（大地测量学与测量工程专业论文）基于面向对象模型的“数字城市”地理空间框架体系研究.pdf

塑燮塑燮墼一i 丫n 1 7 l , , , 1 1 1 1 , l l r 7 , l l l 9 4 1 7 l l l ! 1 2 l l , 1 1 1 一 d i g i t a lc i t yg e o s p a t i a lf r a m e w o r k s y s t e mb a s e do n o b j e c t o r i e n t e dd a t am o d e l m a j o r ：g e o d e s ya n ds u r v e ye n g i n e e r i n g d i r e c t i o no f s t u d y ：i n t e g r a t ea n da p p l i c a t i o no f 3 s t e c h n o l o g y g r a d u a t es t u d e n t ：z h a n gy a n s u p e r v i s o r ：p r o f m a n j i a nl u o a s s o c i a t ep r o f s h a o f e n gx i e c o l l e g eo fc i v i la n da r c h i t e c t u r a le n g i n e e r i n g g u i l i nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y a p r i l ，2 0 0 9t oa p r i l ，2 0 1 0 桂林理工大学硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的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。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的完成提 供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ：耋k 盛、 签字同期：掷辱雎 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权( 学校) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在 解密后适用本授权书) 本论文是否保密：是否如需保密，保密期限为： 学位论文作者签名：苏攘、 辑醐：脚石月7 日 导师签字：场、坳略 签字日期：o ( d g6 月1 7 日 桂林理工大学硕士学位论文 摘要 在信息技术迅猛发展的今天，城市信息化程度和水平已成为衡量一个城市经济社会发展和综合实力 的重要指标，“数字城市”是当今城市信息化建设的发展趋势，它既加快了城市现代化发展，又增强了城 市的综合竞争力，其实质是建立一套以地理空间信息为核心的城市信息服务与共享体系。通过整合海量 城市信息资源，形成具有统一标准的公共基础数据库，并通过建立一体化的数据管理、数据发布平台实 现数据共享和信息服务。 目前我国“数字城市”建设仍处f 初级阶段在建设中面临着两大挑战：一方面。由于不同领域对同 一地理现象的地理认知不同，使得不同部门在应l 玎域市地理信息系统时各取所需，采用不同的空间数据 格式、不同的数据建模方法，各行业数据难以实现信息共享：另一方面，各部门建立的应用系统自成体 系，各自为政，缺乏统一的政策法规和标准体系，偏重于纵线上的应用而忽略了横向的联系，致使系统 难以跨行业拓展应用，不能很好地进行业务联动和信息共享建设。本文从面向对象角度出发，研究和探 讨了基于面向对象数据模型( o o d m ) 的“数字城市”地理空间框架的体系结构、数据组织方法和管理模式 等，重点研究了以下几方面的内容： ( 1 ) 提出了面向对象数据模型( o o d m ) 在研究面向对象技术的基础上，采用面向对象方式，定义了简单对象( 包括简单点对象、简单线对 象、简单面对象、体元对象) 和组合对象( 包括单纯型组合对象、混合型组合对象) ，建立了面向对象数据 模型，为“数字城市”地理空间框架体系研究提供了理论依据。 ( 2 ) 设计了基于o o d m 的“数字城市”地理空间框架( d c g f ) 体系 在研究d c g f 的定义、特征和分类基础上。设计了d c g f 的体系结构，包括政策法规与标准体系、 基础数据体系、专题数据体系、网络交换体系和应用服务体系，并对其中各体系的组成和建设也做了相 关研究。 ( 3 ) 研究了基于o o d m 的地理空间框架数据( g d f ) 组织与管理 g d f 是d c g f 中最重要和最核心的部分，因此，对它的组织与管理显得至关重要，本文提出了基 于o o d m 的g d f 组织与管理，具体研究了g d f 的层次结构、存储结构、组织方式、管理模式等内容， 实现其物理和逻辑上的有机结合，更好的为d c g f 服务，有利于地理空间信息的共享与应用。 ( 4 ) 进行了基于o o d m 的d c g f 应用研究 以d c g f 中的交通信息为例，详细设计了基于o o d m 的城市交通数据体系和交通信息的关联一体 化管理。 本文的研究将为面向对象模型的“数字城市”地理空间框架体系的建立提供新的思路和方案，并以交 通管理系统为例，探讨了基于城市地理空间框架体系的交通管理系统的设计方法和思路。 关键词：面向对象；数字城市；地理空间框架 桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o nh a sb e c o m ea l li m p o r t a n ti n d i c a t o ro f c o m p r e h e n s i v es t r e n g t ha n dd e v e l o p m e n to fac i t y , ”d i g i t a lc i t y ”i st h et e n d e n c yo ft h ei n f o r m a t i o n a l i n f r a s t r u c t u r e ，i t sn o to n l ys p e e du pt h ec i t y sm o d e r n i z a t i o n ，b u ta l s oe n h a n c et h ec i t y sc o m p r e h e n s i v e c o m p e t i t i v e n e s s i t sa i mt oe s t a b l i s has e to fc i t yi n f o r m a t i o ns e r v i c e sa n ds h a r i n gs y s t e ma st h ec o r eo f g e o s p a t i a li n f o r m a t i o n f o r m i n gap u b l i ci n f r a s t r u c t u r ed a t a b a s ew i t hu n i f o r ms t a n d a r d sa n dr e a l i z i n gd a t a s h a r i n gb yi n t e g r a t i n gt h eu r b a ni n f o r m a t i o n c h i n a s ”d i g i t a lc i t y ”i ss t i l la ta ne a r l ys t a g e ，i tf a c e st w om a j o rc h a l l e n g e s ：o n eh a n d ，d u et ot h e d i f f e r e n tc o g n i t i v eg e o g r a p h yo ft h es a m eg e o g r a p h i c a lp h e n o m e n a ，m a k et h ed i f f e r e n td e p a r t m e n t su s e d i f f e r e n ts p a t i a ld a t af o r m a t s ，d i f f e r e n td a t am o d e l i n gm e t h o d s ，a n da l lo ft h i sm a k ed i f f i c u l t yi ns h a r i n g i n f o r m a t i o n ；o nt h eo t h e rh a n d ，d e p a r t m e n t se s t a b l i s ht h e i ro w ns y s t e m sa n da p p l i c a t i o n s ，l a c ko fu n i f o r m p o l i c i e sa n ds t a n d a r ds y s t e m ，e m p h a s i so nt h ev e r t i c a ll i n ea n di g n o