GIS在航海中的应用

1、第一章：GIS在航海方面的实际应用1. 1 GIS在航海气象中的应用GIS在过去的40年中对许多应用领域产生了巨大的影响.GIS运用商业软件显示和分析许多空间数据.许多科学部门把 GIS作为其治理、处理和分析空间数据的最有效的工具.但 是气象学界对 GIS的作用熟悉缓慢.两个领域缺乏理解是重要根本原因.近 10年来,GIS 对于气象学和气候学研究的重要性己被普遍接受.美国的国家天气效劳中央 NWS将GIS 用于天气效劳和Internet上的天气信息发布,印度中尺度预报国家中央将中尺度预报模式与 GIS结合,利用GIS的可视化和空间分析功能制作天气图和天气分析,Daly 1994在GIS的支持下

2、,集成精细DEM模型,开展了 PRISM气候分析系统,其气候分析和描述水平显著 提升.为了开展 GIS在气象学和气候学中的应用,科学技术领域欧洲协作研究方案提出了 COST719方案这项开始于2001年有18个欧洲国家参加的研究方案.其主要目标是：与 GIS 产业密切合作建立GIS和气象数据的接口,评估气象和气候数据的实用性、内容和可获得性, 鼓励和培育GIS在气象和气候研究中的合作开展,增强国家气象效劳机构、研究团体和 GIS 产业的联系.Shipley在研究CIIS应用于气象学领域的根底上提出了 GIS就是天气处理系统 的的断言,甚至提出了 GIS气象学的概念.下面,是深圳研祥设计的利用

3、GIS海上气象导航方案：系统概述随着航海技术的开展及 GPS技术的深入应用,在船只和游艇上进行数据处理已越来 越简单.西德某公司采用研祥超薄工作站PPC-1200利用GPS GIS等先进的技术相结合的随船电脑解决方案可实时收看天气预报卫星云图,并根据天气选择航线、同时实现卫星通信 技术.系统原理此方案是根据航海条件而设计的,集成商产品选型最终确定采用研祥的PPC-1200工业级平板电脑并安装触摸屏,不仅由于它抗震动、能适应海上的潮湿、能长时间不间断的稳定运行,而且具有较强的扩展性.通过软件可与GPS Decca装有雷达的ARP母口其它航海仪器进行通信,当与GPSS接时,船的经度和纬度以及路线和

4、速度以数字和图表的形式形象 地显示.行驶路线可以在触摸屏上预先规划并保存以备以后使用,所有图上标出的信号灯、浮标、灯塔、礁石、沉船和其它东西的详细信息都能够通过手指触摸来访问.系统框图系统评价由于系统采用研祥PPC-1200工业级平板电脑,紧凑的设计十分适合船舶上有限的空 问,友好的人机界面,触摸屏提供了屏幕菜单,这使得信息可以容易地被访问.稳定的性能、 方便的操作,得以使系统在更多的船只上广泛的采用.1. 2 GIS在海洋作业中的应用在全球信息数字化的实施过程中,地球空间信息技术3S,即GPS、GIS、RS起着十分 重要的作用,GPS GIS、RS的集成构架了 "数字地球"

5、;.空间数据是地理信息系统的血液, 真正的GIS应该具备相应的完备的空间数据,才能实现更高级的GIS应用.因此,如何获取数量丰富、现势性好、高质量的空间数据,是GIS实现中最根底而又非常重要的一环.在现代航海技术中,人们往往把重点放在 GPS, Internet等现代化技术比拟流行的地方,却忽略了 非常重要环节的GIS,为了充分说明GIS不仅在航海气象方面的实际应用,下面我们通过对 合众思壮 经纬通系列软件的初步了解来看看 GIS在海洋作业方面的应用合众思壮 经纬通系列软件,作为应用于海洋作业的GIS软件,不但继承了经纬通的快 捷制图引擎,支持多种数据源访问,开放属性数据接口等优势外,结合海洋

