空间方向关系（共4篇）
空间方向关系 篇1
1 概述
空间关系是指地理实体之间存在的一些具有空间特征的关系[1],主要包括拓扑关系、方向关系和距离关系3大类。方向关系是在一定的方向参考系统中从一个空间对象到另一个空间对象相对于基本参考方向的指向,描述对象在空间中的某种排序。方向关系可以进行定性描述和定量描述。定量描述方法使用方位角等比率量表精确地给出空间对象间的方向关系值。定性描述方法是用顺序量表概略地描述方向关系,如东南西北等。
空间推理(Spatial Reasoning,SR)是指利用空间理论和人工智能技术对空间对象进行建模、描述和表示,并据此对空间对象间的空间关系进行定量或定性的分析和处理的过程[3,4,5,6,7,8,9]。目前,空间推理被广泛应用于地理信息系统、机器人导航、高级视觉、自然语言理解等方面,受到了国际GIS及相关学术界的高度重视。随着研究的深入,近年来人们逐渐认识到,空间关系本质上是定性的[2],空间推理本质上也是定性的[3]。因此,定性空间推理作为表示和处理空间知识的一种有效方法,近几年受到普遍重视。
定性空间推理的方法主要有基于谓词逻辑的推理[5]、基于代数的推理[6,7,8]、基于产生式规则的推理[9]、组合表推理[4]以及基于语义网的推理等,这些方法在进行空间知识表示和处理时,普遍缺乏空间知识的共享和重用。
在空间知识表示和处理时引入地理本体,研究基于地理本体的空间方向关系定性推理方法,并实现了基于地理本体的空间方向关系定性推理原型系统。
2 地理本体的逻辑结构
本体最早是一个哲学的范畴,是客观现实的一个抽象本质。地理本体是有关地理科学领域中共享概念模型的明确的形式化规范说明。在地理本体概念中,“共享”体现的是共同认可的知识,反映的是地理科学领域中公认的概念集,针对的是团体而不是个体;“概念模型”是通过抽象出客观现实中的相关概念而得到的模型,其表示的含义独立于具体的环境状态;“明确的”是指所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定义;“形式化规范说明”是指计算机可读的。
地理本体的逻辑结构可以表示七元组:
C表示类(概念),指一组共享某些相同属性的个体。
R表示概念之间的语义关系,诸如概念之间的相交、不相交、等价等关系。
H表示概念之间的层次关系,主要是指父类-子类关系(sub Class Of),也可表示超集-子集关系。
P表示属性,属性分为对象属性(Object Property)和数据属性(Datatype Property)。对象属性把两个个体关联起来,表示个体之间的关系;数据类型属性把一个个体和一个数值关联起来,表示个体到数值之间的关系。比如河流的“汇入”属性、“连接”属性都是对象属性,而河流的“名字”属性,“长度”属性都是数据属性。
PR表示对属性的限制,主要是对属性取值的类型,范围以及最多最少个数等的限制。
PC表示属性的特征,就是属性本身具有什么样的特性。在OWL可以声明属性具有传递性、对称性、函数性(属性只有一个唯一的值)、反函属性或者是其他属性的逆反属性。
I表示个体,个体是类的实例,可以用属性关联起来,比如说长江、黄河、汉江都是河流这个概念的个体。
3 空间方向关系定性推理
3.1 空间方向关系模型
使用投影模型中的井字空间作为方向关系表示模型,并在郭平[4]的D14的基础上进行改进,提出了基于井字空间的方向关系模型D10。
令RE(正东),RS(正南),RW(正西),RN(正北),NW(正西北),SW(正西南),SE(正东南),NE(正东北),SA(同位)为基于井字空间的方向关系,改进的方向关系定义为:
通过目标空间对象与NW、SW、NE、SE、NORTH、EAST、SOUTH、WEST、SA之间的交的结果来描述它与源空间对象之间的方向关系,如果都不匹配则为nil。
3.2 地理本体推理机
由于目前的推理机都是针对一般的信息本体的,无法对地理本体中专有的概念和属性进行解析和推理,也没有专门地地理本体推理工具。想要对地理本体进行推理,只有通过在已有的推理机中加入自定义的地理概念规则,使得推理机可以理解地理概念、属性及其特征,从而支持地理知识的推理。支持自定义规则的本体推理机的典型代表就是Jena。
