一种知识地图映射生成方法与流程

本发明属于教育信息化技术领域，更具体地，涉及一种知识地图映射生成方法。

背景技术：
随着教育认知理论的进步和教育信息化技术的发展，知识地图日益受到人们的关注，随着互联网+的发展，迫切地需要一个自主的基于知识地图的知识组织平台，而知识地图的生成方法与展示效果则是知识地图的基础与核心。目前，我国对知识地图的研究与应用还处于初级阶段，很多技术都只是简单地吸收国外现有的知识导图等表达与展现方法。进行教育资源组织与深层次应用时发现，图形展示层次感不清楚，资源聚合略显杂乱，使用节点与边进行知识表达时，过多地关注于知识之间的关联关系，而忽略知识的层次性、知识内在的知识量以及个性特征。知识地图的映射生成方法一定程度上针对所研究知识类型的特征，简化一般知识间各类型的关系，建立起层次性、关联性、类型性以及知识量属性的表达，建立映射到类世界地图的二维平面，实现从知识空间到地图认知空间的映射转换，形象地降低认知门槛，建立类似地图展示平台的资源组织框架。

技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种知识地图映射生成方法，针对所研究知识类型的特征，简化一般知识间各类型的关系，建立起层次性、关联性、类型性以及知识量属性的表达，建立类似二维世界地图的类似表达，实现知识空间与地图空间的映射，为知识的表达提供新的形象方法。为实现上述目的，本发明提供了一种知识地图映射生成方法，其特征在于，包括：(1)以知识的层次关系和关联关系属性为输入参数，通过空间层次剖分与曲线填充计算，得到知识映射到二维平面地图的坐标；进一步包括如下步骤：(1-1)统计层次关系的总层数L，其中，第i层的知识单元集合为Xi，i＝1,2,…,L，Xi＝{KDDj|j＝1,2,…,Ni}，KDDj为第i层的第j个知识单元，Ni为第i层中知识单元的个数；(1-2)定义知识单元的平面坐标为与层次关系值h和关联关系值r相关的函数；(1-3)遍历所有层，计算得到各层的子分格网参数；其中，第i层的子分格网参数(1-4)根据各层的子分格网参数，对各层对应的平面区域进行格网空间划分，并建立填充曲线，计算填充曲线的长度；(1-5)计算各层中所有知识单元的关联关系值之和，进而计算其与该层对应的平面区域的填充曲线长度之比；(1-6)计算各层中每个知识单元在该层对应的平面区域的填充曲线上的位置，进而由曲线分割算法反推得到每个知识单元的平面坐标；(2)以知识类型属性为输入参数，利用图元参数定义与分形计算，生成知识单元映射到二维平面的几何图形形状；(3)以知识的信息量为输入参数，计算信息量与二维地图区域投影面积比，通过面积比计算知识单元映射到二维地图区域的外包围盒大小，利用最大外接矩形算法控制知识单元的图形大小；(4)以知识属性及用户偏好为输入参数，优化地图图形形状与图形着色，生成比例适度的知识地图。优选地，所述步骤(1-4)中，第i层对应的平面区域的填充曲线长度Leni通过如下方法计算得到：(A1)将第i层对应的平面区域划分为个格网；(A2)将第s行第t列的格网标记为(s,t)，以2×2格网为单元，选取(s,t)、(s,t+1)、(s+1,t+1)和(s+1,t)四个格网，依次将这四个格网的中心点连接成线；(A3)依次将(s+2,t)、(s+2,t+1)、(s+3,t+1)和(s+3,t)四个格网的中心点连接成线；(A4)将(s+1,t+1)和(s+2,t)的中心点连接成线；(A5)依次将(s,t+2)、(s,t+3)、(s+1,t+3)和(s+1,t+2)四个格网的中心点连接成线；(A6)将(s+1,t+1)和(s,t+2)的中心点连接成线；(A7)依次将(s+2,t)、(s+2,t+1)、(s+3,t+1)和(s+3,t)四个格网的中心点连接成线；(A8)将(s+1,t+3)和(s+2,t)的中心点连接成线；(A9)计算步骤(A2)～(A8)得到的连线总长度，得到第i层对应的平面区域的填充曲线长度Leni。