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基于相似性的地理空间分析关键技术研究
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博士论文摘要
随着地理信息系统在各行各业的应用，地理信息系统已从少数地理学家的桌面走向企业和平民大众。不同行业和领域在广泛运用地理信息系统的同时，对地理信息数据的获取手段和分析技术也提出了更高的要求。传统的空间分析技术要求地理信息系统用户必须具备较完整的地理信息数据库的背景知识，用户空间分析所得到的是和空间分析条件准确匹配的结果，获取地理信息的数量和质量取决于获取者对地理信息系统数据的了解、熟悉程度，用户对地理信息数据库和相关地理信息知识的了解程度越高，用户所作的空间分析就越能够得到准确的结果，就能获得越多越详尽的地理信息知识。然而，大部分的地理信息系统用户都不具备足以完成他所期望的地理空间分析所需要的完备知识背景，地理信息系统亟需新的理论和方法来改进地理信息数据的获取和分析手段。
地理事物和地理现象之间存在相似也存在相异；相似是宏观的，相似对于人类认识客观世界具有更大的推动力。相似性科学是以相似性现象和相似系统为研究对象，主要研究自然界、人类社会、工程技术和认知思维中相似性规律及其应用的科学，具有从理论上认识相似性、分析相似性，到实践上应用相似性、创造相似性的完整科学体系。相似论是思维科学的理论之一。它的目的在于研究自然界、人类社会和思维领域广泛存在的相似运动、相似联系与相似创造规律。相似性科学不仅研究相似现象，还注重认识相似性和相似系统(尤其是系统相似性)，探索相似性的由来，阐明相似性形成原理和演变规律，分析度量相似性，进行系统相似性规律及其应用研究。
本文提出将相似性科学的理论和方法论引入到地理空间分析中，全面分析了相似性在地理空间分析的各个阶段中的表现形式，提出了相似性度量和计算的方法，分析并研究了基于相似性的空间分析的关键技术；提出了一种在格网条件下的集定性空间专题、定性空间形状、定性空间拓扑关系、定性空间方向关系、定性空间距离关系表达于一体的多层次定性空间表达模型，该模型符合人们对地理空间事物的认知和表达习惯，并能够将复杂的定性空间表达和空间关系计算转换为标准的SQL语句查询，降低了计算复杂度，提高了查询效率；提出了多因子空间相似性评价模型和实现方法，使空间相似性评价操作更简便；改进了对Null值相似性比较的处理，使之更符合实际应用情况；全面研究了基于相似性的空间分析的理论和关键技术，重点研究了空间专题相似性、空间对象相似性、空间场景相似性等；结合烤烟种植生产实践应用研发了一套基于相似性的空间分析系统。论文在以下几个方面进行了创新性的研究工作：
1. 将相似性引入到地理空间分析的研究中
相似是完全相等(完全匹配)的偏离。人类认识相似性具有悠久的历史，人类也在不知不觉地运用着相似性，但相似性作为一门科学是最近二十年发展起来的，将相似性引入到地理信息系统中的研究较少。本文将相似性引入到地理空间分析中，用相似匹配代替准确匹配，分析了地理现象和事物间广泛存在的空间专题相似性、空间对象相似性、空间场景的相似性；研究了空间分析输入约束条件存在的相似性、空间分析中各个环节所具有的相似性及其计算方法等关键技术。尽我所知，国内外还没有系统的此类研究，有一定的理论价值；将相似性理论和方法引入到地理空间分析中，从相似性的视角来看待地理事物和地理现象，为地理空间分析提供了新的方法论。
2. 提出了基于格网的多层次定性空间表达计算模型
定性空间表达是定性GIS研究的重要组成部分，也是基于相似性空间分析的基础。在以往的相关研究中，研究者们将定性空间专题、定性空间形态、定性空间拓扑关系、定性空间方向关系、定性空间距离关系的表达和计算方法割裂开来研究，每一种定性表达有各自一套独立的表达模型和算法，不利于多种空间表达的整合；计算复杂度高，且不利于计算机软件实现；定性空间表达模型没有层次概念，不符合人们对空间事物的认知习惯。本文提出的基于多层次格网的定性空间表达模型用一个计算模型将定性空间专题、定性空间形态、定性空间拓扑关系、定性空间方向关系、定性空间距离关系统一起来；多层次格网所具有的表达能力的伸缩性，符合人们对地理空间事物认知的多层次、多尺度特征，根据与空间认知测试结果的对比，证明该模型与人们空间认知习惯具有较高的一致性；该模型克服了现有模型所存在的缺陷，有效地解决了“相互缠绕空间对象”的空间关系和空间关系“突变”等问题；统一的计算模型为解决了多种空间关系表达的整合问题提供了可能；将涉及大运算量的空间关系计算转换为数据库中标准SQL语句的查询，大大降低了计算复杂度，提高了计算和检索效率，使定性空间表达模型更具有实用价值。基于格网的多层次定性空间表达计算模型为空间场景相似性的计算提供了基础。
3. 初步建立了基于相似性的空间分析体系框架
本文在分析空间相似性和空间分析各个过程相似性的基础上初步建立了基于相似性的空间分析体系框架，包括：
1) 建立了多因子空间相似性评价模型
基于相似性的空间分析中，要对诸多的自然条件相似性因子和社会经济等非自然条件相似性因子进行综合评价，并使之符合人类对空间相似性的认识，需要建立一个符合人类对相似性判断和评价习惯的多因子的相似性评价模型。本文建立了基于各相似性因子权重排序的多因子相似性评价模型，在这个模型中，根据各个相似性因子及其权重对空间分析结果进行综合评价，不仅符合人们对相似性评价的认知，用户的操作又比较简单直观。通过实验初步验证了该模型的有效性。
2) 改进了与数据库中Null值进行相似性比较的算法
数据库中不可避免会出现Null值，Null值与非Null值的相似性比较是相似性空间分析中不能回避的问题，前人提出的Null值处理算法实际是以Null值取相似性最小值，夸大了不相似性，这和实际是不相符的。本文提出的根据非Null值的平均值和最或然值进行相似性度量的方法更切合实际应用需要，在烤烟生产管理的应用中得到了验证。
3) 基于相似性的空间分析系统的实现
本文运用软件工程的方法研发了一套基于相似性的空间分析系统，系统建立了基于类SQL语句的空间分析、基于草图的空间分析以及两个空间场景空间相似性比较的三种空间分析模式。相似性贯穿于空间分析的全过程，基于相似性的空间分析系统记录并计算了空间分析全过程中出现的相似性及其对空间分析结果的影响；结合烤烟种植生产实践案例分析，初步验证了基于相似性的空间分析系统的有效性。基于相似性的空间分析系统具有不需要用户有很完备的地理信息背景知识，符合人们认识事物从粗略到精确、从定性到定量的认知习惯等优点；与传统的基于准确匹配的定量空间分析系统相比，具有操作更简便、分析速度更快、分析结果更全、对输入条件的容忍限度更大等优点。具有较高的实用价值。
4) 将基于相似性空间分析的研究应用到烤烟种植管理中
烤烟种植是一项复杂的需要考虑多种因素的生产活动，本文将基于相似性的空间分析的研究在烤烟种植管理中得以实现，提供了基于类SQL语句的空间查询、基于草图的空间分析以及两个不同区域的烤烟种植条件空间相似性对比的应用模式，为烤烟种植生产提供了新的分析和管理的技术手段，是一种新的认识烤烟种植规律的方法。
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