规则在Jena中被定义为一个Rule对象,它的语法格式如下:
根据空间方向关系D10模型构建了106条规则,分别表示了方向关系中的传递性、互逆性以及相互组合的结果。这些自定义规则与Jena推理机绑定,使之满足空间对象之间方向关系推理的需要。
例如:a在b北边,b在c北边,那么可以推理出a和c的关系是北、东北或西北,可以将其编辑成为以下内容:
3.3 推理过程
按照地理本体的逻辑结构构造地理本体,并将GML数据源中的地图数据无损地转换成符合地理本体要求的应用本体,所进行的推理都是建立在应用本体的基础之上的。
在推理机导入本体的过程中,会将整个应用本体转换成一个等价的RDF图,具体步骤如下所示:
(1)解析本体文件,得到本体模型。
(2)利用RDFS、OWL等推理规则计算第一步得到的本体模型的语义闭包。
(3)在第二步的基础上计算自定义规则的语义闭包。
(4)返回第三步得到的语义闭包。
每一个本体中的对象都对应于图中的一个节点,而对象两两之间的关系就对应于图中节点之间的连线,由于空间关系的特殊性,这个连线是有向的。因此推理的过程,本质上就是结合规则查找从一个节点到另一个节点的路径的过程。如果能够找到,则将连线的值(即关系)返回,如未找到,则表明根据目前本体中已有的信息无法定性获得这两个对象的关系。
经过Reasoner推理,不但能够查询出RDF图模型明确声明的信息,而且根据Ontology中的公理、定理、规则、实例数据可以得到其中隐含的信息。推理产生的RDF图模型只能够保存在内存中,因此隐含关系也只能保存在内存中,供本次的查询推理使用。为了提高系统的相应效率,可以对用户的查询日志进行分析,将经常使用的派生语义关系存储在数据库中以备重复使用。
在推理的过程中,Ontology起到了关键的作用,它提供了领域的知识,明确地表达了领域概念及其之间的关系,使得推理机能够实现语义上的推理。
4 原型系统
基于地理本体的空间方向关系定性推理原型系统的总体框架如图1所示。
基于地理本体的空间方向关系定性推理原型系统的总体框架共分为3层,分别是数据层、处理逻辑层、表示层。
(1)表示层:提供图形用户界面,实现地图基本操作(放大、缩小、漫游、测距)、空间对象选择、推理结果输出展示等功能。
(2)处理逻辑层:是整个系统的核心,实现地图操作、空间方向关系定性推理,主要包括:
数据格式转换:利用XSLT(e Xtensible Stylesheet Language:Transformations)语言编写格式转换程序,将地理标记语言GML描述的地图数据源转换为网络本体语言OWL描述的地理本体,存储在本体库中。
方向关系预写模块:在本体中写入一些空间对象的方向关系,在这些关系的基础上进行定性推理。
自定义规则维护模块:采用基于自定义规则的地理本体推理。
定性推理模块:采用典型的本体推理机Jena进行地理本体推理,将自定义规则与推理机绑定,采用混合推理模型。用户请求查询两个空间对象之间的关系时,推理机首先在应用本体中查找这两个空间对象,如果有任何一个对象并不是本体中的实例,则直接退出,并返回错误提示信息;如果能够找到这两个空间对象,则将这两个空间对象实例化为Jena中的两个Resource对象。
本体修复模块:OWL DL是基于描述逻辑的,因此总能保证推理的可判定性。因此本体修复模块最主要的作用就是对已有的应用本体进行修改,保证应用本体的描述语言是OWL DL。本体修复模块通过对本体文件进行一些简单的修复工作(诸如添加类型声明等),便可以将一些原本属于Full级别的本体文件降为DL级别,从而保证了本体推理的可判定性。然后再将修复过后的本体文件提交给语义推理模块进行推理。
(3)数据服务层:提供地图数据源、本体的存储管理场所。
4.1 地理本体构建
采用斯坦福大学开发的免费、开源、基于Java且提供了可安装插件易扩展环境的本体编辑器Protégé3.1.1来构建地理本体。空间方向关系采用D10模型。
4.2 定性推理
