GIS在航海中的應(yīng)用

1、 第一章：GIS在航海方面的實際應(yīng)用11 GIS在航海氣象中的應(yīng)用GIS在過去的40年中對許多應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響。GIS運用商業(yè)軟件顯示和分析許多空間數(shù)據(jù)。許多科學部門把GIS作為其管理、處理和分析空間數(shù)據(jù)的最有效的工具。但是氣象學界對GIS的作用認識緩慢。兩個領(lǐng)域缺乏理解是重要基本原因。近 10年來，GIS對于氣象學和氣候?qū)W研究的重要性己被普遍接受。美國的國家天氣服務(wù)中心（NWS）將GIS用于天氣服務(wù)和Internet上的天氣信息發(fā)布，印度中尺度預(yù)報國家中心將中尺度預(yù)報模式與GIS結(jié)合，利用GIS的可視化和空間分析功能制作天氣圖和天氣分析， Daly（1994）在GIS的支持下，集成精

2、細DEM模型，發(fā)展了PRISM氣候分析系統(tǒng)，其氣候分析和描述能力顯著提高。為了發(fā)展GIS在氣象學和氣候?qū)W中的應(yīng)用，科學技術(shù)領(lǐng)域歐洲協(xié)作研究計劃提出了COST719計劃這項開始于2001年有18個歐洲國家參加的研究計劃。其主要目標是：與GIS產(chǎn)業(yè)密切合作建立GIS和氣象數(shù)據(jù)的接口，評估氣象和氣候數(shù)據(jù)的實用性、內(nèi)容和可獲得性，鼓勵和培育GIS在氣象和氣候研究中的合作發(fā)展，增強國家氣象服務(wù)機構(gòu)、研究團體和GIS產(chǎn)業(yè)的聯(lián)系。Shipley在研究 CIIS應(yīng)用于氣象學領(lǐng)域的基礎(chǔ)上提出了GIS就是天氣處理系統(tǒng)的的斷言，甚至提出了 GIS氣象學的概念。下面，是深圳研祥設(shè)計的利用GIS海上（氣象）導航方案：系

3、統(tǒng)概述    隨著航海技術(shù)的發(fā)展及GPS技術(shù)的深入應(yīng)用，在船只和游艇上進行數(shù)據(jù)處理已越來越簡單。西德某公司采用研祥超薄工作站PPC-1200利用GPS、GIS 等先進的技術(shù)相結(jié)合的隨船電腦解決方案可實時收看天氣預(yù)報衛(wèi)星云圖，并根據(jù)天氣選擇航線、同時實現(xiàn)衛(wèi)星通信技術(shù)。    系統(tǒng)原理    此方案是根據(jù)航海條件而設(shè)計的，集成商產(chǎn)品選型最終確定采用研祥的 PPC-1200工業(yè)級平板電腦并安裝觸摸屏， 不僅因為它抗震動、能適應(yīng)海上的潮濕、能長時間不間斷的穩(wěn)定運行，而且具有較強的擴展性。通過軟件可與GPS、Dec

4、ca、裝有雷達的ARPA和其它航海儀器進行通信，當與GPS連接時，船的經(jīng)度和緯度以及路線和速度以數(shù)字和圖表的形式形象地顯示。 行駛路線可以在觸摸屏上預(yù)先規(guī)劃并保存以備以后使用， 所有圖上標出的信號燈、浮標、燈塔、礁石、沉船和其它東西的詳細信息都能夠通過手指觸摸來訪問。    系統(tǒng)框圖系統(tǒng)評價    由于系統(tǒng)采用研祥PPC-1200工業(yè)級平板電腦，緊湊的設(shè)計十分適合船舶上有限的空間，友好的人機界面，觸摸屏提供了屏幕菜單，這使得信息可以容易地被訪問。穩(wěn)定的性能、方便的操作，得以使系統(tǒng)在更多的船只上廣泛的采用。12 GIS在海洋作業(yè)中的應(yīng)用

5、 在全球信息數(shù)字化的實施過程中，地球空間信息技術(shù)（3S,即GPS、GIS、RS）起著十分重要的作用，GPS、GIS、RS的集成構(gòu)架了"數(shù)字地球"?？臻g數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)的血液，真正的GIS應(yīng)該具備相應(yīng)的完備的空間數(shù)據(jù)，才能實現(xiàn)更高級的GIS應(yīng)用。因此，如何獲取數(shù)量豐富、現(xiàn)勢性好、高質(zhì)量的空間數(shù)據(jù)，是GIS實現(xiàn)中最基礎(chǔ)而又非常重要的一環(huán)。在現(xiàn)代航海技術(shù)中，人們往往把重點放在GPS, Internet等現(xiàn)代化技術(shù)比較流行的地方，卻忽略了非常重要環(huán)節(jié)的GIS，為了充分說明GIS不僅在航海氣象方面的實際應(yīng)用，下面我們通過對合眾思壯“經(jīng)緯通”系列軟件的初步了解來看看GIS在海洋作業(yè)方

