Ы, включают методы обработки данных многих ранее существовавших автоматизированных систем (АС), с другой обладают спецификой в организации и обработке данных
Вид материала | Документы |
- Методы анализа данных, 17.8kb.
- Методика определения актуальных угроз безопасности персональных данных при их обработке, 175.98kb.
- Понятия о базах данных и системах управления ими. Классификация баз данных. Основные, 222.31kb.
- Анализ и оценка дисциплин обслуживания требований (запросов) с учетом их приоритетов, 20.53kb.
- Программа дисциплины «Методы обработки экспериментальных данных», 318.77kb.
- «Прикладная информатика (по областям)», 1362.72kb.
- Методические указания к курсовому проектированию по курсу "Базы данных" Составитель:, 602.97kb.
- Концепция баз данных уже давно стала определяющим фактором при создании эффективных, 293.58kb.
- Доклад Тема: «Информационные технологии», 58.36kb.
- Рабочей программы дисциплины Структуры и алгоритмы обработки данных по направлению, 21.62kb.
2.3. Автоматизированные справочно-информационные системы
Автоматизированная справочно-информационная система использует ЭВМ на этапах ввода, обработки и выдачи справочных данных по различным запросам потребителей. Она представляет собой развитие информационно-поисковых систем, обеспечивающих ранее выполнение функций автоматизации архивов и информационного поиска.
Существует ряд специфических ГИС, рассматриваемых как архивы. Подобно архиву каждая ГИС хранит какую-либо информацию. Поэтому технологии АСИС интересны для использования в ГИС именно с целью организации хранения архивных данных.
Концепция создания автоматизированных архивов актуальна и сегодня, поскольку многие учреждения имеют и используют архивы, которые необходимо внедрять в ГИС-технологии.
Технологии АСИС эффективны на втором и третьем системных уровнях обобщенной ГИС (см. рис. 1.4). Технологическая совместимость АСИС и ГИС проявляется на этапах хранения, обновления информации (второй уровень) и выдачи разного рода справок, отчетов, графических отображений (третий уровень).
В современных интегрированных информационных системах АСИС утратили значение независимых систем и преобразовались в более мобильные и универсальные подсистемы документационного обеспечения. Другим направлением их развития явились экспертные системы, о которых речь пойдет ниже.
Для современных АСИС характерны преимущества системного направления развития:
- многофункциональность, т. е. способность решать разнообразные задачи;
- одноразовость подготовки и ввода данных;
- независимость процесса сбора и обновления (актуализации) данных от процесса их использования прикладными программами;
- независимость прикладных программ от физической организации базы данных;
- развитые средства лингвистического обеспечения. Все это технологически совместимо с представлением информации в ГИС. Тем не менее имеется существенное отличие.
В ГИС по сравнению с АСИС графическая информация значительно сложнее и занимает больший объем. В обеих системах могут быть видеобазы данных для хранения видеоинформации, однако между ними существует качественное различие.
В ГИС видеоданные (изображения объектов) получены с высоким разрешением, поскольку используются как для визуальной оценки, так и для высокоточной геометрической обработки. В АСИС видеоданные, как правило, служат только для визуального просмотра. Различие особенно касается информационной емкости этих данных. В видеобазах ГИС объем файла видеоизображения достигает 1 Гбайта, в АСИС - составляет десятки килобайт, т.е. разница составляет четыре порядка.
Для полного решения какой-либо информационной задачи в информационных системах необходимо, чтобы ЭВМ понимала смысл текста, написанного на естественном языке, что тесно связано с проблемой искусственного интеллекта.
Информация, хранимая в АСИС, разделяется по различным признакам:
- по временному фактору - ретроспективная, текущая и прогнозная;
- по тематической деятельности - узкотематическая и широкотематическая;
- по производственной принадлежности - служебная (учрежденческая), отраслевая и межотраслевая;
- по характеру применения - рабочая и концептуальная.
В зависимости от формы хранения АСИС подразделяют на документографические (текстовые) и фактографические. Информационным массивом документографической АСИС служат различные неформализованные (слабо типизированные данные) документы (цитаты, статьи, письма и т. д.) на естественном или ограниченном искусственном языке, например текстовые файлы, получаемые с помощью текстовых процессоров.
Информационный массив фактографической АСИС составляется из формализованных записей (сильно типизированных данных), например, записей базы данных или электронных таблиц.
Фактографические информационные системы предполагают составление специальных форм документов для ввода информации в ЭВМ. Идентификация осуществляется с использованием ключей (дескрипторов), которые вводятся с помощью стандартных форм или задаются средствами самой системы.