在定性推理模块采用Jena推理机提供的支持自定义规则Generic rule reasoner的混合推理模型,建立Model的部分代码如下:
当用户请求查询两个空间对象之间的关系时,推理机首先在应用本体中查找这两个空间对象,如果有任何一个对象并不是本体中的实例,则直接退出,并返回错误提示信息;如果能够找到这两个空间对象,则将这两个空间对象实例化为Jena中的两个Resource对象。如:
在推理机导入本体的过程中,会将整个应用本体转换成一个等价的RDF图,每一个本体中的对象都对应于图中的一个节点,而对象两两之间的关系就对应于图中节点之间的连线,由于空间方向关系的特殊性,这个连线是有向的。因此推理的过程本质上就是结合规则查找从一个节点到另一个节点的路径的过程。如果能够找到,则将连线的值(即关系)返回,如未找到,则表明根据目前本体中已有的信息无法定性获得这两个对象的关系。
4.3 实验结果
在图2基于地理本体的空间方向关系定性推理原型系统中,选择源空间对象Washington(Province)、目标空间对象180(Major Highway),点击“计算”按钮,系统就会在后台进行计算,将两个对象实例化为Jena中的Resource对象,然后调用Jena推理机进行推理,得出两个对象之间的方向关系为南或东南,而根据常识直观判断可知,目标对象是在源对象的南部,因此推理结果是正确的。
5 结语
目前,已经实现了基于地理本体的空间方向关系定性推理系统原型,但是还仅限于Jena自定义规则Generic rule reasoner的混合推理模型。其他Reasoner类型的推理模型、其他空间关系(如拓扑关系、距离关系)的定性推理是下一步工作的重点
摘要：围绕基于地理本体的空间方向关系定性推理进行研究,给出了定性推理系统总体框架,并对方向关系模型、自定义规则、地理本体、定性推理进行详细探讨。
关键词：方向关系,地理本体,定性推理
参考文献
[1]陈述彭,鲁学军,周成虎.地理信息系统导论[M].北京:科学出版社,1999:26.
[2]NM Gotts,JM Gooday,AG Cohn.A connection based approa-ch to commonsense topological description and reasoning[J].The Monist:An International Journal of General PhilosophicalInquiry,79(1).
[3]郭庆胜,杜晓初,闫卫阳.地里空间推理[M].北京:科学出版社,2006.
[4]郭平.定性空间推理技术及应用研究[D].重庆:重庆大学,2004.
[5]D.Randell,Z.Cui and A.Cohn.A spatial logic based on regionsand connection[C].Proceedings of the 3rd InternationalConference on Knowledge Representation and Reasoning,Morgan Kaufmann,1992:165-176.
[6]Allen JF.Maintaining Knowledge about Temporal Intervals[J].Communications of the ACM,26(11),1983:823-843.
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[8]Rohrig R.A theory of Qualitative Spatial Reasoning based onorder relations[C].Proceedings of 12th American Conferenceon AI(AAAI-94),1994:1418-1423.
[9]孙玉国.拓扑空间关系描述与2DT-String空间关系表达[D].武汉:武汉测绘科技大学,1993.
[10]刘亚彬,刘大有,王飞.定性空间表示和定性空间的研究与发展[J].计算机科学,2003,30(3):65-67.