r et h ea p p l i c a t i o no fh o r i z o n t a ll i n k s ，r e s u l t d i f f i c u l t i e si nd e v e l o p i n gc r o s s - i n d u s t r ya p p l i c a t i o n ，a n dc a nn o tb eg o o df o rb u s i n e s si n t e r a c t i o na n d i n f o r m a t i o ns h a r i n g i nt h i sp a p e r , o b j e c t - o r i e n t e dp o i n to fv i e w , s t u d ya n de x p l o r e ”d i g i t a lc i t y ”g e o s p a t i a l f r a m e w o r k , d a t ao r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n tm e t h o d sb a s e do nt h eo b j e c t - o r i e n t e dd a t am o d e l ( o o d m ) ，t h e m a i nr e s e a r c ht o p i c sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a no b j e c t - o r i e n t e dd a t am o d e l ( o o d m ) o nt h eb a s i so fo b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y , d e f i n i n gs i m p l eo b j e c t ( i n c l u d i n gs i m p l ep o i n to b j e c t ，s i m p l e l i n eo b j e c t , s i m p l es u r f a c eo m e c t , v o l u m eo b j e c 0a n dt h ec o m b i n eo b j e c t s ( i n c l u d i n gc o m b i n a t i o no fs i m p l e o b j e c t s ，c o m b i n a t i o no fm i x e dt y p eo b j e c t s ) ，a n dd e s i g nt h eo b j e c t - o r i e n t e dd a t am o d e l ，i t si n t r o d u c e sa n dl a y s f o u n d a t i o nf o rd i g i t a lc i t yg e o s p a t i a lf r a m e w o r kd e s i g n ( 2 ) d e s i g nd i g i t a lc i t yg e o s p a t i a lf r a m e w o r ks y s t e mb a s e do no o d m d e s i g nt h ea r c h i t e c t u r eb a s e d0 1 1t h ed c g f sd e f i n i t i o n s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dc l a s s i f i c a t i o n s ，i n c l u d i n g p o l i c i e sa n ds t a n d a r d s ，b a s i cd a t as y s t e m , s p e c i a ld a t as y s t e m ，n e t w o r ks w i t c h i n gs y s t e ma n da p p l i c a t i o n s e r v i c e ss y s t e m , a n dt h e nr e s e a r c ht h ec o m p o s i t i o na n dc o n s t r u c t i o no ft h e m ( 3 ) r e s e a r c ht h eo