（大地测量学与测量工程专业论文）空间数据转换研究与探讨.pdf

空间数据转换的研究与探讨 摘要 地理数据是g i s 应用系统的血液，是其应用的关键和核心。g i s 应用本身就 是对地理数据进行采集、编辑、存储、管理、分析、显示与制图的处理。由于 g i s 软件平台非常多，g i s 数据结构复杂，数据模型各异且在不断发展，而且数 据建设所耗费的成本占总成本的比例相当大，因此，对数据共享问题的研究在 g i s 应用中就显得非常重要，解决多格式数据交换一直是近年来g i s 应用系统开 发中需要解决的重要问题。 论文分析了几种常见的空间数据格式，并与v c t 格式进行比较，研究它们之 间的兼容性和差异性，为它们之间的转换提供了一个转换思路。本片文章重点 分析了v c t 格式和s h a p e 格式，利用m 0 组件技术，采用v i s u a lc + + 语言平台，进 行了s h a p e 文件到v c t 格式转换程序的编制和应用实例的验证。 关键字：空间数据；拓扑关系；数据转换；地图组件 r e s e a r c ha n dd i s c u s s i o no f s p a t i a l d a t ac o n v e r s i o n a b s t r a c t t h eg e o g r a p h i c a ld a t ai sn o to n l yt h eb l o o do fg i sa p p l i c a t i o ns y s t e m ，b u ta l s o t h ek e ya n dt h ec o r eo fg i sa p p l i c a t i o n g i s a p p l i c a t i o ni t s e l fd e a lw i t ht h e g e o g r a p h i c a ld a t ab y g a t h e r i n g ，e d i t i n g ，s t o r i n g ，m a n a g i n g ，a n a l y z i n g ，s h o w i n ga n d m a p p i n g d u et om a n yg i ss o f t w a r ep l a t f o r m s ，c o m p l i c a t e dd a t as t r u c t u r e s ， d i f e r e n ta n dc o n t i n u o u sd e v e l o p i n gm o d e l si ng i s ，a n dt h ec o s to fd a t ac o n s t r u c t i o n t a k i n gal a r g e rp a r ti na l lo ft h ec o s t ，t h es t u d yo fd a t as h a r i n gi sv e r yi m p o r t a n ti n g i sa p p l i c a t i o n r e a l i z i n gt h et r a n s f o r m a t i o na m o n gs o m ek i n d so fd a t ai sa l w a y s a ni m p o r t a n tp r o b l e mi nt h ed e v e l o p m e n tg i sa p p l i c a t i o ni nr e c e n t l ym a n y y e a r s t h ea r t i c l ea n a l y z e ss e v e r a ic o m m o nf o r m a to ft h es p a t i a ld a t a a n dt h e e o o m p a r i s o o nw a sm a d ew i t ht h ev e tf o r m a t i no r d e rt os t u d yt h ec o n v e r s i o n b e t w e e nt h e mt op r o v i d l eac o n v e r s i o ni d e a s v c tf o r m a ta n ds h a p ef o r m a tw e r e a n a l y z e de m p h a t i c a l l y nt h i sp a p e r , m a k i n gu s eo fm oc o m p o n e n tt e c h n o l o g y u n d e rv i s u a lc + + m i x e d - p l a t f o r m i na d d i t i o n ，s t u d y i n go nw r i t i n ga n dr e a l i z i