10数字地图之综合.ppt
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1、数字地图综合,数字环境下的GIS综合概念 什么是综合?为什么要进行综合?综合策略 怎样实施综合?怎样控制综合?怎样评价综合?网络技术与数据综合 矢量数据渐进式传输 在线式综合与离线式综合 综合软件系统开发 综合研究的发展趋势,内 容,一 数字环境下GIS数据综合的概念,1 什么是综合?,一般意义上的综合 通俗意义上的综合是思维的抽象化过程,从细到粗的思维过程,在非地图研究领域也存在 人物漫画、卡通画、文章摘要、长篇小说改编。体现两方面:保留重要内容,保留的内容以简化形式表达。,地图/GIS数据综合,随着比例尺缩小,保留重要地物,以概括的形式表达,去掉次要地物目标 地图综合是地图设计制作的核心环
2、节,蕴含着创造性思维,是一定程度上的艺术加工行为。,数字环境下什么是综合?(数字环境下如何描述地图综合,建立计算机可“理解”的综合概念,由计算机来实现这一高度智能化的过程),地图综合是一个空间表达映射过程 高分辨率到低分辨空间表达集合映射,包括空间元素映射和空间关系映射,这是基于关系代数理论提出的,将地图看作是一定数据模型支持下的空间目标及其空间关系的集合,从大比例尺、高分辨率状态到小比例尺、低分辨率状态的地图综合过程,是集合上的映射过程,包括目标元素映射和空间关系映射。,基于这种概念,关系代数的几种运算选择、投影、联结、并、差、笛卡尔乘积是完成综合的基本运算。综合的部分过程(如选取、删除等)
3、运用关系运算可以实现,而地理空间的层次性特征及复合目标的存在,使得地图集合中的元素是非第一范式的,关系数据库在处理复合目标时遇到了困难。,基于映射观念的地图综合框架,示例,映射在综合中的体现(1)仅实施空间实体映射 当两种映射对研究区域内的目标实施变换时,满足 ei r ej=f(ei)r f(ej),表明,映射后在一定空间关系分辨率下空间关系不变,属于同构代数系统,此时,不需要实施空间关系映射,只进行空间实体映射。,eif(ei),ejf(ej),有 f(ei)r f(ej)=ei r ej不需要空间关系映射g,f,映射在综合中的体现(2)仅实施空间关系映射 决定综合的主导条件是空间关系分辨
4、率违背了空间约束表达,通过关系映射得到新的满足约束规范的粗化空间关系,操作的具体实现是通过目标的位置移动,下图中原表达目标的距离关系难于辨析,在低分辨率下映射为拓扑邻近,注意元素本生没有变化。,eif(ei),ejf(ej),有f(ei)r f(ej)ei r ej(原关系被破坏)需要空间关系映射 g:g(f(ei)r f(ej)f(ei)r f(ej),f,g,映射在综合中的体现(3)先实施元素映射,再通过空间关系映射对空间关系进行后继维护 决定综合的主导条件是语义分辨率、空间大小分辨率、空间特征分辨率违背了空间约束表达,通过元素的1-1,n-1或 n-m映射,达到几何特征、语义特征的粗化表
5、达,同时产生了空间关系的歪曲,f(ei)r f(ej)ei r ej,进而通过关系映射来修正,对空间关系进行后继维护,空间关系也存在综合 空间关系映射实施的条件有两种:一是空间关系表达本身不满足约束条件,二是元素映射后产生空间关系的破坏,与此对应的约束分别为“空间关系是可辨的”、“空间关系保持不变”,两种约束的判断都要基于关系分辨率,地图综合是一个信息熵传输过程 大比例尺地图为信息发送方X,小比例尺地图为信息接收方Y,综合表现为信息通道,该通道具有噪声干扰,传送过程中,部分信息被丢失、派生和曲解,产生不确定性。运用互熵描述,综合产生的信息量为熵的减少量 I=H(X)-H(Y|X),地图综合是一