r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n to fg d f b a s e do no o d m g d fi st h em o s ti m p o r t a n ta n dc r u c i a lp a r to fd c g f , s oi t sv i t a lt oo r g a n i z ea n dm a n a g ei t , t h e o r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n to fg d f b a s e do no o d mw a sp r o p o s e d ，r e s e a r c hg d f sh i e r a r c h y , s t o r a g e s t r u c t u r e ，o r g a n i z a t i o n ，m a n a g e m e n tt oa c h i e v et h ec o m b i n a t i o ni np h y s i c a la n dl o g i c a l ，h e l pt os h a r ea n d a p p l yt h eg e o s p a t i a li n f o r m a t i o n ( 4 ) a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fd c g fb a s e do no o d m i i 桂林理工大学硕士学位论文 t a k et r a f f i cd a t aa sac 擞s t u d y , d e s i g nt r a f f i cd a t as y s t e ma n dt r a f f i ci n f o r m a t i o ni n t e g r a t e dm a n a g e m e n t b a s e do n0 0 d m t h i ss t u d yw i l lp r o v i d en e wi d e a sa n dp r o g r a m sf o re s t a b l i s h ”d i g i t a lc i t y ”g e o s p a t i a lf r a m e w o r kb a s e do n o b j e c t - o r i e n t e dm o d e l ，a n da sa l le x a m p l eo ft r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m , e x p l o r et h eu a f f i em a n a g e m e n t s y s t e mb a s e do nc i t y sg e o s p a t i a lf r a m e w o r ks y s t e m k e yw a r d s ：o b j e c t - o r i e n t e d ；d i g i t a lc i t y ；g e o s p a t i a l 丘a m e w o r k i l l 桂林理工大学硕士学位论文 目录 摘要- i a b s t r a o t l i 第一章绪论”1 1 1 选题背景l 1 1 1 数字城市的概念与内涵”1 1 1 2 问题的提出一2 1 2 研究现状3 1 3 研究目标及意义”5 1 3 1 研究目标一5 1 3 2 研究意义6 1 4 论文章节安排”6 第二章基于面向对象的空间数据模型构建”8 2 1 面向对象理论基础一：8 2 1 1 实体的描述8 2 1 2 对象的定义9 2 1 3 空间对象的关系1 0 2 1 4 空间对象的表达1 1 2 2 面向对象模型设计1 4 2 2 1 空间数据模型的建模1 5 2 2 2 面向对象建模方法：”1 6 2 2 3 面向对象模型化过程1 8 2 2 4 面向对象模型的体系结构”1 9 2 2 5 面向对象模型的主要特征2 3 2 3 本章小结”2 4 第三章。