淺析空間數(shù)據(jù)挖掘在戰(zhàn)場地理環(huán)境分析中應(yīng)用

2024年4月1日發(fā)(作者：剪紙魚)

淺析空間數(shù)據(jù)挖掘在戰(zhàn)場地理環(huán)境分析

中應(yīng)用

摘 要：戰(zhàn)場地理環(huán)境是軍事行動(dòng)的載體，制約和影響著軍事行動(dòng)的全過

程，直接影響著部隊(duì)行動(dòng)、武器裝備性能發(fā)揮、以及戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)的運(yùn)用，是指揮員

決策的基本依據(jù)。在戰(zhàn)場地理環(huán)境分析中運(yùn)用空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將加快地理環(huán)

境大數(shù)據(jù)建設(shè)，充分釋放大數(shù)據(jù)支撐效能，為軍事指揮決策和計(jì)劃提供規(guī)則和知

識(shí)輔助。通過本文的研究，擴(kuò)展了現(xiàn)有軍事地理信息系統(tǒng)的知識(shí)發(fā)現(xiàn)功能，為戰(zhàn)

場環(huán)境空間分析智能化提供新的思路，對(duì)指揮自動(dòng)化建設(shè)具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)挖掘；空間數(shù)據(jù)挖掘；分布式存儲(chǔ)

空間數(shù)據(jù)挖掘是數(shù)據(jù)挖掘在處理空間數(shù)據(jù)方面的分支，是指利用統(tǒng)計(jì)學(xué)、人

工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、模糊數(shù)學(xué)、模式識(shí)別和專家系統(tǒng)等理論、方法和技術(shù)，從空

間數(shù)據(jù)庫中抽取人們想要獲取但沒有清除表現(xiàn)出來的能反映客觀世界的本職的隱

含知識(shí)。隨著GIS、電子地圖、數(shù)字城市等技術(shù)快速發(fā)展，部隊(duì)部署了基于影像

地圖指揮信息系統(tǒng)、數(shù)字戰(zhàn)場、作戰(zhàn)環(huán)境與目標(biāo)采集管理系統(tǒng)，空間數(shù)據(jù)呈指數(shù)

增長，空間數(shù)據(jù)挖掘需求愈加強(qiáng)烈，這要求我們加快空間數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用開發(fā)，析

取出可信的、隱藏的、潛在有用的知識(shí)，揭示蘊(yùn)含在空間數(shù)據(jù)背后客觀世界的本

質(zhì)規(guī)律、內(nèi)在聯(lián)系和發(fā)展趨勢，輔助指揮員對(duì)戰(zhàn)場態(tài)勢進(jìn)行分析研判，確定下一

步軍事行動(dòng)方向。

1 戰(zhàn)場地理環(huán)境

1.1 戰(zhàn)場地理環(huán)境構(gòu)成

戰(zhàn)場地理環(huán)境由地域空間、地理實(shí)體、軍事實(shí)體三個(gè)基本部分組成。其中地

域空間是環(huán)境的載體，由時(shí)空軍事地理因素構(gòu)成，主要標(biāo)志環(huán)境的空間屬性，如

環(huán)境的地理位置、地域形狀、空間范圍等。地理實(shí)體是環(huán)境的物質(zhì)實(shí)體，由自然

和社會(huì)軍事地理因素構(gòu)成，標(biāo)志環(huán)境的物質(zhì)屬性，即環(huán)境的自然和社會(huì)條件的構(gòu)

成與特征。軍事實(shí)體則是環(huán)境的軍事因素，由陣地、兵力、武器、軍事要地等構(gòu)

成，標(biāo)志環(huán)境的軍事狀況和軍事問題。因此，戰(zhàn)場地理環(huán)境由時(shí)空環(huán)境、地理環(huán)

