（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于变化信息文件的增量更新方法研究.pdf

摘要 随着地理信息系统( g i s ) 技术应用的推广与深入，用户对基础 地理数据的现势性和准确性也提出了更高的要求，空间数据更新己成 为g i s 领域的一个研究热点。增量更新由于其方式灵活而且能够更好 地保证空间数据的现势性，是未来数据库更新的主要趋势。鉴于此， 本文研究了基于变化信息文件的增量更新方法，详细分析了空间实体 的变化情况，在此基础上设计了增量信息文件记录格式，继而发展了 基于增量信息文件的更新处理操作。主要研究工作包括： 1 )首先根据1 ：5 0 0l ：1 0 0 0l ：2 0 0 0 地形图要素分类与 代码中地理要素的分类，比较系统的分析了每类地理实体的变化类 型及其变化原因。 2 )以中国地球空间数据交换格式( g b t 1 7 7 9 8 1 9 9 9 ， g e o - s p a t i a ld a t at r a n s f e rf o r m a t ，简称c n s t d f ) 为基础，初步发 展设计了一套包含空间实体类型编码、实体变化类型编码、事件编码、 变化时间、实体空间和属性等信息内容的增量信息文件格式 3 )最后，以v i s u a lc + + 为开发工具，运用面向对象的技术， 通过将v c 与m a p l n f o 集成，利用0 0 4 0 ( o r a c l eo b j e c t sf o ro l e ) 及其对应的c + + 类库来访问o r a c l e 数据库，实现了空间与属性数据 的增量组织及基于变化信息文件的增量更新方法。以实际与模拟的房 屋、道路数据为例对本文提出的方法进行了实验验证。 研究表明基于变化信息文件的增量更新是实现空间数据库增量 更新的一条可行途径。 关键词地理实体，空间变化类型，增量信息文件，增量更新 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee x t e n d i n ga n dd e e p i n ga p p l i c a t i o no fg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，t h eh i g h e rr e q u e s t sa r ep u tf o r w a r da b o u tt h e r e a lt i m ea n d v e r a c i t yo f t h ef o u n d a t i o n a lg e o g r a p h i cd a t aa n ds p a t i a ld a t a u p d a t i n gh a sb e e n ah o t s p o ti nt h ef i e l do fg i s i n c r e m e n t a lu p d a t i n gw i l l b en e x tm a j o rt r e n d so ft h ed a t a b a s eb e c a u s eo fi t sf l e x i b i l i t ya n db e r e r w a yt oe n s u r et h er e a lt i m eo fs p a t i a ld a t a i nv i e wo ft h i s ，i n c r e m e n t a l u p d m i n ga p p r o a c hb a s e do nc h a n g e - o n l yi n f o r m a t i o nf i l ei ss t u d i e di nt h e p a p e r , a n dt h ec h a n g e si nt h es p a t i f l e n t i t i e sa r ea n a l y s e dp a r t i c u l a r l y o nt h i sb a s i s ，t h e n ，t h ec h a n g e o n l yi n f o r m a t i o nf i l ei sd e s i g n e d f i n a l l y , u p d a t i n go p e r a t i o ni sd e s i g n e do nt h eb a s eo fc h a n g e o n l yi n f o r m a t i o n f i l e t h em a i nw o r k sf i n i s h e da r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 ) a tf i r s t ，a c c o r d i n gt ot h eg e o g r a p h i ce l e m e n tt y p e so f ，t h ea u t h o r a n a l y s e s e a c h c h a n g i n gt y p eo fg e o g r a p h i