（控制理论与控制工程专业论文）基于空间分析技术的autogis原型系统的设计与实现.pdf

人迕理工大学硕十学侍论文 摘要 g i s ( 地理信息系统) 是融合计算机图形学与数据库技术，用于采集、存储、管理、 处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统。随着g i s 技术在越来越多领域的 应用，开发g i s 系统已经成为当前g i s 发展中的一个热点问题。由于采用v i s u a lc + + 从底层开发g i s 可以解决专业g i s 软件开发中存在的黑匣子问题，而且灵活性好，可扩 展性强，具有系统版权。因此在开发以信息管理、决策服务及设计为主的实际g 1 s 系统 时，具有良好的应用前景。 以往利用v i s u a lc + + 开发的g i s 大多是重点开发地图绘制编辑、数据查询管理等功 能，而空问分析彳4 是g i s 的核心和灵魂，是g i s 区别于一般的信息系统、c a d 或者电 子地图系统的主要标志之一。因此本文的研究对g i s 空问分析开发技术的发展具有一定 的参考价值。 本文首先对g i s 空间数据模型进行了研究，通过比较分析三种数据模型的特点，阐 述了基于矢量模型的空间分析方法的优势。然后对空间分析技术进行研究，重点研究了 拓扑关系判断和空间分析方法，提出了一种基于解代数方程组的拓扑关系的计算方法， 这种方法相对于点集拓扑法、图论等传统的拓扑关系计算法，具有简单、易在程序中实 现等优点。接着在空日j 拓扑关系算法的基础上，实现叠置分析和缓冲区分析的相关算法， 并对叠詈分析中边界重合、多边形有洞以及缓冲区分析中单侧缓冲区剪裁问题进行了算 法改进处理。 基于上述理论，本文采用面向对象编程技术，应用v i s u a lc + + 开发环境设计并实现 了一个原形地理信息系统a u t o g i s 。开发了一个能使用鼠标或键盘进行交互式绘制点、 线、面等图形的图形绘制编辑模块；设计并实现了图形对象的图层管理，包括图层的创 建、排序、显示与隐藏等；完成了图形对象与属性数据之问的双向查询功能；实现了图 形对象的拓扑分析、叠置分析和缓冲区分析等空间分析功能。基本实现了一个g i s 软件 所必备的重要功能。 关键词：0 1 8 ；空间数据模型；空间分析；空间拓扑关系；面向对象 大连理r 大学硕十学位论文 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fp r o t o t y p es y s t e ma u t o g i s b a s e do n s p a t i a l a n a l y s i st h e o r ya n dt e c h n o l o g y a b s t r a c t a 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 ( g i s ) i sac o m p u t e rs y s t e mf o rc a p t u r i n g ，s t o r i n g , m a n a # n g , q u e r y i n ga n da n a l y z i n gd a t aa n da s s o c i a t e da t t r i b u t e sc o m b i n e dw i t hc o m p u t e r g r a p h i c sa n dd a t a b a s et e c h n o l o g y d e v e l o p i n gg i sw i t hv i s u a lc + + c a ns o l v et h eb l a c kb o x p r o b l e mt h a tp r o f e s s i o n a lg i ss o f t w a r ef a c e s a tt h es a m et i m ei ti sf l e x i b l e ，e a s y e x p e n d i n g a n dh a si t so w nc o p y f i g h t t h e r e f o r e ，i th a sas a t i s f a c t o r yf o r e g r o u n df o rd e v e l o p i n gg i s a i m e da ti n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，d e c i s i o ns e r v i c ea n dd e s i g n m o s to ft r a d i t i o n a lg i ss y s t e m sd e v e l o p e dw i t hv i s u a lc + + f o c u so n d r a w i n ga n d c o m p i l i n go fm a p sa n ds e a r c h i n ga n dm a n a # n go fs p a t i a ld a t a b u tt h ec o r eo