第二章-GIS空间分析的基本理论ppt课件.ppt

第二章 GIS空间分析的基本理论,秦 昆,武汉大学遥感信息工程学院遥感科学与技术本科生教案(2012年),2,2.1 空间分析的理论基础,过去的几十年里，国内外GIS的发展都主要是靠“应用驱动”和“技术导引”。如何从学科角度提升GIS的理论性是GIS研究者一直在思考的问题。空间分析中的理论：空间关系理论空间认知理论空间推理理论空间数据模型理论地理信息机理理论地理信息不确定性理论等等。,3,2.2 空间关系理论,空间关系是GIS的重要理论问题之一，在GIS空间数据建模、空间查询、空间分析、空间推理、制图综合、地图理解等过程中都起着重要作用。空间关系可以由空间现象的几何特性引起，如距离、方位、连通性、相似性等，可以由空间现象的几何特性和非几何特性共同引起，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，可以完全由空间现象的非几何属性导出空间关系。,4,2.2.1 空间关系的类型,分为顺序关系、度量关系和拓扑关系。顺序关系描述目标在空间中的某种排序，如前后左右、东西南北等。度量关系是用某种度量空间中的度量来描述的目标间的关系，如距离关系。拓扑空间关系是指拓扑变换下的拓扑不变量，如空间目标的相邻和连通关系。,5,空间关系表达了空间数据之间的一种约束。度量关系对空间数据的约束最为强烈；顺序关系次之；拓扑关系最弱。,空间关系之间的约束强度：,6,（1）顺序关系：方向空间关系,方向关系是最基本的顺序关系，又称为方位关系、延伸关系，是指源目标相对于参考目标的顺序关系(方位)。“河南省在湖北省北部”就属于方向关系描述。,7,（2）度量空间关系,度量空间关系包括定量化描述和定性化描述两种。定量化描述：利用距离公式来量测两个空间目标间的度量关系。定性度量量测：近、远两种定性距离描述方式；进一步用近、中、远、很远等定性指标来描述距离。,8,定量度量空间关系分析包括空间指标量算和距离度量两大类。空间指标量算是用区域空间指标量测空间目标间的空间关系。区域空间指标：几何指标(位置、长度/距离、面积、体积、形状、方位等)、自然地理参数(坡度、坡向、地表辐照度、地形起伏度、河网密度、切割程度、通达性等)、人文地理指标(集中指标、差异指数、地理关联系数、吸引范围、交通便利程度、人口密度等)。,9,定量度量空间关系分析包括空间指标量算和距离度量两大类。地理空间的距离度量：利用距离来量算目标间的空间关系。空间中两点间距离的计算有不同的方法，可以沿着实际的地球表面进行，也可以沿着地球椭球体的距离量算，相应的距离计算公式也不同。,10,（3）拓扑空间关系,拓扑空间关系是指拓扑变换下的拓扑不变量，如空间目标的相邻和连通关系。,拓扑变换：拓扑所研究的是几何图形的一些性质，它们在图形被弯曲、拉大、缩小或任意变形下保持不变。在变形过程中不使原来不同的点重合为同一个点，又不产生新点。拓扑变换的条件：原来图形的点与变换了图形的点之间存在着一一对应的关系，并且邻近的点还是邻近的点。这样的变换叫做拓扑变换。,拓扑可以形象地比喻为橡皮几何学。假设图形是用橡皮做的，橡皮图形的弹性变化可以看成拓扑变换。一个橡皮圈变形成一个圆圈或一个方圈，其拓扑关系不会变化。但是一个橡皮圈变成一个阿拉伯数字8就不属于拓扑变换。在变成“8”的过程中，圈上的两个点重合在一起，不再是单纯的弹性变换。,拓扑变换与橡皮几何学：,11,12,橡皮表面有一个多边形，多边形内部有一个点。无论对橡皮进行压缩或拉伸，点依然存在于多边形内部，点和多边形之间的空间位置关系不改变，而多边形的面积则会发生变化。前者则是空间的拓扑属性，后者则不是拓扑属性。,包含在欧氏平面中的对象的拓扑和非拓扑属性,13,2.2.2 空间关系描述,基本任务：以数学或逻辑的方法区分不同的空间关系，给出形式化的描述。意义：澄清不同用户关于空间关系的语义，为构造空间查询语言和空间分析提供形式化工具。,14,（1）度量空间关系描述：,度量空间关系：空间指标量算、距离度量空间指标量算：主要包括长度、周长、面积等指标，其定量计算通常采用数学描述公式，形式简单、较为统一。,15,度量空间关系描述：,距离度量描述：以两个点目标间的距离为基本距离。基本距离的计算有不同的方式。最常用的是平面中两个点之间的距离计算，又包括欧氏距离、广义距离、契比雪夫距离等。为了适应地球球面距离的量算，还有大地测量距离、曼哈顿距离等球面距离的定义方式。