6、面的應(yīng)用合眾思壯“經(jīng)緯通”系列軟件，作為應(yīng)用于海洋作業(yè)的GIS軟件，不但繼承了“經(jīng)緯通”的快捷制圖引擎，支持多種數(shù)據(jù)源訪問，開放屬性數(shù)據(jù)接口等優(yōu)勢外，結(jié)合海洋作業(yè)的實際應(yīng)用，采用亞米級GPS信標接受機，根據(jù)工程需要，完成定向、放點、導航、施工控制等任務(wù)。經(jīng)緯通GIS可以同時接入多路串口信息，包括測深儀，羅經(jīng)，GPS等等，實時顯示當前地方坐標的同時，再現(xiàn)海底的地形地貌。完整的歷史數(shù)據(jù)管理，作業(yè)軌跡可以保存多種GIS數(shù)據(jù)格式。靈活可定制的數(shù)據(jù)后期處理，高效的擬合算法，并可以保存打印擬合數(shù)據(jù)。結(jié)合GPS，為海洋作業(yè)提供了全面解決方案。功 能 特 點完善的項目管理，針對不同項目進行系統(tǒng)優(yōu)化多串口通信，

7、可同時接受包括測深儀、羅經(jīng)和GPS等多路串口信息通用靈活的項目配置設(shè)置，根據(jù)不同的項目提供靈活多樣的參數(shù)設(shè)定項目歷史數(shù)據(jù)查閱，作業(yè)操作歷史數(shù)據(jù)的保存和查詢 多種保存格式，作業(yè)中移動目標軌跡可以保存為DXF，SHP等多種主流GIS格式數(shù)據(jù)微調(diào)，擬合數(shù)據(jù)的動態(tài)微調(diào)，減小物理誤差的影響強大的GPS接口，支持與Garmin及多種GPS設(shè)備數(shù)據(jù)通訊實時接受GPS數(shù)據(jù)，實現(xiàn)移動目標實時、平滑顯示、跟蹤效果豐富的工程類型選擇 慣性實驗主界面回轉(zhuǎn)實驗和測速信息 GIS在航海方面的應(yīng)用不僅限于民用，軍用的電子海圖與艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)也有其涉足之處。一切戰(zhàn)略的、戰(zhàn)役的或戰(zhàn)術(shù)的行動都離不開戰(zhàn)場的地理環(huán)

8、境，諸軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)更是如此，而地理信息系統(tǒng)（GIS）在獲取、存儲、處理和分析空間地理環(huán)境信息并輔助決策方面具有特殊的地位和作用，西方國家對這一領(lǐng)域的研究和應(yīng)用表現(xiàn)出了極大的興趣，并給予了高度的重視。 美國國防制圖局DMA的戰(zhàn)場GIS，是在工作站上建成的，它能用自動影像匹配和自動目標識別技術(shù)，處理衛(wèi)星和高低空偵察機實時獲得的戰(zhàn)場數(shù)字影像，及時地不超過小時將反映戰(zhàn)場現(xiàn)狀的正射景像圖疊加到數(shù)字地圖上，數(shù)據(jù)直接傳送到前線指揮部和五角大樓，為軍事決策提供小時的實時服務(wù)。電子海圖是地理信息系統(tǒng)的一種，可以運用到艦艇作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)現(xiàn)代海戰(zhàn)的時間節(jié)奏快、信息處理量大、機動性強和高技術(shù)武器裝備廣

9、泛運用的廣域戰(zhàn)爭環(huán)境的要求，作戰(zhàn)指控系統(tǒng)必須在信息提供、程序保障及通信保障等條件具備的情況下，實現(xiàn)自動化作戰(zhàn)指揮，實時信息處理，充分發(fā)揮系統(tǒng)功能，輔助指揮員正確地作出各種決策，使其從大量的繁瑣的信息處理事務(wù)中解脫出來，集中精力發(fā)揮創(chuàng)造性的指揮才能。指控系統(tǒng)的規(guī)模和水平，已經(jīng)成為評價艦艇作戰(zhàn)能力和先進水平的重要標志。艦艇作戰(zhàn)時，需要將自然環(huán)境信息海區(qū)地理條件、水文氣象情況、敵方目標信息軍用平臺、武器及狀態(tài)、可能的戰(zhàn)術(shù)、我方有關(guān)信息、戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢敵方兵力、我方兵力等信息綜合處理、分析，才能作出合理的攻擊或防御決策。GIS電子海圖與艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的結(jié)合便有如此大的作用。第二章 GIS基礎(chǔ)概念及原理一個好的

