（地图制图学与地理信息工程专业论文）边界信息系统地理空间数据处理技术.pdf

信息工程大学硕士学位论文 摘要 边界信息系统是综合应用型地理信息系统。边界线的复杂性也就决定了边界地理空间 数据的复杂性，边界地理空间数据的处理对于使用边界信息系统来说更能发挥系统在实际 应用中的作用。本文系统地论述了边界地理空间数据处理技术的方法与应用： 首先介绍了边界地理空间数据处理技术的研制背景，研究现状和研究趋势，并对地理 空间数据处理技术的目的和意义作了说明。 其次是对边界地理空间数据处理技术的研制基础边界信息系统的说明，包括系统 的用户需求，设计原则，结构设计，功能设计等。并说明了数据处理技术在该系统中所起 到的作用，为后面做好准备工作。 荐次在地理空间数据的获取和数据模型方面，介绍了边界地理空间数据的多数据源， 对边界信息系统空间数据模型进行了阐述，并分析了边界信息系统的特有的数据模型。 最后是边界地理空间数据的处理技术和应用，对地理数据的输入与输出模块进行了分 析和设计，并对空间数据的处理关键技术做了介绍，包括图面预处理、图形的裁剪、坐标 变换、图像数据的压缩等。 全文最后总结了本文的研究成果和有待进一步研究和解决的几个问题，并对研究前景 进行了展望。 关键字：数据处理、数据输入模块、数据输出模块、图形裁剪、坐标交换 第i 页 信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t b o u n d a r yi n f o r m a t i o ns y s t e mi s ac o m p r e h e n s i v ea p l i c a t i o ng e o g r a p h yi n f o r m a t i o n s y s t e m t h ec o m p l e x i t yo fb o u n d a r ya l s od e c i d e st h ec o m p l e x i t yo ft h eb o u n d a r yg e o g r a p h y s p a t i a ld a t a , t h ep r o c e s s i n go fag r e a td e a lo fb o u n d a r yg e o g r a p h ys p a t i a ld a t ac a ne v e n d e v e l o ps y s t e mf o rt h eu s a g eb o u n d a r yi n f o r m a t i o ns y s t e mi np h y s i c a l l yt h ea p p l i c a t i o no f f u n c t i o n t h ea r t i c l ed i s c u s s e dt h eb o u n d a r yg e o g r a p h ys p a t i a ld a t ap r o c e s s i n gt e c h n i q u e m e t h o da n dt h ea p p l i c a f i o ns y s t e m a t i c a l l y ： a tf i r s t , i ti n 仕o d u c e st h eb o u n d a r yg e o g r a p h ys p a t i a ld a t ap r o c e s s i n gt od e v e l o pf o u n d a t i o n b o u n d u r yi n f o r m a t i o ns y s t e m a n di te x p l a l n e st h ef u n c t i o no f d a t ap r o c e s s i n gt e c h n i q u ei nt h a t s y s t e m , m a k e sap r e p a r a t i o nw o r kf o rn e x tw o r k s e c o n d l yi ti n l l o d u c e s t h eb o u n d a r yg e o g r a p h ys p a t i a ld a t ap r o c e s s i n gt o d e v e l o p f o u n d a t i o nb o u n d a r yi n f o r m a t i o ns y s t e m a n di te x p l a i n e st h ef u n c t i o no fd a t ap r o c e s s i n g t e c h n i q u ei nt h a ts y s t e m , m a k e sap r e p a r a t i o nw o r k f o rn e x tw o r k t h i r d l yt h eo b t a i na n dd a t am o d e li nt h eb o u n d a r ys p a t i a ld a t a , i ti n t r o d u c e