顧及參考點(diǎn)點(diǎn)位誤差的八方向模糊不均勻劃分模型

1、顧及參考點(diǎn)點(diǎn)位誤差的八方向模糊不均勻劃分模型    摘 要:基于經(jīng)典模糊集建立了模糊方向模型,在四方向模型中各方向是等角劃分;在八方向模型中四個(gè)主要方向各占60°,四次要方向各占30°。提出建立模糊方向區(qū)間來描述目標(biāo)地物與參考點(diǎn)之間的方向關(guān)系,用一對(duì)帶有符號(hào)的隸屬度來表示目標(biāo)在原子方向的隸屬關(guān)系,使方向關(guān)系的描述更精細(xì)。利用二型模糊集理論建立了顧及參考點(diǎn)點(diǎn)位誤差的八方向模糊不均勻劃分模型,討論了方向主隸屬度成員函數(shù)和隸屬度的不確定性。由于參考點(diǎn)點(diǎn)位誤差引起方向隸屬度誤差,增加了方向關(guān)系的不確定性。該模型充分考慮了參考點(diǎn)點(diǎn)位誤差、認(rèn)知習(xí)

2、慣和目標(biāo)對(duì)象在參考點(diǎn)各原子方向的權(quán)重,顧及了多方面確定或不確定的信息,在方向關(guān)系近似描述中有較大的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞:八方向不均勻模糊劃分模型; 二型模糊集; 模糊方向區(qū)間;位置誤差; 方向隸屬度誤差 中圖分類號(hào):TP208 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-3695(2010)02-0479-04 8-direction asymmetry fuzzy model considering reference points location error GUO Ji-fa?1,2?, WANG Rui-fang?3?, PENG Guang-xiong?2? (1.Graduate Scho

3、ol, Chinese AcademyofSciences, Beijing 100049, China;2.Institute of Remote Sensing Applications, Chinese Academy of ?Sciences?, Beijing 100101, China; 3. Zhengzhou Technical School for Surveying & Mapping, Zhengzhou 450005, China) Abstract:In 4 fuzzy directions model the space was divided into f

4、our equal angle partitions, each main direction has 60 degrees and each secondary direction has 30 degrees in 8 fuzzy directions model. This paper proposed a new method for describing the cardinal directions between reference point and target object through constructing fuzzy direction interval valu

5、e, used a couple of membership grade values with sign for describing direction to describe the membership in an atom-direction, this method was more elaborate than others. Introduced an 8-direction asymmetry fuzzy model based on type-2 fuzzy sets which took the location error of reference point into

6、 account, discussed the primary membership function and the uncertainty of primary membership grade too. The uncertainty of cardinal direction increase because of the direction membership grade error conduced by location error of reference point. This model took the location error of reference point

7、, considered cognize habit and ratio about object in each direction into account, certain and uncertain information in this model, and it should have wonderful application potential in spatial relationship description and reasoning. Key words:8-direction asymmetry fuzzy model; type-2 fuzzy sets; fuz

8、zy direction interval value; location error; direction membership grade error 0 引言 由于地理信息固有的不確定性,人們?cè)谌粘Ｉ钪斜碚骺臻g方向的 “東”“南”“西”“北”等方向概念的模糊性,要求空方向關(guān)系表達(dá)和推理也是模糊的。文獻(xiàn)1,2總結(jié)比較了目前用于描述空間方向關(guān)系的各種模型,包括錐形模型、最小外切矩形模型、2D-String等投影模型、Freksa-Zimmermann模型、方向關(guān)系矩陣模型和方向Voronio圖模型。文獻(xiàn)3基于錐形的方法,利用梯形隸屬函數(shù)建立空間方向關(guān)系的模糊表達(dá)。杜世宏等人4,5對(duì)方向關(guān)系

9、矩陣模型中原子方向分界線進(jìn)行模糊化來對(duì)空間進(jìn)行模糊劃分,對(duì)于同一區(qū)域,建立細(xì)節(jié)方向關(guān)系描述模型。文獻(xiàn)6利用目標(biāo)對(duì)象與方向關(guān)系矩陣模型中原子方向分界線的拓?fù)潢P(guān)系,對(duì)方向關(guān)系矩陣模型進(jìn)一步細(xì)化。文獻(xiàn)7利用目標(biāo)對(duì)象在原子方向區(qū)域的面積比進(jìn)行模糊化。文獻(xiàn)8用等寬度帶劃分空間的方法討論了多尺度下的空間方向問題。 根據(jù)文獻(xiàn)1,9和筆者的研究認(rèn)為,目前在空間方向關(guān)系描述中存在以下問題: a)目前常用的模型如錐形模型、MBR模型均是對(duì)空間的硬性劃分;一些文獻(xiàn)采用的以一定寬度的區(qū)間作為主方向的過渡帶或者作為模糊區(qū)間,而這一做法帶有主觀性。 b)對(duì)于原子方向內(nèi)部目標(biāo)實(shí)體的方向隸屬程度不能很好地表達(dá)。 c)沒有為各