10、、完整的GIS 系統(tǒng),存儲了該地區(qū)或該目標的眾多空間信息,這些信息能隨時方便地從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用,能快速地以圖形、圖象、表格或文本形式在屏幕上顯示,或者打印、繪制出來,并且可以對這些信息進行綜合分析、提取有用信息,通過計算來模擬真實世界,進而提出相應(yīng)的決策意見,它是規(guī)劃、管理和決策的有效工具。圖2.1表明了GIS的這么一個性能。 從GIS這個功能可看出,一個GIS 系統(tǒng)應(yīng)有三個主要的組成部分：(1)計算機及其外圍設(shè)備,這是其硬件基礎(chǔ)；(2)一系列的應(yīng)用軟件模塊,包括數(shù)據(jù)和圖形的輸入/輸出、圖形和圖象處理、圖形和圖象的顯示、數(shù)據(jù)庫管理、統(tǒng)計分析、模擬計算以及實際應(yīng)用模式等；(3)組織有序的信息內(nèi)容,

11、即數(shù)據(jù)庫中要有充分的與地理位置有關(guān)的信息。這些信息的含義與表達有其獨自的特點,下面就它們的一些基本概念作一些說明。21 地圖和專業(yè)圖早在古代文明時期,地圖已用來描述地表信息了。很早以前,在埃及發(fā)現(xiàn)了公元前2300年左右的粘土板,在板上刻有一些土地圖形,這是世界上描述土地特征最早的樣本,而在古墓中也發(fā)現(xiàn)幾乎與此同年代的印制的地圖。一些資料表明,古巴比倫和古埃及時期,人們就試圖把土地的形狀和大小作為統(tǒng)一體表達出來。在古希臘時期之前,地理學家就開始對地球的自然性質(zhì)加以推測和總結(jié)。在羅馬時代,土地測量和地圖制作成為政府的一項重要工作。隨著人們對大自然的探索和認識,地圖和專業(yè)圖件越來越多地被用來記錄和表

12、達世界的真實地理信息。從某種意義上講,地圖本身就是一種信息系統(tǒng),它是在平面介質(zhì)上表達的,具有一定比例尺的圖件。在圖上可以標出與地表有關(guān)的、選定的物體的性質(zhì)。如同數(shù)學上常用圖形這個形式來表達數(shù)據(jù)一樣,制圖家把地表的信息轉(zhuǎn)移到圖紙上,它也可廣義地定義為信息的可視性表達,尤其是對一些信息的概括性的圖解表達。 211 圖件的類型除了地圖之外,隨著科學技術(shù)和社會生產(chǎn)發(fā)展的需要,又出現(xiàn)了不少專業(yè)圖件,以滿足專業(yè)活動的要求,例如：航海圖：沿海地區(qū)和海域的地圖,它提供有關(guān)導航的信息。航空圖：向飛機駕駛員和導航員提供航線基本數(shù)據(jù),它是一種集中所有有助于導航信息的小比例尺地形圖。地形圖：根據(jù)一定的比例尺繪出地表某

13、部分自然和人工特征的圖示。圖上可看到地形和重要信息的完整清單,因而可用于土地利用和發(fā)展等目的。地形圖也為其它專門用途的圖件提供藍圖,為較小比例尺的通用圖件的編輯提供數(shù)據(jù)。主題圖：包含一個單一主題或課題信息的專門圖件。用此工具可以溝通不同地理概念之間的交互,例如：土地利用、人口密度、農(nóng)作物生長區(qū)、土壤、土地形狀、試驗區(qū)中的PH值分布等等。主題圖也可以是定量的,如土壤的有效厚度。它們可以表示為色階圖或由邊界分開的等值范圍圖,例如土地利用圖、土壤圖、戶籍圖或者行政區(qū)劃圖。也可用等值線圖來表示,即用數(shù)學模型來擬合連續(xù)表面,利用連接相同值的等值線的形態(tài)來描述變化趨勢,用來描述定量化的數(shù)據(jù)。等值線圖往往用