ss p a t i a ld a t a m o d e lo f t h eb o u n d a r yi n f o r m a t i o ns y s t e ma n da n a l y z e st h es p a t i a ld a t am o d e l f i n a l l ya p p l i c a t i o na n dp r o c e s s i n gi nt h eb o u n d a r ys p a t i a ld a t a c a r d e do nt h ea n a l y s i sa n d d e s i g nt ot h ei m p o r t a t i o na n de x p o r t a t i o nm o l dp i e c eo ft h ed a t a i n t r o d u c e dm a n ys o u r c e sa n d p r o c e s s i n gt e c h n i q u eo f s p a t i a ld a t a , i n c l u d i n gr e p r o c e s s i n g , e o m p r e s sa n d c u to f i m a g e t h ep a p e ri nt h ee n dc o n c l u d e st h er e s e a r c hr e s u l t sa n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hp r o b l e m s ，a n d c a r r i e so nt h ep r o s p e c t s k e yw o r d s ：d a t ap r o c e s s i n g 、d a t ai m p o r t a t i o nm o d e l 、d a t ae x p o r t a t i o nm o d e l 、 c u to fi m a g e 、c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n 第i i 页 信息工程大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 自古以来，有国则有边，有边必有防，甚至有边必有争。边界划界与管理是维护国家 主权和领土完整、保卫边境地区安宁、维护边境秩序稳定、增进睦邻友好、促进边境改革 开放和经济发展的重要力量，其地位十分重要。随着我国国民经济的不断发展，信息化建 设的不断推进，社会各方面对新技术、新产品的需求日益增强，地理信息系统及其数据库 内容己成为政府和各专业部门进行宏观决策、辅助管理、规划设计等应用必不可少的技术 支撑条件。事关我国领土主权和与周边国家关系的边界划界与管理，更加需要利用新技术 手段来提高其工作效率和科学技术水平。 边界是一个政治概念，是一个国家或地区与相邻国家或地区之间领土权属的分界线。 边界标志着国家的领土范围，关系到国家的主权。在军事方面，边界地区是国家的国防前 沿，即边防地区，具有十分重要的战略地位，在国家面临外部军事威胁或武装侵略时就更 为突出。在经济方面，由于自然环境和人文、社会条件等方面的原因，边界地区在经济区 域类型和发展水平方面往往与内地有着较大的差别；在文化方面，因为边界地区在以上诸 方面往往与内地有着不少差异，所以其区域文化类型的形成是边界地区社会发展长时期、 深层次演进的结果，与边界地区的民族或种族有着十分重要的关系。 中国陆上疆界从中朝边界的鸭绿江口起，到中越边界的北仑河口止，总长2 万多公 里，与1 4 个国家相邻。中国大陆海岸线，北起辽宁鸭绿江口，南达广西的北仑河口，全 长1 8 0 0 0 多公里。海上边界情况更为复杂，按当今公认的国际法，海疆是指领海基线以外 的国家管辖海域，包括领海、毗连区、专属经济区和大陆架等国家的管辖海域和岛礁。 边界问题十分复杂，涵盖军事、政治、经济、外交等各个方面，涉及外事、作战、 反恐、边防、海关、测绘、边境贸易等多个部门。有争议边界的谈判、划定、联检是外交 部门、作战部门、军队和国家测绘部门长期的一项工作。长期以来，边界勘测、划界中有 关资料、信息的管理一直是军事测绘的重要任务之一。在边界谈判、缔约、勘察、联检中， 有关边界的图形、图像、文件、数据等资料的管理和保障是外交部门、作战部门、军队和 国家测绘部门非常重视的一项工作。我国的边界资料基本上是以纸质为存储媒体，以手工 管理为主要方式，这就使得资料的存储、分类、检索、更新、分析、处理、制图、制表等 工作的周期长、消耗大、准确性和现势性得不到充分保证。 随着计算机技术、通讯技术、地理学等相关学科的发展，g i s 的应用范围也迅速扩展， 各行业都生产了多格式、多尺度的数据。g i s 作为研究地理空间的一种工具或平台，它的 主要任务就是组织和处理数据。数据是g i s 血液，空间数据是g i s 的灵魂，数据组织特 第1 页 信息工程大学硕士学位论文 别是空间数据组织应当成为g i s 的重要研究内容。边界数据十分复杂，包括各种比例尺、 各种来源的矢量数据( 包括空间数据和属性数据) 、d e m 数据、图像数据、专题数据、多 媒体数据等多元数据。