6、作业的实际应用, 采用亚米级GPS信标接受机,根据工程需要,完成定向、放点、导航、施工限制等任务.经纬通GIS可以同时接入多路用口信息,包括测深仪,罗经, GPS等等,实时显示当前 地方坐标的同时,再现海底的地形地貌.完整的历史数据治理,作业轨迹可以保存多种GIS 数据格式.灵活可定制的数据后期处理,高效的拟合算法,并可以保存打印拟合数据.结合GPS,为海洋作业提供了全面解决方案.功能特点完善的工程治理,针对不同工程进行系统优化多串口通信,可同时接受包括测深仪、罗经和 GPS等多路串口信息通用灵活的工程配置设置,根据不同的工程提供灵活多样的参数设定工程历史数据查阅,作业操作历史数据的保存和查询

7、 多种保存格式,作业中移动目标轨迹可 以保存为DXF , SHP等多种主流GIS格式数据微调,拟合数据的动态微调,减小物理误差的影响强大的GPS接口,支持与Garmin及多种GPS设备数据通讯实时接受GPS数据,实现移动目标实时、平滑显示、跟踪效果丰富的工程类型选择惯性实验主界面回转实验和测速信息GIS在航海方面的应用不仅限于民用,军用的也有其涉足之处.一切战略的、战役的或 战术的行动都离不开战场的地理环境,诸军兵 种联合作战更是如此,而地理信息系统(GIS)在获取、存储、处理和分析空间地理环境信息并辅助决策方面具有特殊的地位和作用, 西方国家对这一领域的研究和应用表现出了极大的兴趣,并给予了

8、高度的重视.美国国防制图局DMA的战场GIS,是在工作站上建成的,它能用自动影像匹配和自动 目标识别技术,处理卫星和上下空侦察机实时获得的战场数字影像,及时地不超过4小时将 反映战场现状的正射景像图叠加到数字地图上,数据直接传送到前线指挥部和五角大楼,为 军事决策提供2 4小时的实时效劳.电子海图是地理信息系统的一种,可以运用到舰艇作战 指挥限制系统中.为了适应现代海战的时间节奏快、信息处理量大、机动性强和高技术武器 4装备广泛运用的广域战争环境的要求,作战指控系统必须在信息提供、程序保证及通信保证等条件具备的情况下,实现自动化作战指挥,实时信息处理,充分发挥系统功能,辅助指挥 员正确地作出各

9、种决策,使其从大量的繁琐的信息处理事务中解脱出来,集中精力发挥创造 性的指挥才能.指控系统的规模和水平,已经成为评价舰艇作战水平和先进水平的重要标志.舰艇作战时,需要将自然环境信息 海区地理条件、水文气象情况 、敌方目标信息 军用 平台、武器及状态、可能的战术 、我方有关信息、战术态势 敌方兵力、我方兵力 等信 息综合处理、分析,才能作出合理的攻击或防御决策. GIS的结合便有如此大的作用.第二章GIS根底概念及原理一个好的、完整的GIS系统,存储了该地区或该目标的众多空间信息,这些信息能随时方 便地从数据库中调用,能快速地以图形、图象、表格或文本形式在屏幕上显示 ,或者打印、绘 制出来,并且

10、可以对这些信息进行综合分析、提取有用信息,通过计算来模拟真实世界,进而提 出相应的决策意见,它是规划、治理和决策的有效工具.图 2.1说明了 GIS的这么一个性能.从GIS这个功能可看出,一个GIS系统应有三个主要的组成局部：1计算机及其外围设 备,这是其硬件根底；2 一系列的应用软件模块,包括数据和图形的输入/输出、图形和图象 处理、图形和图象的显示、数据库治理、统计分析、模拟计算以及实际应用模式等；3组织有序的信息内容,即数据库中要有充分的与地理位置有关的信息.这些信息的含义与表达有其单独的特点,下面就它们的一些根本概念作一些说明.2. 1地图和专业图早在古代文明时期,地图已用来描述地表信

11、息了.很早以前,在埃及发现了公元前2300年 左右的粘土板,在板上刻有一些土地图形,这是世界上描述土地特征最早的样本,而在古墓中 也发现几乎与此同年代的印制的地图.一些资料说明,古巴比伦和古埃及时期,人们就试图把土地的形状和大小作为统一体表达出来.在古希腊时期之前,地理学家就开始对地球的自然性 质加以推测和总结.在罗马时代,土地测量和地图制作成为政府的一项重要工作.随着人们对大自然的探索和熟悉,地图和专业图件越来越多地被用来记录和表达世界的真实地理信息.从某种意义上讲,地图本身就是一种信息系统,它是在平面介质上表达的,具有一定比例 尺的图件.在图上可以标出与地表有关的、选定的物体的性质.如同数