空间方向关系 篇2
城市作为现代文明和社会进步的标志，是经济和社会发展的主要载体，伴随着我国城市化进程的加快，城市规模不断扩大，城市人口急剧膨胀，许多城市不同程度地出现建筑用地紧张，生存空间拥挤，交通堵塞，基础设施落后，生态失衡，环境恶化等一系列的“城市病”，给人类的居住条件带来了很大影响，也制约了经济和社会的进一步发展，成为现代城市可持续发展的障碍。
有人说，19世纪是桥的世纪，20世纪是高层建筑的世纪，21世纪是开发利用地下空间的世纪。城市地下空间作为一种新型的国土资源，适时地、有序地进行开发利用，使有限的城市土地发挥更大的作用，这是必然的趋势。
从1863年英国伦敦建成世界上第一条地铁开始，国外地下空间的发展已经历了相当长的一段时间，国外地下空间的开发利用从大型建筑物向地下的自然延伸发展到复杂的地下综合体(地下街)再到地下城(与地下快速轨道交通系统相结合的地下街系统)，地下建筑在旧城的改造再开发中发挥了重要作用。同时地下市政设施也从地下供、排水管网发展到地下大型供水系统，地下大型能源供应系统，地下大型排水及污水处理系统，地下生活垃圾的清除、处理和回收系统，以及地下综合管线廊道(共同沟)。与旧城改造及历史文化建筑扩建相随，在北美，西欧及日本出现了相当数量的大型地下公共建筑：有公共图书馆和大学图书馆、会议中心、展览中心以及体育馆、音乐厅、大型实验室等地下文化体育教育设施。地下建筑的内部空间环境质量，防灾措施以及运营管理都达到了较高的水平。地下空间利用规划从专项规划入手，逐步形成系统的规划。其中以地铁规划和市政基础设施规划最为突出。
交通堵塞、行车缓慢已经成为我国许多城市普遍的非常突出的问题，国外的发展经验告诉我们，要解决城市交通堵塞问题，发展以地下铁道为主的高效益、低耗能、轻污染的轨道交通才是根本出路。目前，在我国各大城市的“地铁热”方兴未艾，以地铁为代表的城市地下交通工程为缓解城市的交通拥挤发挥了巨大的作用，对城市的经济和社会发展起了巨大的推动作用，为居民的出行提供了良好的条件。
除去良好的交通状况，完善的基础设施是改善城市环境的必要条件。我国一些大城市的城区普遍存在污水排放和污水处理设施陈旧，固体垃圾郊区堆放的“垃圾围城”现象，城市供电，供水，通讯，供热等基础设施建设落后于城市的扩展和城市人口的增加，这些都造成城市环境的恶化。先进国家城市的建设经验之一是把市政公用设施管道汇集，建立便于维修管理的多功能公用隧道——城市共同沟。修建地下垃圾回收管道系统，修建地下垃圾焚烧厂，以减量化、无害化、资源化方式处理垃圾，是城市垃圾的根本出路和解决问题的长远目标。
《中华人民共和国人民防空法》第14条明确规定：“城市的地下交通干线以及其他地下工程的建设，应当兼顾人民防空需要。”在开发利用城市地下空间，建设城市地下工程时，应该将民防工程的建设纳入其中，使其具备平战两用功能，地铁地下通道要与其他地下民防工程相联通，构建起以地铁地下通道为主体，以过街通道、地下室及其他地下隐蔽部为补充的地下网状隐蔽体系。同时地下隐蔽体系的容量有限，应将地铁线路与城市地面疏散隐蔽地域相联通，确保紧急状态下能快速将民众转移至各处隐蔽地域。
城市地下工程除去要兼备民防功能外，在建造时还应考虑具备抵抗各种自然、人为灾害的功能，其中主要为城市地下工程的防水，防火，地震等方面。
城市地下工程大都处于地面标高以下，一方面受到地面洪涝灾害和积水回灌危害，另一方面受到岩石介质中地下水渗漏浸泡危害，在设计时应防止洪涝积水回灌，同时可以使用各种防水材料，如：防水卷材、防水涂料、结构自然防水材料、嵌缝密封材料等以满足防水要求。城市地下工程在火灾时排烟、排热能力差，可燃物较多，安全疏散困难，扑救难度大，人员大量集中，发生火灾是容易造成重大的伤亡事故。在城市地下工程的建造过程中，应设置消防给排水系统，防烟排烟设施，通风、空气调节系统防火系统，电气防火系统等一系列防火系统。
相对于地上建筑而言，地震对于地下工程的影响较小，但仍存在地震破坏的可能性，在设计和施工时必须有相应的对策，在工程选址时选择工程地质条件较好的地方建造地下工程，建造时加固地基，进行抗震结构设计，使城市地下工程也具有一定的抗震能力。
