華一新

(信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南鄭州450052)

一、引 言

決策是指面向未來的問題，有意識(shí)地作出決定，自古有之，無所不在。在過去，決策是憑借個(gè)人的閱歷、經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)、智慧進(jìn)行的，當(dāng)把決策作為一門科學(xué)來進(jìn)行研究時(shí)，各種文獻(xiàn)都給出了類似的定義［1-3］:決策是為了達(dá)到某個(gè)目標(biāo)，對(duì)決策問題相關(guān)因素進(jìn)行分析評(píng)價(jià)和構(gòu)建方案，并從多個(gè)方案中優(yōu)選或綜合出一個(gè)合理方案的過程。

對(duì)于空間決策(或稱地理空間決策)還沒有公認(rèn)的明確定義。本文認(rèn)為，當(dāng)決策面對(duì)的問題與地理空間位置和地理環(huán)境特點(diǎn)有關(guān)時(shí)，稱為空間決策。即，空間決策是為了達(dá)到某個(gè)目標(biāo)，對(duì)包含地理環(huán)境要素在內(nèi)的決策問題相關(guān)因素進(jìn)行分析評(píng)價(jià)和構(gòu)建方案，并從多個(gè)方案中優(yōu)選或綜合出一個(gè)合理方案的過程。

決策支持是指幫助決策者作出決策。顯然，空間決策支持技術(shù)是指幫助決策者作出空間決策的技術(shù)方法。本文通過分析空間決策、空間決策支持及空間決策支持系統(tǒng)的特點(diǎn)和內(nèi)容，總結(jié)并提出了空間決策支持的技術(shù)框架。

二、空間決策與空間決策支持

1.空間決策的特點(diǎn)

為了分析空間決策的特點(diǎn)，必須了解決策的特點(diǎn)。歸納相關(guān)文獻(xiàn)［1-3］的觀點(diǎn)，通常認(rèn)為決策具有以下特點(diǎn):①?zèng)Q策是面向未來的，是有風(fēng)險(xiǎn)的;②決策要有明確的目標(biāo);③決策需要預(yù)測(cè)的支持;④決策要對(duì)多個(gè)方案評(píng)價(jià)選優(yōu)。

空間決策是決策的一種類型，顯然具有上述特點(diǎn)，同時(shí)還具有空間決策自身的特點(diǎn):①?zèng)Q策者需要認(rèn)知決策問題相關(guān)的地理環(huán)境;②決策者需要認(rèn)知決策要素的屬性及其空間關(guān)系;③決策者需要獲得地理環(huán)境對(duì)決策方案的影響;④決策者需要獲得與地理環(huán)境相關(guān)的方案建議。

城市規(guī)劃、軍事行動(dòng)、搶險(xiǎn)救災(zāi)等決策必須獲取地理空間位置等地理空間信息;必須形成對(duì)地理環(huán)境和決策要素空間關(guān)系的理解;制定的方案必然與地理空間位置相關(guān);方案評(píng)估必須考慮決策要素的空間位置和空間關(guān)系。根據(jù)空間決策的概念和特點(diǎn)，這些決策與地理空間位置密切相關(guān)，都屬于空間決策。

空間決策是一個(gè)過程，并不是短時(shí)間內(nèi)完成的，如圖1所示。但是，空間決策階段的劃分并不是絕對(duì)的，相互之間也不是截然分開的，而是互相重疊，甚至是反復(fù)開展的?？臻g決策的基本流程為科學(xué)的空間決策和決策支持提供了參考和依據(jù)。空間決策支持的作用就是要在空間決策的過程中為決策者提供幫助。

圖1 空間決策的過程

2.空間決策支持的作用

空間決策支持是指幫助決策者進(jìn)行空間決策，而空間決策支持技術(shù)是指幫助決策者進(jìn)行空間決策的手段和方法。在空間決策的不同階段，決策者需要的決策支持手段是不同的;同時(shí)，由于決策階段的劃分是模糊的，相互之間有重疊，因此，不同的決策支持技術(shù)在不同的決策過程中發(fā)揮不同的作用。

