（摄影测量与遥感专业论文）多尺度空间数据集成方法研究与应用.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 本文围绕多尺度空间数据集成的几个问题展开讨论：首先讨论了 多尺度空间数据模型的表达和多尺度空间数据模型的概念模型，并给 出了矢量空间数据的逻辑模型，设计了空间数据在数据库中的存储结 构：接着，针对基于特征的空间数据模型，结合对象一关系模型管理空 间数据的方式，讨论了其特点和实现策略，并就在该模型的基础上探 讨了o r a c les p a t i a l 和o r a c l ei n t e r m e d i a ：然后对空间数据进行入 库处理，并将矢量模型建立多级r t r e e 索引，影像数据进行分块建立 四叉树索引结构；最后以“多尺度空间数据集成系统”为例，给出了 多尺度空间数据集成的实现方案。 关键词：多尺度、基于特征的空间数据模型、要素关联模型、多级 r t r e e 、o r a c l es p a t i a l 、o r a lc ei n t e r m e d i a 辽宁工程技术大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t t h i sp a p e ri sc o n c e r n e dw i t hm u l t i s c a l es p a t i a ld a t ai n t e g r a t i o nt o d i s c u s s f i r s t l y ，w ed i s c u s s e dt h ee x p r e s s i o no fm u l t i - s c a l ed a t am o d e l a n dt h ec o n c e p t i o nm o d e l ，w h i l ew eg i v eo u tt h el o g i c a lm o d e lo ft h e v e c t o rm o d e l ，t h e nd e s i g n e dt h es t o r a g em o d e li ns p a t i a ld a t a b a s e s e c o n d l y ，w ed e s c r i b e dt h ef e a t u r e - b a s e ds p a t i a ld a t am o d e l ，c o m b i n e d t h es p a t i a ld a t am a n a g e m e n ti no b j e c t r e l a t i o nm o d e l ，t h e nd i s c u s s e di t s r e a l i z a t i o na n di t sc h a r a c t e r i s t i c b a s e d o nt h e s e ，w ed i s c u s s e dt h e o r a c l es p a t i a la n do r a c l ei n t e r m e d i a ，t h e nw es t o r a g et h es p a t i a ld a t ai n t h ed a t a b a s e ，a n dc r e a t e dt h eq u a r d - t r e ei n d e xa n dm u l t i s c a l e r - t r e e i n d e x i nt h ee n d ，w et a k et h e “m u l t i s c a l es p a t i a l d a t a i n t e g r a t i o n s y s t e m ”f o re x a m p l e ，g i v e o u tt h es o l u t i o no ft h em u l t is c a l ed a t a i n t e g r a t i o n k e y w o r d ： m u l t i s c a l e ， f e a t u r e b a s e d s p a t i a l d a t a m o d e l ， f e a t u r e r e l a t i o nm o d e l ，m u l t i - s c a l er - t r e e ，o r a c l es p a t i a l ，o r a l c e i n t e r m e d i a 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 研究目的与意义 空间信息，特别是具有地理参考特征的各种属性信息，约占信息总量的 7 5 8 0 薯( m c k e e 。1 9 9 6 ) ，因此对地理空间数据的开发利用尤为重要地理 空间数据不仅内容丰富，信息量大，而且结构复杂，利用开发难度大，所以 它的处理和应用已成为世界各国学术界和产业界在多学科交叉领域研究和 开发的对象 在发达国家已不是提供单一比例尺地理空间数据应用。尤其是近年来在 反恐方面需求，灾害防治需求、环境保护、城市安全、城市应急事务处理等 方面数据需求已是包括多源的，并且是多比例尺空间数据有机集成应用解决 决策支持的数据支撑。