n g t h et r a n s f o r m i n gf r o ms h a p ef i l ef o r m a ti n t ov c td a t af o r m a t i o np r o g r a mw e r ea l s o c o n d u c t e d f i n a l l y , i tp r e s e n t si t sa p p l i c a t i o na n dt h ec o n v e r s i o nr e s u l t k e y w o r d s ：s p a t i a ld a t a ；t o p o l o g i c a lr e l a t i o n ；d a t ac o n v e r s i o n ；m a p c o m p o n e n t 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表3 8 表3 9 表3 1o 表3 1 1 表3 1 2 表3 1 3 表3 14 表3 15 表3 16 表3 1 7 表3 18 表3 19 表3 2 0 表3 2 l 表3 2 2 表3 2 3 表3 2 4 表4 1 插表清单 矢量数据交换格式要表说明2 3 坐标文件的结构2 7 s h a p e f i l e 头文件表2 8 s h a p e f i l e s 文件支持的几何类型一2 8 点状目标的记录内容2 9 线状目标的记录内容一3 0 属性文件结构3 2 属性文件( d b f ) 的文件头3 3 记录项信息描述3 3 d b f 文件中的数据类型3 3 d b f 文件中的数据类型一3 4 索引文件的结构3 4 索引文件的记录内容3 4 a r c i n f o 格式说明3 5 图形元素对应机制4 0 l i n e s t r i n g 段4 1 c u r v e 段4 2 a r cj i 殳4 3 数据模型比较4 4 a r c i n f o 和v c t 之间的转换4 5 m a p l n f o 和v c t 之间的转换4 5 m i c r o s t a t i o n 和v c t 之间的转换一4 6 a u t o c a d 和v c t 之间的转换4 6 数据模型的比较4 7 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 7 图4 1 图4 4 图4 5 插图清单 关联关系举例7 邻接关系举例7 包含关系举例7 相交关系举例8 相离关系举例8 外部数据转换摸式11 基于标准格式的数据转换1 2 直接数据访问模式1 2 基于o p e n g i s 的数据互操作模型1 3 数据访问对象关系图：1 6 w i n d o w s 应用程序开发的过程2 0 国产g i s 软件格式( - - - - - ) 国外g i s 软件内部或外部格式2 1 圆弧、圆、椭圆2 5 空间数据与属性数据结构对比图2 6 j b n t 的s h a p e f i l e 文件2 7 包含一个岛的多边形31 m i d 与m i f 对应图3 9 a r c g i s 数据s h a p e f i l e 格式到v e t 格式转换流程图4 7 肥西县部分土地规划线状地物5 2 转换后的v c t 文件5 3 独创性声明 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。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金起王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：骷炙玲签字日期：砷年年月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 允许论文被查阅或借阅。本人授权合肥工业大 学可以将学位论文的全部或部分论文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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 致谢 本课题是在我的两位导师高飞教授和胡小华高工的悉心指导下完成的。从 调研、论文选题、资料收集整理到最终的定稿无不倾注了两位导师的极大心血。 高飞教授开阔的视野和渊博的知识以及分析问题的独到见解和思维，严谨的治 学态度，不仅对我的论文，而且对我以后的学习和研究将产生深远的影响；胡 小华教授一丝不苟的作风，严谨的求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以 文，而且教我做人，并为我提供了一个实习的平台，让我得到了一个很好的锻 炼。两年半的时间里，无论是在学习上，还是在生活上，两位老师都给了我极 大地支持和帮助。