境和軍事環(huán)境組成。

1.1.1 時(shí)空環(huán)境

戰(zhàn)場時(shí)空環(huán)境包括戰(zhàn)場的時(shí)間要素和空間要素。他們是戰(zhàn)場中的一切物質(zhì)性

要素的空間載體，同時(shí)又被用于表達(dá)一切戰(zhàn)場要素的時(shí)間信息和空間信息。時(shí)間

信息主要采用“年、月、日、事、分、秒”等時(shí)間單位表示；空間信息主要采用

空間坐標(biāo)表示，如地理坐標(biāo)、大地坐標(biāo)等。

1.1.2 地理環(huán)境

戰(zhàn)場地理環(huán)境主要由戰(zhàn)場的自然要素、人文要素和經(jīng)濟(jì)要素等組成，分別表

示戰(zhàn)場的自然信息、人文信息和經(jīng)濟(jì)信息。自然要素包括戰(zhàn)場的地形、水系、植

被、土壤、氣象氣候等信息。人文要素包括戰(zhàn)場的政區(qū)、城市、人口、交通等。

經(jīng)濟(jì)要素包括戰(zhàn)場的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等。

1.1.3 軍事環(huán)境

戰(zhàn)場軍事環(huán)境通常由兩類要素組成，一類是永久性要素，如軍事設(shè)施、國防

工程等，與具體軍事行動(dòng)無關(guān)。另一類是時(shí)限性要素，如兵力部署、火力配置等，

與具體軍事行動(dòng)相關(guān)，且隨著軍事行動(dòng)進(jìn)程而改變。

1.2 戰(zhàn)場地理環(huán)境主要特性

1.2.1 通達(dá)性。地理環(huán)境因素的特征、分布是制約通達(dá)性的基礎(chǔ)。從地貌要

素看，山地的地面通達(dá)性最差，平原的通達(dá)性最好。從人文經(jīng)濟(jì)因素看，交通網(wǎng)

狀況是制約地面通達(dá)性及通達(dá)能力的基礎(chǔ)，城鎮(zhèn)、水利設(shè)施、梯田等對(duì)地面通達(dá)

性具有一定限制。

1.2.2 機(jī)動(dòng)性。戰(zhàn)場環(huán)境中對(duì)機(jī)動(dòng)性起控制作用的是交通系統(tǒng)，但較小范圍

內(nèi)的地面機(jī)動(dòng)性受地域結(jié)構(gòu)特征及越野通行能力的限制。戰(zhàn)場的交通網(wǎng)系統(tǒng)包括

公路、鐵路、航空、水路。

1.2.3 隱蔽性。隱蔽性是戰(zhàn)場環(huán)境對(duì)軍事行動(dòng)的隱蔽程度，是隱藏我方、麻

痹敵方、達(dá)成突然性的基礎(chǔ)，對(duì)軍事行動(dòng)的成功具有重要決定作用。影響隱蔽性

的因素包括地理景觀、地形和植被覆蓋等。

1.2.4 戰(zhàn)場容量。戰(zhàn)場容量是戰(zhàn)場環(huán)境分析的重要內(nèi)容，影響投入兵力數(shù)、

戰(zhàn)術(shù)隊(duì)形和武器裝備選擇。戰(zhàn)場容量計(jì)算主要取決于地形條件，還受水文、氣象

氣候、植被、土壤和人文經(jīng)濟(jì)條件等其他因素影響。

2 空間數(shù)據(jù)挖掘在戰(zhàn)場地理環(huán)境分析中應(yīng)用

空間分析是基于地理對(duì)象的位置形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析、建模的理論和方

法，包括綜合屬性數(shù)據(jù)分析、密度分析、距離分析、網(wǎng)絡(luò)分析、地形分析等，其

目的是利用各種空間分析模型及空間操作對(duì)GIS地理數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行深

加工，提取和發(fā)現(xiàn)隱含的空間信息或規(guī)律，從而產(chǎn)生新的知識(shí)，或獲取目標(biāo)之間

的最短路徑、最優(yōu)路徑等潛在價(jià)值。空間分析是空間數(shù)據(jù)挖掘的基本方法之一，

是空間數(shù)據(jù)的空間特征與非空間特征的聯(lián)合分析，亦即拓?fù)渑c屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)合分

析

[1]

。

2.1 地形知識(shí)挖掘

在數(shù)字地圖上，地形主要以Dem數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)為主進(jìn)行表示存儲(chǔ)。地形知

識(shí)挖掘中，主要采用趨勢面分析、拓?fù)潢P(guān)系分析、空間相對(duì)位置分析等方法，對(duì)

等高線之間的高程差、距離、面積、疏密度進(jìn)行計(jì)算分析，將相關(guān)的等高線和制

高點(diǎn)組織起來，從而得出地形上的山頭、山脈、山脊線與制高點(diǎn)等的分布情況。

2.2 水系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)挖掘

水系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的知識(shí)包括點(diǎn)、線、面等要素，還包含水深度、河流寬度、湖

泊面積、水域通行性等屬性。水系網(wǎng)絡(luò)挖掘主要采用距離、網(wǎng)絡(luò)、柵格數(shù)據(jù)分析

等方法。連通的水系可以由一些呈面狀的水域和一些呈線狀的水域相連而成。可

通行性的分析不僅要結(jié)合水深、水域?qū)挾鹊淖兓?guī)律來分析，而且還與天候、季

節(jié)相關(guān)。

2.3 交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)挖掘

交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有多層次的結(jié)構(gòu)，包括鐵路交通網(wǎng)絡(luò)以及從高速公路到鄉(xiāng)村

