地理計(jì)算原理與方法

前言

　　地理數(shù)據(jù)的采集、定位和繪制是地理分析的第一步，接下來(lái)的分析、建模是地理分析最重要的部分，也是原始地理數(shù)據(jù)能夠產(chǎn)生效能的關(guān)鍵所在。地理計(jì)算是個(gè)令人耳目一新的話題，但它到底是什么？本書試圖讓讀者對(duì)地理計(jì)算的體系和應(yīng)用有一個(gè)比較直觀的認(rèn)識(shí)和了解?！　‰S著計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度越來(lái)越快，計(jì)算科學(xué)已經(jīng)成為解決許多科學(xué)問(wèn)題的有效方法，計(jì)算科學(xué)對(duì)地理學(xué)像對(duì)社會(huì)學(xué)一樣帶來(lái)了巨大的沖擊，地理計(jì)算（GeoComputation，有文獻(xiàn)譯為“地學(xué)計(jì)算”，本書采用“地理計(jì)算”這個(gè)術(shù)語(yǔ)）就是計(jì)算科學(xué)在地理或地學(xué)環(huán)境中的應(yīng)用（這里的地學(xué)環(huán)境包括人文系統(tǒng)和自然系統(tǒng)）。地理計(jì)算從字面意義上來(lái)看和計(jì)算科學(xué)是密不可分的，計(jì)算科學(xué)是20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的交叉學(xué)科，但目前還沒(méi)有統(tǒng)一的概念。計(jì)算科學(xué)依賴于計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和硬件性能的提高，使用計(jì)算機(jī)來(lái)研究各種科學(xué)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)科學(xué)調(diào)查中的各種理論和方法。一旦計(jì)算機(jī)硬件達(dá)到要求，可以通過(guò)科學(xué)計(jì)算可視化來(lái)觀察各種實(shí)驗(yàn)的中間過(guò)程?？梢哉f(shuō)，科學(xué)計(jì)算能讓研究者通過(guò)模擬來(lái)測(cè)試現(xiàn)有的理論，并有可能創(chuàng)建新的理論?！　〉乩碛?jì)算的出現(xiàn)與發(fā)展，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算科學(xué)理論與方法的飛速發(fā)展。20世紀(jì)90年代并行超級(jí)計(jì)算機(jī)硬件的成功實(shí)現(xiàn)，GPS，RS，GIS技術(shù)在獲取大容量、整體性地理數(shù)據(jù)信息中的成功應(yīng)用，以超級(jí)計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的一系列高性能計(jì)算新方法的實(shí)現(xiàn)，使計(jì)算、實(shí)驗(yàn)與理論共同構(gòu)成了人類認(rèn)知客觀世界的有效科學(xué)工具。地理計(jì)算已不是傳統(tǒng)意義上的利用計(jì)算機(jī)求解地理問(wèn)題的計(jì)算，它是以向量或并行處理器為基礎(chǔ)的超級(jí)計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)整體的、大容量的資料所表現(xiàn)的地理問(wèn)題實(shí)施高性能計(jì)算，探索構(gòu)筑新的地理學(xué)理論和應(yīng)用模型?！　‘?dāng)前地理計(jì)算的研究包括很多部分，其中比較重要的包括：高性能計(jì)算、人工智能以及其更抽象的表達(dá)——計(jì)算智能、處理大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)的全球GIs。當(dāng)然，這些不是唯一，還包括許多傳統(tǒng)的內(nèi)容，如統(tǒng)計(jì)技術(shù)、數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)地理模擬等。地理計(jì)算的研究?jī)?nèi)容歸納為5個(gè)方面：①理論發(fā)展；②經(jīng)驗(yàn)分析；③建模和模擬；④社會(huì)方面；⑤自動(dòng)分析和建模功能?！　〉乩碛?jì)算是交叉學(xué)科，其相關(guān)學(xué)科包括統(tǒng)計(jì)學(xué)、模式識(shí)別、人工智能、神經(jīng)計(jì)算以及GIS等，本書將簡(jiǎn)述有關(guān)學(xué)科的內(nèi)容及其與地理計(jì)算的結(jié)合?！　〉乩韺W(xué)的許多研究方法，無(wú)論是定性的或是定量的，在高性能計(jì)算的時(shí)代，都將成為可能。地理計(jì)算的概念、方法、模型對(duì)一部分地理學(xué)家來(lái)說(shuō)，可能都還比較陌生，但正如GIS在經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間的地學(xué)領(lǐng)域研究和實(shí)踐后才為廣大地學(xué)工作者所接受的那樣，地理計(jì)算也將會(huì)為地理學(xué)家們所接受而成為地理科學(xué)殿堂中的重要一員?？梢钥隙ǖ卣f(shuō)，地理計(jì)算的原理、方法、模型、算法的不斷完善，高性能計(jì)算設(shè)備的發(fā)展和普及，地理學(xué)家們的廣泛參與，終將把地理科學(xué)推向一個(gè)全新的水平。