10、原子方向建立一套有效的模糊隸屬函數(shù)。由于空間數(shù)據(jù)位置誤差,由此建立的原子方向隸屬度也應(yīng)有誤差,但是目前的研究沒有對(duì)模糊方向隸屬度的不確定性進(jìn)行?討論?。 d)地理實(shí)體的方向關(guān)系的表達(dá)與自然語言描述不符。 空間方向關(guān)系框架模型需要考慮參考對(duì)象、目標(biāo)對(duì)象、觀測(cè)者的位置、框架模型對(duì)空間的劃分,還需要研究各方向片之間的關(guān)系。筆者首先利用模糊理論建立了參考點(diǎn)無誤差的八方向模糊不均勻劃分模型。由于空間數(shù)據(jù)固有的不確定性,利用二型模糊集能夠顧及隸屬度誤差的優(yōu)勢(shì),建立了考慮模糊方向隸屬度誤差的八方向模糊不均勻劃分模型,詳細(xì)討論了主隸屬函數(shù)的建立方法,并對(duì)模糊方向隸屬度的不確定性進(jìn)行了評(píng)定,筆者認(rèn)為利用二型模糊

11、理論分析空間對(duì)象間的方向關(guān)系更合理。1 八方向不均勻模糊劃分模型 1.1 四方向模糊劃分 空間四方向模糊劃分指過參考點(diǎn)的左斜線、右斜線,將空間分為東、南、西、北四塊區(qū)域,如圖1(a)所示。各方向的隸屬函數(shù)如圖1(b)所示,其中方向北的隸屬函數(shù)可以用式(1)表示。類似地通過四方向的隸屬函數(shù)可解得東、南、西、北四方向的模糊劃分角度分別為4、34、54、74,分界處的隸屬度均為0.5。任意方位角在0,4、4,34、34,54、54,74、74,2的隸屬度可通過方向隸屬函數(shù)求得,主要屬于某方向由式(2)確定。 ?N?()=-2(-2) 02 0 2<32  2(-32) 32<2

12、(1) ?=max(?A?(),?B?()(2) 式(2)中,A,BN,E,S,W,AB。 1.2 八方向不均勻模糊劃分模型 空間八方向模糊劃分可以認(rèn)為是四方向模糊劃分的細(xì)化,也可以認(rèn)為是突出圖1(a)中隸屬度為0.5附近的角度區(qū)間。取?NE?()=2×(?N?,?E?),?SE?()=2×(?S?,?E?),?SW?()=2×(?S?,?W?)?,?NW?()=2×(?N?,?W?),得到NE、SE、SW、NW四個(gè)方向的隸屬函數(shù),其中東北方向的隸屬函數(shù)可用式(3)描述。 ?NE?()=4 04 -4(-2) 4<2 0 2<2(3) 通過聯(lián)

13、立北和東北方向隸屬函數(shù),可求得北和東北方向的模糊劃分,類似地可求八元方向的模糊劃分,如表1所示。在各分界點(diǎn)的隸屬度均為0.67,八方向?qū)臻g的劃分如圖2所示。 表1 八方向模糊區(qū)間劃分 NNEESESSWWNW 區(qū)間0,/6、(11/6),2/6,/3/3,(2/3)(2/3),(5/6)(5/6),(7/6)(7/6),(4/3)(4/3),(5/3)(5/3),(11/6) 夾角60°30°60°30°60°30°60°30° 要確定某方位角屬于某方向,首先用各原子方向的隸屬函數(shù)求得任意方位角在八區(qū)間的隸屬度,

