《GIS研究方法》PPT课件.ppt

GIS论文撰写中的思维方法 艾廷华2009年10月 GIS研究方法序列讲座之三 内容 GIS研究的特点 GIS论文写作中的几种思维方法 分析与综合 归纳与演绎 比较与分类 形式化加工 GIS论文的选题 结论 GIS研究的特点 1 研究对象外延广阔 多种学科性质交叉地理理科 测绘工科 计算机技术应用 信息管理 可视化艺术 研究内容的聚焦性弱概念定义 原理方法 技术开发 工程应用 研究方法综合性强归纳演绎 分析综合 推理论证 形式化 思维方式多元化感性思维 形象思维 逻辑推理 形式化表述 2 与其他学科联系紧 独立性差 计算机科学技术 数据库 算法 模型 分析 地理学 大地程测量 摄影程测量 地图制图学与地理信息工程 地图学与地理信息系统 自然地理 人文地理 地图与GIS 测绘科学与技术 数学基础理论 数的统计 形的几何计算 形式化推理分析 3 研究内容的非平衡性 Geometric研究文献多 Geographic的研究文章少 GISystem的技术性文章多 GIScience理论原理少 GIService管理 社会化服务的更少 反映了GIS的发展历程 技术驱动 计算机信息技术基本问题开始 逐渐走向应用 走向地理 地学问题的解决 同时反思科学原理层次上的GI学科专业问题 GIS研究的热点问题摘自Peterfisher 14年编辑 对 IJGIS 期刊发文的总结 2 GIS论文写作中的几种思维方法 GIS论文写作面临的困惑 难于将实际工作提炼上升为原理方法 难于将支持理论方法与研究问题作深入结合 难于与过去 他人工作区分开产生创新思想 难于将复杂的思想 过程梳理成条理清晰的文字表述 难于将不同学科的思想方法集成 难于将文字聚焦到很精细的主题上 难于将文献材料 试验工作 数据分析结果协调统一 难于维持并列主题的文字内容的平衡 解除困惑 在写作技巧上要训练培养良好的思维方法 方法 关于解决思想 认识 行为等问题的门路 程序等 用世界观去指导认识世界 改造世界 最高学历PhD 哲学含义 做研究的方法论教育的目标 授人以鱼不如授人以渔 方法的分类 哲学认识方法 本体论 学而上学 一般科学方法 观察 归纳演绎 专门科学方法 编程序验证 用地图诠释 论文写作中的思维方法 思维的律化 研究障碍的克服文章写作中的三个阶段 一片空白一片混沌一片清晰 1 分析与综合 把整体分解为部分 把复杂的实物分解为各个要素 并对这些部分要素分别加以研究和认识 深入剖析 引言写作中对现状从多个角度 多个问题剖析 对影响因素 条件 过程剥离开逐个展开叙述 公式的参量定义 取值范围 量化方法 算法划分模块分各个子过程叙述 要求对相关知识点的描述框架 分类体系 涉及条件范围 认识过程阶段 建立自己的 档案 写文章时在该框架下分解展开 使叙述深入 避免只在总体层次上的泛泛而谈 分析 空间数据模型 基于目标 基于场GIS数据特征 空间 时态 语义空间数据质量 定位精度 属性精度 逻辑一致性 完备性 数据处理历程数据可靠性 精确度 准确度空间尺度 广度 粒度 频度地图三大特征 一览性 直观性 可量算性地图三大理论 地图综合 地图符号 地图数学基础数据度量的尺度特征 定名 差异 等级 比率空间关系 拓扑 距离 方位地图符号参量 大小 形状 方向 纹理 密度 颜色 灰度空间数据挖掘内容 association classification clustering地形表达的数据模型 等高线 DEM TIN 描述群点分布度量结构的特征参量群点分布的度量结构是空间邻近关系的体现 在计算几何中 Delaunay三角网及其对偶Voronoi图是邻近分析的有力的模型工具 三角网中的三角形边表达了具有邻近关系的点对连接 Voronoi图中的多边形元从空间等分性出发表达了点的影响范围 本文运用这两种模型定义群点分布的四个特征参量 分布范围 分布密度 分布中心与分布轴线 分布范围 分布密度 分布中心 分布轴线 其基本思想是利用许多形状简单 如点 正方形 小立方体 小球体等 的微小粒子作为基本元素 通过随机发生过程 来模拟不规则的模糊地物 引入多个随机数控制该过程的一系列参量 基于粒子系统的符号模型是粒子的诞生 活动和死亡三个阶段来描述 这三个阶段具有随机性 在某一时刻所有存活的粒子的总合就构成了符号模型 粒子的诞生第f帧新诞生粒子数目P fi random v fi 其中 random 是 1 1 上均匀分布的随机函数 M fi 和V fi 是第fi帧新诞生粒子数目的平均值和方差 可定义为常数或变量 如定义为M di M f0 M di f0 粒子的活动粒子在诞生时被赋予了初始属性 此后 粒子在初始属性的基础上进行活动直至死亡 粒子的活动是一个递推的过程 已知fi 1帧时粒子的属性值 则fi帧时粒子的属性值可按下式计算S