不同学科对距离的理解及应用目的不同，所用到的距离定义及描述方法也不同。例如统计学中的斜交距离和马氏距离等，旅游业中的旅游时间距离等。,16,平面中两点之间的距离计算方法：设A(a1,a2,an)、B(b1,b2,bn)为两个对象，其中ai和bi分别为其相应的属性。,欧氏距离：,欧式距离公式是空间运算中应用最广的一种距离定量化描述方式。,A(x1,y1)、B(x2,y2)两点之间的欧氏距离为：,17,契比雪夫距离(切氏距离Chebyshev):,A(x1,y1)、B(x2,y2)两点之间的切氏距离为：,马氏距离(绝对值距离、街坊距离、曼哈坦(Manhattan)距离：,A(x1,y1)、B(x2,y2)两点之间的马氏距离为：,18,明氏距离(Minkowski距离)：,A(x1,y1)、B(x2,y2)两点之间的明氏距离为：,19,考虑地球球面特性定义的距离计算方法：由于GIS中的空间数据大多数是投影到平面上的，具有投影的两点间距离不能用平面距离公式计算，要考虑球面上两点间的距离，即大圆距离，如大地测量距离、曼哈顿距离。,大地测量距离：即球面上两点间的大圆距离。,大圆：地球表面二点与球心构成的平面构成的大圆圈。,20,曼哈顿距离：纬度差加上经度差。,21,具有行业特色的距离定义：旅游业中的旅游时间距离：两个点(如两个城市)之间的旅游时间距离为从一个点(城市)到另一个点(城市)的最短时间。可以用取得这一最短时间的一系列指定的航线来表示这个距离(假设每个城市至少有一个飞机场)。,22,词典编纂距离：在一个固定的地名册里两个点(城市)间的编纂距离：两个城市的词典位置之间的绝对差值。,23,非点状目标之间的距离：对于非点状目标，由于目标的模糊性，不同类型实体间(如面状与线状)的距离往往有多种定义。图中对象A、B之间的距离如何计算？,24,（2）拓扑空间关系描述：,拓扑关系描述方式的研究一直是空间关系理论研究的热门话题。拓扑关系形式化描述模型的种类很多，这里介绍其中的代表性模型。4元组模型9元组模型V9I模型RCC模型空间代数模型,25,（1）4元组模型4元组模型是一种基于点集拓扑学的二值拓扑关系模型。将简单空间实体看作是边界点和内部点构成的集合，4元组模型为由两个简单空间实体点集的边界与边界的交集、边界与内部的交集、内部与边界的交集、内部与内部的交集构成的4元组(22矩阵)。,26,元素取值只有空和非空两种情况(分别用0和1表示)，总共有16种组合情况。排除不具有现实意义的取值组合，该模型可表达：8种面/面拓扑关系、16种线/线拓扑关系、13种线/面拓扑关系、3种点/线拓扑关系、3种点/面拓扑关系、2种点/点拓扑关系。,27,八种面面关系：,28,三种点线拓扑关系：,两种点点拓扑关系：,三种点面拓扑关系：,29,（2）9元组模型,9元组在4元组的基础上，在空间描述框架中引入空间实体的“补”的概念，将空间目标A表示为边界、内部和外部三个部分的集合。通过比较目标A与B的边界、内部、外部之交集(空或非空)，分析确定A、B间的空间拓扑关系。,30,9元组模型由于引入了“补”的概念，矩阵模型可区分512(29)种关系，但具有实际意义的只有一小部分。9元组能表示：2种点点间关系、3种点线间关系、3种点面间关系、33种线线间关系、19种线面间关系、8种面面间关系。,31,9元组模型是目前应用最广的一种模型，被很多流行的商业化GIS软件所应用。如ESRI公司以Macro宏语言的方式将9元组模型用于查询命令中。Oracle将9元组和SQL相结合，拓展传统的SQL查询谓词，使之支持空间域查询。,32,（3）基于Voronoi 的V9I模型,针对9元组模型中“补”的概念存在的重叠太大、空间实体定义方面的不足、不能描述空间邻近关系等缺陷，陈军等用Voronoi多边形取代9元组中的“补”重新定义9元组模型，并将其定义为V9I模型。,33,34,空间目标的Voronoi区域:空间目标的Voronoi区域：设二维空间R2中有一空间目标集合S=o1,o2,on(n1)，oi可以是点目标、线目标或面状目标，则目标oi的Voronoi区域(简记为ov)为:ov=p|distance(p,oi)distance(p,oj),ji。即由到目标oi的距离比到所有其它目标的距离都近的点所构成的区域。,实线为Delaunay三角形，虚线为Voronoi图。,Voronoi图：又叫泰森多边形或Dirichelet图，它由一组连接两邻点连线的垂直平分线组成的连续多边形组成。