专题二：地球空间信息机理的研究进展

1、专题二专题二 地球空间信息机理的研究进地球空间信息机理的研究进 展展 -空间关空间关 系系 姓名：谭超 学号：112015318001318 1 2 3 4 5 内内 涵涵 研研 究究 内内 容容 描描 述述 应应 用用 特特 征征 6 研研 究究 现现 状状 与与 展展 望望 2002 2004 2006 2008 一、空间关系的内涵 这里添加说明文字 曹涵提出空间关系是指空间实体 之间的一些具有空间特性的关系， 它反映了实体内部或实体与实体之 间的空间存在关系。主要由空间实 体的两个几何特征位置和形状所决 定。 2012 2002 2004 2006 2008 空间关系的内涵 这里添加说明

2、文字 付强提出空间关系是由地理空 间对象的几何特征而引起的并与地 理空间对象的空间特性有关的关系， 即空间关系是地理空间实体之间存 在的并且具有一些空间特征的关系 2012 2002 2004 2006 2008 空间关系的内涵 这里添加说明文字 杜世宏提出空间关系可以是由空 间现象引起的集合特征（空间现象 的地理位置与形状）引起的空间关 系，如距离、方位、连通性、相似 性等，也可以是由空间现象的几何 特征和非几何特征（包括度量属性， 如高程值、坡度值、气温值等；名 称属性，如地名、物体名称）共同 引起的空间关系，如空间分布现象 的统计相关、空间自相关、空间相 互作用、空间依赖等，还一种是完

3、全由空间现象的非几何属性所导致 的空间关系 2012 2002 2004 2006 2008 空间关系的内涵 这里添加说明文字 张克定提出：空间关系并不是存 在于客观世界的自然之物，而是人 类的主观识解使然。这说明，事物 是客观存在的，但事物之间的空间 关系( 包括其他关系) 则是人通过观 察、感知、识解而赋予事物的。 2012 2002 2004 2006 2008 空间关系的内涵 这里添加说明文字 马雷雷提出空间关系是空间信息 的重要特征之一，是地理信息系统 中空间数据组织、查询、分析和推 理的基础，它贯穿与地理信息系统 的表达、生产、分析、管理、决策 和应用等各个阶段。 2012 空间

4、关系 内涵 总结 空间关系内涵总结 123 空间关系空间关系认知认知 空间关系空间关系表达表达空间关系空间关系推理推理 二、空间关系研究内容二、空间关系研究内容 2006年，杜世宏等提出空间关系研究内容如下： 2009年，李松在此基础上又增加了基于空间关系系的查基于空间关系系的查 询分析询分析这一内容。 三、空间关系的类型三、空间关系的类型 1991年，Egenhofer提出可以将空间关系分为如下几种类 型： （1）拓扑关系：表示临近和关联程度，例如地理实体 （行政区划）之间的邻接、相离、包含、相交等关系； 方向关系：例如东、西、南、北、东南、西南、西北、东 北、上、下、左、右等； （2）顺序

5、关系：例如在.之内、在.之外、在.中间； （3）距离关系：表示地理空间目标要素间的关系(依据某 种度量)例如地理空间目标之间的距离远近、亲疏程度等； （4）模糊关系：例如接近、贴近、疏远等。 三、空间关系的类型三、空间关系的类型 1992年，王家耀院士提出传统的空间关系主要包 含拓扑关系、方位关系和度量关系三种关系类型。 （1）拓扑关系：拓扑变换后始终保持不变的空 间关系，例如相交、相邻、相离、包含于、包含、 内切等； （2）方位关系：主要指空间几何对象在空间中 的顺序，东、西、南、北、前、后、左、右等； （3）度量关系：即传统意义上的度量关系，是 指能利用某种具体尺度描述地理空间对象的度量关

6、 系。 2006年，杜世宏在王家耀院士的基础上又增加了 空间关系相似性空间关系相似性这一描述方法。 三、空间关系的类型三、空间关系的类型 2009年，李松认为拓扑关系拓扑关系是指在拓扑变换下的 拓扑不变量，即在拓扑变换（旋转、平移、缩放等） 下保持不变的空间关系；空间方向关系空间方向关系是在一定的 参考框架下，以一个空间对象目标到另一个空间对 象目标的指向。因而，空间方向关系的定义必须包 含三个要素：参考框架、参考目标和源目标；距离 关系是度量关系的一个主要方面，它是指用度量空 间中的某种度量尺度来描述目标之间的关系，如目 标间距离、远近等。在距离关系距离关系方面，目前的研究 热点主要集中在空

