【摘 要】基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP-ANN）算法，本文提出了地理實(shí)體數(shù)值型時(shí)空數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的模型，并探討了模型中BP模塊、知識(shí)庫和空間數(shù)據(jù)庫的開發(fā)方法。

【關(guān)鍵詞】神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) BP GIS預(yù)測(cè)

一、引言

目前，應(yīng)用型地理信息系統(tǒng)（GIS）有三個(gè)強(qiáng)大的功能特點(diǎn)：時(shí)空數(shù)據(jù)管理功能、空間信息表達(dá)能力和信息分析能力。同時(shí)在用戶體驗(yàn)和Web服務(wù)中得到快速發(fā)展。但是，因?yàn)閭鹘y(tǒng)GIS研究在智能分析領(lǐng)域的缺失，導(dǎo)致此類GIS的在地理信息預(yù)測(cè)、綜合評(píng)價(jià)、輔助決策等智能GIS方面的應(yīng)用中有著天生的缺陷，而信息預(yù)測(cè)更是智能GIS的核心功能之一。在此情況下，如何建立地理信息預(yù)測(cè)模型成為了建立智能GIS的一個(gè)重要步驟[1]。

二、BP傳播算法模型

BP網(wǎng)絡(luò)（反向傳播網(wǎng)絡(luò)）實(shí)際上是一個(gè)基于神經(jīng)元數(shù)學(xué)模型的多層感知器，它可以在典型前饋型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行誤差信號(hào)的反向傳播，能夠?qū)θ我夥蔷€性映射進(jìn)行良好的逼近，從而擁有了表達(dá)各種復(fù)雜映射的能力。BP網(wǎng)絡(luò)是在對(duì)模型運(yùn)算速度要求不高的離線預(yù)測(cè)模型系統(tǒng)中使用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一[1-4]。BP網(wǎng)絡(luò)擁有三條突出的特征：

（一）網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)神經(jīng)元模型都包括一個(gè)非線性激活函數(shù)，即sigmoid函數(shù)：

它能夠有效解決非線性問題。

（二）網(wǎng)絡(luò)包含一層或多層神經(jīng)元的隱藏層，能夠逐步從輸入模式中提取更多的有用特征，可以使網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)復(fù)雜的任務(wù)。

（三）網(wǎng)絡(luò)的連接強(qiáng)度由網(wǎng)絡(luò)突觸決定，網(wǎng)絡(luò)連接的改變可以通過改變突觸連接的數(shù)量即改變權(quán)值來實(shí)現(xiàn)[5]。

三、BP算法用于GIS預(yù)測(cè)的方法及核心庫的建立

（一）嵌入式BP模塊的開發(fā)

BP網(wǎng)絡(luò)為GIS提供預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)等決策支持功能時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需求，進(jìn)行集成二次開發(fā)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可對(duì)各類空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)等進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，再經(jīng)過GIS主系統(tǒng)把相關(guān)數(shù)據(jù)提供到BP模塊完成分析處理。BP模塊會(huì)把最后的處理結(jié)果返回，根據(jù)

GIS的時(shí)空表達(dá)能力，將已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)資源完成整合分析，整理生成綜合評(píng)價(jià)，可給用戶提供信息支持與輔助決策支持。BP支持的GIS結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示：

其中評(píng)價(jià)因子從專家/知識(shí)庫獲得；樣本則由GIS主系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理后，輸入BP模塊進(jìn)行訓(xùn)練、預(yù)測(cè)，然后返回GIS主系統(tǒng)輸出結(jié)果。

（二）建立知識(shí)庫

知識(shí)庫的主要作用就是將領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)，通過某一種表達(dá)形式存到計(jì)算機(jī)里，同時(shí)可對(duì)其進(jìn)行管理。知識(shí)庫在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)決策支持系統(tǒng)中占主要組成部分，它的組織形式、結(jié)構(gòu)形式、知識(shí)的質(zhì)量和數(shù)量都直接影響到整個(gè)決策支持系統(tǒng)的質(zhì)量和效率。所以，迫切需要研究和開發(fā)一個(gè)功能齊全的知識(shí)庫和知識(shí)庫管理系統(tǒng)。

而一般知識(shí)庫系統(tǒng)的功能總結(jié)分為五點(diǎn)：

1.知識(shí)表示方法多樣化。2.對(duì)知識(shí)的存儲(chǔ)進(jìn)行具體分類管理，有規(guī)劃，統(tǒng)籌管理。這樣就能使知識(shí)變得有調(diào)理，對(duì)知識(shí)的搜索有了一定的范圍，使其更加方便、簡潔。3.可快速有效的對(duì)知識(shí)庫里的知識(shí)進(jìn)行查詢和檢索。為用戶提供更有效的查詢功能和檢索工具，還可以實(shí)現(xiàn)精確條件查詢。4.可根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行知識(shí)庫增、減、刪、改的操作。由于人類知識(shí)存在不斷的變化和更新，每一次的更新和變化都需要在知識(shí)庫里完成最新的存放。5.定期對(duì)知識(shí)進(jìn)行維護(hù)和管理。主要指對(duì)知識(shí)庫使用權(quán)限的確認(rèn)，對(duì)知識(shí)庫內(nèi)容進(jìn)行修改的權(quán)限的確認(rèn)，另外還要定期對(duì)知識(shí)庫進(jìn)行安全檢查，并完成文件的管理工作，這樣即能對(duì)知識(shí)庫進(jìn)行有效維護(hù)，又可避免部分違法的操作方式給知識(shí)庫造成損壞。

（三）空間數(shù)據(jù)庫的建立

通常情況下數(shù)據(jù)的采集、標(biāo)準(zhǔn)化、綜合和自動(dòng)錄入是GIS數(shù)據(jù)采集的主要功能。地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源十分廣泛，野外實(shí)測(cè)、遙感、航拍、GPS生成的矢量數(shù)據(jù)或柵格數(shù)據(jù)都是其來源，一些已成的統(tǒng)計(jì)表格、文字也可根據(jù)需要，輸入到空間數(shù)據(jù)庫中。

空間數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括分層矢量數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型（DEM）的高程數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等。DEM數(shù)據(jù)主要通過基于區(qū)域的模型來實(shí)現(xiàn)，矢量圖中的數(shù)據(jù)根據(jù)基于對(duì)象的模型來實(shí)現(xiàn)，其中包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)組織簡單的說就是對(duì)各類數(shù)據(jù)的管理，主要有空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)等?？臻g地物可根據(jù)點(diǎn)、線、面等來完成對(duì)象的分類。按照幾何對(duì)象對(duì)空間地物進(jìn)行分配，標(biāo)識(shí)符號(hào)為OID，在工程中多空間地物的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，將數(shù)據(jù)一一例入統(tǒng)一的表格中進(jìn)行存檔[5]。

四、總結(jié)

本文基于BP算法提出了用于GIS預(yù)測(cè)的一種BP預(yù)測(cè)模型組織結(jié)構(gòu)，并闡述了模型中數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫的構(gòu)建方法。但在實(shí)際預(yù)測(cè)過程中，原始數(shù)據(jù)的選擇和歸一化方法同樣是模型能否建立的一個(gè)重要方面。如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效選擇，提高預(yù)測(cè)效率，仍然是需要進(jìn)一步研究的課題。

參考文獻(xiàn)：

[1]Simon Haykin. Neural Networks： A Comprehensive Fondation[M]， 2nd Edition

[2]張艷秋. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的知識(shí)獲取研究[D]. 南京：南京師范大學(xué)， 2011.

[3]史忠植.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[M]， 北京：高等教育出版社.2008