当前成熟的关系数据库技术和流行的面向对象数据库技术为边界地 理数据库的发展提供了新的思路，一方面，关系数据库的主流地位，由于多元数据本身的 特点，传统的关系数据库模型并不能满足多元数据存储的需要；另一方面，新的面向对象 技术给予了数据管理以新的活力，已开展了大量关于面向对象数据库的研究，有了面向对 象的空间数据结构和空间数据管理模型，并有了一些面向对象数据库产品，如m a p g i s 。 然而由于面向对象数据库技术的不成熟和受计算机速度的限制，这种数据管理方式还没有 广泛应用。面对前面所述的形势，进行利用面向对象的技术来建立边界地理数据模型，用 关系型数据库来组织和管理边界地理数据的研究，具有十分重要的实现意义。 1 2 研究现状和趋势 随着计算机技术的发展，地理信息系统技术( g i s ) 、全球卫星定位系统( g p s ) 技术、 遥感影像技术( r s ) 、数据库技术、多媒体技术日趋成熟并在国民经济各行各业中得到了 广泛的应用，这些高新技术将会有巨大的应用前景，将会为社会产生更多的效益。使用当 前成熟的高新技术为边界管理与决策工作服务，是科技工作者应该切实关心的问题。 目前在边界信息化方面有了许多较成熟的产品投入到了应用中，国家和地方各部门投 入了大量的资金和人力物力，也取得了一系列的成果，目前国内取得的成果如下： ( d 国家测绘局与外交部合作，研制开发了 我国陆地边界谈判与管理信息系统，系 统包括我国与周边国家签订的边界条约资料，边界线现状以及边界附图和相关文字资料， 从而提高有关部门科学管理我国边界的水平，为处理边界线纠纷提供基础地理信息支撑。 与民政部合作，应用数年来省界堪界成果资料，研制我国省界数据库，为省区行政界线管 理、妥善处理纠纷、维护地区安定局面服务。 ( d 由国家基础地理信息中心和边防公安部门联合开发的多尺度国家陆地边界空间数 据库系统，它主要针对边界划界管理和公安边防信息系统中各种数据的综合查询和集成 管理的行为特点而设计的。该系统的主要目的是目的是：1 ) 、为今后全面开展陆地边界信 息化建设工作搭建地理空间基础框架平台；2 ) 、为与边界研究和边防管理有关的专业部门 提供基本的数学基础、自然要素和人文要素，表现边界与周围地理环境的关系和空间分布 规律，以满足边界专题信息的空间定位需求和空间叠加分析需求。 ( d 由国家基础地理信息中心与公安部联合研建中国公安边防边境管理地理信息系 统，为建设边防、加强边防管理、有效快速地反走私、缉毒提供地理信息支持。 ( d 由国家基础地理信息中心开发的国家陆地边界空间数据库系统，它是针对我国 陆地边界的特点而在建立的全国陆地边界基础性框架数据库和中朝、中缅、中越三条便捷 第2 页 信息工程大学硕士学位论文 的议定书附图数据库基础上设计和开发了“国家陆地边界基础框架数据库系统”。系统具 有信息便捷查询检索和数据库管理功能，实现了多尺度基础地理信息数据、1 ：1 0 0 万国界 标准化样图、多种边界议定书附图、边界议定书文本、多媒体信息的集成管理与综合查询 等。 ( d 由武汉大学研发的 基于3 s 的边界勘界信息系统，该系统主要侧重编辑、堪界 过程及相关的信息管理，必须有g p s 功能和数据提取功能。它的主要功能有：1 ) 为勘界工 作提供导航服务；2 ) 对勘界现场采集的地形图修测数据；3 ) 提供线段长度、面积、表面积 等量算工具，对各种划分方案进行空间分析，辅助制定勘界计划，为勘界工作提供决策支 持；4 ) 实现勘界工作成果的管理和相关图、表格的输出；5 ) 多媒体链接功能是将系统所涉 及的多媒体信息管理起来，并可直接读取、修改和删除多媒体数据库中的信息。 边界问题是个十分敏感的政治话题，对于任何国家来说无论是陆地边界还是海上疆界 都十分重要，开发基于地理空间数据的边界管理与应用系统对边界信息进行科学化管理、 信息化管理是符合当前的发展趋势，有利于国家政府部门宏观管理、辅助决策、规划设计 的实施以及边界的谈判与管理等。 1 3 研究的目的及意义 边界信息系统是一个集计算机技术、地理信息系统技术、测绘技术于一体的综合系统， 最终为一个用于专业领域的应用型地理信息系统，它可以满足边界资料管理工作者的需 要，实时装载、修改、查询、输出边界数据、多媒体数据等资料，实现边界资料管理的一 体化、数字化、自动化；满足编辑谈判工作的需要，既可以为边界谈判提供工作用图，也 可以将谈判成果实时标绘到屏幕上并保存下来。边界地理信息系统的研制对于国家和军队 对边界信息进行科学化管理有着十分重要的意义。它的出现弥补了以下几个方面的不足： 我国的边界资料基本上是以纸质为存储媒体，以手工管理为主要方式，这就使得资料的存 储、分类、检索、更新、分析、处理、制图、制表等工作的周期长、消耗大、准确性和现 势性得不到充分保证。 边界信息系统按照软件工程的设计思想，以科学性、实用性、先进性、可扩展性、安 全性为原则，做到系统结构合理、功能完善：既充分考虑边界勘界对系统的要求，充分利 用目前己经成熟的先进技术、做到操作简单、使用方便；又为系统的后续发展留有充分的 接口，以便在结构和功能上进行扩充。即具有突破性和前瞻性，为今后国界线管理以及边 界联检工作的现代化提供有益的尝试和借鉴。 