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第七章 数学空间的几何对象
§ 距离空间(气宇空间)
距离在描述空间位置之间的关系时是一个十分重要的概念。事实上GIS中距离的种类有多种,与之对应的抽象数学理论是本节的要紧内容。
概念 设X为任一非空集合,d: X×X→R为一函数,使得关于X的任何点x,y,z知足以下性质:
M1:d(x, y)≥0
M2:d(x, y)=0 (x=y)
M3:d(x, y)=d(y, x)
M4:d(x, y)≤d(x, z)+ d(z, y)
那么(X, d)称为以d为距离的距离空间。假设x, y∈X,那么实数d(x, y)称为从点x到点y的距离。上面的性质中,M3称为对称性,M4称为三角不等式。
例: 关于可数无穷维实数空间R, 概念距离函数d: 对空间中的任意两点p(x1, x2, …)和q(y1, y2, …), d(p, q)=, 那个地址和均收敛。
能够证明d(p, q)必然收敛,(R,d)知足距离空间概念。(R,d)称为希尔伯特(Hilbert)空间。
此刻咱们考察几种GIS中经常使用的距离及其与距离空间的关系。
最短线距离:沿地球球面从一个城市到另一个城市的最短距离。
球面曼哈顿距离:地球上两城市经度差与纬度差之和。
旅行时刻:城市间旅行(假定沿公线路旅行)所需的最短时刻。
考察上述距离概念,M1和M2显然为这三种距离所概念。最短线距离和曼哈顿距离亦知足距离空间的对称性。但旅行时刻那么不必然。假设考虑路面状况、地理特性(坡度等)、交通规那么(单行线)等,那么对称性不能知足。
acb慢速
a
c
b
慢速
高速
高速
图7-1-1 旅行时刻与三角不等式
由上面的讨论,咱们明白球面上的城市集合与最短线距离,和曼哈顿距离均组成距离空间,而与旅行时刻那么不能组成距离空间。这说明传统的距离空间(亦称气宇空间)不能完全适应GIS的需要。专门需要说明的是,旅行时刻这种的距离在GIS应用中有很重要的意义。例如,图7-1-2所示是地震后的救灾问题。救灾中心M需要在最短时刻内赶往灾区A、B、C、D、E,现在通常意义下的距离已不重要,对称性、三角不等式难以知足,时刻是最重要的。
A ● C ●
╋ 急救中心
M
D ●
B ● E ●
图7-1-2 灾区与急救中心的位置
§ 欧氏空间
概念 设d为概念在集合Rn上的距离函数,d: Rn→R,关于Rn中的任意元素x, y,x=(x1, x2, …, xn), y=(y1, y2, …, yn), 有d(x, y)=, 那么En=(Rn, d) 称为n维欧氏空间,Rn的每一个元素称为空间En的点,d称为Rn上的欧氏距离。当n=2时,E2 称为欧氏平面。
欧氏空间是GIS中经常使用的一个重要数学空间,许多地理信息模型以欧氏空间为基础。下面讨论欧氏平面E2中的点、线、面的概念。
点:欧氏平面的点由一实数对(x, y)唯一确信,x, y 别离为其横坐标和纵坐标值。
通常也能够用矢量表示欧氏平面的点(x, y), 即用从坐标原点到(x, y)的有方向的线段表示点(x, y), 所有这些点的集合称为笛卡尔平面,记为R2。在笛卡尔平面中,许诺以下对点的运算。
相加:(x1, y1)+(x2, y2) = (x1+x2, y1+y2)
相减:(x1, y1)-(x2, y2) = (x1-x2, y1-y2)
乘常数:k(x, y) = (kx, ky)
求模:给定矢量a = (a1, a2), 其模为=
矢量间的距离:给定点a = (a1, a2), b = (b1, b2), 从a到b的距离概念为 = ,即=
矢量间的夹角:矢量a与b的夹角由以下三角几何方程给定:
cos= (a1b1+ a2b2) / (·)
矢量和的夹角:如图7-2-1所示,在[0,360)范围内的值由以下三角几何方程唯一确信。
线:给定R2中两个不同点a和b,由a、b确信的线概念为点集。
线段:给定R2中的两个不同点a和b,由a和b确信的线段概念为点集。
X射线:给定R2中的两个不同点a和b,由b动身经a的射线概念为点集。
X
b
b
|ab|
|ab|
β
a
a
Y α
Y
图7-2-1 笛卡尔平面的矢量和
0a
0
a
(
(
b
b
λ
λ1
图7-2-2 线实体
图7-2-2给出了上述概念的直观图示。由线的概念,咱们能够取得多边形的概念。
多线段(Polyline):R2上的多线段概念为线段(称为边)的有限集合,使得集合中边的端点除两个端点外(称为极点)任一端点恰好为两条边的端点。假设任意两条边均不相交于端点外的任何地址,这种多线段称为简单多线段。假设多线段中没有极
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