ce m i t y a n dt h ec a u s e s s y s t e m i c a l l y 2 ) i nt h e b a s e o f ( g b t 17 7 9 8 - 1 9 9 9 ，g e o s p a t i a ld a t at r a n s f e rf o r m a t ，s h o r t l yc n s t d f ) i nc h i n a , c h a n g e o n l yi n f o r m a t i o nf i l ei sd e s i g n e di n i t i a l l y , i n c l u d i n gs p a c ee n t i t y 哆p ec o d i n g ，e n t i t yc h a n g et y p e sc o d i n g ，i n c i d e n tc o d i n g ，t i m eo ft h e c h a n g e s ，s p a c ea n da t t r i b u t e s ，a n do t h e ri n f o r m a t i o n c o n t e n t 3 ) f i n a l l y , a ne x p e r i m e n ts y s t e mi sd e v e l o p e du s i n gv i s u a lc + + a n d o p pt e c h n o l o g yo i lt h ep l a t f o r mo fv ca n dm a p l n f o ，a n da na u t o m a t e d s e r v e r0 0 4 0 ( o r a c l eo b j e c t sf o ro l e ) o f f e r e db yo r a c l ea n d c o r r e s p o n d i n gc + + c l a s sl i b r a r i e sa r eu s e dt om a k ev i s i t a t i o nt oo r a c l e c o m et u r e ，a tl a s ta c t u a ls p a t i a ld a t ai su s e dt oe x a m i n et h em e t h o d sa n d m o d e l sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f i n a l l y , a ne x p e r i m e n ts y s t e mi s d e v e l o p e du s i n gv i s u a lc 抖a n do p pt e c h n o l o g yo nt h ep l a t f o r mo fv c a n dm a p l n f o ，a n da na u t o m a t e ds e r v e r0 0 4 0 ( o r a c l eo b j e c t sf o ro l e ) o f f e r e db yo r a c l ea n dc o r r e s p o n d i n gc + + c l a s sl i b r a r i e s t h ei n c r e m e n t a l o r g a n i z a t i o n o fp r a c t i c a la n ds i m u l a t e ds p a t i a ld a t aa n di n c r e m e n t a l u p d a t i n gm e t h o d sa r ef i n i s h e d t h em e t h o do fs i m u l a t i o nt ot h ea c t u a l h o u s i n g ，r o a d sd a t aa sa ne x a m p l eh a sb e e nt e s t e di nt h i sp a p e r s t u d ys h o w si n c r e m e n t a lu p d a t i n gb a s e do nc h a n g e - o n l yi n f o r m a t i o n i saf e a s i b l e a p p r o a c ht oc a r r yo u ti n c r e m e n t a l u p d a t i n go fs p a c e d a t a b a s e k e yw o r d sg e o g r a p h i ce n t i t y ，s p a t i a lc h a n g e st y p e s ，c h a n g e o n l y i n f o r m a t i o nf i l e ，i n c r e m e n t a lu p d a t i n g 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：剞基垄、日期：五监年月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 日期：越年月立e l 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是在计算机软硬 件技术支持下，以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表名( 包括大 气层在内) 与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。