数据处理技术是现代信息科学或计算机科学中应用得最广泛、随意性最强的用语之 一，它没有统一、确定的定义。信息系统某些计算机系统的大多数功能都可以视为“数据 处理”。在地理信息科学领域中，地理空间数据从采集到输出，整个流程中的绝大部分工 第3 页 信息工程大学硕士学位论文 作都可看作是进行数据处理，将“数据处理”功能分门别类，如数据采集、检验、编辑、 格式化、转换、概括、存储、组织、分析和显示等。 数据是一切科技生产的基础和源泉，是一切应用系统的生命线。目前我国部署的加强 国家空间数据建设的各项措旌，包括加强国家数字地理空间数据生产、使用的协调和管理， 空间数据标准的制定，地理信息发布与空间数据交换网络体系建设等，都是以多元多尺度 数字地理空间数据框架建设为前提的。边界地理空间数据的集成建库是构筑综合地理信息 系统的首要任务。边界地理空间数据的集成存储、高效率的管理，数据的及时更新是建立 边界地理数据库需要解决的关键问题。只有把空间数据、图形和图像等公共数据进行统一 管理，合理组织这些空间信息，才能为边界( 境界) 管理部门的决策提供信息服务。 1 4 论文结构 边界地理空间数据十分复杂，包括各种比例尺、各种来源的矢量数据( 包括空间数据 和属性数据) 、d e m 数据、图像数据、专题数据、多媒体数据等地理数据。论文系统地论 述基于边界信息系统的地理空间数据处理技术方法。 论文结构如下： 第一章绪论，介绍边界地理空间数据处理技术的研究背景、研究现状和趋势、研究目 的及意义和论文的结构安排。 第二章边界信息系统的总体设计，本章涉及到了边界信息系统的用户需求，设计原则， 结构设计，功能设计等。 第三章边界信息系统的地理空间数据的获取和数据模型的设计，包括空间数据和属性 数据、d e m 数据、多媒体数据和专题数据以及图像数据的获取等，主要分析了边界信息 系统的数据模型面向对象的数据模型。 第四章边界地理空间数据的处理技术及其应用。对边界地理数据的输入与输出的模块 进行了分析和设计，对地理数据的一些关键处理技术( 如坐标变换、图形裁剪等) 做了简 介，对多媒体数据的查询做了简单的介绍，并给出部分试验及应用结果。 第五章是结论与展望。对研究的内容进行简要的总结，提出了一些需要继续研究的问 题，并对今后的发展进行了展望。 第4 页 信息工程大学硕士学位论文 第二章边界信息系统的总体设计 总体设计又称为逻辑设计，其任务是根据系统研制的目标来规划系统的规模和确定系 统的各个组成部分，说明它们在整个系统中的作用与相互关系，以及确定系统的软硬件配 置，规定系统采用的技术规范，并作出经费预算和时间安排，以保证系统总体目标的实现。 最后撰写系统的总体设计方案，作为重要的技术文件提供论证和审批“1 。 总体设计的主要内容包括： ( 1 ) 用户需求。阐明系统的用户构成、不同用户对系统的要求、系统应具备的功能等。 ( 2 ) 设计原则。设计原则主要是指满足边界特定用户的需求为主要出发点，为边界系 统的总体设计，建立系统的目标所做的原则。 ( 3 ) 结构设计。根据系统功能的聚散程度和耦合程度，将系统划分为若干子系统或功 能模块，构成系统总体结构图。 ( 4 ) 功能设计。由于应用型地理信息系统是针对特定用户所开发的，所以它需要一些 特定功能。边界信息系统是针对边界这个特定的环境所设计的，因此对于该系统所针对的 用户需要开发一些特定的功能。如多媒体的数据管理，界桩数据的管理，边界线缓冲区分 析等。 ( 5 ) 系统配置。指系统运行的设备环境，包括计算机、存储设备、输入和输出设备以 及网络等，软件包括计算机系统软件、网络管理软件、数据库管理系统软件、应用软件等， 并说明其版本、数量和性能特点。 本章主要从用户需求、设计原则、结构设计和功能设计四个方面说明边界信息系统的 总体设计，并说明论文所做的工作。 2 1 用户需求 需求获取是软件开发活动的第一步，获得正确的需求描述是成功软件的前提。一般而 言，用户需求分为两类，功能性需求和非功能性需求，前者定义了系统做了什么，包括地 理空间数据的输入、输出以及其间的转换；后者定义了系统工作时的特性，如效率、可靠 性、安全性、可维护性、可移植性等等要求“。 边界信息系统是基于边界地理空间数据所开发的应用系统。由于系统所应用环境的特 殊性，对于用户的需求也就应该有十分详细的需求分析。通过对需求的理解，使用用例来 捕获、描述这些需求。用例( u c a s e ) 提供了一种系统而直观的方式来捕获系统功能性的 需求，是系统进行分析和设计的核心和基础。下图2 1 是边界信息系统的u m l 表示的用户 需求用例图。 第5 页 信息工程大学硕士学位论文 图2 1 边界信息系统用户需求u m l 框图 2 2 设计原则 边界信息系统是一种专题性g i s ，是g i s 技术在边界管理中的一项应用，系统的设计是 最大限度的满足用户的需求为主要出发点，为此系统的总体设计主要是按照建立系统的目 标来划分系统的功能模块和确定系统的各个组成部分，在进行系统设计时应遵循以下原 则： ( 1 ) 实用性原则 实用性是建设边界管理信息系统的最基本原则。要保证系统实用，满足用户的业务需 求，建立一个能代替人工完成许多日常繁琐复杂的信息处理和管理的实用系统。要求运行 可靠、结构完整、功能齐备、操作方便，对信息类选择合理，易于更新。 ( 2 ) 科学性原则 一方面要做到系统结构和功能设计的科学性，在软硬件选型和配置上科学合理；另一 方面应用在全面调查基础上，确保系统的建立在技术、资金、人员等各方面科学化。 ( 3 ) 规范性原则 信息的规范性和标准性是一个成功系统建设的基础和保证，同时也是系统兼容扩充的 保证。本系统的数据必须规范、标准和完备。我们采取图形数据在垂直方向分层，数据分 类，数据编码等方面进行规范化。 ( 4 ) 可扩充、可更新性原则 在数据编码和系统功能设计方面应留有余地和功能接口，以满足利用的动态性，连续 性和长远发展的实际需要。 ( 5 ) 系统用户界面友好原则 第6 页 信息工程大学硕士学位论文 对于边界信息系统用户而言，界面就是系统，其界面需要允许用户选择并检索相应的 地理空间数据，操作这些数据，并且表示出分析的结果。用户界面的设计好坏决定了用户 使用系统的效率，一个理想友好的系统界面能方便不同的用户的使用。相对而言，用户界 面是用户与系统交互的工具。为了便于不同层次用户的操作，提高系统的适用范围，系统 应采用简单、直接、友好的图形界面，提供可能光标选择菜单等控制功能。同时要考虑一 定范围内硬件上的外部设备( 如高分辨率的显示器、绘图仪、打印机等) 连接，以便于各种 计算结果、图形和文字材料的输出。 2 3 结构设计 边界信息系统是一项复杂的系统工程，必须在明确系统目标，用户需求，对系统进行 全面的分析的基础上，进行系统的结构设计，使我们设计的系统结构优良，同时有很强的 实用性及扩展性，从而适用于未来系统的应用及发展需要。 系统采用c l i e n f f s e r v c r 结构，系统安装在局域网环境中。用户软件和数据库在物理上是 可以分开，也可以位于同一台p c 机上。用户在客户端可以直接使用该软件，对边界地理信 息进行各种通用的处理、查询、分析、制图等操作。系统的体系结构如下图2 2 所示： 图2 2 系统结构图 根据边界信息系统的目标任务，对系统的设计采用层次化体系结构的设计思路，以提 高系统的扩展性，使系统成为一个真正技术先进、运行可靠、利用效益高的实用系统。边 界信息系统由以下五个部分组成：数据准备、显示与控制、查询与分析、制图与输出和数 据库管理。其组成结构图2 3 如下所示： 第7 页 信息工程大学硕士学位论文 图2 3 边界信息系统结构图 ( 1 ) 数据准备主要包括：数据读入、数据入库、数据的拓扑关系处理、数据编辑和d b m 数据的模型的生成。该模块承担着与各种数据相接口的任务，它主要功能是影像处理，输 入有关数据，从而形成以地理空间数据为基础的基本框架；以人机交互的工作方式录入地 理空间数据统一存入系统数据库中。 ( 2 ) 显示与控制主要包括不同比例尺的矢量数据的在屏幕上的显示和控制，以及包括 栅格数据、多媒体数据、文本数据的显示与控制等。 ( 3 ) 查询与分析包含的主要功能是定义各种查询功能，包括点、矩形、圆、多边形等 选择查询，属性条件查询等；t o p o g r a p h y 指地形分析，包括高程、挖( 填) 方、通视的 量算等。 ( 4 ) 制图与输出包含的主要功能定义地图投影，包括地理坐标( 经纬度) 、高斯、u t m 、 等角圆锥等；符号库的设计与制作以及点、线、面符号的输入等；地图注记的添加和修改 等；三维地图显示。 ( 5 ) 地理数据访问与数据库管理包含的主要功能是负责地理数据库的管理，包括表的 管理、用户的管理等；g d a o 是数据库的数据访问对象集合；g i a j 3 是建立在g d a o 之上的空 间数据访问引擎。地理数据访问与数据管理的结构图如下图2 4 所示； 第8 页 信息工程大学硕士学位论文 数据库管理 ， 1 数据控制命令地理数据访问引擎数据访问对象集合 图2 4 地理数据访问与数据库管理 2 4 功能设计 边界信息系统侧重编辑、堪界过程及相关的信息管理。打开系统的主窗体，主菜单上 显示边界信息系统的各功能模块。如下图2 5 所示。各模块独立完成各自的功能，又相互 支持组成一个整体。这种逻辑结构一方面可对系统内容进行任意扩充；另一方面，逻辑结 构清晰，便于系统管理。 下图2 5 是边晃信息系统的功能框架图。 图2 5 系统功能设计框图 边界信息系统要实现的功能包括； 一、数据库管理 ( 1 ) 地理数据的准备，数据装载：对不同比例尺( 如i ：5 万、1 ：1 万、l ：2 0 万、1 ：2 5 万、1 ：5 0 万、1 ：1 0 0 万、124 0 0 万、123 5 0 0 万等) 的矢量数据的输入，对栅格数据进行 编辑后的入库准备，多媒体数据的选择入库等，d e m 数据的生成，拓扑关系的处理和完整 的数据编辑功能，可以用像素地图或遥感图像作为背景，并将矢量数据叠加显示在像素图 或遥感图像上，然后进行属性数据和几何数据的编辑与处理，实现对地理数据库的更新。 第9 页 信息工程大学硕士学位论文 提供的编辑功能主要包括目标增加、目标移动、目标删除、目标整形、目标合并、目标拆 分、节点平差、弧段平差、节点拟合以及属性数据编辑处理等。数据编辑功能支持任意次 数的撤销和恢复操作。 ( 2 ) 数据库管理系统，该功能对地理数据( 包括空间数据和属性数据) 进行定义、入 库、存储、备份和管理，对空间数据和属性数据进行一体化管理和维护。在地理数据库系 统中，地理数据分为两级进行管理，即基础地理数据库和工作区地理数据库。