N个在平面上有区别的点，按照最邻近原则划分平面；每个点与它的最近邻区域相关联。Delaunay三角形：由与相邻Voronoi多边形共享一条边的相关点连接而成的三角形。,35,基于Voronoi图的空间关系的表达方法用空间目标的Voronoi区域(Voronoi region)作为其外部，对原9元组模型进行改进，建立了一种基于Voronoi的新9元组模型，简称为V9I模型。,陈军的V9I模型,36,V9I模型与9元组模型的比较,陈军的V9I模型,Egenhofer的9元组模型,V9I模型既考虑了空间实体的内部和边界，又将Voronoi区域看作一个整体，能够克服原9元组模型的一些缺点，包括无法区分相离关系、难以计算目标的补等。,37,（4）RCC模型,RCC模型是由Randell等提出的一种运用区域连接演算(RCC)理论来表达空间区域的拓扑特征和拓扑关系的代数拓扑关系模型。RCC模型仅能对空间面实体间的拓扑关系进行表达，不能表示点、线目标间的空间拓扑关系。RRC模型又可分为RRC-5模型和RRC-8模型两种。,38,（5）空间代数模型空间代数模型是基于空间代数方法建立的一种拓扑关系代数模型。基本思想：用并、交、差、反差等空间代数算子描述两个空间实体间的空间拓扑关系，其表示结果为一个数学函数。,39,（3）顺序关系描述：方向空间关系,定性方向关系定义的参考体系包括相对方向参考体系(前后左右、三维空间中的上下)和绝对方向参考体系(如东南西北)。一般方向关系的形式化描述：使用绝对方向关系参考,40,41,两点之间的方向关系：是最简单的方向关系类型，也是其它类型目标方向关系定义的基础和参照。为了给出两点之间的方向定义，首先给出二维空间中的方向关系定位参考，即相互垂直的X、Y坐标轴。设P和Q是二维平面中的两个目标，其中P为待定方向的源目标，Q为参考目标。,42,（1）正东关系,形式化定义：,九类常用方向关系基于点集拓扑学的定义,43,（2）正南关系：,形式化定义：,44,（3）正西关系形式化定义：,45,（4）正北关系形式化定义：,46,（5）西北关系形式化定义：,47,（6）东北关系形式化定义：,48,（7）西南关系形式化定义：,49,（8）东南关系形式化定义：,（9）同一位置关系形式化定义：,50,方向关系的完备性：以上9种关系通过点的投影可以精确判断。对于任意两点，上述9种关系必有一种满足，方向关系具有完备性。方向关系的传递性：方向关系具有传递性，根据已知方向关系可相互转换，如已知north_east(pi,qj)可得到south_west(qj,pi),51,方向关系的合成：如果取东南西北作为主方向，可将前8种方向关系合并为4种方向关系。,east(pi,qj)=north_east(pi,qj)or restricted_east(pi,qj)or south_east(pi,qj)south(pi,qj)=south_west(pi,qj)or restricted_south(pi,qj)or south_east(pi,qj)west(pi,qj)=north_west(pi,qj)or restricted_west(pi,qj)or south_west(pi,qj)north(pi,qj)=north_west(pi,qj)or restricted_north(pi,qj)or north_east(pi,qj),52,方向关系的定量描述：使用方位角或象限角对目标间的方向关系值进行精确的定义。点状目标间的角度最为简单，但其它类型目标的方位角计算则复杂得多。,53,方位角是指以正北方向为零方向，沿顺时针方向旋转到目标点所在位置时经过的角度，其取值范围为0到360。,B相对于A的方位角和A相对于B的方位角之间的关系为：,平面上的方位角的计算往往将X轴设为纵轴（正北方向），Y轴为横轴。二维平面中B点相对于A点的方位角为：,54,球面上的方位角：,球面上的B 点相对于A点的方位角定义：过A、B两点的大圆平面与过A点的子午圈平面间的二面角。,B相对于A的方位角：,A相对于B的方位角：,55,日常生活中应用最广的是方向关系的定性描述。方向关系的定性描述模型主要包括：,方向关系的定性描述,锥形模型最小约束矩形模型(MBR)二维字符串模型(2-D String)方向关系矩阵模型基于Voronoi图的方向关系模型,56,（1）锥形模型,锥形模型的基本思想：在从某个空间目标出发指向另一个目标的锥形区域中确定两个空间目标间的空间方向关系。