数字城市”地理空间框架体系设计”2 5 3 1 地理空间框架2 5 3 1 1 地理空间框架数据的定义”2 5 3 1 2 地理空间框架数据的特征2 6 3 1 3 地理空间框架数据的分类2 7 3 2 “数字城市”地理空间框架体系2 8 i 桂林理工大学硕士学位论文 3 2 1 政策法规与标准体系2 9 3 2 2 基础数据体系3 0 3 2 3 专题数据体系一3 2 3 2 4 网络交换体系”3 2 3 2 5 元数据3 3 3 3 本章小结3 3 第四章地理空间框架数据组织与管理3 4 4 1 地理空间框架数据层次结构3 4 4 2 地理空间框架数据存储结构3 7 4 3 城市地理空间框架数据的组织4 0 4 4 城市地理空间框架数据的管理4 1 4 4 1 传统g i s 空间数据管理方式分析4 2 4 4 2 面向对象数据库管理系统4 2 4 4 3 地理空间信息共享环境的建设4 3 4 4 4 空间数据引擎4 4 4 4 5 城市地理空间框架数据的关联一体化管理：4 5 4 5 本章小结。4 6 第五章基于地理空间框架体系的交通管理系统设计方法4 8 5 1 交通系统发展现状”4 8 5 2 城市交通系统结构4 9 5 3 城市交通数据体系5 1 5 3 1 城市交通对象的分层5 1 5 3 2 基于0 0 d m 的城市交通对象的关键要素5 2 5 3 3 城市交通对象拓扑关系的定义“5 7 5 4 城市交通信息的关联一体化管理5 8 5 4 1 与基础数据问的关联5 8 5 4 2 与其他专题数据间的关联一5 9 5 5 本章小结6 0 第六章结论与展望。6 1 致谢i 6 2 参考文献6 3 个人简介6 6 i i 桂林理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 城市是人类文明的象征，城市的发展与社会、经济和科学技术息息相关【1 1 ，在全球信 息化的强势推动下，“数字城市 的出现并非偶然，而是有着深刻的经济、社会和技术背 景。 ( 1 ) 经济背景：全球信息化经历着从技术革命向产业革命的转变产业革命推动了以加 工、处理和传播信息为特征的新兴产业，标志着拥有海量有用信息的信息对代的到来在 信息时代，知识经济成为主导全球的经济形态，信息成为人类社会发展生产力的基本要素， 人类对信息的获取和利用也成为经济发展的动力和新的经济增长点。 ( 2 ) 社会背景：随着城市发展进程的加快，环境污染、资源短缺、人口膨胀等均成为影 响城市发展的负面因素，迫切需要我们利用信息化分析和研究目前城市所面临的严重问 题，科学合理的利用信息资源，实现城市和社会的可持续发展。 ( 3 ) 技术背景：随着信息技术的不断发展与广泛应用，将3 s ( 地理信息系统g i s 、全球 定位系统g p s 、遥感系统r s ) 技术融合并应用到城市管理和建设中，能定位、定性、定量 的描述和分析城市地理对象，为“数字城市 的产生奠定了技术基础。特别是面向对象技 术的发展，结城市信息的描述、表达、组织、管理提供了新的理念和技术支持。 1 1 1 数字城市的概念与内涵 1 9 9 8 年1 月3 1 日，美国前副总统a ig o r e 在美国加利福尼亚科学中心发表题为数 字地球：二十一世纪理解我们这颗星球的方式( t h ed i g i t a le a r t h ：u n d e r s t a n d i n go u rp l a n e ti n t h e2 1 醴c e n t u r y ) ) ) 讲演时提出了“数字地球 概念，即“一个可嵌入海量地理数据的、多 分辨率的和三维的地球表示一，“数字城市糟概念正是源于此【2 l o “数字城市 是对城市发展方向的种描述，是数字技术、信息技术与网络技术在城 市生活中各个方面的体现，根据其不同的发展演变过程和不同部门的需求，人们对“数字 城市一的概念和内涵具有不同的解释与总结，最具代表性的有以下四种观点： ( 1 ) 建设系统认为“数字城市一是城市规划、建设、管理与服务的数字化，建设“数字 城市 就是要实施城市规划、建设、管理与服务的数字化工程。 ( 2 ) 测绘系统对“数字城市 的理解是：“数字城市 就是将真实城市以地理位置及其 相关关系为基础而组成数字化的信息框架，并在该框架内嵌入我们所能获得的信息的总 称，以提供快速、准确、充分和完整地了解及利用城市中各方面的信息。 桂林理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 管理系统对“数字城市 的定义是：“数字城市 就是基于3 s 等关键技术，深入开 发和应用空间信息资源，建设服务于城市规划、建设和管理，服务于政府、企业、公众， 服务于人口、资源环境、经济社会的可持续发展的信息基础设施和信息系统。 ( 4 ) i t 领域对“数字城市 的提法是宽带“数字城市 ，即通过建设宽带多媒体信息网 络、地理信息系统等基础设施平台，整合城市信息资源，实现城市经济信息化，建立城市 电子政府、电子商务企业、电子社区；并通过发展信息家电、远程教育、网上医疗，建立 信息化社区l 引。 