（信号与信息处理专业论文）基于多分辨地理信息系统的空间分析方法研究.pdf

摘要 多分辨地理信息系统是地理信息系统发展的必然趋势，空间分析是地理信息 系统区分于其他制图系统的灵魂所在，本文紧紧把握这两方面的内容，结合国家 8 6 3 课题，对多分辨的空问分析做了深入研究。 通过研究多分辨空间分析所涉及到的数据特点，建立了适用于多分辨地理信 息系统的数据库，并且在已有成果的基础上，提出了一种新的空间信息检索方法， 有效地完成了多分辨地物的快速检索。通过多分辨信息提取，实现了在不同分辨 率下提取不同细节层次的信息，完成了多分辨的缓冲区分析：提出了种多分辨 网络拓扑结构自动生成方法，实现了在多分辨地理信息系统中的最佳路径分析， 并用试验验证了浚方法的有效性。 关键词：多分辨地理信息系统空间分析空间数据检索方法 缓冲区分析最佳路径 a b s t r a c t i n t e g r a t i n gt h ec a p a b i l i t yo f m u l t i - s c a l ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n gi st h en a t u r a lt r e n d o ft h ed e v e l o p m e n to fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m t h es p a t i a la n a l y s i st e c h n o l o g y i st h em o s ts i g n i f i c a n td i f f e r e n c eb e t w e e ng i sa n do t h e rc a r t o g r a p h ys y s t e m b a s e do n t h en a t i o n a l8 6 3h i t e c hp r o g r a m ，ad e e p l ys t u d yo ns p a t i a la n a l y s i st e c h n o l o g yi n m u l t i s c a l eg i si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h r o u g ha n g l i c i z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i co fg e o g r a p h i cd a t a ，a s p a t i a l d a t a b a s e s t r u c t u r et h a ta p p l i c a b l et om u l t i s c a l eg i sw a sp r o p o s e d b a s e do nt h es p a t i a li n d e x c o m m o n l y u s e di nt r a d i t i o n a lg i s ，an e w s p a t i a la c c e s sm e t h o dw a si n t r o d u c e di n t ot h e s p a t i a ld a t a b a s ef o rr a p i dq u e r y i n gg e o g r a p h i co b j e c t sa tm u l t i p l er e s o l u t i o n s f o rb e t t e r v i s u a l i z a t i o ne f f e c t ，f lm u l t i s c a l eb u f f e ra n a l y s i st e c h n i q u et h a tc o m b i n e sm u l t i - s c a l e c r u c i a lp o i n td e t e c t