6、个问题求解过程 综合决策没有确定的解,但可以在一定的模型及规则控制下寻求最优解。综合的基础算法是确定的,在环境参量设定条件下,算法对一定的输入产生确定的输出结果,但何时启动某算法、算法过程组织的顺序、回溯,是一个不确定性问题。,运用模拟退火技术、爬山技术对综合过程的诸如移位、曲线弯曲综合、多边形合并等实施在多个侯选方案中评选出最佳解,地图综合是一个智能体行为过程 Agent,智能体Agent源于对蚁群高效的社会分工与结构组织的认识和模拟。智能体是一个基于对环境的识别,具备自我决策和行为实施的目标对象Luck,1997,每个智能体既有一定的自由度胜任独立的功能,又具有相互间的高度协调及反馈接口,
7、智能体可大可小,能建立相互间的层次结构。这一描述与地图综合所具备的多层次目标集成、多重结构关系分析、多任务操作实施相吻合,借用智能体概念表达地图综合是比较合适的,但解决问题的关键不在于这种描述机制,而在于综合本身诸如操作行为的分解、过程控制、接口关联等基本问题的研究。国际上有关地图综合研究的几个权威组织正联合对地图综合智能体课题进行研究,包括以Planznet,Ruas为代表的法国地图院,以Weibel代表的苏黎士工业大学地理系,以Mackness为代表的苏格兰爱丁堡大学地理系,以及英国著名的图形图像公司Laser Scan,有关成果可浏览网站(http:agent.ign.fr),总结 地图
8、综合概念的形式化定义是一个富有挑战性的问题,不同领域的学者依据其研究背景借用现有不同的理论试图对其解答,但遗憾的是综合不是通用原理的简单具体运用,其固有的空间性特征使得这些通用的形式化定义在深入时遇到了困难,有些只能借用其思想,核心依然是对空间的认识问题,包括适于综合任务的空间模型、空间关系、空间对象等问题的形式化描述。数据库理论中关系表格难以支持具有复杂结构和关系的空间数据建模,对象关系数据模型和面向对象模型正被人们普遍发展用于空间数据建模,对象代数也从多个角度(集合论、超图、范畴论/类别代数、函数论、数理逻辑)得到广泛探讨,这些研究的发展可望对地图综合的形式化描述提供理论支持,2 为什么要
9、综合?(数字环境下地图综合的目的变得多样化,针对某一目的科开展专门研究),(1)空间信息传输的需要 网络环境下,为满足不同用户提出的在同一数据库下浏览不同表达尺度的信息内容的要求,需建立 服务器终端地图综合机制,为用户提供“冲浪地图”的全新的“综合策略”。矢量空间数据的自适应渐近式传输(图象逐步式传输从模糊到清晰,在网上已广泛使用,矢量电子地图如何实现这一形式?分辨率如何表达计算?)OnThe-Fly-Generalization 全局动态式综合,(2)空间数据集成的需要 不同时期、不同主题、不同分辨率精度的空间数据在网上集成,需要对其综合处理,使集成数据具有一致性和完备性。Goodchild
10、 在NCGIA 一份关于“数字地球”核心技术的研究报告中指出DE技术的核心之一是跨比例尺多分辨率数据的集成(综合),从观察全地球的10km分辨率到观察树木、汽车的1m分辨率,至少要跨越104 比例尺倍率的综合技术支持。On-demand Mapping,(3)地图阅读的需要 连续式zoom-in/zoom-out 电子地图具有数据存贮与显示相分离的特点,从而使地图的制作过程与阅读过程融为一体,网上电子地图“冲浪器”、“浏览器”应提供阅读工具,供图读者根据其兴趣爱好设计“自已的”临时地图,产生“在线式”综合的需求。On-line-Generalization Continue Zoom-in/Z
