GIS地理信息系统的升维降维创新理念研究

发布时间:2020-04-05 10:43:08 作者:臻图信息 阅读量:1851

研究现状

GIS位置服务的核心不外乎“在哪里”和“怎么走”两个核心部分,而我们生存的世界是三维的,因此人类有意识以来,对世界的感知就是多维的(二维和三维)。计算机科学的核心在于逻辑的“零和一”,随着计算机科学的发展,“零和一”这种思维造就多数学者面对需采用计算机科学技术解决的问题时首先想到的是如何在逻辑上完善它,进而通过算法实现的思维模式。这种思路的优势在于其是线型思维容易理解和逻辑严谨,实现难度不大,缺陷在于面对复杂的自然科学问题,采用传统的逻辑判断模式,而不结合自然界三维分布的特性进行思维上的拓展,则对于复杂自然科学问题的解决分析终究会走入死巷。 


GIS空间科学的研究对象就是三维世界,因此空间科学研究人员天生就有多维思维的能力。众所周知,维度升级代表无限可能,维度降级意味着问题简单化。采用空间科学的视角看我们的世界,升维有助于我们解决问题探索世界,降维有助于我们简单化问题实现可行性操作,这也是我们科技工作者每天都在从事的工作。 


以GIS测绘地理信息系统科学中的变形观测的为例,当我们运用即知因素去分析变形特征,发现偏差依然比较大,则可能存在如下可能:假定的影响因子不是等权或影响力不是线性的,或者是存在不知晓的其他影响因子,这就是当面对问题既有模型不能完美解决问题时,将思维拓展到多维(非线性影响或更多因子影响)时,问题的解决才成为可能。 在数百年前当数学家还为高次方运算如何化简困惑时,对数理论的出现使得问题迎刃而解。当面对三角函数等非线性函数的求解时,泰勒展开的出现使得人类可以用简单的线性函数求解非线性函数,降维使得问题解决简单化可操作。微分使得人类能够洞悉事物发展的趋势,积分使得人类具有用局部分析洞悉全局的可能,因此升维降维的空间科学思维一直在指引人类更好地理解我们的世界,是隐藏在人类科学研究中的隐性推手。


地理信息科学中位置服务是当前的热点问题,而位置服务中的“怎么走”属于最短路径分析的范畴。如果采用传统的数学、计算机图形学、生物学等模式分析,将会使得两个问题很难得到统一:“最优解但效率低”或“效率高但不确定最优”,依然没有完美的理论解决“最优”与“最快”的矛盾。这些理论多基于传统逻辑分析的范畴,其搜索的运算量至少与样本数存在二次方以上的相关性,因此在既有的理论框架下进行优化和拓展很难有实质性的突破,问题的解决需要研究人员拓展思维,尝试用其他方式理解和分析问题。 


当解决了路径选择优化问题后,向前分析,连通性也就是目标点有路可通就成为问题解决的前提。因此可以将路径优化的理论稍作拓展,将道路可通、路径优化作为整体考虑,使得问题的解决由单一的优化拓展到联通分析、路径优化、应用扩展,再将路径优化拓展到多点之间、目标点自动选择、障碍物环境下的路径优化等领域,最终实现基于核心理论技术的立体创新应用。 


解决思路 


GIS位置服务的核心是“怎么走”,而我们的世界是多维的,因此将路径(线路)选择的一维逻辑问题拓展到二维,利用二维环境下线和面的几何属性,实现线路选择优化的目标。由问题分析可知,目标点的理想最短是直线,则在二维环境下,目标点直接通过连线分析,看是否连接直线附近存在连接目标点路径,这条路径就是存在的可能解,如图 1 黑线部分。


可能解的求解可以进行如下分析,如果目标点之间存在依次相邻的街区,则街区边界(路径)就可以作为可能解,基于此就将问题的线求解拓展到面领域,实现问题简化求解,如图 2 临近街区合并,初始解求得即图 2 加黑部分。 


完成初始解的搜寻,下一步需要将初始解优化,由多边形的几何特性可知,多边形是闭合的连线,因此多边形上任意两点都有两条且仅有两条路径存在,类似于空间科学中的降维问题简化。基于此以目标点为起始,对可能的多边形进行组合和优化,得到最终的最短路径。完成搜索后,结果是否是最优解,可简单分析如下:当该路径上存在两点,其连接线大于既有的路径部分,则与上文优化过程冲突,持续优化直到结果最优。此外,根据图形学基本原理,对最终结果进行如下分析和优化,以最终结果长度为基准,以起终点为。


焦点构建椭圆,该范围外解存在可能性为零,将搜索范围固化在一定范围内,将全局搜索简化到局部搜索,确保了最优路径搜索实现过程的科学、准确、高效,解决了路径搜索中“快与准”的矛盾。同样,根据是否存在依次相连的街区,也可分析出是否目标点相连,实现搜索过程的完整科学高效。


完成两目标点点的路径分析,则将思维拓展到多目标点,结合测绘学原理,必经结点就如约束网求解,而从多个点中选出最佳目标点就是自由网求解,将如上两个问题进行拓展,同样采用空间科学思维,可以实现自由解问题的完美解决和必经结点的局部最优,将运筹学、逻辑学及计算机图形学中的经典难题运用空间科学的升维降维思维进行解决。