內(nèi)容概要

地理計(jì)算屬當(dāng)前GIS和地理學(xué)研究的前沿問(wèn)題?！兜乩碛?jì)算原理與方法》主要內(nèi)容：一是緊扣地理計(jì)算的地理性和計(jì)算性，比較詳細(xì)地介紹了地理計(jì)算的內(nèi)涵、特征和應(yīng)用前景；二是介紹了高性能計(jì)算環(huán)境下各種計(jì)算技術(shù)在地理空間分析和地理計(jì)算中的應(yīng)用；三是以某些新的技術(shù)與方法為例（如元胞自動(dòng)機(jī)，分形分維）介紹了其在地理計(jì)算中的具體應(yīng)用；四是分析和討論了地圖可視化、虛擬地理環(huán)境等可視化技術(shù)給地理計(jì)算注入的活力及帶來(lái)的問(wèn)題?！　　兜乩碛?jì)算原理與方法》適合于地理學(xué)、GIS及相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生做參考教材，也可為從事相關(guān)工作的科技人員和管理人員提供業(yè)務(wù)參考。

書籍目錄

第1章 地理計(jì)算概述　1．1 地理學(xué)中的定量分析　　1．1．1 計(jì)量地理學(xué)的發(fā)展　　1．1．2 地理學(xué)的定量分析　　1．1．3 計(jì)量地理和地理計(jì)算的關(guān)系　1．2 地理計(jì)算的基本概念　　1．2．1 地理計(jì)算的起源　　1．2．2 地理計(jì)算的特點(diǎn)　　1．2．3 地理計(jì)算的概念　　1．2．4 地理計(jì)算的研究和發(fā)展　1．3 地理計(jì)算中的主要方法　1．4 地理計(jì)算與空間分析第2章 基本計(jì)算技術(shù)　2．1 高性能計(jì)算　2．2 并行計(jì)算　　2．2．1 什么是并行計(jì)算　　2．2．2 并行計(jì)算機(jī)的類型　　2．2．3 并行的方法和分解策略　　2．2．4 何時(shí)使用并行計(jì)算　　2．2．5 怎樣使用并行編程　　2．2．6 并行計(jì)算的體系結(jié)構(gòu)　　2．2．7 網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算系統(tǒng)　　2．2．8 并行算法和并行效率測(cè)評(píng)　　2．2．9 地理學(xué)中的超級(jí)計(jì)算　　2．2．10 并行可視計(jì)算　2．3 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算　　2．3．1 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的含義　　2．3．2 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)　　2．3．3 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的結(jié)構(gòu)模式　　2．3．4 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)　　2．3．5 網(wǎng)格計(jì)算　　　2．3．6 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算與GIS　2．4 網(wǎng)格計(jì)算　　2．4．1 元計(jì)算與網(wǎng)格計(jì)算　　2．4．2 網(wǎng)格的概念與意義　　2．4．3 網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)　　2．4．4 網(wǎng)格計(jì)算的特點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)　　2．4．5 著名的網(wǎng)格工程　　2．4．6 網(wǎng)格GIS第3章 地理空間數(shù)據(jù)　3．1 引言　3．2 地理空間數(shù)據(jù)的特征　　3．2．1 概述　　3．2．2 科學(xué)數(shù)據(jù)的特征　　3．2．3 地理空間數(shù)據(jù)的特征　3．3 地理空間數(shù)據(jù)的表達(dá)、組織與管理　　3．3．1 地理空間數(shù)據(jù)的表達(dá)　　3．3．2 地理空間數(shù)據(jù)的組織與管理第4章 元胞自動(dòng)機(jī)原理及其應(yīng)用　4．1 引言　4．