11、oom-out,(4)空间数据挖掘、空间分析的需要 通过抽象概括得到低分辨率下对空间的新的认知模型,并以图形形式表达空间的主体结构、分布模式、空间关系等内容,正是空间数据挖掘的内容。挖掘数据前预处理,综合。Structured Generalization,An overview of spatial data mining methods(from Han Jiawei).Spatial data warehouse and spatial OLAP.Generalization&characterization of spatial objects.Spatial association
12、analysis.Spatial classification and prediction.Spatial clustering and outlier analysis,二 数字环境下的综合策略,1。控制综合的因素,分辨率,(1)空间分辨率 空间大小分辨率 数据库所能表达的目标面积、长度的最小单位,小于该阀值的目标在数据库中不予表示 空间特征分辨率 数据库所能表达的目标细节特征的最小单位,小于该阀值不予表示,如曲线上的弯曲特征 空间间距分辨率 在数据库中可表达的两目标之间的最小间距(基于可读性考虑)空间关系分辨率 目标间拓扑、距离、方向上可表达的最小可辨析关系,A,空间关系分辨率,(2)语
13、义分辨率 集合语义分辨率(IS_A)聚合语义分辨率(Part_Of)次序语义分辨率,语义分辨率高,语义分辨率低,空间分辨率低,精度 描述目标的不确定性特征,表达空间数据质量上的可信赖程度,有定位精度、属性精度、时间精度之分。精度受同特征下的分辨率的影响,精度范围限定在分辨率数值取值外延范围内,如土地利用图上对地块划分到园地级别时,真实类型为果园、桑园、菜园、橡胶园的一种,时间表达到1999年,可靠性范围为1999年1月到1999年12月,细化到1999年7月,可靠性范围为1999年7月1日到7月31日。不同特征下精度与分辨率没有必然联系语义上只表达到高速公路级别(语义分辨率低),但可能具有较高
14、的空间定位精度。分辨率和精度代替比例尺之后并成为决定地图综合中目标选取、概括的主要因素,但不是决定性因素。空间区位性特征使得判断目标是否重要时,不仅要考察其大小,语义层次等分辨率条件,还要考虑上下文环境,戈壁荒漠中的一个水池,其面积远小于空间大小分辨率,但仍要选取。值得一提的是,尽管在回答“空间表达到何种程度”问题上,比例尺不是源头指标,但由于历史的原因,某种比例尺地图表达内容的详尽程度在人们脑海中留下了深刻的印象,又由于运用中,分辨率难于用简洁的语言表达,比例尺是综合考虑了各种分辨率、精度条件后的复合结论,在数字环境下,比例尺概念仍将继续延用下去,并且还有发展,出现了“多比例尺”,“变比例尺
15、”概念。,(3)时间分辨率 目标时态特征划分的最小单位,将连续变化过程离散化后的最小时间间隔。总结不同分辨率之间具有内在的相关性,一般而言,高的语义分辨率需要高的空间分辨率相对应,如街区图(低语义分辨率)上表示的多边形面积大(低空间大小分辨率),当深入到街区的下一级建筑物分布(高语义分辨率),图上多边形的面积变小(高空间大小分辨率),当改变语义分辨率时空间分辨率也将发生相应的变化。只表达到校园级时,内部道路、教学楼等将聚合为多边形目标,空间分辨率也降低了。,2。实施综合过程,建立综合过程概念模式 对综合目的、原图数据、综合条件、环境进行分析 对整个综合过程解决策略的模型化描述,涉及到综合的环境
16、、条件、规则、方法、质量评价等,是对综合问题高层次的概念级上的研究。,模型综合与图形综合,在数据库世界从新的视点导出低分辨率下的地图数据库,DLM1DLM2,即为模型综合。通过模型的抽象与化简,DLM2对实体世界的描述更加概括更加抽象,舍掉次要的地物目标,选取的重要目标对其主要空间、属性、时态特征也以简洁的方式予以表达,此阶段的表达不考虑图形可视化,不考虑采用什么符号,不涉及地图的艺术性、美术特征,从可视化角度,将数字景观模型用图形模型表达出来DLM DCM,即为图形综合。由于目标的图形可视化并不是简单11 过程(用对应符号装饰一目标),其间会产生视觉空间冲突、符号太小不易于视觉分辨等问题,为
