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文檔簡介
智能化空間分析第1頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五8.1空間分析與人工智能
隨著GIS應(yīng)用水平的提高,越來越多的復(fù)雜問題對GIS的空間分析功能提出了更高的要求。因此,地學(xué)工作者將模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等人工智能技術(shù)與GIS相結(jié)合,將數(shù)值計算與語義表達、形象思維等高級智能行為聯(lián)系起來,通過模擬人腦判斷與推理的行為與過程,處理復(fù)雜的數(shù)據(jù),提高GIS空間分析的功能。第2頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五一、智能化空間分析技術(shù)1智能化GIS
智能化GIS是指與專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、遺傳算法等相結(jié)合的GIS,即人工智能技術(shù)在GIS中的應(yīng)用。目前對智能化GIS有兩種理解:
(1)是指在GIS系統(tǒng)中應(yīng)用人工智能技術(shù),建立智能化時空數(shù)據(jù)處理和分析模型,在人工智能理論支持下對時空信息進行處理和分析,即在地學(xué)規(guī)律指導(dǎo)下,結(jié)合具體的地學(xué)知識和地理信息,通過地學(xué)分析和GIS、人工智能等技術(shù)獲得更精確的分析結(jié)果。第3頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五
(2)智能化GIS是GIS系統(tǒng)作為一種分析處理空間信息的通用技術(shù)應(yīng)用于某一個領(lǐng)域,使管理水平、決策系統(tǒng)智能化。例如,在智能交通系統(tǒng)中,通過采用電子技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、通信技術(shù)等高新技術(shù)對傳統(tǒng)的交通運輸系統(tǒng)及管理體制進行改造,形成一種信息化、智能化和社會化的新型現(xiàn)代交通系統(tǒng)。第4頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五2智能化空間分析技術(shù)
GIS空間分析是利用各種空間分析模型、空間操作技術(shù)對海量的空間數(shù)據(jù)進行有效處理,發(fā)現(xiàn)新知識和規(guī)律,其中必然涉及各種智能分析方法的運用問題。智能化的空間分析方法可以解決更加復(fù)雜的地理問題,并且提高解決地理問題的效率和精度。從近幾十年的發(fā)展來看,智能化空間分析方法主要經(jīng)歷了從決策樹、基于知識的專家系統(tǒng)到基于智能計算分析方法的不同階段。第5頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五智能化空間分析重點要解決空間知識的發(fā)現(xiàn)、表達、推理與計算等問題。對于描述性知識來說,符號方法是一種重要的知識表達與推理手段,如邏輯(模糊與非模糊)、產(chǎn)生式系統(tǒng)、語義網(wǎng)、面向?qū)ο蟮募夹g(shù)以及綜合方法等?;谥R的決策可以由以知識工程及人工智能理論為基礎(chǔ)的決策支持系統(tǒng)來完成,智能知識的表達與推理是智能化空間決策支持系統(tǒng)的核心。第6頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五在人工智能中,地理現(xiàn)象、地理事實、地理概念、地理規(guī)律等統(tǒng)稱地理知識,將地理知識應(yīng)用在空間分析中則形成了“地理專家系統(tǒng)”。
20世紀80~90年代,基于知識的地理專家系統(tǒng)是地理研究方法中比較流行的模式,例如wayre等人提出的有關(guān)鐵路與高速公路交叉口安全管理與分析的基于知識的GIS;LamDavid等人將專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與GIS相結(jié)合建立了用于環(huán)境管理的決策支持系統(tǒng);南京大學(xué)開發(fā)的用于尋找地下水的專家系統(tǒng)等,都較好地解決了有關(guān)的非線性地理問題。第7頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五美國學(xué)者James在1992年首次提出了智能計算技術(shù)的概念。智能計算以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),即使在對象模型和邊界條件不夠精確和完整的情況下,也能夠獲得合理的解釋,因此能夠有效地解決系統(tǒng)中一些非線性和不確定性的問題。智能計算技術(shù)是基于計算的,或者基于計算和基于符號物理相結(jié)合的各種智能理論、模型、方法的綜合集成,對于具有大規(guī)模并行分布式的結(jié)構(gòu)性知識分析處理,具有其他技術(shù)無可替代的優(yōu)越性。第8頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五二、智能計算技術(shù)1人工智能技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展智能是個體有目的的行為、合理的思維以及有效地適應(yīng)環(huán)境的綜合性能力。
人工智能(artificialintelligence,AI)是指通過對人類智力活動奧秘的探索與記憶思維的研究,開發(fā)人類智力活動的潛能、探討用各種機器模擬人類智能的途徑,使人類的智能得到物化、延伸和擴展的一門學(xué)科。它與生物工程和空間技術(shù)成為當(dāng)今世界的三大尖端技術(shù)。第9頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五人工智能發(fā)展簡史
年代主要發(fā)展方向
1930~1940s理論思考
1950s簡單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
1960s啟發(fā)式搜索
1970s專家系統(tǒng)
1980s神經(jīng)計算、遺傳算法和人工生命
1990s遺傳規(guī)劃、模糊邏輯和混合智能系統(tǒng)第10頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五主要事件:
◆1930~40s,智能界主要進行機器智能的理論思考,數(shù)理邏輯和關(guān)于計算的新思想促成了人工智能的產(chǎn)生和發(fā)展。
◆
1946年第一臺電子計算機ENIAC面世,為AI的產(chǎn)生奠定了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。
◆
1950年,英國數(shù)學(xué)家Turing在神經(jīng)學(xué)和心理學(xué)的啟發(fā)下,提出了計算機能夠思維的論斷,把符號處理過程中的形式推理上升到思維的高度,為AI奠定了理論基礎(chǔ)。第11頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五
◆
1943年,McCullonch和Pitts根據(jù)動物神經(jīng)元的生理特點提出了人工神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型,即MP神經(jīng)元模型,多個MP神經(jīng)元組成的MP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以完成一些簡單的邏輯功能。