14、然后利用式(4)確定屬于某方向。 ?=max(?A?(),?B?(),?C?()(4) 式(4)中,A,B,CN,NE,E,SE,S,SW,W,NW,ABC,?0.67 1。 這種劃分是基于隸屬度的模糊劃分,各原子方向所占的角度不一樣。其中N、E、S、W各占60°,而NE、SE、SW、NW各占30°。所以該模型不是空間方向的硬性劃分,突出了東、南、西、北四方向的主要地位,符合人們的習(xí)慣。 1.3 以點(diǎn)為參考的模糊方向關(guān)系細(xì)節(jié)描述 點(diǎn)與點(diǎn)的方向關(guān)系較容易。對(duì)于點(diǎn)與線和面的方向關(guān)系,文獻(xiàn)8用方向關(guān)系矩陣來描述方向關(guān)系,顯然,當(dāng)兩個(gè)目標(biāo)有相同的面積,在某原子方向上也有相同的面積時(shí)

15、,兩個(gè)目標(biāo)的方向?qū)⒉荒芎芎玫貐^(qū)分。而在日常生活中,人們通常以“北偏東”的語句來描述近似方向關(guān)系。由上文可知,當(dāng)直線位于方向軸線上時(shí)隸屬度為1;當(dāng)直線不在方向軸線上時(shí),點(diǎn)線方向關(guān)系的隸屬度是一個(gè)區(qū)間。 定義1 在點(diǎn)線方向關(guān)系中,除了直線在N、NE、E、SE、S、SW、W、NW各方向軸上,在其他區(qū)域均為一個(gè)模糊區(qū)間,這個(gè)區(qū)間為模糊方向區(qū)間。模糊方向區(qū)間表示為 a? b?,0.67a1,0.67b1,?+ - 其中:“+”“-”表示方向軸的順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向。 以參考點(diǎn)為中心作一參考圓,參考圓的半徑視地圖尺度而定。直線在參考圓上的投影構(gòu)成了直線方向范圍,如圖3(a)所示。通過參考圓求得直線在參考

16、圓上投影的起止角?1?和?2?,通過八原子方向的隸屬函數(shù)確定起止角在各方向的隸屬度,然后利用式(4)確定直線各部分所處的方向,如圖3(b)?所示?。 通過模糊方向區(qū)間數(shù),不同的地理實(shí)體在原子方向內(nèi)的方向關(guān)系可以很好地區(qū)分。點(diǎn)面方向關(guān)系的確定與點(diǎn)線方向關(guān)系確定方法類似。 2 擴(kuò)展的八方向模糊不均勻劃分模型 由于參考點(diǎn)不可避免地存在點(diǎn)位誤差,那么在參考點(diǎn)的各方向均存在一定的偏差。在GIS的矢量數(shù)據(jù)中,二維隨機(jī)點(diǎn)的位置不確定性常用誤差橢圓來度量,參考點(diǎn)在任意方向上的位置偏差可用誤差橢圓在方向上兩條切線之間的范圍表示,如圖4(a)所示。為了求得方向偏差,兩條方向切線與參考圓相交,得到一段圓弧,該圓弧對(duì)

17、應(yīng)的夾角即為方向偏差,圖4(a)中的?N?、?NE?、?E?就是參考點(diǎn)在N、NE、E三個(gè)方向上的方向偏差。 2.1 任意方向角偏差的計(jì)算 以(x?0?,y?0?)為圓心、橢圓傾斜角的負(fù)值(-?0?)旋轉(zhuǎn)誤差橢圓,得到標(biāo)準(zhǔn)誤差,如圖4(b)所示。相應(yīng)的任意方向角為?=-?0?,該方向上切線斜率為K=tan(?)。該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的誤差橢圓方程為 (x-x?0?)?2?E?2?+(y-y?0?)?2?F?2?=1(5) 該誤差橢圓上任意點(diǎn)的斜率為 K=F?2?E?2?×x-x?0?y-y?0?(6) 取K=K,聯(lián)立方程式(5)和(6),即可求得橢圓上兩個(gè)與圓曲線斜率相等的點(diǎn): x=±E

18、?2?K?(EK?)?2?+F?2?+x?0?(7) y=±F?2?(EK?)?2?+F?2?+y?0?(8) 求得兩點(diǎn)t?1?、t?2?,由K?和t?1?、t?2?得到一組平行線l?1?、l?2?: l?1?:y=K?×(x-x?t?1?)+y?t?1? l?2?:y=K×(x-x?t?2?)+y?t?2?(9) 兩平行線的距離為d?=K×(x?t?2?-x?t?1?)+y?t?2?-y?t?1?1+(K)?2?。將點(diǎn)t?1?、t?2?投影到單位圓,可以得到圓弧?t?1?t?2?,因?yàn)榛?t?1?t?2?很短,可用d?代替弧?t?1?t?2?的長度;因