浅谈数字空间艺术的推动方向 篇3
提起数字空间艺术研究,必须提到的就是建筑漫游了。建筑漫游这个伟大革命为人类生活创造出了惊喜。它利用虚拟现实技术对现实生活中的建筑进行三维仿真,具有真实建筑空间感的特性,并且能够大面积的进行三维地形仿真。用动态交互的方式对建筑进行身临其境的全方位审视,可从任意的角度、距离、精细程度来观察场景,并切换多种运动模式,以及自由控制浏览路线。而且,在漫游过程中,还可以实现多种设计方案、多种环境效果的实时切换比较。如今建筑漫游已经渗透到人们的日常生活中,为人们创造了精神财富。建筑漫游顺应市场的需求,从原有单一的建筑漫游逐渐成熟到建筑空间漫游。而数字空间作为当下最流行时尚的研究对象,蕴含了更多的研究学习的范畴,它将是下一个崭新的对象。数字空间艺术的发展方向,它在数字技术领域里所起的作用是非常大的,对未来会产生深远的影响。它的出现不仅突破了传统媒体的局限性,以新的互动方式在不断丰富着人们的生活以及视觉体验。新媒体技术不仅仅改变了传统人们的思想方式,更丰富了人们的审美规律以及体验。建筑漫游的艺术性、虚拟性、以及互动性是很新奇的。能够带给用户强烈、逼真的感官冲击,整体提升了内涵和质量。在社会这种数字技术浪潮的推动下,空间建筑正在进行着不断的进步,空间变得更加精巧、新颖,空间建筑和数字艺术都是在设计中较为高端的研究领域,它们的结合充满着希望,所以从空间建筑角度来研究数字艺术的发展有着重大的意义。可以这样说,设计师们设计思想的应用和各种软件的研发,使得设计有了更大改变,计算机在人们的使用下,满足了人们极大的需求,在设计方法上、更加符合世界的时代性、前沿性,以及前所未有的视觉体验和互动性。建筑漫游不仅仅是在当代建筑体验下与空间形态之间的分析,同时对设计观念有巨大意义。
虚拟现实这个新型词汇相信大家并不陌生,它是近年来,数字技术与数字空间艺术的完美结合,它是让传统二维展现成三维的关键,即从草图到模型或者实体。二维的草图虽然实用,但是它的缺点却是不够直观表达,容易给事物造成偏差。而设计者们新的设计思维点会由于二维草图的不清晰,而不能直观表达的很明确,并且二维的很多缺陷不容易被人们所察觉,导致错误被掩盖。然而,三维的出现,可以使设计师们避免了很多的错误以及重复工作,从而可以自由的创造出属于自己的具有独特效果的造型。根据虚拟现实系统,可以更加直观的对设计的内部空间进行直观感受和分析。数字技术和虚拟现实的结合不仅仅是绘图工具的转变,更是效果表达方式的不同,它的应用让我们的生活出现了质的转变。当代社会中,已经有很多人在成熟运用数字技术,数字技术中最易当选的数字空间艺术和虚拟现实的完美结合,大大提高了造型规律的实验性设计。我觉得,我国教育事业在数字技术行业的发展可以这样做,在教学设计中,利用取得的一些经验,鼓励设计者们使用数字手段和虚拟现实技术来替代传统的二维草图。利用计算机直观三维空间去研究,使人们可以在很短的时间内掌握这个设计的实物。从而更加能够突出数字空间艺术的技术得以被突出、被强调。在过去的时间里,数字空间艺术很难被存在,借助了现在最新型的虚拟模拟现实则可以让它更加的纯粹化,从而在计算机中实现。
随着我国经济的不断发展,各种数字技术人才的需求量也持续在增长。室内设计行业也成为了我国经济发展所认为的新的增长点。在现代人的眼中,传统室内装饰艺术在向现代空间艺术不断演变。人的观念也从传统型逐渐转变为现代型,思维跨越非常大。当然,在科技进步不断发展的今天,利用数字空间艺术的优势与室内空间的理论结合起来,也是对传统技术方法所进行的改革,这是科技不断进步的结果,也是人才培养以及市场发展的需要。我国也对数字化室内设计进行了相关的阐述,对室内设计理念的发展以及改革也进行了剖析,并且对数字空间应用于室内设计的优势以及利弊进行了界定,对于国内外相关数字产业的发展现状做出了精确分析以及研究。利用交互方式帮助人们以三维流动的视角来观察空间,并且理解空间在室内中模拟事物真实呈现,这是一场教学理念和教学模式的强大变革,探索并应用数字技术对当下建立虚拟场景下的空间教学有着重大意义。以此为基础,针对室内设计的特点,立足于空间理念以及研究的改革,探索数字技术下虚拟场景下的动态空间系统。提高人们对空间思维的观念,提高人们对色彩、光效、质感、创新意识的潜能、及形态实物的综合运用能力。