12、学上常用图形这个形 式来表达数据一样,制图家把地表的信息转移到图纸上,它也可广义地定义为信息的可视性表 达,尤其是对一些信息的概括性的图解表达.3. 1. 1图件的类型除了地图之外,随着科学技术和社会生产开展的需要,又出现了不少专业图件,以满足专 业活动的要求,例如：航海图：沿海地区和海域的地图,它提供有关导航的信息.航空图：向飞机驾驶员和导航员提供航线根本数据,它是一种集中所有有助于导航信息的 小比例尺地形图.地形图：根据一定的比例尺绘出地表某局部自然和人工特征的图示.图上可看到地形和 重要信息的完整清单,因而可用于土地利用和开展等目的.地形图也为其它专门用途的图件提 供蓝图,为较小比例尺的

13、通用图件的编辑提供数据.主题图：包含一个单一主题或课题信息的专门图件.用此工具可以沟通不同地理概念之 间的交互,例如：土地利用、人口密度、农作物生长区、土壤、土地形状、试验区中的PH值分布等等.主题图也可以是定量的,如土壤的有效厚度.它们可以表示为色阶图或由边界分开 的等值范围图,例如土地利用图、土壤图、户籍图或者行政区划图.也可用等值线图来表示,即用数学模型来拟合连续外表,利用连接相同值的等值线的形态来描述变化趋势 ,用来描述定 量化的数据.等值线图往往用来描述光滑变化的现象 ,如温度、沉积厚度或人口密度.图件的比例尺说明了图上的距离和相应实际距离之间的比值.大比例尺图用来表示大量 的细节；

14、而小比例尺图仅仅描述主要的特性. 图的比例尺与图所包含的信息程度有关,大比例 尺图比小比例尺图有更多的细节和信息.4. 1. 2地图的投影地图投影的根本问题是在平面上表达曲面,也就是说要在平面图上表示地球的外表. 地图 投影问题可以用桔子皮这个简单例子来粗略地说明：为了将撕破的桔子皮拼成一块平的、连 续接触的桔子皮,每个小块必须经过拉伸,扭曲或再撕裂,才能完成.因此,这个例子也很好地 说明了完美的投影几乎是不可能的.在平面上表示一个曲面,必定包括“拉伸或“皱缩造成的扭曲,而且“撕裂成小的 断块.投影的质量可用下面三个标准来评价：(a)等距性素正确地表示距离,投影保证任意两点间的距离的正确.(b

15、)同形性(正确形态)秦正确地表达形状和方向c等价性素正确地表达面积.由于历史开展的原因,我们的图件有着许多的地理投影和坐标系统,所有这些投影,可归 纳为三类：等积投影、等距投影和等角投影.例如：等距园柱投影、等距园锥投影、多园锥 投影、正射投影、极射平面投影、球极平面投影、正弦投影和格灵顿投影等等.而在投影的 同时,又要选择投影的参考椭球体.在实际应用中,同一地区的图件,会有不同的比例尺、不同的投影坐标系统,但是在同一 GIS系统中,必须首先根据工程任务的要求,来选择适宜的地理坐标投影系统,作为一个标 准的坐标系统,所有的资料、信息都要转换到这个系统上来.2. 2 GIS数据的类型和结构任何一

16、个真实世界都可以用地理信息来描述和表达,这些信息都必须以一定的数据格式 存放在计算机里,它们可分成三大类：空间数据、属性数据和栅格化数据 即光栅数据.2. 2. 1空间数据一个几何实体可用空间数据来描述,空间数据的编码有四类：点、线、多边形和连续外表. 图2.2为一些点、线、面的例子.点数据：点无维数,只有空间的位置而无长度的目标为空间数据中最简单的类型.这 是最根本的数据,虽然只有一个X、Y坐标来描述它的空间位置,但任何几何实体都可以用点的 集合来表示.点有两种形式：一种是离散分布的目标,如钻井、油井、水井或地面采矿点；另一种是固 定点上随时间而连续分布的观测,如水位、降雨量、风速和土壤温度

