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《吉林大学》 2011年
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定性空间推理及其在空间数据检索中的应用研究

申世群  
【摘要】:空间推理是指利用空间理论和人工智能AI(Artificial Intelligence)对空间对象进行表示和推理。近年来,空间推理已成为十分活跃的研究领域,在空间演算易处理性,多维空间演算,空间知识管理以及定性、不完备空间信息推理等方面取得了重要进展。随着空间信息技术的发展,空间推理逐渐被用于地理信息系统、空间知识发现、时空数据库、图像数据库、自然语言理解和多媒体数据库等领域。其中地理信息系统是空间推理的最重要的应用领域之一。 近年来,伴随着信息获取技术的进步,在地理信息系统( GIS)和遥感图像处理等领域中的空间数据,呈现出爆炸式增长的趋势。那么如何更加有效地利用这些空间数据、如何在海量空间数据中快速检索出人们所需要的信息成为目前空间数据管理的瓶颈之一,因此GIS的交互问题越来越重要,在这方面有很多的问题亟需研究解决,如以矢量或栅格方式存储着几十亿字节数据的GIS系统现在还不能提供直观的、面向常识的人机交互功能,诸如GIS系统不支持从大量数据中抽取出定性空间信息等。要想解决这些问题,就要对定性空间推理进行深入研究,并将定性空间表示、推理和空间相似性等研究结果应用到GIS中去,使GIS能满足人们日益提高的检索需求。 本文在分析现有工作的基础上,围绕定性空间推理在空间数据检索中的应用开展研究,主要研究结果如下: 1.研究了定性空间推理的相关概念和基本方法,对定性空间表示和空间数据检索进行了总结,通过对比分析重点研究了九交集拓扑关系模型和方向关系矩阵模型,提出结合这两种定性模型进行空间数据检索的方法,能对空间草图进行有效地表示和检索。 总结出空间推理研究的基本方法主要有公理化方法、几何约束满足方法、代数方法和基于模型的推理方法。研究了判定某种定性空间关系形式化表达能力的标准,目前定性空间表示研究主要集中在空间拓扑关系表示、空间方向关系表示、空间距离关系表示、定性形状表示、空间邻近关系以及结合多种空间关系的定性表示方法,在这些表示方法中最重要的是拓扑关系和方向关系的表示,其中应用较广泛的拓扑关系模型主要有RCC模型和九交集模型,而应用最广泛的方向关系模型是方向关系矩阵模型。空间数据检索是近几年的研究热点,随着人们获得的空间数据不断增多,迫切需要提高空间数据检索的效率,增加更多、直观、符合人们认知的检索方法。我们介绍了空间数据检索发展的阶段及未来的发展方向,现阶段对基于草图的空间数据检索的研究越来越多,有必要对该方法进行深入研究。 2.基于结合九交集拓扑关系模型和深度方向关系矩阵模型,研究了基于草图的空间数据检索方法。 在基于草图的空间数据检索中,用户可用鼠标或手在触摸屏上绘制将要检索的空间场景,如建筑物、桥梁、河流和山川等形状与空间相对位置信息,并可给出已知的标注,形成草图。草图包含了较明确、详细的信息,包括对象间空间拓扑关系、方向关系和已知对象的标注等,可作为检索条件提交给GIS,系统对草图中的对象本身及对象间的拓扑和方向关系进行提取,并将提取的特征记录在相应的特征关系表中,然后通过空间关系匹配算法检索到符合要求的空间数据并进行显示,实现基于草图的空间数据检索。 近年来,基于草图的空间数据检索得到了重视和研究。自1996年以来,Egenhofer、Blaser等人都对基于草图的空间数据检索进行了研究,相继给出了基于草图的空间数据检索的设计原则,草图的表示及检索处理过程,但以往的研究中大部分都围绕着区域对象展开,没有考虑所有类型的空间对象,并且很多都没有给出系统原型,我们将九交集拓扑模型和深度方向矩阵引入空间数据检索,给出了一种基于草图的空间数据检索方法,该方法支持地理数据库中所有的数据类型。我们具体研究了空间草图中拓扑关系和方向关系的提取及保存方法,并将基于草图的空间数据检索问题转化为约束满足问题,并根据约束满足问题的前项检查算法的思想,针对空间数据检索的具体问题,给出了一个基于草图的空间数据检索算法SBSDQ-FC(),应用标注、定义域动态排序和空间邻近关系等方法对SBSDQ-FC()算法进行了改进,提高了草图检索算法的检索效率。并给出了算法的复杂度,通过实验对算法进行了分析验证。 3.空间相似性及其在空间数据检索中的应用研究 研究了空间相似性的概念和相关处理方法,综述了空间相似性的国内外研究现状。重点研究了拓扑关系和方向关系相似性的定义和计算方法。根据1996年Bruns和Egenhofer给出的任意两个区域之间的拓扑关系概念邻域图,通过计算任意两个拓扑关系的距离得到两个区域之间拓扑关系概念邻域的差异矩阵。根据概念邻域图和差异矩阵给出了面与面之间拓扑关系相似性的计算方法。同时将这个方法推广到其它对象间拓扑关系相似性的计算。对于方向关系相似性计算,主要从主方向关系模型出发,研究了基于主方向关系模型的方向关系相似性计算方法。最后将空间相似性研究结果应用于基于草图的空间数据检索,使检索方式更直观,更易于理解。 4. GIS环境下基于草图的空间数据检索系统的设计与实现 为验证本文提出的结合拓扑关系和方向关系的草图检索方法,我们应用C#和MapInfo建立了一个基于草图的空间数据检索原型系统,验证了我们所提出的方法的可行性,同时文中也分析了这种方法的不足,指出了下一步要做的工作。 国内空间推理领域关于定性空间推理及其应用研究方兴未艾,本文以上的研究结果丰富了定性空间推理及其应用技术,期望对该领域的发展有一定的借鉴和参考。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P208;TP391.3