Таким образом, разработка фактографических АСИС связана с необходимостью создания стандартных форм и методов контроля информации. Эти требования распространяются и на ГИС.
Следует отметить, что, как и в АСИС, в ГИС информация имеет временную характеристику.
Главные технические показатели АСИС - информационная емкость и скорость обмена информацией - определяются в первую очередь техническими данными ЭВМ и типом базы данных и во вторую - технологией обработки информации. В силу этого базы данных являются основой АСИС и составной частью ГИС.
Разработка информационной основы - первоочередная задача проектирования и функционирования АСИС (также и ГИС). При этом необходимо решать задачи структуризации, кодирования и классификации данных.
Созданию информационной основы должны предшествовать изучение информационных потребностей пользователя, видов запросов, анализ предметной области, базовых и составных моделей данных. Данный подход обязателен для ГИС, однако не применяется многими разработчиками ГИС, которые, мягко говоря, игнорируют большой опыт использования АСИС при решении этой задачи.
Рост объема информации в автоматизированных архивах, информационных системах, базах данных наряду с внедрением сетевых информационных структур обмена информацией требует создания новых методов не только фильтрации и выбора нужной информации, но и оценки ее полезности. Это весьма важно при использовании ГИС для решения экономических, экологических и других задач.
Следует отметить некоторые особенности архивов, создаваемых на основе технологий ГИС, в частности то, что библиотека карт является традиционным архивом, в котором данные классифицируются как тематически, так и географически.
В большинстве атласов и библиотек карт иерархия данных определена последовательностью классификации: вначале географические, а затем тематические данные.
Цифровые архивы пространственных данных (архивы ГИС) обычно организуются иначе: первый ключ - тематический, второй - географический. В мировой практике применяют набор стандартных форматов обмена архивными данными:
- топографические данные - распространяются USGS в форматах DGL (цифровой граф линий) и DEM (цифровая модель рельефа);
- данные о сети улиц - распространяет Бюро переписей США в формате TIGER;
- дистанционные изображения поступают из НАСА и других космических агентств.
Преимуществом построения архивов на основе ГИС является возможность использования старых и минимального количества новых данных для оперативного синтеза новых картографических материалов. Многие задачи синтеза и получения картографических композиций требуют экспертных решений. Это более эффективно по сравнению с БД решают экспертные системы. Следовательно, их применение в ГИС более актуально, чем во многих АСИС.
Сравнивая модели и методы использования экспертных систем в ГИС, САПР, АСНИ и АСИС, можно отметить следующие различия. Если в АСНИ применяются, как правило, сложные, комплексные, динамические, многопараметрические модели, то в САПР, АСИС и ГИС наблюдается тенденция к типизации, т.е. к использованию типовых элементов, и декомпозиции сложных объектов на типовые.
Кроме того, если предметом моделирования в АСНИ являются в большей степени процессы и в меньшей - объекты, то в САПР наоборот: в первую очередь - объекты, во вторую - процессы (технологические). В АСИС предмет моделирования - формы данных.
В ГИС целью моделирования является: на уровне сбора и первичной обработки информации - создание моделей данных, на уровне моделирования и хранения - построение моделей геообъектов, на уровне представления - получение разнообразных форм данных.
Во всех системах можно выделить общее - использование цифровых моделей.
Следовательно, 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.
Подводя итог сравнения ГИС и автоматизированных систем общего назначения с использованием результатов системного анализа ГИС, т.е. представления ее в виде трех системных уровней (см. рис. 1.4), можно сделать следующие выводы.
Рис. 2.1. Дополнительные возможности ГИС по сравнению с автоматизированными системами на разных системных уровнях
ГИС интегрирует в себе технологии всех трех рассмотренных систем (рис. 2.1). На уровне сбора наиболее близкой ГИС является технология АСНИ. Но в ГИС по сравнению с АСНИ более широко используются технологии сбора данных на местности и особенно технология GPS.
На уровне моделирования и хранения в ГИС наиболее ярко представлены технологии САПР и АСИС. Но и на этом уровне технологии ГИС более полны, чем в отмеченных системах. В частности, в отличие от САПР в ГИС имеются оригинальные методы наложения оверлея, анализа сетей, более широк спектр технологий пространственного анализа, возможна обработка файлов (принадлежащих одному объекту) больших объемов (до 1 Гбайта).
В отличие от технологий АСИС технологии ГИС дополняются методами хранения и использования измерительной (метрически точной) видеоинформацией. Видеоинформация в обычных АСИС не имеет метрической точности и не пригодна для проведения на ее основе расчетов по определению метрических характеристик объектов местности.