17、测量.线数据：线实体一维,具有长度的物体为具有线性特性的实体,由二对或二对以上的 XY坐标组成直线段.线性实体可以是稳定的结构类或动态的流体类.结构类的线性 实体例子有交通运输网高速公路、铁路.、效劳设施系统煤气管道、供电网、电线、 线、自来水管网. 等.为确定现有交通运输网上的车流情况和运输水平而收集的车 流流量数据的线段网,那么为动态线数据.地质中的线性特征和断层分别是相连或不相连线数据 的例子.曲线也可用一组X、Y坐标对来描述,都是连续的复杂线实体.多边形数据：多边形二维,具有长和宽的物体构成 GIS中最常用的数据类型.多边形 也是有边界的区域.区域的边界可由土地形状如森林边界等自然现象

18、,或人类活动形成的边界 如土地利用等来定义.最常见的多边形是自然资源环境,如土地覆盖、地质、流域范围、土壤、 社会经济带-人口区域、土地边界等等.当多边形的边界由另一个多边形共享时,必须对多边形数据加以调整,以使其真正吻合和 共享；而不同属性的小区完全被另一个区所包含时 ,可以采用嵌套的方法.连续外表：连续外表三维,具有长、宽、高/深的物体有水准高程作为地形数据的一局部、降雨量、温度、人口密度等.尽管大局部GIS商业产品能处理地形数据通常为数字高程模型DEM Digital Elevation Model 并显示等值线图、立体图等,但它们并不能 处理真正的三维数据.大局部 DEMffl网格化的

19、高程矩阵或不规那么三角网TIN： Triangulated Irregular Network来表示地形.在这种情况下,高程或称为Z坐标是一个重要的变量. 有些系统允许有其它图件特点的整理,例如将土壤、土地覆盖数据或卫星图象Landsat、Nova MSSE TM SPOT复合在立体的地形高程面上,从而建立一个三维的形象.一般来说,GIS主要应用于二维的地表现象,如土地利用、森林或土壤数据.在有些应用 情况下,也可以通过对物体外表的处理将三维表达简化为二维的表达.例如表达层面的外表,可以用等值线图或立体图来显示.在这种情况下,外表的高程并非真正的独立变量,只是很好 地定义了类似三维或假三维数据

20、.2. 2. 2属性数据每个实体,除了用空间位置、特征来表达它的性质外,通常还用一些别的重要属性来表达, 这些属性既可以是文字例土壤系列的名称、庄稼类型. . .也可以是标量 ,如水的深度、 地形高程值等等.一个真实存在的现象,用户能看到,由人类的理解而感觉化的概念,用户也能感觉到.但是 它们必须存在一个复杂的数据库中,并能用适当的方式表达出来.在计算机里有几种方法来组 织这些地理数据.土地的数学模型或实体的描述以及它们之间的关系,可借助于诸如点、线、地区范围和面等根本实体来表示这些空间数据.而对于这些实体的特性方面的描述,即非空间 数据或属性描述,那么往往以表格形式存在关系数据库治理系统中.

21、2. 2. 3光栅数据在GIS的信息源中,网格化的光栅数据也是常见的数据形式. 光栅数据结构由大小均匀的 矩阵元组成,每一个元的位置由统一的位置索引线数、列数来确定.每一网格代表一个数 或一个码,用这些网格表达画出图形的属性值.光栅值可以是数值,也可以是文字符号.它相当于将地表划分成规那么的方格网,每个方格网用一个值来表达,这个值就是它的某个属性.对于一个空间分布较少的数据来说,光栅结构会浪费计算机的存储空间.虽然这个问题可 以用一些数据压缩技术来克服,但这仍然是光栅数据结构的主要缺点.不少观测数据是在方格形测网上观测得到的,例如物探、化探数据等,最为突出的例子是 卫星遥感图象,各种资源或气象

22、观测卫星在运行轨道上,利用其矩阵排列的传感器,对地球表 面进行扫描,从而获得各波段的卫星图象,这些图象就是网格化的数据,是GIS中相当重要的 光栅数据源.2. 2. 4数据模型任何点、线、范围和面的空间分布数据,可用两种不同的数字形式来表示：矢量模型和网 格化的模型.图2.3即为这两个模型.第三章GIS对热带气旋路径的研究在前面的第二章对GIS的原理初步说明后,对 GIS的根底知识有了一定的了解；本章结 合第二章的根底知识再进一步,更详细的来讲解 GIS在具体的气象中的应用,即对热带气旋 路径上的应用.3. 1相关研究概况热带气旋(TC)是高度复杂的天气现象,利用过去的经验判断预测 TC未来动