fg i si ss p a t i a l a n a l y s i sw h i c hi st h ed i s t i n c t i v e n e s sf o rg i st oo r d i n a r yi n f o r m a t i o n ，c a da n de l e c t r o nm a p s y s t e m s ot h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rp r o v i d e ss o m er e f e r e n c ew o r t h i n e s sf o rs p a t i a la n a l y s i s d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y t h i s p a p e rf i r s ts t u d i e st h r e ed i f f e r e n tt y p e so fs p a t i a ld a t am o d e l ，a n da d o p t sa v e c t o r - b a s e ds p a t i a la n a l y s i sm e t h o db yc o m p a r i n gt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h e n t h ep a p e rs t u d i e ss p a t i a la n a l y s i st h e o r ye s p e c i a l l yo nt o p o l o g i c a lr e l a t i o nc o m p u t i n ga n d s p a t i a la n a l y s i sm e t h o d s ，a n dp r e s e n t sat o p o l o g i c a lr e l a t i o nc o m p u t i n gm e t h o do fp o i n t ，l i n e a n dp o l y g o n b ys o l v i n ga l g e b r ae q u a t i o n t h i sm e t h o di se a s i e rt ob er e a l i z e dt h a nt r a d i t i o n a l t o p o l o g i c a lr e l a t i o na l g o r i t h m ss u c ha sp o i n t s e tt o p o l o # c a lo rv o r o n o i - - b a s e dt o p o l o g i c a l r e l a t i o na l g o r i t h m b a s i n go nt h et o p o l o g i c a lr e l a t i o n ，t h i sp a p e rd e v e l o p st h ec o r r e s p o n d i n g a l g o r i t h mf o rs p a t i a lq u e r y ，o v e r l a ya n a l y s i sa n db u f f e ra n a l y s i sa n df u r t h e rr e s o l v et h e p r o b l e m ss u c ha sb o u n d a r ys u p e r p o s i t i o na n dh o l l o wp a r ti no v e r l a ya n a l y s i sa n d o n b a s e do nt h em e t h o dm e n t i o n e da b o v e ，ap r o t o t y p eg 1 sa u t o g i ss y s t e mh a sb e e n r e a l i z e dw i t ho o pt e c h n o l o g yu n d e rt h ev i s u a lc + + p l a t f o r m af i g u r e d r a w i n ga n d c o m p i l i n gm o d u l ei sd e s i g n e dt od r a wp o i n t s ，l i n e sa n dp o l y g o n sb ym o u s eo rk e y b o a r d ；a l a y e rm a n a g e m e n tm o d u l ei n c l u d i n ge s t a b l i s h m e n t ，s e q u e n c i n g , d i s p l a y i n ga n dh i d i n go f l a y e r ；t w o w a ys e a r c hb e t w e e nf i g u r eo b j e