g i s 从提出到现在， 经历了四个阶段( 如图l 1 ) 所示1 1 【2 l 【3 1 ，从最初的针对实际工作中某一具体 项目的项目型g i s 发展到目前的向公众提供数据服务的社会型g i s 。社会型g i s 的主要任务是建立基于网络的g i s 空间数据服务系统，向公众提供各种类型的 空间数据及其相关应用，开始出现于2 0 世纪9 0 年代初，在目前获得越来越多的 政府和个人空间数据服务商的重视，在国民经济建设与管理、人民生活及社会发 展的各个领域发挥重要作用。其中空间数据的服务质量越来越引起数据服务商和 数据用户的重视。 图1 - 1g i s 的发展趋势( b e d a r da n dg a g n o n ，1 9 9 4 ) 1 1 地理信息系统空间数据库更新 1 1 1 空间数据库更新 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 空间数据库更新是通过g i s 信息服务平台，用现势性强的现状数据或变更数据更新g i s 数据库中非现势性 的数据，达到保持g i s 现状数据库中空间信息的现势性和准确性或提高数据精 中南大学硕士学位论文第一章绪论 度的目的：l i j 4 时将被更新的数据存入历史数据库供查询检索、时间序列分析、历 史状态恢复，为决策管理和研究服务。因此g i s 空间数据更新不是简单删除替 换，在更新的同时要记录历史。g i s 空间数据更新的实质是空间实体状态改变的 过程，即实现由现实世界中的现状地理实体转变为数据库中的现状实体及由数据 库现状实体转变为数据库历史实体2 个状态的转变【4 】。基础地理信息数据更新主 要涉及到确定更新策略、变化信息获取、变化信息采集、现势数据生产、现势数 据提供等五个步骤【5 1 。( 图1 1 ) 1 确定更新策略 在数据更新之前，首先需要确定数据更新的目标、任务，包括更新范围( 重 点建设区域、人口密集区等) 、更新内容、更新周期、更新工程的组织与实施方 案等。 2 获取变化信息 即通过调查、比较发现并确定变化，这个过程的关键问题是对变化信息的识 别与定义。当前人们用来获取变化信息的方法主要有以下3 种：专业队伍进行 现势调查，发现变化；将卫星遥感影像与现有数据比较，发现变化；根据其 他渠道获得变化信息，如有关专业单位、社会力量、新闻途径等。 3 采集变化信息 将确定的变化信息进行数字化采集，主要有几种方式： 人工数据采集，包括对标绘图进行数字化、野外勘测数字作业、g p s 采集 等； 交互式数据采集，包括摄影测量、遥感图像处理等； 自动数据采集，卫星遥感影像识别与处理。 4 现势数据生产( 主数据库更新) 这是一个多源、多尺度数据集的融合过程，即将新采集的变化信息与原有数 据库中未变化的信息融合，从而形成新的集成的现势数据库。原始数据可能会有 新增、消失、改变等变化类型，相应的处理包括： 插入。将新增的地物信息添加到数据库中。 删除。将已消失地物信息从数据库中删除。 匹配并替换。根据相似性准则，将空间形态、位置变化的地物与原始数据 进行匹配，确定替换对象，再用新的数据替换已变化的内容。 历史信息的保存与管理。被删除、替换的信息需要予以保存，以便历史数 据的恢复、查询与分析。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ； 立了自己的数据集 用l | 房茎| 日l 里据霎| ；i 图1 - 1 数据库更新主要环节 主数据库更新是一个将新采集的变化信息与数据中心原有主数据库中未变 化信息进行融合的过程。这一过程包括在原有数据库中插入新增的地形地物、地 籍信息，删除已消失的相应对象信息，更新替换部分变化的空间对象信息并保存 历史数据。主数据库更新方法总的可分为两大类，一类是直接用新收集的同一尺 度的变化信息进行更新；另一类是用更新过的大比例尺数据更新小比例尺数据， 如图1 1 所示。 单一尺度的空间数据更新主要包括更新模式、变化区域局部空间数据的提 取、局部更新操作、历史数据保存、变化前后数据一致性维护( 如拓扑关系维护) 、 甚至记录更新过程等问题。目前这方面的研究工作还刚刚起步，主要涉及到数据 库更新模式的初步探索【5 1 0 3 、借助数据字典记录更新过程等。 由最新的较大比例尺数据更新较小比例尺数据，或称为多比例尺数据库的协 同更新，是当前数据库更新学术前沿，除包括主数据库更新中的局部数据提取、 局部更新操作、历史数据保存、变化前后数据一致性维护外还涉及到空间数据综 合等问题，其更新模式包括快照式更新和基于“c h a n g o n l y 的数据更新两种方 式，目前其研究还仅仅涉及到快照式更新模式【8 】1 9 j 。 