基于认知的空间拓扑关系表示与推理

摘要

地理信息系统(GIS)在资源调查、评价、管理和监测，在城市的管理、规划和市政工程、行政管理与空间决策、灾害的评估与预测、地籍管理及土地利用，在交通、农业、公安等诸多领域得到了广泛的应用。但是，GIS中空间分析功能的发展显得比较落后，而空间分析是建立在空间目标位置和属性表达以及目标间复杂空间关系表达的基础上，要提高空间分析能力，必须解决空间关系描述与表达。因此，空间拓扑关系的研究已成为GIS研究的重点和热点。结合定性推理、空间推理与人工智能产生的定性空间推理，已成为人工智能的一个研究热点。不同于定性推理研究物理系统的结构、行为、功能及其相互联系，定性空间推理分析和处理的是人们对几何空间常识知识的认知；不同于空间推理研究空间对象的建模、描述、表示及其关系的分析和处理，定性空间推理面对的是空间对象的定性特征和定性关系。定性空间推理研究的是人类对几何空间中空间对象及其关系定性认知常识的表示与处理。近年来，定性空间推理的快速发展，也促进了GIS的发展，地理信息系统成为定性空间推理最成熟也最广泛的应用领域。因此，研究、分析、探讨定性空间拓扑关系和定性空间推理，对促进地理信息系统的发展有重要的学术和实用意义。 本文通过研究GIS中的核心问题——拓扑空间关系，将定性空间推理的方法应用到空间关系的分析中。在基于层次认知的拓扑关系组合推理的基础上，研究了空间拓扑关系层次表示方法和推理方法，以及空间约束满足问题推理求解算法。 论文首先介绍了定性空间拓扑关系表示和定性空间推理的基本概念、研究背景、内容和现状，确定了论文研究涉及的相关知识领域。 其次以点集拓扑学和本体论为基础，研究了空间拓扑关系表示方法。证明了RCC、n-交集与分类不变量模型具有相同的二维空间区域拓扑关系分类能力；证明了4交集模型对于分类二维空间区域间拓扑关系的充分必要性，从而将3种不同的研究方法统一起来。并从人类认知的角度提出了基于层次认知的拓扑关系分类方法HBM。该方法的分类能力等价于CBM模型，不弱于RCC模型、n-交集模型(4IM，9IM，DE4IM，DE9IM)和分类不变量模型中的任意一种。 再次，给出了空间拓扑关系层次组合表，给出了空间拓扑关系层次表示方法和推理方法，给出了比路径约束满足算法更有效的空间约束满足问题推理求解算法。最后，开发了拓扑推理的原型系统，从实践的角度验证这一推理模型的正确性。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1定性空间表示的研究现状

1.2.2定性空间推理的研究现状

1.3研究内容

1.3.1论文主要内容

1.3.2论文结构

2定性空间表示研究

2.1空间对象和空间关系

2.1.1空间对象

2.1.2空间关系

2.2拓扑关系分类

2.2.1基于区域连接的RCC形式化模型

2.2.2基于点集拓扑学的n-交集模型

2.2.3分类不变量模型

2.2.4 RCC、n-交集与分类不变量间关系研究

2.2.5 CBM表示方法

2.3基于层次的分类方法(Hierarchy-based Method，HBM)

2.3.1认知的层次化特征

2.3.2 HBM分类形式化定义

2.3.3 HBM的分类能力

2.4本章小结

3定性推理和空间推理理论

3.1定性推理理论

3.1.1定性推理概述

3.1.2定性推理的基本要素、任务

3.1.3定性推理的分类

3.2空间推理研究

3.2.1空间推理概述

3.2.2空间推理研究内容

3.3空间推理中的定性与定量关系

3.4定性空间推理研究

3.4.1定性空间推理概述

3.4.2定性空间推理方法

3.5本章小结

4组合表与定性层次拓扑推理技术

4.1基于HBM的定性空间推理组合表

4.1.1空间对象组合表概述

4.1.2基于HBM的组合表推理

4.2空间拓扑关系约束满足问题求解

4.2.1基于层次化表示的一般推理过程

4.2.2基于层次的约束满足问题求解

4.2.3实例

4.3本章小结

5原型系统的设计与实现

5.1系统设计目标

5.2系统开发环境

5.3系统的实现

5.3.1模块分析

5.3.2各模块设计与实现

5.4系统测试与分析

5.5本章小结

6结论

致 谢

参考文献

附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文

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