c ta n di t sa t t r i b u t ei sc a r r i e do u t t h es p a t i a l a n a l y s i s ，i n c l u d i n gt o p o l o g i c a la n a l y s i s ，o v e r l a ya n a l y s i s ，b u f f e ra n a l y s i sa n ds oo n ，i s a c h i e v e d t h em a j o rg i sf u n c t i o n sh a v eb e e na c c o m p l i s h e d k e yw o r d s ：g i s ：s p a t i a ld a t am o d e l ：s p a t i a la n a l y s i s ：s p a t i a lt o p o l o g i c a lr e l a t i o n s ； 0 0 ( o b j e c t - o r i e n t ) 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 墨：筮鱼日期：迎6 ：皇：三 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名：z 崇记 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1g i s 概述 地理信息系统，简称g i s ( 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 ) 。它是融合计算机图形 学与数据库技术，用于采集、存储、管理、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计 算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术【1 1 。它把地理位置和相关属性有机的 结合起来，根据用户的需求将空间信息和属性信息准确真实、图文并茂地输出给用户， 借助其独有的空间分析功能和可视化表达功能，进行各种辅助决策。 1 1 1g i s 的发展历史 人类生活在地球上，8 0 以上的信息与地球上的空间位置有关。g i s 的出现是信息 技术及其应用发展到一定程度的必然产物。 6 0 年代是地理信息系统的萌芽时期。1 9 6 2 年，加拿大的r o g e rf t o m l i n s o n 提 出利用数字计算机处理和分析大量的土地利用地图数据，并建议加拿大土地调查局建立 加拿大地理信息系统( c g i s ) ，以实现专题地图的叠加、面积量算、自然资源的管理和 规划等；与此同时，美国的d u a n ef m a r b l e 在美国西北大学研究利用数字计算机研制 数据处理软件系统，以支持大规模城市交通研究，并提出建立地理信息系统的思想。 7 0 年代是地理信息系统走向实用的发展期。美国、加拿大、英国、西德、瑞典 和日本等国对g i s 的研究均投入了大量人力、物力和财力。到1 9 7 2 年c g i s 全面投入 运行与使用，成为世界上第一个运行型的地理信息系统；在此期间美国地质调查局发展 了5 0 多个地理信息系统，用于获取和处理地质、地理、地形和水资源信息；1 9 7 4 年日 本国土地理院开始建立数字国土信息系统，存储、处理和检索测量数据、航空像片信息、 行政区划、土地利用、地形地质等信息；但由于当时的g i s 系统多数运行在小型机上， 涉及的计算机软硬件、外部设备及g i s 软件本身的价格都相当昂贵，限制了g i s 的应用 范围。 8 0 年代是g i s 的推广应用阶段。由于计算机技术的飞速发展，在性能大幅度提高的同 时，价格迅速下降，特别是工作站和个人计算机的出现与完善，使g i s 的应用领域与范 围不断扩大。g i s 与卫星遥感技术相结合，开始用于全球性问题的研究，如全球变化和 全球监测、全球沙漠化、全球可居住区评价、厄尔尼诺现象及酸雨、核扩散及核废料等； 从土地利用、城市规划等宏观管理应用，深入到各个领域解决工程问题，如环境与资源 评价、工程选址、设施管理、紧急事件响应等。在这一时期，出现了一大批代表性的 g l s 软件，如a r c i n f o 、g e n a m a p 、s p a n s 、m a p i n p o 、e r d a s 、m i c r o s t a t i o n 基丁二空间分析技术的a u t o g l s 原型系统的设计与实现 等，其中a r c i n f o 已经愈来愈多地为世界各国地质调查部门所采用，并在区域地质 调查、区域矿产资源与环境评价、矿产资源与矿权管理中发挥越来越重要作用。 9 0 年代为g i s 的用户时代，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世 界的普及，g i s 成为了一个产业，投入使用的g 1 s 系统，每2 3 年就翻一番，g i s 市 场的增长也很快。