土路的道路交通網(wǎng)絡(luò)。其中還包括路況、寬度以及其它與可通行性相關(guān)的諸多屬

性。交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的知識(shí)挖掘最常用的是方法是網(wǎng)絡(luò)分析、拓?fù)浞治觥⒕嚯x分析

等方法，要分析交通網(wǎng)絡(luò)狀況的動(dòng)態(tài)變化還要用到預(yù)測分析方法，必要時(shí)還可采

用綜合屬性數(shù)據(jù)分析方法等。

3 戰(zhàn)場地理環(huán)境中的空間數(shù)據(jù)處理難點(diǎn)探析

以數(shù)字地圖、地理影像和目標(biāo)地理坐標(biāo)為主要表現(xiàn)形式的戰(zhàn)場地理空間信息，

是實(shí)現(xiàn)超視距精確打擊和提高戰(zhàn)場可視化能力的基礎(chǔ)，為戰(zhàn)場可視化和戰(zhàn)場態(tài)勢

感知提供了關(guān)鍵的框架，是建設(shè)透明戰(zhàn)場必須重點(diǎn)考慮的要素之一。隨著各種類

型地圖數(shù)據(jù)庫的建成和制圖自動(dòng)化的日趨完善，軍事地理信息系統(tǒng)正由管理型向

分析型和輔助決策型發(fā)展，戰(zhàn)場環(huán)境分析成為軍事地理信息系統(tǒng)的一個(gè)重要的組

成部分和發(fā)展方向，它是基于戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)字化和戰(zhàn)場環(huán)境可視化，為指揮員提供

用于數(shù)字戰(zhàn)場的量算、查詢、分析以及輔助決策等工具的基礎(chǔ)研究。空間數(shù)據(jù)處

理過程可分為：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)選擇、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)變換、確定目標(biāo)、確定

算法、數(shù)據(jù)挖掘、模式解釋和知識(shí)評(píng)價(jià)。

3.1 空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理

地理信息數(shù)據(jù)類型不僅包括各類圖形、數(shù)據(jù)庫等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還包括文檔、

表格、像片、視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。面對(duì)海量的多源異構(gòu)地理信息數(shù)據(jù)，可以采

用Hadoop分布式大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)和管理，首先，利用HDFS

構(gòu)建數(shù)據(jù)管理集群，數(shù)據(jù)管理集群節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)量規(guī)模和近期需求

狀況進(jìn)行配置，集群中所有節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算。其次，利用

Hba數(shù)據(jù)工廠對(duì)大量半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

到Hadoop的數(shù)據(jù)庫中。再次，布設(shè)Hive數(shù)據(jù)倉庫，對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行管理入庫。

通過Hive、Hba的聯(lián)合使用，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化兩類地理信息數(shù)據(jù)的集群

式存儲(chǔ)與管理。最后利用MapReduce進(jìn)行分布式計(jì)算，通過Hadoop集群中的并

行計(jì)算來實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的同步處理，由此形成一個(gè)基于Hadoop框架，包括文件

系統(tǒng)（HDFS）、數(shù)據(jù)庫（Hive、Hba）、數(shù)據(jù)處理（MapReduce）等功能的完整

性的地理信息檔案大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)

[2]

。

圖1 Hadoop 架構(gòu)和HDFS的存儲(chǔ)管理

分布式文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理模式具備明顯優(yōu)勢，硬件方面，系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)

集群規(guī)模可大可小，系統(tǒng)兼容性和可擴(kuò)展性強(qiáng)，能滿足動(dòng)態(tài)使用需求，使已有資

源得到充分利用。數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用方面，利用數(shù)據(jù)切塊處理技術(shù)可支持大規(guī)模文

件的存儲(chǔ)并易于備份，通過名稱節(jié)點(diǎn)提供元數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速查找和使用。

系統(tǒng)冗余副本機(jī)制，能在確保數(shù)據(jù)安全性的同時(shí)具備高容錯(cuò)性，在高并發(fā)訪問數(shù)

據(jù)時(shí)可加快數(shù)據(jù)傳輸速度，便于檢查數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，提升數(shù)據(jù)可靠性。