5 现势数据提供( 用户数据库更新) 如前文所述，用户数据库包括两大类型：第一类用户在使用空间数据时不改 变基础框架数据，用户数据与框架数据完全分离，对于这类用户，用户数据库更 新只需用最新的快照数据替换原背景数据即可；第二类用户在使用框架数据的过 程中，对其进行了修改，并在该基础框架数据的基础上添加了大量的属性数据或 专题数据( 或已将基础地理数据与其他专业数据整合为一体) ，由于这类用户的 墨 主 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 数据规范可能与数据生产者的规范不同，数据生产者与数据用户之间存在数据库 模式不一致、语义冲突等问题，对于这类用户的数据库更新包括变化数据的传递、 数据库模式匹配、数据更新与融合、历史数据保存与一致性维护等问题。目前用 户数据库更新的研究工作刚刚起步，其研究领域还只涉及到变化数据的传递1 1 0 1 ， 主、客户数据库均为快照式数据库的用户数据库更新与融合的框架和逻辑流程等 1 1 1 0 1 1 2 空间数据库更新模式 在g i s 发展的初期，人们努力的方向主要几种在空间数据库的建设上，对 空间数据库更新等问题的关注较少。几年来，人们逐渐认识到“空间信息更新将 取代空间数据获取而成为g i s 建设的瓶颈 ，“空间数据库更新时用反映所研究 区域空间目标( 包括地形、地貌、地物等) 现势状况的地理空间信息，修正、补 充和更新原数据库中的相应数据，以真实地反映其现状，保存历史数据、记录变 化原因，使数据库现状与实际现状保持一致的过程 【1 1 1 。目前空间数据库主要 有三种更新模式： 定期更新，如荷兰地形署( d u t c ht o p o g r a p h i cs e r v i c e ) l ：l 万数据库根 据区域特点更新周期分为4 、6 、8 年；日本g i s 采用基于栅格的更新方法，城 市地区每3 年更新一次，郊区每5 年更新一次，山区每1 0 年更新一次；我国上 海市确定l ：1 0 0 0 0 数字线划地图的更新周期为5 年，l ：2 0 0 0 数字线划地图的 更新周期为4 年，l ：1 0 0 0 数字线划图的更新周期为3 年，而中心城区l ：5 0 0 数字线划地图的更新周期为2 年等。芬兰国家测绘局有4 0 0 多工作人员使用2 4 0 台工作站从事建库、维护和更新工作，其道路每年利用航空影像和g p s 进行更 新：1 ：2 万地图的重要要素根据其他部门的现有数据库逐年进行更新并且每5 1 0 年基于数字正射影像图进行一次全面更新；他们还正在研究建立以地籍系统 为基础随时、持续、自动更新居民地的机制。 固定变化程度的更新，即达到一定的变化程度后，对数据库内容进行一次 全面的更新，如美国国家海洋局( n a t i o n a lo c e a ns e r v i c e ( n o s ) ) 和英国军械局 ( b r i t i s ho r d n a n c es u r v e y ) ，当地图上的变化部分达到一定程度( 如超过3 0 0 幅) 时即出版一张新的地图。德国联邦测绘局( b k c ) 建立了小比例尺修测系统，对 1 0 层要素采用开天窗矢量方式进行单要素更新，并解决了栅格数据矢量化，多 种数据源格式转换、库转换、大地框架转换、无缝拼接等问题。 增量式更新，即变化一经发现便立即更新主数据库内容，并连续提供给用 户使用的更新模式【】。如日本投资1 5 亿日元开发了全日本数字公路地图数据库， 包括大比例尺城市街道图和住宅信息。其拥有专门的队伍与机制负责更新信息的 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 动态采集与校验。丹麦n a t i o n a ls u r v e y & c a d a s t r e 用5 年生产了覆盖全国l ：l 万矢量地图，并选取两个区域进行数据库更新试验。其先利用航片发现变化，然 后将变化信息采集成为矢量数据，再利用其对原数据库进行更新。更新后历史信 息被保存起来，并建立地理对象不同版本之间的链接关系。增量式更新由于其方 式灵活而且能够更好的保证空间数据的现势性，是未来数据库更新的主要趋势。 总之，目前时空数据更新已经引起国际学术组织的普遍重视，如1 9 9 9 年国 际制图协会( i c a ) 和国际摄影测量与遥感学会( i s p r s ) 成立了“增量更新和 空间数据库版本化 ( i n c r e m e n t a lu p d a t i n ga n dv e r s i o n i n go f s p m i a ld a t ab a s e s ) 联 合工作组，先后五次在荷兰阿姆斯特丹( 2 0 0 0 年8 月) 、中国北京( 2 0 0 1 年8 月) 、德国法兰克福( 2 0 0 2 年1 0 月) 、南非德班( 2 0 0 3 年8 月) 、土耳其伊斯坦 布尔( 2 0 0 4 年7 月) 组织了专题研讨会。2 0 0 3 年8 月i c a 又将该工作组升格为 “增量更新和空间数据库版本化 委员会。