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 张池军;基于语义Web的LBS服务架构及其服务发现算法研究[D];吉林大学;2012年
2 张上;基于本体的地理空间信息移动位置服务关键技术研究[D];中国地质大学(北京);2014年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前3条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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4 贾泽露;;基于GIS与SDM集成的农用地定级专家系统[J];安徽农业科学;2008年14期
5 卢双珍;曹顺伟;邓喜庆;张煜;喻庆国;;三维林相图制作研究[J];安徽农业科学;2009年14期
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8 蔡丽艳;冯宪彬;丁蕊;;基于决策树的农户小额贷款信用评估模型研究[J];安徽农业科学;2011年02期
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10 王斌;;基于聚类的决策树在玉米种质筛选中的应用[J];安徽农业科学;2011年33期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
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7 宋伟东;李兰勇;隋心;董山;;露天矿采场时空数据库的构建与应用研究[A];《测绘通报》测绘科学前沿技术论坛摘要集[C];2008年
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9 魏巍;李满春;龙毅;蔡栋;谭露;;基于约束三角网探测点线面空间邻近关系研究[A];中国测绘学会第九次全国会员代表大会暨学会成立50周年纪念大会论文集[C];2009年
10 王结臣;沈定涛;李利番;;基于扫描线与梯形分割技术的面目标空间拓扑计算[A];中国测绘学会第九次全国会员代表大会暨学会成立50周年纪念大会论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 贾瑞生;矿山开采沉陷三维建模与可视化方法研究[D];山东科技大学;2010年
2 张泽宝;空间数据库的索引技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
3 田峰敏;水下地形导航模型求解与导航区初选策略研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
4 王红;基础地理信息地形数据库信息量度量方法研究[D];辽宁工程技术大学;2010年
5 陈韶斌;基于知识推理和视觉机理的遥感图像目标识别方法研究[D];华中科技大学;2010年
6 刘天印;基于系统模拟的高校教师工作压力研究[D];华中科技大学;2010年
7 张明;电能质量扰动相关问题研究[D];华中科技大学;2010年
8 孙冬璞;时空数据库多类型最近邻查询的研究[D];哈尔滨理工大学;2010年
9 陈春雷;多尺度林业遥感数据融合技术的应用研究[D];北京林业大学;2011年
10 渠瑜;基于SVM的高不平衡分类技术研究及其在电信业的应用[D];浙江大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王丽敬;地理案例的空间相似性计算[D];山东科技大学;2010年
2 岳海亮;信息论在粗糙集连续属性离散化中的应用[D];辽宁师范大学;2010年
3 杜波;基于“一张图”思想的城乡一体化地籍管理信息系统研究[D];广西师范学院;2010年
4 毕军芳;基于开放式构架的移动空间信息服务模块的设计与实现[D];山东农业大学;2010年
5 徐洪伟;数据挖掘中决策树分类算法的研究与改进[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 曹振兴;适应概念漂移的数据流分类算法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 李晓光;数据挖掘技术在高校招生和教务管理中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 秦园;基于SPOT5的土地信息提取技术研究[D];大连理工大学;2010年