fi f S Si 1 粒子的死亡粒子诞生时赋予了生存期t0 t0用帧数表示 生存期随着一帧一帧的过去而递减 当递减为零时 说明粒子到了死亡时刻 要从粒子系统中删除掉 本节从数据组织角度针对数据量压缩和尺度变化粒度精细 在几何细节层次上变化 分析提出四种实施多尺度表达的策略 并重点研究其中的两种 变化累积模型 与 Morphing演变模型 在尺度变化空间 与尺度s对应的表达为f s 由尺度si到si 1的表达变化为 fi f si 1 f si 这里我们以数据库的存储内容为考察对象 则多尺度表达的实现技术可总结为以下四种策略 I 多级尺度显式存储型 数据库存储的数据集为 f s0 f s1 f s2 f si II 初级尺度变化累积型 数据库存储的数据集为 f s0 f1 f2 f3 f4 III 关键尺度函数演变型 数据库存储的数据集为 f sk0 f sk1 f sk3 其中ski为关键尺度 IV 初级尺度自动综合型 数据库存储的数据集为 f s0 在分析的基础上 把研究对象的各个部分联系起来从整体上探求实物本质规律从已知引导到未知 从局部引导到全部不是简单的组合 要寻求有机联系在文章的讨论部分 结论部分 应通过 综合 思维 将分别展开研究的内容集成 得出总体层次上的结论 综合 4 结束语群点在空间分布上的结构化信息表现为三维特征上的分布密度 密度可视为 x y 上的类似于高程z的属性描述 二维特征上的分布范围 一维特征上的分布轴线 零维特征上的分布中心 这些特征参量间具有相关性 在分布范围多边形上提取骨架线可得到分布轴线 分布密度的峰值提取可获得分布中心 群点分布的空间特征本质上通过点之间的邻近关系体现 Delaunay三角网和Voronoi图是邻近关系分析的有力工具 本文基于这两种模型建立了四种特征参量表达与计算的方法 分布范围充分顾及了Gestalt邻近性原则 通过Delaunay三角网 剥皮 操作 获得的多边形边界能真实表达群点的覆盖范围 与凸壳法比较具有明显的优势 分布密度的表达建立在Voronoi图空间剖分基础上 每一剖分区域以点代面 将密度转化为面积 提取密度峰值可以获取分布中心 以四个分布特征的保持作为条件 本文建立了 河网的综合选取要综合考虑诸多因素 如河流等级 河流长度 汇水面积等 这些因素间有一定的相关性 但在某些条件下并不一致 使得依据其中单一因素选取会导致错误的综合结果 如图6所示 A为原始河网图 1为主流 2 3 4为二级河流 5 6为2的支流 在河系网中为三级 如果仅根据长度选取条件 在一定阈值条件下得到B图形结果 长度短的河流2被删除 而其支流5 6反而保留被悬空 显然不合理 如果仅根据河流等级选取条件 三级河流5 6被删除 仅保留1 2 3 4 如图C所示 河流5长度较大 应当视为重要的河流 被删除不合理 比较理想的结果应当为D图所示 等级低但长度长的河流5被保留 等级高但长度短的河流3被删除 以汇水面积大小作为选取条件 河流综合选取的结果会改善 根据汇水区域多边形间包含关系的层次性特征 某级别河流 如图6中的2 的汇水面积必然大于其任一支流的汇水面积 如图6中的5 6 这样就不会出现象图B所示的父支流被删除了而孩子支流被保留的 河流悬空 情形 另外汇水面积的大小取决于河流的空间分布 若高级别的河流处于河流分布密集的背景下 通过竞争只能获得的小面积的汇水区域 相反 河流级别低 但处于河流分布稀疏背景下 其汇水区面积较大 出现了如图6所示的低级别河流5的汇水面积反而大于高级别河流3的汇水面积 以汇水面积大小为选取条件的河流综合保证低级别河流但汇水面积大被选取 而高级别河流但汇水面积小被删除 这种情形对应于河网发育极不平衡的水系 主流的某些分支层次深度特别深 而其他分支的深度特别浅 如果根据级别高低综合选取这类河系 将严重歪曲河网的分布形态 通过以上的分析以及我们的实验工作 发现汇水区面积是判断河网中河流重要性的合理的指标 A原始河流数据B根据长度大小选取C根据Horton码级别选取D合理的选取图6 依据不同指标对河流综合选取的几种情形 Figure6 Theriverselectionfromcatchmentbasedondifferentparametertolerancesrespectively A originalrivernetwork B Selectbylengthtolerance C SelectbyHortonorder D Idealselection 数字 地图 2层含义生产的技术手段 数字技术与模拟技术产品形式 数字产品与模拟产品4种结合 1 模拟技术生产模拟产品 传统地图集的编制 地图册的生产 2 模拟技术生产数字产品 扫描地图集中页面制作电子地图多媒体光盘 3 数字技术生产模拟产品 CorelDraw矢量化跟踪输出常规印刷纸张图 