目前，g i s 的应用在走向区域化和全球化的同时，己渗透到各行各业， 涉及千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。与此同时， g i s 也从单机、二维、封闭向开放、网络( 包括w e bg i s ) 、多维的方向发展。 我国地理信息系统方面的工作始于8 0 年代初。地理信息系统进入发展阶段的标志 是第七个五年计划的开始，地理信息系统研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关计 划。1 9 9 8 年，国产软件打破国外软件的垄断，在国内市场的占有率达2 5 。同年，在 抽样调查2 5 个省市1 9 个行业的1 0 0 0 多个单位中，全部使用了地理信息系统。地理信 息系统在资源调查、评价、管理和监测，在城市的管理、规划和市政工程、行政管理与 空间决策、灾害的评估与预测、地籍管理及土地利用，在交通、农业、公安等诸多领域 得到了广泛的应用。 1 1 2g i s 的功能 一个g i s 软件系统应具备五项基本功能：数据输入、数据编辑、数据存储与管理、 空i 日j 查询与分析、可视化表达与输出。 ( 1 ) 数据输入 数掘输入是指将外部的原始数据传输到系统内部，并将这些数据从外部格式转为系 统便于处理的内部格式的过程。对多种形式、多种来源的信息，可实现多种方式的数据 输入，如图形数据输入、栅格数据输入、g p s 测量数据输入、属性数据输入等。用于地 理信息系统空间数据采集的主要技术有两类，即使用数字化仪的手扶跟踪数字化技术和 使用扫描仪的扫描技术。 ( 2 ) 数据编辑 数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。属性编辑主要与数据库管理结合在一起完 成，图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整饰、图幅拼接、图形变换、投 影变换、误差校正等功能。其中建立拓扑关系是主要任务，它是空间数据组织、查询、 分析和推理的基础1 2 l 。 ( 3 ) 数据存储与管理 主要提供空间与非空间数据的存储、查询检索、修改和更新的能力，是g i s 系统应 用成功的关键。对于g i s 来说，数据分为空间数据和属性数据1 3 】空间数据是g i s 信息 大连理i ：大学硕十学位论文 系统不同于其他信息系统的本质特征，是系统数据管理的核心。矢量数据结构、光栅数 据结构、矢栅一体化数据结构是存储g i s 的主要数据结构。数据结构的选择在相当程 度上决定了系统所能执行的功能。数据结构确定后，在空间数据的存储与管理中，关键 是确定应用系统空闻与属性数据库的结构以及空间与属性数据的连接。目前广泛使用的 g i s 软件大多数采用空间分区、专题分层的数据组织方法，用g i s 管理空间数据，用关 系数据库管理属性数据。 h ) 空间查询和分析 空间查询与分析是g i s 的核心，是g i s 最重要的和最具有魅力的功能，也是g i s 有别于其他信息系统的本质特征。地理信息系统的空间分析可分为三个层次的内容： 空间检索：包括从空间位置检索空间物体及其属性、从属性条件检索空间物体： 空问拓扑叠加分析：实现空l 日j 特征( 点、线、面或图像) 的相交、相减、合并 等，以及特征属性在空间上的连接； 空f b j 模型分析：如数字地形高程分析、b u f f e r 分析、网络分析、图像分析、 三维模型分析、多要素综合分析及面向专业应用的各种特殊模型分析等。 ( 5 ) 可视化表达与输出 通常以人机交互方式来选择显示的对象与形式，可选择放大或缩小显示。g i s 不仅 可以输出全要素地图，也可以根据用户需要，分层输出各种专题图、各类统计图、图表 及数据等 1 1 3g l s 的发展状况与趋势 ( 1 ) 发展现状 国外的g i s 系统产品平台以e s r i 和m a p l n f o 4 l 两家公司为代表，他们的产品几乎 包括了g i s 的全套解决方案，软件功能强大完善，然而价格昂贵。e s r j 的a r c i n f o 在 国内外的应用非常广泛，他推出的系列产品包括地图浏览器a r c e x p l o r g r ，桌面g i s a r c v i e w ，空间数据库引擎a r c s d e ，以及用于网络的组件m a p o b j e c t s 和空间分析模块 等；m a p l n f o 软件作为一个地图与信息数据完善结合的软件系统，不仅能将所需要的信 息资料更形象、直观的与地图紧密地结合起来，而且还能提供一些常用的分析、查询功 能并将结果以多种主题图、直观图或表格的方式显示出来，更值得一提的是它还提供了 功能强大的开发工具m a p b a s i c ，可以方便地进行二次开发。 国内功能比较完善的g i s 产品中，最具代表性的有北京超图地理信息技术有限公司 开发的超图s u p e r m a p ，中国地质大学的m a p g i s 和武汉吉奥信息工程技术有限公司开 发的吉奥之星g e o s t a r 。此外，还成立了“中国g i s 协会”和“中国g p s 技术应用协会”。 