1)信息收集與理解階段?？臻g決策支持的重點(diǎn)是信息支持、信息集成融合支持、信息分析處理支持和信息可視化支持，使決策者了解決策要素及其地理空間環(huán)境，理解要素之間的空間關(guān)系。

2)方案設(shè)計(jì)階段?？臻g決策支持的重點(diǎn)是知識(shí)支持、分析模型支持、案例支持、可視化支持、模擬仿真支持等，為形成可行的決策方案提供面向決策要素的分析、仿真、可視化、案例、知識(shí)等方面的幫助。

3)方案評(píng)估與選優(yōu)階段?？臻g決策支持的重點(diǎn)是方案評(píng)價(jià)、群決策、效能分析、可視化、模擬仿真等支持，為確定或整合決策方案提供面向決策方案的表達(dá)、評(píng)價(jià)、仿真、分析等支持。

4)方案實(shí)施階段。空間決策支持的重點(diǎn)是動(dòng)態(tài)信息表達(dá)、在線分析、多維數(shù)據(jù)可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)評(píng)估分析等技術(shù)支持，為跟蹤方案實(shí)施情況、判斷方案實(shí)施效能、組織方案實(shí)時(shí)修改等提供支持。

3.空間決策支持的類型

空間決策支持有多種分類方法，主要包括以下幾種:

1)按支持方式分:數(shù)據(jù)支持、模型支持、知識(shí)支持、視覺支持、案例支持、模擬仿真支持等。

2)按時(shí)間要求分:實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)。

3)按決策目標(biāo)分:單目標(biāo)、多目標(biāo)。

4)按人機(jī)結(jié)合分:純計(jì)算機(jī)、人機(jī)交互。

5)按支持結(jié)果分:圖形、文字、報(bào)表、影像、語音、方案等。

從這些空間決策支持的類型可以看出，空間決策支持的內(nèi)容并不是傳統(tǒng)的空間分析可以涵蓋的。至于群決策、分布式?jīng)Q策等概念，重點(diǎn)在于基于網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸和信息交互，是實(shí)現(xiàn)空間決策支持的一種技術(shù)方法，并不影響空間決策支持的本質(zhì)內(nèi)容。

4.空間決策支持系統(tǒng)

為空間決策提供支持的可以是人，可以是機(jī)構(gòu)，也可以是信息系統(tǒng)。社會(huì)信息化程度的提高使得空間決策問題日益復(fù)雜，涉及的信息量越來越大;同時(shí)，受人類對(duì)于大量知識(shí)、海量信息的認(rèn)知與處理能力的限制，僅僅依靠人力來進(jìn)行復(fù)雜問題的空間決策支持是非常困難的。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)為管理、處理和分析海量空間數(shù)據(jù)提供了高效的手段，出現(xiàn)了各種信息系統(tǒng)。所有信息系統(tǒng)，或多或少，都具有決策支持能力，其中，地理信息系統(tǒng)(GIS)為空間決策支持提供了強(qiáng)有力的空間分析、空間數(shù)據(jù)可視化等能力，已在空間決策中發(fā)揮了重要的作用。

大多數(shù)文獻(xiàn)都認(rèn)為，空間決策支持系統(tǒng)是決策支持系統(tǒng)(DSS)與GIS結(jié)合的產(chǎn)物［4］，是基于 GIS平臺(tái)開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)，GIS加上模型庫即為空間決策支持系統(tǒng)。實(shí)際上，所謂空間決策支持系統(tǒng)是指為人的空間決策行為提供支持的信息系統(tǒng)。因此本文認(rèn)為，從空間決策支持的角度來理解和定義空間決策支持系統(tǒng)，更能全面地體現(xiàn)空間決策支持系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)。因此，可以把空間決策支持系統(tǒng)的任務(wù)分為以下4個(gè)層次:

1)支持決策者認(rèn)知空間決策問題的地理環(huán)境，即回答那里的地理環(huán)境怎么樣的問題。

2)支持決策者認(rèn)知空間決策要素的定性定量特征及其在地理環(huán)境中的相互關(guān)系，即回答那里的情況怎么樣的問題。

3)支持決策者認(rèn)知和預(yù)測(cè)地理環(huán)境對(duì)空間決策要素和空間決策方案的影響，即回答在那里這樣做行不行的問題。

4)為決策者制定空間決策方案提供與地理環(huán)境相關(guān)的建議，即提出在那里可以這樣做的建議。

能完成上述任務(wù)之一的信息系統(tǒng)，都可以為決策者提供幫助，都可以稱為空間決策支持系統(tǒng)。顯然，GIS至少可以完成第一項(xiàng)任務(wù)，因此，GIS本身就是一種空間決策支持系統(tǒng)。

三、空間決策支持的基本技術(shù)

幾乎所有決策支持方面的文獻(xiàn)都認(rèn)為，決策支持及決策支持系統(tǒng)是幫助人們進(jìn)行決策的，而不應(yīng)試圖取代人們進(jìn)行決策。而本文認(rèn)為，決策支持的最高境界是代替決策者來進(jìn)行決策，空間決策支持的最高境界是代替空間決策者來進(jìn)行空間決策;之所以機(jī)器還不能代替人類進(jìn)行決策，是因?yàn)槟壳暗臎Q策支持和人工智能技術(shù)還無法完全實(shí)現(xiàn)機(jī)器決策。針對(duì)空間決策支持，本文從提供空間決策支持的手段和方式出發(fā)，提出了5種空間決策支持的基本技術(shù)。

1.基于數(shù)據(jù)的空間決策支持

通過對(duì)數(shù)據(jù)的理解，可以認(rèn)知事物的數(shù)量化特征。數(shù)據(jù)是空間決策支持的基礎(chǔ)，基于數(shù)據(jù)的空間決策支持是最基本的空間決策支持方法?；跀?shù)據(jù)的地理空間決策支持技術(shù)主要包括:

1)空間數(shù)據(jù)查詢檢索技術(shù)。通過查詢檢索，快速獲得決策相關(guān)地理空間數(shù)據(jù)，決策者通過對(duì)地理空間數(shù)據(jù)的理解，認(rèn)知決策要素及其地理環(huán)境。

2)空間數(shù)據(jù)集成與融合技術(shù)。通過對(duì)多源空間數(shù)據(jù)的集成與融合，形成具有統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)的地理空間數(shù)據(jù)，使決策者之間能形成對(duì)決策問題及地理環(huán)境的一致認(rèn)知。

3)空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)。按區(qū)域、范圍、類型等對(duì)地理空間數(shù)據(jù)的屬性信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將計(jì)算后的結(jié)果以容易理解的方式進(jìn)行展現(xiàn)，幫助決策者形成整體性認(rèn)知。

4)空間量算和基本空間分析技術(shù)。包括基于地理空間數(shù)據(jù)的距離、面積、體積、坡度、方向等基本量算功能，以及地形分析、疊置分析、鄰近分析、網(wǎng)絡(luò)分析等基本空間分析功能，幫助決策者有效利用地理空間數(shù)據(jù)。

5)空間數(shù)據(jù)多維分析技術(shù)。提供從多個(gè)視角觀察和認(rèn)知地理空間數(shù)據(jù)的交互工具，如旋轉(zhuǎn)、嵌套、切片、切塊、鉆取等多維地理空間數(shù)據(jù)的分析手段，協(xié)助決策者更深入地認(rèn)知地理空間數(shù)據(jù)。

6)空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)?？臻g數(shù)據(jù)挖掘是指從空間數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫中提取隱含于其中的知識(shí)的過程，包括普遍的幾何知識(shí)、空間分布規(guī)律、空間關(guān)聯(lián)規(guī)律、空間聚類規(guī)則、空間特征規(guī)則、空間區(qū)分規(guī)則、空間演變規(guī)則。