系统对数据 采用分层管理模式，无论是在基础数据库还是工作区数据库中，地理数据都按照地理属性 的类型分为若干图层，每个图层表示一种类型的地理数据。系统中提供对图层进行定义和 管理的工具。对于存储，对地理数据采用了一元存储方式，即空间数据和属性数据作为一 个整体都存储在数据库表中。并在系统中建立了有效的空间索引机制，从而能够对地理数 据进行高效的查询。完成由基础数据库转换并生成工作区数据库的各项功能及其它数据处 理功能，其中包括：相同比例尺邻接图幅的拼接处理和目标合并；相同比例尺或不同比例 尺图幅合并成为一个工作区等功能。 二、系统的查询与分析 系统能够进行边界勘界数据的浏览显示、管理和查询，提供了丰富、灵活的查询分析 手段，并能够将这些手段进行任意组合，满足用户的不同需求。数据库以一种通用的格式 存放，提供方便的浏览、修改、查询功能。查询分析的结果以目标集的形式存储在内存中， 用户可对它进行进一步的处理，还可以以图层的形式保存到数据库中。系统查询功能包括： ( 1 ) 属性数据的查询 对数据按属性内容相同或相近的要素分层后进行显示时，可以方便地查询图形中目标 的属性信息。如界碑名称、观测日期等。 ( 2 ) 地图条件查询 查询满足一定条件的图形有关信息。如根据地名、流域和居民地查询地图上相关信息， 高亮显示查询结果集等。 ( 3 ) 图一文查询( 多媒体部分) 根据图形关键属性字段的内容，如界段的名称、界桩编号或者是界桩的名称等，在系 统界面上选择所需的界桩就可以与多媒体数据库联系，将相关的多媒体信息检索出来，并 进行显示或播放，达到图文并茂的效果。 ( 4 ) 高程查询 可以在数字线划图( d l g ) 上查询某条等高线或某个点的高程值。由于属性表中并没有 高程属性这一项，因此“高程查询”并不是属性查询，而是通过后台调用相应的d e m 来实 现的。 ( 5 ) 提供地形分析功能，如：线段长度、面积、表面积等量算工具，提供3 d 产品叠置 第1 0 页 信息工程大学硕士学位论文 显示、实景三维模拟飞行等功能，根据d e m 自动生成山脊线、山谷线，确定分水岭，对各 种划分方案进行空间分析，辅助制定勘界计划，为勘界工作提供决策支持。系统还能够显 示立体和动态的三维图像，并且能够进行三维分析( 通视性分析、剖面分析、坡度坡向分 析、挖填方的量算、方位角的计算等) 、标志性地物( 如界碑、界桩等) 的增加、删除等功 能。 三、地图制图与输出 ( 1 ) 针对矢量数字地图数据，调用投影变换功能函数，对数字地图数据进行投影变换 处理，产生具有新的地图投影性质的数字地图数据。边界信息系统支持军队常用的几种投 影，包括高斯投影、墨卡托投影、等角圆锥投影、通用横墨卡托投影、等角方位投影、等 积方位投影、等距方位投影等。 ( 2 ) 实现地图注记配置功能，并提供了地图符号管理功能，可以对地图符号库进行管 理，实现地图符号化输出和打印时的符号化处理。 ( 3 ) 对不同格式地图的输出在系统中采用三种输出形式：屏幕显示具有全图显示、 放大、缩小、漫游、自动滚动、恢复上次显示状态等功能。硬拷贝地图，并可以对矢量 地图或者栅格地图进行整饰等操作，输出纸制地图，如彩色喷墨绘图或彩色打印机打印等。 输出到本地硬盘，把数据库中矢量数据、栅格数据、多媒体数据等通过灵活方便的用户 界面输出到本地硬盘。 边界地理空间数据的处理技术是基于边界信息系统的上述功能的。地理数据的处理在 系统中的作用不可忽视，从地理信息系统的概念可知，地理信息系统是一种采集、存储、 管理、分析、显示和应用地理信息的计算机综合系统，是分析和处理海量地理数据的通用 技术“”，简单地说，地理信息系统就是一门处理地理空间数据的技术“1 。数据是g i s 的血 液，没有数据g i s 就无法运行。因此边界信息系统中地理空间数据的处理技术在系统中就 显得尤为重要。在本论文中所讲述的边界信息系统地理空间数据的处理技术主要包括以下 几个方面：地理数据准备中的地理空间数据输入，数据编辑与更新；地理空间数据查询与 分析中的地理多媒体数据查询；以及地图制图与输出中的屏幕输出，打印整饰输出和把地 理数据库中的地理空间数据输出到本地硬盘等。图2 6 可以说明地理空间数据处理技术在 系统中的具体应用： 第1 1 页 信息工程大学硕士学位论文 图2 6 处理技术在系统中的作用 2 5 本章小结 本章主要从边界信息系统的总体设计来讲述了整个系统的框架结构，从边界信息系统 的用户需求、设计原则、结构设计和功能设计等四个方面介绍了系统的主要功能，使读者 对实验的运行环境有个大致的理解，并为下一步进行边界地理数据的处理技术的阐述营造 了一个良好的基础。 第1 2 页 信息工程大学硕士学位论文 第三章边界信息系统地理空间数据获取和模型设计 边界地理数据种类繁多，包括多种比例尺的矢量数据、属性数据、栅格图像数据、遥 感影像、野外测量数据、数字摄影测量数据、g p s 数据、多媒体数据等不同的数据。由于 种类繁多，以及边界界段的不同位置和其他各种原因，也就造成了数据质量也有差别，因 此对于不同的数据需要有不同的要求。 地理信息系统( g i s ) 的核心是空间数据库。空间数据库是g i s 发展的技术支柱，而空 间数据模型则是空间数据库的基础。随着计算机技术的飞速发展，处理地球表面相关信息 的地理信息系统也在不断的发展。