加拿大美国等发达国家在地理空间多尺度多源数据集 成方面的研究与应用是走在世界前列的其特点都是国土面积大，资源类型 多，地貌类型复杂，凭单一比例尺和单一数据源无法解决复杂问题 我国也面临着同样的需求问题，自8 0 年代开始建立基础地理信息数据 库以来，相继建成了1 ：1 0 0 万，1 ：2 5 万数据库，1 ：5 万数据库各省市 地方也都围绕着城市建设、大型基础建设工程等方面建立了1 ；1 。万、1 ：5 0 0 0 和1 ：1 0 0 0 及1 。5 0 0 比例尺的数据库尤其是近年来对遥感资料需求增加， 配合数据更新也都建设了不同尺度的遥感影像数据库，丰富了数据源和数据 产品。国家级数字地球空间数据框架和国家空间数据基础设施建设已初具规 模，其具有多尺度、海量数据的特点它们在社会的发展以及重大自然灾害 的速测速报和灾情评估中发挥了重要的作用。随着社会进步和经济能够可持 续发展。政府也在社会综合管理方面不断进行信息化革命，提高执政能力， 尤其在社会的突发事件应对和决策处理中，更是需要综合信息集成应用才能 满足快速准确和决策正确要求 通过国家建立的基本比例尺及中小比例尺的地形图数据库数据与地方 部门建立的大比例尺地形图数据库数据能够紧密的有机联合集成起来，扩大 了原有单一比例尺数据库数据应用与服务面，提升社会整体应用层面和水 平尤其是在国家层面中的农业、地质灾害防治和环境治理等的领域应用需 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 求，靠单一比例尺数据库信息提供已经远远滞后于应用现状，对多尺度地理 空间数据集成应用需求非常迫切因此，多尺度地理空间数据库数据集成应 用的实现将推动国家信息化应用进程，在技术和应用上弥补地理空间数据比 例尺间信息的不相关性和包含性，也使得测绘行业在国家地理空间框架建设 应用中，提供全视野的基础信息社会服务 1 2 国内外研究现状 早在1 9 8 8 年，美国国家地理信息与分析中心( n c g i a ) 就在其创新研究 计划中开始提出研究多尺度空间数据集成问题，并且还多尺度空间数据集成 定义了五个研究领域：数据模型、多重表达之间的链接、所实现视图的维护、 空间模拟、综合问题等1 9 9 2 年s m a l l w o r l d 的r i c h a r dg n e w e l l 等人将空间 数据的多尺度处理与集成列入g i s 领域十个困难问题之一1 9 9 6 年6 月美国 大学地理信息科学协会( u c g i s ) 也将该问题列为未来十年地理信息科学的 十个优先研究领域之一英国的军械测量局( o s ) 是负责进行全英地形测绘 的政府部门为适应新的信息社会需要，于2 0 0 0 提出了多尺度空间数据集 成框架，主要面向全国各个行业提供权威、一致的、多尺度的空间数据，便 于用户选取他们所需的地图信息内容，并与2 0 0 1 年提供在线服务。德国针 对全国多尺度空问数据不兼容和不一致问题，与1 9 9 6 年建立了全国地理数 据中心( n a t i o n a lg e o d a t ac e n t e r ，g d z ) ，负责对各州测图局的数据进行集成， 包括多尺度的面向对象的无缝房产及地籍数据、地形图数据等。目前，g d z 正在将多尺度空间数据整合为a f i s 应用模式，该模型以i s 0 1 9 1 1 5 - i s 0 1 9 1 1 9 系列标准和最新数据库技术为基础，其集成内容包括参考模型、语义模型、 要素分类的语义协调、历史数据管理等加拿大、澳大利亚等国也在进行多 尺度空间数据集成的相关计划目前，我国对多尺度空间数据集成的研究还 处于初级阶段，还未见到较为成熟的多重表达数据库 1 3 章节安捧 全文内容安捧如下： 第一章为绪论简要介绍了多尺度空间数据集成在国内外的发展现状， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 并介绍了研究的目的和意义 第二章介绍了地理空间数据多尺度表达模型的现状，并介绍了几种典型 的多尺度地理空间数据表达模型，同时分析了各个模型的优缺点 第三章详细论述了多尺度空间数据模型设计，并给出了多尺度数据模型 中几何信息的详细设计 第四章阐述了多尺度空间数据入库问题，通过比较传统的多尺度空间数 据库存储中存在的问题，在比较了o r a c l es p a t i a l 和a r c s d e 的相关性能后自 行设计了多尺度空间数据库的入库，并实现了空间对象的无缝组织。 第五章阐述了多尺度空间索引的构建，阐述了多种空间索引的相关性 能，提出了多级r - t r e e 的索引结构，实现了多尺度空间数据的快速索引和 快速匹配显示 第六章介绍了多尺度空间数据的集成与实现以及相关系统的功能模块 设计 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 2 地理空间数据多尺度表达模型的现状 2 1 地理空间数据的表达 在地理信息系统中，空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、 社会、人文经济景观数据，可以是图形、图像、文字、表格、数字等。