（信息与通信工程专业论文）基于com的gis应用系统中一致性数据维护的研究与实现.pdf

i hi 圻 ： 。披术人 f 究，ii 皖 似沦丈摘要本课题钊对闫j j i g i sh j t j 系统空m 数 l i ：和删中k 数据维护i 一存n ! 的，1 i 一致性| 口j 题i i i l 提 i 的。g i s 系统的最人特色就址能够刈j i f r 地川埘i i 二祉的空f i l j 数抛进行处= f ! l ! ，n ! 通常的应用，考虑到数锯存储和访问f 门斤他，人多数g i s 应川软俐：都将宅m 数据保存在一定格式的文f l - , ：f , ，而将与之十i i 天的埘性数捌f 采红正戒甄丽甄瓣管删系统h 二者通过一定的数据编码米相互关联。这样的数槲纰纵彤式搬窬易造成阴部分数据的不致，导致空间和属性双向查询的失败。为了钉缴解决l 炙闯越，本文通过对e li j i g i s 的发腱办向之一组件式g i s 进行研究，, f l j _ i t jc o m 鲋l 件对象模型这一成熟的组件技术，同时参照o p e n g i s 规范，提出使川统接i i 水访问空m 数撕和属性数据的组件设计思路，并且完成了该组件的接f 刘象模型砹计以及内部对缘的j 1 1 奉实现。为g i s 系统4 致惟的数据维护提供了有效的实现手段。2 l l f l ：的实现过程l i ，弧，i i 解决了c o 州缗孵的刀：发、多种格卒川数扒的沂6 u 、史件访j 、u 的事务机制实现笛技术雕 ，拔ii 对象的设计严格坎j ! lo p e n g l s 舰范求充成，挺所了数j l | ：的操f l f l 。撒删( ；i s 雏l 件的棚火分炎，小组什定他j ：- i f j i ：的范，i ：f i i 向空m 数抓强章理。提供楚本的变! t 过袱关键词：空间蔽一致性，组件对磊型，组件又乏，。p 。盖孟产第1 负i l f 0 j 术人l j j i 究一i - 院。j o 似沦艾a b s t r a c tt h et a s kw a sp u tf o r w a r dt h ee o n s i s l e n c ) ，p r o b l e mo fd a t an l a n a g e r m e n to fg i sa p p l i c a t i o n ，w h o s em u s th a n d l es p a t i a ld a t aa n da t t r i b u t ed a t a u s u a l l yf o rb es t o m da n da c c e s s e de a s i l y , i nm o s tg i sa p p l i c a t i o u ，s p a t i a ld a t ai ss t o r e di nf i l e so fs o m ef o r m a t s a n da t t r i b u t ed a t ai ss t o r e di nd b m so nt i l eo t h e ri l a n d t l w op a r t so fd a t ai sl i n k e db yc o m n l o nc o d e t h i sl i n k i n gd a t as t r u c t u r ec o t i l dd e s t r o yt h ec o n s i s t e n c yo fs p a t i a ld a t aa n da t t r i b u t ed a t a ，a n dr e s u l ti nt h ef a i l u r eo fq u e r y i n gl r o mo n es i d et ot i l eo t h e rs i d eo fd a t a t or e s o l v et h i sp r o b l e m ，w i t hs t u d yo fc o n l p o l l e l l tg i sw h i c hi sm o s tr e c e n t l yd e v e l o p m e n to fg i s ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dat h o u g h to fus i n g l ec o l l l b a s e di n t e r f a c et ot t c c e s sb o t hs p a t i a ld a t aa n da t t r i b u t ed a t a r e f e r i n gt oo p e n g i ss l a n d a l d ，t i l ep a p e l a c c o l n p l i s h e st h ei n t e r f a c em o d e lo ft h i sc o m p o n e n ta n dt h er e a l i z a t i o no t o b j e c t si n s i d e ，p r o v i d e sae f f e c t i v ei