谭超专题二地球空间信息机理的研究进展

专题二：地球空间信息机理的研究进展---空间关系地球信息科学是一门新兴学科,在形成过程中,长期以地球信息技术研究为主,近年来地球信息工程领域的研究日渐突出,地球信息理论领域的研究较薄弱。目前,在地球信息转变机理、地球空间认知、地球信息的表达、地球信息的不确定性、地球空间关系、地球空间尺度以及地球信息共享中的标准、规范和立法等方面已形成一些亟待深入研究的前沿问题。下面就地球空间信息机理的各个方面进行简要说明：一、空间关系1、空间关系的内涵2002年，曹菡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[1]。2003年，俞士汶提出空间关系是空间目标相互作用的结果[2]。在前人研究的基础上，提出了一种顾及0维、1维、2维空间目标的空间关系语义描述方法[3]。2004年，付强认为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[4]。2006年，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，还一种是完全由空间现象的非几何属性所导致的空间关系[5]。2009年，张克定[6]认为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。2009年，李松提出空间关系是指地理实体之间存在的一些具有空间特性的关系，如拓扑关系、方向关系和距离关系等，是空间数据组织、查询、分析和推理的基础[7]。2012年，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[8]。2、空间关系研究内容空间关系的研究主要集中在空间关系认知、空间关系表达、空间关系推理、空间关系分析处理和空间关系应用等方面。有两个截然不同而又相互补充的观点：一个从数学角度研究空间关系，另一个从语言和认知的角度研究空间hi按关系。数学观从数学的角度出发，严密的定义了空间关系定义模型及其推理，如时空关系的代数表达模型；而语言和认知观点则主要从人类语言的角度出发，认知和描述空间关系，探讨如何建立一个有好而自然的人机接口，如自然语言空间关系。（1）空间关系认知：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和表现等方面。（2）空间关系表达：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。2009年李松提出空间关系的研究可分为空间关系的语义问题、空间关系描述、空间关系表达、空间关系推理和基于空间关系的查询分析等。3、空间关系类型空间关系表达了空间数据之间的一种约束，其中距离关系对空间数据的约束最为强烈，而方向关系次之，拓扑关系最弱。通常，距离关系属于定量关系，拓扑与方向关系则属于定性关系，但是定性关系与定性关系不是绝对的，而是可以相互转化的，在分析复杂的空间关系时，定性的方法和定来那个的方法往往需要联合使用。（1）1991年，Egenhofer[9]等人提出可以将空间关系分为如下几种类型：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；顺序关系：例如在...之内、在...之外、在...中间；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；模糊关系：例如接近、贴近、疏远等。（2）1992年，王家耀院士[王家耀等.普通地图制图综合原理[M].北京：测绘出版社，1992.]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。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；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；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系。（3）2006年，杜世宏等人认为空间关系是指由空间对象的几何特征性引起的空间关系，主要包括距离关系、方位关系、拓扑关系和空间关系相似性等[空间关系极其应用]。（4）2009年，李松认为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。在距离关系方面，目前的研究热点主要集中在空间数据的空间查询放面。4、空间关系的特征空间关系受空间对象、空间数据组织、空间认知等影响,具有尺度、认知、层次、不确定性、形式化等几个特征。（1）空间关系的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,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。5、空间关系应用空间关系可以在一定程度上对地理现象及其环境间的关系进行描述,因而在空间数据库及空间数据理解中有着重要应用,其应用范围主要包括以下几个方面：（1）空间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[10]。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、对象时间序列的动态查询等问题。（3）在空间数据挖掘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[11]。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）在空间场景相似性评价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[12]。一个复杂空间场景中的多个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。6、空间关系的研究现状与展望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。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、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。在空间关系的研究和发展中,需要进一步研究以下几个方面：（1）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。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。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