优选地，所述步骤(1-6)进一步包括如下步骤：(1-6-1)根据知识单元的关联关系值r，从其所在层对应的平面区域的填充曲线头开始遍历，得到到起点路程为r的点P；(1-6-2)计算知识单元所在层的格网长dx和格网宽dy；(1-6-3)计算不小于的最小正整数Li，根据Li计算P所在格网的行列号；(1-6-4)计算P所在格网的中间点坐标(x0,y0)；(1-6-5)计算P点坐标。优选地，所述步骤(1-6-3)进一步包括如下步骤：(1-6-3-1)根据填充曲线规则，计算P所在2×2格网单元的行号(1-6-3-2)计算从起点到P的填充曲线在2×2格网单元中的长度Δl＝Li(dx+dy)-r；(1-6-3-3)在时，判断P在2×2格网单元的左下格网内；在时，判断P在2×2格网单元的左上格网内；在时，判断P在2×2格网单元的右上格网内；在时，判断P在2×2格网单元的右下格网内；(1-6-3-4)根据P所在格网在2×2格网单元中的位置，计算P所在格网的行号sx和列号tx。优选地，所述步骤(1-6-5)具体为：P在2×2格网单元的左下格网内时，计算得到P点坐标为P在2×2格网单元的左上格网内时，在Δl＜dx时，计算得到P点坐标为(x0+Δl-dx,y0)，在Δl＞dx时，计算得到P点坐标为(x0,y0+Δl-dx)；P在2×2格网单元的右上格网内时，在Δl＜dx+dy时，计算得到P点坐标为(x0,y0+Δl-dx-dy)，在Δl＞dx+dy时，计算得到P点坐标为P在2×2格网单元的右下格网内时，在Δl＜2dx+dy时，计算得到P点坐标为(x0+Δl-2dx+dy,y0)，在Δl＞2dx+dy时，计算得到P点坐标为(x0,y0+Δl-2dx-dy)。优选地，所述步骤(2)进一步包括如下步骤：(2-1)定义知识单元映射到二维平面的几何图形形状为与知识类型属性T相关的函数；(2-2)分析知识类型属性T，定义基本类型分量base(T)，其中，base(T)取不同的值对应不同的基本几何图形；(2-3)分析知识类型属性T，定义子类型分量factal(T)，其中，factal(T)取不同的值对应不同的基本几何图形；(2-4)定义v＝factal(T)，对基本几何图形的每条边以Koch曲线分形计算方法进行v次分形细化，得到新图形。优选地，所述步骤(2-4)进一步包括如下步骤：(2-4-1)设置循环次数k＝0；(2-4-2)将基本几何图形一条边的两个端点标记为P1和P5；(2-4-3)以P1为起点，将线段P1P5三分之一处标记为P2，线段P1P5三分之二处标记为P4；(2-4-4)以P2为轴心，将P4逆时针旋转60°，得到P3点；(2-4-5)计算P1、P2、P3、P4和P5点坐标，生成线段P1P2，P2P3，P3P4，P4P5，完成单条边的分形计算；(2-4-6)根据步骤(2-4-2)至(2-4-5)，遍历完成基本几何图形所有边的分形计算，得到新的几何图形；(2-4-7)令循环次数k＝k+1，判断k<v是否成立，是则将新的几何图形作为基本几何图形，返回步骤(2-4-2)继续分形计算，否则完成分形，得到新的多边形。优选地，所述步骤(3)进一步包括如下步骤：(3-1)统计总的知识信息量为其中，N为知识单元数量，E为每一个知识单元的信息量，根据生成区域的规划，计算知识单元的面积为σ，进而计算得到单位信息量所占的面积(3-2)根据每一个知识单元的信息量E，计算每个知识单元所占面积为S＝ρ*E；(3-3)根据每个知识单元所占面积S，结合基本几何图形形状(如正三角形、正四边形、正五边形或正六边形)计算其外接矩形的大小；(3-4)根据基本几何图形形状及其外接矩形的大小，计算基本几何图形的边长；(3-5)以基本几何图形的位置坐标为中心点，根据基本几何图形形状及大小，生成几何图形。优选地，所述步骤(3-4)中，在基本几何图形为正三角形时，计算得到正三角形的边长在基本几何图形为正四边形时，计算得到正四边形的边长在基本几何图形为正五边形时，计算得到正五边形的边长在基本几何图形为正六边形时，计算得到正六边形的边长优选地，所述步骤(4)进一步包括如下步骤：(4-1)根据知识域知识量大小和二维地图的范围，确定生成地图的比例；(4-2)在存在知识属性文件或用户偏好设置时，读取相关参数，据此设置每一个知识单元的颜色；在不存在知识属性文件和用户偏好设置时，利用三色原理对每一个知识单元着色；(4-3)根据地图比例，对细分层次超过三层的图元进行随机圆滑处理；(4-4)生成知识地图，并用标准格式保存为地图文件。