与其它处理日常事务的信息系统如银行管理系统、图书 管理系统不同，地理信息系统是采集、存储、管理、分析和描述某区域内与地理位置及空 间分布有关的数据的空间信息系统。它主要涉及空间数据、属性数据、多媒体数据及可能 的拓扑关系的组织和管理，数据量大，应用面广，数据模型相当复杂。因此，虽然人们对 地理信息系统的数据模型和数据结构进行了大量的研究，开发了许多商业化软件，但目前 g i s 软件没有统一完备的数据模型，即使对g i s 数据模型的概念也没有统一的认识。而空 间数据模型是空间数据库的基础和核心。因此对g i s 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。 边界地理数据处理技术是以数据模型为基础，数据模型是系统处理数据强弱的关键。 把客观世界中受关注的事物和现象用数据描述出来，是一个建模和把数据按模型组织起来 的过程，也就是定义数据模型的结构与内容的过程。因此数据模型是连接现实世界和计算 机世界的桥梁。 数据模型的设计直接关系到边界信息系统的实现和使用。边界信息系统在分析了国内 # f g i s 软件的数据模型后，采用了面向对象的空间数据模型，同时系统具有拓扑关系，便 于进行空间分析。在边界信息系统中，工作区中的所有数据连续存储，在逻辑和物理上都 是无缝的。对于每个工作区，根据数据的属性，在纵向上分层管理。因此，边界信息系统 使用的是一种先进的g i s 数据模型。本章主要以及获取边界地理空间数据后对数据的处理 关键技术做了详细的介绍。 本章主要从从边界地理数据获取的基本原则，数据的获取源，边界地理数据的内容， 数据模型的相关知识与背景，边界地理空间数据模型的设计等方面进行阐述。 3 1 1 数据获取的原则 3 1 地理空间数据获取 面对种类繁多的数据源，怎样从中获取对g i s 系统有用的数据显得尤为重要。在边界 上不同界段的g i s 数据源有很大的差别，数据质量也参差不齐，应根据项目的具体情况对 第1 3 页 信息工程大学硕士学位论文 它们进行分析和筛选。作者认为，数据源选择可遵循以下的基本原则： 1 数据源的内容应按系统设计的目标选择内容详尽、完整，能满足用户应用的原 始资料； 2 数据源的精度、质量应选择精度能满足用户需求，坐标系统一致( 或易于转换) 、 质量良好、具有权威性的原始资料； 3 数据源的现势性一选择最新的、能反映现实情况的原始资料； 4 数据源加工难易程度一图形资料应选择比例尺接近、易于采集处理的原始图件； 现有数据资料应选用格式易于转换的； 5 数据源介质一图形资料应优先选择变形较小的聚酯薄膜片，纸介质的次之； 6 数据源形式优先选择数字形式的资料。 特别说明的是由于受资金和环境等方面的限制，在按上述原则进行选择时，并非内容 越详尽、精度越高越好，应该根据系统需求和项目资金的实际情况，在项目资金和国家政 策要求能承担的范围内，选择最适合的数据源。 3 1 2 边界地理空间数据获取源 边界g i s 数据获取是建立g i s 数据库所需各种数据的来源。数据源有多种形式，如各种 比例尺的地形图、专题地图、资料文档、统计报表、遥感影像、野外测量数据、数字摄影 测量数据、g p s 数据等，其随系统功能的不同而有所不同。主要包括以下几种： 3 1 2 1 、地图 各种类型的地图是边界g i s 最主要的数据源。地图是地理数据的传统描述形式，是具 有共同参考坐标系的点、线、面的二维平面形式的表现，内容丰富、地理实体间的拓扑关 系直观、类别也可用不同的符号和颜色加以区分。而且测绘行业也保存了我国绝大部分地 区的不同比例尺的地图。就目前而言，我国大多数的g i s 系统其图形数据都来源于地图。 但是，由于地图的一些特性，在应用时须注意以下几点： 1 ) 地图多为纸质，由于存放条件的不同，都存在不同程度的变形，应用时必须对其 进行校正。 2 ) 由于传统地图更新需要的周期较长，因而现存地图的现势性不能完全满足实际应 用的需要。 3 ) 地图存在着投影问题，对不同地图投影的地图数据，必须进行地图投影变换后， 才能使用。 3 1 2 2 、属性数据 边界部门的各种统计数据常常也是边界g i s 的数据源，如人口数量、人口构成、野生 动植物资源等，是对目标的空间特征以外的目标类型的描述和目标的数量的具体说明，可 视为g i s 的属性数据或专题数据。国家资源与环境信息系统规范在“专业数据分类和数据 项目建议总表”中，将属性数据分为社会环境、自然环境、资源与能源等几大类，并规定 第1 4 页 信息工程大学硕士学位论文 了每项数据的内容及基本数据来源。 3 1 2 3 、实测数据 对于地理信息系统空间数据更新而言，遥感影像数据是地理信息系统中海量空间数据 更新的最主要、最快速的手段。其中野外数据采集涉及到地形测量的整套技术和生产工艺， 其中与g i s 数据采集有关的包括：平板测量、全站仪( 电子平板) 测量、g p s 测量、地籍测 量等，其数据准确度高、现势性强，可对g i s 数据进行实时更新。 3 1 3 边界地理空间数据的内容 边界g i s 数据涉及面非常广泛，包含各种来源和类型的数据。根据数据性质的不同， 其主要包括属性数据、空间数据，还可拓展其他类型的数据，如多媒体数据和文档数据。 