它是 由系统建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘或其他系统通讯输入g i s ，是系 统程序作用的对象，是g i s 所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容( 邬 伦等，2 0 0 1 ) 在g i s 中，空间数据主要包括： 点( p o i n t ) ：点状要素是用空间中的一个点来表示地理要素，无长度、 无面积的概念，如井、电线杆等点的一个关键属性由它的地理编码坐标来 表示 。 线( l i n e ) ：线状要素表示在空间中呈现一段连续曲线或直线的地理要素， 有长度但无面积概念加入地理编码后可以一系列的点来表示如道路、输 电线路等 面( a r e a ) ：面状要素可以是由无数点构成的连续区域的地理要素，是一 个封闭区域，可以是一组空间坐标或若干线状目标或若干描述项共同表示， 具有面积概念如湖泊、水库、行政区等 层( l a y e r ) ：层是具有相似属性的一组空间物体的集合层提供了一种扩 充区域。一幅地图常常要分成多个层次来存储，如水系、道路、居民地等。 在数据库中层的组织方法随着应用目的的不同其划分层次也不同在组织和 构造地理数据时，如下两个因素是需要考虑的：特征类型( 典型做法是将点、 线、面放在不同的图层中) 和特征主题( 将河流组织在一个层上，道路组织 在一个层上) 上面介绍的是四种基本的对象，也称为点、线、面等对象，他们都能对 应描述现实世界中的某些实际地物而对于注记等文字对象，可以嵌入到基 本对象中，作为它的属性存在。也可以单独出来为一种基本对象。在本文中 将采用一种面向对象的、基于特征要素的数据模型，这将在稍后的章节中介 绍 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 2 几种失型的多尺度地理数据模型 随着数字地球、数字省、区域和数字城市研究与应用深化，多分辨率空 间数据库模型理论与技术的研究已成为g i s 研究的热点之一 龚健雅，等 2 0 0 0 ；陈军，等2 0 0 0 ：c b j o n e se ta l ，1 9 9 6 ，北欧地区于2 0 0 1 年在挪威以 多分辨率g i s 为题召开了专门研讨会 j a nt c r j ea n dh a r v a r dt v e i t e ，2 0 0 1 ， 会议对多分辨率g i s 定义为：以不同的分辨率水平浏览、管理或表现空间信 息内容，典型的多分辨率例子为空间对象存在多个预定义分辨率水平的几何 表现，这些不同的分辨率水平表现或者是存储多个版本，或者是应用综合方 法动态创建基础数据库的构造和多个综合数据库的派生视不同情况，其复 杂度和难易读取程度存在很大差别，主要的挑战是提出有效的存取和更新已 有数据，集成新的数据和在同一时间、一致性地管理空闻数据的多个综合版 本的模型和方法 本论文的主要研究内容为多分辨率空间数据模型的理论和实现技术。本 节根据已发表的相关论文和文献，按照其实现机制进行总结分类，得到如下 四种数据模型： 2 2 1 拓扑关系数据模童 拓扑关系数据模型以拓扑关系为基础组织和存储各个几何要素，其特点 是以点、线、面间的拓扑连接关系为中心，它们的坐标存储有依赖关系。典 型的拓扑数据模型如e s r i 公司的c o v e r a g e 数据模型，在一个c o v e r a g e 存储 结构中，坐标数据放在文件系统中，拓扑属性和其他属性放在特征属性表中。 特征属性表分为点属性表( p a t ) ，弧属性表( a a t ) ，节点属性表( n a t ) ， 和多边形属性表( p a t ) 这些属性表一般以二进制形式存放在关系数据库的 二位表格中，一条记录对应一个点、线、面类型的几何元素 拓扑关系数据模型的主要优点是数据结构紧凑，拓扑关系明晰，系统中预先 存储的拓扑关系可以有效提高系统在拓扑查询和网络分析方面的效率但也 有不足其缺点如下；( 1 ) 滩以表达复杂的地理实体由于拓扑关系组织的 要求，一个完整的简单实体在拓扑关系模型中有时需要被分解为多个几何要 素( 如一条河流本是一个完整的实体，但为了记录拓扑邻接信息，只有对其 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 在于其他实体邻近的地方进行分段，这样一个完整的实体就被分成多个几何 要素，这种情况在三蛱库区的基础地理空间数据库中极为常见) 复杂地理 实体有多个简单实体组合而成，自然也常常被分解在本论文中，通过合适 的设计模式，使用基于特征的空间数据模型，较好地表达了地理实体( 2 ) 对单个实体的操作效率不高由于拓扑数据模型面向的是整个空间区域，强 调的是个几何要素之间的连接关系，因此添加、删除、修改某一实体时，将 会涉及到一系列的文件和关系数据库表格。空间数据更新困难。 2 2 2 面向对象的致据模型 采用面向对象技术，即把g i s 要处理的地理目标，抽象为不同的对象， 建立各类对象的联系图，并将各类对象的属性与操作封装在一起。