3.2 空間數(shù)據(jù)挖掘算法

空間數(shù)據(jù)挖掘中主要有空間距離、空間方位、空間拓?fù)淙惪臻g概念。

空間距離：距離常指幾何學(xué)的歐氏距離，用來描述空間兩個(gè)物體之間的遠(yuǎn)近

關(guān)系。歐氏距離是兩點(diǎn)間的直線最短距離，在空間數(shù)據(jù)挖掘中可以用它來計(jì)算：

點(diǎn)點(diǎn)距離、點(diǎn)線距離、點(diǎn)面距離、線線距離、線面距離和面面距離。

空間方位：在分析目標(biāo)之間的方位時(shí)，我們一般預(yù)定義一個(gè)坐標(biāo)軸，再做垂

直于坐標(biāo)軸的直線，用此直線來表示兩個(gè)對(duì)象間的方位關(guān)系。當(dāng)分析的對(duì)象是某

個(gè)平面時(shí)就用平面的重心來代替面，再求出兩重心之間的方位關(guān)系，用此來代表

兩平面間方位關(guān)系。

空間拓?fù)洌翰豢紤]距離和方位，把點(diǎn)、線、面看成拓?fù)湓兀藐P(guān)聯(lián)和鄰接

來描述點(diǎn)線面之間的關(guān)系。關(guān)聯(lián)是不同拓?fù)湓刂g的關(guān)系，存在于點(diǎn)與線、線

與面、點(diǎn)與面之間，相同拓?fù)湓氐年P(guān)系常用鄰接表示；也用包含、幾何、層次

關(guān)系描述兩個(gè)拓?fù)湓刂g的關(guān)系，包含關(guān)系指面與其他拓?fù)湓刂g的關(guān)系；

兩元素間距離在某個(gè)約束范圍內(nèi)稱他們之間有幾何關(guān)系；同類元素之間的等級(jí)高

低用層次表示

[3]

。

3.3 空間數(shù)據(jù)挖掘模型

原型法是在系統(tǒng)開發(fā)初期，對(duì)用戶需求初步調(diào)查的基礎(chǔ)上，以快速的方法先

構(gòu)造一個(gè)可以工作的系統(tǒng)原型。將這個(gè)原型提供給用戶使用，聽取用戶的意見，

然后修正原型，補(bǔ)充新的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用模型，形成新的原型。經(jīng)過迭代

可以達(dá)到用戶與開發(fā)者之間的完全溝通。武警部隊(duì)擔(dān)負(fù)處突、反恐、搶險(xiǎn)救援等

任務(wù)，作戰(zhàn)環(huán)境主要以城市為主，環(huán)境復(fù)雜多變，應(yīng)用模型是一個(gè)辨證的發(fā)展過

程，分析應(yīng)采用原型法,按照以下步驟：

3.3.1 明確軍事需求

戰(zhàn)場環(huán)境分析前要明確軍事需求，比如，制高點(diǎn)、視射界、交通和地幅等。

3.3.2 由軍事需求構(gòu)成目標(biāo)樹

明確軍事需求后，分析體現(xiàn)軍事需求的環(huán)境特性，構(gòu)成多級(jí)目標(biāo)樹。以處置

大規(guī)模群體性事件為例，交通便利、便于支援，體現(xiàn)為戰(zhàn)場地形的容量性；交通

便利、便于支持，體現(xiàn)為戰(zhàn)場地形的通行證。

3.3.3 建立量化數(shù)學(xué)模型

依目標(biāo)樹最低層的各項(xiàng)性質(zhì)，分別用經(jīng)典數(shù)學(xué)、概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)、

數(shù)值逼近、網(wǎng)絡(luò)分析以及圖論、分形等數(shù)學(xué)方法，建立相應(yīng)的量化模型。

3.3.4 綜合分析與評(píng)估

分析評(píng)估時(shí)要注意戰(zhàn)場環(huán)境的綜合性，環(huán)境要素不僅對(duì)軍事行動(dòng)產(chǎn)生影響，

各要素之間也互相影響。

3.3.5 定量分析結(jié)果直觀化

計(jì)算機(jī)分析的結(jié)果是定量的數(shù)據(jù)，必須將定量的數(shù)據(jù)直觀化，最好能轉(zhuǎn)換為

專題圖和報(bào)表。它影響到軍事人員對(duì)分析結(jié)果的認(rèn)識(shí)和理解程度。

3.3.6 分析模型的修正

戰(zhàn)場環(huán)境分析是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及的要素繁多，各要素又互相影響，因

此，必須不斷的對(duì)分析模型進(jìn)行修正，使其逐步近于客觀實(shí)際。

參考文獻(xiàn)

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