14、來描述光滑變化的現(xiàn)象,如溫度、沉積厚度或人口密度。圖件的比例尺表明了圖上的距離和相應(yīng)實際距離之間的比值。大比例尺圖用來表示大量的細節(jié)；而小比例尺圖僅僅描述主要的特性。圖的比例尺與圖所包含的信息程度有關(guān),大比例尺圖比小比例尺圖有更多的細節(jié)和信息。212 地圖的投影地圖投影的根本問題是在平面上表達曲面,也就是說要在平面圖上表示地球的表面。地圖投影問題可以用桔子皮這個簡單例子來粗略地說明：為了將撕破的桔子皮拼成一塊平的、連續(xù)接觸的桔子皮,每個小塊必須經(jīng)過拉伸,扭曲或再撕裂,才能完成。因此,這個例子也很好地表明了完美的投影幾乎是不可能的。在平面上表示一個曲面,必定包括“拉伸”或“皺縮”造成的扭曲,而且

15、“撕裂”成小的斷塊。投影的質(zhì)量可用下面三個標準來評價：（a）等距性棗正確地表示距離,投影保證任意兩點間的距離的正確。（b）同形性（正確形態(tài)）棗正確地表達形狀和方向。（c）等價性棗正確地表達面積。由于歷史發(fā)展的原因,我們的圖件有著許多的地理投影和坐標系統(tǒng),所有這些投影,可歸納為三類：等積投影、等距投影和等角投影。例如：等距園柱投影、等距園錐投影、多園錐投影、正射投影、極射平面投影、球極平面投影、正弦投影和格靈頓投影等等。而在投影的同時,又要選擇投影的參考橢球體。在實際應(yīng)用中,同一地區(qū)的圖件,會有不同的比例尺、不同的投影坐標系統(tǒng),但是在同一GIS系統(tǒng)中,必須首先根據(jù)項目（任務(wù)）的要求,來選擇合適的

16、地理坐標投影系統(tǒng),作為一個標準的坐標系統(tǒng),所有的資料、信息都要轉(zhuǎn)換到這個系統(tǒng)上來。22 GIS數(shù)據(jù)的類型和結(jié)構(gòu)任何一個真實世界都可以用地理信息來描述和表達,這些信息都必須以一定的數(shù)據(jù)格式存放在計算機里,它們可分成三大類：空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和柵格化數(shù)據(jù)(即光柵數(shù)據(jù))。221 空間數(shù)據(jù)一個幾何實體可用空間數(shù)據(jù)來描述,空間數(shù)據(jù)的編碼有四類：點、線、多邊形和連續(xù)表面。圖2.2為一些點、線、面的例子。點數(shù)據(jù)：點（無維數(shù),只有空間的位置而無長度的目標）為空間數(shù)據(jù)中最簡單的類型。這是最基本的數(shù)據(jù),雖然只有一個X、Y坐標來描述它的空間位置,但任何幾何實體都可以用點的集合來表示。點有兩種形式：一種是離散分布的目

17、標,如鉆井、油井、水井或地面采礦點；另一種是固定點上隨時間而連續(xù)分布的觀測,如水位、降雨量、風速和土壤溫度測量。線數(shù)據(jù)：線實體（一維,具有長度的物體）為具有線性特性的實體,由二對或二對以上的XY坐標組成直線段。線性實體可以是穩(wěn)定的（結(jié)構(gòu)類）或動態(tài)的（流體類）。結(jié)構(gòu)類的線性實體例子有交通運輸網(wǎng)（高速公路、鐵路.）、服務(wù)設(shè)施系統(tǒng)( 煤氣管道、供電網(wǎng)、電線、電話線、自來水管網(wǎng).) 等。為確定現(xiàn)有交通運輸網(wǎng)上的車流情況和運輸能力而收集的車流流量數(shù)據(jù)的線段網(wǎng),則為動態(tài)線數(shù)據(jù)。地質(zhì)中的線性特征和斷層分別是相連或不相連線數(shù)據(jù)的例子。曲線也可用一組X、Y坐標對來描述,都是連續(xù)的復(fù)雜線實體。多邊形數(shù)據(jù)：多邊形（