9 王太宁;基于GeoTools的开源GIS应用的研究与实践[D];大连理工大学;2010年
10 李仁良;决策树算法在临床诊断中的应用研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 邓志鸿,唐世渭,张铭,杨冬青,陈捷;Ontology研究综述[J];北京大学学报(自然科学版);2002年05期
2 陈常松,张传霞;GIS语义共享的实质及其实现途径[J];测绘科学;2000年01期
3 刘勇;李成名;印洁;;语义地理信息服务集成框架研究[J];测绘科学;2010年05期
4 边馥苓;梅琨;;为地理知识库构建位置本体[J];地理信息世界;2008年04期
5 陈玉鑫;李景文;崔爽;姜智东;;基于地理本体的空间数据组织方法与应用[J];测绘与空间地理信息;2011年06期
6 黄茂军,杜清运,吴运超,李凤丹;地理本体及其应用初探[J];地理与地理信息科学;2004年04期
7 刘瑜;龚咏喜;张晶;高勇;;地理空间中的空间关系表达和推理[J];地理与地理信息科学;2007年05期
8 杜云艳;张丹丹;苏奋振;杨晓梅;贺惠忠;;基于地理本体的海湾空间数据组织方法——以辽东湾为例[J];地球信息科学;2008年01期
9 陈建军;周成虎;王敬贵;;地理本体的研究进展与分析[J];地学前缘;2006年03期
10 蒋运承,张海俊,董明楷,史忠植;多主体系统中的动态服务匹配[J];电子学报;2004年03期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 宁安良;面向3G终端的移动地理信息服务研究[D];中国海洋大学;2010年
2 刘恒;普适计算环境下基于位置服务的隐私保护若干技术研究[D];电子科技大学;2010年
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6 钟海东;基于地理本体的移动GIS空间信息服务研究[D];华东师范大学;2011年
7 陈雯;基于本体框架的交通出行语义轨迹建模、标记及数据库研究[D];华东师范大学;2011年
8 刘伟;基于地理本体的空间数据服务发现与集成[D];中国矿业大学;2010年
9 魏登萍;语义Web服务发现中匹配策略的研究与实现[D];国防科学技术大学;2011年
10 刘勇;基于语义的地理信息服务集成研究[D];山东科技大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 熊燕子;基于OWL-S语义服务描述的数字图书馆网格应用模型研究[D];湖北工业大学;2011年
2 钟叶;基于Agent的Web服务组合研究与应用[D];武汉理工大学;2011年
3 董天罡;企业应用集成中语义Web服务框架的研究[D];山东大学;2008年
4 林晓毅;基于OpenLS的移动定位平台和地图匹配算法的研究与实现[D];吉林大学;2009年
5 高吉良;基于P2P的语义Web服务的发现机制研究[D];北京邮电大学;2009年
6 蔡畅;基于地理本体的空间数据集成研究[D];解放军信息工程大学;2008年
7 邱昌程;云计算模式下主动服务架构的研究[D];武汉理工大学;2010年
8 余伟;语义Web服务发现框架的研究[D];重庆大学;2010年
9 丁明伟;基于OWL-S的语义化Web服务检索模型研究[D];重庆大学;2010年
10 李士果;基于QoS本体的语义Web服务选择技术研究[D];重庆大学;2010年
【二级引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 贾冰;基于语义的物联网服务架构及关键算法研究[D];吉林大学;2013年
2 张上;基于本体的地理空间信息移动位置服务关键技术研究[D];中国地质大学(北京);2014年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陈毓芬,刘宏林;几种地图新概念的比较分析[J];北京测绘;2000年01期
2 毋河海;凸壳原理在点群目标综合中的应用[J];测绘工程;1997年01期
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6 刘颖,翟京生;随机点群目标空间图形的表达与识别[J];测绘科学;2005年04期
7 张永华;程耀东;闫浩文;刘纪平;;多尺度空间线状实体形状相似关系的表达与度量[J];测绘科学;2008年06期
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10 杜世宏,王桥,魏斌,申文明;空间方向关系粗糙推理[J];测绘学报;2003年04期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
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中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 程起敏;基于内容的遥感影像库检索关键技术研究[D];中国科学院研究生院(遥感应用研究所);2004年
