（地图学与地理信息系统专业论文）基于规则的空间拓扑关系检查.pdf

摘要 g i s 的基础是空间数据，它是地理信息系统不可缺少的组成部分，而空间数据的核 心是质量，其质量在很大程度影响和制约着地理信息系统的可用性，为地理信息系统用 户提供满足质量要求的空间数据是地理信息系统建设的关键任务之一。质量控制是空间 数据生产的一个重要的环节，因此，对空间数据质量检查的研究是十分必要和重要的。 专家系统是人工智能的一个重要分支，可以将其看作是需要知识和经验来解决问题 的智能系统，用于解决社会各个领域中需要专家才能解决的复杂问题，并且被广泛应用。 空间数据质量生产本身所存在的一些特定趋势问题，不是简单的模型问题就能解决的， 因此，采用专家系统用于质量检查体系具有一定的优势。 知识规则是专家系统中的一种方式，本论文采用的是产生式知识规则，通过对空间 关系的研究，将要素间的空间关系存放在规则库中，再将其与地物要素进行比较、分析 和判断，从而完成规则库对空间关系的检查。 论文基于规则的空间拓扑关系检查，以大比例尺地物要素的空间拓扑关系为主要研 究内容。利用知识规则，在点集拓扑理论交集模型关于点、线、面之间的邻接、相离、 相交、包含，重合等拓扑关系，针对大比例尺地图中的八大类地物要素：测量控制点、 水系及其附属设施、居民地及其附属设施、交通及其附属设施、管线及其附属设施、境 界、地貌、植被与土质，分析判断这些地物要素的空间拓扑关系，并列出它们之间的空 间关系表，构成规则库的主要内容，作为空间数据质量检查的依据。 本文研究的关于地物要素的空间关系表可以形成规则库，作为数据质量检查和控制 的依据。基于规则的拓扑关系检查是一个庞大的体系，本文对空间拓扑关系检查运用规 则进行了定义和判断，还需要在实际应用中进行检验和完善。 关键字：空间数据，知识规则，空间拓扑关系，规则库； a b s t r a c t t h eg i ss p a t i a ld a t a ，i ti sb a s e do ng e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mi st h ei n d i s p e n s a b l e p a r to fs p a t i a ld a t a , a n dt h ec o r ei st h eq u a l i t y , t h eq u a l i t yg r e a t l yi n f l u e n c e sa n d r e s t r i c t st h e g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mf o r t h eu s a b i l i t y , g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mc a ns a t i s f y t h er e q u i r e m e n to ft h eu s e rd a t aq u a l i t yi st h ek e yo fc o n s t r u c t i o no fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s v s t e r ni so n eo ft h et a s k s q u a l i t yc o n t r o li sa ni m p o n a n tp r o d u c t i o no fs p a t i a ld a t a ，t h e r e f o r e ， t h el i n ko fs p a t i a ld a t aq u a l i t yi n s p e c t i o no ft h es t u d yi sv e r yn e c e s s a r ya n di m p o r t a n t a ne x p e r ts y s t e mi sa l li m p o r t a n tb r a n c ho fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，c a nb ec o n s i d e r e dn e e d k n o w l e d g ea n de x p e r i e n c et os o l v ep r o b l e m so f t h ei n t e l l i g e n ts y s t e mf o rs o l v i n gs o c i a lf i e l d s o fe x p e r t i s ei sr e q u i r e dt os o l v ec o m p l e xp r o b l e m s ，a n dh a sb e e nw i d e l y u s e d s p a t i a ld a t aq u a l i t yp r o d u c t i o ni t s e l fe x i s t ss o m es p e c i f i cp r o b