7、间数据的空间查询放面。 2021-7-6 四、空间关系的特征四、空间关系的特征 1 空间关系 的尺度尺度特 征 2 空间关系 的认知认知特 征 3 空间关系 的层次层次特 征 2021-7-6 四、空间关系的特征四、空间关系的特征 4 空间关系 的不确定不确定 性性特征 5 空间关系 的时间时间特 征 6 空间关系 的形式化、形式化、 可推理可推理特 征 2021-7-6 五、空间关系应用五、空间关系应用 1 234 空间空间 查询查询 语言语言 空间空间 数据数据 检索检索 空间空间 数据数据 挖掘挖掘 空间空间场场 景相似景相似 性评价性评价 中应用中应用 六、空间关系的研究现状与展望六、

8、空间关系的研究现状与展望 1、现状研究现状研究 空间关系理论的研究与发展正日益受到空 间数据库、地理信息系统(GIS)、人工智能和 计算机视觉等相关领域研究者的重视。空间 关系的表示和分类对于在空间数据库中进行 空间检索、空间定位、空间存储以及空间推 理等都是非常重要的。国内外学者对空间关 系的研究主要集中在拓扑关系、方向关系和 距离关系等方面，取得了一系列的研究成果， 为空间数据的组织、查询、分析和推理奠定 了坚实的基础。 六、空间关系的研究现状与展望六、空间关系的研究现状与展望 但是在研究内容和范围上仍需进一步发展。 这是因为, 一方面, GIS 本身的理论、技术和 需求使得空间关系向多维

9、、不确定性和多层 次空间关系描述与推理方向发展; 另一方面, 尽管空间关系在 GIS 领域得到了最充分的发 展, 但是其他一些学科, 如智能机器人、计算 机视觉和图像理解、遥感图像智能解译等领 域也越来越重视空间关系的作用。 2、展望展望 空间关系的应用空间关系的应用 4 三维空间关系三维空间关系 1 不确定空间关系不确定空间关系 2 复杂目标间的多层次空间关系推理复杂目标间的多层次空间关系推理 3 遥感图像空间关系的抽取、描述与推遥感图像空间关系的抽取、描述与推 理理 5 主要是研究空间关系与人们认知之间的关 系。认知对空间关系的影响表现在对空间关 系概念划分的影响、自然语言空间关系的特 征

10、和表现等方面。 （1）空间关系空间关系认知认知 （2）空间关系空间关系表达表达 主要目的是建立空间对象与所对应的空间 关系之间的映射。通过该映射, 任意空间对象 间的空间关系都可以用一个词语或句子来表 达。这是一个多对一的映射,即一对空间对象 只能用一个关系来描述。不同的空间关系可 以采用不同的方法, 但映射的结果必须与认知 概念接近, 还必须考虑到空间关系的形式化和 可推理等特征。 （3）空间关系空间关系推理推理 空间关系推理是空间关系应用的一个重要 方面, 是继空间关系表达后的另一个研究热点。 空间关系推理可以分为定量推理和定性推理。 定性推理在一定程度上比定量方法更接近认 知, 更容易让

11、人们接受, 因而成为空间推理的 主要方法。空间关系推理是建在空间关系表 达基础上的, 推理输入、过程和结果都受空间 关系表达的影响, 因而不同的空间表达方法有 不同的推理方法和结果。 （1）空间关系的）空间关系的尺度特征尺度特征 空间关系研究的主体是空间对象之间的各 种关系, 而空间对象是具有尺度特征的, 因而 空间关系也具有尺度特征。 （2）空间关系的）空间关系的认知特征认知特征 空间关系是人类对地理现象或环境的认知 概念在 GIS 中的直接反映, 因此与人类的认 知密切相关。GIS 是一个辅助人类进行决策 的工具, 要达到这一目标, GIS 必须能够接受 人类对地理现象或环境的认知和表达,

12、 能正确 理解用户输入的概念, 并且能把处理的结果按 照符合认知要求的形式输出。 （3）空间关系的）空间关系的层次特征层次特征 空间关系的层次特征表现在两个方面, 一个 是由空间关系语义引起的层次性; 另一个是由 空间对象的层次性引起的。空间关系的语义 层次主要体现在语义分辨率上。空间对象的 层次性可以是自然形成的( 如交通网层次树、 水系层次树等) , 也可以是经过分类和聚类形 成的( 聚类和分类算法形成的各个类别和聚类 之间的层次关系) 。 （4）空间关系的）空间关系的不确定性特征不确定性特征 空间关系的不确定性表现出了空间关系的复杂性, 是 现实世界中地理现象或环境复杂性在 GIS 中的

13、具体表 现。空间方向关系的不确定性可以由下面的几个因素引 起: A 、人们的认知所具有的不确定性。不同的人对方向 关系有不同的理解, 特别是人对空间关系的认识是具有 模糊性的。 B、空间数据具有的不确定性导致空间关系是不确定 的。 C、空间关系在分析处理及应用中也会具有不确定性, 如数据集模糊匹配等。这种不确定性是对不确定性数据 进行分析所需要的, 也可能是由分析处理过程本身所决 定的。 （5）空间关系的）空间关系的时间特征时间特征 有些空间对象的空间位置和范围是随着时 间变化的, 如地块的分割、合并, 火灾区域的 蔓延, 鱼群的迁移等, 这种随时间变化的对象 称为时空对象。 （6）空间关系是