2 崔巍;用本体实现地理信息系统语义集成和互操作[D];武汉大学;2004年
3 袁贞明;基于样例的空间数据检索技术研究[D];浙江大学;2005年
4 丁虹;空间相似性理论与计算模型的研究[D];武汉大学;2004年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 沙宗尧,边馥苓,陈江平,江聪世;基于规则知识的空间推理研究[J];武汉大学学报(信息科学版);2003年01期
2 欧阳继红,刘大有,胡鹤,陈博宇;一种基于模糊集的混合空间推理方法[J];吉林大学学报(理学版);2004年04期
3 廖士中,王建民,王海山;空间推理研究的方法学[J];辽宁师范大学学报(自然科学版);2000年02期
4 寇振华,应新洋,周国兵;GIS中拓扑关系及空间推理研究[J];计算机应用研究;2005年05期
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6 葛小三;边馥苓;;基于常识的空间推理研究[J];地理与地理信息科学;2006年04期
7 余先川,姚力,叶青,张卫华,陈政光;多源地学信息的自动综合研究综述[J];北京师范大学学报(自然科学版);2002年01期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 余先川;姚力;佘松;张卫华;陈政光;;空间推理和空间知识表示研究进展[A];2001年中国智能自动化会议论文集(上册)[C];2001年
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3 衣新发;林崇德;俞国良;;小学学习不良儿童在电脑问题解决过程中的策略使用[A];第十届全国心理学学术大会论文摘要集[C];2005年
4 吴静;肖根如;毛建华;陶国强;;地图综合中目标空间关系维护[A];中国地理信息系统协会第九届年会论文集[C];2005年
5 刘永山;姜书奎;黄章俊;;基于MBR主方向关系的反关系的研究[A];2005年全国理论计算机科学学术年会论文集[C];2005年
6 朱玉玺;阚志刚;袁文翠;;基于知识的地理信息系统(KBGIS)初步研究[A];1996年中国智能自动化学术会议论文集(下册)[C];1996年
7 杜晓初;;间邻近关系定义及其推理[A];中国地理信息系统协会第八届年会论文集[C];2004年
8 王英华;;国外场景识别研究新进展[A];第十届全国心理学学术大会论文摘要集[C];2005年
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10 姚志强;;关系推理中信念偏差效应的研究[A];第十届全国心理学学术大会论文摘要集[C];2005年
中国重要报纸全文数据库 前8条
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6 潘伟;人才测评在大学生就业指导中的应用[N];中国人事报;2003年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 申世群;定性空间推理及其在空间数据检索中的应用研究[D];吉林大学;2011年
2 欧阳继红;时空推理中一些问题的研究[D];吉林大学;2005年
3 黄君;莫扎特效应的实验研究[D];西南大学;2009年
4 唐良;城市道路交通指路标志智能设计系统的研究与实现[D];中国科学技术大学;2008年
5 李松;空间数据库空间关系的关键理论研究[D];哈尔滨理工大学;2009年
6 霍林林;复杂空间关系模型及空间描述逻辑中若干问题的研究[D];吉林大学;2013年
7 谢琦;空间方位关系模型与时空结合推理的研究[D];吉林大学;2006年
8 胡鹤;本体方法及其时空推理应用研究[D];吉林大学;2004年
9 富倩;空间凹形区域中拓扑关系模型和形状关系模型的研究[D];吉林大学;2010年
10 曹菡;空间关系推理的知识表示与推理机制研究[D];武汉大学;2002年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 应新洋;地理信息系统中拓扑空间关系及空间推理研究[D];重庆大学;2003年
2 孙黎;空间推理中固态物体及空洞的形式化描述[D];广西师范大学;2011年
3 赵荣荣;空间带洞区域与简单非闭合曲线间拓扑关系及推理的研究[D];吉林大学;2009年
4 王兆丹;复杂拓扑关系模型及在WebGIS中的应用[D];吉林大学;2008年
5 郭昊;描述逻辑在空间推理中的应用[D];吉林大学;2008年
6 马宝超;简单空间对象间拓扑关系的表达与推理研究[D];吉林大学;2007年
7 赵羽;简单空间对象间拓扑关系算法的设计与实现[D];吉林大学;2007年
8 霍林林;空间带洞区域拓扑关系表达模型的研究[D];吉林大学;2008年
9 李姣姣;镶嵌式矿山三维建模方法研究[D];中南大学;2009年
10 褚永彬;地理空间认知驱动下的空间分析与推理[D];成都理工大学;2008年
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