18、二維,具有長和寬的物體）構(gòu)成GIS中最常用的數(shù)據(jù)類型。多邊形也是有邊界的區(qū)域。區(qū)域的邊界可由土地形狀如森林邊界等自然現(xiàn)象,或人類活動形成的邊界如土地利用等來定義。最常見的多邊形是自然資源環(huán)境,如土地覆蓋、地質(zhì)、流域范圍、土壤、社會經(jīng)濟帶-人口區(qū)域、土地邊界等等。當多邊形的邊界由另一個多邊形共享時,必須對多邊形數(shù)據(jù)加以調(diào)整,以使其真正吻合和共享；而不同屬性的小區(qū)完全被另一個區(qū)所包含時,可以采用嵌套的辦法。連續(xù)表面：連續(xù)表面（三維,具有長、寬、高深的物體）有水準高程（作為地形數(shù)據(jù)的一部分）、降雨量、溫度、人口密度等。盡管大部分GIS商業(yè)產(chǎn)品能處理地形數(shù)據(jù)（通常為數(shù)字高程模型DEM：Digital

19、Elevation Model）并顯示等值線圖、立體圖等,但它們并不能處理真正的三維數(shù)據(jù)。大部分DEM用網(wǎng)格化的高程矩陣或不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN：Triangulated Irregular Network）來表示地形。在這種情況下,高程（或稱為Z坐標）是一個重要的變量。有些系統(tǒng)允許有其它圖件特點的整理,例如將土壤、土地覆蓋數(shù)據(jù)或衛(wèi)星圖象（Landsat、Nova、MSS或TM、SPOT）復(fù)合在立體的地形高程面上,從而建立一個三維的形象。一般來說,GIS主要應(yīng)用于二維的地表現(xiàn)象,如土地利用、森林或土壤數(shù)據(jù)。在有些應(yīng)用情況下,也可以通過對物體表面的處理將三維表達簡化為二維的表達。例如表達層面的表面

20、,可以用等值線圖或立體圖來顯示。在這種情況下,表面的高程并非真正的獨立變量,只是很好地定義了類似三維或假三維數(shù)據(jù)。222 屬性數(shù)據(jù)每個實體,除了用空間位置、特征來表達它的性質(zhì)外,通常還用一些別的重要屬性來表達,這些屬性既可以是文字（例土壤系列的名稱、莊稼類型）也可以是標量,如水的深度、地形高程值等等。一個真實存在的現(xiàn)象,用戶能看到,由人類的理解而感覺化的概念,用戶也能感覺到。但是它們必須存在一個復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫中,并能用適當?shù)姆绞奖磉_出來。在計算機里有幾種方法來組織這些地理數(shù)據(jù)。土地的數(shù)學模型或?qū)嶓w的描述以及它們之間的關(guān)系,可借助于諸如點、線、地區(qū)范圍和面等基本實體來表示這些空間數(shù)據(jù)。而對于這些實

21、體的特性方面的描述,即非空間數(shù)據(jù)或?qū)傩悦枋?則往往以表格形式存在關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中。223 光柵數(shù)據(jù)在GIS的信息源中,網(wǎng)格化的光柵數(shù)據(jù)也是常見的數(shù)據(jù)形式。光柵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由大小均勻的矩陣元組成,每一個元的位置由統(tǒng)一的位置索引（線數(shù)、列數(shù)）來確定。每一網(wǎng)格代表一個數(shù)或一個碼,用這些網(wǎng)格表達畫出圖形的屬性值。光柵值可以是數(shù)值,也可以是文字符號。它相當于將地表劃分成規(guī)則的方格網(wǎng),每個方格網(wǎng)用一個值來表達,這個值就是它的某個屬性。對于一個空間分布較少的數(shù)據(jù)來說,光柵結(jié)構(gòu)會浪費計算機的存儲空間。雖然這個問題可以用一些數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來克服,但這仍然是光柵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的主要缺點。不少觀測數(shù)據(jù)是在方格形測網(wǎng)上觀測得

22、到的,例如物探、化探數(shù)據(jù)等,最為突出的例子是衛(wèi)星遙感圖象,各種資源或氣象觀測衛(wèi)星在運行軌道上,利用其矩陣排列的傳感器,對地球表面進行掃描,從而獲得各波段的衛(wèi)星圖象,這些圖象就是網(wǎng)格化的數(shù)據(jù),是GIS中相當重要的光柵數(shù)據(jù)源。224 數(shù)據(jù)模型任何點、線、范圍和面的空間分布數(shù)據(jù),可用兩種不同的數(shù)字形式來表示：矢量模型和網(wǎng)格化的模型。圖2.3 即為這兩個模型。第三章GIS對熱帶氣旋路徑的研究在前面的第二章對GIS的原理初步說明后，對GIS的基礎(chǔ)知識有了一定的了解；本章結(jié)合第二章的基礎(chǔ)知識再進一步，更詳細的來講解GIS在具體的氣象中的應(yīng)用，即對熱帶氣旋路徑上的應(yīng)用。31相關(guān)研究概況 熱帶氣旋（TC）是高