l e m s ，n o ts i m p l yt r e n dc a n s o l v et h ep r o b l e mm o d e l ，t h e r e f o r e ，a d o p t se x p e r ts y s t e mf o rq u a l i t yi n s p e c t i o ns y s t e mh a s c e r t a i na d v a n t a g e s k n o w l e d g eo ft h er u l e si s aw a yo fe x p e r ts y s t e m ，t h i sp a p e ru s e si sg e n e r a t i n g k n o w l e d g er u l e s ，t h r o u g ht h es t u d yo fs p a t i a lr e l a t i o n s h i p sb e t w e e ne l e m e n t s ，t h es p a t i a l r e l a t i o n si nr u l el i b r a r y , t h e nc o m p a r ew i t ht h et e r r a i nf a c t o r s ，a n a l y s i sa n dj u d g e m e n t ，t h u s c o m p l e t i n gr u l e so nt h es p a t i a lr e l a t i o n s h i p b a s e do nt h es p a t i a lt o p o l o g yr e l a t i o nr u l e s ，l a r g es c a l et e r r a i nf a c t o r si nt h es p a c ea st h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft o p o l o g i c a lr e l a t i o n s h i p s u s ek n o w l e d g er u l e s ，s e tt o p o l o g yt h e o r y i nm o d e la b o u to v e r l a pb e t w e e np o i n t ，l i n e ，p o l y g o n ，f r o mt h ea d ja c e n c y , i n t e r s e c t i o n , c o n t a i n s ，e q u a l ，i ns u c ht o p o l o g yr e l a t i o n sc o i n c i d e s8c a t e g o r i e so fl a r g es c a l et e r r a i nm a p s r r v e y i n ga s b u i l t se l e m e n t s ：w a t e ra n da f f i l i a t e df a c i l i t i e s ，r e s i d e n t st oa n d a u x i l i a r yf a c i l i t i e s ， t r a n s p o r t a t i o na n da f f i l i a t e df a c i l i t i e s ，p i p e l i n ea n da f f i l i a t e df a c i l i t i e s ，s t a t e ，t o p o g r a p h y , s o i l ， v e g e t a t i o na n dt e r r a i n f a c t o r sa n a l y s i s o ft h es p a t i a lt o p o l o g yr e l a t i o n ，a n dt h es p a t i a l r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m ，c o n s t i t u t et h em a i nc o n t e n t so f t h er u l e s ，a st h eb a s i so fs p a t i a l d a t aq u a l i t yi n s p e c t i o n t h ep a p e rs t u d i e so nt h es p a t i a lr e l a t i o n s h i po ft e r r a i n f a c t o r sc a l l f o r mr u l el i b r a r y , w a t c ha st h ed a t aq u a l i t yi n s p e c t i o na n dc o n t r 0 1 b a s e do nt h er u l e s o ft