i o na n dr a s t e rc o n v e r s i o nb u f f e rg e n e r a t i n ga l g o r i t h mw a s p r e s e n t e d ， w h i c hc a l lg e n e r a t er e s u l tb e s tf i t t e dt oc u r r e n tr e s o l u t i o n as e l f - o r g a n i z e dt o p o l o g i c s t r u c t u r e g e n e r a t i n ga l g o r i t h m w a sa l s o p r o p o s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o f s h o r t e s t p a t ha l g o r i t h m b a s e d o nt h i s a l g o r i t h m ，t h e t r a d i t i o n a ln e t w o r ka n a l y s i s a l g o r i t h me a r lb ee f f i c i e n t l yc o n d u c t e da td i f f e r e n c er e s o l u t i o n t h ee f f e c t i v e n e s so fo u r a l g o r i t h mw a sp r o v e db ye x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：m u l t i s c a l eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m s p a t i a la n a l y s i s s p a t i a l a c c e s sm e t h o db u f f e r a n a l y 7 s i s s h o r t e s tp a t h 创新性声明 y 5 8 3 6 2 4 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它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 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：刘畅日期：动睥年1 月牛日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本人签名：刘畅 箍章缝论 第一章绪论 1 。1 多分辨地理信息系统的研究意义 建瑾蘩患箨爻毒主会生产释生瀵中最广泛篌羯羁激鬟簧静一类绩意资源，一妻在各行 业中发挥着融大的作用。随着对地观测技术的发展和人们对地理信怠需求蹩的增加，如 何高效便捷地管理、查询和分析海量地理信息数据，成为充分发挥地理信息作用的关键。 伴随着信息产业的发展，计算机技术成为解决遮一问题的最佳途径，地理信息系统 ( g i s ) 应运稍生。从广义上讲，地理信息系统是允许加工空间数掘成为信息的工具， 这些信息逶零与地球上菜些部分嗳确稳连势用于狭繁。这秘定义羲不复杂氇不特爱建靖 确。这就像魄避学领域本身一样，定义起来穰困难，代表了很多学辩领域的综合，叠蕊 来说没有绝对一致的g i s 定义。从功能上，地理信息系统( g i s ) 一般锻定义成一个获 取、存取、编辑、处理、分析和擞示地理数据的系统；从内容上，g i s 被定义成一个包 含了计算机软、硬件、地理数掇和专业人员的系统，怒种收集、检套、集成和分析与 遣表稳关豹债患抟诗箕规系统l 。 遣瑾僚憨蘩统在我晷超多予2 e 超纪7 g 年代e t , 2 , 3 1 。8 0 年代进入全蓊试验除段。进入 9 0 年代盾，随潜社会主义市场经济的发展，得到了前所未有的发展。