23、态和影响 的是一种基于知识的重要方法,这就需要从大量的历史数据中总结分析出关于TC的客观知识,为气象业务人员提供丰富的参考信息.当诀策者遇到新的问题时,决策者通常充分考察相似历史事件,运用新问题与历史范例 之间相似度(similedty)比对,找到过去的范例中与新问题相似的事件,通过考察历史事件 来预测、分析、解决问题.这种方法被称之为范例式推理(Case- Based Reasonfig,CBR),它的特点是对于待处理的问题可以不需事先完全了解并建立规那么,完全以目前问题与过去范 例的相似比拟为根底,所以相似度计算方法那么为范例式推理的核心.随着计算机技术、GIS技术、数据挖掘和空间数据挖掘

24、技术的不断开展和应用,范例式推理方法也不断地得到更广 泛的应用和研究Holt,1999;Wason,1997;Yeh,1999.近年来,国内利用相似离度相似预报的方法来研究天气规律天气预报也有不少研究成果.张丰启等张丰启、崔晶、王仁胜,2002应用19861997年的常规探空资料俐用相似离度 的概念设计了威海市冰雹强对流天气定时、定点、定量的概率预报方法.周云霞等998年、 刘强军1998年、何小娟200:年、刘爱梅等2002年将相似离度方法应用到降水预 报上来.在TC研究领域,廖木星等1999利用相似离度来预报台风路径和台风强度廖 木星、高玉德,1999.香港天文台谭广雄、何嘉玲1998年利

25、用19471995年热带气旋 每6小时的最正确路径资料和同一时期在香港天文台录得的累积24小时雨逼盗料,利用相似预报的方法来预报TC降雨量谭广雄.何嘉玲,1998.然而TC路径的空间相性近似度比照效果的好坏直接影响到路径预报、降水和大凤预报 乃至灾惰估计的准确性高瑞华等,1998.在随着GIS空间分析技术和空间数据挖掘技术的 研究的不断进展,空间相似度的研究也变的活泼起来刘春霞,2002许家成,2002.刘春霞刘春霞,2002采用两种相空间方法即相空间相似周家斌、杨桂英,1996和相空间投影尤卫红等,1999预报方法.利用19511999年热带气旋年频数资料,求得是登陆或 严重影响广东的热带气

26、旋距平值,以到达预测的目的.本章内容主要是在GIS空间分析技术的支持下,如何研究TC路径空间相似检索方法.3. 2地理实体的空间相似3. 2. 1实体的空间相似性所谓空间相似,就是找出空问特征相类似的事物,也就是两对象必须在空间特性上有较 高的相似性.如果我们定义每个空间特性的阈值ThreshoulcO是Ti,且Fx是每个空间特性的Ai比拟函数赖崇珠,1999,那么我们可将风F函式写成：尸a, & =片月0,反<4,8J而明 42出“如明,儿,瓦3-1式中,如果Fi < = Ti那么Fi为真.因此当两个对象经比对之后,所得结果假设为相等,那么这代表两个空间对象的空间件特性,

27、 必定都符合上述的要求,所以最关键的努力方向将是找出可以描述空间对象特性的函数以及 比对不同空间特性的方法.3. 2. 2线形地物的空间关系空间相似度可从许多方面来测量,形状ShapR句便是空间地物最根本的特征.方向也是线形对象最重要特征,它可以显示线形对象未来可能的开展趋势,除了形态和方向外,空 问相互关系在做地理分析时也被认为是重要的因素之一,研究者通常对面对象的空间相互关 系,做深入的探讨.Egnhofer等(199)定义出二个对象产生交集时六种空间相互关系,而二 个线形地物那么存在有四种根本的关系.这些关系分别为：相交(intersect)、重叠(coincide)> 连接(co

