建的空間數(shù)據(jù)倉庫具有很強的實用性。

4結論

本文首先對空間數(shù)據(jù)模型與屬性數(shù)據(jù)模型進行了簡要的分析，并給出了一般決策過程的數(shù)學描述，進而給出空間決策支持系統(tǒng)的ERP信息模型，最后，本文又討論了基于ERP信息模型的空間數(shù)據(jù)倉庫構建過程。

本文的研究成果已經(jīng)成功應用到國家“十五”重點科技攻關項目——“面向行政區(qū)域的國民經(jīng)濟與社會發(fā)展的輔助決策支持技術的應用”中，并取得了很好的應用效果。

參考文獻：

[1]王家耀.空間信息系統(tǒng)原理[M].北京:科學出版社，2001.114－115.

[2]Wang Yanzhang， Chen Xuelong. Research of Construction Method for Spatial Data Warehouse Based on ERP Model System[C]. The 2nd Asia Symposium on Geographic Information Systems from Computer Engineering View， 2004.

作者簡介：陳雪龍（1978－），男，博士研究生，主要從事地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)倉庫的研究；王延章（1952－），男，博導，主要從事系統(tǒng)集成和優(yōu)化理論與方法、決策支持系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)分析的研究；許永濤（1978－），男，博士研究生，主要從事電子政務、資源整合理論與方法的研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。