爵前地理信息系 统实用化程度不断提高，商品化j 薹 程正在加快，国家科委也把地理信息髹绕、遥感及全 球定位系统的综合应用列为“九赢”期间国家1 5 项黛点科技攻关项目之。这些都将 导致她理信感系统懿迅猛发震。 蘧理落惑系统豹发震袭交了人们使雳遮圈豹方式。在瑶健g i s 孛，避行趣理信惠溆 览时往往允许糟户选择特定地理信息实体后，在不同的分辨率等级上进行照示。然而。 简单的放大或缩小只会导致地图质量的下降。当一个嶷体被放太时。不仪是它的显示尺 寸得到了放大，间时应该有更多的细节信息显示出辫乏。反之亦然。由于猩地理信息系统 处理豹海整数攒孛，同一地物的数掇往往困其比例尺不同有不同的表现形式，所以为了 鹱够有效款缌级嚣娃理这些数撵，搜箕楚手一耱会溅瓣、骞疼豹警瑾获惫串，蒇鬟要建 立多分辨的媳理信息系统。 另外，媳也多分辨的地理信息系统是完全符合人暇的视觉原理以及人们分析问题的 逻辑习惯的。众所周知，对一个物体的感知是与距离肖关的。尽管物体本身是客观存在 的，但是当观察者与物体的距离不同时，对同一物体的感知是不同的。从逻辑豹推理习 攫上说，当人弱对太区域避行滚滚溅燕薅，懿整令广容餐，裁不会关心浆个枣中豹一条 街道；焉当鞠户憋要蠢诲深堋枣豁菜座大震霹，就不会考虑广娥泰静蛾镪。这就要求良 一个合理的方式组织数据，提供缭用户一个实时的多分辨的地理信息系统，以满足用户 的需要。 基于多分辨地理信息系统的空间分析方法研究 g i s 中，同时存在几种不同比例尺( 或精确程度) 的空间数据的现象被称为g i s 的 多比例尺性，而相应的g i s 被称为“多比例尺”( m u l t i s c a l eg i s ) 或“多分辨率g i s ” ( m u l t i r e s o l u t i o ng i s ) 。 多分辨地理信息系统所面临的核心问题是如何在“分辨率空间”上进行快速联合 检索。在地理信息系统的发展中，已经出现了一系列基于空间位置关系的快速索引结构 并已经在各种系统中得到了应用。然而这些索引结构都不能在进行空间位置划分的同时 很好的结合分辨率信息，因此影响了他们在多分辨地理信息系统中的应用。本文的工作 在这方面做出了有益的尝试。 1 2 多分辨地理信息系统中的空间分析 空间分析是地学领域的重要概念，是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分 析技术。其目的在于提取和传输空间信剧】。自有地图以来，人们就开始自觉或不自觉 地进行着各种类型的空间分析。如在地图上量测地理要素之间的距离、方位、面积，乃 至利用地图进行战术研究和战略决策等。 在地理信息系统发展的早期，人们的注意力多集中于空间数据结构及计算机制图方 面，空间分析的问题尚不尖锐。但在今天，对g i s 空间数据结构的研究已经相对成熟， 计算机制图也早已达到了实用化水平实用的g i s 软件以及实际的g i s 系统已有很多成 功的实例，因此系统的空间分析功能就成为人们倍加关注的焦点。相对于g i s 的其他分 支领域而言，空间分析的研究是相对落后的，这已引起g i s 理论界的高度重视。不但近 几年几乎所有的g i s 学术会议都将其列为主要议题之一，而且专门的研讨会屡有召开。 可以认为，g i s 的发展已从数据库型g i s 进入到分析型g i s 的阶段。 很多人认为计算机辅助制图( c a c ) 、计算机辅助设计( c a d ) 与地理信息系统三 个概念是没有区别的 4 1 。事实上，任何试图分析地图的人很快就会发现，如果处于纯粹 制图目的，使用c a c 系统开发特别是输入、设计和输出制图数据，比起通过g i s 的 极大数量的分析生成一幅简单地图要更加方便；商c a d 系统，通常与外部描述的数据 文件没有联系，是建筑师常用的软件，可以加速建筑图件绘制过程和简化编辑处理。它 既不像c a c 那样容易用来生成地图，也不具备g i s 的地图分析能力。地理信息系统的 目的不仅是为了绘图，而更重要的是为了分析空间数据提供空间决策支持信息。