28、nnect)和别离(disjoin).连接和重叠可视为相交的延伸,因此对于线资料空间相互关 系,可被简略地分为二大类别：相交和别离.线对象的空间相似度关系和形状、方向、空间 相互关系皆有关联性,只利用线对象的形状来定义空间相似度是缺乏够的,因此它忽略了空 问范围,这点对子地理分析是相当重要的因子,在TC数据库中,二条路径中只有相似的形状并无法定义其空间范围.方向和空间相互关系却可以描述出一般的走向和路径的分布,因 此对于研究TC路径的空间相似性而言,方向和空间相互关系也同样是最具代表性因子.3. 3线性地物的相似度确定3. 3. 1顶点模式Ting Yu (1997)提出顶点模式(Peak M

29、odel),方法是将物体移动轨迹中有转折的地方 依其转折的角度和方向做编码,并记录每一转折时间顺序,那么一个物体移动的轨迹就成为一 用由三个数值刚问、方向、角度腼构成,接着再采用字符串搜寻算法中有限元自动机( Finite automata算法的观念来搜寻、最后为了参加相似搜寻的功能那么针对实际状况中每个(方向、 角度)的组合来定义其相似的程度,在搜寻的过程中也将相似程度一同考虑.3. 3. 2最邻近距离提取方法最邻近距离提取方法的思想来源于最邻近范例提取方法.(1)最邻近范例提取方法的根本思想为：通过对两对象的一般属性间的差值度量,来计 算彼此间的相似程度,当差值越大时,那么代表两对象间的相

30、似度程度越低,彼此不相似,反 之那么代表两对象相似度程度高.(2) Watson (1997)在企业系统技术研究中,提到最邻近范例提取方法的相似度公式可 定义为：S油"例下方)=£/几&)*%(32)式中,T是新进来的范例；S是系统中的历史范例；n是每一个例子当中参加比照的属性 数量；f是T,S属性相似函数；Wi是每一个属性的加权值.实际工作中,相似度的表现通常 被标准化(normalize)成0至1之间的(其中0代表最不相似,1那么是最相似)或是以百分 比的方式表现,100%是最符合.(3)许家成(2002)在他的硕士论文中根据最邻近范例提取方法的根本概念,己经

31、TC 路径本身的空间特性,将路径的相似度简化成：当两条路径在空间中相对应的距离或路径差 13值最短(Mathsoft, Inc, 1997)时,那么两对象相似度最高,反之,那么代表两对象相似度低, 这方法作者将其称之为“最邻近距离提取法.许家成根据以上思想做出如下假设：当实时 TC路径与历史路径网格之间距离总和最短 时,那么代表这两个TC在空间相似程度最高,如图31及公式3 3所示,只要能够找出空间 距离最短的路径,便可代表空间性质最为相近.公式中,Di h是TC路径i上的位置点与TC范例h的最短距离总和；Ds是TC路径i与TC范例h的最短距离.只要够找到Dih的最小值,便可找出与目前所生成

32、TC行进路径最为相近的范例.当相 距的距离Dih越接近零时,那么代表两条 TC路径越接近,相似度也就越高,反之,当相距的 距离越大时,那么代表两条TC路径越疏远.图3. 1空间相似最邻近距离示意图3. 4基于改迸最邻近距离提取方法的空问相似检索3. 4. 1原最邻近距离提取方法存在的问题上节表达的最邻近距离提取方法是用最短距离累计的计算方式来求算空问相似度的,比 其以往的研究方法要前进了一大步,也给本研究以很大的启发.相似度指标的计算中包含了 整条TC的路径空间信息这将大大提升TC路径相似提取的合理性,在实践中也得到了很好的 TC路径预测效果.但是许家成这种方法在设计过程中存在两个问题需要改良

33、.问题一.整个判断提取最相似 TC的过程中,需要对历史TC库中任何一条TC进行累积 最短距离Dih的计算,然后找出Dih最小的路径来,这大大增加了不必要的计算量；问题二.在计算是TC路径涛gTC范例h的最短距离Ds的时候,所用方法是 Arc/Info 的网格分析(Grid Analysis)中的欧几里德距离(Euclidean disttance)计算法来计算新进 TC 路径i上时刻点到范例TC路径h的最短距离Ds.这要求首先要对每条范例 TC路径h进行 概化处理,接着转成栅格数据,并且首先要将历史TC库中没条TC路径都要进行概化和栅格 化处理.以上两个问题将会造成以下几个缺点：(1)前期工作