23、度復(fù)雜的天氣現(xiàn)象，利用過去的經(jīng)驗判斷預(yù)測TC未來動態(tài)和影響的是一種基于知識的重要方法，這就需要從大量的歷史數(shù)據(jù)中總結(jié)分析出關(guān)于TC的客觀知識，為氣象業(yè)務(wù)人員提供豐富的參考信息。當訣策者遇到新的問題時，決策者通常充分考察相似歷史事件，運用新問題與歷史范例之間相似度（similedty）比對，找到過去的范例中與新問題相似的事件，通過考察歷史事件來預(yù)測、分析、解決問題。這種方法被稱之為范例式推理（CaseBased Reasonifig,CBR），它的特點是對于待處理的問題可以不需事先完全了解并建立規(guī)則，完全以目前問題與過去范例的相似比較為基礎(chǔ)，所以相似度計算方法則為范例式推理的核心。隨著計算機技術(shù)

24、、GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘和空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，范例式推理方法也不斷地得到更廣泛的應(yīng)用和研究（Holt,1999;Wason,1997;Yeh,1999）。 近年來，國內(nèi)利用相似離度相似預(yù)報的方法來研究天氣規(guī)律天氣預(yù)報也有不少研究成果。張豐啟等（張豐啟、崔晶、王仁勝，2002）應(yīng)用19861997年的常規(guī)探空資料俐用相似離度的概念設(shè)計了威海市冰雹強對流天氣定時、定點、定量的概率預(yù)報方法。周云霞等（998年）、劉強軍（1998年）、何小娟（200：年）、劉愛梅等（2002年）將相似離度方法應(yīng)用到降水預(yù)報上來。在TC研究領(lǐng)域，廖木星等（1999）利用相似離度來預(yù)報臺風路徑和臺風強度（廖木

25、星、高玉德，1999）。香港天文臺譚廣雄、何嘉玲（1998年）利用19471995年熱帶氣旋每6小時的最佳路徑資料和同一時期在香港天文臺錄得的累積24小時雨逼盜料，利用相似預(yù)報的方法來預(yù)報TC降雨量（譚廣雄。何嘉玲,1998）。然而TC路徑的空間相性近似度對比效果的好壞直接影響到路徑預(yù)報、降水和大鳳預(yù)報乃至災(zāi)惰估計的準確性（高瑞華等，1998）。在隨著GIS空間分析技術(shù)和空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的研究的不斷進展，空間相似度的研究也變的活躍起來（劉春霞，2002許家成，2002）。劉春霞（劉春霞，2002）采用兩種相空間方法即相空間相似（周家斌、楊桂英，1996）和相空間投影（尤衛(wèi)紅等，1999）預(yù)報方

26、法。利用19511999年熱帶氣旋年頻數(shù)資料，求得是登陸或嚴重影響廣東的熱帶氣旋距平值，以達到預(yù)測的目的。本章內(nèi)容主要是在GIS空間分析技術(shù)的支持下，如何研究TC路徑空間相似檢索方法。32地理實體的空間相似321實體的空間相似性所謂空間相似，就是找出空問特征相類似的事物，也就是兩對象必須在空間特性上有較高的相似性。如果我們定義每個空間特性的閾值（Threshould）是Ti,且F(x)是每個空間特性的Ai比較函數(shù)（賴崇珠， 1999），則我們可將風F()函式寫成：式中，如果 Fi Ti則Fi為真。因此當兩個對象經(jīng)比對之后，所得結(jié)果若為相等，則這代表兩個空間對象的空間件特性，必定都符合上述的要求

27、，所以最關(guān)鍵的努力方向?qū)⑹钦页隹梢悦枋隹臻g對象特性的函數(shù)以及比對不同空間特性的方法。322線形地物的空間關(guān)系空間相似度可從許多方面來測量，形狀（Shape）句便是空間地物最基本的特征。方向也是線形對象最重要特征，它可以顯示線形對象未來可能的發(fā)展趨勢，除了形態(tài)和方向外，空問相互關(guān)系在做地理分析時也被認為是重要的因素之一，研究者通常對面對象的空間相互關(guān)系，做深入的探討。Egnhofer等（199）定義出二個對象產(chǎn)生交集時六種空間相互關(guān)系，而二個線形地物則存在有四種基本的關(guān)系。這些關(guān)系分別為：相交（intersect）、重疊（coincide）、連接（connect）和分離(disjoin)。連接和