n e t h o dt om a i n t a i n c ec o n s i s t e n c yo f d a t ai ng i s i nt h ed e s i g no ft h i sc o m p o n e n t ，t i l ep a p e ri e s o h c ss o n l ep r o b l e l n s ，s u c ha sh o wt om a d eac o m ，a c c e s so fs p a t i a ld a t ai nd i f l h r e n tm t r e a t s ，t n l s a c t i o ni nt h ef i l ea c c e s se t c t oi m p r o v et h eg e o p r o c e s s i n gt r a n s a c t i o n s ，t i l ei n l c r f a c cd e s i g nc o i l f o r i l lt oo p e n g i ss p e c i f i c a t i o n t h i sc o m p o n e n ti so n eo fb a s ec o u l p o l l e n l si nc o n l p o n e n tg i s ，p r o v i d i n gt i l em a n a g e r n l e n to fs p a t i a ld a t aa n dt h eb a s i ca c c c s sa b i i i t yk e yw o r d s ：s p a t i a ld a t a ，c o l l s i s t e n c y ，c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，c o m g i s ，o p e n g l s筇i i ii 目防年 7 - j 点术人7 - 圳究小l 鸵学f 口沦义第一章绪论1 1 课题的来源和背景本课题来源于广州消防_ i i 亘信指摊系统的坝硼刚i | i ，址针埘g i s 心1 j i i i 聪性数扒和空间数据维护的一敛性问题挺n 0 。地理信息系统的：l ：婴仃务j l ! ：刈j 地删伞| 1 j j 化w 戏i 域仃荚的 i ：会经济、人文景规、自然资源及环境等多利i f 者息进 j ：综介竹j i i 埔1 分析，这就衙坚海挝们数据作为支持。对于个地理实体，具有多种属性，如i tj ：城j l i i i j 。，jl 订名称，位置，人口，产值等属性，这些属性可以区分为空刈属性和二啦空j j | j 心 ，【圈此描述一个地理实体也就需要空问数据和非空m 的属性数据，其i f 】空m 数荆( s p a t j n ld a t a ) 足指刚来表示空闻实体的位臂、形状、火小及其分稚特征诸多万i n i f 占息的数据。它j ! ：- l t f 定位、定性、时问和空问关系等特性。非空问的属性数据j 口米描述空州数 1 ：特矩住顺，例如，一椿膀子除了需要记录它的位置坐标等空叫数据外，还m 婴仃9 ! e f l , j 属f l ：价弛，如膀1 三、房屋断积、矬筑| i j 9 j 等。空i i j 数据的数据格式和类j 姒l i 埘川定，化脱，f jg i s 系统p 人都采j 】文t l ：的力米存储( 如m a p l n f o 的m a p 义仆) ；i h i j l _ 矗t l - 数i j i , i f l 9 数 l l ：样式，变化多样，f j l 址j 以撤批关系数据库理沦进行结掬化，从i f l i , o jj ij 火系j 锂数州库水存储，通过制定数执：! | l 、编码方案，建立关系数蜊库。哲之m 的连拨避过制定数 l i ：j 舆、编码矗粲来解决，侧蛐i ，神! ，囊矢地文件h 町以为个点填f l i ，如北糸，编为1 0 ，n ：f f 储i i ：夺州数川的数 l i ：农i h 必然存仡一个字段，如“f , l * l i , 5 ”，j m 迷j 编j f 对r i ：如果i 幺：数捌农- i tj i ! ；+ 条u 求的“编码”字段数值为1 0 ，则i 发u 求就址，i i ；京的埘性数他。这样的数据组织结构。可以允分发挥成熟数槲侔管理系统在数排：存储、查询等方面的特长，可以非常灵活的提供埔竹数妣的匹配米定位地掣l ! 对象硐l 通过地图定化米禽询地理对歙的相关槭性等双| f l j 食砌功能。f | ! 址也会为数荆的f l i ! f 带米一一定的问题，儿i 一厶盎为严重的就足在使j 日不川的按ii f i l ia l 卒m 数删和埘性数 l l ：州，脊易造成二街刁i 敛的。腑2 0 。比如l n ：m i p l n f o 的j 幢j ij i ，f 止j i im i , p x 牵俐：朋4j 涂了j 也i 划史f ，i ：l 的个地奠i ! 刈象，i i没有在关系数锯库- i 删除j 之川父暇的心r i ：数扒，就会造成数抛的_ i 致，导致烈i f | ja询的失败；在例如巫新川。j ：脯f i ：数批和。：j 数抛爻l 跌j t 义的公j b 编码时也窬坊i i i 现一i 致的情况。