4 数字技术生产数字产品 数字摄影测量生产DEM 三维动画电子图 传统模式 1 过渡模式 2 3 现代模式 4 不仅技术手段都是在数字环境下通过数字技术工具 产品形式也是数字式的 先分析再综合 广度 粒度 频度 X 空间 时间 语义 频 对 尺度 概念先分析再综合 2 归纳与演绎一对重要重要的逻辑思维方法归纳 从个别到一般 从底层上升 提炼 导出一般的原理方法从经验事实找普遍规律归纳方法是科学研究的重要思维方法在文章写作中 大脑首先产生的是一些零碎 跳跃式的思想 需要很好的归纳 提炼 上升 整理成逻辑严密 理论性强的文字 零碎的片断变化的比例尺多层次结构组织情感倾向性定性化相对空间关系不确定性 模糊性有变形 曲解非一致 心象地图vs常规地图 连续的平面固定均一比例尺同一水准物理 本体 定量化可量算 绝对 精确 明确准确一致性 心像地图的特点 空间表达的非均一性 内容选取的非客观性 空间定位的非确定性 度量特征的非精确性 初步的想法 归纳后的表述 归纳 Comparedwithotherdomainssuchasimageprocessing computervisionandcomputergraphics GISdealswithspatialobjectswithvectorrepresentationatlargerscale TheshaperepresentationinGIShasthefollowingproperties Abstraction AccordingtoGestaltcognitionprinciples welookatanobjectfirstobtainingthewholecompletesensetorecognizetheregionshape andthenlookingintothedowndetailstomakeuptheshape Itmeanstheshaperepresentationshouldfirstlybeabstractedthroughthesimplificationtogetageneralizedconcept Inimageprocessing weusenoisereductionmethodstoremoveminorordeflectiondetails InGISfiled thevectordatacanapplymapgeneralizationtechnologytogettheabstractedstructure BrasselandWeibel1988 SymbolizationForregionshapedescription weusuallyestablishtheassociationbetweentherecognizedobjectandthetemplatepatterninourmemory whichisfamiliartousaccordingtoourknowledgeandexperience Thistemplateisusedasasymboltorepresenttheregionshape Rainsford 2002 TheshapetemplatecouldbethetextlettertheChinesetext thefamiliaranimal thegoodsindailylifeandsoon WeusuallysaytheterritoryofChinaislikeagreatcockandItalyabootasshowninfigure1 Thesymbolizationmakestheshaperepresentationeasytounderstandandcommunicate Indetermination Theshaperepresentationreliesonthecognitionofhumanswithdifferentbackgroundknowledge intendinginterestsandemotions Soforthesameregionobject differentpersonsmayrecognizegettingdifferentshapes Theindeterminationofregionshaperecognitionmakestheshapequeryuncertainintemplateselectionandthedecisiondegreetowhichextenttwoobjectsaresimilar ThesamebuildingmaybeidentifiedasL UorVshapefordifferentpersons 演绎 从一般到个别的推理形式三段式 