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)建立从知识空间到传统地图认知空间的映射方法，使用形状的地图认知，降低知识空间的认知难度。(2)建立知识多元素集合，并通过集合中各元素分量来控制最终图形的生成，属于创新性方法。(3)首先提出建立知识地图的平台化表达，建立新的基于空间位置的资源组织方式。附图说明图1是本发明实施例的知识地图映射生成方法流程图；图2是使用层次与关联属性计算空间填充线及曲线长度计算流程；图3是格网分解编号及空间填充曲线生成方法流程；图4是空间填充曲线计算空间坐标流程；图5是知识类型生成图形分形算法流程；图6是单条边分形计算的示例方法；图7通过知识信息量计算图形大小的流程；图8通过用户偏好进行图形配色的流程。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，本发明实施例的知识地图映射生成方法包括如下步骤：(1)以知识的层次关系和关联关系属性为输入参数，通过空间层次剖分与曲线填充计算，得到知识映射到二维平面地图的坐标；如图2所示，进一步包括如下步骤：(1-1)统计层次关系的总层数L，其中，第i层的知识单元集合为Xi，i＝1,2,…,L，Xi＝{KDDj|j＝1,2,…,Ni}，KDDj为第i层的第j个知识单元，Ni为第i层中知识单元的个数；(1-2)定义知识单元的平面坐标为与层次关系值h和关联关系值r相关的函数；(1-3)遍历所有层，计算得到各层的子分格网参数；其中，第i层的子分格网参数(1-4)根据各层的子分格网参数，对各层对应的平面区域进行格网空间划分，并建立填充曲线，计算填充曲线的长度；如图3所示，第i层对应的平面区域的填充曲线长度Leni通过如下方法计算得到：(A1)将第i层对应的平面区域划分为个格网；(A2)将第s行第t列的格网标记为(s,t)，以2×2格网为单元，选取(s,t)、(s,t+1)、(s+1,t+1)和(s+1,t)四个格网，依次将这四个格网的中心点连接成线；(A3)依次将(s+2,t)、(s+2,t+1)、(s+3,t+1)和(s+3,t)四个格网的中心点连接成线；(A4)将(s+1,t+1)和(s+2,t)的中心点连接成线；(A5)依次将(s,t+2)、(s,t+3)、(s+1,t+3)和(s+1,t+2)四个格网的中心点连接成线；(A6)将(s+1,t+1)和(s,t+2)的中心点连接成线；(A7)依次将(s+2,t)、(s+2,t+1)、(s+3,t+1)和(s+3,t)四个格网的中心点连接成线；(A8)将(s+1,t+3)和(s+2,t)的中心点连接成线；(A9)计算步骤(A2)～(A8)得到的连线总长度，得到第i层对应的平面区域的填充曲线长度Leni。(1-5)计算各层中所有知识单元的关联关系值之和，进而计算其与该层对应的平面区域的填充曲线长度之比；其中，第i层所有知识单元的关联关系值之和τi与第i层对应的平面区域的填充曲线长度Leni之比(1-6)计算各层中每个知识单元在该层对应的平面区域的填充曲线上的位置，进而由曲线分割算法反推得到每个知识单元的平面坐标。如图4所示，进一步包括如下步骤：(1-6-1)根据知识单元的关联关系值r，从其所在层对应的平面区域的填充曲线头开始遍历，得到到起点路程为r的点P；(1-6-2)计算知识单元所在层的格网长dx和格网宽dy；其中，知识单元在第i层时，(1-6-3)计算不小于的最小正整数Li，根据Li计算P所在格网的行列号；进一步包括如下步骤：(1-6-3-1)根据填充曲线规则，计算P所在2×2格网单元的行号(1-6-3-2)计算从起点到P的填充曲线在2×2格网单元中的长度Δl＝Li(dx+dy)-r；(1-6-3-3)在时，判断P在2×2格网单元的左下格网内；在时，判断P在2×2格网单元的左上格网内；在时，判断P在2×2格网单元的右上格网内；在时，判断P在2×2格网单元的右下格网内；(1-6-3-4)根据P所在格网在2×2格网单元中的位置，计算P所在格网的行号sx和列号tx。