数据的不致，从根小i ：水讲址j ：刈。卜川数w 和i d f l ! 数荆采川了1 i 的访n q 接i i ，婴解决这燧，个仃设f i j j 、i ：就址峡脱钟统的梭ii 水j d 防问两部分数删。这样的功能介于g i s 系统的农现层剃数据联之m ，j f 豆j ：多j z ；软件结构r f l g _ , l k 务逻牟j 层范畴。这样一个接口的实现最适合成川| li m 比较成熟的纠川：技术改i 卜一个业务逻辑组件，提供接口给客，程序米执行坎照客户程序的i 占求访问数据文件或数捌侔，= j ： 1 进行逻辑处理，将处理的结果返川客j “。f i t 中l ：技术! jg i s 十结合成为纠i f l ：g i s ，e l 经址i ii j i g i s 软仆的个发腱力向，止经有许多成功的商川化g i s 软什f ：j 剑j “泛的心j ij 。州究j l ：。史脱完成l ：述j = j j 能的g i s 鲋【件也成为本课题的中心f t 务。筇i 页h li 沂 ： 。j 术人圳究1 - 院学化沦义1 2 课题目前的研究现状上面提到的一致性的概念足通过埘性数删和。孙一j 儿t 对象之问的雌4 索引水铅，堪的，那么在图形操作1 i j ，何j 种j j | 1 个儿f f x j 琢，化十心的槭陀农- i r 就添加了。条i 止求，j i j o i 涂埘缘，十应的槭中e 农t i 也删除条i , b j l ，它们之1 1 l j 址刈j 娅的。川j 么化槭r i ：太 i修改其 的“求值足4 i 会破、返1 一敛r 0 。这就类似j i 父乐数训侔小的外键约水。l 脚此为了保证这利约束关系4 i 铍舭朝：，i ii l i 通常的解 火力法址采j i id b m s 水统管删属性数据和空问数锯。这种解决的方法可以利川d b m s i 一现成的弓务控制和= j = 发处理机制来为上面提到的一致性提供可靠的保证。按j 窄f , dj l i , , i 数抛和数抓库t l 一存储的方式又可以分为两种形式。第一种直接将窄m 儿n 数州组f j ：j 化，以天系农的彤f 粜仃，这十丫：i i r 以使川任何干i i i成熟的关系型d b m s ，1 = - 婴f l jl 作址先成l l - 外i 构化f f j 。：! m 数抛到实体关系模型的转换，1 4 j 于一般d b m s 在设计“i ，j f ：没仃钊埘窄m 数捌成j i i ，传统的关系理论和索引结构并不适合各种空间查询和处理。i j li 旦采川这种方法米7 f 储空州数捌，就必须考虑如何利用s q l 语者查询空 u 对织的i u j 题1 f i i 疔况足占复杂的。第i i 种形式足存现有数据库d b m s i ：添加专门的宅f i i j 数抛模块( 如o r a c i 。es p a t i a l ) 或】r 发专门的审问数据引擎来访问窀嵋j 数州j 尔( 如a r c s i ) e ) ，这f f j 以使窖j o 端的访 u 史：! j i l 方便而1 1 卒州数捌序的应川也足g i s 的发脏尬纷。f il 址j ：审1 1 i j 数 l c 阼的川火删沦( 如。孙i j 索引、空间含洳的优化等) ，砸f i 址i 分成熟，处j ：小惭的发地过袱h 离人舰棋的j 起、t川还有一一定的差距，斛此“1 j j 川；脱的，孙i j 数州侔j “- 1 还很少。习i 什技术的成热的广泛心川也为g i s 的纰f t 。化m 水了j ! 人的生机。山j ：习l r i ：j 史术的j 现，软件产业的形也将会仃j 听改变。人j i g i s4 欠r i ：尚推了符贝特包的g i s 组lr i ：产l 诮，j ：l i t l 经何人捉了“个f 1 1 f l t j g i s 软件”。l i | j i 除了f 簟统寐i i i jg i sj + 商 f i ： i ：的g i s 组件产n f i 之外，礁0 目内【! 土现丁成熟的g i s 升l 件j “m i i ，比如2 0 0 1 年l lj b 京超图公司推 j j 的全组件式g i s 软什s u p c r m a p1 1 l ，i 寸支持数据库和文件两种数i 1 , , i f l 【纵力式，提供统一的数抓：引擎，j ：脓弈多利- 夺1 1 i j 数荆格，。! t a 然这样的一利一寅现心路瞅适合设计一个g i s 组件提供统的协n q 按li 水保讹数 l i ：的1 致。陀，奉课题的砹汁就是丛于上述的思想米完成的。1 3 课题研究的主要内容和成果实现个数抛游问功能的g i s 纠i 什，j j 篮涉及的i - ：蜓m 题也 纰什g i s 的 i 念州功能、组件的实现技术、。i j 数 l i ：听n 1 戈脱、如你对卒| 1 i j 数 l i ：和槭r i ：数川探f 1 ：的致性等。组件式g i s 的基本恩怨足把g i s 的符人功能模块划分为几个组件，每个组件完成h i i j 的功能。各个g i s 组1 ，l ：之n j j ，以及g i s - l i f l ：与j c 它1 1g i s 自【件之阳j ，州+ 以方便地通过可视化的软件j 1 ：发二l ：儿架成越米，形成域终的g i sj 幢川。