基于投影模型的空间方向查询
第24卷第4期
2009年8月
郑州轻工业学院(自然科学版)
JOURNALOFZHENGZHOUUNIVERSITYOFLIGHTINDUSTRY{NaturalScience)
Vo1.24No.4
Aug.2009
文章编号:1004—1478(2009)04—0046—04
基于投影模型的空间方向查询
张艳晓,曹菡,乔玉平
(陕西师范大学计算机科学学院,陕西西安710062)
摘要:在对几种主要的基于投影的空间方向关系形式化描述模型进行
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
的基础
上,对方向关系
重新进行了定义,并针对西安市实际地图数据的特征,设计并实现了基于方向关系
矩阵模型的空
间方向查询,取得了比较好的查询效果.
关键词:空间方向关系;方向查询;投影模型;方向关系矩阵模型
中图分类号:TP391.1文献标志码:A
Spatialdirectionquerybasedonprojectionmodel ZHANGYan—xiao,CAOHan,QIAOYu—ping
(CollegeofComp.Sci.,ShannxiNormalUniv.,Xi'an710062,China)
Abstract:Severalmainkindsofspatialdirectionalrelationformaldescriptionmodelbasedon
projection
wasanalyzed.Thendirectionalrelationshipwasredefined.AccordingtothefeaturesofXi'an
actualmap
data,aspatialdirectionquerybasedondirection—
relationmatrixmodelwasdesignedanddeveloped,and
theexperimentalresultwassatisfying.
Keywords:spatialdirectionrelations;directionquery;pr~ectionmodel;direction-relation
matrixmodel
0引言1投影模型
空间查询与分析是地理信息系统(GIS)的核心 功能,也是GIS区别于其他信息系统的本质特征.空 间方向关系是空间实体间的一个重要而又基本的 关系,是GIS的基础理论问题之一,在GIS空间查 询,空间分析,空间推理,制图综合等过程中起着重 要作用.因此,空间方向查询的研究对于促进GIS基 础理论的研究与GIS的应用都具有重要意义.本文 以方向关系矩阵模型为基础,设计并实现空间方向 查询.
目前,空间方向关系形式化描述模型分为锥形 模型,投影模型和基于Voronoi图的模型,各种模型 对空间方向关系的描述能力各有其优势和局限.由 于投影模型对于空间区域的划分具有矩形的特性, 所以基于投影的模型比锥形模型在空间数据库中 更容易实现,由投影模型产生的组合推理结果也比 锥形模型的推理结果更精确.另一方面,基于投影 的模型相对于基于Voronoi图的模型计算量较小. 基于投影的模型更适于实现基于方向关系的查询. 收稿日期:2008—12—13
基金项目:国家自然科学基金项目(40471102) 作者简介:张艳晓(1982一),女,河南省平顶山市人,陕西师范大学硕士研究生,主要
研究方向为空间数据建模与地理信
息系统;曹菡(1963,),女,陕西省西安市人,陕西师范大学教授,博士,主要研究方向
为地理信息系统和空间数据建模.
第4期张艳晓等:基于投影模型的空间方向查询?47?
基于投影的方向关系模型最初是由Franku提出 的,具有代表性的有二维字符串模型喝,MBR 模型和方向关系矩阵模型[I6].二维字符串模型 由Chang等[2提出,2D—string模型并没有直接计 算目标的空间方向关系,而是通过对目标符号图数 据库的检索来进行实时的计算.二维字符串模型可 能受空间目标形状和大小以及网格划分大小的影 响,而且模型中参考目标不固定,所以比较适合描 述整个空间场景的方向关系,常用于影像检索等 领域.
1.1基本投影模型
投影模型的核心思想是首先建立坐标参考系 统.然后将空间对象投影到坐标轴上,利用投影后 的坐标值来确定对象间的方向关系,这种方向关系 表示模型称为基本投影模型.在基本投影模型中, 选择不同的投影坐标轴将得到不同的投影模型,如 图1所示.其中0为参考对象的投影位置.当源目 标对象的投影位置也为O时,2个对象间的方向关 系称为"同一"(Same).