一般是将 地理空间目标对象抽象为节点、弧段上的内点、弧段、点状地物、线状地物、 面状地物、复杂地物、无拓扑关系的面条地物( 等高线) 、专题层、工作区、 工程等一系列对象 龚健雅，1 9 9 5 ，利用面向对象的数据模型可完成三维空 间数据模型 龚健雅，1 9 9 7 、时态空间数据模型、多分辨率数据模型等模型 的初步定义 孙敏，等1 9 9 8 3 著名的g i s 软件公司e s r i 在基于面向对象 技术的新版本数据库中推出了一种新的g i s 数据模型一一g e o d a t a b a s e 在 g e o d a t a b a s e 中融入了面向对象的核心技术，如类、对象、封装、继承等思 想和技术，给用户提供了大量实体对象模型( 如河流、道路、建筑等) 让用 户摆脱了抽象的点、线、面模型，使用户的操作更加简便和接近现实世界。 总的说来，面向对象的模型有如下优点： ( 1 ) 可以建立自然的、充分表示现实世界地理空间的概念模型； ( 2 ) 面向对象的地理数据模型提供了概念模型到逻辑模型以至物理数 据模型一致的表示方法： ( 3 ) 面向对象的系统特性可以使g i s 成为开放的系统； ( 4 ) 数据的多态性： ( 5 ) 为建立构件式和分布式g i s 提供了基础； ( 6 ) 可以在g i s 中增加知识的表示方法，以支持更高级的空间分析和辅 助决策 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 面向对象的技术是当今国际信息技术领域流行的模型和系统构造方法， 具有无比的生命力。但是我们也应该强调由于其是一种通用的信息处理技术 s t r o u s u p ，1 9 8 6 ，所以在构造g i s 模型和计算时，常令研究人员感到茫然， 典型的表现为； ( 1 ) 基于层和几何特征的g i s 概念模型与面向对象的思想差距较大 ( 2 ) 即使利用面向对象的方法完成了g i s 的空间对象定义，并实现了 对象的分类、概括和聚集类的联合、继承和封装等，但在空间关系 的构造和空间计算的模式确定方面仍然缺乏具有全面知道面向对 象g i s 空间模型的理论。如，如何把集中式的g i s 海量数据进行分 布式存储，并进行分布式运算等 ( 3 ) 基于点、弧段、线、多边形、复杂对象定义只能抽取g i s 空间现 象的一般特征，不能满足空间现象多变、突变、关系蕴涵的复杂要 求，实现空间解算功能有限 综上所述，虽然面向对象方法给g i s 系统设计和功能实现带来了前所未 有的方便与快捷，但是仅有面向对象的模型或方法是不够的面向对象的空 间数据模型应该是g i s 数据模型的一部分，但需要强调的是面向对象程序设 计方法则是实现g i s 系统和计算的最重要的方法 2 2 3 基于特征的空间囊据模型理论 基于特征( f e a t u r e b a s e d ) 的建模方法是在2 0 世纪8 0 年代出现的、相 对于空间数据图层组织方法而提出的新方法由于基于特征的建模方法更适 合于人们对现实地理世界的理解方式因此，它一出现便立即引起g i s 界的 极大关注，并立即被应用于g i s 系统开发及应用实践中，其中最重要的应用 领域有两个：一个是g i s 标准化研究及标准制定；第二个是基于特征g i s 数 据库的开发工作特征g i s 数据模型以基于实体的观点来看待地理现象，将 地理现象表示为g i s 特征和关系特征的定义既反映了真实的地理实体，又 包含了对实体的数字描述特征结构提供了直接获得空间、专题以及时间方 面的属性和关系的方法，从而支持多种表达和多种几何结构，诸如矢量和橱 格，这种丰富的结构对于空间分析和复杂地理过程模拟具有重要的价值。 董 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 鹏，张锦，1 9 9 9 基于特征的g i s 系统( f b g i s ) 强化了空问特征固有的内在联系。典型 的特征对象部件有：唯一标志符、位置信息、非空间属性、拓扑关系和方法。 如学校由教师、学生、管理人员和教辅人员、实验室等组成，在空间分布的 学校各组成单元有其特有的界定属性和包含、组成和空间拓扑关系。而基于 层的g i s 系统空间要素和特征之间的非空间关系需要构造，系统并不重视这 种自然的关系。 a g a t h a y t a n g 等人针对基于特征的g i s 系统设计了一个空间数据模型一 一面向对象的特征模型 a g a t h ay t a n ，t e r e a dm a d a m s ，1 9 9 6 该模型采用 面向对象方法以整体的方式来体现地理特征和关系基于特征的面向对象 0 i s 系统中创建两种对象类型，即几何对象和特征对象。特征对象是基本元 素，特征对象封装几何对象基于特征的面向对象的g i s 还提供抽象机制。 通过使用面向对象技术，使复杂对象的表示和f b g i s 系统的实现成为可能。 同时，面向对象方法及其抽象机制的应用，使特征g i s 模型的语义更加丰富， 从而能够很好地表示复杂地理现象和实体下图是关于特征的表示方法： 圈2 - 1 特征表示法 e l y n nu s e r y 等，1 9 9 6 3 根据特征表示法的模型图，我们给面向对象基于特征模型的g i s 系统创 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 建两种对象类型，即特征对象和几何对象类型不管表示形式如何，一个特 征对象用来描述一个地理特征的非空间特性一个几何对象存储有关地理特 征空间位置信息其具体表示方法见下图： 一个l 螈碱i 图2 - 2 特征对象、几何对象之间的关系 在基于特征的系统中，特征对象是基本元素，特征对象封装几何对象 因为几何对象存储特征对象的位置信息几何对象包含一个标志符，另外还 有特征的位置和拓扑信息关于特征对象、几何对象之间的关系及其在具体 系统中的应用将会在下面章节中详细论述 在多分辨率的空间数据模型中，还有一种比较流行的模型：超图模型。 