控件如同一堆备符样的积木，他们分别实现不l 司的功能( 包括g i s 干j i 扯g i s 功能) ，楸圳需要把实现挣种功能的“积木”搭建起来，就构成j 衄j ij 系统。与传统大而全的g i s 软件川比，绀f ，i ：j g i sjl 仃d , j j 炙活、价格便t 、尤需0f j的丌发语苦和平台、功能强人、玎发觞挫、安裴调试灵活等特点，但足也具有些局限第2 页i 目防科0 ：j 点术人7 ：叫究牛院鼍：他论义住，比如应用范嘲受到鲤l f ，| ：标) l l i i j l ：b l 制、稳定性要求廊等。l n 此住玎发一个g i s 鲋l 件的时1 i 荧，必须i 则确i 幺 ! j i p f 实现的功能，小能试| 刳将所仃的g i s 功能模块挑缩剑个组件t i j ，姬且还婴根据组件的使川上1 ：境水砷定俞适的外发坎术，l t f l ：的内部实现篮利j i j 晰向对琢的思想保证接| _ l 的一i 变性，以及挺i 啊对4 i 数据源的遁成能力。目l j 成熟的组件实现技术他拈c o m d c o m 、c o r b a 以及j a v a 2 1 i 的j a v a b e a n e j b等不刚的标准，1 c - i i 桌i f i 纠、境i f 坐j i i 山矗为j “泛的婴槲微软捉的c o m d c o m 。i i i 。j ：纠l什足丛于二进制标准的，使川接i j 将绀什n 0 肉f f i i 峡规h 杖，世水。使j l j 的办j 、0川剑的商级语却i 的对象、棋j 火协 i 【念小川，它1 i 比川以j 渊川打运f 】：住川进州i i i ，还训以独立运行狗! 另外的进利。：i t i i 冲q 络j 1 ：境的1 i l - d 机器1 1 1 。i 蝴此组件的砹汁和实现都与一般的应用程序改汁1 i 川，巫多的要考虑史例的川ij 安全、j 享以及资源的释放等问题，也需要将更多的精力川j ：蚪常的处删。实王弛数据的访问就薛九婴解决：爷m 数捌的状1 1 ) c 题，| li i i f 常川的g i s 平台软件仃很多种，它们存储空m 数删的力4 洲；行小4 i i i , d 彳r 文件存脯u 三自数捌库f f f i f i ，而l j 仃f i i 的格式和空| u j 索引的构造办法也f i i l i j 。为j - ，f i f 出j i ：发 r , j t l 【什j i 能应j 1 1 红j 社的g i s1 l ，台上，就必须保i i e 2 l l 件对+ l ：4 i 叫的数州情j 【钉定的通应。肚。- 女i h ：i ：技术本身的梭【i 不变性可以保证儿组件内f i j 实现发生变化，刈客户牲序的j ；! ；i 响肚雎小的。剁。f f r , j 就灶如何在组件实现的内部充分仪汪数 l i ；访问的多样性。o p e n g ! sj ；! i ! 范的i l ：现为这类数删的互操作问题提高了一个解决的心路，我们州以结合师阳埘缘心：l ：l j i i i 的基本概念，找到解决数据多样性访问问题的办法。日前，儿乎所有数捌库产 f 那川以；j - 仃效的支持埘j ：j c i | i 数 l i ：的粤f 务比蜓新和操作，从而保证j e 数据的毁r i ：。然i f l j 内部刈j ：和数抛阼l ，数抛卡天联，似人部分以艾t - t ：形，保存的空川数删水讲，婴维 ：i i | ：一i j 敛性，j ； j c ； j 婴捌外的 jl i i j 4 水保h i ! 。参考数州胙1 l 使川h 忠和缓存米1 ：! i “数删协被r i ：的原川! ，州以将j e 应川剑对j 二文f f | ：数捌的蜓新上，数据的操作并不直接针x , j 磁蕊义仆。i | j 难针对内仃i 的缓冲区米完成的，内存l l l的数据只有在适当的时候4 会被贞i i ! 。- ；入义仆。返也址种文件系统r ：i i 的“提交”过程的实现。课题完成过程巾对i 述问题捉了f ll 的解决心路，神：研究稍i 关领域的研究现状4 占础上，综合并提出了一个毡- j ：c o m 的g i s 数删坍 i h - f 的设；| 方案，按照o p e n g i s规范实现了组件的接口对象模型，n ：内部通过i l l i l j j 对象 1 5 怨实现了多种格式空m 数j i ：文件的访问，解决了| j 前g i si , v ：i ij 系统i i i jj ：删n 数圳和夺m 数羽结构不f d 、存能力- 不同造成的一致性维护趔。利j ij 陔c o m 绀仆抛供的统接ii ，可以对空叫数圳和j f j ；中e 数掘进行一致性的讲n u 和搽f 1 ：。1 。4 论文的组织沦文分m q 章：第一章为绪论部分，介绍丁课题的术源曰1 7 7 ，以及需婴解决的些问题干论文的甜【织等。第二章对地理信息系统i 的些干火知u 丘韭 j ：了干必的介纠。包括地删信息系统的概念和发展、地理信息系统r i 的数抛模缎等，j l ：l i 卷匝介绍了组件j g i s 的枷关撇念、特点、不足等。第三章详细介绍了f l l f f 的实脱披术一c 0 m2 l l f f x , , i 象模型。j 川也括自i 件的? 