h et o p o l o g i c a l r e l a t i o n s h i pc h e c k i n gi sah u g es y s t e m ，b a s e do ns p a t i a lt o p o l o g yr e l a t i o ni n s p e c t i o nr u l e s d e f i n e da n di u d g r n e n t ，s t i l ln e e di na c t u a la p p l i c a t i o no fi n s p e c t i o na n dp e r f e c t k e yw o r d s ：s p a t i a ld a t a ，k n o w l e g d er u l e s ，s p a t i a lt o p o l o g y ，r u l e l i b r a r y i l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：锡脏垃 二。哆年5 月、，e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：捣脏拄 j 矽年乡月e t 导师签名：，三耘弓哕年f 月。日 长安大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章前言 本世纪五十年代以来，以微电子技术、空间技术、信息技术和现代通讯技术相结合 为特征的信息革命浪潮席卷全球。在这场信息革命过程中，- - i - j 集地球科学、空间科学、 环境科学、信息科学和管理科学新理论，并综合应用计算机技术、测绘遥感技术、现代 地理学和自动制图技术等最新成果的新兴边缘科学一地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 应运而生。作为一种应用技术，地理信息系统按照一种新 的方式组织和使用地理信息，以便更有效地分析和生产新的地理信息；同时，地理信息 系统的应用也改变了地理信息分布和交换的方式。因此，地理信息系统提供了一种认识 和理解地理信息的新方式，从而是地理信息系统进一步发展为- - f - j 处理空间数据的学科 【l 】。 随着信息时代的来临，信息技术改变着人类的生活和社会面貌，地理信息己成为现代 社会赖以生存的重要的信息资源，广泛地应用于政治、经济和人们日常生产的各方面。 世界各国都投入了大量人力、物力、财力进行地理信息系统的研究和开发。 1 1 1 研究背景 g i s 的基础是空间数据，它是地理信息系统不可缺少的组成部分，而空间数据的核 心是质量，其质量在很大程度影响和制约着地理信息系统的可用性，为地理信息系统用 户提供满足质量要求的空间数据是地理信息系统建设的关键任务之一【2 1 。 对于空间数据质量的研究，一直都没有形成完整的理论与技术体系 3 1 ，所有的研究 与成果也基本上停留在其中的某些个别方面，而且研究主要着重于理论方面，空间数据 的质量控制是一个实际的问题，因此，需要一个易于理解的方法来保障空间数据质量。 数据和知识规则的研究主要针对各种空间数据，通过建立专家系统的知识库与规则 库可以为g i s 系统的数据检查、数据共享、数据管理，数据挖掘、决策支持等提供自动 化的驱动机制【1 】。 在g i s 中，知识表达的主要内容是地物要素( 点、线、面) 之间的空间关系：拓扑关 系、度量关系和顺序关系。人们在认识空间物体时，不仅依赖空间物体本身的特性，还依 第一章绪论 赖空间物体间的空间关系。在空间关系中，最重要的关系是拓扑关系，它是空间认知中 最普遍的认知信息。因此，在空间数据质量检查中，拓扑关系的检查成为质量检查的重 点。 本文的研究主要是针对基于规则的空间拓扑关系检查进行研究。 1 1 2 研究意义 g i s 系统的数据质量包括：空间数据的质量控制、属性数据的质量控制、空间实体 之间的关系和空间数据与属性数据之间的关系的质量控制。g i s 系统的空间性决定了空 间数据在g i s 应用中所起的基础和重要作用【3 】，因此，g i s 空间数据的质量控制依然是 g i s 系统质量控制的重点。空间实体之间关系的质量控制以及实体与属性之间关系的质 量控制也就成为g i s 系统质量控制中必不可少的内容。 g i s 空间关系理论研究的进展直接影响着g i s 空间数据模型、空间数据库查询、空 间分析、空间推理、制图综合、地图理解等方面的发展与应用，其研究直接影响着g i s 系统的设计、开发和应用。地理信息系统的数据质量也就必须满足这些空间关系理论的 要求。依照此关系建立的g i s 数据质量检查专家系统中的知识库则可以随时体现与更新 这些理论研究的成果，基于规则的拓扑关系检查要求能够更好很好地理解和分析g i s 系 统中所有地物要素间的拓扑关系。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 空间数据质量和空间关系的国内外研究现状 1 2 1 1 国外研究现状 ( 1 ) 空间数据质量研究 二十世纪六七十年代，g i s 刚刚出现，人们就己经注意到g i s 的质量问题。