2 0 0 4 年7 月召开的第2 0 届i s p r s 大 会专门设立了“地理空间数据库的变化检测与更新( c h a n g ed e t e c t i o na n du p d a t i n g f o rg e o - d a t a b a s e s ) 、“核心数据库的修订与维护( r e v i s i o na n dm a i n t e n a n c eo f c o r e g e o - d a t a b a s e s ) 两个主题单元( t h e m es e s s i o n s ) 。值得一题的是：中国国家自然 科学基金委员会( n s f c ) 自二十世纪九十年代以来陆续资助了多个关于时态g i s 和数据更新方面的研究项目：如1 9 9 7 年资助了“时空拓扑关系若干基本问题的 研究 面上项目、1 9 9 9 年资助了“多维动态g i s 空间数据处理关键技术研究 重点项目、又于2 0 0 4 年首次资助了关于时空数据更新的重点项目“g i s 空间数 据库更新模型与方法研究 。 但是，由于g i s 是一个新兴的多学科交叉的边缘学科，其发展还只有不到 四十年的历史，而人们对时空数据更新的研究与重视还只有几年时间。人们对空 间数据模型演化与动态建模、空间要素变化的发现与提取、主数据库更新、客户 数据库更新等基本问题缺乏系统、深入的认识，特别是增量式数据更新将是未来 时空数据更新的主要趋势，但现在已经探讨的一些方法还局限于主、客户数据库 均为快照式数据库的情况，对于增量式变化要素的发现、获取方法、主、用户数 据库的增量式数据组织与更新模式、方法等方面都缺少系统的分析、论述等。至 今还没有形成国际上公认的增量式空间数据库更新理论模型，难以指导增量式空 问数据更新工程设计和实施、数据更新系统研发等。 从我国的空间数据库的发展现状分析，我国已经建成了l ：1 0 0 万，l ：2 5 万和l ：5 万等比例的基础空间数据库，由于我过经济和社会的快速发展，刚刚 建成运行的地理信息系统数据库也面临着海量数据的更新问题，随着大量g i s 空间数据库的建成和投入使用，在今后相当长的一段时期，g i s 空间数据库所面 临的主要问题就是现势资料数据的更新问题，这是g i s 发展的必然阶段1 7 1 。 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 总之，目前空间数据库更新主要为应用驱动，在应用驱动下国内外的一些学 者对空间数据库更新的数据源、更新机制、模型、方法和流程及更新过程中的空 间数据质量控制等进行了初步探讨。但总体来说，目前主数据库的更新主要由操 作人员手工交互完成，当通过地面测量或航空摄影等方式获得的变化后状态信息 提交到数据中心后，操作人员通过对变化前后两个快照的内容叠加分析比较来确 定哪些对象应该添加、哪些对象应该删除、哪些对象应该修改等。这种传统手工 编辑更新方式不仅劳动强度大而且容易产生错误，因此需要发展自动或半自动化 的更新方法和操作流程【l l 】。 1 1 3 增量更新 空间、属性和时间是地理现象的3 个基本特征或g i s 数据库的3 种基本数 据成分。“空间指空间位置数据及其派生数据，“属性一指与空间位置无派生关 系的专题属性数据，“时间 则指时间位置、空间和属性状态的时变信息。3 个 方面共同标识地理实体。地理信息系统是一种搜集处理、存储管理、检索分析、 显示与地球表面或附近空间位置相关数据的计算机系统。传统的g i s 只存储管 理单一时刻或少数几个时刻的空间数据，变化发生后，新的数据入库覆盖了1 日的 数据，导致历史数据丢失。由于缺乏历史空间数据的保存与建模，因此无法或很 难进行历史状态的重建、时空变化跟踪、未来发展预测等功能。 因此针对上文中提到了数据库更新的3 中模式，本文研究的是增量更新。增 量更新是以初始数据库为基础，针对变化情况，及时发现并测定变化内容，并及 时用反映现势状况的增量信息对初始数据库进行修正、补充和更新，使数据库现 状与实际现状保持一致的过程。其目的是实现“随时变更、随时调查、随时更新一。 地理数据库增量更新一般包括增量信息的测定与预处理、增量处理、增量处理中 的拓扑关系维护等基本环节。 2 增量信息数据交换文件 本文中研究的增量信息数据交换文件是在的基础上，适当的增加了增量采集 所必需的信息，如变化类型、变化的原因、变化的时间等。因此在本节中主要介 绍空间实体的变化类型、地球空间数据交换格式、增量信息数据格式。 1 2 1 空间实体变化类型研究 增量更新的前提是变化信息的获取，上文中已经列举了几种变化信息获取的 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 方法。同样地理空间实体变化类型的推断与识别是时空数据库更新的前提，同样 变化分类是时空认知的一项重要内容。最近几年随着时态g i s 研究的逐步深入 和时空数据更新研究的进展，地理变化的研究早已成为t g i s 领域一个重要的研 究方向。许多学者提出了几种地理变化的分类方式。h o m s b ya n de g e n h o f e r ( 2 0 0 0 ) 分析了基于对象标识符状态的变化分类，c l a r a m u n ta n dt h e r i a u l t ( 1 9 9 5 ) 描述了 生成这些变化的时空过程。