這里把空間數(shù)據(jù)的基本處理技術(shù)(包括基本的空間分析技術(shù)和基本的空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù))作為基于數(shù)據(jù)的空間決策支持方法的內(nèi)容，而把空間分析中的專業(yè)應(yīng)用模型［5］或地理模型分析［6］部分作為基于模型的空間決策支持技術(shù)的內(nèi)容。

2.基于模型的空間決策支持

模型是客觀世界的抽象和概括，基于模型的問題求解是決策支持的主要手段之一。從決策支持的角度看，基于模型的空間決策支持技術(shù)主要包括:

1)空間優(yōu)化技術(shù)?；谔囟ǖ牡乩憝h(huán)境，應(yīng)用線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、多目標(biāo)規(guī)劃、決策樹法、最優(yōu)路徑等模型，形成優(yōu)化的空間決策方案(最短路徑)。

2)空間規(guī)劃技術(shù)。在一定的地理環(huán)境約束下，使用各種規(guī)劃模型(如目標(biāo)規(guī)劃、排隊(duì)論等)，通過合理利用有限資源達(dá)到空間決策目標(biāo)(一種空間布局或空間過程)。

3)空間預(yù)測(cè)技術(shù)。利用各種預(yù)測(cè)模型，對(duì)地理空間中事物的發(fā)展方向、進(jìn)程和結(jié)果進(jìn)行推斷或測(cè)算。

4)空間模擬仿真技術(shù)?；诘乩砜臻g信息，使用博弈論、排隊(duì)論、靈敏度分析法等模型，用于決策方案設(shè)計(jì)、行動(dòng)計(jì)劃、過程分析等的模擬仿真分析。

5)空間評(píng)價(jià)技術(shù)。構(gòu)建基于地理空間特征的專家評(píng)判法、模糊評(píng)判法、層次分析法等空間評(píng)估模型，對(duì)具有空間關(guān)系的方案進(jìn)行比選、分析和評(píng)價(jià)。

3.基于人工智能的空間決策支持

人工智能關(guān)心智能行為的自動(dòng)化，是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支［7］。實(shí)現(xiàn)人工智能通常有3種途徑:①結(jié)構(gòu)模擬，神經(jīng)計(jì)算;②功能模擬，符號(hào)推演;③行為模擬，控制進(jìn)化。根據(jù)人工智能的實(shí)現(xiàn)途徑，解決空間決策問題的人工智能技術(shù)也可以分為3類。因此，基于人工智能的空間決策支持技術(shù)主要包括:

1)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的空間分析技術(shù)。把現(xiàn)實(shí)世界的空間決策問題描述為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將空間要素的屬性作為神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)的參量，通過學(xué)習(xí)和調(diào)節(jié)神經(jīng)元之間的連接水平來提高整個(gè)系統(tǒng)的能力。

2)基于知識(shí)的空間決策支持技術(shù)。從宏觀上模擬人腦的空間思維方式，把空間知識(shí)的推理作為解決空間決策問題的方法，通過將空間決策問題及相關(guān)知識(shí)表示成某種結(jié)構(gòu)，采用符號(hào)推演的方法實(shí)現(xiàn)空間知識(shí)的搜索、推理、學(xué)習(xí)等，達(dá)到求解空間問題的目標(biāo)。

3)基于行為模擬的空間優(yōu)化技術(shù)。通過模擬人和生物在進(jìn)化過程中的行為，如自尋優(yōu)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織等，來求解復(fù)雜的空間優(yōu)化問題。遺傳算法就是受遺傳學(xué)中自然選擇和遺傳機(jī)制啟發(fā)而發(fā)展起來的一種算法。