基于空间分析技术的a u t o g i s 原璎系统的设计与实现 ( 2 ) 前沿技术 从系统角度看，在未来的几十年内，地理信息将向着互操作g i s 、多维化g i s ( 3 d & 4 d g i s ) 、组件化( c o m g i s ) 、网络化( w e b g i s ) 和面向对象的g i s 等方向发展 s - q 。 互操作g i s ( i n t e r o p e r a b l eg i s ) 是g i s 系统集成平台，它实现在异构环境下多个 地理信息的系统或其应用系统之间的互相通信和协作，以完成某一特定任务。 多维g i s ( 3 d & 4 d g l s ) 是从2 d g i s 发展起来的，将数字高程模型( d e m ) 引 入g i s 中来处理空问对象的高程信息，形成3 d g l s 。在3 d g i s 的基础上添加了空间对 象的时间特征，构成4 d g i s 。多维g i s 目前研究重点集中在三维数据结构的设计，优化 与实现，以及体视化技术的运用，三维系统的功能和模块设计等方面。 组件式技术是新一代g i s 软件的重要基础，它与g i s 技术的结合使g i s 发展到 了新的阶段组件式g i s ( c o m g i s ) ，它是面向对象技术和组件式软件在g i s 软件 开发中的应用。它的基本思想是把g i s 的功能模块划分为多个控件，每个控件完成不同 的功能。各个g i s 控件之间，以及g i s 控件与其它非g i s 控件之间，可以方便地通过 可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的g i s 应用。国内由武汉大学研制的g e o s t a r 、 国外由e s r i 公司研制的a r c g i s 等就全面采用了c o m 技术。 网络g i s ( w e bg i s ) 是利用i n t e m e t 技术在w e b 上发布空l 日j 信息供用户浏览和 使用。w c b g i s 系统可分为四部分：w e b g i s 信息代理，用以显示空间数据信息并支持 客户端的在线处理；w e bg i s 信息代理，用以均衡网络负载，实现空间信息网络化； w c bg i s 服务器，用于满足浏览器的数据请求，完成后台空间数据库管理；w c bg i s 编 辑器，提供导入空间数据库数据功能，形成完整的g i s 对象，g i s 模型和g i s 数据结构 的编辑和表现环境。w e bg 1 s 是g i s 走向社会化和大众化的有效途径，也是g i s 发展 的必由之路。 面向对象g i s ( 即o o g i s ) 的兴起缘于它能使g i s 系统能更好地反映现实地理 空间各种空间要素及其相互关系，甚至空间现象与过程。面向对象的g i s 中所有的地物 以对象形式封装，用户可以在现有抽象数据类型和空间操作上定义自己所需的数据类型 和空间操作方法，增强了系统的开放性和可扩充性，为g i s 的智能化奠定了基础。 g i s ，r s 与g p s 的集成。g i s ，r s 与g p s 是目前对地观测系统中空间信息获取、 存储管理、更新、分析和应用的3 大支撑技术，是现代社会持续发展、资源合理规划利 用、城乡规划与管理、环境污染控制、自然灾害动态检测与防治等的重要技术手段，也 是地学研究由定性化走向定量化方向的科学方法之一，3 ”s ”集成不是简单的三个组成 部分的叠加，而是一种有机的、在线的连接，同时具有实时的、动态的特性。 一4 大连理工大学硕士学位论文 1 2 问题的提出与研究意义 近几年来，地理信息系统技术在全球得到了迅猛的发展，已经成为r r 的重要组成 部分，用于开发g i s 系统的专业开发工具得到了飞速发展，出现了大量g i s 系统的专业 开发工具。应用专业开发工具开发g i s 系统具有开发起点高、可靠性好、相对简单易学 等优点【羽。但也存在着可扩展性差、适用性差、系统庞大臃肿、没有系统版权等缺点。 比如，我们往往只需要利用g i s 的所见即所得的功能为特定领域的管理提供便利，却不 得不为根本用不到的复杂的三维处理功能付出额外的代价，开发费用也大大增加。更重 要的是，这些专业开发工具总体上来说还是一个难于真正修改的“黑匣子”，而在实际 应用中，要丌发的往往并不全是传统意义上的g i s 系统，而是将g i s 技术与m i s 、d s s 和c a d 等系统集成的系统，在这种情况下很难实现与这些实用系统的无缝集成。利用 v i s u a lc + + 开发可以克服上述的缺点，用它开发以信息管理、决策服务及设计为主的实 际g i s 系统时，具有良好的应用前景。 空间分析是g i s 的核心和重要功能之一，地理信息系统具有的强大空间分析功能， 是区别计算机制图系统( 具有图形输入、编辑、输出等功能) 和数据库管理系统( 具有 查询、检索、存储管理数据等功能) 的标志，也是评价一个g i s 功能强弱的重要指标之 一。然而，因为v i s u a lc + + 具有强大的图形处理功能和数据库开发功能，所以以往利用 v i s u a lc + + 开发的g i s 大多是重点开发地图绘制编辑、数据查询管理等功能，而对空间 分析功能这一核心功能开发得不够。 