2 元胞自動(dòng)機(jī)理論　　4．2．1 元胞自動(dòng)機(jī)概念　　4．2．2 元胞自動(dòng)機(jī)的提出與發(fā)展　　4．2．3 元胞自動(dòng)機(jī)的構(gòu)成　　4．2．4 幾種典型的元胞自動(dòng)機(jī)模型　　4．2．5 元胞自動(dòng)機(jī)的一般特征　　4．2．6 元胞自動(dòng)機(jī)的分類　　4．2．7 元胞自動(dòng)機(jī)的應(yīng)用　4．3 元胞自動(dòng)機(jī)與地理系統(tǒng)研究　　4．3．1 元胞自動(dòng)機(jī)用于地理系統(tǒng)研究的必然性　　4．3．2 元胞自動(dòng)機(jī)用于地理系統(tǒng)研究的可行性　4．4 元胞自動(dòng)機(jī)的擴(kuò)展　4．5 元胞自動(dòng)機(jī)在地理學(xué)中的應(yīng)用　　4．5．1 元胞自動(dòng)機(jī)在地理學(xué)中的應(yīng)用概述　　4．5．2 元胞自動(dòng)機(jī)模型在地理學(xué)中的幾種主要應(yīng)用模型　4．6 基于元胞自動(dòng)機(jī)的城市擴(kuò)張模擬　　4．6．1 基本原理　　4．6．2 基于元胞自動(dòng)機(jī)的實(shí)現(xiàn)　　4．6．3 實(shí)驗(yàn)　4．7 本章總結(jié)第5章 專家系統(tǒng)及其與GIS的結(jié)合　5．1 專家系統(tǒng)理論　　5．1．1 人工智能和專家系統(tǒng)　　5．1．2 專家系統(tǒng)的發(fā)展　　5．1．3 專家系統(tǒng)概述　　5．1．4 專家系統(tǒng)的基本組成和結(jié)構(gòu)　　5．1．5 專家系統(tǒng)的特征　　5．1．6 專家系統(tǒng)的分類　　5．1．7 專家系統(tǒng)中的知識(shí)表示和知識(shí)庫(kù)的組織　　5．1．8 推理方式和推理機(jī)工作機(jī)制　　5．1．9 產(chǎn)生式規(guī)則專家系統(tǒng)　　5．1．10 專家系統(tǒng)的開發(fā)　　5．1．11 專家系統(tǒng)的應(yīng)用　5．2 GIS與專家系統(tǒng)的結(jié)合　　5．2．1 GIS與專家系統(tǒng)(ES)的關(guān)系　　5．2．2 GIS與專家系統(tǒng)的結(jié)合　　5．2．3 地理專家系統(tǒng)概述　　5．2．4 地理專家系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展　5．3 GIS與專家系統(tǒng)一體化的發(fā)展趨勢(shì)第6章 遺傳算法及其應(yīng)用　6．1 遺傳算法的基本理論　　6．1．1 引言　　6．1．2 遺傳算法基本操作　　6．1．3 遺傳算法表示模式　　6．1．4 遺傳算法求解問(wèn)題的過(guò)程　6．2 遺傳算法在GIS領(lǐng)域中的應(yīng)用　　6．2．1 遺傳程序設(shè)計(jì)　　6．2．2 遺傳算法在GIS中的應(yīng)用　　　6．2．3 存在的問(wèn)題　6．3 本章小結(jié)第7章 分形方法及其應(yīng)用　7．1 引言　7．2 分形理論的歷史與現(xiàn)狀　7．3 分形理論的基本應(yīng)用　　7．3．1 影像處理　　7．3．2 地形模擬　　7．3．3 地圖制圖　　7．3．4 水系分析　　7．3．5 地震預(yù)報(bào)和其他應(yīng)用　7．4 分形及分形維數(shù)的定義　　7．4．1 分形　　7．4．2 分形維數(shù)　7．5 分形維數(shù)的基本計(jì)算方法　　7．5．1 改變觀察尺度法　　7．5．2 測(cè)度關(guān)系法　　7．5．3 分布函數(shù)法　　7．5．4 計(jì)盒法　　7．5．5 頻譜法　　7．5．6 變異元法　　7．5．7 幾種方法的比較　7．6 典型地貌的分形分析實(shí)驗(yàn)　　7．6．1 背景知識(shí)　　7．6．2 地貌的分形維數(shù)計(jì)算方法　　7．6．3 研究過(guò)程　　7．6．4 研究流程　　7．6．5 結(jié)果分析　7．7 本章小結(jié)第8章 動(dòng)態(tài)地圖可視化與3維可視化　8．1 引言　　8．1．1 科學(xué)可視化的興起與地學(xué)領(lǐng)域可視化發(fā)展　　8．1．2 可視化的相關(guān)概念　8．2 動(dòng)態(tài)地圖可視化　　8．