28、重疊可視為相交的延伸，因此對于線資料空間相互關(guān)系，可被簡略地分為二大類別：相交和分離。線對象的空間相似度關(guān)系和形狀、方向、空間相互關(guān)系皆有關(guān)聯(lián)性，只利用線對象的形狀來定義空間相似度是不足夠的，因此它忽略了空間范圍，這點對子地理分析是相當重要的因子，在TC數(shù)據(jù)庫中，二條路徑中只有相似的形狀并無法定義其空間范圍。方向和空間相互關(guān)系卻可以描述出一般的走向和路徑的分布，因此對于研究TC路徑的空間相似性而言，方向和空間相互關(guān)系也同樣是最具代表性因子。33線性地物的相似度確定331頂點模式Ting Yu （1997）提出頂點模式（Peak Model），方法是將物體移動軌跡中有轉(zhuǎn)折的地方依其轉(zhuǎn)折的角度和方

29、向做編碼，并記錄每一轉(zhuǎn)折時間順序，則一個物體移動的軌跡就成為一串由三個數(shù)值剛間、方向、角度靦構(gòu)成，接著再采用字符串搜尋算法中有限元自動機（Finite automata）算法的觀念來搜尋、最后為了加入相似搜尋的功能則針對實際狀況中每個（方向、角度）的組合來定義其相似的程度，在搜尋的過程中也將相似程度一同考慮。332最鄰近距離提取方法最鄰近距離提取方法的思想來源于最鄰近范例提取方法。（1）最鄰近范例提取方法的基本思想為：通過對兩對象的一般屬性間的差值度量，來計算彼此間的相似程度，當差值越大時，則代表兩對象間的相似度程度越低，彼此不相似，反之則代表兩對象相似度程度高。（2）Watson（1997）

30、在企業(yè)系統(tǒng)技術(shù)研究中，提到最鄰近范例提取方法的相似度公式可定義為：式中，T是新進來的范例；S是系統(tǒng)中的歷史范例；n是每一個例子當中參加對比的屬性數(shù)量；f是T,S屬性相似函數(shù)；Wi是每一個屬性的加權(quán)值。實際工作中，相似度的表現(xiàn)通常被標準化（normalize）成0至1之間的（其中0代表最不相似，1則是最相似）或是以百分比的方式表現(xiàn)，100是最符合。（3）許家成（2002）在他的碩士論文中根據(jù)最鄰近范例提取方法的基本概念，己經(jīng)TC路徑本身的空間特性，將路徑的相似度簡化成：當兩條路徑在空間中相對應(yīng)的距離或路徑差值最短（ Mathsoft， Inc，1997）時，則兩對象相似度最高，反之，則代表兩對象

31、相似度低，這方法作者將其稱之為“最鄰近距離提取法”。許家成根據(jù)以上思想做出如下假設(shè)：當實時TC路徑與歷史路徑網(wǎng)格之間距離總和最短時，則代表這兩個TC在空間相似程度最高，如圖3l及公式33所示，只要能夠找出空間距離最短的路徑，便可代表空間性質(zhì)最為相近。公式中，Dih是TC路徑i上的位置點與TC范例h的最短距離總和；Ds是TC路徑i與TC范例h的最短距離。只要夠找到Dih的最小值，便可找出與目前所生成TC行進路徑最為相近的范例。當相距的距離Dih越接近零時，則代表兩條TC路徑越接近，相似度也就越高，反之，當相距的距離越大時，則代表兩條TC路徑越疏遠。圖3l空間相似最鄰近距離示意圖34 基于改迸最鄰

32、近距離提取方法的空問相似檢索341原最鄰近距離提取方法存在的問題上節(jié)敘述的最鄰近距離提取方法是用最短距離累計的計算方式來求算空問相似度的，比其以往的研究方法要前進了一大步，也給本研究以很大的啟發(fā)。相似度指標的計算中包含了整條TC的路徑空間信息這將大大提高TC路徑相似提取的合理性，在實踐中也得到了很好的TC路徑預(yù)測效果。但是許家成這種方法在設(shè)計過程中存在兩個問題需要改進。問題一整個判斷提取最相似TC的過程中，需要對歷史TC庫中任何一條TC進行累積最短距離Dih的計算，然后找出Dih最小的路徑來，這大大增加了不必要的計算量；問題二在計算是TC路徑濤gTC范例h的最短距離Ds的時候，所用方法是Arc