,步骤：首先选择两个目标中较小的一个作为源目标，较大的一个作为参考目标；然后从参考目标的质心出发作两条相互垂直的直线，将所在的平面划分为4个无限锥形区域，每个锥形顶点的角平分线指向方向为一个主方向(东南西北)；源目标方向为源目标位于哪一个主方向所在的锥形区域。根据Q位于主方向的锥形区域，可知Q位于P的东面。,57,如果两个空间目标间的距离小于或接近空间目标的尺寸、两目标相交或缠绕、空间目标为马蹄形时，可能得出错误结论。,锥形模型适用于两个空间目标间的距离与空间目标的尺寸相比较大的情况。,马蹄形建筑与小亭的方向关系,为了克服这一缺陷，可以在原有的锥形模型中加入多边性的大小、形状、走向、最小投影矩形等因子，使原有模型可以处理复杂空间目标间的方向关系。,58,（2）最小约束矩形模型(MBR)最小约束矩形模型：利用两个目标间的MBR间的关系定义方向关系，利用空间对象的几何近似关系取代实际空间对象的关系。基本思想：找出空间目标在X和Y轴上的投影最大和最小值，构成该空间目标的MBR(最小约束矩形)，两个空间目标间的方向关系的确定转变为相应的两个目标MBR的方向关系的判断。,59,（3）二维字符串模型（2-D String）基本思想：用某一固定大小的格网覆盖目标所在的整个区域，并使用一个二维字符串来记录每个格网中的空间物体。,u:AB|ABC|BC|BCD|D|D|E|Ev:ABDE|ABDE|BCD|CD|D,u表示物体在x轴方向的投影，v表示物体在y轴方向的投影,60,（4）方向关系矩阵模型基本思想：将平面空间划分为9个区域，每个区域为一个方向片（direction tiles），每个方向片对应一个主方向，参考目标所在的方向片称为同方向。对于物体A，方向集为NA,NEA,EA,SEA,SA,SWA,WA,NWA,OA。将B与A的九个方向片分别求交，得到方向关系矩阵。根据该矩阵中非空元素判断B和A间的方向关系。,61,该3*3矩阵可以有512(29)种取值组合，Goyal 取了218种有意义的取值，建立了标像描述矩阵表示源目标对于参考目标的空间位置。,62,为了避免该模型存在的矩形模型缺陷，Goyal(2000)用源目标在某一方向片区的面积比例代替交集,63,（5）基于Voronoi图的方向关系模型基本思想：通过空间目标的Voronoi图与空间目标的关系来描述和定义空间目标间的方向关系。在MBR的基础上建立Voronoi区域，通过MBR与Voronoi区域边界线之间的关系描述空间目标间的方向关系。A和B之间的方向关系可以利用其MBR和Voronoi多边形的边界线构成的55矩阵形式化描述。,64,空间关系描述模型的评价：,一般从完备性、严密性、唯一性、通用性准则等方面进行评估。完备性是指空间关系描述结果能包含目标间所有可能的定性关系；严密性是要求所推出的一组关系是实际存在的或正确的；唯一性要求所有关系是互斥的；通用性指描述方法应能处理各种形状的目标和各类关系。,65,空间关系表达模型表达能力的衡量标准包括：,空间关系表达是否是形式化的、无歧义的；表达的完备性：根据该模型对空间关系进行划分，表达结果能否包含目标间实际存在的所有空间关系；表达的可靠性：根据该模型对空间关系进行划分，其结果必须与目标间实际存在的空间关系相符；表达的唯一性：根据该模型对空间关系进行划分，其结果必须是互斥的；表达的可推理性：通过该模型进行的空间关系划分结果能否用于空间推理。,66,67,2.2.3时空空间关系,地理实体之间的空间关系往往随着时间而变化，时间关系交织在一起就形成了多种时空关系。当点、线、面目标之间的空间相邻、空间连通、空间包含等关系随时间发生变化时，往往与目标间的时间拓扑关系交织在一起，形成了一种新的时空拓扑关系(spatio-temporal topology)。,68,Allen的时间区间逻辑中，时间区间为基元，两个时间区间之间的定性关系有13种类型：时间相等TR_equal、时间前TR_before、时间后TR_after、时间相遇TR_meet、时间被遇见TR_met、时间交叠TR_overlap、时间被交叠TR_overlapped、时间包含TR_contain、时间被包含TR_during、时间开始TR_start、时间被开始TR_started、时间终止TR_finish、时间被终止TR_finished。,二十世纪八十年代初，Allen提出了一种时态关系描述逻辑，即时间区间逻辑。