当时 g i s 数据质量的研究主要采用数理统计学的原理对制图和图形操作运算的质量与精度进 行分析 4 1 。 八十年代，美国测绘界开展了一系列对大比例尺线划图矢量基础地理数据精度标准 的试验研究，美国标准与规范委员会制定了大比例尺线划图的精度标准。开始了g i s 数 据质量问题的系统研究【5 1 。 九十年代以来，g i s 应用技术的日益成熟使得g i s 应用范围更加广阔，越来越多的 2 长安大学硕士学位论文 专家学者开始研究有关g i s 数据质量与不确定性的理论及其应用 6 , 7 1 。 ( 2 ) 基于点集拓扑理论的空间关系 1 9 8 1 年，c l a r k e t l l l 提出了关于空间演算的逻辑公理及其一系列定理。 1 9 8 8 年，g u t t i n g 眦1 以点集为基础，应用集合运算，给出了相等( e q u a l ) 、不相等 ( u n e q u a l ) 、相交( i n t e r s e c t ) 、包含( i n s i d e ) 和相离( o u t s i d e ) 等拓扑空间关系 的定义。 1 9 8 8 年，p u u a r ”1 将点集方法加以扩充，运用拓扑学理论中的点集的边界( b o u n d a r y ) 和内部( i n t e r i e s ) 的概念，给出了相邻( n e i g h b o r ) 和覆盖( o v e r l a p ) 两个关系 定义。 1 9 9 1 年，e g e n h o f e r 1 4 等人在前人利用空间对象包含的点组成的集合之间的关系和 加入对象的边界与内部的概念，进一步细化空间对象间拓扑关系的基础 上，给出点集拓扑学上对拓扑、开集、内部、闭包、边界等的严格定义， 随后建立了确定性区域间的点集拓扑关系模型，即4 一交集模型。 1 9 9 1 年，e g c n h o f e r 1 5 1 等人为了考虑空间对象与其所嵌入空间的关系，在4 元交集 模型的基础上，加入两对象外部的相交关系，建立了9 交集模型。 1 9 9 4 年，e g e n h o f e r t l 6 1 等人将带洞区域a 和b 之间的拓扑关系描述为以下四种关系 的集合：1 ) a 的总区域与b 的总区域；2 ) a 的总区域与b 的每一个洞； 3 ) b 的总区域与a 的每一个洞；4 ) a 的每一个洞与b 的每一个洞。 2 0 0 6 年，m s c h n e i d e r t l 7 1 定义了复杂空间目标：复杂点，复杂线，复杂面，基于 9 交集模型，得出复杂空间目标的5 种点与点，8 2 种线与线，3 3 种区域 与区域，1 4 种点与线，7 种点与区域，4 3 种线与区域的关系，并证明了这 些关系的完整性和互斥性。 1 2 1 2 国内研究现状 ( 1 ) 空间数据质量研究 随着g i s 在应用中所涉及到的空间数据的范围越来越广，对数据产品的质量要求也 越来越高，与国外相比，国内对空间数据质量研究并不多，而且研究范围也比较小，目前 3 第一章绪论 主要有对空间数据的误差类型、来源1 引，误差传播模型【1 9 1 和空间数据的质量控制【z 们。 2 0 0 5 年，沈涛 2 h 等，发表了城市基础空间数据质量检查技术研究的文章，在 城市空间数据质量检查与控制的理论的基础上，结合大比例尺数据生产的 实际情况，提出对空间数据进行几何误差、属性误差及逻辑误差进行整体 检查的方法，同时对实际接边误差进行研究，提出了检查和处理的方法。 2 0 0 6 年，王磊 2 2 1 等，发表了东菀空间数据质量检察系统设计与实现的文章， 在分析东莞空间数据质量的基础上，介绍了空间数据质量检查系统设计原 则，各个质量指标内容及其评价方法，探讨了数据质量自动检查与评估方 法。 2 0 0 7 年，王庆光【2 3 1 ，发表了( g i s 空间数据质量研究的文章，阐述了空间数据 质量研究的重要意义和内涵，重点分析了空间数据质量的误差及其控制方 法，并对空间数据质量的研究前景提出了一些看法。 2 0 0 8 年，林铁等，发表了( ( g i s 空间数据检查自动化的实践盼文章，对g i s 空间数据误差来源、检查方法、检查流程进行探讨，并开发了数据质量检 查模块，对实验数据进行了质量检查。 ( 2 ) 基于点集拓扑理论的空间关系 1 9 9 7 年，廖士中1 3 0 1 等人，以拓扑学为基础，针对4 元交集模型难以解决的拓扑关 系问题，提出了完备集的概念，建立了拓扑关系的闭球模型。基于闭球模 型可以直接推导出拓扑关系的完备集和概念邻域以及复合表。 1 9 9 7 年，舒红【3 1 】等在总结现有时空拓扑关系研究成果的基础上，研究了基于点集 理论的形式化拓扑描述方法。 2 0 0 0 年，赵仁亮【3 2 】等人利用基于v o r o n o i 图9 i 模型( v 9 i 模型) ，研究了空间关系 7 的映射与操作，建立了底层数据结构与空间关系语义层之间的v 9 i 映射机 制，并在v o r o n o i 动态栅格算法的基础上，构建了空间关系的基本操作。 