33、Info的網(wǎng)格分析（Grid Analysis）中的歐幾里德距離（Euclidean disttance）計算法來計算新進TC路徑i上時刻點到范例TC路徑h的最短距離Ds。這要求首先要對每條范例TC路徑h進行概化處理，接著轉(zhuǎn)成柵格數(shù)據(jù)，并且首先要將歷史TC庫中沒條TC路徑都要進行概化和柵格化處理。以上兩個問題將會造成以下幾個缺點： （1）前期工作耗時費事、數(shù)據(jù)處理流程煩瑣； （2）數(shù)據(jù)存儲量大大增加，同時存在矢量和柵格兩套數(shù)據(jù)，也增加了數(shù)據(jù)管理和維護的工作量； （3）每條歷史TC路徑均要參加對比計算，效率緩慢； （4）柵格數(shù)據(jù)本身的特點造成誤差的增大。 為解決以上問題，算法流程方面對最鄰近距離

34、提取方法做了改進。342問題解決的方法（1）問題一的解決方法解訣恩路：通過GIS的空間分析功能首先在檢索出候選的相似路徑，然后在這些候選路徑中計算每一條路徑的相似度，通過相似度值找出最為相似的TC路徑來。具體方法：如果要檢索TC路徑i的候選相似路徑，流程如下：步驟一、對TC路徑i做一個緩沖半徑為d的緩沖區(qū)；步驟二、分別以TC路徑i的最新位置點（即路徑i的最前端點）和路徑起始點為圓心，做半徑為d的兩個圓Rn和Ri；步驟三、利用GIS的空間分析功能可以求得歷史TC庫中所有經(jīng)過Rn和Ri并且通過緩仲區(qū)的TC路徑S（相似候選路徑）。路徑S的數(shù)目要比歷史TC庫中所有TC數(shù)目小的多；步驟四、對候選路徑S中

35、每條路徑計算相似度，根據(jù)相似度選出最為相似的TC路徑。另外，如果緩沖半徑設(shè)置較小的時候，檢索到的候選TC路徑會比較少，可能出現(xiàn)遺漏決策者想要的候選TC路徑這可以通過調(diào)整兩個參數(shù)來解決，一是緩沖區(qū)半徑d，二是將起始點的圓域沿路徑向前推進（2）問題二的解決方法解決思路：避免使用柵格數(shù)據(jù)，直接利用矢量數(shù)據(jù)求得TC路徑i上路徑點到歷史TC庫中路徑h之間的最短距離Ds，累積路徑i上起點到最新位置點的所有Ds可得到Dih。具體方法：歷史TC庫中，TC路徑是由折線表示，以矢量格式存儲，折線是每六小時的TC移動位置的依次連線。也就是說TC路徑是由一組線段構(gòu)成（如圖32）。我們要得到點到折線的最短距離，首先計算

36、出點到折線上每條線段直接的距離，然后比較出最短的距離出來就是我們需要的最短距離風。如圖3-3示意了點P到折線L的最短距離的方法，步驟如下：步驟一、計算點P到分別到折線L上的距離分別為dl，d2,.d13步驟二、點P到折線L的最短距離Dsmin dl，d2,d3d13;下面說明一下點到線段距離的計算方法：點到線段的距離有通常四種如圖34示意的點P到線段L3的四種距離： （1）點到線段的最近頂點距離dl： （2）點到線段的最遠頂點距離d2； （3）點到線段的質(zhì)心距離d3。當線段是均勻的時候，質(zhì)心通常取線段的中分線； （4）點到線段的最近距離d4，即：點到線段上所有點的距離中最近的那的點的距離。用了

37、第四種距離，點到線段的最近距離。在計算點到線段的距離時候，點與線段有三種關(guān)系需要區(qū)別對待，分開計算，如圖3-5所示。（1）點在線段上時，d0；（2）點和線段兩頂點構(gòu)成銳角三角形時，d等于點到線段的垂直距離；（3）點和線段兩頂點構(gòu)成鈍角三角形時，d等于點到線段兩頂點的兩個距離中較短的那一個距離；圖3-2 TC路徑折線示意圖圖3-3 點P到折線L距離演算示意圖圖3-4 點到線段的距離示意圖圖3-5 點到線段的最短距離解算的三種情況343改進最鄰近距離提取方法的步驟（l）TC路徑資料矢量化；一般情況下，我們收集到的數(shù)據(jù)擻據(jù)庫都是文字資料的方式存在，這些數(shù)據(jù)資料雖然有位置信息如圖3-6，但不具備空問特性，將文字資料的TC路徑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間數(shù)據(jù)格式，這對下一步的GIS空間分析技術(shù)支持下進行候選相似路徑檢索和空間距離計算己經(jīng)可視化的現(xiàn)實都是必須的工作。通過編程實現(xiàn)了將194