,时空关系模型是时间区间关系和空间区域关系的正交组合,69,70,2.2.4空间关系理论的应用,GIS空间数据建模与空间数据库设计时，既要表达空间实体，也要表达空间实体间的空间关系。Arc/Info采用关系表法表达端点与弧段、弧段与面块之间的拓扑关联等空间关系，使重叠的端点与面块的坐标只需存贮一次，不仅节省了存贮空间，而且便于进行拓扑一致性检验和查询分析。,71,2.2.4空间关系理论的应用,基于Voronoi图的空间关系方法可以用于动态建立拓扑关系来扩展MapInfo的功能。,72,空间数据库的查询往往是依赖于空间目标间的关系目前的传统数据库的查询语言因为只提供了对简单数据类型(如整数或字符)的相等或排序等操作，不能有效地支持空间查询。为了构造空间查询，Arc/Info通过Macro语言方式，把9元组模型的描述结果加入到查询命令中；Oracle中把9元组模型与SQL相结合，使查询功能扩展到空间域；9元组描述模型还被用于构造基于图标的或基于自然语言的空间关系查询界面，有助于使用户从繁琐枯燥的SQL语法中解脱出来。,73,空间分析在某种程度上是在处理空间实体之间的相互关系点模式识别是处理点状目标之间的邻近关系与分布；叠置分析处理多个空间目标之间的相交、重叠等拓扑关系；网络分析处理空间实体之间的拓扑邻接与关联；邻域分析是在相互邻近的空间实体之间进行的。,利用9元组进行空间推理是空间关系理论成果的另一重要应用例如，人们用9元组模型组建空间关系的组合表，建立检测拓扑关系一致性的推理机制；通过9元组建立空间关系之间的概念邻接模型，推导空间关系的渐变过程，用于反映空间实体的变形过程。,74,75,2.3 地理空间认知,2.3.1 地理空间认知的概念,认知心理学中的空间认知是指人们对物理空间或心理空间三维物体的大小、形状、方位和距离的信息加工过程。,认知心理学是二十世纪50年代中期在西方兴起的一种心理学思潮，二十世纪70年代开始其成为西方心理学的一个主要研究方向。它研究人的高级心理过程，主要是认知过程，如注意、知觉、表象、记忆、思维和语言等。,76,2.3 地理空间认知,2.3.1 地理空间认知的概念,地理空间认知(geospatial cognition)：日常生活中，人类如何逐步理解地理空间，进行地理分析和决策。包括：地理信息的知觉、编码、存储、以及和解码等一系列心理过程。,77,地理空间认知作为地理信息科学的一个重要研究领域得到了广泛重视。1995年美国国家地理信息与分析中心(NCGIA)发表了“Advancing Geographic Information Science”的报告，提出地理信息科学的三大战略领域：（1）地理空间认知模型研究、（2）地理概念计算方法研究、（3）地理信息与社会研究。1996年美国地理信息科学大学研究会(UCGIS)发布的10个优先研究主题中就有对地理信息认知的研究。,78,2001年中国自然科学基金委在地球空间信息科学的战略研究报告中，把地理空间认知研究作为基础理论之一列入优先资助范围。地理空间认知研究作为地理信息科学的核心问题之一，已经得到普遍的认同。,79,2.3.2 地理空间认知的研究内容,地理空间认知作为认知科学与地理科学的交叉学科，需对认知科学研究成果进行基于地理空间相关问题的特化研究。主要研究内容：地理知觉、地理表象、地理概念化、地理知识的心理表征、地理空间推理，涉及地理知识的获取、存储与使用等。,80,（1）地理知觉地理知觉是指将地理事物从地理空间中区分出来，获取其位置并对其进行识别。地理知觉的研究主要涉及以下几个方面：1）格式塔心理学(Gestalt Psychology)。格式塔心理学又称“完形心理学”，是一种研究经验现象中的形式与关系的心理学。格式塔心理学侧重研究知觉和中高级心理过程，强调整体结构感知和自顶向下的加工。,81,1）格式塔心理学(Gestalt Psychology),面对一幅陌生而复杂的图像，人们可以迅速、准确地标出目标轮廓，找出显著而有意义的区域。标注图像对于人来说是相当简单的事情，而对计算机却很难。,82,1）格式塔心理学(Gestalt Psychology),怎样找到这些显著结构并把它们组织成为有明确景象意义的目标？这就是知觉组织(perceptual organization)要解决的主要问题知觉组织的定义是分辨哪些信息属于一个整体，并将这些信息组织成为有明确景象意义的目标，可以将点或边缘组织成轮廓，也可以将点或区域块聚类成前景和背景，并进一步将前景分割成不同的目标。