该模型引起了不少专家学者的研究兴趣 2 2 4 超圈模型 超图模型最早是法国巴黎大学的f b o u i l l e 教授于1 9 7 7 年提出的 毋河 海，1 9 9 1 ，中国的崔伟宏研究员和美国的r u g g 教授在该领域进行了卓有成 效的研究，使之逐步完善起来超图模型是在工程数据库尤其是空间数据库 管理需求的推动下，在抽象数据模型、语义网络和面向对象建模思想等基础 上发展起来的，并迅速在g i s 空间数据建模等多方面获得应用f b o u i l l e 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 的提法叫超图数据结构h b d s ( h y p e r g r a p hb a s e dd a t as t r u c t u r e ) i f b o u i l l e ，1 9 t 7 h b d s 的主要着眼点是将数据的结构模拟与语义的模拟有 机地融合在一起对于数据结构及基于此的建模往往与图的概念联系在一 起，层次模型与网络模型均是如此，其中图由节点和弧构成，节点以其多表 示的内容赋值，弧则可表示节点间的关系数据语义的表达可通过集合论形 式化属性间的语义关系来实现，将数据结构的有向超图表示和集合论的形式 化表达结合在一起就形成了超图数据结构，将超图数据结构应用于g i s 空间 数据建模就形成了超图模型。应用面向对象的模型理论集成超图模型就形成 了超图对象模型其主要特征元素有：类、对象元素、类元素、对象类元素、 类关系、对象关系见图2 3 圈2 3 超图模型表示方法 类是表示具有相同的一些性质并可能表示成相同的关系 对象元素是某一类的元素，具有该类的性质 类属性是该类全部元素可具备的性质，对于该类某些元素可为值。 对象元素属性为其所属类的属性的实例值 类关系表示类与类之间的联系或者二元关系关系的两端可为同一个 辽宁工程技术大学硕士学位论文 类，表示同类对象的联系。两个类之间可有多种关系 对象关系表示类关系的具体化，表示具有对象的关系，以对象与对象 之间的弧表示 l a u r i n i 、r o b e r t 和d e c kt h o m p s o n ( 1 9 9 2 ) 指出，在不久的将来，超图 将广泛应用于空间信息系统中，或者更确切的说，未来的空间信息系统将建 立在超图概念的基础上 目前。关于超图数据模型g i s 空间数据模型的研究，仍然主要是利用超 图模型的思想，即仅建立了超图模型的概念模型。关于超图模型研究发表的 文献资料，主要还是集中在模型框架的研究，对于应用超图模型表达空间关 系、特征关系和数据组织方法的研究的成果发表较少，其具体实现起来还有 一定的难度 综合以上几个多分辨率空间数据模型的概述，在本论文中将采用基于特 征的空间数据模型来组织和存储数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 多尺度空间数据模型的建立 数据模型的设计是信息系统设计的核心和首要问题，它表达了设计人员 对客观世界的认识和抽象地理信息系统与一般信息系统最大的不同是其管 理、分析、表示及描述空间概念的能力尽管目前g i s 不论在技术上还是在 实际应用上都取得了很大的进展，但由于g i s 领域本身缺少有效的对空间数 据进行多尺度处理的理论和方法，缺少完善的空间数据模型支持和完备的空 间数据库管理系统，使得g i s 的未来发展和应用面临的一个主要问题是需要 研究新的空间数据模型( m e n n i s ，p e u q u e ta n dg u o ，2 0 0 0 ) 多尺度空间数据模 型应该可使系统能够理解在不同尺度上的空问对象在参考同样的地理实体， 根据此模型能提供多尺度空间表示所需要的、穿越多层次鉴别对象的能力， 同时多尺度的空间数据模型还必须提供动态的、增量式的数据修改能力，以 实现实时的数据更新、动态的拓扑维护和可视化 k n o p f l i ，1 9 9 6 3 1 基于特征的多尺度空问敦据模型表达向怎 与传统的基于图层的地理关系模型相比，面向对象的特征g i s 建模方法 是一种在较高抽象层次上的建模方法，具有较好的地理信息认知观，同时亦 很好解决了利用面向对象的原理与方法来定义和建立空间关系和非空间关 系特征g i s 空问数据模型对地理现象的数字表示和空间描述更加完备、更 具有整体性，除了表达空间目标之间的拓扑关系，还表达了特征对象之间的 非拓扑和属性语义关系，而这些在传统的基于图层的g i s 模型中被遗漏掉。 多尺度空间数据建模与传统的单一比例尺的数据建模不同，他需要挖掘出各 要素不同比例尺抽象表达间的隐含的语义关系和尺度联系，建立不同比例尺 抽象层次间实体和关系间的联系，以协调多比例尺表达间的不一致。