r o s h a n n e j a d ( 1 9 9 5 ) ，y u a n ( 1 9 9 6 ) 根据地理对象的 组成判断地理对象变化类型，t a n ga n dk a i n z ( 2 0 0 1 ) 根据拓扑空间和点集空间 确定空间变化类型i l5 。 根据地理对象的组成判断地理对象变化类型 r o s h a n n e j a d ( 1 9 9 5 ) ，y u a n ( 1 9 9 6 ) 都提出了根据地理对象的组成判断地理 对象的变化类型。首先要定义地理对象的组成( 由图形、拓扑关系、属性组成) 。 对象的组件发生变化，就必须定义一个具有新对象标识符的新对象或者一个对象 的新版本。根据组合关系，提供了图形变化，拓扑关系变化，图形、拓扑关系和 属性同时变化9 种类型。 根据地理对象整体和对象组成判断地理对象变化 h o m s b ya n de g e n h o f e r ( 2 0 0 0 ) 利用对象标识符代表整个对象，定义了对象 标识符的3 个基本状态和2 个操作：存在、不存在没有历史、不存在具有历史， 同一标识符的转换和不通标识符的转换。根据这5 个基本元素定义了单个对象的 各种变化和多个对象的各种变化。根据同一对象标识符的3 种状态组合了9 种变 化和影响两个对象的有意义的多种变化，而且能表达了对象关系的变化和对象属 性变化情况。并且利用历史链的方法明确的表达了各种变化，利用自定义的c d l ( 变化描述语言) 形象的描述了每种变化类型。 根据拓扑空间和点集空间确定空间变化类型 t a n ga n dk a i n z ( 2 0 0 1 ) 提出根据对象在拓扑空间中的8 种基本关系( 扩张、 收缩等) 和点集空间中的2 种基本关系( 继承关系和依赖关系) 确认了多种空间 变化过程，并给出了形式化的表达方法。 根据影响实体的个数和程度判断地理对象变化 c l a r a m u n ta n dt h e r i a u l t ( 19 9 5 ) 根据时空变化过程分析了地理对象的各种变 化：单个实体的时空演化( 出现、消失等) ；包含几个实体的空间结构的演化( 分 割( 1 ：n ) ) 、合并( n ：1 ) 和重构( m ：n ) 。 从总体上看，变化分类的判断方法和表达方法繁杂不一，而其中的分类运用 于空间实体变化类型分析都不是很全面，本文根据需要采用了周晓光等提出的9 种基本变化类型。 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 地球空间数据交换格式 为解决各种地理信息数据生产、地理信息系统建设和应用中的各种矛盾，实 现信息共享，地理信息标准化尤为重要。地理信息作为一类知识产品，只有符合 公认的标志规范，才能为广大用户所普遍接受和使用。随着计算机技术、数字化 测绘、地理信息系统( g i s ) 、遥感( r s ) 、全球定位系统( g p s ) 等领域技术研究、系 统开发建设和实际应用的迅速发展，地理信息标准化已经成为一项十分重要、十 分迫切的工作，特别是当今信息化社会发展，对地理信息共享提出了越来越高的 要求，亦愈加凸显地理信息标准化的重要性。国内外在这一领域已经和正在开展 大量工作，取得了许多有意义、有价值的成果，提高了全球范围地理信息标准化 的水平，推动了地理信息共享进程、实际应用与服务。 自2 0 世纪8 0 年代初以来，我国就开展了地理信息标准化的工作，既充分吸 取国外先进经验和教训，又从我国的实际出发，结合g i s 技术发展和系统开发 的需要，研究、制定和发布实施了一批急需的国家标准和行业标准。目前，我国 空间数据利用率比较低，重复采集现象经常出现，造成了不必要的浪费，阻碍了 我国g i s 产业的发展和国家经济腾飞。因此促进空间数据共享，加快“国家空 间数据基础设施( 简称n s d i ) 建设是我国迫切需要解决的问题。国家空间数据 基础设施主要包括空间数据协调管理与分发体系和机构、数据交换网站、空间数 据交换标准及数字地球空间框架 李德仁，1 9 9 9 1 。为了促进我国空间数据共享， 避免数据的重复采集，我国于1 9 9 9 年发布了“中华人民共和国国家标准一“地 球空间数据交换格式”，该空间数据转换标准的推广将对空间数据共享和n s d i 的建设有着重要的推动作用。 地球空间数据交换格式( 简称c n s d t f ) 规定了矢量数据交换格式、影 像数据转换格式、数字高程模型( d e m ) 数据转换格式。适用于矢量数据、影 像数据和格网g i s 数据以及d e m 等的数据交换，但不包括元数据的交换格式。 它具有以下特剧比j ： 1 基于面向对象的数据模型。该标准包括四个最基本的概念：分类、概括、 联合和聚类。他们可以用来构造空间对象模型。其中共定义了1 7 类空间对象， 经适当合并后抽象出点、点状地物、弧段、线面和复杂地物五种空间对象。 2 参照国际上现有空间数据交换标准和国外现有g i s 软件的内部数据交换 格式并遵循完备性、简单性和可扩展性原则。 3 既可以无损地转换拓扑信息和属性信息，又可接收不带拓扑的数据，并 可兼顾c a d 的数据格式。根据需要可进一步扩充。 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 增量信息数据交换格式 对于增量更新重要的是增量信息的获取，前文已经介绍了获取变化信息的途 径。