◆1950s開始,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為人工智能的主要研究領(lǐng)域,建立了第一個真正的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,到60年代初,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究收到科學(xué)界的高度重視,人工智能研究進入高潮。
◆
1970s,專家系統(tǒng)在人工智能界顯示出強大的生命力,建立了各領(lǐng)域的應(yīng)用專家系統(tǒng)。第12頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五◆1980年代,專家系統(tǒng)和知識工程在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展,實現(xiàn)了從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用,從一般思維規(guī)律的探討走向?qū)iT知識運用的突破?!?970年代初,Holland提出了遺傳算法的基本定理。遺傳算法(Geneticalgorithms,GA)起源于對生物系統(tǒng)進行的計算機模擬研究,是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化過程而形成的一種自適應(yīng)優(yōu)化概率搜索算法。80年代后遺傳算法得到廣泛的應(yīng)用。◆1980年代末以后,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯與遺傳算法開始進行交叉和結(jié)合,形成了人工智能的新的研究方向——智能計算(Computationalintelligence)。第13頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五2智能計算的概念智能計算也稱為“軟計算”,迄今為止沒有統(tǒng)一的定義,大體有以下幾種:
(1)智能計算就是受自然界或生物界規(guī)律的啟迪,根據(jù)其原理模擬設(shè)計求解問題的算法,如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遺傳算法、進化規(guī)劃、模擬退火技術(shù)和群集智能技術(shù)等。
(2)智能計算(包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進化、遺傳、生態(tài)等理論)作為第二代人工智能方法,是連接主義、分布式人工智能和自組織系統(tǒng)理論共同發(fā)展的結(jié)果。第14頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五(3)智能計算是用計算機模擬和再現(xiàn)人類的某些智能行為。從方法論的角度,計算智能大體可以分為三種基本類型:
◆以符號操作為基本特征的符號機制,從抽象層次模擬和再現(xiàn)人類的某些智能行為,演繹方法構(gòu)成其主要的邏輯框架;◆以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的聯(lián)結(jié)機制,從神經(jīng)元相互作用的層次模擬再現(xiàn)人類的智能行為;◆以遺傳算法為代表的進化機制,從自然進化的角度探尋智能的形成方式。第15頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五(4)智能計算廣義地講就是利用仿生學(xué)思想,基于生物體系的生物進化、細胞免疫、神經(jīng)細胞網(wǎng)絡(luò)等某些機制,用數(shù)學(xué)語言抽象描述的計算方法,用以模擬生物體系和人類的智能機制。從方法論的角度和目前的研究狀況看,智能計算有下面幾種基本類型:◆處理不確定信息的模糊數(shù)學(xué)和粗集理論;◆再現(xiàn)人類某些智能行為的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);◆以模擬生物進化規(guī)律為特征的遺傳算法;◆以免疫操作為基本特征的免疫算法;◆以DNA復(fù)制為基本特征的DNA計算。第16頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五3智能計算技術(shù)的特點及組成(1)智能計算技術(shù)的特點◆智能性智能計算技術(shù)的智能性包括自適應(yīng)、自組織和自學(xué)習(xí)性等,這些特征使得該技術(shù)能夠根據(jù)環(huán)境的變化自動發(fā)現(xiàn)環(huán)境的特性和規(guī)律。◆穩(wěn)健性穩(wěn)健性是指在不同環(huán)境和條件下算法的適用性和有效性,利用智能計算技術(shù)求解不同問題時,只需要設(shè)計相應(yīng)的適應(yīng)性評價函數(shù),不需要修改算法的其他部分。第17頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五◆不確定性智能計算的不確定性是伴隨其隨機性而來的,其主要操作都含有隨機因子,從而在算法的進化過程中,事件發(fā)生與否帶有較大的不確定性?!魪娀嬎阒悄苡嬎悴恍枰芏啻蠼獾谋尘爸R,而主要依賴于大量快速的運算,從數(shù)據(jù)集中尋找規(guī)則或者規(guī)律,這是智能計算的主要特征。第18頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五◆容錯性神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和模糊推理系統(tǒng)都有很好的容錯性,從神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中刪除一個神經(jīng)元,或從模糊推理系統(tǒng)中去掉一條規(guī)則,并不會破壞整個系統(tǒng),由于具有并行和冗余的特征,系統(tǒng)可以繼續(xù)工作。◆全局優(yōu)化傳統(tǒng)的計算方法一般采用的是梯度下降的爬山策略,遇到多峰函數(shù)時容易陷入局部最優(yōu),遺傳算法能在解空間的多個區(qū)域內(nèi)同時進行搜索,并且能夠以較大的概率跳出局部最優(yōu)以找出整體最優(yōu)解。第19頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五(2)智能計算技術(shù)的組成
Zadeh提出的智能計算的組成
模糊邏輯(fuzzylogic)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neuralnetwork)
概率推理(probabilisticreasoning)
進化計算(evolutionalcomputation)
學(xué)習(xí)理論(learningtheory)
置信網(wǎng)絡(luò)(beliefnetwork)
混沌理論(chaotheory)其中進化計算包括遺傳算法、進化策略和進化規(guī)劃等三個分支。第20頁,共22頁,2023年,2月20日,星期五有些研究者認為智能計算還應(yīng)當(dāng)包括非線性科學(xué)中的小波分析、混沌動力學(xué)、分形幾何理論、免疫算法(immunealgorith
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