[科普中国]-制图专家系统

发展及应用

专家系统是模仿专家的思维活动，进行推理和判断，像专家那样求解专门问题的计算机程序系统。也就是把某一领域权威专家的经验提炼出来，并归纳成一定形式的知识规则，计算机根据这些知识规则去模仿专家分析解决问题的策略和途径。

一般的专家系统，由知识库、数据库、推理机、解释机和知识获取等部分组成。知识库主要存放以一定形式表示的专家的知识与经验，以备系统推理判断用；数据库为存储某领域初始数据和推理过程中的各种中间信息，包括用户提出的问题，已知事实和由推理而得到的事实；推理机根据已有的事实，利用知识库中的知识，按一定的推理策略，去解决用户提出的问题；解释机主要功能是解释系统本身的推理结果，回答用户的提问；知识获取部分也称学习机，为修改与扩充原有知识库提供手段。

20世纪80年代中期，随着计算机辅助制图的深入发展并受医疗等部门专家系统的启示，国外提出计算机制图专家系统的概念，并开始建立“地图专家系统”、“地图设计专家系统”的尝试。国内于1989年由中国科学院地理研究所完成“统计制图专家系统”，这是国内第一个计算机制图专家系统，1990年在“国际国家与区域地图集学术会议”上宣读了“系统”的论文并演示，受到该委员会主席和其他委员高度评价，认为是当时国际上最好的专家系统。该专家系统后来应用于国家经济地图集的编制。以后，国内又完成了地图设计专家系统、城市之星专家系统等。

随着地理信息系统的出现和发展，部分智能化的计算机制图软件系统与其他地理信息系统软件相结合，成为地理信息系统软件的组成部分。目前，GIS软件中地图(包括普通地图与专题地图)的一般设计与编辑(包括表示方法选择、符号与色彩设计、地图注记与图面整饰等)都可以通过人机对话来解决，但还都没有达到智能化专家系统的要求，而最重要的计算机地图概括(制图综合)问题，虽然也进行了多年实验与研究，但至今尚未根本解决，成为计算机地图编制与地理信息系统的一个瓶颈问题。该问题的根本解决办法，是必须深入研究各种自然和人文现象的图形结构(形态结构)特点与地理分布规律，形成知识法则，建立地图概括专家系统。2

制图专家系统的目标和任务以中国科学院地理研究所的统计制图专家系统为例，阐释该系统的目标任务、系统的构成及其运行过程。统计制图专家系统(Statistic Cartography Expert System)，是人工智能与统计制图相结合的软件系统。
该计算机统计制图的一般过程包括：

(1)建立基础数据库，将底图资料在ARC/INFO系统中数字化，编辑修改，然后建立拓扑关系，形成底图数据库。将统计资料或文字资料从其他数据库提取或键盘输入DBASE3中，建立起统计数据库。

(2)数据提取与分析，对统计数据进行快速排序，计算各种统计特征值，建立直方图并进行分析与制图分级。

(3)地图设计编辑处理，选择统计地图表示方法与地图符号，包括符号大小与分级、符号定位，以及叠置覆盖处理。

(4)图形输出，由打印机或绘图仪输出统计地图。

统计制图专家系统可以完成所有上述统计制图的各项功能。该系统使用了人工智能的专家系统技术，将专家长期积累的统计制图经验、知识以规则的形式存人知识库，其中包括《地图概论》(廖克编著，1985)中关于专题地图与统计制图所总结概括的一些原则和方法，以及在《中国人口地图集》等设计编制中所积累的经验，当用户需要时进入专家系统功能模块，利用知识库，指导和完成统计制图任务。

制图专家系统的构成整个制图专家系统由专家系统、统计制图、数据库接口、基础数据库、地图库、符号库等部分构成(如图1所示)。专家系统由推理机、动态数据库、知识库、解释机和知识获取等部分组成。

统计制图部分由数据的提取与分析、地图设计与图形编辑处理、图形输出等组成。它在用户需要时调用专家系统模块提供用户服务，通过数据库接口程序直接提取基础数据库中的数据，调用地图符号库进行图形设计，然后生成统计地图并从绘图仪输出或存入地图库。基础数据库的建立可以通过ARC/INFO或DBASE3系统完成。

制图专家系统的运行过程统计制图专家系统采用菜单控制，在第一级菜单中按照建立基础数据库、统计数据库的提取与分析、直方图显示与编辑、统计数据分级、地图设计与编辑、图形输出顺序运行。

(1)建立基础数据库包括两部分，一是利用ARC/INFO系统建立底图数据库，二是进入DBASE3系统建立统计数据库。

(2)统计数据库的提取与分析，通过输入文件名称输出数据，再进行快速排序，以及各种所需特征值计算(最大值、最小值、均值、方差、极差、百分位数、众数等)。

(3)直方图显示与编辑，将排序后的统计数据，做出直方图并显示后进行编辑。(4)统计数据分级，包括选择分级方法(直接输入分级方法，或进入专家系统，调入分级方法选择知识库，进行推理咨询)，输入分级数目(直接输入或通过专家系统提供)，确定分级特征界线(由专家系统的各类专题的分级特征界线知识库提供)，在直方图上进行分级(分级界线平移、分级、间距缩放、分级数目增长与分级特征界线匹配，并可利用专家评价模型对分级实时评价)。

(5)地图设计与编辑，包括选择表示方法(直接输入或借助专家系统)，选择地图符号(直接输入要采用的地图符号或通过专家系统)，符号大小及梯尺的确定(直接输入或由专家系统确定，对符号尺寸可在图形编辑过程中修改方案)，地图符号的压盖处理(通过专家系统)，分区统计图表符号的自动定位等。

(6)图形输出，将设计与编辑好的地图通过绘图仪输出。