地理信息系统空间相似性

【摘 要】本文通过简要介绍地理信息系统的发展,引入空间相似性的基本概念.并对其计算指标和评价方法做了简要的介绍,最终讨论了其主要的应用前景.

【关 键 词】空间相似性；计算指标；应用

1.引言

地理信息系统经过近半个世纪的发展,已从传统的空间数据管理系统发展成为空间数据分析系统,并将最终向空间决策支持系统过渡,实现空间数据管理向空间思维的转变.随着空间信息技术的飞速发展,不同来源、不同格式的空间信息爆炸式增长,如何利用这些空间信息来认识和把握地球和社会的空间运动规律进行虚拟、科学预测和调控,相似性是一个广泛使用的概念,在数学、心理学、模式识别、人工智能等领域都大量的运用到相似性的概念,人们运用这一概念去分类对象、形成概念、解决问题.

空间相似关系具有两方面的含义：一是指空间目标几何形态上的相似,二是指空间物体（群）结构上的相似.形态相似分析本身就是分析的目的.形态相似在很多情况下是更深层次分析的基础,提供部分分析依据,这是因为形态是空间物体的特征之一,而属性特征是另一个重要方面.对形态的相似性分析有两种途径,一是在相似变换下图形吻合度的分析,二是基于形态参数的聚类分析或相关分析.结构的相似是物体间的另一种相似,在地学研究中,我们经常会研究地理现象的空间分布和布局,以及地理实体的内部结构.河网水系常常被分类为树状结构、扇状结构、网状结构等,这种结构的相似性就是分类的基础.结构相似是智能化空间查询的一个重要研究内容.

2.空间相似性

2.1影响空间相似性的因素

（1）内容：是指相似性评价的使用情况、所发挥的作用、所使用的推理方法、应用的目的、使用者的思想框架等,内容由用户确定,无需评价系统自动定义,同时,他还受比例尺的限制.

（2）比例尺：是指空间数据和属性数据的不同精度,或者不同的抽象层次.

（3）领域知识：是指所应用领域的地理位置、数据规范等.

（4）技术：是指检索、搜寻、识别、匹配等所使用的方法.

（5）量算方法：例如,距离的计算等.

（6）排序方法.

2.2空间对象

与地理空间位置或特征相关联的对象称为空间对象.为了便于空间数据的组织和表达,除此之外,空间对象还包括结点、弧段等几何元素.通过对地理实体或现象及它们的相互关系、分布特征、空间特征进行分析和抽象,可以把空间对象定义为如下几种类型：

（l）点状地物.点是0维几何元素,它是三维数据模型中最基本的元素,曲线、曲面或其它形体均可用有序点集表示.点状物是0维空间目标,包括独立地物点、结点.在点元素的基础上加上属性编码和属性表构成点状地物.

（2）线状地物.弧段是一维几何元素,由其起结点和终结点加一系列有序集表示.弧段一般没有属性意义,它可能是某线状地物、面状地物或体状地物的一部分.线状地物是一维空间目标,由一条或若干条弧段组成,有自己的属性编码和属性表.

（3）面状地物.面是二维几何元素,是物体上一个有限、非零区域,由一个外环和若干个内环界定其范围.面有方向性,一般用其外法矢方向作为该面的正向.

（4）体状地物是三维几何元素,由封闭表面围成的空间,也是欧氏空间中非空、有界的封闭子集,其边界是有限面的并集.体状地物是在体元素的基础上包含了自己的属性信息.

（5）复杂地物.复杂地物由上述4种中若干个地物组成.

地理实体在GIS中采用目标或场的方法表达,与此相应的分别是矢量数据和栅格数据.矢量数据中的基本要素为点、线和面,而栅格数据的基本要素则为像元.在空间相似性己有的研究成果中,都是采用矢量数据进行计算,笔者在本论文中开创性地采用栅格数据进行空间相似性分析.

3.空间相似度计算

3.1计算指标

基于空间相似性的算法首先要计算各指标的相似度.这里简单描述一下各种指标.

（l）位置相似度

比较要素时,考虑要素的位置很重要.使用位置相似度意味着每个要素都有一个清晰而明确的表示点.对于面状要素来说,该点为表示面状要素的多边形内部一点,具有旋转、平移和尺度变化的不变性,且能准确的表示多边形整个的区域,亦称为形状中心点.

（2）形状相似度

形状是空间感知的重要特征,它对物体信息内容的传递要比诸如颜色等多得多.利用形状特征来区别和检索物体比较直观.形状描述是通过一些方法生成数值的描述子来标识形状,其模型为形状边界是一点集,按照某一形状特征值提取算法对每个边界点提取相应的形状特征值,并将它看作为形状描述参数的函数值,再定义一个与各边界点相关的参量作为形状描述函数的自变量.

3.2应用领域

（1）农业

类似于做一个给定的农场设计,在归档检索农场的空间布局设计时,可以考虑空间的相似性关系.

（2）水灾监测

检索所有河流洪水造成的覆盖范围和研究时,在同一地区位置查询中,覆盖范围相同的拓扑结构.

（3）市场营销

主要指空间的产品,客户群和供应路线.在考虑空间相似性理论的同时,同样可以把其转化为产品进行推广.

（4）生物

根据空间地物位置、形状、大小的相似性,可以将湿地分类、原始灌木丛的建模.

4.结论

通过以上分析得知,相似性评估对于分析和检索空间信息是很有用的概念,可以帮助搜索者描述和搜索具体的现象、即时的环境以及与其他环境的关系,相似性受空间的整体的影响.同时,空间相似性在未来多个领域如农业、水灾监测、市场营销、生物等均有较好的发展前景.