在此，我对两位导师致以由衷的谢意! 感谢系里所有老师，在我的研究生生涯中，给予我支持和帮助。 在两年半的求学生活中，感谢我的实验室成员：徐文兵、李卫国、涂克楠、 柳锦森、刘小伟以及室友王玉，他们两年半与我融洽相处、共同奋进，对我的 学习和生活提供了无私的帮助和鼓励。 感谢所有支持过我、帮助过我的老师、同学、同门的兄弟姐妹们。 感谢合肥市国土局信息中心为论文的编写提供了数据。 在此，我要特别感谢生我养我并用毕生精力呵护和支持着我的父母及我的 家人! 多年来，当我遇到困难和挫折时，是他们给了我永远向前的动力和勇气， 没有他们的支持就没有我的一切。 最后，谨向所有给予我支持、关心和帮助的人们表示最诚挚的谢意! 作者：陈文玲 2 0 0 9 年4 月3 日 第一章绪论 1 1 引言 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 ，简称g i s ) 是对空间数据、 信息进行采集、录入、处理、分析、转换和显示的信息系统【lj 。它可根据事物 的地理坐标对其进行管理、检索、评价、分析、结果输出等处理，提供决策支 持、动态模拟、统计分析预测等服务，其应用覆盖工业、农业、交通运输、环 保、国防、公安等诸多领域。特别是g i s 与m i s 相结合，其应用将更加广泛。 g i s 给信息系统带来的不仅仅是地图显示，而且将各种数据进行直观的、可视 化的分析和查询，发掘隐藏在数据之中的各种潜在的联系，为用户提供了一种 崭新的决策支持。 地理数据是g i s 应用系统的血液【2 】。组建一个g i s 应用系统，往往要投入 大量的人力、物力进行数据建设。据统计，国外的工程建设中，硬件、软件、 应用开发( 包括数据采集录入) 的投资比例为l ：2 ：1 0 ，国内硬件+ 软件与应用开发 的投资比例为1 ：2 2 5 。由此可见在g i s 应用中，数据建设所耗费的成本在总成 本中占相当大的比例【3 】。然而，在g i s 的发展过程中，由于技术成熟度、开发 者认识空间数据的复杂性等原因，造成许多已建和在建g i s 系统之间没有统一 的标准，数据格式不兼容，限制了数据的共享，引起数据重复采集和开发，降 低了数据的利用率，从而阻碍了g i s 的发展。 1 2 课题研究的背景 早在1 9 6 0 年，r o g e r f t o m l i n s i o n 博士就提出把地图变成数字形式的地图， 使之更利于计算机处理和分析的思想【4 】。1 9 6 5 年wl g a r r i s o n 在一次会议上提 出了地理信息系统这个术语后，g i s 在4 0 年中得到了长足的发展。从2 0 世纪 8 0 年代第一个地理信息系统商业化产品诞生开始，g i s 经过了探索时期、研发 时期、实现与商品化时期、客户应用和网络时期5 个时期的发展，并逐渐成为 一个重要的计算机应用产业。目前，g i s 不但被广泛应用于测绘、制图、资源 和环境等领域，而且也成为城市规划、设施管理和工程建设的重要工具，并进 入了军事战略分析、商业策划、文化教育乃至人们的日常生活领域中。根据统 计，在经济建设，日常生活活动所涉及的信息中有8 0 与地理信息密切相关， 因此g i s 被公认为是2 1 世纪的支柱性产业，是信息产业的重要组成部分，是 世界各国激烈竞争的高科技热点之一。 近几十年来，地理信息系统( g i s ) 无论是在理论上还是在软件开发及实际工 程应用上都得到了迅猛的发展。国内外一些从事g i s 研究和应用的机构和大公 司都推出了自己的g i s 系统，如a r c i n f 0 ，m g e ，m a p l n f o ，g e o s t a r ，m a p g i s 等，还有一些各式各样的地理空间数据采集和处理系统，如国内的瑞得公司和 清华山维公司的数字化测图系统，国外的a u o t d e s k 公司的a u t o c a d ， i n t e r g r a p h 公司的m i c r o s t a t i o n ，t r i m b l e 公司的g p s 测图系统等。这些系统 的开发和竞争给用户带来了极大的可选性和益处，但同时也存在一些问题。最 显著的问题之一就是数据的相互转换问题，因为在不同的系统中，对各种地理 现象的理解、概念、和描述互不相同，各有优势和局限性，而当用户需要从一 个系统转换到另一个新的系统时，首先考虑的是原有的数据能否转换到新的系 统中来。这种需要是大量存在的，比如我国原来的一些大的g i s 系统大都采用 国外的系统，其更新、维护、和安全性难以令国内用户，尤其是一些安全部门 完全放心。目前，国内一批自主版权的国产地理信息系统( g i s ) 软件正日趋成熟。 因此，要使国内用户接受国产系统和转到完全使用国产系统的轨道上来的一个 首要问题就是需要把原有的数据转换过来，以避免数据的重复采集，提高数据 的利用率。 1 3 国内外发展现状 数据转换技术的研究对于地理空间数据的生产、管理、分发与应用服务有 着极为重要的意义，它是推动地理信息产业化的关键。