综合以上观点，“数字城市概念可分为广义的和狭义的两种：广义的“数字城市” 即城市信息化，是指综合运用g i s 、g p s 、r s 、网络、多媒体及虚拟仿真技术，对城市的 基础设施、功能机制进行自动采集、动态监管和辅助决策服务的技术系统：狭义的“数字 城市 工程是指利用“数字城市 的理论，基于3 s ( g p s 、g i s 、r s ) 、网络、数据仓库、 知识挖掘、科学计算、可视化与虚拟仿真等关键技术，深入开发和应用空间信息资源，建 设服务于城市规划、城市建设和管理，服务于政府、企业、公众，服务于人口、资源环境、 经济社会的可持续发展的信息基础设施和信息系统【刖。 不论“数字城市 如何定义，其本质都是建设空l 司信息基础设施，并在此基础上深度 开发和整合应用各种信息资源，具有如下几点共同特征【3 l ： ( 1 ) “数字城市一的核心思想：最大限度的共享和利用信息资源； ( 2 ) “数字城市”的核心技术：地理信息系统( g i s ) 、全球定位系统( g p s ) 、遥感( r s ) 、 空间决策支持、管理信息系统、虚拟现实和宽带网络等技术； ( 3 ) “数字城市的主题：数据、软件、硬件、模型和服务； ( 4 ) “数字城市一的本质：基于网络的计算机信息系统。 1 1 2 问题的提出 “数字城市一地理空间框架的基本目标是实现地理空问数据的充分共享与利用，可是， 在城市的发展过程中，交通管理、环境保护、城市规划、旅游管理和政府部门等各个行业 和部门的数据不断积累，冗余，导致了海量空间数据量，给管理带来了困难。除此之外， 由于各部门的数据格式、采用的数据模型、管理信息系统软件都大不相同，致使地理空间 认知和地理空间数据组织方法存在差异性。在“数字城市一的建设中，各种弊端不断凸显 1 5 j ，这些不足主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 客观世界的整体特征要求难以得到满足 目前，大多数部门选用的数据模型均是以数据为中心，将现实世界中客观实体看成是 仅由点、线、面构成的数据层，以图层为基础对空间数据进行组织、存储、编辑和显示， 致使原本紧密联系的客观实体分开存储，难以满足客观世界的整体特性，不符合人们看待 2 桂林理工大学硕士学位论文 现实世界的思维习惯。 ( 2 ) 空间分析和决策分析难以实现 由于目前普遍选用的传统数据模型主要侧重于表达客观实体的几何构成，而忽视了其 语义关系与内部关系等g i s 空间查询与空间分析的基础，并且在对空间信息与属性信息进 行查询时，需要多次复杂的叠置、裁剪、运算并操作多个图层的空间数据，难以实现高层 次的空间分析和决策分析【6 l 。 ( 3 ) 空间信息共享要求难以满足 “数字城市 包括海量的信息资源，在信息共享上存在两方面的困难：一方面，经常 缺少合适的地理空间数据；另一方面，由于没有充分有效的利用已有信息资源而导致了地 理空间数据的重复生产，使空间信息不断积累和冗余形成“信息孤岛”，主要表现如下： 由于空间数据的标准不统一、数据形式和数据内容上存在很大差异，加载其上的专题信 息更羌法实现共享【3 l ；由于对同一地理现象的地理认知不同而导致不同部门对同一事物 有着不同的解释与应用。 通过以上分析发现，要实现真正意义上的城市信息化，必须进一步研究底层技术问题， 按照底层技术在“数字城市刀建设中的基本功能可以将其分为四种类型：数据获取与集成 技术、数据存储与管理技术、数据传输与共享技术、数据应用与表现技术。而g i s 空间数 据模型是这些底层技术得以实现的基础，基于此，本文以面向对象为主线，对面向对象空 间数据模型及相关技术进行了系统、全面地分析、研究和探讨，设计了基于面向对象模型 的“数字城市一地理空间框架( d i g i t a lc i t yg c o s p a t i a lf r a m e w o r k , d c g f ) 体系，并研究了 地理空间框架数据的层次结构、存储结构、组织方式、管理模式等内容，为“数字城市 建设、城市空间信息的管理、交换和共享机制建设等提供了综合性技术和解决方案。 1 2 研究现状 数字化地理空间框架( d i g i t a lg e o s p a t i a lf r a m e w o r k , d g f ) ，是国家空间数据基础设施 ( n a t i o n a ls p a t i a ld a t ai n f r a s t r u c t u r e ，简称n s d i ) 在我国通俗直观的表述目前，各个国家 对n s d i 均做出了一些相应的研究。 ( 1 ) 在美国，早在1 9 9 4 年，美国总统即已颁布名为“空间数据的获取与存储：国家空 间数据基础设施 的1 2 ，9 0 6 号总统令【别，提出建立国家空间数据基础设施( n s d i ) ，并定义 n s d i 为“地球空间数据获取、加工、存储、分发以及有效利用和推动其发展所采用的技 术、政策、标准和人才资源。其内容主要包括地理空间数据框架、空间数据交换网络、 空间数据法规与标准以及空间数据协调管理机构等4 个部分。 ( 2 ) 在英国，国家空间数据框架( n a t i o n a lg e o s p a t i a ld a t af r a m e w o r k ，n g d f ) 是在1 9 9 5 年英国地理信息协会年会a g i 9 5 上提出来后，在政府、企业和个人对创建n g d f 重大需 3 桂林理工大学硕士学位论文 求的驱动下，得到英国军械测量局的支撑而发展起来的。 ( 3 ) 在加拿大，数字化地理空间框架建设的宗旨是：通过联邦州及地方政府与私营部门 合作，发展空间数据的访问战略，设计相应的系统：发展数据访问协议，引导数据集成： 建立现有数据资源的元数据库：改造现有的系统和数据库，确保其互操作性；增强现有的 或增加新的软、硬件设备，以建立一个“公共窗口 把数据提交给用户。 ( 4 ) 亚太地区g i s 常设委已开发了一个地理空间框架的模型，该模型由机构体系、技术 标准、基础数据和接口网络等4 个核心部分组成。空间数据框架的主要内容包括大地控制 网、高程、水系、交通、居民地、地名、植被、自然灾害、政区、土地利用等。 ( 5 ) 在我国，数字化地理空间框架的建设得到党和政府以及科技界的高度重视，建设部 于2 0 0 1 年已开始积极推进“数字城市 地理空间框架建设、数字社区等城市数字化工程 试点工作。目前，北京、上海、广州、武汉、宁波、重庆等多个城市都在推进城市信息化。 具体工作是基于“3 s ”( g i s 、g p s 、r s ) 等关键技术，建设服务于城市规划、建设、管理， 服务于政府、企业、公众，服务于人口、资源、环境、经济与社会可持续发展的信息基础 设施和信息系统【埘。 从数字化地理空间发展情况来看，地理空间框架中最重要的部分就是空间数据，它是 整个地理空间框架的“血液 ，贯穿于地理信息系统从设计开发到投入运行的全过程。而 空间数据模型是g i s 空间数据组织和数据处理算法设计的理论基础，因此，空间数据模型 的研究现状直接关系到“数字城市一地理空间框架的建设。 从二十世纪六十年代g i s 产生以来，空间数据模型一直是g i s 研究的基本问题，许多 专家学者在这一领域展开了多方面的研列1 1 】。 在g i s 发展的早期阶段，g i s 数据模型直接采用文件系统来存储和管理空间数据，最 具代表性的是c a d 数据模型，它以二进制文件格式存储地理空间数据，并以点、线、面 的形式对其进行表达，这种存储方式结构简单，便于操作，但只能存储少量的属性数据， 且属性表达方式以地图图层和注记为主，致使空间要素的属性信息不能完全得到表达，其 功能仅适合小型g i s 系统，并且基于文件的存储模式不能建立空间数据间的拓扑关系，难 以满足g i s 对空间数据分析的需求。 在8 0 年代末、9 0 年代初出现了c o v c r a g e 数据模型( 也称地理关系模型) ，它比c a d 数 据模型有了较大的改进。首先，它支持属性数据，能够将二进制文件中的空间数据与数据 库中存储的属性数据连接起来；其次，它存储了矢量数据的拓扑关系。因此c o v c r a g c 数据 模型不仅提高了对地理空间信息的表达能力和数据的分析能力，而且提高了数据录入的准 确性【1 3 】。但由于它仅用点、线、多边形等几何元素描述空间实体，且将实体的空间数据和 属性数据分开存储，所以它在对空间实体或现象的显示定义和基础关系的描述以及空间数 据的组织和关联过程中也存在很多不足之处。 随着面向对象技术的成熟和广泛应用，对g i s 数据模型又提出了新的要求，即利用面 4 桂林理工大学硕士学位论文 向对象方法对地理空间数据和数据间的相互关系进行组织、存储、查询和处理。在9 0 年 代中后期，符合要求的面向对象数据模型诞生了，它突破了关系模型模式的限制，以独立、 完整、具有地理意义的客观实体为单位进行地理空间表达与数据组织，支持对象的嵌套和 变长记录，能够将空间数据与属性数据有机地组织在一起并统一存放。且利用该模型抽象 出来的客观实体是具有属性、行为与规则的对象类，对象之间具有一定的联系，每个对象 均封装了若干属性和一组操作，具有继承、联合、扩展等特性，能够更好的描述和模拟现 实世界。 面向对象数据模型作为一种新型的数据模型，它克服了传统g i s 数据模型的局限性， 以对象的模式管理地理空间信息，具有修改方便、检索快速、空间分析容易的优点，在处 理复杂地理对象的过程中具有很大的优势。