基本投影模型能够较好地表示空间点对象间 的方向关系.例如:任意2个点对象A,,它们在垂 直投影下y坐标分别记为A,曰,当B>A时,表示 点A在点B的南面;B<A时,点A在点B的北面; B=A时,表示A与曰具有"同一"方向关系. 当参考对象不是点对象时,以参考对象的最小 边界矩形MBR来近似表示,并作垂直一水平投影, 得到"井"字空间投影模型【3J,如图2所示,其中sA 表示同一方向关系.特别地,垂直一水平投影模型 可以被看作是参考对象为点对象时的井字空间
模型.
以参考对象为基础的井字空间投影模型将R
划分为9个区域,每个区域的主方向
规定
关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定
如图2所 示,如果将9个方向关系记为D9={RN,NE,RE, SE,RS,SW,RW,脚,},则目标对象与参考对
WLIuERWS—I垂直投影模型水平投影模型垂直-水平投影模型 图l三种投影模型
象Y的方向关系记为
Dir(X,y)=
RN,当XC_Rl;
NE,当XC_R2;
RE,当XC_R3;
阳,当XC_R;
,当XC_R5;
SW,当XC_R6;
?,当XC_R7;
RW,当XC_R8;
,当XC_R9;
其中R一R是井字空间的9个区域,分别定义为 Rl={PIYx_min~P?Yx_max,Yr_max<Py}; R2={PlYx_max?P,Yr_max<Py}; R3={PIy一max?Px,yy—min?Py?Yy—
max};
R4={PlYx_max<P,Pr<Yy_min};
R5={Pll,—min?P?—max,Py<Yr—
min};
R6={PIP<Yx_min,Py<Yy_max{;
R7={PlP<rx—min,yy—min?Py?Yr—
max};
Rg={PIPx<Yx_min,yY—max<Py}; R9={PI一min~P?Xx—max,y—min?Py? Yy_max};
其中,Yx_min:min{PlPEY},—max=max{lP ?Y},Yr—min,Yr_max的定义与此类似. 由D.的定义可知,当源目标与9个区域的交不 唯一时无法区分,如图3所示,源目标日与RN, NE,RE3个区域都有交集,根据D的描述,D无法 确定A与日的方向关系.为了改进上述情况,在上 述投影模型的基础上,Papadias等提出了MBR方 向关系模型,Goyal等I6提出了方向关系矩阵 模型.
NwR?NE
只/舡
SE
v—NE—
E
?R7?
RW
船S
图2"井"字空间投影模型图3D9无法区分的情形 ?
48?郑州轻工业学院(自然科学版)2009矩 1.2MBR模型
MBR模型将目标对象与参考对象均用MBR来 近似,主要思想是通过空间目标最小外接矩形之间 的方向关系来判定空间目标间的方向关系.该模型 在水平方向和垂直方向上各能表达13种空间关系, 因此能够区分169种空间关系].如图4a)所示,源
目标曰相对于参考目标A的方向关系为Dir(A,B) =NE,即在A的东北方向.该模型在一定程度上 顾及了空间目标形状和大小对方向关系的影响.但 是,当2个空间目标的MBR相交的时候,就可能导 致空间方向关系描述困难,如图4b)所示. ?.?
A\E
\
SE
a)MBR模型空间方向关系描述
Nw?
W,
,,
,
SE
b)MBR模型难以描述的情形
图4MBR模型
1.3方向关系矩阵模型
对D.的另一种改进是Goyal-6]等提出的方向 关系矩阵模型(DRM模型),该模型所用的参考框 架与井字空间模型的参考框架相同,也是按照参考 对象的MBR将空间分成9个区域(称为9个方向 片),每一个方向片对应一个主方向.如图5a)所示, 参考目标所在的方向片为"Same"方向(OA).源目 标B总会落在至少1个方向片中,对9个方向片和 源目标分别求交就可以构建一个3×3的方向关系 矩阵.当参考目标为A,目标对象为时,方向关系 矩阵的格式为
r?n曰^nBNEAn]
lnB0AnBEnBl
LswAnBS^nBSE^nB.J 矩阵元素的值不会全部为空,若交集为空,则 值为0,否则为1.图5b)所示的目标A和目标B之 『-001]
问的空间方向关系矩阵可以表示为1001I.方l 000j
向关系矩阵可以区分218种方向关系.该模型比较 直观,符合人们的思维习惯,对于任何情况下的2个 空间目标总可以给出有效的描述,缺陷是计算比较 复杂.