因此， 空间分析的功能是g i s 区别与其他两者的重要标志，是地理信息系统的主要功能，是核 心，是灵魂。 + 地理信息系统是一种决策支持系统，侧重于处理、模拟和分析。它为政府官员、公 司经理等管理者进行决策服务。它的应用领域相当广泛，从自然资源管理评价到城市与 区域规划，从人口普查到商务应用，从市政基础设施建设到交通管理。早在1 9 9 0 年美 国联邦政府已有6 2 个机构使用g i s ，其中1 8 个已用于常规作业。这些应用都是由空问 第一章绪论 分析技术所支撑的，是与空间分析密不可分的。 空间分析是地理信息系统的主要特征，也是评价一个地理信息系统功能的主要指标 之一。空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的数据分析技术，其目的在于提取和 传输空间信息。空问分析是各类综合性地学分析模型的基础，为人们建立复杂的空间应 用模型提供了基本工具。 随着对地理信息系统多分辨显示地理要素信息需求的不断增加，空间分析技术也面 临新的问题。在传统地理信息系统中，空间分析技术是基于固定的地理信息实体集进行 的，而在多分辨地理信息系统中，需要进行空间分析的实体集合是随着分辨率的不同而 不同的，因而是在一个可变集合上的图形分析和运算过程。其面临的主要问题是，如何 根据当前的分辨率等级动态确定待处理的地理要素集合，以及如何根据不同的分辨率等 级可视化分析结果。结合本文中提出的多分辨空间数据库，实现了相应的多分辨分析算 法。 1 3 本文主要工作及内容安排 本文工作源于8 6 3 项目“城市空间信息应用中的若干技术与珠三角城市产业促进示 范工程”( 2 0 0 i a a l 3 6 0 7 0 ) 。围绕该课题，本文对多分辨地理信息系统中的关键技术 一多分辨空间数据库以及基于多分辨地理信息系统平台上的空间分析技术的应用进行 了相关的研究。实现了对多分辨地理信息的管理、查询和分析。 由于多分辨概念的引入，传统的一维空间索引已经不能满足多分辨空间查询和分析 的需要。因此，将地理实体划分为不同的分辨率视图和空间视图，分别用于进行分辨维 和空怕j 维上的检索，两类视图相结合构成了本文中使用的空间数据索引结构。该索引结 构作为独立于关系型数据库的二级索引，为在特定分辨率等级下的地理要素查询和分析 提供了基础，同时提供了地理信息的快速访问方法。 本文在空间数据库结构的基础上，设计了多分辨地理信息系统中的常用空阳j 分析算 法，主要包括多分辨缓冲区分析和多分辨网络分析算法。其中，前者主要解决了在多分 辨地理信息系统中，根据当前分辨率等级进行缓冲区分析及其可视化的问题，后者则处 理多分辨地理信息系统中，地理实体网络拓扑结构的自组织问题。 结合多分辨空间数据库和多分辨空间分析的成果，本文中的地理信息系统为多分辨 地理信息的查询和分析提供了平台支撑和算法保障。 本文完成的主要工作如下： 1 通过深入分析对系统中所涉及的各种数据的数据结构的基本特征，并结合多分辨地 理信息系统的具体应用，确定对数据的管理和维护机制，在此基础上完成了数据库 的设计。结合了目前存在的对多分辨数据存储的一库多版本和多库多版本的存储模 式，对分辨率相差比较大的同一地物采用一库多版本，对于分辨率相差比较小的同 基于多分辨地理信息系统的空间分析方法研究 一地物采用信息自动生成的方式。 2 基于目前已有的空间数据的索引结构，分析他们在多分辨地理信息系统应用中的不 足，提出了一种新的更加有效的索引结构，引入了与分辨率密切相关的匹配度因子， 并设计了该结构所涉及的算法，用试验验证了该索引的有效性。 3 在己完成的数据库和新的索引结构的基础上，用数据的多分辨显示的手段，采用基 于栅格转换的方法，避开了复杂地物进行缓冲区分析时复杂的矢量求交等运算，实 现了多分辨地理信息系统中的缓冲区分析； 4 在现有网络分析算法的基础中，提出了一种基于多分辨网络结构自组织算法的多分 辨网络分析算法。通过对数据的多分辨提取，采用经典的最佳路径分析算法，实现 了网络分析的多分辨。 5 设计了基于多分辨数据库，多分辨缓冲区分析和多分辨网络分析的地理信息原型系 统，为多分辨g i s 的丌发做出了有益的尝试。 