占小慨筇3 页幽防f ： t 坎术人埘i 宄7 i - 院f 髓沦义念、c o m 的基本顾理、接i l 的内 i i j 实脱、肚j ：c o m 的j i ：发技术等内容。这f i j 分内容f 1 ：为小设汁实现的拽术丛础。第四章为汁的实现 i i i 分。介 “的内存也j s 激汁实脱的丛本心路、纰件的接ii 刈象模型、组件对琢的二1 三婴办法介宝“等，以及改汁过程l t 的l i 坚技术i u j 题及解决力巢。这章是前而几章的理沦和技术q 体现u 土址所做的l i 婴i ：作，足文章的核心内容之。皱后结束语主婴魁刈。i ：作进行丁必要的总- # i ，j j ：x , t 今肝的j ： 1 ：进i 于了服泓。撼4 页日防利。：j 之术人。t 0 i 究小院学似论文第二章地理信息系统2 1 地理信息系统的概述作为很多学科领域的综合j 也j ! l - 氆系统( ( , e o g l a 1 ) h ic l i i1 1 1 l ( ) f l l l dl i o i ls y s t l 2 1 1 1 ，g 1 s ) 没有一个绝对权威的定义，从义i ：它i l j 以石作允i t ：d i i _ - f 空f i i j 数捌成为与地球一l 二某些部分相关并j f j l 二决策的信息的l ：j l 。i | i j i 比较i j l l 川的定义为 8 ，g i sj i ! = 以采集、存储、管理、5 ) i j 7 1 1 1 描述牲个或邮分地球& i f i f ( 包 i 5 人oe 层“内) j 空f i i 怫j 地川! 分呐j 自父的数据的信息系统。它以汁外机为f i 女，tj 仃地删特觚的空川数圳进 r 处矬，能以个审m 信息为1 i 线，将l c 它择j = l i l jj c “天的：m “t w 价息 合匙水。它的诞小改变j 传统的数值处理信息方式，使信心处矬数 i l 领域步入? v f l 领域。( ；1 s 的作途i 分广泛，呵以为各类应月jf 的服务，例如交通、能源、农林、水利、测绘、地旷、川：境、航卒、心一1 ：资源综合利j t t 等等。在米米“数字地球”的处没i | i ，( ：i s 将起到i 。分匝鼗l i o f r 川。研究g i s 的理论与技术，) 1 ：发( ：l s 软f i ：j c s ：1 1 以及j f i i 进和f ；i 化( ：l s 各类应用已经成为刚内外科技界和产业界的一火热 。2 1 1g i s 的发展和应用1 9 6 3 年在政府的资助f 1 8 1 ，加拿人测绘! 学客i b , n l i n s o n 阱。i j 尚先提i i 了地月h 信息系统这一术语，并着手建五：i | l = 抖l ：第个( j i s 加翁人地雕信息系统( c g i s ) ，川j 二门然资源的管理雨l 规划，该系统j ：1 9 7 1 年i i i 投入使川。进入l | ，刚以后，j ：汁算机硬件投术的飞速发肤，j e l t ：址人弈 i i ：f i - ：f l f , 改矫的使j 1 1 。促使g i s 制 i - j l j 厅i i , i 发j 心。八_ 1 1 年代足g i s 酱及剃推j l 心川f n 阶段。i i ij 二形i ：作站：_ l i 能价格比火为提商的新型p c 机的出脱，使计算机羽i j 也删托心系统n m ：多i = f i i j 缁剑j “泛j _ , 、s i j t j 。i ：t 算机i 叫络的建立，使地理信息的传输l i t 效得到极人挺t 啊。进入九以米，g i s 的应用越来越j 泛。随着i n t e r n e t 的普及和发腱，t z 仃许多彬f 究人i ，jj i ：始从! j 【驰fi n t e r n e t 的g i s 的j i j f 究，g l s 的发腱获得了新的动力。我国地理信息系统的研究起步较晚，i f ij i | l ：篮集- n ：人学之 t 。i - 八f q h t l 以术，我圆的g i s 得到了迅速的发腱，y l ：多人。学lj i ：砹了g i s 月i l i i 的0 业和课程，j ：培养了一火批从攀g i s i f 究与应川的0 门人j 。1 9 9 4q - 4jj ，鲥g i s 协会i r 式成立，以全面指导、协调和推动全幽g i s 的发腱。l li 】i l 订j “g i s 软件产1 1 r l 投放i l ij j 历，j f i r得了良好的经济效益，如1 9 9 8 1 - 投入巾场的武汉测绘科技人学的掣i 奥之足，还7 f ：t l ：, _ r超蚓公司的s u p e r m a p 和北鼻r 朝夕公州的m a p e n g i n e 等，刈摊i z 力我g i s 的f i j f 究! j 应川起到了积极的f 1 ) l 。2 i 2g i s 的主要功r i l 9 】l 、一般丛奉功能地理信息系统作为信息僻州系统的个分支，i 1 l y e , v ：jl 箭+ 般信息系统j i ) 7 i t - f l + 的数筇5 页1 日舫科；：技术人：“”究i - 院。 缸沦文掘输入、存贮：、检索、址，l 输等项般的址小j 力能。