17、此产生图形综合的需要。图形综合可看作是模型综合的后继阶段,它充分展示地图的艺术美学特征,顾及地图用户视觉心理Gestalt原则,对运用Bertin符号参量可视化时产生的问题通过综合得到克服,增强地图的可读性。,进行结构化分析,1 拓扑特征:空间目标的连通性、邻近性、包含、叠置相交、关联、邻接空间关系分析。2 几何特征:目标的形状、排列、大小、方位、曲率、分数维、长度、凸壳、骨架线、形心等特征分析。3 语义特征:数量百分比、有序量的排序、差异量的语义距离、比率量的倍率关系。4 分布特征:分布中心、分布轴线、分布密度、分布范围、离散度、拟合趋势线(面)、空间聚类、统计规律上的均值、方差、峰值等特征
18、分析。5 定位特征:绝对定位精度、相对定位精度分析。6 Gestalt特征:视觉平衡、视觉层次感、连续性、对称性、大小差异、方位排列、紧凑性等对目标视觉识别、群体结构分析产生的影响,判定综合约束,必须克服的空间表达限制,称为综合约束。综合约束进行定义为综合约束是“在解决综合问题中所必须遵循的有关规范”。在表达上,综合约束具有“保持”,“避免”的格式,综合约束有绝对的(保持面积大小、避免2mm2以下的多边形出现)和近似的(形状尽量相似),有针对单个目标的内在约束,和针对多个目标相互关系的外在约束,违背约束的情形有数量差异程度之分。不同的综合约束可能产生矛盾,如目标之间可辨析距离的保持与定位精度的
19、保持就存在矛盾。综合规则是一个相对固化的概念,它通常与特定条件下的某种操作相联系,表现为IF THEN 解决综合问题的操作可能有多个,用一个与操作无联系的概念来描述(约束),判定综合约束,Beard(1991a)对综合约束划分为四类:图形的、结构的、应用的和过程的,Ruas&Mackness(1997)则划分为:视觉辨析的、形状的、空间的、语义的,Peter&Weibel(1999)划分为:图形的、拓扑的、结构的、Gestalt的。,实施综合操作,在算子确定的条件下,算法的选择是第二层次的决策。同一算子下的不同算法对解决综合约束问题有不同侧重点,在保持综合前后空间结构化特征的能力上有差别。如曲
20、线化简算子具有多个算法Douglas Peacker,1973,Berg,1998,Li,1997等。在保持拓扑特征、不相交性、弯曲特征、定位精度方面各有差异,需要根据主要综合约束和最感兴趣的特征保持条件选择合适的曲线算法化简。再如同样是多边形化简,建筑物要保持其直角正交化特征,而土地利用地块是不规则的,要注重面积大小的保持,违背综合约束时,往往可以通过多个操作算子来解决,如两目标间的间距小于可辨析距离时,解决途径有:两目标合并,删除其中一个目标,对其中一个目标移位。另外违背约束通常不是单一的,表现为违背多个约束,这使得算子的选择更具有多重性。算子的选择及实施顺序是最高层次的决策,综合前结构化
21、分析的结果及主要综合约束的判断是决策的主要依据,同时要考虑地图的主题、目的和用途。道路与河流产生冲突时,水文图与道路交通图对冲突处理的策略显然不同。,目标选取,Object Selection,,,全局化,Universalization,,,均一化,Homogenization,,,化,简,Simplification,,,重分类,Reclassification,,,合并,Combination,,,收,缩,Collapse,,,聚合,Aggregation,,,删除,Deletion.,Robinson,1978,化简,Simplification,,,分类,Classification
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