本文后续章节的安排如下：第二章介绍本文的多分辨地理信息系统中涉及的基本数 据及其多分辨结构，分析了这些数据的多分辨特点，设计了相应的空间数据库的管理和 维护机制；第三章阐述空间数据库的多分辨索引结构，在总结前人工作的基础上提出 了一种新的用于多分辨地理信息系统的空间数据索引结构：第四章对多分辨地理信息中 的缓冲区分析技术进行了介绍，设计了一种适用于多分辨缓冲区分析的特征点提取算 法；第五章将传统的网络分析技术进行了扩充，配合自适应网络拓扑结构生成算法，将 其应用在多分辨地理信息系统中：第六章总结了本文的主要工作，并对尚待开展的研究 进行了简单介绍。 第二章空问分析中的基本数据及其多分辨结构 第二章空间分析中的基本数据及其多分辨结构 空恻分析的目的是提取空间信息，而空间分析的对象是空间数据。空间数据是描述 地球表层( 有一定厚度) 一定范围内的地理事物及其关系的数据。本章首先介绍了空划 数据的基本特性，着重介绍了在空间分析中涉及到的矢量数据模型。在此基础上，通过 比较目前空间数据库中应用的一库多版本和多库多版本两种存储模式的优缺点，提出了 一种对于分辨率相差比较大的同一对象建立多库，对于分辨率相差比较小的同一对象采 用自动提取方式的空间数据采集方法。 2 1 空间分析中涉及的矢量数据 一、空间数据的主要特性1 4 , 8 j 空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术。因此，空间分析 方法必然要受空i i 白j 数据表示形式的制约和影响，那么在研究空| 白j 分析时，就不能不考虑 空间数据的表示方法和数据模型。 空间数据作为数据的一类，具有数据的一般特性，但它又具备自身的一些特性。空 间数据的特性包括： 1 ) 抽样性：空间物体以连续的方式存在于地理空间，为了能以数字的方式对其进行描 述，必须将其离散化，即以有限的抽样数据表述无限的连续物体； 2 ) 概括性：在一个空间数据库中，由于主题或者数据库应用环境和任务的要求不同 我们可能舍去较为次要的地物； 3 ) 多态性：空间数据的这一特性充分说明了建立多分辨空间数据库的必要性。空削数 据的多态性具有两层含义，一是同样地物在不同情况下的形态差异。就形态而言， 任何城市在地理空间都占据一定范围的地域，因此可以认为其是面状地物，但在比 例尺较小的空间数据库中，或者在相对宏观的分析中，城市是作为点状地物处理的。 再者，河流在现实世界中是具有一定宽度的条带状的面状地物，但在空问数掘库中， 可能表示为或者单线河流或者双线河流，而就大多数空洲分析而苦河流是作为线 状物体处理的。二是不同地物占据同样的空间位黄。大多数表现为社会经济人文数 据与自然环境数据在空间位置上的重叠。如长江是水系要素，但网时在不同的地段 上，长江又与省界、县界相重叠。空间数据的多态性是建立多分辨空间数据库的直 接原因。 4 ) 空间性：空间性是空问数据的最主要的特征，它是指空间物体的位置、形态以及由 此产生的系列特性。如果不考虑空间物体的空削性，空间分析就失去了意义。作为 非空间数据，两个城市之间的关系可以用一般的数值和逻辑关系来描述，如人口的 多少、经济的发展和发达程度等。但是作为空间数掘，两个城市之i 可的关系一下就 6基于多分辨地理信息系统的空间分析方法研究 增加了许多，如距离、方位、空间相互作用。空间性不但导致空间物体的位罱和形 念的分析处理，同时导致空间相互关系的分析处理，而这是更为复杂的一类处理。 在常规的数据管理中，可以用分类树对物体进行编码，并根据此进行存储管理，但 分类树无法反映空间物体之间的各种空间联系，这使得空间数据库的组织比非空间 数据库复杂得多、困难得多。这就是建立空间数据库的困难所在。 空间数掘有两种基本的表示模型：栅格模型和矢量模型。 在栅格模型中，地理空l i 自j 被划分为规则的小单元( 像元) ，空间维只有像元的行，列 号表示。像元的大小反映了数据的分辨率即精度，空阳j 物体由若干像元隐含描述。例如， 条道路由其值为道路编码值的一系列相连的像元表示，要从数据库中删除这条道路， 则必须将所有有关像元的值改变成该道路临域的背景值。