2 0 0 1 年，陈军 3 3 1 等人利用空间目标的v o r o n o i 区域代替区域的补作为9 交集模型中 目标的外部，不仅解决了区域外部难以计算的问题，而且能够区分更多的 4 长安大学硕士学位论文 关系，如：高解析不相交关系和复杂空间目标的关系。 2 0 0 2 年，邓敏t 3 4 】等人引入了9 交集模型中的9 个交集的长度、面积度量，用来描 述面目标之间的拓扑关系。 2 0 0 4 年，钟志农【3 5 】等人，针对当前拓扑关系研究的不足，引入了混合几何的概念 和正规化准则，基于空间对象模型和维扩展9 交集模型，提出了一个拓扑 关系判断模型集成型维扩展9 交集模型( i d e 9 i m ) ，它不但能够判断 简单点、线、面和同构几何集合对象间的拓扑关系，而且还能从复杂空间 对象的总体和局部两个方面对异构几何集合对象间的拓扑关系进行判断， 并作为一个判断任意几何对象间拓扑关系的统一模型。 2 0 0 7 年，陈学- r 3 6 】等人，分析了9 交集模型在实际应用中的不足以及目前的度量 参数不支持带孔面对象的缺点，定义了三对细化的面面拓扑关系，并提出 了一组支持带孔面对象的面对象间空间关系度量参数，加强了面对象间空 间关系的描述可广泛应用于空间查询和空间分析中。 1 2 2 知识与规则理论研究与应用国内外研究现状 1 2 2 1 国外研究现状 国外对基于知识与规则的城市管线g i s 的研究起步比较早，并积累了丰富的经验， 比较有代表性的公司有美国的e s r i 、i n t e r g r a p h 和g es m a l lw o r l d 等限9 1 们。 e s r i 公司在推出的g e o d a t a b a s e 数据模型中，利用了知识与规则，提出了空间事物 的规则，对对象的操作加以规则的限制。它采用面向对象技术将现实空间世界抽象为由 若干个对象类组成的数据模型，每一个对象类均有其属性、行为和规则，对象类之间又 存在有一定的联系。用户可以在已有的空间数据模型基础之上，建立符合应用需求的扩 展模型。g e o d a t a t b a s e 中设计了特征、特征类、关系类、网络、特征行为、特征类行为、 有效规则等大量的新的对象，这些都是g i s 知识与规则的体现。g e o d a t a b a s e 数据模型 的目的就是为了让用户能更容易、更自然地表示g i s 数据特征和更容易地建立特征之间 的各种关系【8 ，9 加l 。 1 2 2 2 国内研究现状 与国外相比，国内对基于“知识与规则”的g i s 应用的研究较晚，还没有形成整体 第一章绪论 力量。近年来，有的学者试图对地理学中的“知识与规则”进行分类、表达，同时也有 不少地学工作者试图把知识与规则引入地学领域，在g i s 支持下，利用知识库和规则库 对某个领域进行研究。 1 9 9 9 年，刘春【2 5 】等，发表了“基于知识规则 的g i s 水系要素制图综合推理的 文章，提出在g i s 制图综合实施过程中，基于知识库的原理和思想，制定了 一套符合水系要素制图综合的知识规则，并利用这些知识规则进行综合过 程的判断和综合算法的选择。 1 9 9 9 年，布和敖斯尔1 2 6 1 ，基于知识发现和决策规则的盐碱地遥感分类方法研究 的文章，把盐碱地分类的地学专家思想和区域专家的思想应用到g i s 数据 挖掘中，并把从g i s 数据库中发现的知识，按一定的规则应用到盐碱地分 类的决策中。 2 0 0 3 年，沙宗尧 2 7 1 等，发表了基于规则知识的空间推理研究的文章，结合人 工智能基本原理，继承并发展空间推理的方法学，其推理过程建立在空间知 识与模型集成的基础上。以规则知识为推理控制。 2 0 0 6 年，王振宇【2 8 1 等，发表了农用地分等汇总制图综合知识规则的建立的文 章，提出针对某一领域的专题地图分别建立制图综合知识规则，在现有的 各种技术规范和综合规则的基础上，结合农用地分等汇总制图综合的实际 工作，总结专家知识、图形和拓扑关系知识，并利用人工智能中的产生式 规则进行知识表达。 2 0 0 8 年，王宗明 2 9 1 等，发表了基于地形图与知识规则的土地利用信息提取的 文章，以1 ：1 0 0 0 0 0 地形图为基础，根据地图制图原理，并结合专家知识 规则，进行了没有影像时期的土地利用信息提取的尝试，以耕地为例，将 提取的结果与当时的统计数据及推算的影像数据进行比较分析和精度验 ： 证。 1 3研究工作 空间数据的质量控制是一项艰巨和复杂的工作，只有采取有效的质量控制手段，才能 保证数据质量。 6 长安大学硕士学位论文 主要工作内容包括： 1 ) 在空间数据质量研究背景和意义的基础上，总结和分析空间数据质量在国内外 的研究现状； 2 ) 空间数据的质量控制就是通过点集拓扑理论中的交集模型，针对空间数据质量 中的空间数据进行拓扑关系检查，通过对知识规则的理论阐述，提出数据质量的 检查规则，建立这些规则的基本表达式，以此作为判定空间数据是否正确的依 据。 3 ) 作为地理信息系统数据质量检查专家系统知识库的组成部分，针对大比例尺地 图地物要素以基于规则的拓扑关系来分析地物要素间点与点、线与线、面与面 之间的空间拓扑关系，分析并列出它们的关系表。 