数j ：i 输入、7 f9 ：、编4j j 力n e数圳输入：t , p ? i i 数州处川乐统h 将s , i 、f i i j 多利水i l c 、多利形j n q 原始数州( 也j 窀n u 数抛剃届性数抛) 传输给系统内i l j ，j f ：将这北数川从外f ；l ；格，转换为系统f 蜓j ：处州的内, f l f l 备j 的过私! 。它也括数，化、舰池化和数j l c 编f i l 5i 个力4 。数圳存储：址将输入f l j 数川以粜种 打- i c 求n ：汁l z 机内部或磁黜、磁惟等行“ 介质上。数据编掣 ：指系统“r 以抛供修改、增加、删除、蜓新数抓等，般以入机埘i 斤代实现。数据的操作与处理为满足j t j ) ! 需求，必须对数删进 j ：系列的操作运钾与处理。：卜婴操作包括嫩杯变换、投影变换、空间数姒m 缩、，跚i j 数 l i ：内插、。孙i j 数扒类世的转换、图l 峨边缘匹配、多边型叠加、数据的提取锋。l i 篮的运雄n 够术运钾：、火系运卯：、逻辑运算、晒数运鲜等。数据般，j 翱吲i 粜输图形数抛的数字化、编牟i | ：和搽f 11 分f j i j “、川念咖检索结果等琊j 以j i i l ，j 亿圳摧i ：。输出到打印机、绘图仪、或厅i d ? j ：n ! 磁，淞、磁黜i ：。输结粜可以足数据、表格、报告、统计图、专题幽等多种形。钊刈，1 i 川的外改掩，系统应备有棚应的接1 1 支持软件。2 、制图功能g i s 不仅可以为川，：输全坚索l 斟，j 撕i i - 叮以橄抛川户需耍分层输j j j 各种章题地i 划，以驻示1 i 卜d 婴索羽慵i 动的他w ，或“火膳f ：l 窬。3 、地理数 l 肼：的匀i 钐 与i p l i列于那些将地理位置作为占小变量或汜求心性的数栅库，g i sn j 以作为数摧库集成和更新的重要工具之一。进行数州库的组织一l 要蚁决于数抛输入的形式，以及利_ = j 数据库进行硷询、分析和结果输等乃，它他插数圳序定义、数狮：j 车矬。( z ：- l i f l 9 0 、数据侔操作、通讯等j ：j j 能。4 、审j 日j 食洵! j 窄1 1 i j 分析j 力能。空川查淘平空1 1 j 分析址从g i si i l ，j ；之川的卒川火系i 扶j d c 派化的信息干新的知u ，j f j 以回答有关空 u 关系的a i d f l i ) ! v i ij 分忻。l j ，以为川户橄 l t ：需要建j 矗：。个应j i 】分析的模式，通过动态的分析，从而为k r ：价、铪删和决策服务。其中空i 日j 查询和分析l ：要也 | f 川、夺川伶咖、缓2 l l x ：分 j j 亍、簸_ l j j l 分析、距离分析及棚邻相接分析等。5 、地形分析功能通过数字地形模型d t m ，以离敞分和的，f 嘶点水模拟连续分前j c l 0 地形，i 耳从i 内插提取各种地形分析数据，地形分析包括等岛线分析、透桃i 冬| 分析、坡度坡阳分 ! i i 、断_ f j f 图分析、地形表面i 百i 积平填挖办体干j ；# 等。2 1 3g i s 的组成地理信息系统作为个功能姒人的孙l ；息t 秒| i 系统1 篮- i h 以卜川个部分组成：计算机硬件设备：系统的蚀仆坏境，川j ：仃妒、处州、输入输数t ：地及数第6 国防科学技术人学研究生院学位论文据。计算机软件系统：系统的软件环境，负责执行系统的各项操作与分析的功能。地理空间数据：反映了g i s 的管理内容是系统的操作对象和原料。系统的组织管理人员：包含了系统的建设管理人员和用户，它决定了系统的工作方式和信息的表示方式这足g i sf | 1 最活跃、最重要的部分一个完整地理信息系统的软硬件环境构成下图所示：图2 1 地理信息系统的软硬件环境构成2 2 地理信息系统的数据组织地理信息系统的数据源是多种多样酌。从信息的获取途径看，地理信息包括图形数据，图象数据及其相应的属性数据，主要有各种地图数据、遥感图象、航空摄影和扫描第7 页国防科学技术人学研究生院学位论文图象、野外测量数据、地形数 l i ：、统汁凋a 数猁，以及其它文字信息等。从信息范畴上看，地理信息由空问数捌( s p a t i a ld i il 1 ) 和非卒n i j 数抛( n o n s p a t j a ld a t a ) 组成。空间数据，又称几何数批。址川水农，】；物体的位氍、形状、火小和分布特征等信息的，是对现实世界中存在的一些现织的定城描述撒猁空n u 数据的几何特点它可分为图形数据和图象数据。非空f l j j 数据生要包括驴i l f 枷性数 l i ：j ! i i 髓描述数抛年i 州m 因素等沿义信息。它j l ! ：对空间数据的语义描述。反映了。孙i j 实f 奉的小质特征，足审问：戈体十! l ：区别的质量准绳。典型的非空问数据有空n q 实体的名称、类燃嗣l 实体特祉等。2 2 1 空间数据组织 1 5 】以纸为介质的地图是按“专题”来组织地理信息的。道路、行政区域、土地使用、i j 囊 r 政区区划管线地旃等高线拗筑物测址控制点幽2 3j t j 地幽分层米表示不同的专题信息房屋、地下管线、自然地形等相! 地i ! | 1 - ) 1 j 不同颜包的符号、线条、色块，不同类型的线宽、线型以及标注字符等各利，制图要索米表示。地图既是存储信息的载体，又是表达信息的形式，如果把地图汁算机化。