На уровне представления ГИС полностью включает в себя технологии автоматизированных систем документационного обеспечения с набором средств компьютерной полиграфии и мультимедиа. Однако и здесь технологии ГИС полнее, поскольку они содержат методы издания картографической продукции.
Большое распространение получают ГИС как системы принятия решений. Ранее такими системами были АСУ. Проводя сравнение ГИС и АСУ (рис. 2.2) по тем же трем системным уровням, можно прийти к следующим выводам.
АСУ полностью интегрирована в ГИС и может быть рассмотрена как подмножество этой системы.
На уровне сбора информации технологии ГИС включают в себя отсутствующие в АСУ методы сбора пространственно-временных данных, технологии использования навигационных систем, технологии реального масштаба времени, GPS и т.д.
На уровне хранения и моделирования дополнительно к обработке социально-экономических данных (как и в АСУ) технологии ГИС включают в себя набор технологий пространственного анализа, применение цифровых моделей и видеобаз данных, а также комплексный подход к принятию решений.
На уровне представления ГИС дополняет технологии АСУ применением интеллектуальной графики (представление картографических данных в виде карт, тематических карт или на уровне деловой графики), что делает ГИС более доступными и понятными по сравнению с АСУ для бизнесменов, работников управления, работников органов государственной власти и т.д.
Рис. 2.2. Дополнительные возможности ГИС по сравнению с АСУ по основным уровням обработки данных
Характеристика ЭС
Нарастающие информационные потоки в современном обществе, разнообразие информационных технологий, повышение сложности решаемых на компьютере задач увеличивают нагрузку на пользователя этих технологий и ставят задачу переноса проблемы выбора и принятия решений с человека на ЭВМ. Одним из путей решения этой задачи является применение экспертных систем, которые могут быть составной частью рассмотренных выше автоматизированных систем.
Экспертную систему от других автоматизированных систем на этапе ее использования отличают большая интеллектуальность, специализация и ориентация на решение задач в определенной области.
Отличие ЭС на этапе проектирования состоит в том, что в ней должны учитываться особенности решаемых задач на стадии разработки системы. Для сравнения: базы данных поставляются широкому кругу пользователей, которые и занимаются их специализацией уже после создания БД.
Эффективное использование и развитие ГИС невозможно без высокого уровня автоматизации и применения экспертных систем.
Экспертные системы можно рассматривать как класс автоматизированных информационных систем, содержащих базы данных и базы знаний, способных осуществлять анализ и коррекцию данных независимо от санкции пользователя, анализировать и принимать решения как по запросу, так и независимо от запроса пользователя и выполнять ряд аналитически-классификационных задач. В частности, ЭС должны разбивать входную информацию на группы, консультировать, делать выводы, ставить диагноз, обучать прогнозированию, идентифицировать, интерпретировать, и т. д.
Основными преимуществами ЭС перед другими автоматизированными системами являются:
- возможность решения, оптимизации или получения оценок новых классов трудноформализуемых задач, реализация которых на ЭВМ до недавнего времени считалась затруднительной или невозможной;
- обеспечение возможности пользователю-непрограммисту вести диалог на естественном языке и применять методы визуализации информации для эффективного использования ЭВМ и решения задач в своей предметной области;
- накопление данных, знаний, правил использования знаний, правил самообучения ЭС для получения все более достоверных и квалифицированных выводов или решений, включая не санкционированные пользователем;
- решение вопросов или проблем, которые сам пользователь не в состоянии решить либо из-за отсутствия у него информации, либо из-за ее многообразия, либо из-за длительности обычного решения даже при помощи ЭВМ;
- возможность создания индивидуальных специализированны" ЭС за счет использования развитых инструментальных средств и личного опыта пользователя-разработчика этой системы.
В основе структуры информации, закладываемой в экспертную систему, лежат два принципа представления знаний - поверхностный и глубокий. Первый реализуется с помощью правил, второй - с помощью фреймов.
Реализация знаний в виде программного продукта с помощью правил относительно недорогая, но структура ЭС при этом получается жесткой, внесение изменений и поправок оказывается сложным и неэффективным (гораздо более сложным, чем создание самой программы). С другой стороны, хотя поверхностные представления не позволяют формировать суждения и концепции, с их помощью можно находить решения эмпирически ассоциированных проблем.
Генерация знаний с помощью структуры фреймов - процесс сложный и дорогостоящий, но при этом достигается модульность, которая позволяет в дальнейшем добавлять новые и корректировать старые элементы знаний. Кроме того, фреймы дают возможность формировать суждения и выводы на основе обобщений и в результате индуцировать новые знания.