随着科技的发展，地理 信息有了大量的积累，地理信息领域形成了一定的规模并开始走向产业化。此 时，已建立一些地理信息国际共享组织，从新技术角度来研究地理信息共享， 特别是在设计和建立地理信息共享的标准规则、空间数据交换、系统互操作和 语义一致性等方面，如何运用标准来增强共享的研究。通过对国内外地理信息 共享现状的分析，可以清楚地认识到当前空间数据转换的重要性。 此外，国内外己经有了一些较为成熟的产品，它们在数据转换方面做了一 些具体的工作，如e s r i 的a r c i n f o 被普遍认为是世界头号g i s 软件。作为功 能最强大的通用g i s 软件包，a r c i n f o 已经具有2 0 0 0 多个数据处理功能，是 所使用的最复杂的系统。a r c i n f o 和它的数据交换格式( e 0 0 格式) 已经被用作 g i s 行业的实际标准，因为它支持大部分空间信息的功能属性，几乎所有的商 业g i s 软件包都支持这一数据交换格式。除了普及性，a r c i n f o 还支持各种数 据格式的输入和输出，它其中的a r e t o o l b o x 几乎包括所有现在流行的g i s 和 c a d 软件包和通用数据标准的转换。再者如m a p l n f o 公司的m a p l n f o ，也具有 广泛支持矢量数据处理功能，它自带的通用转换器也可以实现部分数据格式的 转换，它的交换格式也是一种常用的矢量数据格式。我国的m a p g i s 、g e o s t a r 等软件也具备相应的数据模型的转换功能【5 j 。 1 4 课题研究的目的和意义 随着i n t e r n e t 网络的飞速发展和普及，信息共享已经成为一种必然的趋势， 地理信息也不例外。越来越多的个人和组织参与空间数据的采集和使用，空间 数据采集的速度迅速增长，而且呈现持续加速增长的趋势。数字化空间信息的 2 大量积累为实现空间数据共享提供了充足的数据贮备，但空间数据格式的不一 致性以及不可互操作性严重阻碍着共享的实现。虽然随着各类g i s 软件的广泛 应用，这些空间数据大多得到了有效的管理。但现有的g i s 软件都是从满足某 个特定业务领域需求的角度出发，对空间数据和非空间数据进行一定的描述、 规定和集成，它们之间尚未形成一套成熟的领域标准，数据结构的不一致性使 得空间数据支离破碎，不易为不同领域的使用者所利用。这样的状况持续下去， 将导致空间数据的巨大浪费，并导致其获得成本居高不下，严重阻碍g i s 产业 的发展和人类进一步有效利用空间数据。地理数据的共享是g i s 发展的必然趋 势，因为地理数据是g i s 的血液，整个g i s 都是围绕空间数据的采集、加工、 存储、管理、分析和表现展开的。空间数据库系统是地理信息系统的一个决策 系统，空间数据是地理信息系统的基础，它是以地球表面空间位置为参照的自 然、社会和人文经济景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等。它 是系统程序作用的对象，是g 1 s 所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内 容。数据是g 1 s 建设最根本的基础，没有数据，g i s 就成了无源之水，同时数 据也是g i s 项目中最昂贵的部分。现实情况，一是随着g i s 的广泛应用，社会 上积累了大量的g i s 数据资源；二是g i s 系统被认为是信息孤岛 6 1 ，各应用部 门总是根据自己的具体情况和应用需求选择不同的g i s 软件平台，从而导致 g i s 数据在数据结构、数据模型、数据格式上都存在着很大的差异。这些使得 空间数据具有了地域分布性、获取手段多源性、存储格式多样性等一些复杂难 于分析处理的问题。要真正实现地理信息共享，必须解决分布式空间数据多格 式等瓶颈问题，这就有必要进行空间数据的转换。 地理信息系统发展至今，已积累了大量的基础空间数据，利用已有系统的 数据对于数据库数据的获取来说是一种十分有效的方法。我们通过这种方法就 可以利用十分广泛的数据资源。数据格式转换不仅可以节约大量的经费和人力， 更可以节约大量的时间，为数据的快速获取与更新创造了条件。数据格式转换 功能的实现在很大程度上实现了数据的共享，这样便在很大程度上拓展了数据 的可用性，这无疑也就增加了数据的潜在价值。 1 5 论文组织的结构 以下是本论文的组织结构： 第一章：作为本文的绪论，主要介绍的本课题研究的背景，及国内外的研 究现状，显示课题研究的必要性。 第二章：对空间数据转换过程中所存在的概念及空间数据结构的描述，及 对数据转换内容及方法进行探讨，对本课题研究所涉及到的主要的理论技术给 与分析，并对系统开发的语言平台作一个简单的介绍。 第三章：着重介绍本文要研究的s h a p e 格式和v e t 格式，并对常见的空间 数据格式进行具体分析研究，并同地球空间数据格式进行比较，探讨其兼容性 和差异性。 