1 4技术路线 基于规则的空间拓扑关系检查，首先要获取空间数据拓扑关系的知识和规则，依据 点集拓扑理论中的空间关系分析，总结归纳空间数据的拓扑关系规则，建立知识与规则 库，并在实际应用中不断的改正和完善，成为g i s 空间数据质量的控制的标准。 ( 1 ) 对空间实体依据点集拓扑学理论及空间拓扑关系的判断，进行规则的设置。 ( 2 ) 将地物要素按照：点要素、线要素、面要素进行分类。 依据大比例尺地物要素可分为： 测量控制点的点要素； 水系及其附属设施的点要素、线要素和面要素； 居民地及其附属设施的点要素、线要素和面要素： 交通及其附属设施的点要素、线要素和面要素； 管线及其附属设施的点要素、线要素，没有面要素； 境界只有线要素； 地貌的点要素、线要素和面要素； 植被与土质的点要素、线要素和面要素。 ( 3 ) 制定点要素、线要素和面要素的拓扑规则； ( 4 ) 依据拓扑规则对地物要素进行分析判断，建立空间关系表，作为空间数据质量控制 的判定依据。本文研究框架结构( 如图1 1 所示) ： 7 第一章绪论 图l - l ( a ) 规则库的建立 图1 - i ( b ) 空间数据质量检查 8 长安大学硕士学位论文 2 1 空间数据 第二章空间数据 2 1 1 数据 数据是构成地理信息系统的四大要素之一，是g i s 最基本和最重要的组成分，其投 资也是g i s 投资中比重最大的部分。数据质量直接关系到g i s 系统的应用，从根本上影 响着g i s 系统应用的质量、水平以及广度和深度。特别是随着地理信息产业的发展以及 g i s 功能的不断改善，对g i s 数据质量提出了更高的要求，g i s 系统的建设者和用户都 越来越认识到数据质量控制的重要性。 数据作为g i s 中的一个重要部分，数据质量控制应贯穿在整个g i s 数据采集过程中， g i s 系统包含了空间数据、属性数据、空间数据间关系，因此它的质量控制应分环节实 施。 2 1 2 空间数据 空间数据是指以地球表面空间位置为参照物的自然、社会和人文经济景观数据，可 以是图形、图像、文字、表格和数字等1 3 7 1 。 随着g i s 理论的进一步发展，g i s 分析结论的可靠性以及各种可视信息产品质量的 基础性问题，日益受到重视。美国是提出地理空间数据标准较早的国家，它于1 9 9 4 年列出 了5 个必须评估数据质量的项目：来源、位置精度、属性精度、完整性和逻辑一致性。随 后，国际地图学协会( i c a ) 的空间数据质量委员会又补充了两项：语义精度和时间信息，并 作了详细说明【3 引。 空间数据质量的检查主要表现在以下四个方面：数据形式检查、数据拓扑关系检查、 数据位置关系检查、数据逻辑一致性检查。 2 1 3 空间数据之间的关系 在利用计算机软硬件资源进行数字地图的绘制时( 如c a d 绘图) ，非常注重数字化线 条的颜色、分类、线型及成图质量，而不考虑空间数据之间的关系以及数据的后继处理， 这一点与g i s 的空间数据有着非常本质的区别。g i s 系统中，空间实体点、线、面之间 的六种组合表达了实体间拓扑关系的相邻性、连续性、闭合性、包含性、一致性等关系， 是地理空间数据处理分析的依据。 9 第二章空间数据 在g i s 中，表示空间拓扑关系的数据属于冗余数据，也就是说，拓扑数据是必须的， 这是因为通过对几何数据的计算可以随时构造拓扑关系。既然如此为什么大多数g i s 仍 旧存贮拓扑数据呢? 这是因为那些构造拓扑关系的计算所花费的代价可能会很昂贵，譬 如综合分析和连通性分析就是很费时的运算，如果有明确的拓扑关系数据作依据，这些 问题的复杂度将会大大减少。具体地说，空间拓扑关系数据的作用体现在以下几个方面 【3 9 】： 1 ) 协助完成有关线状要素联结关系的分析，如：连通性分析； 2 ) 协助完成有关线状要素连接次序的分析，如：路径选择； 3 ) 帮助进行面状要素的邻接性分析； 4 ) 通过建立拓扑关系可以自动发现某些数据错误； 5 ) 帮助查找附近的要素，如：缓冲区分析； 6 ) 帮助搜索相关的要素，如：根据用户要求进行组合查询时可能用到拓扑关系； 7 ) 通过将几何坐标数据与结构数据分开，使数据更新更加容易； 8 ) 降低了只使用几何数据的局限性； 9 ) 更易于把基本的空间要素组合形成复合要素； 1 0 ) 为地图自动配准和转换提供基础； 1 1 1 协助进行空间推理。 2 2 空间数据质量控制 空间数据的质量控制是针对空间数据的特点来进行的，空间数据的质量主要包括数 据完整性、数据逻辑一致性、数据位置精度、数据属性精度、数据时间精度以及一些关 于数据的说明 4 0 l 。 空间数据质量控制的检查方法： ( 1 ) 传统的手工方法 主要是人工将数字化的数据与数据源进行比较，图形部分( 空间数据位置精度) 的检 查方法有目视法和图形法检查。手工方法检查的质量受人为因素影响较大，在对大数据 量的检查或复杂的空间数据检查时存在困难。 ( 2 ) 数据生产控制法 在数据生产时，利用软件自身的显示、查询和修改功能对数据进行检查和质量控制， l o 长安大学硕士学位论文 有一定的效果。 ( 3 ) 软件检查法 将所检查的内容定制到软件中进行检查，根据空间数据的图形与图形、图形与属性、 属性与属性之间的关系和规律编制程序，将数据中不符合规律、逻辑关系矛盾的要素自 动挑选出来，使用人机交互等方式进行修改。