其中，基于知識(shí)的空間決策支持技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，把空間決策問題的解決認(rèn)為是在狀態(tài)空間中搜索解路徑的過程。而空間知識(shí)的獲取、學(xué)習(xí)、存儲(chǔ)、搜索、表達(dá)、推理等問題，仍然需要進(jìn)行深入的研究。

4.基于可視分析的空間決策支持

充分發(fā)揮人在解決問題過程中的中心作用，是研究可視化理論與技術(shù)的根本出發(fā)點(diǎn)［8］?？梢暦治?visual analytics)是一門以交互可視界面為驅(qū)動(dòng)的分析推理學(xué)［9］。應(yīng)用可視分析技術(shù)，可以從海量的、動(dòng)態(tài)的、異構(gòu)的、不確定的，甚至是矛盾的空間數(shù)據(jù)中獲得靈感，發(fā)現(xiàn)預(yù)期或非預(yù)期的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，為空間決策的制定、理解、傳輸、評(píng)估等提供手段。

面向空間決策支持的可視分析技術(shù)的目的是使決策者能更好地了解空間決策問題，預(yù)測(cè)空間決策問題的發(fā)展，構(gòu)建空間決策的論據(jù)，實(shí)施空間決策推理，規(guī)劃空間決策問題的解決方案，評(píng)估空間決策方案的效能，監(jiān)視空間決策方案的實(shí)施等。面向空間決策支持的可視分析技術(shù)需要在下列方向作深入研究:

1)地理實(shí)體的可視表達(dá)技術(shù)。主要包括地理實(shí)體環(huán)境的可視表達(dá)(矢量、柵格、三維、影像等)、地理實(shí)體屬性特征的可視表達(dá)(符號(hào)化方法，質(zhì)量、數(shù)量的表達(dá)等)、地理實(shí)體空間關(guān)系的可視表達(dá)(位置關(guān)系、包含關(guān)系、相似關(guān)系、因果關(guān)系等)、地理實(shí)體的動(dòng)態(tài)特征可視表達(dá)(位置、屬性、關(guān)系的變化等)。

2)深層次地理空間信息的可視表達(dá)技術(shù)。主要包括空間知識(shí)(描述性、過程性、空間規(guī)則等空間知識(shí))的可視表達(dá)、空間信息質(zhì)量(可靠性、精度等)的可視表達(dá)、多尺度多維地理空間信息的可視表達(dá)、時(shí)態(tài)地理空間信息的可視表達(dá)、空間信息可視分析產(chǎn)品(類型、構(gòu)成、發(fā)布、交互、傳輸)生成等。

3)空間信息的可視推理技術(shù)。需要進(jìn)一步理清可視推理的概念、過程和原理，明確可視推理成果的表達(dá)形式(如事實(shí)性結(jié)論、空間關(guān)系結(jié)論、時(shí)序關(guān)系結(jié)論、空間結(jié)構(gòu)結(jié)論、因果關(guān)系結(jié)論、推理過程等的可視表達(dá))，研究用于空間決策支持的可視推理技術(shù)(如空間推理知識(shí)表達(dá)、可視空間推理方法、空間推理結(jié)果表達(dá)、空間推理過程描述、協(xié)同可視推理技術(shù)等)。

4)空間信息的可視交互技術(shù)。包括尺度變換可視交互、空間變換可視交互、屬性變換可視交互、可視查詢、多維可視操作(旋轉(zhuǎn)、鉆取、切片等)、可視標(biāo)注(突出、閃爍、運(yùn)動(dòng)、文字、符號(hào)等)等技術(shù)。

5.基于案例推理的空間決策支持

案例推理(case-based reasoning，CBR)是20世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)并成功應(yīng)用于專家系統(tǒng)的人工智能技術(shù)［7］。案例通常是指對(duì)過去問題及其解的描述。從廣義上講，預(yù)案也是一種案例。案例推理是由目標(biāo)案例的提示而得到歷史記憶中的源案例，并由源案例來指導(dǎo)目標(biāo)案例求解的一種策略。

