ГИС как экспертные системы
В последние годы в технологию ГИС стали широко внедряться экспертные системы. Экспертную систему можно определить как систему искусственного интеллекта, использующую знания из сравнительно узкой предметной области для решения возникающих в ней задач, причем так, как это делал бы человек-эксперт в процессе диалога с заинтересованным лицом, поставляющим необходимые сведения по конкретному вопросу. Суть экспертной системы заключается в том, что она оперирует не только с базами данных, но и с базами знаний, при помощи которых можно анализировать смысл (семантику) используемых данных. Экспертные системы включают в себя программы, способные производить логические цепочки на основе ранее полученных выводов, пропуская знания как бы через эти выводы, проверяя их логичность, уточняя и строя более тонкие конструкции.
Экспертные системы по своей организации отличаются от общепринятых машинных программ, которые организуют знания на двух уровнях: данные и программа. Для экспертных систем необходимы три компоненты: факты, правила и управляющие структуры. Фактические знания сообщаются экспертной системе экспертом-географом и отражают взгляды человека на момент работы. Правила тесно связаны с фактическими данными, но являются как бы накопленными знаниями, определяющими, как будет вести себя система. Управляющие знания позволяют подбирать наилучшую стратегию в работе системы. Экспертные системы обрабатывают данные как факты и правила, тогда как в общепринятых машинных программах правила встроены в процедурные знания и закодированы как программа, поэтому эти правила трудно отличить от процедурного или управляющего механизма выполнения программ (т.е. логического вывода). Язык программирования PROLOG - один из примеров подхода, применяемого при построении экспертных систем.
В интеллектуальных системах, способных самообучаться на основе накопленного опыта анализа, контроля и принятия решений в процессе исследования явлений реального мира, появляются как бы знания второго уровня или метазнания.
Экспертные системы уникальны в способности «объяснять» ход своих рассуждений или аргументировать полученные заключения, что предполагает определенный уровень самоорганизации системы. Картографическая экспертная система должна не только составлять отличные карты, но и при этом объяснять, почему были приняты те или иные решения (шрифты, толщина линий).
Желательно, чтобы экспертные системы общались с людьми на естественном языке, работали даже при наличии некоторых ошибок в данных и при расплывчатых правилах рассуждения, рассматривали множество альтернативных гипотез одновременно и, когда это необходимо, объясняли причины запроса дополнительной информации.
Таким образом, важной особенностью экспертных систем является возможность работать с «нечеткими» данными и «нечеткими» знаниями. Используя комбинации элементов знаний, можно придти к вполне определенным заключениям, т.е. даже на основе ненадежных данных есть возможность получать правдоподобные выводы. «Нечеткость» определений, которыми оперирует географ, ведет к «нечеткости» знаний. Например, обратившись к понятию «широкая река», мы понимаем, что для разных людей этот размер может быть различным. Для характеристики фактов используется «нечеткая» логика, разрабатываются коэффициенты уверенности для измерения степени доверия к любому заключению.
Более того, иногда требуется не совсем «логичное» заключение. Например, анализируя уровни социально-экономического развития стран по ряду формальных критериев, в том числе национальный доход на душу населения, число автомашин на 1 тыс. жителей и др., Кувейт должен быть отнесен к числу ведущих стран мира, хотя на самом деле это не так. Поэтому экспертная система, выводя одни правила из других, должна приходить к таким заключениям, получить которые из формальной логики невозможно.
Кроме этого, должна присутствовать система объяснений, используемая для разъяснения пользователю того, как экспертная система пришла к тому или иному конкретному выводу. Метод рассуждения, который не может быть объяснен человеку, является неудовлетворительным, даже если с ним система работает лучше, чем специалист.
Система объяснений делает трассировку хода проведения рассуждений в обратном порядке от того места, к которому относится вопрос, или от конечного результата. Каждый шаг рассуждения подкрепляется выводами из правил базы знаний. Экспертная система объясняет также, почему она не пошла другим путем, какие правила базы знаний этот путь заблокировали. Объяснения экспертной системы помогают пользователю совершенствовать базу знаний, показывая слабые места, ведущие к неправильным выводам.
Экспертные системы могут сильно отличаться своей конфигурацией в зависимости от целей их создания, имеющихся технических средств, объема данных и знаний. Причем важной является возможность комбинирования экспертных систем с математическими моделями, служащими для алгоритмических вычислений. Такие системы называют интегрированными.
Выделяют несколько типов экспертных геоинформационных систем:
§ интерпретирующие, позволяющие на основе наблюденных фактов делать описания и выводы;
§ прогнозирующие, выводящие следствия из совокупности состояний исследуемых явлений (например, прогноз погоды);
§ диагностики, прежде всего в медицине;
§ проектирования (в строительстве);
§ планирования;
§ мониторинга;
§ обучения и т.д.