Эффективность применения ЭС в ГИС не обусловливает их использование во всех случаях. По сравнению с базами данных ЭС предъявляют более жесткие требования как к организации решения задач, так и к наличию необходимого минимума данных и формализованных знаний,
При создании экспертных систем возникают как минимум три проблемы:
- обеспечение достаточной полноты информации, заносимой в память. Это требует выделения ключевых (основополагающих) знаний и установления их взаимосвязи в структуре данных, а также создания и использования такой системы кодирования, которая бы позволила эффективно применять эту информацию для решения практических задач;
- получение эффективной оценки качества функционирования ЭС и выработка соответствующих критериев. Трудность кроется в том, что знания специалистов - это не просто сумма сведений и фактов. Формальные попытки учета многомерности связей путем добавления новых для представления отношений отдельных элементов могут привести к чрезмерной "жесткости" системы, и она станет "закрытой" для добавления новых элементов и установления их связей с существующими;
- возможность получения недостоверного результата из-за вероятностного характера структуры решаемых задач и синтеза знаний.
Решение перечисленных проблем является необходимым, но недостаточным условием применения ЭС в ГИС. Сформулируем требования, при которых разработка ЭС целесообразна (эффективна):
- наличие экспертов, желающих передать системе свои знания;
- существование проблемной области, в которой эксперты могут вербализовать свои методы решения задач;
- существование сходимости решений в данной проблемной области у большинства экспертов (минимум рассогласования);
- значимость задач в проблемной области, т. е. они должны быть либо сложными, либо недоступными для решения неспециалистом, либо требующими значительных временных затрат;
- наличие большого объема данных и знаний для решения задач;
- использование эвристических методов в связи с неполнотой и изменчивостью информации в предметной области.
Возможность решения трех вышеупомянутых проблем и выполнение перечисленных требований является необходимым и достаточным условием применения ЭС в геоинформационных системах.
Классификация ЭС. Существует большое число ЭС, различающихся своими функциональными возможностями и методами принятия решений.
Планирующие ЭС предназначены для выработки программы действий, необходимых для достижения определенных целей.
Прогнозирующие ЭС должны предсказывать сценарий будущего, основываясь на событиях прошлого и настоящего, т.е. выводить вероятные следствия из заданных ситуаций. Для этого в прогнозирующих ЭС используются динамические параметрические модели.
Диагностирующие ЭС имеют способность находить причины аномальности наблюдаемых явлений. Основой для анализа служат наборы данных, с помощью которых выявляются отклонения от эталонного поведения и в результате ставится диагноз.
Обучающие ЭС должны предоставлять возможность пользователям ставить диагноз и анализировать ошибки в заданных областях. От таких систем требуется умение формировать гипотезы о знаниях и поведении, определять соответствующие обучающие методы и способы действий.
Архитектуры экспертных систем могут отличаться друг от друга. При построении ЭС используются архитектуры, например, "экзапов" ("классной доски") с множественными источниками знаний.
Этапы создания ЭС. К наиболее важным этапам создания экспертных систем могут быть отнесены концептуализация, идентификация, формализация, реализация, тестирование, внедрение, сопровождение и модернизация.
На этапе концептуализации специалист по разработке ЭС совместно с экспертом решает, какие понятия, отношения и процедуры необходимы для описания метода решения проблем в выбранной области. Главная задача этапа заключается в выборе стратегии задач и ограничений, возникающих в процессе решения задач. Концептуализация требует полного анализа проблемы.
На этапе идентификации определяются типы, характеристики, размерность задачи, состав участников процесса разработки; делаются оценки моделепригодности; оцениваются требуемые ресурсы - временные, машинные; устанавливаются цели создания ЭС,
На этапе формализации ключевые понятия и отношения переводятся на некоторый формальный язык представления знаний. Здесь выбирается адекватный способ представления данных или моделей для рассматриваемой задачи.
На этапе реализации создается физическая оболочка ЭС, способная к выполнению возложенных на нее функций.
Проверка правильности функционирования ЭС возможна на этапе тестирования. Однако даже после тестирования невозможно предугадать всевозможные ситуации отказов, которые могут быть вызваны как неверной работой или недостатками ЭС, так и совершенно независимым выходом из строя оборудования.
Поэтому необходимо планировать этапы внедрения и сопровождения, которые облегчили бы пользователю поиск причин различных сбойных ситуаций.
Появление новых методов, правил, технических средств вызывает необходимость планирования этапа модернизации. При этом существенно возрастет фактор мобильности ЭС.