(1-6-4)计算P所在格网的中间点坐标(x0,y0)；其中，(1-6-5)计算P点坐标。具体地，P在2×2格网单元的左下格网内时，计算得到P点坐标为P在2×2格网单元的左上格网内时，在Δl＜dx时，计算得到P点坐标为(x0+Δl-dx,y0)，在Δl＞dx时，计算得到P点坐标为(x0,y0+Δl-dx)；P在2×2格网单元的右上格网内时，在Δl＜dx+dy时，计算得到P点坐标为(x0,y0+Δl-dx-dy)，在Δl＞dx+dy时，计算得到P点坐标为P在2×2格网单元的右下格网内时，在Δl＜2dx+dy时，计算得到P点坐标为(x0+Δl-2dx+dy,y0)，在Δl＞2dx+dy时，计算得到P点坐标为(x0,y0+Δl-2dx-dy)。(2)以知识类型属性为输入参数，利用图元参数定义与分形计算，生成知识单元映射到二维平面的几何图形形状；如图5所示，进一步包括如下步骤：(2-1)定义知识单元映射到二维平面的几何图形形状为与知识类型属性T相关的函数；(2-2)分析知识类型属性T，定义基本类型分量base(T)，其中，base(T)取不同的值对应不同的基本几何图形；具体地，(2-3)分析知识类型属性T，定义子类型分量factal(T)，其中，factal(T)取不同的值对应不同的基本几何图形；具体地，(2-4)定义v＝factal(T)，对基本几何图形的每条边以Koch曲线分形计算方法进行v次分形细化，得到新图形。进一步包括如下步骤：(2-4-1)设置循环次数k＝0；(2-4-2)将基本几何图形一条边的两个端点标记为P1和P5；(2-4-3)以P1为起点，将线段P1P5三分之一处标记为P2，线段P1P5三分之二处标记为P4；(2-4-4)以P2为轴心，将P4逆时针旋转60°，得到P3点；具体使用如下公式：(2-4-5)计算P1、P2、P3、P4和P5点坐标，生成线段P1P2，P2P3，P3P4，P4P5，完成单条边的分形计算；(2-4-6)根据步骤(2-4-2)至(2-4-5)，遍历完成基本几何图形所有边的分形计算，得到新的几何图形；(2-4-7)令循环次数k＝k+1，判断k<v是否成立，是则将新的几何图形作为基本几何图形，返回步骤(2-4-2)继续分形计算，否则完成分形，得到新的多边形。(3)以知识的信息量为输入参数，计算信息量与二维地图区域投影面积比，通过面积比计算知识单元映射到二维地图区域的外包围盒大小，利用最大外接矩形算法控制知识单元的图形大小；如图7所示，进一步包括如下步骤：(3-1)统计总的知识信息量为其中，N为知识单元数量，E为每一个知识单元的信息量，根据生成区域的规划，计算知识单元的面积为σ，进而计算得到单位信息量所占的面积(3-2)根据每一个知识单元的信息量E，计算每个知识单元所占面积为S＝ρ*E；(3-3)根据每个知识单元所占面积S，结合基本几何图形形状(如正三角形、正四边形、正五边形或正六边形)计算其外接矩形的大小；(3-4)根据基本几何图形形状及其外接矩形的大小，计算基本几何图形的边长；具体地，在基本几何图形为正三角形时，计算得到正三角形的边长在基本几何图形为正四边形时，计算得到正四边形的边长在基本几何图形为正五边形时，计算得到正五边形的边长在基本几何图形为正六边形时，计算得到正六边形的边长(3-5)以基本几何图形的位置坐标为中心点，根据基本几何图形形状及大小，生成几何图形。(4)以知识属性及用户偏好为输入参数，优化地图图形形状与图形着色，生成比例适度的知识地图。进一步包括如下步骤：(4-1)根据知识域知识量大小和二维地图的范围，确定生成地图的比例；(4-2)在存在知识属性文件或用户偏好设置时，读取相关参数，据此设置每一个知识单元的颜色；在不存在知识属性文件和用户偏好设置时，利用三色原理对每一个知识单元着色；(4-3)根据地图比例，对细分层次超过三层的图元进行随机圆滑处理；(4-4)生成知识地图，并用标准格式保存为地图文件。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。