那么存储信息和表达信息的双重功能就被分开，i j 者以数据方式存储起来，后者川| 警| 形、闭象、文字的方式来显示。分析工作不足宜接对地图进行，而是先对数据作处理，然后把结果显示出来。为了对数据分门别类地作查询、分析，就必须在输入到计算机l l i 就对4 i h 专题的信息在逻辑一i ：区别丌来。目前，通常的方法是h j “j 囊”的概念水分 ；i j 存储不同引鲤的守f i l 3 信息。罔2 3 就是第8 页。j鬻溺国防科学技术人学研究生院学位论文一个地图分层的例子，即每层存放一种p 题或一类信息并有一组对应的数据文件。各个图层可以单独操作也t 可以f - i j 时x i j l 个i 冬i 层一起操作。构成：引啄的足地图婴求，也就址i 兑。0 题址地i 孥j 要索的集合。川以将：号题当作逻辑一t - 的“层”来看待。根锯信息处理的j 脑篮个地i 铡婴索”f 以现相个阁层i | i 也町以重复出现在多个图层中。同时徘个地| 冬| 要素n 一个i j | 层l ，迸j 亍独矗：的编码或标t j ，可以在图层检索时独立的获取。2 2 2 非空间数据的组织非空间的属性数据用来描述空问数据特征性质，例如一栋房子除了需要记录它的位置坐标等空间数据外，还需要存贮它的属性信息，如房主、房屋面积、建筑日期等。其数据样式变化多样，但是可以根据关系数拯：库理论进行结构化，从而利用关系型数据库( 如o r a c l e 、s q ls e r v e r 等成熟的d b m s ) 米存储，通过制定数据字典、编码方案，建立关系数据库。2 2 3 地理信息系统中的数据库管理【i5 】因为大量的非空间属性数猁需婴必系型数据库) k 存储和管理，因此在地理信息系统中数据库系统起着非常重要的f l j 1 j 。f ! _ l j l ! = 刈二j 二空m 数= 扭i ：来i ：j | = ，足不适合山一般事务管理用的d b m s 直接管理的，主要的原幽订：( 1 ) 不提供有关空间位置的查i _ l j 功能。( 2 ) 没有复杂的图形显示功能。( 3 ) 存储、处理空例数据不够经济。空0 i i j 数据模型的内部结构比较特殊，而一般事务管理用的d b m s 大都足关系型的表状数据结构，用它们来存储空间数据将会造成很大的冗余。( 4 ) 还有一些特殊的管理功能，如允缝地图连接、地| 訇比例尺综合等难以用一般的d b m s 米实现。另外，从处理效率的角度考虑，使j 文件系统米商接保存空问数据的话，也会提供处理的速度。因为即使是一个简啦的( ；i sj ；j l j 巾需璎处理空间几何对象( 多边形、直线等) 的数目是非常巨大的，如粜使川一般的数捌炸系统) k 处旦i ! 的话，, t l a j 都会被浪赞在磁盘的读写动作上g i s 数据库的管理，e “有p q 种肚小的解决方法：文件型、双数据库型、扩充d b m s型和空间数据库型。根据所采，n 的数捌库截耻方法，可以将g l s 分成四种类型( 图2 2 ) ：( 1 ) 文件型g t s 这种方法比较简单，也是最仞的g t s 软件采用的方法，没有集中控制的数据库管理系统，适合于小规模的( ：i s 。( 2 ) 双数据库型g i s 。这种方法足利j 1 】+ 般的d b m s ( 多数足关系型的) 管理属性数据，专门的软件管理空闻数据( 比如将e 卣接保存在闺形文件中) ，它们之自j 通过一定的操作棚联接q j “既可以和曲个数荆侔分；l l 打交通，也可以通过某种途径同时访问叫个数据库，目前大部分g i s 软件鄙采j | j 这种方法。如果空m 数据采用文f t ：3 p 式存储的话，又可以称之为混合系统 1 。( 3 ) 扩充d b m s 型g i s 。这种方法足对个通用绑务管理刖的d b m s ( 般足关系型的) 进行功能扩展，增加空间数据的管j l l ! 能力，使之适合( j l s 用户的特殊需要。这种疗第9 页国防科学技术人学研究生院学位论文法使空间和属性数据之间的联系比较紧密，趋于一体化，。还便于利用某些d b m s 产品的现成功能( 如：多用户的控制，客户机服务器的运行模式等) ，但是为了使空问数据适应关系模型，须牺牲软件运行的效率。这样的结构又叫做综合系统 1 。( 4 ) 空间数据库型g i s 这利力法采川空n u 数据库系统来集中管理空i h j 和属性数据，它使属性数据的管理和空州数 l i ：的错圳完全体化了。刖户界面也容易做得简沽。但空间数据库型g i s 发展历史较短，技术还不够成熟。目前进入中国市场的g i s 软件产品p ，a r c i i n f o ，m a p l n f o ，g e n a m a p ，怕e 等属于第二种方法，g e o v i s i o n s i c a d o p e n ，s y s t e m 9 等属于第三种方法以栅格模型为主的软件大多采用第一种或第四种方法，四分树结构的软件也可采用第二种从广义的角度讲，空自j 位置信息可看成是事物的几何属性。由于几何属性的复杂性，一般的d b m s 较难适应，而基于两向对象( o b j e c t o r i e n t e d ) 模型的数据库有处理复杂属性的优越性。因此采用这种数据库将成为g i s 软件发展的一种趋势。