总结

通过GIS空间科学思维,将维度的升降运用到自然科学问题求解过程,往往会获得出其不意的效果,原因就在于升维代表无限可能,降维代表问题简化和解决。当前地理信息科学及其相关产业蓬勃发展,但理论基础是否牢固值得我们思考。本文将空间科学思维进行拓展,结合行业难题,阐述了如何利用思维革新创新科学研究的一种新尝试。项目当前已经取得一定进展,部分核心技术获得行业应用及政府科技奖项,未来尝试将空间科学思维拓展到非空间科学领域解决部分企业面临的相关技术难题,为地理信息科技工作者和科研人员提供新的思考。



标签:GIS  地理信息系统  

我要评论

热门标签

数字孪生  智慧城市  三维可视化  城市大脑  智慧社区  三维GIS  新基建  智慧交通  智慧园区  3DGIS  智慧环保  智慧安防  大数据  市域治理  地理信息  物联网  数字化  智慧大脑  GIS  智慧物流  智慧旅游  智能化  5G  智慧管廊  GIS地理信息  管理系统  智慧消防  应急指挥  智慧电网  gis系统  3DGIS+BIM  智慧展馆  服务平台  智慧建筑  GIS+BIM  智慧楼宇  智慧工厂    智慧港口  gis技术  烟草  智慧管理  gis  智慧景区  智慧水务  智慧电力  3dgis  三维gis  三维gis系统  ZTMapGIS仿真地图  GIS技术  智能交通  供应链  gis行业  应急管理  BIM  智能建筑  工业互联网  智慧监狱  元宇宙  智慧工地  综合治理  地理信息系统  智慧停车  智慧校园  三维gis平台  智慧农业  gis三维可视化  智慧能源  三维管网管线  室内地图  地下综合管廊  室内导航  智慧文旅  BIM+3DGIS  智慧医疗  智慧养老  管理平台  智慧机房  互联网  市域社会治理  三维可视化平台  区块链  GIS系统  智慧照明  商业地产  综合管控治理  室内地图导航  人工智能  智慧房产  智慧展览  智慧物业  3D-GIS  gis平台  gis平台系统  BIM轻量化  gis数据  三维GIS技术  gis三维系统  三维gis开发  三维gis技术  三维gis软件  智慧国土  三维GIS、智慧社区  智慧灯杆  应急指挥系统  商场可视化  智能监所  智慧林业  土地规划gis  动态渲染  智慧医院  智慧物流园区  智能电网   智慧公交  三维渲染  二三维一体化  VR全景可视化  资产可视化  二三维GIS地理信息平台  一网统管  智慧管廊综合监管平台  现代化  智能化建筑  map  三维GIS开发  GIS开发  城市规划建设  三维GIS软件  市域社会治理现代化  3D  三维可视化管理平台  智慧海洋  三维gis渲染平台  二三维GIS地理信息  智能热网  三维融合渲染平台  VR全景  综治  党校地图导航  机管局资产管理  兜逛VR  ZTmap3D  智慧商场  商业地产可视化  虚拟展馆  智慧路灯  室内地图定位  室内定位  综合管网  综合管廊  三位可视化  环境监测  ZTMap 3DGIS  bim  智慧电厂  智慧小区  3Dgis  ZTMapGIS  智慧铁路  智慧监测  智慧机场  实景三维  智慧服务区域  2.5D-GIS  地质灾害  三维管廊  智慧交通、数字孪生、3DGIS  智慧工厂、安全生产管理、3DGIS+BIM  数字孪生技术  智慧管网  三维地图  信用社GIS  交通仿真  ZTMAP3D  工业园区管理  信用社地理信息系统  智慧变电站  三维管网  管廊BIM  智慧制造  园区招商  2.5D地图  三维可视化渲染   GIS+BIM  BIM三维模型  安全管理  数字电网  智慧仓储  环保GIS  云gis  gis的基本功能  Webgis  gis地图  BIM平台  智慧环境  城市规划  数据管理  事故救援  业务功能  总体设计  Qt  技术详情  地下管廊  系统改造  gis地图服务  平台构建  电子沙盘  地图符号  系统测试  三维gis平台功能  电力巡检  三维gis二次开发 三维gis接口  管网GIS系统  管网管理GIS服务平台  高校GIS系统  电网GIS行业  配电网gis系统  gis市场  gis设备  gis信息系统  gis平台监控  BIM与GIS集成应用  gis软件系统  移动GIS  视频监控  房产交易地图  VR虚拟现实  GIS应用平台  GIS管网系统  消防GIS系统  管网gis系统  gis服务平台  公共安全  gis高压设备  数字经济  基础设施建设  无人机  系统架构  GIS平台  gis空间分析  环保可视化  三维GIS平台  gis专业  gis地理信息系统  三维gis软件系统  gis三维平台  CIM  数字城市  顶层设计  gis应用  交通运输  数字化城市  三维gis模型  建筑产业  信息物理系统  自动化  城市应急  大数据可视化  系统管理  景观设计  gis应用实例  gis是什么  可视化技术  开源gis软件  可视化  假三维地图  智能楼宇  gis开发  gis空间数据  新零售  导航  应急预案  地产  gis服务  产业链  gis行业发展  gis软件  实景三维gis  
上海臻图信息技术有限公司
沪ICP备19005932号-1