?NEA
一
sear
?NEA
sea
bl
图5方向关系矩阵模型
从方向关系表示模型对方向关系的定义可以 看出,现有的基本的方向关系主要有N,NE,E,SE, S,SW,W,?,0.这种对方向关系的定义与人类关 于方向关系的认知存在一定的差异,如人类一般将 方向关系区分为:东(East),南(South),西(West), 北(North).因此,为了使方向关系的定义与人类对 方向关系的认知相符合,本文附加如下定义: East:={NEUEUSE}V{NEUE}V{EUSE}
V{NEUSE};
West:={?uu.s}V{?u}V{u
SW}V{NWUSW};
South:={suJsUSE}V{.suJs}V{.sUSE}
V{|sUSE};
North:={NWUNUNE}V{{?u?}V{?u NE}V{NWUNE}.
从形式化
要求
对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗
的完备性,唯一性,普遍性和严 密性的角度考虑,吴立新等对上述各种模型进行 第4期张艳晓等:基于投影模型的空间方向查询?49? 了比较,如表1所示.
表1基于投影的方向关系模型比较表
2基于方向关系矩阵模型的空间方向
查询
对于空间方向查询,首要问题是空间方向关系 形式化描述模型的选择.模型的选择既不是越精确 越好,也不是计算越简单越好,应针对不同应用领 域和空间数据自身特点及空间分布特征选择适当 的模型.空间目标的大小,形状以及空间目标间的 距离都会影响模型对空间方向关系的判定-9j. 针对西安市实际地图数据,空间对象之间是相 邻(Touch)关系,没有盘绕,交叠等复杂情形,而且 空间目标之间的大小相差不大,因此,选择投影模 型来描述空间目标之间的方向关系是适宜的.考虑 到方向关系矩阵模型对距离较近的情况比MBR模 型描述能力强,且严密性在上述模型中是最好的, 对空间方向查询也更符合实际需求,所以,本文选 用方向关系矩阵模型进行空间方向的查询. 针对西安市实际地图数据,基于方向关系矩阵 模型的空间方向查询实现步骤如下:1)根据试验需 求栅格化空间对象;2)按照参考对象的最小外接矩 形将空间划分为9个方向区域,分别是E,NE,N, 』,r,W,SW,S,SE和O;3)根据所选的源目标和参 考目标,依据本文1.3所述的思想对2个目标之间
的空间方向进行查询.
3试验环境和试验结果
本试验在WindowsXP操作系统环境下,以
VC2005.NET为开发平台,地图显示控件采用Map—
info公司的MapX5.0.试验中数据是以图层组织
的,在地图中,笔者通过选择图层名和图层中的空
间对象来进行源目标和参考目标的选择.图6是查
询蓝田县与长安县方向关系的查询结果,结果显示
蓝田县位于长安县东北方向.查询结果和我们的空
间认知基本一致,令人满意.
图6基于方向关系矩阵模型的空间方向查询
(查询蓝田县与长安县的空间方向)
4结语
由于地理空间的复杂性,投影模型虽然对于空
间对象之间复杂情况不能完全区分,但对于实际应
用中很多情况仍然能够满足需求.本文针对西安市
实际地图数据,设计并实现了基于方向关系矩阵模
型的空间方向查询,取得了比较好的查询效果.今
后的工作是进一步研究空间方向查询在不同领域
的应用,为空间方向关系形式化描述模型的选择提
供依据.
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(下转第74页)
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74?郑州轻工业学院I自然科学版)2009年
(上接第49页)
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