19、為圓為單位圓,那么?t?1?t?2?的弧長可表示為?t?1?t?2?的圓心角。d?即是參考點(diǎn)在任意方向上的方向偏?差?。 2.2 方向隸屬函數(shù)的不確定性分析 參考點(diǎn)的點(diǎn)位誤差在任意方向軸上均服從正態(tài)分布,且方差為d?/2。投影到參考圓上后得到的方向偏差也服從正態(tài)分布,且方差為?/2。圖5(a)為模糊方向東的隸屬度概率分布。那么對(duì)于任意方位角,在-?/2,+?/2,均有相同的隸屬度?。在圖5(a)中將該區(qū)間投影到水平面上,即可得到如圖5(b)所示的圖形。  從圖5(b)可以看出,任意方位角對(duì)模糊方向東的隸屬度()不是惟一值,而是一個(gè)隸屬區(qū)間?l?(),?h?(),說明隸屬度存在誤差。

20、1)確定不確定多邊形的上邊界和下邊界 多邊形的上邊界通過式(10)和(11)確定。多邊形的下邊界通過式(12)和(13)確定。當(dāng)2-d?2?22+d?2?2時(shí),隸屬度為1,稱為左、右肩;當(dāng)-d?0?2d?0?2,-d?2+d?2時(shí),隸屬度為0,稱為左、右底。 ?LT?()=2(+d?2),-d?0?22-d?2?2(10) ?RT?()=-2(-d?2),2+d?2?2+d?2(11) ?LB?()=2(-d?2),d?0?22+d?2?2(12) ?RB?()=-2(-+d?2),2-d?2?2-d?2(13) 2)隸屬函數(shù)的簡化 從上面分析可以看出,任意方位角的次隸屬函數(shù)是一復(fù)雜曲線,難以

21、用數(shù)學(xué)公式表示,在實(shí)際應(yīng)用中,須對(duì)其簡化。目前對(duì)一般二型模糊集的求解是其研究的一個(gè)難點(diǎn),尚未有一種公認(rèn)的合理方法。對(duì)于一般二型模糊集的簡化通常有兩種方法12:a)將一般二型模糊集簡化為二型區(qū)間模糊集,然后對(duì)主隸屬函數(shù)離散化;b)將一般二型模糊集離散化,包括對(duì)主隸屬函數(shù)和次隸屬函數(shù)的離散化。在此關(guān)心的是方向隸屬度的誤差,因此,可以采用第一種方法。 3)方位隸屬度的不確定性的度量 顯然,對(duì)于任意角屬于北的隸屬度的不確定性,可用上邊界與下邊界的差值來度量,可用式(14)計(jì)算。 將該方法擴(kuò)展到N、NE、E、SE、S、SW、W、NW八個(gè)模糊方向,確定各模糊方向隸屬度的上邊界、下邊界、左右肩和左右底,各方

22、向的模糊隸屬度分布如圖6所示。圖中粗線即為隸屬度上界,細(xì)線即為隸屬度下界,通過兩條曲線可確定參考點(diǎn)在任意方向上的方向隸屬度誤差。 U=?LT?() -d?0?2d?0?2 ?LT?()-?LB?()d?0?22-d?2?2 1-?LB?()2-d?2?22 1-?RB?()22+d?2?2 ?RT?()-?RB?()2+d?2?2-d?2 ?RT?()-d?2+d?2 (14) 3 實(shí)例分析 在圖3中,若不考慮參考點(diǎn)點(diǎn)位誤差,那么直線AB在N、NE、E方向的隸屬度如表2所示,在其他方向的隸屬度為0。 表2 點(diǎn)線八方向關(guān)系模糊區(qū)間 NNEE 區(qū)間0.17,/6/6,/3/3,1.16 隸屬度0.

23、89?+?,0.67?+?0.67?-?,0.67?+?0.67?-?,0.74- 在圖6中,虛線表示不考慮參考點(diǎn)點(diǎn)位誤差時(shí)的隸屬度分布,粗實(shí)線表示方向關(guān)系隸屬度下界,細(xì)實(shí)線表示方向關(guān)系隸屬度上界,由上界和下界圍成的區(qū)域描述了參考點(diǎn)的方向隸屬度誤差分布。直線AB上五個(gè)點(diǎn)的方向隸屬度及誤差如表3所示。 表3 直線的方向隸屬度誤差對(duì)比分析 參考點(diǎn)誤差 角度 隸屬方向 0.17 N 0.52 分界點(diǎn) 0.79 NE 1.05 分界點(diǎn) 1.16 E 隸屬度下界 隸屬度上界 隸屬度誤差 0.8440 0.9439 0.0999 0.6668 0.7419 0.0751 0.9323 1.0000 0.0