在这种背景下，本文在对基本的空间分析方法进行深入研究后，提出了一种简单高 效、适合于程序实现的空间关系计算方法和空间分析计算方法，并采用面向对象技术， 在v i s u a lc + + 平台下设计与实现了的一个原型地理信息系统a u t o g i s 。该系统具有一般 成熟g i s 软件所需的基本功能，尤其引入空间分析技术后，大大加强了空问数据的拓扑 关系查询、空间属性双向查询和空间分析功能。 空间分析建立在对空间数据有效的管理之上，他的研究一直滞后于空问数据结构、 空间数据库以及地图数字化和自动绘图技术，因此本文的研究对空间分析的理论和技术 的发展具有一定的参考价值。 1 3 论文组织结构 本论文共分为六章，第一章为绪论，第二、三章为理论和技术基础，第四章为技术 设计与算法，第五章系统设计与实现，最后一章为结论与展望。 第一章介绍g i s 的发展历史、功能和发展状况，指出了v i s u a lc + + 开发g i s 的优 越性与困难，进而指出了引入空问分析技术解决的全新方案。 基丁空间分析技术的a u t o g i s 原犁系统的设计与实现 第二章从空间数据模型、空| 日j 数据管理和空间索引结构等方面介绍了g i s 空间数 据方面的基本知识和技术。 第三章介绍了空间分析的概念、在g i s 中的地位、空间关系和空间分析方法，为 本文空间分析的实现打下基础。 第四章也是本文的重点之一，详细论述了空间分析的实现算法。首先论述了空间 拓扑关系的计算方法，它也是叠加分析、缓冲区分析的基础。其次重点介绍了空间叠加 和缓冲区创建的算法与实现。 第五章介绍a u t o g i s 原型系统的整体设计思路、软件框架结构和各功能模块的具 体实现过程，以及最终的界面输出。 最后一章是总结和展望，总结系统的不足之处和改进办法。 一6 一 大连理【大学硕十学位论文 2 空间数据模型 2 1 空间数据模型 2 1 1 概念 地理数据也可以称为空间数据( s p a t i a ld a t a ) 。地理空间是指物质、能量、信息的 存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。地理 信息系统中的地理空间分为绝对空间和相对空间两种形式【9 1 。绝对空间是具有属性描述 的空间位黄的集合，它由一系列不同位置的空间坐标值组成；相对空间是具有空问属性 特征的实体的集合，由不同实体之间的空间关系构成。在地理信息系统应用中，空问概 念贯穿于整个工作对象、工作过程、工作结果等各个部分。空间数据就是以不同的方式 和来源获得的数据，如地图、各种专题图、图像、统计数据等，这些数据都具有能够确 定空i 日j 位置的特点。 空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互问联系的概念，它为描述空问数 据的组织和设计空间数据库模式提供着基本方法。因此，对空间数据模型的认识和研究 在设计g i s 空间数据库和发展新一代g i s 系统的过程中起着举足轻重的作用 2 1 2 空间数据模型 根据对现实世界抽象的方式，目前的二维g i s 软件中空间数据模型主要有矢量模型、 镶嵌模型和混合模型等几种类型【埘。 ( 1 ) 矢量模型 在二维矢量表达中，空间实体被抽象为点、线和面三种类型，空间位置用采样点的 空间坐标表达，空间实体的几何属性，如线的长度、区域间的距离等，均通过点的空间坐标 来计算。根据对空间矢量数据的组织与存贮方式，以及是否在数据结构中建立拓扑关系， 矢量模型又分为拓扑数据模型和非拓扑数据模型。 矢量模型的突出优点是能方便地表达空间实体之间的空间拓扑关系，图形精度高，数 据存贮量小，容易定义和操作单个目标，能方便地实现坐标变换、距离计算等操作。其 缺点是缺乏与遥感及数字地面模型直接结合的能力，数据结构比较复杂，且难于处理叠置 操作。 ( 2 ) 镶嵌模型 镶嵌模型是将现实世界中空间实体离散表达为一系列规则或不规则的单元，也称之 为基于图层的模型【1 1 】。镶嵌模型又可划分为规则镶嵌( 如格网或栅格) 、嵌套的规则镶 基丁空间分析技术的a u t o g l s 原犁系统的设计与实现 嵌( 如四叉树) 、不规则的镶嵌( 如不规则三角网、泰森多边形或v o r o n o i 图) 和嵌套 的不规则镶嵌( 如k _ d 树) 四种类型。目前g i s 中普遍使用的镶嵌模型是栅格模型。 这种表达非常适合模拟连续变化的地理空间，特别是属性特征随空间变化程度很高的区 域。与矢量模型相比，栅格模型的数据结构简单，方便计算每个格网与其邻域之问的方 向、邻接、连通等拓扑特性，但是栅格模型的拓扑关系隐藏在属性数据中，并没有直接 表示。因此，这种模型不适合空间目标间拓扑关系的表达与分析【1 2 1 。 0 ) 混合模型 所谓混合模型，是将矢量模型和镶嵌模型相结合的模型。在现有的研究中比较有代表 性的有“矢量数据+ 四叉树”模型1 1 3 】、矢量和栅格一体化模型等【1 4 】。总体上说，这种模 型在宏观上采用栅格模型进行数据压缩，在微观上对某个空间实体的详细数据通过矢量 模型进行管理。混合模型采取的是一种折中的方法，虽然减少了矢量模型和镶嵌模型的不 足，同时也降低了两者的优越性。 综上所述，矢量模型更有利于空间拓扑关系的计算和分析，因此本文采用基于矢量 模型的空间分析。 