Заключение
Системный подход позволяет построить схему ГИС в виде основных уровней обработки информации и проводить сравнительный анализ как с другими автоматизированными системами, так и среди геоинформационных систем, предназначенных для решения различных задач.
Моделирование в ГИС охватывает ряд областей, ранее не объединявшихся для совместной обработки информации. Оно включает построение проекта карты на основе методологии САПР, проекционные преобразования, цифровое моделирование, автоматизацию процедур генерализации, анализ сетей, преобразование форм представления данных и др.
Интеграция данных в ГИС создает возможности для качественного совершенствования моделирования (трехмерных объектов или пространственных сетей) с целью использования результатов моделирования в управлении, планировании, бизнесе.
Для эффективной работы ГИС необходимы обоснованный выбор базовых моделей данных и создание интегрированной информационной основы. Выбор моделей данных осуществляется при анализе области применения ГИС.
Организация моделей данных ГИС для управления позволяет решать задачи, которые прежде входили в сферу деятельности АСУ. ГИС является системой более широкого применения по сравнению с АСУ. Она используется в областях, в которых АСУ не применялись - это военное дело, навигация, экологический мониторинг, разведки подземных ископаемых, анализ сетей и др.
Моделирование в ГИС носит наиболее сложный характер по отношению к другим автоматизированным системам. Но, с другой стороны, процессы моделирования в ГИС на каждом системном уровне и в какой-либо из рассмотренных систем весьма близки. В целом основы моделирования и построения моделей в ГИС должны базироваться на известных принципах и подходах, которые применяют в других АС.
Основой интеграции технологий в ГИС служат технологии САПР, но между ними существуют различия. АСУ полностью интегрирована в ГИС и может быть рассмотрена как подмножество этой системы.
Таким образом, в ГИС принципиально решаются все задачи, выполняемые прежде в АСУ, но на более высоком уровне интеграции и объединения данных. Следовательно, ГИС можно рассматривать как новый современный вариантавтоматизированных систем управления,использующих большее число данных и большее число методов анализа и принятия решений, причем в первую очередь использующих методы пространственного анализа.
Экспертные системы должны служить составной частью ГИС как систем принятия решений.
Данные в ГИС обладают своей спецификой и не имеют прямых аналогов в других автоматизированных системах. Они имеют множество форматов (практически каждая ГИС - свой) и разные формы представления. Информационная основа ГИС содержит типизированные и нетипизированные записи, а также графические данные с двумя основными формами представления - векторной и растровой, которые имеют каждая свои преимущества при решении разных задач и дополняют друг друга в системе комплексной обработки данных ГИС.
Векторные данные разделяются на три основных типа: точечные, линейные и полигональные, каждый из которых характеризуется своими методами обработки. Остается нерешенной проблема автоматизированного преобразования растровых моделей в векторные.
Интеграция данных в ГИС позволяет решать задачи проекционных преобразований и объемного представления трехмерных объектов, включая их динамическую визуализацию.
Для эффективной работы ГИС необходимы обоснованный выбор базовых моделей данных и создание интегрированной информационной основы. Выбор моделей данных осуществляется при анализе области применения ГИС.
Организация моделей данных ГИС для управления позволяет решать задачи, которые прежде входили в сферу деятельности АСУ. ГИС является системой более широкого применения по сравнению с АСУ. Она используется в тех отраслях, где АСУ не применялись - военное дело, навигация, экологический мониторинг, разведка полезных ископаемых, анализ сетей и др.
ГИС является самой перспективной информационной системой для решения задач управления, бизнеса и мониторинга.
Структура ГИС для задач фирмы, города или страны соответствует обобщенной ГИС, которая настраивается под конкретные потребности пользователя, а сбор данных осуществляется на основе технических, технологических и программных средств разработчика.
Имеют место две тенденции использования ГИС.
1. Применение геоинформационных данных напрямую в разных приложениях. Это требует изучения пользователем основ геоинформатики (хотя бы в минимальном объеме). В результате этой тенденции появились новые направления в бизнесе - геомаркетинг, бизнес-география и т.д.
2. Использование механизма "прозрачности" ГИС для пользователя. Это дает ему возможность оперировать известными понятиями, не прибегая к специальным знаниям в области геоинформатики, что упрощает работу с ГИС в традиционных сферах деятельности: чем меньше чиновник или бизнесмен вынужден использовать напрямую географические данные, чем больше эти данные скрыты от пользователя, тем легче освоение и применение ГИС для пользователей-неспециалистов в геоинформатике.
Отечественная картографическая информация имеет значительные отличия от аналогичной иностранной. Как правило, иностранные программные средства не поддерживают напрямую распространенные в нашей стране проекции, а информацию о типе проекции и ее параметрах получить довольно сложно. Это определяет преимущество отечественных разработок ГИС, содержащих наборы нужных проекционных преобразований.