第四章：根据前面几章的分析，实现s h a p e f i l e 格式到v e t 格式转换得事先 探讨，并证实转换的可行性。 第五章：对本课题所做出的结论，并分析转换中存在的不足。 4 第二章空间数据的理论技术与方法 地理空间数据本身具有明显的地域分布与归属，通常由不同的部门收集和 维护。各g i s 用户根据不同的应用需求可能选取不同的g i s 软件平台，采用不 同的数据模型、地理表达方式、投影方式等，从而导致了地理数据存在着各种 差异和冲突的现象。如何保证数据源的自治性，有效地解决场地分布的数据源 的异构性，增加访问的透明性等，一直是研究人员广泛关注的问题【7 j 。 2 1 空间数据 2 1 1 空间数据的描述 g i s 的操作对象是空间数据，它具体描述地理实体的空间特征、属性特征 和时间特征。空间特征是指地理实体的空间位置、拓扑关系和几何特征； 属 性特征表示地理实体的名称、类型和数量等；时间特征指实体随时间而发生 的相关变化【引。表征地理空间内事务的数量、质量、分布、内在联系和变化规 律的图形、图像、符号、文字和数据等统称为地理( 空间) 数据【9 1 。随着地理科 学的不断演进、地理空间数据在应用的广度和深度上的不断扩展，空间数据的 概念和内容也被赋予了许多新的含义。如果说传统意义上的地理数据是空间数 据概念的内涵，那么当前和未来的地理信息应用中涵盖的大量人文、社会、经 济、资源、环境等要素便是空间数据概念崭新的外延。它们在空间尺度和时间 尺度的分布上有着千丝万缕的联系，是传统的以测绘概念为基础的空间数据概 念的自然延伸l l 。 2 1 2 空间数据的特点 空间数据是对空间实体、现象的描述，它具有以下的特点【l l j ： ( 1 ) 数据的空间特征、属性特征、时间特征：空间数据描述实体、现象的 位置信息，体现了其空间特征；它对实体、现象所具有的性质加以说明体现空 间数据的属性特征；由于实体、现象随时间的变化发生了位置或属性的变化， 对其进行描述的空间数据必然变化，这体现了空间数据的时间特征。 ( 2 ) 数据的模糊性、准确性、一致性的有机统一：空间数据往往应用于多 种不同的领域，在不同的应用中所表达的信息不尽相同，而且对空间数据的要 求和侧重点也不一定相同，但同类数据在不同的应用中的语义、属性必须一致， 这是由空间数据的客观现实性所决定的。 ( 3 ) 数据的分布式特征、多尺度特征和空间拓扑特征：空间内的实体都是 按照一定的规律分布的，决定了空间数据的分布式特征；对于同一实体，根据 实际具体的需要，可以用多种尺度来描述，比如同一个村庄在不同的比例尺下 的地图上可能用点或面来表示；各种空间实体之间在空间的分布上有着紧密的 联系，如居民点大都沿着河流、道路分布，市级区划在省级区划之内等，这些 使空间数据具有空间拓扑特征。 ( 4 ) 数据的分布广度和连续性要求：空间数据在实际具体应用中，都是对 一定区域或者一定时期内实体要素的数据采集，数据只有具有一定的分布广度 和连续性，这样才有实际应用的价值和基础。 ( 5 ) 巨大的数据量和分类的数据编码：空间数据是对实体要素的数字表述， 不但包括位置信息还包括属性信息，如一幢房屋的描述包括房屋的坐落f 或坐 标) 、房屋的面积大小、房屋的层数、房屋的建造材质、房屋的隶属单位、房屋 的拥有人、使用人等等大量信息，若要对一个城市、一个国家甚至于全球范围 内的所有房屋进行数据采集，数据量肯定很大，这些庞大的数据称为海量数据。 为了有效地管理使用空间数据，将将其分类通过编码科学地组织起来，这就是 空间数据的标准化。 2 1 3 空间数据的拓扑关系 ( 1 ) 拓扑元素 普通地图一般包括三类要素，点状要素、线状要素和面状要素。在二维空 间中，它们分别对应三种图形元素，即结点、弧和面域( 多边形) ，称为拓扑元 素。 结点：指孤立点、线的端点、弧的连接点、面的内点等。 弧：指两个结点间的有序弧段，弧的两个结点可以是不同的结点、也可以 是同一个结点。 面域：指若干闭合弧段链围成的多边形区域，通常用对应的多边形表示。 ( 2 ) 基本拓扑关系 拓扑关系是不考虑度量和方向的空间实体之间的空间关系，空间关系包括 距离、方位、拓扑、相似这几种关系，拓扑关系是g i s 中最重要的一类空间关 系【12 1 。在g i s 中，几类基本的拓扑关系分别是【1 3 】： 关联关系( c o n n e c t i v i t y ) ：存在于不同类型拓扑元素之间的关联关系。 例如：结点与相会于该处的所有弧的关联关系，以及面域与围绕它的诸条 弧的关联关系。此外，也可以在结点和面域之间建立类似的关联关系，以处理 些特殊情况。图2 1 分别表示了结点与弧( 图2 1 ( a ) 、图2 1 ( b ) ) 、面域与弧( 图2 1 ( c ) ) 之间的关联关系。 6 ( a )( b )( c ) 图2 1 关联关系举例 邻接关系( a d j a c e n c y ) ：存在于同类拓扑元素之间的相邻关系。