2 2 空间数据组织与管理 在地理信息系统中，数据主要有两类1 1 5 】：一类主要是和空间位置、空间关系有关的 数据，称为空间数据；另一类是地理元素中非空间的属性信息，称为属性数据。在地理 信息系统中，所有的属性数据都是依附空间数据的存在而存在的，可以说空间数据是地 理信息数据的元数据。 2 2 1 空间数据的管理方式 目前，各类空间地理数据主要有以下几种管理方式【1 6 1 ： ( 1 ) 全文件管理方式 将所有的数据存放于一个或多个文件中，包括结构化的属性数据。采用文件管理数 据的优点是灵活，即每个软件厂商可以任意定义自己的文件格式，管理各种数据，这一 点在存储需要加密的数据以及非结构化的、不定长的几何体坐标记录时是有帮助的。文 件管理的缺点也是显而易见的，就是需要由开发者实现属性数据的更新、查询、检索等 操作，而这些都可以利用关系数据库来完成，换言之，利用文件管理增加了属性数据管 理的开发量，并且不利于数据共享。目前许多软件采用文本格式文件进行数据存储，其 目的就是为了实现数据的转入和转出，与其他应用系统交换数据。 ( 2 ) 文件关系数据库管理方式 大连理工大学硕士学位论文 目丽大多数g i s 软件都采用这种数据存储方案。考虑到空间数据是非结构化的、不 定长的，而且施加于空间数据的操作需要g i s 软件实现，这样就可利用文件存储空问数 据，而借助已有的关系数据库管理属性数据。图2 1 为文件关系数据库管理方式的结构 图。由于空间几何坐标数据和属性数掘是分开存储管理的，需要定义它们之间的对应关 系。通常的解决方法是空间数据文件中，每个实体都有一个唯一的标志码，而在关系数 据表结构中，也有一个标志码属性，这样每条记录可以通过该标志码确定与对应实体的 连接关系。采用这种管理方式：不论是文本、图象，还是声音、录像，一般都对应一个 文件，这样可以简单地在关系数据库中记录其文件路径，其优点是关系数据库数据量少， 缺点是文件经常会因为删除、移动等操作而变得不可靠。 g i s 州户界面 高级语言 高级语言，o d b c i 图形处理系统 数据库管理系统 l 图形文件库属性数据库 图2 1 文件一关系数据库管理方式中图形一属性互操作 f i g 2 1o p e r a t i o nb e t w e e ng r a p h i cd a t aa n da t t r i b u t ed a t ai nf d e d a t a b a s em a n a g e m e n t ( 3 ) 全关系数据库管理方式 在这种管理方式中，不定长的几何实体坐标数据以二进制数据块形式被关系数据库 管理，换言之，坐标数据被集成到r d m s 中，形成空间数据库。一个实体对应数据表 中的一条记录，这样它就避免了对“连接”关系的查找。现在，关系数据库已经提供了 一致的访问接口( s q l ) 以操作分布的海量数据，并且支持多用户并发访问，完全性控 制和一致性检查。这些正是构造企业级的地理信息系统所需要的。 采用全关系g i s 数据管理，由于几何体坐标数据长度不定长，会造成存储效率低下， 此外，现有的s q l 并不支持空间数据检索，需要软件开发厂商自行开发空间数据访问 接口。而且，采用关系数据库的方案不能提供最大程度的灵活性，而且有较强的依赖性， 系统本身的发展就受到数据库厂商的制约。 ( 4 ) 面向对象的集成空间数据库管理方式 基r 空间分析技术的a u t o g i s 原帮系统的设计与实现 采用全关系数据库管理方式管理g i s 空间数据效率不高，而非结构化的空问数据管 理对于数据库管理系统来说又十分重要，因此产生了面向对象的集成空间数掘库管理方 式。面向对象的集成空间数据库，是建立在对象关系模型基础上的，其基本组成单 位是关系表，每个表又是由相应的字段以及记录行组成，相对于关系数据库而言，主要 增加了面向对象的特征，它可以使用自定义的抽象的对象字段类型束表达复杂的空间对 象。目前，支持创建自定义对象类型的大型对象关系数据库，典型的有i b m d b 2 、i n f o r m i x 以及o r a c l e 数据库，针对各类空间数据，它们分别有面向对象的空间数据模型。这些空 间数据模型分别是d b 2 的s p a t i a le x t e n d e r 以及i n f o r m i x 的d a t a b l a d e 、o r a c l e 的s p a t i a l 。 2 2 2 空间数据的组织 无论采用上述何种模式管理空间数据，空问数据的组织方式均非常重要。不同的管 理模式所对应的空间数据组织方式可能不一样，但将地图分层组织，图形数据与属性数 据分开管理是基本思想。 根据问题的需要和工作方便，通常将一幅图或几幅邻接的图当作一个工作单元，称 之为工作区，图2 2 是其组成关系图。 工作区1l i 工作区ii l 工f f 区n 图幅1 i l 图副i ll 图幅n 图层1 l j 图层i i l 图层n 塑少幽竽 而翩 图2 2g i s 数据的组织管理结构 f i g 2 2o r g a n i z a t i o ns t r u c t u r eo fg i sd a t a 工作区由若干个图层组成，图层在平面上与工作区范围一致，可以是一个逻辑层或 者是一个覆盖层。每个图层都由多种对象组成，同一类对象一般用相同的显示颜色和符 号表示，每个对象对应着一个属性。