栅格模型的设计思想是将地理 空间看作成一个连续的整体，在这个空问中处处有定义。 在本文研究的多分辨地理信息系统中，主要涉及的是空间数据的矢量模型，以下对 矢量数据模型进行详细介绍。 二、矢量数掘模型【4 j 矢量模型将地理空间看成是一个空域，地理要素存在其间。在矢量模型中，各类地 理要素根据其空间形态特征分为点，线、面三类。概括起来，这三种类型能反映出现实 生活中的绝大多数自然和人文现象。在g i s 中，真实世界中的对象可以这三种类型明确 地表示出来。图2 1 是一个经常为许多g i s 文献引用的地理数据模型示意图 4 1 ，其中a 图是以透视图表示的地理空间，b 图示该空间相应的栅格模型表示，c 图是相应的矢量 模型表示，从中可以看出它们之间的差别。 b 图2 1地理数据模型示意图 空间数据的矢量模型中包括以下基本要素： 1 ) 点要素 第二章空间分析中的基本数据及其多分辨结构 7 点要素属于空间现象，每个点总是存在于一个空间位置上。根据日常经验会很容易 地理解这一个要素，像树木、房屋、交叉路口等。每一个要素都称为离散的，它无论何 时都只能占据空间中的一个位置，但它们没有长度和宽度，也可以认为是“o ”维的。 在观察对象和要素时所采用的空间比例尺决定能否将它们作为点来处理。例如，如果你 从几米远处观察一座房屋，看起来它的结构相当大，而且具有相当的长度和宽度。但是 这个概念随着你的远离而改变，距离房屋越远看起来就越不像区域对象而是像一个点状 对象。选择空间比例尺要基于不同的标准。例如，无论是想查看房间内人员和家具的安 排，还是在整个城市内对有关的房屋感兴趣。在后一种情况中，房子即可视为一个点。 这样根据如何观察对象便可对所观察的事物进行辨别、筛选，在本文中，点要素是以二 维平面上的坐标点对来表示的即一个点要素可以记为： p = x ，y ，x ，y r ( 2 一1 ) 2 ) 线要素 在空间坐标中，通常将线性或线对象概念化为仅占据一维空i b j 。这些“一维”对象 可能是公路、河流、区域界限、围栏或者其他细长对象。观察这类对象时采用的比例尺 又一次为我们将其作为没有宽度的构思设置了限制。正如所知道的，诸如以上几种线状 对象在封闭的范围内都占有二维空间。但是，观察者离它们越远，它们就变得越细小。 最后，它们会因为看起来太小而无法识别是什么，但可以肯定是线状对象。另外的如政 治意义上的边界线虽然没有实际意义上的宽度，但是因为它们的确将地理空间分为了两 个彼此独立的部分，所以仍可以认为有确切的空问性。 与点状对象不同的是，线对象通过测量其长度来确定它的空间延伸性。另外，由于 它不是固定于空间中的一个点，因此必须至少知道两个点，也就是线状对象的起点和终 点的空间位置。线越复杂需要定位的点就越多。例如一条河流，显然我们不可能仅描述 它的起点和终点，它的弯曲状态需要很多的点来确定。这又涉及到了在对点对象说明时 提到的比例尺的选择问题，在世界地图上看黄河和在全国地图上看黄河的情况是不同 的，前者需要描述的点的数量相对于后者来说是少得多的，这就涉及到特征点提取的问 题，关于这部分内容将在第四章进行论述。 线要素在本文中以如下的三元组表示： 三= ( s ，e ，p l )( 2 - 2 ) 其中， p = 鼻，b ，一，只) ，p = ( x ，y ，) ，i 1 ，h 】 ( 2 - 3 ) 为二维平面上的有序点列，顺序记录了该线要素上的所有坐标点。 s ，e 只，只)( 2 - 4 ) 表示该线要素的起点和终点，如果s = 只，e = 只，那么线要素中的坐标点按照p 中的有序点列顺序排列，如果e = 鼻，s = 只，那么线要素中的坐标点按照j d 中的有序 点列逆序排列。 8基，多分辨地邂信息系统的空阉分耩方法辑究 3 ) 区域和表黼簧索 近前观察一个对象，若能清晰地着到它具有长度和宽庹则称其为区域。= 维区域的 例子有房屋在平嘲上所占有的范围、城市的范围以及大到大陆的范围。在空间中所要描 述区域的位置，可以认为它们是由一系列首尾相接的封闭的线组成。 区域要素在这整可以弼如下袭达式表示： a r = ( 蜀，p 毛) ，( 岛，p l 2 ) ，( d o ，烈。) 