而每一个系统都有自己的数据格式，例如m a p l n f o m a p i n f o 的数据格式主 要分为t a b 和m i f ( m i d ) 两种格式，t a b 是m a p i n f o 唯一的数据存储格式， 所有基于该软件上的应用系统都要以这种格式为依托。m a p i n f o 数据采用双数 据库存储模式，属性数据存储在属性数据的表结构文件( t a b ) 与属性数据文件( d a 0 中，空间数据保存在空间数据文件( m a p ) 中，两者通过交叉索引文件( i d ) i 繇1 1 3 1 。 通常t a b 格式的文件主要由以下几个文件组成： * t a b 描述表结构 * d a t 或 d b f 包含表的数据 * m a p 表的图形对象 i d 包含表的地理索引 * i n d 包含表的列索引 m i f ( m i d ) 是m a p i n f o 的外部数据交换文件。m a p i n g f o 主要通过m i f 、 m i d 两个文件与其他g i s 软件建立数据接口，这两个数据中。m i f 数据文件主 要保存空间数据的图形信息，m i d 数据文件主要保存空间数据的属性信息。m i f 由文件头和数据段组成，数据段包含m a f i n f 0 定义的点、线、面、多义线、区 域、圆弧、文本、矩形、圆角矩形和椭圆等实体。m i d 文件为对应实体的属性。 同样增量信息采集系统也要有自己的数据格式，即在外业数据采集的时候同时生 成符合我们增量更新需要的数据格式。这个数据格式可以与m a p l n f o 等g i s 软 件进行数据交换。 目前，人们常使用的c a d 和g i s 软件有数1 0 种之多，而这些软件大都采用 不同的数据结构和格式，其格式有公开、半公开或不公开的，用户在不同图形平 台或g i s 平台上使用同一数据受到了极大的限制，同时由于数据标准、使用的 数据平台和对数据模型理解的不同，都大大减缓了空间信息共享的进程，使我国 存在着大量的重复生产和开发等浪费现象。中国地球空间数据交换格式 ( c n s d t f ) 标准的制定和推出，较好地解决了g i s 行业发展和数据交换的瓶颈问 题。然而，目前的中国地球空间数据交换格式标准在实际应用中尚存在一定 的局限和不足，因此也影响了本标准的应用和推广f 1 7 1 。 本文在地球空间数据交换格式的数据格式基础上，根据增量更新的需要， 增加了必要的信息，如：变化类型、变化时间等。本文中的地理空间信息主要是 指用几何图形元素对空间实体对象的描述即矢量数据，而几何图形也仅仅是指用 于描述地理空间现象的空间对象。 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 本文研究思路 综上所述，由于我国经济建设的快速发展，地物信息的变化日新月异。迫切 需要及时采集变化信息更新数据库。而离散地物空间数据库增量更新关键在确定 变化类型以及变化与事件的关系，因此本文研究单个空间实体的变化类型以及引 起变化的原因，在此基础上设计了一套增量信息交换文件格式，以便于数据库更 新。 数据库增量更新处理操作时通过更新算子来实现的，更新操作算子与对象的 变化有关，而对象变化是对地理空间实体变化的反映，因此如果在数据采集同时， 将所有的地物实体的变化情况一并采集，同时记录在增量信息文件中，就可以为 空间数据库更新提供增量信息，便可能实现空间数据库更新处理操作的自动化或 半自动化。本文的研究思路如下： 1 ) 对单个实体的变化类型和事件进行研究，探讨单个实体变化信息分类方 法，归纳出变化类型和事件类型，以及二者之间的关系。 2 ) 根据分析出的变化类型，根据主数据库增量更新自动化的需求，设计一 套包含变化类型编码和事件编码的增量信息文件。 3 ) 根据变化类型和数据库更新操作之间的对应关系，进行相应的更新操作。 4 ) 实验系统设计 4 论文各章内容安排 鉴于以上的分析，本文针对地理实体变化以及增量信息文件设计进行了深入 的研究。论文的各章节安排如下： 绪论首先介绍了地理信息系统空间数据更新的基本过程、更新模型，以及增 量式更新；然后由增量更新提出了增量信息文件的设计，最后分析了数据更新的 国内外现状，提出了本文的研究任务与思路。 第二章为地理空间实体变化信息分类研究。2 1 节首先分析了地理实体变化 信息，2 2 节介绍了事件引入的原因，分析了地理事件类型，最后对地理实体变 化类型和事件类型的关系进行了一定的分析；2 3 节依据1 ：5 0 01 ：1 0 0 0 l ：2 0 0 0 地形图要素分类与代码中对地形要素的分类，分别对一般房屋、公路、池塘、 河流等简单常见的空间实体要素的变化类型和有可能引起变化的事件进行了详 细的描述，并对每类地理要素的事件和变化类型之间的关系进行了分析与描述。 第三章为变化信息文件格式设计。3 1 节首先说明了增量信息文件中的几个 规定，3 2 节介绍了增量信息文件结构，分析了地理信息系统空间矢量数据的组 l o 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 成以及数据交换格式，最后介绍了变化信息文件的格式。