p h i l i p p e 和m i c h e l ( 1 9 9 4 ) 、k i l p e l a i n e n ( 2 0 0 0 ) 等研究了多尺度空间数据模型后，认 为其应满足的以下4 个必要条件： ( 1 ) 应能反映出多尺度表达间的层次关系； ( 2 ) 能对对象进行不同尺度层次下的几何语义描述； ( 3 ) 应能建立从属性到包含该属性的实体的映射； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( 4 ) 应建立各尺度间的联系： 3 2 基于特征的多尺度空间数据模型的框架结构 根据目前相关资料和已发表的相关论文，我们思路是从逻辑上和物理上 的无缝数据库出发，抽象出如下框架结构图： 圈3 - 1 基于特征的空间敦据模型框架结构 一个完整的无缝空间数据库可以被看成一个。工程”，换句话说，。工程” 中的地物要保持存储、表达的完整性和一致性例如，对于长江，在“工程” 中具有惟一的几何标识和地物标识，而不是按照分幅管理中被切割成多个地 物。 在。工程”下面我们进一步划分为。工作区”，。工作区”的概念是为了 方便使用空间数据库，可以说是在应用时的。工程”的临时子集，可以按规 则大小划分，也可以相互嵌套，最大甚至可以为整个工程“工作区”可以 包含任何区域、任意一层或多层地物工作区中的主要内容包括地理空间数 据的描述、数据来源、生产年代、地图投影、数据精度、分辨率、比例尺等， 即g i s 数据库中的数据字典或元数据( m e t a d a t a ) 。地理要素层”( l a y e r ) 定义了一组在地理意义上相关的地理要素( 对 象) 倒如把。工作区”分为交通、水系、居民地、境界等几大地理要素类， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 每个地理要素对应一个地理要素层每个地理要素层在数据组织和结构上相 对独立，数据更新、查询、分析和显示等操作于地理要素层为基本单位，地 理要素层除了管理和存储某类地理要素以外，还需要建立地理要素之问的拓 扑关系 “地理要素”( f e a t u r e ) 是地理实体和现象的基本表示一个地理要素 可以被看成一个对象，其内容主要包括空间特征和属性特征按照面向对象 的技术，一个描述地理特征的对象应包含下表中的6 个方面的内容 t a n g ，1 9 9 2 一 1 惟一标识符 2 定位信息 3 非空间属性 4 拓扑关系 5 非拓扑关系 6 方法 表3 - 1 一个特征对象的组成 ( 1 ) 惟一标识符：是数据库中系统为每一个对象产生的，以区别与其他对 象 ( 2 ) 定位信息：通常是地面坐标或表面高程，关于这一项的存储在本论文 中采用b l o b 来存储，在下面的内容中会有详细论述 ( 3 ) 非空间属性：指的特征的特性，例如一条公路或一个水体的名字，或 是属性值，例如一个县的人口 ( 4 ) 拓扑关系：是几何目标之间的关系，诸如邻接、关联、包含关系 ( 5 ) 非拓扑关系：是指特征之间的非几何联系 r u g g ，1 9 9 8 ，例如一条公路 在一条河上通过；一条河是县界的一部分 ( 6 ) 方法：嵌入在对象中的方法完成如新对象实例的产生、查询、几何关 系运算以及图形显示等操作 在现实世界的数据中，由于地理对象繁多、关系复杂，不利于建立清晰 的用户视图也不容易系统的实现。因此，需要对模型进行一定的完整性约束 利用工作区、地理要素层的概念对地理要素进行分层管理，既符合地理空间 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 5 自然的层次结构划分，又进行了适当的范围限制，使用户可以方便、灵活地 选择不同类型的地理要素层来组织和管理数据 3 3 多尺度空问数据库概念模型设计 3 3 1 数据模童中的逻辑模型和物理模型 个人认为，理解g i s 系统的关键出发点在于把g i s 系统当作是一个地理 数据库管理系统，o l s 扩展了对象一关系型数据库设计一个多尺度的无缝 空间数据库与设计其它数据库的原理是基本一致的因为它也属于对象一关 系型数据库的一种，只不过其存储的是地理数据。 本论文下面部分会详细描述了基于特征的面向对象的数据结构。参照一 般对象一关系型数据库设计步骤，设计步骤主要包括：数据逻辑模型的结构 化和数据模型的物理实现建立数据逻辑模型的关键任务是准确定义有意义 的对象集并明确他们之间的关系 下面我们主要探讨一下物理模型与逻辑模型之间的关系物理库模型是 由逻辑模型创建而得数据库物理设计与逻辑设计模型之问有很多相同与异 同点逻辑模型中设计好的类和对象在物理表中实现的时候经常会被拆分或 者合并 经过抽象，我们给出下图3 - 2 来表示数据逻辑模型中的元素以及它们相 应数据中的元素。 l o g i le 1 e m n t s 呲8 ee 一t s 8 o b j e c t 。胁 离 a t t r i b u t ec o - 哪，胁- d l 目 c l a s 8t a b l e l 目 圈3 - 2 元素的物理模型与逻辑模型对应图 例如，对象( o b j e c t ) 都代表某个实体，如一栋房子、一条河流。对象用 辽宁工程技术大学硕士学位论文 行为来组织对象具有一系列属性属性值体现的是对象的特征，比如对象 名称、大小、面积等。属性以列( 或字段) 的形式存储在一个数据库中。