软件检查法错误信息定位准确，速度高但 目前己有检查软件仅限于专门检查，不具备通用性，因此要针对具体情况，编制相应的 应用程序，检查数据的质量，并进行相应的修改。 2 3 空间数据质量控制的意义 ( 1 ) 空间数据质量在很大程度上决定g i s 决策的成效。数据质量的好坏影响分析结果 的可靠性及其实现。 ( 2 ) 空间数据质量控制是g i s 生存和发展的保证。缺少数据质量指标的g i s 产品和其 它产品一样，将无法得到信任，因此，数据质量控制对g i s 的发展十分重要。 ( 3 ) g i s 数据精度分析和质量控制的研究对于确定g i s 数据质量标准、评价和质量控 制g i s 产品质量、优化空间数据分析结构、改善g i s 数据处理方法、减少g i s 设 计与开发的盲目性等也有着深远的影响。 ( 4 ) 重视g i s 空间数据质量的精度分析与质量控制的研究对发展测绘技术，或者说对 发展地球空间信息学具有十分重要的意义。 第三章知识规则理论概述 第三章知识规则理论概述 知识库专家系统是地理信息系统产品质量检查的系统，可以判断产品质量是否符合 质量标准。建立专家知识规则库可以有效的对空间数据的拓扑关系判断和检查，保障空 间数据质量。 3 1 专家系统概述 在g i s 系统的应用中，我们经常会遇到一些需要“专家”水平才能解决的复杂问题， 这时候我们就希望能够得到该领域专家的帮助和指导，因此，伴随着人工智能技术与应 用的发展，专家系统应运而生。专家系统强调的是知识而不是方法，很多问题没有基于 算法的解决方案，或算法方案太复杂，采用专家系统，可以利用人类专家拥有丰富的知 识，因此专家系统也称为基于知识的系统【5 3 】。 专家系统是基于知识的系统，具体来说就是运用： 1 )g i s 领域专家的多年经验和专业知识，解决需要专家才能解决的问题，它可 以综合许多地理信息专家、地理学专家、地图学专家的知识和经验； 2 )现有的各种地理信息系统技术规范、规程等，主要包括：城市基础地理信息 系统技术规范、国家基本比例尺地图图式等； 3 )结合实践生产工作，在其中发现的或当中存在的问题，通过解决问题而归纳 总结的知识规则。 专家系统主要包括知识库和推理机，知识库提供调整规则，推理机用来实现决策【4 。 3 1 1 专家系统的发展阶段 专家系统的四个发展阶段： 1 ) 孕育期 1 9 5 6 年，人工智能诞生。6 0 年代初期，人工智能的研究者们通过研究一般的 方法来改变知识的表示和搜索，引入了包括知识表达、学习算法、神经计算和 文字计算领域在内的许多新的基础理论。 2 ) 产生期 6 0 年代中期以后，斯坦福大学成功研制了d e n r a l t 4 2 1 系统，引导人工智能研 1 2 长安大学硕士学位论文 究者意识到智能行为不仅依赖于推理的方法，更依赖于推理所需的知识。这个 系统的完成标志着专家系统的诞生。 3 ) 成熟期 1 9 7 2 年，m y c i n t 4 3 1 系统被开发，该系统是专家系统的经典之作，是基于规则 的专家系统运用于医疗方面。另一个获得广泛关注的是p r o s p e c t o r t 4 2 1 概率 系统，是斯坦福研究院开发的用于勘探矿藏的专家系统，采用结合规则和语义 网络的混合结构。7 0 年代被称为专家系统的成熟期。 4 ) 发展期 专家系统的观念逐渐被人们所广泛接受，并出现了一批批卓有成效的专家系统， 涉及医疗、自然语言处理、数学、地质学、地理学等众多领域。今天，专家系 统是人工智能应用最活跃和最广泛的应用领域之一，已经遍布各个专业领域， 并取得很大的成功。 3 1 2 专家系统的特点 专家系统的特点： 1 ) 专家系统工作效率高，准确性高。 2 ) 专家的经验是非常宝贵的，若不及时将这些专家的经验总结、归纳和保存，那 么一旦当专家离去，这些宝贵的经验也就不存在了，因此，专家系统是不受时 间和空间的限制。 3 ) 专家系统的研究和发展能促进专业领域知识的发展。专家系统汇集多领域的专 家知识和经验，是领域专家专业知识和经验的总结和提炼。 3 2 知识规则概述 3 2 1 知识规则 知识( k n o w l e d g e ) ：是人类在实践过程中所积累的认识和经验的总和。对于什么是知 识人们还没有给出严格的定义，比较有代表性的几种定义方式有t 4 4 1 ： 1 ) f e i g e n b a u m ：知识是经过整理、解释、挑选和改造的信息。 2 ) b e m t e i n ：知识由特定领域的描述、关系和过程组成。 3 ) h a y e s r o t h ：知识= 事实+ 信念+ 启发式。 第三章知识规则理论概述 从自然科学的角度来看，知识是一些事实与概念、规则或规律、方法和技术以及应 用这些概念、事实、规则等的能力的综合体1 4 4 1 。人们通过学习方式获得的知识都被记 忆在大脑中，人脑既可以大量存储知识，又可以灵活自如的检索这些知识，可知大脑本 身就是一个庞大的知识载体。人类的知识非常丰富，它可以涉及到人类生活的各个方面。 对于个人来说，每个人虽然不能获取知识库中所有的知识，但是，随着人类社会的不断 进步，知识量会越来越丰富。 