2．1 地圖可視化　　8．2．2 動(dòng)態(tài)地圖可視化的出現(xiàn)與發(fā)展　　8．2．3 動(dòng)態(tài)地圖可視化的研究現(xiàn)狀　　8．2．4 地圖可視化的動(dòng)態(tài)使用過(guò)程　　8．2．5 動(dòng)態(tài)地圖可視化的實(shí)現(xiàn)　　8．2．6 人口變化動(dòng)態(tài)地圖　　8．2．7 地理可視化　　8．2．8 GIS可視化　　8．2．9 可視化相關(guān)技術(shù)　8．3 3維GIS可視化　　8．3．1 從2維GIS到3維GIS　　8．3．2 3維可視化相關(guān)技術(shù)　　8．3．3 3維GIS空間數(shù)據(jù)模型　　8．3．4 3維可視化實(shí)例分析　8．4 地學(xué)可視化的特征與研究框架　8．5 作為地理計(jì)算工具的可視化　　8．5．1 地理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)　　8．5．2 視覺(jué)屬性　　8．5．3 可視化的設(shè)計(jì)　　8．5．4 可視化在地球科學(xué)中的應(yīng)用　　8．5．5 視覺(jué)真實(shí)性　　8．5．6 動(dòng)畫和互感器的使用參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1.1.3計(jì)量地理和地理計(jì)算的關(guān)系　　數(shù)學(xué)方法是人們進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算和求解的工具，能以嚴(yán)密的邏輯和簡(jiǎn)潔的形式描述復(fù)雜的問(wèn)題、表述豐富的實(shí)質(zhì)性思想。但是在地理學(xué)研究中，數(shù)學(xué)方法有其局限性，現(xiàn)代地理學(xué)中數(shù)學(xué)方法的形成和發(fā)展與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)密切相關(guān)，地理學(xué)的定量分析與采用的數(shù)據(jù)和模型緊密相關(guān)。在計(jì)量地理的數(shù)據(jù)處理中要注意地理數(shù)據(jù)的篩選與質(zhì)量檢驗(yàn)，以及模型的選擇和建造中的變量等問(wèn)題?！　⊙芯恳恍?fù)雜的地理問(wèn)題，需要綜合應(yīng)用多種數(shù)學(xué)方法，建立一系列具有分析、模擬、仿真、預(yù)測(cè)、規(guī)劃、決策、調(diào)控等多種功能的眾多模型組成的模型系統(tǒng)。同時(shí)還需要海量的地理數(shù)據(jù)，這些都離不開GIS的支持。GIS的基本技術(shù)以及建造空間分析模型都需要借助有關(guān)的數(shù)學(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。近幾年來(lái)出現(xiàn)的基于知識(shí)的空間決策支持系統(tǒng)就是數(shù)學(xué)方法、人工智能與GIS技術(shù)在地理學(xué)應(yīng)用研究領(lǐng)域中相互結(jié)合的成功典范，而正是它們的結(jié)合促使了新學(xué)科——地理計(jì)算的發(fā)展。　　地理計(jì)算和計(jì)量地理的關(guān)系如何呢？其實(shí)關(guān)系很簡(jiǎn)單，地理計(jì)算的范圍要大一些，它包含計(jì)量地理的所有方法和工具，但它會(huì)逐漸地削減計(jì)量地理的弱點(diǎn)，重新表達(dá)計(jì)量地理來(lái)使之適應(yīng)21世紀(jì)的需求（Openshaw，1998）。地理計(jì)算為地理環(huán)境下的應(yīng)用科學(xué)提供了新的前景。另有一種觀點(diǎn)認(rèn)為地理計(jì)算和計(jì)量地理沒(méi)有太大的差別，僅是將自然和人文地理問(wèn)題中的計(jì)算方法應(yīng)用到地理科學(xué)中去?！　〉乩碛?jì)算關(guān)心新的計(jì)算技術(shù)、算法與范式，它們之間相互獨(dú)立，可以充分利用高性能計(jì)算（HPC）技術(shù)。地理計(jì)算主要包括4個(gè)邊緣技術(shù)。

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