1 9 9 9 年张锦提出了面向对象的超图空间数据模 型【1 4 1 ，2 0 0 3 年，吴江斌的硕士论文将面向对象数据模型用在了城市三维地层信息系统中， 系统地研究了面向对象技术在三维空间数据模型中的应用1 1 5 l ，2 0 0 6 年，付哲在他的博士论 文中提出了基于特征的面向对象虚拟g i s 数据模型，实现了面向对象技术在虚拟g i s 数据 模型中的应用1 1 6 1 ，2 0 0 7 年，孙妍在他的硕士论文中提出了一种基于事件的面向对象时空数 据模型，有效的将面向对象技术用在了时空数据模型中1 1 7 】。此外，如h q o s 5 7 、o p e n g i s 、 s a i f 、i s o 厂r c 2 1 、s d t s 等g i s 数据标准中的数据模型均采用面向对象g i s 数据模型。在 商业上，e s r i 公司已经推出的g e o d a t a b a s e 面向对象数据模型【培l ，国产g e o s t a r 软件应用 的数据模型是基于面向对象思想的图形数据、属性数据、d e m 数据与影像数据高度集成的 数据模型【1 9 1 ，s u p e r m a p 软件采用面向对象整体g i s 数据模型 2 0 l 。随着地理信息科学与社 会经济一体化的发展，多学科多部门的协作要求越来越突出，基于这种考虑，本文采用面 向对象方法来设计“数字城市 地理空间框架( d i 百t a lc i t yg e o s p a t i a lf r a m e w o r k , d c g f ) 。 1 3 研究目标及意义 1 3 1 研究目标 “数字城市一的目的是在以城市空间数据为主的城市地理空间数据框架内嵌入系统和 全方位的城市信息，以实现数字化重现和认识真实城市，在此基础上采用数字化手段处理 与分析城市问题，提供信息服务【2 。因此，城市地理空间数据是“数字城市一的骨架，是 “数字城市一建设中后续工作的前提和基础瞄】。本文的研究目标是在“数字城市总体目 的和规范性、标准化、先进性等原则的指导下、在基于面向对象模型的的基础上，设计“数 字城市 地理空间框架( d c g f ) 体系；研究“数字城市一地理空间框架中的核心部分，即地 理空间框架数据的数据结构、组织方式、存储模型与管理模式；确定地理空间框架数据间 的关联关系，以实现城市地理空间信息的共享和一体化管理与多源城市地理空间信息的应 5 桂林理工大学硕士学位论文 用与发布等问题。 1 3 2 研究意义 城市地理空间框架的建设与应用水平是个城市国民经济和社会信息化水平整体实 力的重要体现，因此，在城市信息化过程中，“数字城市 地理空间框架的建设首当其冲。 建设地理空间框架的重要环节和核心内容是：选用何种数据模型对地理空间框架数据进行 组织和管理? 如何进行空间数据建模和空间数据库设计? 如何确保空间数据的完整性和 一致性? 如何高效地访问和维护空间数据库等2 4 l ? 由于目前普遍选用的g i s 数据模型表达的是人们对地图而不是现实世界的认知，致使 地理空间数据难以被理解和接受，不能满足城市信息化和城市地理空间框架建设的需求 1 2 5 1 0 因此，本文提出了基于面向对象模型的“数字城市”地理空间框架体系，对地理空间 框架数据的组织直接面向真实的地理世界，能有效地解决现实世界的完整性与准确性表 达、语义表达和推理等问题，实现多源和多类型数据的无缝连接与整合，保证地理空间框 架数据的一致性、兼容性和共享性，这些研究对“数字城市的建设具有重要的现实意义。 1 4 论文章节安排 本文在充分研究和分析“数字城市 的概念与内涵、空间数据模型和“数字城市 地 理空间框架的基础上，提出了基于面向对象模型的“数字城市 地理空间框架体系，主要 研究内容包括： ( 1 ) 面向对象空间数据模型的基本理论； ( 2 ) 设计了“数字城市 地理空间框架体系，包括政策法规与标准体系、基础数据体 系、专题数据体系、网络交换体系和应用服务体系； ( 3 ) 基于面向对象模型的“数字城市 地理空间框架数据层次结构； ( 4 ) 基于面向对象模型的“数字城市地理空间框架数据的存储结构； ( 5 ) 基于面向对象模型的“数字城市 地理空间框架数据的组织 ( 6 ) 地理空间框架数据的关联一体化管理； ( 7 ) 地理空间框架中交通数据体系的设计； ( 8 ) 交通信息的关联一体化管理。 本文以以上几个主要研究模块为主，具体研究路线如图1 1 所示： 6 桂林理工大学硕士学位论文 - 一一- - - - - - - 。- - - - 一 第一章研究问题的提出 1 分析并i i 提出问题i 二二二i ! 二二二i 二i !