知觉组织可用于解决计算机视觉的多种问题，如轮廓提取、图像分割、目标检测等。,83,格式塔知觉组织原则,格式塔学派强调动力学和整体分析的思想。对知觉分割和知觉组织进行了系统的研究，认为人类能够快速地完成物体识别、目标搜索等复杂的视觉任务，先决条件是人类存在视知觉能力。知觉组织被认为是最基本的知觉过程之一。在这一过程中，人类能分辨哪些信息属于一个整体进而把这些信息组织成一个有明确景象意义的目标。,84,视觉完形,视觉完形是指系统自动地将部分被遮挡的物体感知为完整的物体，包括对形状、纹理和颜色的自动完成。解释视觉完形的三种理论：形象熟悉性理论生态约束理论形象简单性理论,视觉完形,形象熟悉性理论 假设人们将被局部遮挡的物体感知为完整的物体时，根据与当前的可视信息相容的，并且最频繁遇到的形状来执行完形操作。,85,86,视觉完形,形象简单性理论 指具有最简单、最规整和最稳定特征的结构最有可能被知觉为一个目标。,87,视觉完形,生态约束理论四个条件：（1）存在不连续的边缘；（2）不连续的边缘之间是可关联的；（3）将不连续的边缘连接起来形成封闭的区域后，将会产生新的视觉单元；（4）不连续的视觉单元构成深度感知。,视觉完形,判断不连续的边缘之间是否可关联，是依据格式塔原则之一良好的连续性。,88,89,格式塔心理学：似动图片,90,图形与背景的关系是相对的,91,2）知觉的透镜模型和供给模型透镜模型强调知觉者的内在世界的不确定性，承认知觉包含信息加工过程。供给模型则强调地理环境提供了足够的信息，感觉器官能直接从外界获得所需信息，根本不存在信息加工过程。透镜模型的影响较大。,地理知觉的研究内容：,92,3）对象系统和位置系统的分离地理信息加工的基本原则是对象系统和位置系统的分离。位置系统处理空间信息，判断物体在空间中的位置、大小和方向，并对各物体间的空间关系进行编码。对象系统处理用于空间物体辨识的各种信息，包括形状、颜色、纹理等。,地理知觉的研究内容：,93,4）Marr的草图模型及相关研究Marr的草图模型是关于地理知觉过程和步骤影响最大的理论，对知觉过程和步骤的进一步研究大都在Marr的基础上进行。Marr认为：视觉信息处理是依靠3级结构“要素图-2.5维图-三维模型表象”来加以处理的。表达外部信息的基本要素是点、边缘、面等局部几何特征。,地理知觉的研究内容：,94,5）地理空间基于知觉方式的尺度划分尺度问题是地理信息科学有关认知最优先的研究之一知觉方式的不同是空间尺度划分的主要依据。心理学根据不同尺度空间知觉方式的不同，将空间划分为：图形、街景、环境和地理空间。,地理知觉的研究内容：,95,6）地理空间知觉方法差异性研究地理空间知觉方法存在差异，环境空间的知觉主要靠导航经验，地理空间的知觉主要靠读图。基于地图的地理空间认知，就是通过阅读地图来实现人对地理空间的认知，基于地图的地理空间知觉过程是基于地图的地理空间认知基本过程中的首要步骤。知觉方法对地理知识的获取、存储和使用都具有重要影响。读图方式和导航方式存在着较大差异。,地理知觉的研究内容：,（2）地理表象表象作为认知科学中一个重要概念，是人类意识对物质世界主动和积极的形象化反映。地理表象用来表示在地理意向性理论指导下的地理形象思维所产生的各种“象”，它既是地理思维活动的产物，又是地理思维得以进行的载体，与地理知识的使用和地理空间的推理密切相关。,96,研究表象的重要方法心理旋转实验是研究表象的重要方法。心理旋转作为一种空间认知能力，属于个体认知发展过程中的一种相对高水平的能力。给出两个几何体，要求被试者以最快的速度判断其是否是同一物体。实验发现被试者在心理旋转这些物体时，角度越大，需要时间越长，且旋转速率相对稳定。,97,98,类命题理论和准图片理论类命题理论认为表象作为服务于思维的抽象概念结构，对场景的描述不是类似图片，而是类似于命题的符号结构系统。记忆中存储的是对事物的说明、解释，而不是具体的表象。按照准图片理论，表象内部结构和产生机制与视知觉类似，具有大小、方位和位置等空间特性，是类图片形式的二维表面矩阵。矩阵的每一成分由表示局部视野的基元组成，基元总与一些其它基元相邻，可以形成方向、纹理、位置和景物。,地理表象的研究内容：,99,地理表象的基本形式地理表象分为4种基本类型：地理区域、综合体、地理景观和区域地理系统。