與空間位置相關(guān)的決策案例稱為空間決策案例，地理案例［10］屬于空間決策案例。由于空間決策案例的時(shí)空復(fù)雜性，空間決策案例推理與傳統(tǒng)的案例推理有顯著的差別，以下3項(xiàng)技術(shù)是需要重點(diǎn)研究的:

1)空間決策案例的表達(dá)技術(shù)?？臻g決策案例表達(dá)技術(shù)需要在研究解決空間決策案例的抽象的同時(shí)，有效地進(jìn)行空間決策問題、所處決策環(huán)境、問題求解方法與原理、決策問題的解、解的效果等方面的描述。

2)空間決策案例的組織管理技術(shù)。每個(gè)案例都存儲(chǔ)有大量的知識(shí)，空間決策案例的集合組成了空間決策案例庫。空間決策案例的存儲(chǔ)、維護(hù)、更新、索引等都是建立空間決策案例庫必須解決的問題。

3)空間決策案例的匹配技術(shù)?，F(xiàn)實(shí)中的問題與案例本身必然會(huì)有一定的差別，在大量的空間決策案例中快速找到與當(dāng)前情況最相似的案例，是通過案例推理形成空間決策問題解決方案的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，才能根據(jù)現(xiàn)實(shí)問題的特點(diǎn)，對(duì)案例進(jìn)行修正，形成空間決策方案。

四、結(jié)束語

通常人們總是從空間分析的角度來認(rèn)識(shí)空間決策，認(rèn)為空間決策是空間分析的目標(biāo);總是從地理信息系統(tǒng)的角度來認(rèn)識(shí)空間決策支持系統(tǒng)，認(rèn)為增加了分析模型的地理信息系統(tǒng)就是空間決策支持系統(tǒng)。本文認(rèn)為，從決策支持本身出發(fā)，可以更全面地認(rèn)識(shí)空間決策、空間決策支持、空間決策支持系統(tǒng)和空間決策支持技術(shù)。

本文從問題決策的角度提出了空間決策的概念和特點(diǎn)，從決策過程的角度分析了空間決策支持在不同決策階段的作用，從決策支持需求的角度劃分了空間決策支持系統(tǒng)的任務(wù)層次。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了空間決策支持的技術(shù)方法體系，從最基本的基于數(shù)據(jù)的空間決策支持，到常用的基于模型和基于人工智能的空間決策支持，再到具有空間特征的基于可視分析的空間決策支持，最后是面向決策方案制定的基于案例的空間決策支持;同時(shí)提出了這些技術(shù)方法需要研究解決的關(guān)鍵問題，試圖為空間決策支持技術(shù)的研究提供一個(gè)較為完整的技術(shù)參考框架。

總之，只有直接面向空間決策問題，全面認(rèn)識(shí)和構(gòu)建空間決策支持的技術(shù)體系，有效地為空間決策方案的制定提供可信的支持，才能使地理信息技術(shù)更好地發(fā)揮作用。

［1］陳文偉.決策支持系統(tǒng)及其開發(fā)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1994.

［2］高洪深.決策支持系統(tǒng)理論方法案例［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［3］鄧蘇.決策支持系統(tǒng)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［4］李東平，賈艷紅，傅建武.GIS與空間決策支持系統(tǒng)建設(shè)［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2010.

［5］郭仁忠.空間分析［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［6］劉耀林.從空間分析到空間決策的思考［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版，2007，32(11):1050-1055.

［7］盧格.人工智能:復(fù)雜問題求解的結(jié)構(gòu)和策略［J］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［8］高俊.數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)建設(shè)［M］.北京:解放軍出版社，2004.

［9］華一新，曹亞妮，李響.地理空間可視分析及其研究方向綜述［J］.測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，29(4):235-239.

［10］杜云艷，周成虎，蘇奮振，等.案例推理的地學(xué)推理模式研究［J］.模式識(shí)別與人工智能，2003，16(1):91-95.