1 属性数据 属性数据主要指能够通过传统表格形式进行描述的文本数值型信息，一般为字符串和 数字，如界桩的属性数据，岛屿、沙洲和属性数据等。属性数据也称为统计数据或专题数 据，它表示实际现象或特征类别、名称、数值等。属性数据是对目标的空间特征以外的目 标特性的详细描述，它包含了对目标类型的描述和目标的具体说明与描述，是可视化对象 赖以表达的基础。 2 空间数据 空间数据主要指矢量或栅格形式表示的具有空间意义的图件。空间数据计算和处理功 能是g i s 区别于一般的o a ，m i s ，c m i s ，c a d 等系统的重要方面。空间数据包括基础控制数 据、数字线划图( d l g ) 、数字高程模型( d e m ) 、数字正射影像( d o m ) 、数字栅格图( d r g ) 、三 维模型数据等。 边界的空间数据主要包括： 1 ) 矢量边界图数据：指根据边界的走向分幅；通常一条边界的边界地图的比例尺是 一致的( 个别地图除外) ，但每幅地图的经纬差往往不同；边界地图上只在境界线附近一 定范围内才有数据等等。 2 ) 栅格边界图数据：对于没有矢量化的边界地图，可以扫描成栅格地图后用于显示 和查询等。 3 ) 标绘矢量数据：用户对边界事件和边界态势用文字和符号标绘到边界地图上，这 些数据必须保存在数据库中。 4 ) 索引图矢量数据：为了方便地查询邻国概况等周边信息，需要更大范围的空间数 据；为了方便地选取某一条边界，需要包含所有边界的索引图；为了使用户能在图上迅速 定位边界上的某一点，需要有整条边界的略图数据等等。 3 多媒体数据 多媒体数据主要指在边界数据采集过程中所涉及到的界桩界碑视音频数据、图片、文 档数据等，它主要用于对事物进行更好地描述，如用三维动画、图片、录像等来描述界桩 第1 5 页 信息工程大学硕士学位论文 的类型、式样、尺寸等。 多媒体是指文( t e x t ) ，图( i m a g e ) ，声( a u d i o ) ，象( v i d e o ) 等单独的媒体与计算机融 合在一起的信息传播媒体。多媒体技术就是利用计算机技术综合处理多种媒体信息，将音 频、文本、图形、图像、动画、视频等多种信息一体化，集成一个有机的系统，使其具有 人机交互特性。不同的媒体对不同类别信息的表达和传输能力是不同的，如影像能直观形 象地表现地物、地貌的外部景观；图形是对自然景观抽象概括的结果，适合于表现地物的 质量区别和区域分布特征；文本可对难于用图形、影像表现的内容进行详细、准确的描述 等；各种媒体优势互补，综合利用可以有效地提高信息描述的准确性和完整性。 多媒体数据也包括文档数据，这主要指具有强制性的法律法规和标准规范等的电子文 档，如l ：5 0 0 、1 ：1 0 0 0 、1 ：2 0 0 0 地形图要素分类与代码。这部分数据如果是纯文本内 容的，一些g i s 将他们作为文本数据存放在数据库中，而具有复合组成成分的电子文档则 一般都是以文件的形式来存放。 多媒体数据可以当作是一种特殊的专题属性数据，如何有效地存贮多媒体数据，如何 有效地建立起它与空间数据的联系，是基础g i s 数据管理系统中多媒体数据管理的关键所 在。 3 2 地理信息系统数据模型分析 一、数据模型的概念 数据模型是以一定方式组织起来的，有足够的抽象性和概括性的，对客观事物及其联 系的描述唧。这种描述包括数据内容的描述和各类实体数据之间联系的描述。空间数据模 型是关于现实世界中空间实体及其相互联系的抽象表达，它为描述空间数据的组织和设计 空间数据库模式提供了基本方法。 数据结构是相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合 5 。这些数据元素 是数据的基本单位，一个数据元素可以由几个数据项组成。 数据模型和数据结构之间的区别很模糊。数据结构是数据模型和文件格式之间的媒 介。数据结构是数据模型的表述，数据模型的实施必须通过一定的数据结构。事实上数据 模型是数据表达的概念模型，数据结构是数据表达的物理实现。前者是后者的基础。后者 是前者的具体实现。在数据库中通常按照数据结构的类型来命名数据模型。 另外要注意区分数据模型和数据模式这两个概念。数据模型是描述数据的手段，而数 据模式是用给定数据模型对具体数据的描述。 二、g i s 数据模型分类 数据模型设计的目的是将客观事物抽象成计算机可以表示的形式。但由于地理空间的 复杂性，无论那一种模型都无法反映现实世界的所有方面，因而就无法设计一个通用的数 据模型来适用于所有的情况。所以在g i s 中有多种数据模型并存。现在介绍一下一些数据 模型： 第1 6 页 信息工程大学硕士学位论文 1 、c a d 数据模型。早在十九世纪六十到七十年代，地图通常用一般的c a d ( 计算机辅 助制图) 软件来制作。c a d 数据模型以表示点、线、面的二进制文件格式存储地理数据。但 在这些文件中，不能存储足够多的属性信息。地图图层和注记标注是主要的属性表达方式。 2 、c o v e r a g e 数据模型。它是1 9 8 1 年由e s r i 推出的第一个商用g i s 软件，a r c l n f o ，它 实现了第二代地理数据模型c o v e r a g e 数据模型( 也称地理关系数据模型) 。c o v e r a g e 数 据模型的优势是用户可以自定义要素表格( 特征表) ；