属性数据有关系型数据库进行管理，通过建立属性 表可以实现对空间对象的查询、显示和分析。 大连理r 大学硕十学位论文 2 3 空间索弓 2 3 1 概念 为了有效的检索数掘文件，必须为主数据文件设计索引文件。在存储介质( 磁盘) 文 件( 数据区) 外，建立一个指示文件逻辑记录和物理记录之间一一对应关系的由关键字构 成的称为索引表的文伊1 8 1 ，由文件( 数据区) 和索引表一起构成的文件称为索引文件。索 引表中的每一项称之为一个索引项，索引项总是按照关键字有序排列。 与一般的数据相比，空间数据对空间实体的表达形式复杂，数据量大，各种空间操作 不仅计算量大，而且多具有面向邻域的特点，空间数据索引正是顾及了空间实体的这些特 点，依据空间实体的位置和形状或空间实体之间的某种空间关系，按照一定顺序排列的一 种数据结构，其中包括空间实体的概要信息，如对象的标志符、外接矩形及指向空间实体 的指针。作为一种辅助性的空间数据结构，空间数掘索引介于空间操作算法和空间实体之 间，通过它的筛选作用，大量与特定空间操作无关的空间实体被排除掉，从而提高空间操 作的效率。 迄今为止人们提出了k - d 树、k - d b 树、b s p 树、r 树系列、四叉树、网格等众多空 间索弓 t 1 9 1 。其中主要常用的为r 树【1 6 】系列和四叉树【嬲】系列。目前国内外主要的空间数据库 大都采用这两类空间索引方法。e s r i 的a r c v i e w 、m a p i n f o 公司的m a p l n f o 和i n f o r m i x 的 g e o s p a t i a ld a t a b l a d e 采用的是r 树系列作为空间索引；国内地质大学的m a p g i s 和中科院 的s u p e r m a p 则采用的是四叉树。而著名的o r a c l e 公司的s p a t i a l w a r e 则同时采用这两类索 引方法。 2 3 2 格网型空间索引 格网型空间索引思路比较简单了，容易理解和实现。其基本思想是将研究区域用横 竖线条划分大小相等和不等的格网，记录每一个格网所包含的空间实体。当用户进行空 间查询时，首先计算出用户查询对象所在格网，然后再在该网格中快速查询所选空间实 体，这样一来就大大地加速了空间索引的查询速度。 2 3 3b s p 榭空间索引 b s p 树是一种二叉树，它将空间逐级进行一分为二的划分( 图2 3 ) 。b s p 树能很 好地与空间数据库中空间对象的分布情况相适应，但对一般情况而言，b s p 树深度较大， 对各种操作均有不利影响。 基丁空间分析技术的a u t o g i s 原犁系统的设计与实现 阳蕊 图2 3b s p 树 f i g 2 3b s pt r e e 2 3 4k d b 树空间索引 k d b 树是b 树向多维空间的一种发展。它对于多维空间中的点进行索引具有较好的 动态特性，删除和增加空间点对象也可以很方便地实现；其缺点是不直接支持占据一定 空问范围的地物要素，如二维空问中的线和面。该缺点可以通过空| 日j 映射或变换的方法 部分地得到解决。空间映射或变换就是将2 n 维空问中的区域变换到2 n 维空间中的点， 这样便可利用点索引结构来对区域进行索引，原始空间的区域查询便转化为高维空间的 点查询。但空间映射或变换方法仍然存在着缺点：高维空| 日j 的点查询要比原始空间的点 查询困难得多；经过变换，原始空间中相邻的区域有可能在点空间中距离变得相当遥远， 这些都将影响空间索引的性能。 2 3 5r 和r 树空间索引 r 树是一个高度自平衡数据结构刚。其叶节点中包含对应索引对像的最小空间矩形范围， 并有指向数据库中对应该节点数据的地址指针。每个内部节点包含一个能包容其所有内部子 节点的最小外接空间矩形m b r ，并存在指向每一个内部节点的指针。与b + 树相似，r 树内 部节点不存储实际的索引记录及其在数据库中的地址，只有叶节点才包含实际的索引记录和 地址。图2 4 为r 树的m b r 分布示意图，图2 5 是r 树的逻辑结构图。 r 树中每个结点所能拥有的子结点数目是有上下限的。下限保证索引对磁盘空间的有效 利用，子结点的数目小于下限的结点将被删除，该结点的子结点将被分配到其它的结点中； 设立上限的原因是因为每一个结点只对应一个磁盘页，如果某个结点要求的空间大于一个磁 盘页，那么该结点就要被划分为两个新的结点，原来结点的所有子结点将被分配到这两个新 的结点中。 由于r 树兄弟结点对应的空间区域可以重叠，因此可以较容易地进行插入和删除操作； 但正因为区域之间有重叠，空间索引可能要对多条路径进行搜索后才能得到最后的结果，因 大连理t 大学硕士学位论文 此，其空i 司搜索的效率较低。正是这个原因促使了r + 树的产生。在r + 树i 明中，兄弟结点对 应的空间区域没有重叠，而没有重叠的区域划分可以使空间索引搜索的速度大大提高。 图2 4r 树空间m b r 分布 f i g 2 4s p a t i a lm b r d i s t r i b u t i o no fr - t r e e ( m b r ，i d ) i ( mb r ，1 d ) ( m b r ，i d ) ( mb r ，+ i o ) ( mb r ，i