数字空间艺术这个新的研究方向,加快了世界前进的步伐,改变了我们的生活质量,提高了人们对于美的感受。积极探索并应用数字技术来解决当下虚拟场景空间理念有着重大意义。数字空间艺术研究在逐步推动设计的创新与进步,而且我相信不久的将来,还将会催生出新的艺术门类。
参考文献
[1]沈旭涛.数字建筑不朽之城——议虚拟现实技术在建筑设计领域的应用[J].四川建筑.2006(03)
[2]李有生,杨芳,蔡克中.数字时代对现代艺术设计的影响[J].现代商贸工业.2007(11)
[3]郭葆锋,肖大威.数字空间——新的建筑空间形式[J].建筑师.2008(04)
[4]沈荔.色彩在室内设计中的运用方法刍议[J].长春教育学院学报.2012(04)
[5]刘井涛,陈业欣.关于艺术设计专业数字媒体课程教学模式构建的思考[J].时代教育.2012(15)
矿井巷道中心与方向关系探析 篇4
(1) 中心错, 方向不一定错 (如图1)
从A点到B点假设为我们的施工要求, 而明显在C点巷道施工位置变化了△dmm, 但仍施工到B点, 证明其方向是正确的, 而只是中心位置发生了变化。
(2) 方向错, 中心不一定错 (如图2)
此种情况一般在锚杆巷道中常见, 在生产中是最好判断的一种情况, 也是架棚巷道棚子失稳不利于支护效果的一种重大安全隐患。
从A点到B点中心位置没有变化, 因为帮到中心线的距离是相同的, 但很明显棚子是扭斜的, 方向已出现了偏差, 也就是说明中心不错, 但是棚子的棚架位置即方向已经错了。
而我们的传统校正方向的方法是不论棚子中心位置如何只要按照棚梁的净宽找出正中心位置, 直接测迎头棚子的棚架位置即方向就可以了, 例如: (如图3) 。
净宽是2.6m的巷道, 中心是0.5m时, 从任意一处中心位置向巷道中心量0.8m到正中心位置 (梁长2.8米, 去掉梁刷头每帮各0.1米则净口为2.6米, 则有2.6÷2=1.3m) C点处, 再测量迎头棚子两端梁爪相同位置至C点的距离, 比较CA、CB两条线的长短, 哪端长, 就证明该端方向快, |CA-CB|的值就是快多少数值, 一般以mm为单位, 而这种方法是在中心不错的情况下还可以, 但中心一错就拙襟见衬了, 也就是传统的校正方向的办法就失灵了, 如图4就是在巷道的中心位置做小了0.1m的情况下原中心位置是0.5m。
明显可以看出, 按传统方法测量方向时, CB的长度一定大于CA的长度, 测出的结果是B帮方向快220mm, 需要调方向而实际是上述我们已经论证过, 这是一个典型的中心错方向不错的例子, 两种方法背道而驰, 用传统方式去拉反而被误导, 一调就越错越远了。
那么如何测量巷道的方向才是合理的呢?经过井下实践准确测量棚子方向必须改变找巷道正中心点的方法, 不是单纯的靠经验值, 而要采用:净宽÷2-迎头棚子中心=偏移量, 即校正哪一架棚子, 就用哪一架棚子的现有中心值去找正中心点的位置, 这样再去测量方向就准确了, 如上述情况, 就可以采用:
则正中心点位置就是在中心线位置向巷道中间再调1.2米时测量CA和CB, 就会得出CA=CB, 即方向不错, 但按以往的经验就会如上述只调0.8米而大错特错了。
采用这种方法后, 就不会出现误拉方向而导致巷道方位做错了, 它适用于各种支护巷道的方向测量, 能保证巷道施工中两大要素的准确性, 从而大大降低巷道施工的翻修率和维修率, 确保棚子的稳定性, 做到一次成巷。
摘要：矿山企业中, 巷道向前掘进主要靠中心和方向这两大要素来指导施工, 其巷道用途在施工中也主要取决于中心、方向, 这两个要素如果错了, 就会使巷道失去它应有的价值。在传统的井下施工工艺中, 一直让许多人认为“中心错, 方向一定错”, 在这两个要素错的较少的情况下误差还不算大, 也就是适用于用正确方法校正时两帮数值差不超过100mm时的情况, 但中心错得多时, 结果就会背道而驰。