淺析空間推理在GIS中應用

劉熠民

【摘要】 空間推理利用存貯在數據庫中的基本數據信息，結合相關的空間約束來獲取所需的未知空間信息。空間推理是空間關系查詢、分析與應用的基礎，直接影響GIS的發展與應用。

【關鍵詞】 空間推理 數據查詢 空間分析 信息挖掘

空間推理是根據地物要素的空間特性，運用合適的推理模型來推斷出新事實的過程。在GIS應用中，主要通過要素的拓撲關系（鄰接、關聯、包含和連通等）和方向（東/西/南/北）約束來反演對象間的空間分布、形狀、方向、距離等空間信息。近年來，空間推理已在地理信息系統、智能導航、機器人、計算機視覺等領域引起普遍關注。

空間推理的研究主要有兩類基本的方法：基于區域連接的 RCC方法和基于點集的“9-交集”模型。RCC模型由Randell等提出，運用區域連接演算理論來表達空間區域的拓撲特征和拓撲關系；“9-交集”模型以實體為基礎，對實體的內部、邊界和外部區域做出界定，能夠很好地將兩個空間目標的交集是空、點、線或面4種情況區分開，通過9元組建立空間關系之間的概念鄰接模型，推導空間關系的漸變過程，用于反映空間實體的變化過程。

空間推理在GIS中有多方面的利用，從數據查詢、空間分析和信息挖掘三方面介紹。

一、數據查詢

GIS空間數據建模與空間數據庫設計時，既要表達空間實體，也要表達空間實體間的空間關系。而目前的傳統關系數據庫的查詢語言因為只提供了對簡單數據類型（如整數或字符）的相等或排序等操作，不能有效地支持空間查詢。為了解決空間數據庫在空間查詢、分析與處理中的應用問題，需要空間查詢語言的支持。例如，Arc/Info，Tiger等系統采用關系表法表達端點與弧段、弧端與面塊之間的拓撲關聯等空間關系，通過Macro語言方式將9-元組模型描述的結果（即：分離、相接、相交、包含/包含于、覆蓋/覆蓋于、相等）加入到查詢命令中，加強了空間數據查詢調取的可用性和高效性，比如查詢長江流經的且與湖北省接壤的所有省份的名稱就會變得很簡單。通過空間關系的定義和應用，節省了大數據的存儲空間，也便于進行數據的一致性檢查、維護更新和查詢統計。

二、空間分析

空間推理解決了空間分析中模型描述的問題，構成了空間分析的基礎。空間分析處理了空間實體間的相互關系，如點模式識別是在處理點狀目標之間的鄰近關系與分布，疊置分析是處理多個空間目標之間的相交、覆蓋等拓撲關系。從時空的角度來看，地理空間信息都是隨時間變化的，這種變化不僅僅是空間目標的幾何位置 、形狀、大小的變化，也可能包括目標間拓撲關系的變化。對時空關系的推理可以定量的分析出不同時間節點上空間圖形結構的相似性程度，而基于拓撲變異和幾何變異的分析可以表現數據的質量。

三、信息挖掘

拓撲信息作為最基本的一類空間信息，構成了空間關系的基礎。通過空間推理發現數據背后隱藏的規律，可以更好的為智能化生活和自動化生產服務。目前空間推理已廣泛應用于地理信息系統、機器人導航、高級視覺、自然語言理解、工程設計和物理位置的常識推理等方面，并且正在不斷向其他領域滲透。

空間推理的發展方向是以人類認知模式為基礎，融合不同的空間關系描述方法，同時考慮與GIS 的結合，完善空間關系理論、增強模型的實用性，建立更符合人類認知的空間關系描述體系，更好地解決實際問題。目前，三維、時空、模糊、層次等拓撲關系的形式化描述模型與表達方法，以及基于空間關系的認知、推理和存取等方面都是空間推理的研究方向。

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