地理信息系統(tǒng)空間相似性淺談

【摘要】本文通過簡要介紹地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，引入空間相似性的基本概念。并對其計算指標和評價方法做了簡要的介紹，最終討論了其主要的應用前景。

【關(guān)鍵詞】空間相似性；計算指標；應用

1.引言

地理信息系統(tǒng)經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，已從傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)發(fā)展成為空間數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，并將最終向空間決策支持系統(tǒng)過渡，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)管理向空間思維的轉(zhuǎn)變。隨著空間信息技術(shù)的飛速發(fā)展，不同來源、不同格式的空間信息爆炸式增長，如何利用這些空間信息來認識和把握地球和社會的空間運動規(guī)律進行虛擬、科學預測和調(diào)控，相似性是一個廣泛使用的概念，在數(shù)學、心理學、模式識別、人工智能等領(lǐng)域都大量的運用到相似性的概念，人們運用這一概念去分類對象、形成概念、解決問題。

空間相似關(guān)系具有兩方面的含義：一是指空間目標幾何形態(tài)上的相似，二是指空間物體（群）結(jié)構(gòu)上的相似。形態(tài)相似分析本身就是分析的目的。形態(tài)相似在很多情況下是更深層次分析的基礎，提供部分分析依據(jù)，這是因為形態(tài)是空間物體的特征之一，而屬性特征是另一個重要方面。對形態(tài)的相似性分析有兩種途徑，一是在相似變換下圖形吻合度的分析，二是基于形態(tài)參數(shù)的聚類分析或相關(guān)分析。結(jié)構(gòu)的相似是物體間的另一種相似，在地學研究中，我們經(jīng)常會研究地理現(xiàn)象的空間分布和布局，以及地理實體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。河網(wǎng)水系常常被分類為樹狀結(jié)構(gòu)、扇狀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等，這種結(jié)構(gòu)的相似性就是分類的基礎。結(jié)構(gòu)相似是智能化空間查詢的一個重要研究內(nèi)容。

2.空間相似性

2.1影響空間相似性的因素

（1）內(nèi)容：是指相似性評價的使用情況、所發(fā)揮的作用、所使用的推理方法、應用的目的、使用者的思想框架等，內(nèi)容由用戶確定，無需評價系統(tǒng)自動定義，同時，他還受比例尺的限制。

（2）比例尺：是指空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的不同精度，或者不同的抽象層次。

（3）領(lǐng)域知識：是指所應用領(lǐng)域的地理位置、數(shù)據(jù)規(guī)范等。

（4）技術(shù)：是指檢索、搜尋、識別、匹配等所使用的方法。

（5）量算方法：例如，距離的計算等。

（6）排序方法。

2.2空間對象

與地理空間位置或特征相關(guān)聯(lián)的對象稱為空間對象。為了便于空間數(shù)據(jù)的組織和表達，除此之外，空間對象還包括結(jié)點、弧段等幾何元素。通過對地理實體或現(xiàn)象及它們的相互關(guān)系、分布特征、空間特征進行分析和抽象，可以把空間對象定義為如下幾種類型：

（l）點狀地物。點是0維幾何元素，它是三維數(shù)據(jù)模型中最基本的元素，曲線、曲面或其它形體均可用有序點集表示。點狀物是0維空間目標，包括獨立地物點、結(jié)點。在點元素的基礎上加上屬性編碼和屬性表構(gòu)成點狀地物。

（2）線狀地物?；《问且痪S幾何元素，由其起結(jié)點和終結(jié)點加一系列有序集表示。弧段一般沒有屬性意義，它可能是某線狀地物、面狀地物或體狀地物的一部分。線狀地物是一維空間目標，由一條或若干條弧段組成，有自己的屬性編碼和屬性表。

（3）面狀地物。面是二維幾何元素，是物體上一個有限、非零區(qū)域，由一個外環(huán)和若干個內(nèi)環(huán)界定其范圍。面有方向性，一般用其外法矢方向作為該面的正向。

（4）體狀地物是三維幾何元素，由封閉表面圍成的空間，也是歐氏空間中非空、有界的封閉子集，其邊界是有限面的并集。體狀地物是在體元素的基礎上包含了自己的屬性信息。

（5）復雜地物。復雜地物由上述4種中若干個地物組成。

地理實體在GIS中采用目標或場的方法表達，與此相應的分別是矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)中的基本要素為點、線和面，而柵格數(shù)據(jù)的基本要素則為像元。在空間相似性己有的研究成果中，都是采用矢量數(shù)據(jù)進行計算，筆者在本論文中開創(chuàng)性地采用柵格數(shù)據(jù)進行空間相似性分析。

3.空間相似度計算

3.1計算指標

基于空間相似性的算法首先要計算各指標的相似度。這里簡單描述一下各種指標。

（l）位置相似度

比較要素時，考慮要素的位置很重要。使用位置相似度意味著每個要素都有一個清晰而明確的表示點。對于面狀要素來說，該點為表示面狀要素的多邊形內(nèi)部一點，具有旋轉(zhuǎn)、平移和尺度變化的不變性，且能準確的表示多邊形整個的區(qū)域，亦稱為形狀中心點。

（2）形狀相似度

形狀是空間感知的重要特征，它對物體信息內(nèi)容的傳遞要比諸如顏色等多得多。利用形狀特征來區(qū)別和檢索物體比較直觀。形狀描述是通過一些方法生成數(shù)值的描述子來標識形狀，其模型為形狀邊界是一點集，按照某一形狀特征值提取算法對每個邊界點提取相應的形狀特征值，并將它看作為形狀描述參數(shù)的函數(shù)值，再定義一個與各邊界點相關(guān)的參量作為形狀描述函數(shù)的自變量。

3.2應用領(lǐng)域

（1）農(nóng)業(yè)

類似于做一個給定的農(nóng)場設計，在歸檔檢索農(nóng)場的空間布局設計時，可以考慮空間的相似性關(guān)系。

（2）水災監(jiān)測

檢索所有河流洪水造成的覆蓋范圍和研究時，在同一地區(qū)位置查詢中，覆蓋范圍相同的拓撲結(jié)構(gòu)。

（3）市場營銷

主要指空間的產(chǎn)品，客戶群和供應路線。在考慮空間相似性理論的同時，同樣可以把其轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品進行推廣。

（4）生物

根據(jù)空間地物位置、形狀、大小的相似性，可以將濕地分類、原始灌木叢的建模。

4.結(jié)論

通過以上分析得知，相似性評估對于分析和檢索空間信息是很有用的概念，可以幫助搜索者描述和搜索具體的現(xiàn)象、即時的環(huán)境以及與其他環(huán)境的關(guān)系，相似性受空間的整體的影響。同時，空間相似性在未來多個領(lǐng)域如農(nóng)業(yè)、水災監(jiān)測、市場營銷、生物等均有較好的發(fā)展前景。

參考文獻

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作者簡介

袁宗福，（1977-），漢族，男，工程師，吉林省地理信息院，主要從事大地測量，工程測量和數(shù)據(jù)采集……