例如每条弧 的两个结点的偶对集合【1 4 1 和每条弧两侧的面域的偶对集合分别形成结点的邻 接关系和面域的邻接关系。邻接关系需要借助不同类型的拓扑元素来描述，面 域通过弧而邻接，弧通过结点而邻接，结点通过弧邻接。图2 2 列出了三种邻 接关系。 ( a )c o )( c ) 图2 2 邻接关系举例 包含关系( c o n t a i n m e n t ) ：指面域包含了某结点、弧或者较小的面域的关系。 如某省境内的湖泊、河流等。图2 3 列举了三类包含关系。 ( a )( b )( c ) 图2 3 包含关系举例 相交关系( i n t e r s e c t i o n ) ：指弧与弧、弧与面、面与面之间相交的关系。如某 条河流穿过某个区域，两条道路互相交叉等。如图2 4 所示。 晒 图2 4 相交关系举例 相离关系( d i s j o i n t i n g f r o m ) - 指拓扑元素之间相互分离的关系。没有公共点 的两条弧之间就是相离的关系。如图2 5 所示。 ( d )( e ) ( f ) 图2 5 相离关系举例 2 2 空间数据结构 空间数据结构是对空间数据进行合理的组织，以便于计算机的处理。数据 结构是数据模型和文件格式之间的中间媒介，是数据模型的具体实现。继承于 空间数据模型的多样性，空间数据结构类型也较多，最常见的主要是矢量结构 和栅格结构两种【14 1 。 到目前为止，矢量结构上要应用于具有强大制图功能的g i s 以及c a d 系 统，而栅格结构则广泛应用于图像处理系统和栅格地理信息系统。数据结构的 选择主要取决于数据的性质和使用的方式。 2 2 1 栅格数据结构( r a s t e r ) 栅格数据结构是最简单、最直观的空间数据结构，又称为网格结构或像元 结构，它是以栅格数据模型或格网模型为基础的，空间对象是通过规则、相邻、 。 连续分布的栅格单元或像元表达的。每个网格作为一个像元或象素，由行、列 号定义，并包含一个代码，表示该象素的属性或值，或仅仅包含一个指向其属 性记录的指针。因此，栅格结构是以规则的阵列来表示空间实体，组织中的每 个数据表示空间实体的非几何的属性特征。在栅格数据结构中，点状要素用一 个栅格单元表示；线状要素用沿线走向的一组相邻栅格单元表示；面状要素则 用其覆盖的相邻栅格单元表示。 栅格数据结构的显著特点是：属性明显，定位隐含，即数据直接记录属性 的指针或属性本身，而所在位置则根据栅格单元相应的行列号经过转换给出， 也就是说，定位数据是根据其在整体数据中的位置得到的。由于栅格行列阵列 容易为计算机存储、操作和显示，因此这种结构容易实现，算法简单，且易于 扩充、修改，也很直观，特别是易于同遥感影像结合处理。 栅格文件一般都很大，在高分辨率的情况下所需的存储空间可能达数兆。 由于栅格模型的表达与分辨率密切相关，所以，同样属性的空间对象( 如公路) 在高分辨率的情况下将占据更多的像元或存储单元；另一方面，栅格模型是通 过具有相同属性值的像元来表达具有相同属性的面状区域的。显然，上述两种 情况将可能造成许多栅格单元或像元与其邻近的若干像元都具有相同的属性 值。为了节省存储空间，就可以利用这个特性对栅格数据进行压缩。游程编码、 常规四叉树编码、线性四叉树编码是三种常用的数据压缩方法，因而，编码压 缩是栅格数据的另一个特点 1 5 o 2 2 2 矢量数据结构( v e c t o r ) 由于栅格数据结构中不包含图形实体的空间位置，那么，随着图形数据库 数据量的增大，对图形实体的操作速度将降低。因为，在此情况下，所有的图 形实体都将参与所有的计算和判别步骤。而矢量数据结构则是通过记录坐标的 方式标记点、线、面等空间实体，因为空间坐标是连续的、允许任意位置的， 所以其分辨率比栅格结构的高。 ( 1 ) 点的数据结构 点状要素是由一个坐标( x ，y ) 定位的空间实体。在矢量数据结构中，除点 实体的标识码以及( x ，y ) 坐标外，还存储有其他一些与点实体有关的属性数据 来表述点实体的其他人们关心的或是运算必须的属性信息，如拓扑关系、类型、 显示符号、颜色等，或是存储有指向这些信息的指针。 ( 2 ) 线的数据结构 线状要素是由一系列它所经过的中心线上节点的坐标定位的空间实体。在 矢量数据结构中，除了包含标识码以及这一系列点的坐标外，为了计算方便， 还包含有点的数目，另外就是这条线的拓扑信息及其他人们关心的或是必须的 属性信息，或是指向这些信息的指针。在空间数据结构中，圆弧通常由折线近 似表示。 9 ( 3 ) 面的数据结构 面状要素是由它的边界线围成的区域，是由一系列边晃线定位的空间实体。 在矢量数据结构中，包含有面的标识码、边晃线条数、边界线、拓扑信息和其 他信息。 ( 4 ) t i n 的数据结构 t i n 的数据结构简单时可以只记录三个顶点的坐标j 在复杂的应用情况下， 要记录标识码、三个顶点、三条边、三条边的对应的相邻三角形以及其他属性。 本文研究的是空间矢量数据的转换方法，讨论的数据结构主要是空间矢量 数据格式。 