地理区域是为研究地理环境所产生的“一个知识概念，供思考的实体”，具有相对均质性综合体是指由若干个相互作用的成分组成的地理实体。,地理景观指在某个发生上一致的区域，若干地理现象的某种组合关系的节律性典型重复，可以包含若干个最小空间功能单元体。区域地理系统是对地理区域进行系统研究所建立的系统，以地理景观为结构组件，按照地理事件发生的过程来构造系统模型。,100,（3）地理概念化概念化是把具有共同特征的事物归为一类，而把不同特征的事物放在不同类中。地理实体通过概念化得到辨识，地理知识通过概念化得以概括和精简。通过概念化分类可以将大量知识简化到可以处理的比例。地理概念化是地理世界已知地理实体、实体属性和实体间关系的知识库，依据概念化知识记忆和理解地理世界。,101,1）地理概念化方法主要有基于经典集合论的方法和原型分类方法集合论方法的概念化在GIS语义表达和共享中广泛采用，主要内容包括：分类是任意的；类型具有定义属性或关键属性；集合的内涵决定其外延。,102,1）地理概念化方法原型是关于某一类事物的典型特征模式，当物体特征与原型认知范畴越接近，就越有可能被划归到某一原型范畴中。,原型分类法更符合日常生活中人的认知分类。分类不是任意的，受多种知觉和认知因素的影响；基础层次类型各个成员享有更多相似的知觉和功能特征；类型具有一种内在的渐变结构，基于核心成员-原型而构建，类型不具有关键属性，事物类型的归属通过其与原型的相似程度来判定；在原型分类下，类型集合的边界是模糊的，为模糊集。,103,2）地理概念化理论。主要包括图式理论和初级和次级理论。图式理论是有关地理概念存储方式的理论。图式是围绕某一主题组织起来的知识表征和存储方式，是人们用以逐步理解世界的基础概念化组织。地理类型的图式是存储和编码环境中“日常”地理对象相关类型的认知结构，可用于发现环境中特定地理类型的新实例。,104,2）地理概念化理论初级理论是在人类文化和人类发展阶段都能找到的地理常识，由基本的心理学和物理学知识组成，主要与一些能直接感知和交互的中等尺度地理现象的知识相关。次级理论由具有不同经济和社会特性的民间信念、知识组成，主要与一些大尺度地理现象的知识相关。,105,3）地理实体本体本体是对世界本质的研究。地理实体本体主要处理地理实体类型的本质和内涵。地理信息科学中的本体兼具哲学本体和信息本体的双重含义。地理本体是面向地理领域的概念模型，它包含领域内通用的、普遍的概念，并且规定了领域级别上的约束，这些约束可以被用来进行知识级别上的推理。地理本体表达的是更高级别的信息需求。,106,（4）地理知识心理表征心理表征指长时记忆中知识的存储，可区分不同的类型或系统。地理知识心理表征的研究需要区分不同的编码系统和类型。,107,概念命题理论认为所有视觉信息和语言信息都以概念命题的形式进行存储，其强调视觉信息被输入后，必须处理为概念命题的形式才能进行存储。双重编码理论认为表象和命题形式的编码共存，其相互分离，并行运转，同时又互相联系。,1）地理知识编码地理知识的编码方法主要包括：表象理论、概念命题理论和双重编码理论。表象理论的核心内容是图片的隐喻，环境的视觉信息经过大脑加工，以图解的形式进行简化和有序编码与存储，并存在一定的扭曲。,108,2）地理知识类型。地理知识类型主要存在两种不同的划分方法。一种方法：将地理知识类型划分为地标知识、路线知识和测量知识。地标知识是地理空间中显著的、容易从多个方向辨别和记忆的要素，用来定位附近的地理对象。路线知识是按特定行进路径对已知地标次序信息和其相配套的行为要求，将路线的行为去除后就是路径测量知识是地理空间详细和全面的概览知识。,109,2）地理知识类型另一种方法：划分为过程性知识和陈述性知识。过程性知识表示在地理空间中如何行动，路线知识就是典型的过程性知识。陈述性知识表达地理空间的布局，测量知识和地标知识属于陈述性知识。,110,2.4 地理空间推理2.4.1 地理空间推理的概念,空间推理是指利用空间理论和人工智能技术对空间对象进行建模、描述和表示，并据此对空间对象间的空间关系进行定性或定量分析和处理。空间推理被广泛应用于地理信息系统、机器人导航、高级视觉、自然语言理解、工程设计和物理位置的常识推理等方面，并且正在不断向其他领域渗透，其内涵非常广泛。空间推理的研究在人工智能中占有很重要的地位，是人工智能领域的一个研究热点，也是GIS领域的一个重要研究热点。,111,空间推理的研究起源于20世纪70年代初。在国外，成立了许多专门从事空间推理方面研究的协会和联盟。