大前提 小前提和结论演绎推理是一种必然性推理 只要大小前提正确且合乎逻辑 则推出的结论是正确的在文章写作中 演绎的思维方法通常表现为经典定理 原理方法的应用 为某个分析寻求理论支持 建立某个方法的转化应用 然而GIS毕竟不是理论性很强的研究 该学科中的权威的理论方法 定理并不多 GIS研究中的经典理论 可以作为演绎推理的大前提地理学第一定律 Everythingisrelatedtoeverythingelse butnearbythingsaremorerelatedthandistantthings Tobler 1979 地理分析 空间数据挖掘 场模型建立的理论基础地图综合的开方根规律 空间数据选取 重采样 尺度变换的理论依据度量学的四种尺度划分 定名 等级 差异 比率 空间数据 语义特征定义 量化的依据 误差传播规律 精度分析 质量分析的基础设施分布的区位规律 GIS辅助设施选址的出发点 需要了解地学其他分支的基本知识 提升GIS应用研究的理论出发点的高起点 既然这种可视化是按照一定数学法则转换而来的 为什么没有常规地图那样的距离 方位可度量特征呢 其实该表达也是具有度量特征的 只是精度不同 这里不妨对 度量 概念的本质作一些分析 度量 具有粒度 层次性特征 度量到哪一层次的精度由尺度的分辨率决定 Stevens发表在 Science 上的关于度量描述的文章 定义了四种尺度下的度量概念 定名量 有序量 间隔量 比率量 20 按照该顺序量化的程度逐渐加强 有序量可以表达等级上的度量差异 可以进行大小比较运算 但缺乏差异多少的定量化表达 而间隔量 比率量不仅可表达大小 强弱级别差异 还能进一步说明差异多少 相差倍率 路网构架图通过抽象化后 仍然可以表达距离上的远近关系 路程上的等级 只不过是通过有序量表达的 例如在地铁路网构架图上 里程表达为 n站路 代替常规的 X千米 方位表达为东南西北或者是进一步细化的八方向 代替 Y度方位角 实际空间的距离x y若存在x y 在路网构架图映射后仍然有f x f y 对于面域拓扑图各区域间的空间方位关系 拓扑关系表达也维持了实际空间类似的有序量表达 而赛伯网络图对于距离 方位不表达 只是针对赛伯空间的特点表达拓扑结构 对该图的应用需求也只是拓扑意义上的量算 例如图论上的关联度 最短路径 用通过的节点数目表示而不是里程数 连接度 betweenness 等 因此 从低分辨率度量特征考察 以上的可视化表达是具有可量算性质的 地理学第一定理 Everythingisrelatedtoeverythingelse butnearbythingsaremorerelatedthandistantthings Tobler 1979 具有相同背景 收入条件 学历水平的家庭居住在一起 构成特定社区 相同环境资源条件下的区域的经济发展水平处于同一层次 在一定时空尺度范围里 气温变化是缓慢的 3 比较与分类比较 确定对象之间同异关系的思维方法两对象要具有可比性 比较的结果要上升到本质 不要在个例细节上比较 某些概念 技术 术语的特征的总结就是通过比较实现 电子地图的特征 与常规地图比较 网络GIS特征 与单机环境GIS比较 心像地图特征 与一般地图比较 空间数据挖掘特征 与空间分析比较 三维GIS功能 与二维表达GIS比较 在论文写作文通过比较可实现 概念 术语特征的总结 空间数据模型是对实体世界的事物 现象在概念世界中建立的实体及实体关系的表达 在GIS领域 目前普遍采用了两种数据模型 基于目标的和基于场 域 的 前者强调实体的 整体性 模型的描述单位与实体世界的目标单体相对应 但在实体间的空间关系表达上缺乏便捷的策略 通常需要通过复杂的矢量运算 后者描述的对象遍布整个研究空间 强调 相关性 连续性 模型描述的单位划分为极小的面元 实体间的关系通过简单的 相关性运算 如栅格的扩展 收缩等 便可获取 但实体的整体性描述不如前者 存在于两者间的争论犹如二十世纪初物理学中的 波 粒子 之争 Burrough1986 与基于场的观点对应的数据结构包括规则格网结构和不规则格网结构 前者对应的结构单元通常有矩形 正三角形 正六边形 不规则三角网TIN属于基于场的数据模型范畴 三角形单元遍布整个区域无重叠 无缝隙 实体间的空间关系通过三角形连接表达 然而与规则格网结构相比 TIN模型并没有得到广泛应用 往往局限于DTM数字地形模型的表达中 规则格网因结构单一 操作算子简单而倍受青睐 但这种简单产生于结构单元布局的盲目性 导致的弊端是数据量大 需要采用四叉树等结构来优化 TIN的不规则性由目标间三角形有效连接产生 在空间邻近关系表达上更直接 从该意义上讲 TIN在平面空间场的表达上具有与规则格网同等的效用 研究成果创新性特征的提炼 本文建立的移位场模型及操作算法不仅顾及到建筑物的刚体特性 