2 3 数据转换 2 3 1 数据转换的内容 空间数据转换的内容主要包括三方面的信息：其一是空间定位信息( 实体 的坐标) ；其二是空间关系( 如一条弧段的起始结点、终结点、左多边形，右多 边形等) ；其三是属性数据。由于每个系统的数据结构和数据模型不完全相同， 在数据转换过程中往往丢失数据，甚至得不到有关信急。一般情况下，空间目 标的定位信息能够完整地进行转换。但是有些c a d 系统，如a u t o c a d 和 m i c r o s t a t i o n ，他们可能包含数学曲线，如三点圆、圆弧等，在g i s 中又没有这 些图形元素。所以在转换时，一般将他们内插成折线，这样难免会精度损失。 转换过程中最容易丢失的信息是拓扑关系信息。数据模型基本一致时，如果拓 扑关系的信息在转换过程中丢失，可以在数据转换后的系统中重构拓扑关系， 但是数据结构不一样时，如m a p l n f o 等软件没有拓扑关系，空间数据转入或转 出就不可能带有拓扑关系。对于属性数据，大部分g i s 系统都能够进行转换， 但用户经常用到的a u t o c a d 的外部交换文件d x f 早期版本不含属性数据，此 时要得到属性数据要通过其他途径。 2 3 2 数据转换方法 地理空间数据不同于般的事务管理数据，一般事务数据有几种固定的数 据模型，数据的转换问题比较简单。但是地理信息系统的空间数据与之不同， 由于对空间现象理解不同，对空间对象的定义：表达、存储方式亦有不相同， 给信息转换带来了极大的不便，解决多格式数据交换一直是近年来g i s 应用系 统开发中需要解决的重要问题。目前国内外实现数据转换的方式大致有如下四 种【1 6 】【1 7 】，即： 一、外部数据转换模式 外部数据转换是指直接读写其它软件的内部格式、外部格式或由其转出的 某种标准格式。它是一种间接数据交换格式，其它数据格式经专门的数据转换 程序进行格式转换后，复制到当前系统中的数据库或文件中。这是当前g i s 系 1 0 统数据交换的主要方法，目前国内基本上还是采用这种方法。当前公认的几种 重要的空间数据格式有：e s r i 公司的a r c i n f oc o v e r a g e ，s h a p e f i l e ，e 0 0 格 式；a u t o c a d 的d x f 格式、d w g 格式；m a p i n f o 的m i f ，m i d 格式等等。 最初的方法是在不同系统间采用中间数据格式来实现转换空间数据( 如图 2 6 ) 。如a r c i n f o 的e 0 0 格式、m a p l n f o 的m i f 格式以及标准图形交换格式 d x f 等。中间数据格式实质上起到了一个数据桥梁的作用，通过这个桥梁可以 实现软件之间的数据转换。应该看到，单机环境下用数据转换方法实现数据转 换有着明显的优势，可以快速、准确地实现用户需要，达到数据转换目的。用 户可以在系统内设置有关转换参数后，对海量g i s 数据进行批量转换。从技术 实现难度上来讲，用户只需要做一些有限的参数设置就可以达到自己的目的。 转换过程不需要用户干预。但是，由于不同的g i s 软件数据模型的不同，导致 对地理实体的描述也不一致，因而转换后的数据不能准确地表达原数据的信息， 容易造成数据信息丢失，有时还会造成空间数据精度损失等等。 图2 6 外部数据转换摸式 在地理信息系统发展初期，地理信息系统的数据格式被当作一种商业秘密， 因此对地理信息系统数据的交换使用几乎是不可能的【l 引。为了解决这一问题， 通用标准数据交换格式的概念被提了出来( j r a u lr a m i r e z ，1 9 9 2 ) 。标准空间数 据交换格式转换方法基于标准的空间数据交换格式，在多个g i s 间具有较好的 转换性( 如图2 7 ) 。近年来不同国家和组织出于自己的需要，相继制定了各自的 内部标准，如我国制定了国家空间基础数据标准n s d s ；美国国家空间数据协 会( n s d i ) 帝r j 定了空间数据格式规范s d t s 等。空间数据标准化的举措在很大程 度上推动了空间数据的转换和互操作。但是，由于标准化的规范不同，所以对 g i s 标准格式数据的接口和转换的实现无法达到同步，而且各种各样标准的出 现，使数据标准化己失去了原来的意义，不同国家和地区制定的标准之间互不 兼容的情况普遍存在，标准化仍然存在地理模型和数据结构性差异的问题。现 在的空间数据标准化只能做到在某个特定的行业或国家中实现空间数据转换， 而无法实现基于地理空间概念上的数据转换与互操作。 系统a 内部文件标准空间数据系统b 内部 交换格式文件 图2 7 基于标准格式的数据转换 二、直接数据访问模式 顾名思义，直接数据访问指在一个g i s 软件中实现对其它软件格式的直接 访问，即把一个系统的内部数据文件直接转换成另一个系统的内部数据文件( 如 图2 8 ) ，用户可以使用单个g i s 软件存取多种数据格式i l9 。直接数据访问不仅 避免了冗繁的数据转换，而且在一个g i s 软件中访问某种软件的数据格式不要 求用户拥有该数据格式的宿主软件，更不需要该软件运行。