Типы экспертных систем для решения задач ПК
Можно выделить несколько групп задач, требующих применения экспертных систем в ГИС:
- обработка видеоизображений;
- преобразование растровых изображений в векторные графические модели;
- обработка картографической информации;
- обработка разнородной информации;
- построение моделей объектов или местности;
- анализ моделей ГИС;
- получение решений на основе геоинформации.
Структурная схема экспертной системы ГИС соответствует типовой ЭС (рис. 2.3). Главной проблемой при создании экспертных систем в ГИС остается разработка моделей пространственных данных, требуемых для объединения внутри ГИС данных дистанционного зондирования и картографической основы.
ГИС являются хорошей средой для внедрения методов искусственного интеллекта и экспертных систем. Это вызвано, с одной стороны, разнообразием и сложностью данных в ГИС, с другой - наличием большого числа экспертных задач при использовании ГИС. В частности, для ГИС созданы экспертные системы, применяемые для решения разных задач: получения композиции карт, выделения элементов нагрузки, получения тематических карт, поддержки принятия решений, построения оверлейных структур и др.
Применительно к схеме обобщенной ГИС можно в соответствии с уровнями (см. рис 1.4) выделить три типа экспертных систем для ГИС:
- на уровне сбора информации - самоокупающиеся системы автоматизированного распознавания образов при обработке снимков или сканированных картографических данных;
- на уровне моделирования или композиции карт - ЭС автоматизированного редактирования картографических данных, оценки качества редактирования. Для управления и принятия решений применяются также ЭС всестороннего анализа атрибутивных данных, данных о запросах пользователей, о посредниках и т.д.;
- на уровне представления данных - ЭС для генерализации карт, размещения названий, создания издательских оригиналов.
Разработан ряд производственных ЭС для решения задач ГИС:
- МАРЕХ - для автоматической генерализации и работы с данными цифрового линейного графа Геологической службы США масштаба 1:24000. Основана на правилах, данные генерализируются в масштабе 1:250000;
- AUTOMAP - для размещения названий. Используются эвристические знания на основе известных процедур и условных знаков. Небольшая серия точных знаний (около 30) содержится в базе знаний. Вначале комментируются элементы местности, затем особенности точек и линий;
- GES - прототип картографической ЭС. Используется Управлением по энергетическим, минеральным и природным ресурсам Канады в качестве консультанта для картографов при создании электронного атласа Канады. Управление географической базой данных и запросы к ней относятся к фундаментальным операциям любой ГИС.
Для расширения числа пользователей ГИС создан ряд специализированных ЭС:
- ОРВ1 - для контроля за доставками ресурсов окружающей среды в Португалии. Использует свойства систем классификации данных окружающей среды, обеспечивает принятие решений, включает программу синтаксического анализа естественного языка, меню-программы обработки входных данных жесткого формата, средства аргументации по этапам, "подсказки" при обращении к базе данных;
- LOBSTER - интеллектуальный интерфейс пользователя к системе управления базой пространственных данных;
- KBGIS - для ускорения поиска в больших базах географических данных. База данных представляется в виде четырехуровневого дерева;
- SRAC - рабочее место сбора пространственных данных. Запрос в географическую базу данных осуществляется на естественном языке.
- Разработан целый ряд ЭС для принятия географического решения:
- ASPENEX - для контроля вида деревьев (осин) в Николетском национальном лесу и связи с ГИС;
- EXSYS - для создания интерфейса пользователя, базы правил и связи между программами. Оснащена микроЭВМ "Резидент";
- URBYS - для территориального планирования и анализа городских территорий;
- AVL 2000 - для автоматического определения местоположения транспортного средства и навигации. Использует данные глобальной навигационной спутниковой системы в реальном масштабе времени;
- GEODEX - для оценки землепользования. В ней предусмотрены формирование прямой цепочки с учетом ограничивающих условий участка и обратной цепочки для выявления непригодности участков и доказательства их несоответствия ограничивающим условиям в географической базе данных.
Пространственно - распределенные ГИС способствуют мобильности ЭС. Актуальным остается разработка методов, повышающих логическую непротиворечивость в ЭС, особенно в тех случаях, когда речь идет о связи пространственных знаний со знаниями других типов с различной степенью неопределенности. По мере совершенствования таких ЭС возрастает важность обработки нечетких данных.
Кроме того, существует класс консультативных ЭС, которые позволяют улучшить процесс принятия решений, формализовать геоинформационные знания и устранить неопределенности в данных.
ВЫВОДЫ
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 вариант автоматизированных систем управления, использующих большее число данных и большее число методов анализа и принятия решений, причем в первую очередь использующих методы пространственного анализа (см. рис. 2.2). Экспертные системы должны служить составной частью ГИС как систем принятия решений.