3 3 节具体介绍了增量 信息文件各部分的格式以及内容，并举例说明。 第四章为基于变化信息文件的增量更新方法研究。4 1 节首先分析了反映地 理实体变化的数据库对象变化情况，并分析了地理实体变化与数据库动态操作之 间的关系。4 2 节在分析目前更新操作算子研究现状的基础上设计了一套基于变 化的更新操作算子。4 3 节分析了增量更新操作过程，并举例对其进行了形式化 描述。 第五章为实验研究。 第六章对本文的研究作了一个总结。 中南大学硕士学位论文第二章空间实体变化类型分析 第二章空间实体变化类型分析 变化信息采集的目的是为了方便主、客户数据库更新并进一步提供给不同层 次、不同专业的用户使用，往往变化信息采集人员与数据库更新维护人员是不同 的，为了方便信息的交流与共享以及计算机的自动化或半自动化处理，需要分析 出地理空间实体的变化类型，并对其进行编码形成统一的规范( 或标准) 。同时， 事件是变化的原因，地理事件与实体变化类型之间存在一定的对应关系，因此分 析出引起各类空间实体变化的事件类型及其对应的实体变化类型间的关系，可以 帮助缩小变化信息采集时变化类型查找的工作量。因此本章对单个地理实体的变 化类型和事件类型进行了一定的分析研究。 2 1 空间实体变化分析 2 1 1 空间实体概念 抽象是人们观察和分析复杂事物和现象的常用手段之一。将地理系统中复杂 的地理现象进行抽象得到的地理对象称为地理实体或空间实体、空间目标，简称 实体( e n t i t y ) i 钉。实体是现实世界中客观存在的，并可相互区别的事物。实体 可以指个体，也可以指总体，即个体的集合。抽象的程度与研究区域的大小、规 模不同而有所不同，如在一张小比例尺的全国地图中，武汉市被抽象为一个点状 实体，抽象程度很大；而在较大比例尺的武汉市地图上，需要将武汉市的街道、 房屋详尽地表示出来，武汉市则被抽象为一个由简单点、线、面实体组成的庞大 复杂的组合实体，其抽象程度较前者而言较小。所以说，实体是一个具有概括性、 复杂性、相对意义的概念。 本文中所指的空间实体是指抽象程度较小的，以l ：5 0 0 l ：1 0 0 0l ：2 0 0 0 地形图要素分类与代码为基础，该标准将地形图要素分为9 大类，即测量控制 点、居民地和垣栅、工矿建( 构) 筑物及其他设施、交通及附属设施、管线及附 属设施、水系及附属设施、境界、地貌和土质、植被。根据其中的分类进行变化 类型分析。 2 1 2 空间实体的特征 空间实体具有三个基本特征： 1 ) 属性特征用以描述事物或现象的特性，即用来说明“是什么”，如事 1 2 中南大学硕士学位论文第二章空间实体变化类型分析 物或现象的类别、等级、数量、名称等。 2 ) 空间特征用以描述事物或现象的地理位置，又称几何特征、定位特 征，如桩的经纬度等。 3 ) 时间特征用以描述事物或现象随时间的变化，例如人口数的逐年变 化。 根据空间实体的特征，可以把空间实体数据归纳为三类： 1 ) 属性数据描述空间数据的属性特征的数据，也称非几何数据。它包 含两方面的含义：一是它是什么，即它有什么样的特性，划分为地物的哪一类，； 第二类属性是实体的详细描述信息，例如一栋房子的建造年限、房主、住户等， 这些属性必须经过详细的调查。 2 ) 几何数据描述空间数据的空间特征的数据，也称位置数据、定位数 据。即说明“在哪里 ，如用x 、y 坐标来表示。 3 ) 关系数据描述空间数据之间的空间关系的数据，如空间数据的相邻、 包含等，主要是指拓扑关系。拓扑关系是一种对空间关系进行明确定义的数学方 法。 此外，还有元数据，它是描述数据的数据。在地理空间数据中，元数据说明 空间数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息，便于数据生产者和用户 之间的交流。 2 1 3 空间实体变化类型分析 根据空间实体的特征可见，空间实体变化类型应该从属性、空间、时间三个 方面分析。对地理空间对象变化类型的认知是时空数据库更新的前提，同样变化 分类是时空认知的一项重要内容。自从2 0 0 0 多年前，亚里士多德便认识到空间 实体变化包括产生消失、增长衰减、变更改造、位置移动四大类型啪1 ，此后 人类对这方面的探索便一直没有停止过。19 9 5 年c l a r a m u n ta n dt h e r i a u l t 等在总 结前人工作的基础上将时空变化过程分为三大类【2 1 1 ：单一实体的变化( e v o l u t i o n o fas i n g l ee n t i t y ) 、具有依赖关系的实体变化( f u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i p sb e t w e e n s e v e r a le n t i t y ) 、多个实体空间结构的变化包括出现、消失、稳定( 用来表示属性 变化) 、扩大、缩小、变形、移动和旋转等8 大类。他们的分类方法在国际g i s 届被认为是比较全面、比较成功的分类方法，已被广泛引用。周晓光等在此基础 上，增加了一种实体变化类型“重现”，将单个实体的空间变化类型归纳为：出 现、消失、属性变化、扩大、缩小、变形、移动、旋转和重现等9 种基本类型1 ( 如图2 一l 所示) ，本文采取此种变化类型分类方法对单个空间实体进行分析。 中南大学