同时考虑了建筑物之间压缩作用的衰减性 其中后者是H jholt 2000 的有限元方法没有解决的 Hojholt P 2000 SolvingSpaceConflictsinMapGeneralization UsingaFiniteElementMethod CartographyandGIS 27 1 65 73 不同技术方法优势 不足的比较 Inthisfield theextractionofvalleyandridgelinesbasedonDTMdataisactiveachievinglotsofalgorithms Band 1986 Yoeli 1984 O Callaghan 1984 Qianetal 1990 Mark 1984 Generallythesemethodscouldbeclassifiedintotwocategories Oneisusingamovingwindow 3by3or5by5 todetectthesteepestdescentdirectionalongthepointswithlocalmaximum minimumheight andthentotracethechannelpath Anotherwayiscalculatingthecatchmentnumberofeachcellandthenbasedonathresholdtodetecttheflowdirectiontosearchthechannelpath However theextractionoflandformfeaturesdirectlyfromcontoursisnecessary Therearethreereasons 1 Thecontourrepresentationisthemainmethodofterrainmodelinthecartographyhistory Nowtherearemanyexistingcontourmapsheetsinhand OftentheGISusersfirstgetthecontourdataandthenneedtoconstructtheDTM 2 TheconstructionofhighqualityDTMneedslandformfeaturetosupport Howtogetthelandformfeatures Theansweris onlyfromcontourdata 3 Forthecontourgeneralization thelandformfeaturesextractedfromtheDTMdataareindependentofcontourlines Whenthedecisionismadetoeliminateonevalleybranch nopropercontoursegmentiscorrespondenttoremove ComparedwiththeDTMbasedmethods thecontourbasedapproachtoextractterrainfeaturesisverylimited Tang 1992 developsaskeletonextractionmethodwhichisbasedonflattrianglejudgmentusingtheDelaunaytriangulationmodel Fromtheexperimentresult thegeneratedvalleyandridgeisbroken withoutthecompletetreestructure Fei 1993 givesamethodtodetectvalleybottompointsbasedonthecurvaturejudgment Thedistributionsensitivityofvectorpointsoncontourlinesleadstothejudgmentquitedifferentfromthemanualidentificationofvalleysegmentation Inhisstudythefurtherconnectionfromvalleybottompointstochannelpathisnotavailable LandformfeatureextractionfromDEMVScontour 分类 根据事物的共同点与差异点 区分不同种类的思维方法 是对现象 过程 思想认识的深化 解释现象的本质 比较产生知识 分类形成系统 在论文写作中通过分类思维 可以将大量的材料 文献 思想细节条理化 系统化 建立有序的逻辑性强的叙述体系分类的三个原则 完备性 所有条目的并集是完