在地理信息系统中，空间关系的类型、空间关系的实例化都是一些静态的、序列化 存储的知识，而这些知识的驱动是依靠一系列的组件来实现的。知识主要从静态的角度 来表达人们对客观事物概括性的、高层次的理解，而规则是从动态角度而言，着重于行 为的规范和约束的表示。知识必须要被使用，要用规则组件来驱动知识，即规则是知识 被使用的一种表达形式；同时规则来源于知识，没有知识的规则组件是没有任何意义的， 知识是规则产生的母体。 按照知识的作用，知识可以分为以下三大类： 1 ) 描述性知识( 事实性知识) ：表示对象及概念的特征及其相互间关系的知识，以及 问题求解状况的知识； 2 ) 判断性知识( 启发性知识) ：表示与领域有关的问题求解知识，如：知识规则。推 理规则等； 3 ) 过程性知识：表示问题求解的控制策略，即：如何应用判断性知识进行推理的 知识。 本文论提到的知识规则就是判断性知识。 规则由驱动知识的若干组件组成，规则驱动知识在地理信息系统中广泛的应用。规 则驱动包括判断性驱动、行为性驱动、运行时驱动4 4 1 。 1 ) 判断性驱动指对相接、相交、相离、包含、包含于、交叠、穿越、相等等空间 关系的判断，如：判断铁路和公路是否相交的特殊情况情况，大多数情况下， 铁路一般不和公路相交； 2 ) 行为性驱动指删除、增加、移动、修改，判断、更新等的驱动，如；公路和河 流相交的错误，就必须将其删除； 3 ) 运行时驱动指管线运行阶段，不仅仅是一般的点、线、面关系导致的行为，而 1 4 长安大学硕士学位论文 是实际运行过程中的行为【4 4 1 。 3 1 2 知识规则的特点 知识规则的特点有以下几个方面： 1 ) 可实现性 是指知识规则可以用某种特定形式的结构表示，并将其转化为适当的计算机程序语言来 实现； 2 ) 可理解性 是指所表示的知识规则应该自然简洁，易于理解； 3 ) 表示能力 是指知识规则的表示范围广，可以判断确定性知识和非确定性知识，而且可将其运用于 不同的领域中。 4 ) 可维护性 是对知识规则所进行的删除、增加、移动、修改，判断、更新等操作的能力，并保证修 改过程中对已有知识规则的内容及结构不产生或少产生影响。 3 3 产生式知识规则 对于空间数据拓扑关系的检查，适合用产生式知识规则，采用产生式规则建立的专 家系统通常称为“基于规则的专家系统 ，它是目前专家系统中应用最广泛的知识表示 方法。 一方面，是因为人们对知识的表示和需求各不相同，知识的形态以及表示方法的多 样性，但是，在自然界中各种知识单元之间大都存在因果关系，这种因果关系可以被描 述为条件和结论的关系，即：产生式知识规则。同时，产生式知识规则的表示方法自然 简洁、直观，它除了能够表示确定性知识、不确定性知识、过程性知识、领域知识，也 可以表示元知识等。 另一方面，是因为产生式知识规则的格式固定，形式单一，而且知识规则间是相互 独立的，知识规则可以独立的增加、修改或删除，但其结果不会直接影响其它知识规则， 即：在整个拓扑规则检查过程中，不存在条件与结果的递归关系，也不存在空间拓扑关 系的复杂运算。 第三章知识规则理论概述 产生式规则知识的表示分两种类型：1 ) 精确型：a t h e nb ；2 ) 非精确型：a t h e nb ( c f ) 。后一种方法是带有不确定性因子的知识表示方法。 精确的规则主要是指：公式、公理，以及定律、定理( 4 5 1 。由于专家的大部分决策 都是在知识不确定的情况下作出的，因此，在决策模型的实际应用过程中，经常使用可 信度c f ( c e r t a i n t y f a c t o r ) 来表示事物和规则的确保程度。造成事实不确定性的因素有 含糊性、不安全性、不精确性、随机性和模糊性。事实的不确定性c f 取值范围为： o c f 1 0 0 。实际问题中，专家的规则大多是经验性的，不是精确的。 产生式规则是使用最多的知识表示方法，一般表达形式如下： 条件1 条件2 条件3a 。 条件n t h e n 结论1 ，结论2 ，结论3 。结论n 它有两部分组成：条件部分是一个或一组描述对象状态的条件语句的逻辑组合；结 论部分是由一个或一组动作行为的结果组成。 1 6 长安大学硕士学位论文 4 1 空间关系 第四章空间拓扑关系 在涉及空间信息的研究领域中，空间对象除了具有各自的几何特征( 位置、形状) 和 非几何特征( 属性值) 外，空间对象之间的一些具有空间特性的关系更为重要，这些关系 【4 6 1 被称为空间关系 。 4 1 1 概述 空间关系是指地理实体之间存在的与空间特性有关的关系，是空间推理、地理信息 系统( g i s ) 和智能导航等领域的重要理论问题之一。空间关系往往同空间对象本身一样重 要，在空间数据建模、空间查询、空间分析、空间推理和地图理解等过程中起着重要作 用。空间关系的描述与表达，是g i s 区别于c a d 等计算机图形处理系统的主要标志【4 7 】。， 最近这些年来，对空间关系理论及其应用研究越来越受到国内外人工智能( a d 、地 理信息系统( g i s ) 、空间数据库及相关学术界的重视，在国际知名期刊a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e 上有多篇文章反映此方面的研究工作，在国际上一些重