製圖專家系統

製圖專家系統是利用計算機人工智慧技術，模擬地圖製圖專家的知識和經驗進行地圖製作的軟體系統。

製圖專家系統是套用人工智慧技術進行機助地圖製圖的一組電腦程式和數據，它在機助地圖製圖過程中所解決的問題(主要是非數學描述的製圖功能)具有製圖專家水平，主要由地圖製圖知識庫和推理機組成。

基本介紹

• 中文名：製圖專家系統
• 外文名：cartographic expert system
• 學科：地理信息系統
• 組成：知識庫、推理機等
• 出現時間：20世紀80年代
• 作用：製作地圖

發展及套用

專家系統是模仿專家的思維活動，進行推理和判斷，像專家那樣求解專門問題的電腦程式系統。也就是把某一領域權威專家的經驗提煉出來，並歸納成一定形式的知識規則，計算機根據這些知識規則去模仿專家分析解決問題的策略和途徑。

一般的專家系統，由知識庫、資料庫、推理機、解釋機和知識獲取等部分組成。知識庫主要存放以一定形式表示的專家的知識與經驗，以備系統推理判斷用；資料庫為存儲某領域初始數據和推理過程中的各種中間信息，包括用戶提出的問題，已知事實和由推理而得到的事實；推理機根據已有的事實，利用知識庫中的知識，按一定的推理策略，去解決用戶提出的問題；解釋機主要功能是解釋系統本身的推理結果，回答用戶的提問；知識獲取部分也稱學習機，為修改與擴充原有知識庫提供手段。

20世紀80年代中期，隨著計算機輔助製圖的深入發展並受醫療等部門專家系統的啟示，國外提出計算機製圖專家系統的概念，並開始建立“地圖專家系統”、“地圖設計專家系統”的嘗試。國內於1989年由中國科學院地理研究所完成“統計製圖專家系統”，這是國內第一個計算機製圖專家系統，1990年在“國際國家與區域地圖集學術會議”上宣讀了“系統”的論文並演示，受到該委員會主席和其他委員高度評價，認為是當時國際上最好的專家系統。該專家系統後來套用於國家經濟地圖集的編制。以後，國內又完成了地圖設計專家系統、城市之星專家系統等。

隨著地理信息系統的出現和發展，部分智慧型化的計算機製圖軟體系統與其他地理信息系統軟體相結合，成為地理信息系統軟體的組成部分。目前，GIS軟體中地圖(包括普通地圖與專題地圖)的一般設計與編輯(包括表示方法選擇、符號與色彩設計、地圖註記與圖面整飾等)都可以通過人機對話來解決，但還都沒有達到智慧型化專家系統的要求，而最重要的計算機地圖概括(製圖綜合)問題，雖然也進行了多年實驗與研究，但至今尚未根本解決，成為計算機地圖編制與地理信息系統的一個瓶頸問題。該問題的根本解決辦法，是必須深入研究各種自然和人文現象的圖形結構(形態結構)特點與地理分布規律，形成知識法則，建立地圖概括專家系統。

製圖專家系統的目標和任務

以中國科學院地理研究所的統計製圖專家系統為例，闡釋該系統的目標任務、系統的構成及其運行過程。統計製圖專家系統(Statistic Cartography Expert System)，是人工智慧與統計製圖相結合的軟體系統。
該計算機統計製圖的一般過程包括：

(1)建立基礎資料庫，將底圖資料在ARC/INFO系統中數位化，編輯修改，然後建立拓撲關係，形成底圖資料庫。將統計資料或文字資料從其他資料庫提取或鍵盤輸入DBASE3中，建立起統計資料庫。

(2)數據提取與分析，對統計數據進行快速排序，計算各種統計特徵值，建立直方圖並進行分析與製圖分級。

(3)地圖設計編輯處理，選擇統計地圖表示方法與地圖符號，包括符號大小與分級、符號定位，以及疊置覆蓋處理。

(4)圖形輸出，由印表機或繪圖儀輸出統計地圖。

統計製圖專家系統可以完成所有上述統計製圖的各項功能。該系統使用了人工智慧的專家系統技術，將專家長期積累的統計製圖經驗、知識以規則的形式存人知識庫，其中包括《地圖概論》(廖克編著，1985)中關於專題地圖與統計製圖所總結概括的一些原則和方法，以及在《中國人口地圖集》等設計編制中所積累的經驗，當用戶需要時進入專家系統功能模組，利用知識庫，指導和完成統計製圖任務。

製圖專家系統的構成

整個製圖專家系統由專家系統、統計製圖、資料庫接口、基礎資料庫、地圖庫、符號庫等部分構成(如圖1所示)。專家系統由推理機、動態資料庫、知識庫、解釋機和知識獲取等部分組成。

統計製圖部分由數據的提取與分析、地圖設計與圖形編輯處理、圖形輸出等組成。它在用戶需要時調用專家系統模組提供用戶服務，通過資料庫接口程式直接提取基礎資料庫中的數據，調用地圖符號庫進行圖形設計，然後生成統計地圖並從繪圖儀輸出或存入地圖庫。基礎資料庫的建立可以通過ARC/INFO或DBASE3系統完成。

製圖專家系統的運行過程

統計製圖專家系統採用選單控制，在第一級選單中按照建立基礎資料庫、統計資料庫的提取與分析、直方圖顯示與編輯、統計數據分級、地圖設計與編輯、圖形輸出順序運行。

(1)建立基礎資料庫包括兩部分，一是利用ARC/INFO系統建立底圖資料庫，二是進入DBASE3系統建立統計資料庫。

(2)統計資料庫的提取與分析，通過輸入檔案名稱稱輸出數據，再進行快速排序，以及各種所需特徵值計算(最大值、最小值、均值、方差、極差、百分位數、眾數等)。

(3)直方圖顯示與編輯，將排序後的統計數據，做出直方圖並顯示後進行編輯。(4)統計數據分級，包括選擇分級方法(直接輸入分級方法，或進入專家系統，調入分級方法選擇知識庫，進行推理諮詢)，輸入分級數目(直接輸入或通過專家系統提供)，確定分級特徵界線(由專家系統的各類專題的分級特徵界線知識庫提供)，在直方圖上進行分級(分級界線平移、分級、間距縮放、分級數目增長與分級特徵界線匹配，並可利用專家評價模型對分級實時評價)。

(5)地圖設計與編輯，包括選擇表示方法(直接輸入或藉助專家系統)，選擇地圖符號(直接輸入要採用的地圖符號或通過專家系統)，符號大小及梯尺的確定(直接輸入或由專家系統確定，對符號尺寸可在圖形編輯過程中修改方案)，地圖符號的壓蓋處理(通過專家系統)，分區統計圖表符號的自動定位等。

(6)圖形輸出，將設計與編輯好的地圖通過繪圖儀輸出。