NCGIA(National Center for Geographic and Analysis)，美国国家地理信息分析中心；USGS(U.S.Geological Survey)，美国地质勘探局欧洲定性空间推理网SPACENET；匹兹堡大学的空间信息研究组；慕尼黑大学空间推理研究组等。,112,近几年来,空间推理方面的学术会议也越来越多。1993年以来，一些重要的国际AI学术会议(如IJCAI:International Joint Conference on Artificial Intelligence，AAAI:Association for the Advancement of Artificial Intelligence，ECAI:European Conference on Artificial Intelligence等)都把时态推理和空间推理作为重要的专题。空间推理已成为人工智能的一个热点领域。,113,2.4.2 地理空间推理的特点空间推理是以空间和存在于空间中的空间对象为研究对象。在空间推理过程中运用人工智能技术和方法。空间推理处理的是一个或几个推理的问题。空间推理是基于空间和存在于空间中的空间对象已经被建模的前提下，不能在没有模型的情况下讨论空间推理。空间推理必须能够给出关于空间和存在于空间中的空间对象的定性或定量的推理结果。空间推理必须能够描述空间行为。空间推理模型把问题分解为几个组成部分时，必须能够描述这些组成部分的相互作用。,114,2.4.2 地理空间推理的特点在空间推理过程中，可能用到空间谓词，空间中确定的点使某些空间谓词为真，而使另一些空间谓词为假。空间推理应该能够处理带有模糊性和不确定性的空间信息。空间推理中应该能够添加和处理时间因素，即成为时空推理。空间推理应该具有空间自然语言理解能力。,115,2.4.3 地理空间推理的研究内容（1）根据空间目标的位置，基于给定的空间关系形式化表示模型，推断空间目标之间的空间关系。例如，基于4交模型或9交模型，把空间目标看成点集，根据两个空间目标点集的边界、内部和补集之间的交集是否为空来推断空间拓扑关系。,116,2.4.3 地理空间推理的研究内容（2）根据空间目标之间的已知基本空间关系，推断空间目标之间未知的空间关系。（3）利用空间推理，从空间数据库中挖掘空间知识，也可以利用事件推理的方法进行空间目标的模糊查询。,117,2.4.3 地理空间推理的研究内容（4）基于常识的空间推理研究常识是相对于专业知识而言的，常识推理就是用到常识的推理。常识推理是一种非单调推理，即基于不完全的信息推出某些结论，当得到更完全的信息后，可以改变甚至收回原来的结论；常识推理也是一种可能出错的不精确的推理模式，是在允许有错误知识的情况下进行的推理，即容错推理。人的常识推理包含多个方面，在不完全知识下的推理是其中的一个方面。,118,2.4.3 地理空间推理的研究内容（5）时空推理影响空间推理结果的因素包括空间因素和时间因素。时空推理是指在空间推理过程中添加时间因素，时空推理是更一般的空间推理，是时空推理的特例。目前，时空推理的研究还处于起步阶段。,119,2.4.3 地理空间推理的研究内容（6）定性空间推理当描述一个空间配置或对这样的配置进行推理时，获得精确、定量的数据通常是不可能的或不必要的。在这种情况下，可能要用到关于空间配置的定性推理定性空间表示包括许多不同方面，不仅要判定什么样的空间实体是可以接受的，还要考虑描述这些空间实体之间关系的不同方法。,120,空间推理方法,121,贝叶斯推理,贝叶斯方法用于不精确推理的一个原始条件是：已知前提E的概率P(E)和H的先验概率P(H)，并已知H成立时E出现的条件概率P(E|H)。,从H的先验概率P(H)推得H的后验概率,122,(1)如果一个证据E支持多个假设H1,H2,.,Hn,IF E THEN Hi(i=1,2,n),则可以得到如下贝叶斯公式：,(i=1,2,n),利用贝叶斯公式进行推断的过程则称之为贝叶斯推理,123,某地区居民的肝癌发病率为0.0004，现用甲胎蛋白法进行普查。医学研究表明，化验结果可能存在错误。已知患有肝癌的人其化验结果99%呈阳性(有病)，而没患肝癌的人其化验结果99.9%呈阴性(无病)。试问：在化验结果呈阳性的人中可能有多少人患有肝癌?,124,如果我们用E表示样本的观察证据“化验结果呈阳性”，用H1表示假说命题“被检查者患有肝癌”，用H2表示假说命题“被检查者没有患