24、677 0.6668 0.7279 0.0610 0.7074 0.7709 0.0634 隸屬度下界 隸屬度上界 隸屬度誤差 0.7995 0.9968 0.1972 0.6668 0.8169 0.1501 0.8526 1.0000 0.1471 0.6668 0.7896 0.1228 0.6797 0.7970 0.1173 當(dāng)參考點(diǎn)協(xié)方差從D?1?增加到D?2?時(shí),隸屬于N方向的端點(diǎn)A的隸屬度誤差從0.099 9增大到0.197 2,增量為0.097 3;隸屬于NE方向上內(nèi)點(diǎn)的隸屬度誤差從0.067 7增大到0.147 4,增量為0.079 7;隸屬于E方向的端點(diǎn)B的隸屬度誤差從?

25、0.063 4?增大到0.117 3,增量為0.053 9。  從上面的分析可以看出,當(dāng)考慮參考點(diǎn)點(diǎn)位誤差時(shí),次方向的隸屬度誤差比主方向的隸屬度誤差大,說明作為主方向過渡方向的次方向有比主方向更大的模糊性,這一分析結(jié)果與基于模糊熵的分析結(jié)果是一致的;同時(shí)可看出,當(dāng)參考點(diǎn)誤差增大時(shí)方向隸屬度誤差增大,但是次方向隸屬度誤差增大更明顯,特別地,當(dāng)參考點(diǎn)誤差為0時(shí),方向隸屬度誤差為0,此時(shí)為八方向模糊不均勻劃分模型。 4 結(jié)束語 方向關(guān)系是重要的模糊空間關(guān)系。本文首先建立了八方向模糊劃分模型,通過定義模糊方向區(qū)間來詳細(xì)表達(dá)目標(biāo)地物與參考點(diǎn)之間的方向關(guān)系。由于空間數(shù)據(jù)固有的不確定性,由此確立的

26、空間目標(biāo)間的方向關(guān)系也具有不確定性13,在進(jìn)行空間關(guān)系模糊描述和推理時(shí)需要考慮參考點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的不確定性。利用模糊二型理論建立了考慮參考點(diǎn)點(diǎn)位誤差的八方向模糊劃分模型,并對(duì)方向隸屬度的不確定性進(jìn)行了估計(jì)。與其他模型相比,該模型具有如下特點(diǎn): a)基于隸屬度的八元模糊方向劃分不是等角劃分,其中N、E、S、W四個(gè)主要方向各占60°,而NE、SE、SW、NW次要方向各占30°,因此避免了其他模型中硬性劃分的缺陷,符合人們的習(xí)慣。 b)通過參考點(diǎn)的點(diǎn)位誤差可以求解模糊方向隸屬度的誤差,構(gòu)建了考慮參考點(diǎn)點(diǎn)位誤差的八方向模糊劃分模型。 c)由于參考點(diǎn)點(diǎn)位誤差引起方向隸屬度誤差,增加了方向

27、關(guān)系的不確定性,但這種增加的不確定性客觀存在,說明模糊方向的二型模糊集描述模型能客觀地描述模糊方向關(guān)系。 利用模糊數(shù)學(xué)給模糊對(duì)象建模時(shí)通常帶有一定的主觀性。模糊二型理論能夠描述主隸屬度的不確定性,增強(qiáng)了模型的客觀性。筆者認(rèn)為利用模糊二型理論來進(jìn)行模糊對(duì)象和方向關(guān)系的表示更符合實(shí)際情況。本文提出的擴(kuò)展八方向模糊不均勻劃分模型為研究空間方向關(guān)系提供了一種新的思路,該模型較好地顧及了人們方向概念的模糊性、參考點(diǎn)點(diǎn)位誤差,符合人們的認(rèn)知習(xí)慣。 參考文獻(xiàn): 1杜世宏,王橋,秦其明.空間關(guān)系模糊描述與組合推理M.北京:科學(xué)出版社,2007. 2郭慶勝,杜曉初,閆衛(wèi)陽.地理空間推理M.北京:科學(xué)出版社,2006. 3PAPADIAS D, KARACAPILIDIS N, ARKOUMANIS D.Processing fuzzy spatial queries: a conjuration simi