f i 问li 唐”性!l 型j f 几舅姑库文件型6 i s双数据库型c i s扩艟d b 雌型g i s空阃数据库型c i s图2 4 四种常川的g i s 数据库管理方法和系统结构2 3 地理信息系统的数据模型地理信息数据主要包含空u j 数据和非空删的属性数抛目1 l i 大多数g i s 软件是将空问数据和属性数据分开来处理的，审问数据用专用模块来进行管理，而属性数据则用传统的数据库管理系统来管理，两者之问通过一定的索引机制联系在一起。2 3 1 空间数据模型与数据结构在地理信息系统中主要有两类用于空间数掘处理的通用数据模型：基于实体的模型( e n t i t y - b a s e dm o d e l ) 和基于区域的模型( f i e l d b a s e dm o d e l ) 。前者将空问信息表示成离散的、可标识的空间实体。后者处理的是空间分布信息，每种空间分稚都可以表示成一个从空间框架( s p a t i a lf r a m e w o r k ) 到一属性域( a t t r i b u t ed o m a i n ) 的函数，地形高程、降雨量和温度的分布就属于这种模型在进行计算机图形处理时，这两第l o 页订蝴rl卜il刿田防科学技术人学研究生院学位论文种模型分别转化为矢量( v e c t o r ) 模型和栅格( f s sl e v ) 模型。2 3 1 1 栅格空间数据模型【8 】栅格数据模型是指以规则阵列表示地物分布的数据组织，组织中每个数据表示地物的属性。运用栅格( r a s t e r ) 模型，地| 圣i 被划分为有规则的网格，因此栅格模弛也常被称作网格( t e s s e l 】a t i o n ) 模型。网格的基本单元( 像素) 通常是固定大小的难方形，空问事物就按其在网格中什么行、什么列、取什么值来表示。基本单元的大小代表了栅格型地图( 空间) 数据库的分辨率。一股地图是用点、线、面来表达空间事物，在栅格型的数字化地图中，点在网格【f i 占般! ：一个驰本单元。线由一系列单元联结成折线，面也是一系列基本单元的集合。事物的空m 位售! 就用萁在网格中的行号、列号来表示，事物的属性用单元的取值来表示，这样输入、输j 存储和处理都比较方便。可以看出，在栅格型的数据模型巾地图数据的表示形类似于一个矩阵。栅格模型的数据结构简单，属性叫显，定位隐含，支持影象代数运算，处理位置关系容易，尤其容易实现多要索的重叠复合运算。网格结构也可以有效地表示具有高度空间变异性的地物。另外，网格数据结构与基于网格的输入( 遥感图象数据、扫描仪数据) 相兼容，非常有利于与遥感数据直接进行联合空间分析和匹配应用。廨现实i ：界栅格表示法i 鳘i2 5 棚格空间数据模刑网格数据结构的缺点是数据量大，特别是稀疏的空间数据，要浪费许多存储单元，因此如何进行数据难缩是应刚这种结构婴考虑的问题。网格的大小决定了地理实体表示的精度，一般说来。网格模型的数据分辨率低，精度差。另外，在网格结构中，很难表示空间实体问的拓扑关系，而且也难以操作单个空间实体i2 3 ，1 2 矢量空间数据模型【8 】矢量数据模型是指以数据链顺序表示线状物分布的数据组织，组织中的每对数据表示地物的地面坐标。地图矢量数据表示法的最基本要素是坐标点，矢量数据结构用这些空间坐标及其关系来描述空间实体。这种模型的逻辑数据单位是点、线、面这样的单个空间实体。一个点由一对坐标( x ，y ) 表示，没有形状也没有大小。简单的线用。串有次序的坐标表示，对精度要求高的曲线可用多条很短的直线来拟合，也可用圆弧或更复壅的墼堂鱼墼塑直线塑金墼壅垂丕：面星! 鱼缝圈塑苤盟趱塑曲丕塑型查垫垄!第1 l 页，口hh二二2 一一一rrr。_，ll国防科学技术人掣研究生院学位论文现。戈世抖父最表示法i 警j2 6 久堪空间数据模删l l1 21 3l ，一形编号埘积l i4 5 01 22 驰1 35 l - i3 2 5地块码地块码用途联系人 一3 1 4b - 5 9 6r i - 3 1 7 一2 7 8r 2 - 4 4 5r 一 一2 7 9c 1 一2 7 9 j 一髓0c 2 2 8 lr 2张x拳陈x王x吴x闰2 7 多边形的减性数据和空间数据的连接根据关系型数据库的原理，非空问的属性数据可以方便地和点、线、面对应起来。如图2 7 ，给每个多边形以互不重复的编号，另外再建立一个多边形属性表，里面有每个多边形的多重属性信息，再把该多边形的编号作为关键字段，使其和多边形拓扑表连接，那么属性数据和空侧位置之i d j 就建立越了。对应的联系。这种方法也适用于链、结点的属性与空问数据之间的连接。与栅格模型的数据结构相比，矢量模型的数据结构是一种更加紧密的数据结构，所需的存贮空间较小精度不受限制原始地图的精度即是矢量化地图的精度。定位明显，属性隐含。容易定义和操作单个空问实体。矢量数据结构能够进行有效的拓扑编码，便于进行空间拓扑分析在进行图形操作时，可以直接利用计算机图形学的许多算法，如长度、面积的计算，图形编辑、集合变换等，操作效率高，精度高。矢量数据模型的缺点是数据结构复杂，算法难以实现尤其是数据的编辑、更新和处理比较复杂。不能有效地支持图象代数运算，复合操作很难实现，且要占用大量的计算机资源。在表示具有高度变化的地物时也有困难，定位存取性能较差，处理位置关系( 如相交、包