34、耗时费事、数据处理流程烦琐；(2)数据存储量大大增加,同时存在矢量和栅格两套数据,也增加了数据治理和维 护的工作量；(3)每条历史TC路径均要参加比照计算,效率缓慢；(4)栅格数据本身的特点造成误差的增大.为解决以上问题,算法流程方面对最邻近距离提取方法做了改良.3. 4. 2问题解决的方法(1)问题一的解决方法解诀恩路：通过GIS的空间分析功能首先在检索出候选的相似路径,然后在这些候选路 径中计算每一条路径的相似度,通过相似度值找出最为相似的TC路径来.具体方法：如果要检索TC路彳5i的候选相似路径,流程如下：步骤一、对TC路径i做一个缓冲半径为d的缓冲区；步骤二、分别以TC路径i的最新位置

35、点(即路径i的最前端点)和路径起始点为圆心, 做半径为d的两个圆Rn和Ri ；步骤三、利用GIS的空间分析功能可以求得历史 TC库中所有经过Rn和Ri并且通过缓 仲区的TC路彳S (相似候选路径).路径S的数目要比历史TC库中所有TC数目小的多；步骤四、对候选路径S中每条路径计算相似度,根据相似度选出最为相似的TC路径.另外,如果缓冲半径设置较小的时候,检索到的候选 TC路径会比拟少,可能出现遗漏 决策者想要的候选TC路径.这可以通过调整两个参数来解决, 一是缓冲区半径d,二是将起 始点的圆域沿路径向前推进(2)问题二的解决方法解决思路：防止使用栅格数据,直接利用矢量数据求得TC路径i上路径点

36、到历史TC库中路径h之间的最短距离Ds,累积路径i上起点到最新位置点的所有 Ds可得到Dih.具体方法：历史TC库中,TC路径是由折线表示,以矢量格式存储,折线是每六小时的TC移动位置的依次连线.也就是说 TC路径是由一组线段构成(如图3-2)0我们要得到点 到折线的最短距离,首先计算出点到折线上每条线段直接的距离,然后比拟出最短的距离出 来就是我们需要的最短距离风.如图3-3示意了点P到折线L的最短距离的方法,步骤如下：步骤一、计算点P到分别到折线L上的距离分别为dl, d2,.d13步骤二、点P到折线L的最短距离Ds=min dl, d2,d3- d13;下面说明一下点到线段距离的计算方法

37、：点到线段的距离有通常四种如图 3-4示意的点P到线段L3的四种距离：(1)点到线段的最近顶点距离dl：(2)点到线段的最远顶点距离d2;(3)点到线段的质心距离d3o当线段是均匀的时候,质心通常取线段的中分线；(4)点到线段的最近距离d4,即：点到线段上所有点的距离中最近的那的点的距离.用了第四种距离,点到线段的最近距离.在计算点到线段的距离时候,点与线段有三种关系需要区别对待,分开计算,如图 3-5 所示.(1)点在线段上时,d=0;(2)点和线段两顶点构成锐角三角形时,d等于点到线段的垂直距离；(3)点和线段两顶点构成钝角三角形时,d等于点到线段两顶点的两个距离中较短的那 一个距离；图3

38、-2 TC路径折线示意图图3-3 点P到折线L距离演算示意图图3-4点到线段的距离示意图1|a点在线段上b.锐角三角形a钝角三角形图3-5点到线段的最短距离解算的三种情况3. 4. 3改良最邻近距离提取方法的步骤(1) TC路径资料矢量化；一般情况下,我们收集到的数据擞据库都是文字资料的方式存在,这些数据资料虽然有位置信息如图3-6,但不具备空问特性,将文字资料的 TC路径数据转化为空间数据格式, 这对下一步的GIS空间分析技术支持下进行候选相似路径检索和空间距离计算己经可视化 的现实都是必须的工作.通过编程实现了将1949至I 2002年TC路径文字资料向空间数据的转化, 以全自动化的 方式实现了 TC路径的矢量化,将其转化为 ShapeFiles文件格式.如图3-7图3-6 TC路径数据资料表图3-7 TC路径矢量图