类 ( c l a s s ) 是相似对象的集合，类中每一个对象都具有相同的一组属性类以 表的形式存储在数据库中表中的行，列构成一个二维矩阵 3 3 2 多尺度空间数据逻辑模型的实现 针对现有的数据库对空间数据管理的不足，很早就有人考虑过把空间数 据和属性数据一起存入数据库中，但主要问题上空间数据是变长的，而传统 的关系数据库的记录都是定长结构，用来存储变长数据是很困难的但目前 这方面情况已经有了很大改变一些关系型数据库提供了大二进制字段( 变 长的b l o b ) 存储方法，这为存储空间数据提供了基础如表3 - 3 给出了一 个简单的空间数据存储方式 表3 - 3 空间数据存储方式 使用这种方式来管理空间数据和属性数据，实现一体化数据管理是今后 g i s 发展的必然趋势，其具体优势可总结如下： ( 1 ) 空间数据和属性数据全部存储在一条记录中，这样地理空间目标具有 物理意义上的完整性；同时用户不必考虑存储路径等细节，从而简化了应 用程序的开发，同时也大大减少了程序开发过程中的维护和修改 ( 2 ) 数据共享性好、冗余度低数据的共享程度直接关系到数据库的冗余 度。数据库系统从整体角度来看待和描述数据，数据不在是某个应用而是 整个系统。 ( 3 ) 数据由o r d b m s 统一管理和控制由于对数据实行了统一管理，完 全可以根据应用的需要取整体数据的各种合理子集用于不同的应用系统， 数据库系统弹性大，易于扩充。同时也提高了数据的安全性和完整性。 ( 4 ) 网络化是g i s 发展的一大方向，将空间数据存入o r d b m s 中，可以 方便使用g i s 的c s 、b s 模式 在当前地理信息系统的基础上发展多比例尺空间数据库，最迫切需要解决 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 的是多尺度数据模型的设计国内外不少专家学者对此进行了大量的研究， 蒋捷等人提出了基于制图元素和空间要素标识的数据组织方法( 蒋捷等， 2 0 0 4 ) ，其主要思想是在保留原有的数据存储与管理方式的基础上，通过元 素标识码e i d ( e l e m e n ti d ) 和要素标识码f i d ( f e a t u r ei d ) 在地图数据表达、 地理要素及各类社会经济数据之间形成链接接口，地理要素与其他专业数据 ( 关键字k i d ) 之间的链接，进而可以对多比例尺、多类型的空间要素进行 无缝的集成管理，满足基于特征地理要素建模要求要素关联关系的描述模 型如图3 3 所示二一 图3 - 3 要素关联关系模型( 蒋捷，2 0 0 4 ) 该模型由图形元素、地理要素、要素关系、要素属性，以及它们之间的 关系构成其中制图元素是空间要素的最小几何元素，如点、线、面。地理 要素由一个或多个图元构成，是真实世界实体或真实世界抽象的一种数字表 示，时空中存在的任何事物都可以看作是地理要素要素关系是指地理要素 之间存在的关系，包括拓扑关系和关联关系；要素属性是地理要素或要素关 系所具有的特性( 蒋捷等，2 0 0 4 ) 。 ， 这种方法的特点是通过e i d ，f i d 在多尺度空间数据之间形成链接接口， 它打破了图幅的界限，采用了基于特征的空间数据组织方式，使用户能够更 方便地查询、分析、测监空间数据 现实世界中，同一地理要素在不同比例尺( 尺度) 上可以表达为不同类 型的要素。倒如一条河流，在1 ；2 5 万比例尺上表达为单线河，而在1 ：5 万的比例尺上表达为双线河，同一要素在不同尺度上可以通过e i d 和f i d 建 立关联，如图3 4 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 8 图3 4 不同比例尺( 尺度) 中的河流 表3 41 ：5 万e i d f i d 关系表表3 - 5l ：2 5 万e i d - - f i d 关系表 e l df i d c 2 1 0 0 06 1 1 2 表3 - 6f i d 与其它属性关系表 由上图我们可以看出长江在1s5 万数据中由三个地理要素表示 ( e 2 1 0 0 0 、e 2 1 0 0 1 、e 2 1 0 0 2 ) ，而在1 l2 5 万数据中只有一个元素( c 2 1 0 0 0 ) 表示，但是对于长江这一地理实体，只存在一个要素标识码( 6 1 1 2 ) 。因而， 需要分别建立1 ；5 万和i ：2 5 万如上述表格中的e i d 和f i d 的对应关系。 其中不同比例尺中的线状要素的f i d 是相同的并通过f i d 将元素与相关属 性管理起来 需要说明的是，o i d 为系统标识码，在数据入库时由数据库统一分配， e i d 编码和f i d 编码分别参考g b i t1 3 9 2 3 9 2 和g b t1 4 8 0 4 - - 9 3 、g b t 1 5 6 6 0 - 1 9 9 5 来编码，c 2 1 0 0 0 中的c 代表比例尺，比例尺代码编号如下表3 4 ： 表3 4 比倒尺代码 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 9 3 3 3 多尺度空问数据逻辑模型中几何信息的存蕾 利用扩展型关系数据库系统( 如o r a c l e ) 支持构造对象的特点，由标准数 据类型描述某类( 点、线、面) 地理实体的属性，由函数描述其方法( 行为) 从而形成对象任意一个地理实体即可通过对象的实例来存储对于矢量数 据，我们将空间数据和属性数据存储在一张表中，几何信息将以二进制形式 来存储在一个字段中( b l o b 类型) b l o b ( b i n a r yl a r g e0 b j e c t s ) 是用来存储大量的二迸制和文本的一种数 据类型( 一个b l o b 字段可以存储多达4 g b 的数据) 。