直接数据访问提供 了一种更为经济实用的数据交换模式。目前使用直接数据访问模式实现数据交 换的g i s 软件主要有两个，即：i n t e r g r a p h 推出的g e o m e d i a 系列软件，实现了 对大多数g i s c a d 软件数据格式的直接访问，包括：m g e ，a r c i n f o ，f r a m e ， o r a c l e s p a t i a l ，s q l s e r v e r ，a c c e s s m d b 等。中国科学院地理信息产业发展中 心研制的s u p e r m a p 2 0 则提供了存取s q l s e r v e r 、o r a c l e s p a t i a l 、e s r i s d c 、 a c c e s s m d b 、s u p e r m a p s d b 文件的能力，在以后的版本中将逐步支持对 a r c i n f o c o v e r a g e ，a u t o c a d d w g ， m i c r o s t a t i o n d g n ， a r c v i e w s h a p e f i l e 等 数据格式的直接访问。 直接存取方法在本质上也属于数据转换的方法。g i s 系统对不属于本系统 格式的空间数据进行直接读取时，事实上也存在一个数据转换的过程。因此， 用这种方式实现数据转换也包含数据转换的一些弊病。直接存取方式在实现时 出现空间数据丢失、精度损失和数据表达歧义性情况，空间数据格式开放的程 度不同，又使直接存取方法中出现一些特殊的和不可克服的弊病。如对于g i s 系统升级情况，通常会对空间数据格式进行修改，而且有时这种升级是全方位 的，系统会对空间数据结构做一些彻底的、根木性的修改。这时基于直接读取 方式的数据转换方式就显得无能为力，系统必须重写己经实现的数据存取模块。 如由于b e n t l e y 公司对m i c r o s t a t i o n 8 数据文件d g n 格式进行了大幅度的修改， 如果有用户实现了v 8 版本以前的d g n 格式数据转换，那么现在要在d g n v 8 版本基础上实现数据转换，就只能重写相应模块。如果升级后的d g n 格式不 公开，基于此平台的数据就几乎不能实现互访，而破译对方的格式除了破译的 完全程度值得考虑外还会有知识产权的纠纷。 空间数据互操作模式 图2 8 直接数据访问模式 1 2 空间数据互操作模式( 如图2 9 ) ，是o p e n g i s c o n s o r t i u m ( o g c ) 0 定的规范。 g i s 互操作是指在异构数据库和分散计算的情况下，g i s 用户在相互理解的基 础上，能透明的获取所需的信息。o g g 颁布的规范，可以把提供数据源的软件 称为数据服务器( d a t a s e r v e r s ) ，把使用数据的软件称为数据客户( d a t a c l i e n t ) ，数 据用户使用某种数据的过程是及时发出数据请求，和数据服务器提供服务的过 程，其最终目的是使数据客户能读取任意数据服务器提供的空间数据。o g g 规 范基于o m g 的c o r b a ，m i c r o s o f t 的o l e c o m 以及s q l 等，为实现不同平 台间服务器和各户团之间数据请求和服务提供了统一的协议。 o g g 规范正得到o m g 和i s o 的承认，从而逐渐成为一种国际标准，将被 越来越多的g i s 软件以及研究者所接受和采纳。但目前，还没有商业化g i s 软 件完全支持的一种规范。 系统a 内部标准a p i标准a p i 系统b 内部 文件函数 函数文件 图2 9 基于o p e n g i s 的数据互操作模型 由加拿大s a f es o f t w a r e 公司推出的f m e ( f e a t u r e m a n i p u l a t e e n g i n e ， f m e ) u n i v e r s a lt r a n s l a t o r 可实现不同数据格式之间的转换。该方法是基于 o p e n g i s 组织提出的新的数据转换理念“语义转换 ，通过在转换过程中重构 数据的功能，实现了不同空问数据格式之间的相互转换f 2 0 1 。数据互操作为数据 交换提供了崭新的思路和规范。但这一模式也存在着一定局限性。 a 为真正实现各种格式数据之间的互操作，需要各种格式的宿主软件都 按照统一的规范实现数据访问接口，一定时期内不能实现。 b 一个宿主软件访问其他软件的数据格式是通过数据服务器实现的，这 个数据服务器实际上就是被访问数据格式的宿主软件，也就是说，用户必须同 时拥有这两个g i s 软件，并同时运行，才能完成数据互操作过程。 c o g c 标准更多地考虑到采用o p e n g i s 协议的空间数据服务软件和空间