14、）空间关系是形式化的、可推理的形式化的、可推理的 一个空间关系表达模型必须是形式化的, 以 方便在空间数据库中进行空间关系查询;它必 须是可推理的, 以方便能够从已知的关系推理 出未知的关系; 它必须是可比较的, 以能够对 空间关系进行比较, 定义空间关系之间的相似 性。这是一个空间关系表达和推理模型所具 备的基本特征。 （1）空间）空间查询语言查询语言 查询语言是一种从空间数据库中检索数据 的有力工具, 而空间数据检索是空间数据管理、 提取、显示、分析等GIS 功能的基础。然而, 传统关系数据库的结构化查询语言( SQL) 不 能处理空间数据, 因此设计和实施空间查询语 言是非常必要的。由于

15、空间数据的特殊性, 空 间查询语言的设计和实施比传统数据查询语 言复杂得多。已经提出的空间查询语言有结 构化空间查询语言、自然空间查询语言、可 视化空间查询语言以及基于草图的空间查询 语言等。 （2）空间）空间数据检索数据检索 空间查询语言只是一个用户和GIS 进行交流的接 口规范,真正的数据检索策略和方法是非常复杂的, 包括数据组织结构、空间关系匹配与空间数据搜索 策略等。Papadias描述了用于一维间隔关系表达的 一个二进制串编码及其相似性度量,并把编码扩展到 了多粒度和多维空间, 用于表达空间对象的空间关系。 在此基础上研究了基于时空关系的对象检索、空间 并查询、结构查询、对象时间序列

16、的动态查询等问 题。 （3）在）在空间数据挖掘空间数据挖掘中的应用中的应用 空间数据挖掘是从空间数据库中抽取隐含 的知识、空间关系没有明显存在于空间数据 库中的其他模式。空间关系在数据挖掘中可 以用来表达挖掘到的知识和规则, 以及用于提 取与挖掘任务相关的数据和简化挖掘算法等。 （4）在）在空间场景相似性评价空间场景相似性评价中应用中应用 空间场景的相似性包含了场景几何结构相似 性及语义相似性。空间关系用来捕获空间对 象分布,通过多分辨率模型, 允许从不同尺度 和不同层次分析拓扑、方向和距离关系, 从而 度量空间结构相似性, 而语义相似性通过特征 类的语义网来评价 。一个复杂空间场景中的 多个

17、不同类型对象间存在多类型和多层次空 间关系。这些复杂关系可用基本的拓扑、方 向和距离关系的组合来描述, 因而场景相似性 用拓扑、方向、距离相似性的组合来度量。 （1）三维空间关系）三维空间关系 现实世界是一个三维模型,而现有的 GIS 中 所存储的数据和提供分析功能基本上都是二 维的, 对三维数据的建模和分析很有限。同样, 对空间关系的研究也是集中在二维方面, 对三 维空间关系的研究远远不够, 特别是三维目标 间方向关系和邻近关系的认知和描述。 (2) 不确定空间关系不确定空间关系 由于现实世界中的很多现象复杂多变, 受数 据采集方式、人们的认识以及GIS 中描述方 式的影响, GIS 所描述

18、的空间关系与真实目标 间以及与人们认知中的空间关系间总存在差 异, 即空间关系是不确定的, 如何描述和处理 不确定空间关系, 特别是把不确定空间关系应 用到 GIS的空间分析等应用中是一个新的研 究方向。 (3) 复杂目标间的多层次空间关系推理复杂目标间的多层次空间关系推理 目前空间关系的研究主要集中在简单目标 和 2 个对象间空间关系的描述和推理问题。 而缺乏对复杂目标( 多个简单目标组成的复杂 目标) 空间关系描述和推理的研究。复杂目标 间的空间关系是多层次的, 包括简单对象与简 单对象、复杂对象与简单对象、复杂对象间 的空间关系, 这种多层次空间关系的描述、推 理和传递机制, 都需要进一步研究。 (4) 遥感图像空间关系的抽取、描述与推理遥感图像空间关系的抽取、描述与推理 目标空间关系的描述和推理主要是基于矢 量目标的,很少研究栅格目标间的空间关系。 图像目标间也存在同样的空间关系, 对于图像 理解和语义描述是非常重要的。但是, GIS 中 矢量目标是已存在的, 而遥感图像中的栅格目 标及其空间关系需要抽取才能获得。因此如 何把矢量目标间的空间关系描述和推理应用