它将数据以字节流的 形式存储在数据库内部因而，许多操作都可以参与事务，进行动态更新、 也可以像普通数据一样对其进行备份和恢复操作。在o r a c l e 的表中，每一条 包含二进制的记录，在创建时，对应一个对象同时，采用这种方式，还可 以起到数据保密的作用在本论文中所有的几何特征都存储在各个表的 g e o m e t r y 字段中 在分析了三峡库区中的相关数据后，经过归纳总结，其要素可以用以下 几何特征类型中的一种来创建，具体类型如下类型：点( p o i n t ) ，多点 ( m u l t i p o i n t ) 、多线( a r c ) 和多边形( p o l y g o n ) 、区域( r e g i o n ) 、路线和路段 ( r o u t e ) ( 1 ) 点：点是具有o 一维的几何特征它们有一对( x ，y ) 坐标，和可选的 高程值( z ) 与点的i d 值如钻井或控制点等点的二进制存储格式 如表3 5 l 表3 - 5 点的二进制存储 说明：关于l i t t l e - e n d i a n 和b i g - e n d i a n 。在本论文的几何特征存储的b y t e o r d e r 均采用l i t t l e e n d i a n ，空间索引的b y t eo r d e r 则采取b i g - e n d i a n 在微软的m s d n 中，关于b y t eo r d e r 中是这样定义这两个概念的。 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 0 b i g e n d i a n ：t h em o s ts i g n i f i c a n tb y t ei s o nt h el e f te n do faw o r d s m a l l - e n d i a n ：t h em o s ts i g n i f i c a n tb y t ei so nt h er i g h te n do faw o r d 如 一个w o r d 值为0 x 1 2 3 4 ，我们称其为b i g e n d i a n ，若为0 x 3 4 1 2 ，我们 称其为l i u l e - e n d i a n 在此存储此几何类型时考虑b y t e o r d e r i n g 的原因 是因为在不同的机器结构中，存储是用的是不同的b y t e o r d e r ，在i n t e l 的机器中采用的是l i t t l e e n d i a n 而网络标准采用的是“b i g e n d i a n ”， 因为三峡的数据库集成系统将来需要采用的网络结构，网络之间的传输 数据和读取数据需要考虑到这一闯题 ( 2 ) 多点：多点是点的无序集合多点表示具有相同属性值的一组点，例 如形成一个单位的一组钻井 对于多点的存储( 还有以后的多边形、区域等) 我们增加一个称之为 b o u n d i n gb o x 的矩形，也称最小约束矩形( m b r ，m i n i m u mb o u n d i n g r e c t a n g l e ) ，其建立目的是为了在数据库建立索引后实现快速检索、查询。 m b r 模型如下； 图3 5m b r 模型 g b r 实质是通过找出空同目标在x ，y 轴方向上投影的最大、最小坐标 值，求出有坐标对( x m i n ，y m i n ) ，( x m a x ，y m a x ) 所构成的约束矩形本 论文中除了单点以外的其他几何对象，均存储几何对象的m b r ，这样可以提 高整个系统的查询、显示速度等 多点的存储结构如下所示： 圮宁工程技术大学硕士学位论文2 1 俘节 8 字节 8 字节 8 字节 8 字节 4 字节 8 字节 8 字节 8 字节 8 字节 8 字节 宪蠹( i n t e g e r ) h i n ( d o u b l e ) h i n ( d o u b l e ) y a m x ( d o u b l e ) y m x ( d o u b l e ) n u a p o i n t ( i n t e g e r ) x 1 ( d o u b l e ) y 1 】( d o u b l e ) x n t m p o i n t ( d o u b l e ) y e n u a p o i n t ( d o u b l e ) ( 慑) 图3 - 6 多点存储结构 ( 3 ) 线状地物；( 也称为p o l y l i n e 或a r c ) ，常用来表示公路、河流、等高线 等简单的线性要素用只有一条路径的折线来表示复杂的线性要素 如路线( r o u t e ) 等用具有多条路径的折线来表示一条p o l y l i n e 是一 个按次序捧列的顶点序列，包含一个或几个部分( p a r t ) 一个部分是由 两个或两个以上的点连接而成的序列，部分之间互相连接或不连接均 可，部分之问可交叉也可不交叉如下图几种情况： 成： 圈3 7 线状地物的几种情况 针对线状地物或者a r c 我们设计了如下的存储结构，以适应其复杂的构 黼 tli黼i1if0 辽宁工程技术大学硕士学位论文 类型( i n t e g e r )