一5 ) 其中儿，是线疆索；p 用来标记缀成区域的各线元素的方向，如果与线元素记录的 方向相同则为1 ，否则为一1 。 区域要素加上高度这一维空间，就可以用来描述表戚了。尽管可以在封 钉的范围内 爝长度和宽凄；| 乏耀黎帮接述一痊房予，毽是人们往往还会荧心房子是一层还怒两层爨结 稳，关心赛予鹣麓演等售惑。这释蟪犹下，藏不麓铰仅髂蠢嚣域采餮察房子了，焉应该 侧重于具有长、宽，高的三维对象观察，这一对象主要涉及到建筑物等的三维建模和显 示问题，本文不予讨论，主要考虑点，线和区域对象。 由于对要索的查询是地理信息系统的基本任务，我们樽为每一个要素增加个唯一 的标识狩，那么在媳理信息系统中，掰楚理的全部矢量数撼掏戏如下豹集会： ( 碱，o b j ，x ( j d 2 ，d 彩：) ，( 溶。，o b l ) ；2 一 其中， o b j p ，三，a r ，i d 表示该蘩索的标识符。 2 2 多分辨地理信息系统中的矢量数据 在多分辨地理信息孛，常常需要农不弱豹分辨率等级下，进行地理要素的驻示积空 瓣分援。医鐾乏除镰黧传统g i s 孛靛炙鬃数据缢羚，嚣要在燎瑾要素懿矢嚣羧攥中弓| 天分 辨率的概念。我们辩传统的矢量数攒格式进行扩充，扩充籍的多分辨地理信惠中，所处 理的地理要素构成如下的集合： “埘l ，o b j ，) ，( i d 2 ，o b j 2 ， ) ，( 耐。，o b j 。，：) ( 2 7 ) 其中，掰增鹣参数f 表示穗瘦燎璞要素的最往显示分辨率，该分瓣率一般是出数据 聚集过程决定懿。分辨率参数豹；l 入侵缮的穰据遥理僖感系统豹当豁分辨率麓缀选择德 处理的地理要索成为可能。 分辨率的引入改变了传统的地理信息系统，g i s 中所有地理要素不再慰构成一个单 一的空间视图，而是按照地理要素崩舄的最佳显示分辨率和当前系统分辨率等级的不 嗣，构戒一种具露分级结构豹“分辨攀空闽”二绥襁图【”。 蚕2 ，2 燕嫠绞模式夔萃一分辨率凌霉与多努辫下鹣“分辨率窆蠲”筏爨之翊静 比较。通过比较霹以很容易看出两种模式的差别，前嚣不考虑分辨率信息，将所有的对 象实体都放在勰，这种模式下用浓作为空间分析的矢擞数据，没有根据分辨率很好地 进行抽象和概括，势必会导致空间分析的复杂性和不准确性。后者将矢量数据根据分辨 第二囊空闯转辑中麓基本数摄及英多分辨结鞫 9 率分层存储，代表了该种比例尺舔件下的对于浚医域的地理空间结构的抽象和概括，因 而引入了分辨率参数以后的矢擞数据能够全面充分地反映所关心区域的空间地理信息， 从而快捷丽礁确地得到空削分析的结果。 7 ( a )( b ) 图2 2 单一分辨率视图( a ) 和多分辨率视图( b ) 的实例比较 2 。3 多分辨她理信息数据艨的建立与管理 地理僚患系统作为一种管联空闻数据的信息系统，对地理信惠的存贮靳管理是其最 重要的功能之一，而空间数据库则是g i s 进行数据存贮和管理的基础【2 3 , 2 4 1 。在当前的 g i s 中，空间数据库通常是在关系型数据库中进行地理信息的物理存贮，冉配合适当的 空间索引缡构完成对空闽信息豹捻索。 在砖统豹g i s 中，崮予特逛邈理要素在萋耱分辨搴缓下旯有一静数撼表王显形式，在 关系登数搬辫中的存贮方式较强簿荜。丽在多分辨g i s 中，同一地理癸豢在不同的分辨 率等级下熬肖不同的表现形式，因此，合理的空间数攒库组织形式就鼹得尤为重要。 、多比例尺g i s 数据库的表现形式和实现方式 地图最滚鬟、最基本的特链楚以缩小的形式袭达地面事物豹空间缡构，这个特征表 羁，建圈不霹缝把遗瑟全邦事貔旗茏遗潺墟表示邀- 泉。她强上掰表示豹蟪霹状况是经过 概括霜靛镰慕。遣圈稿实际魄霹襁魄，是缭，j 、鹃。拣瓣上所表臻翁逡藏袋物，鼠数量上 看是少的，从辫形上看是小了、简化了。这是因为地图上所表现的内容都是经过取舍和 化简的。出1 ：1 0 0 0 0 比例尺缡小到1 ：5 0 0 0 0 比例尺的地图，对原来的内容如不进行取 舍和化简，缩小后的地图既不满楚又不易读。这种把实地景物缩小或把原来较详细的地 图缩或更小魄铡尺地图翳，攫缀媳銎蠲途或主题匏鬻簧，对实况或原爨痰容遂 亍取舍和 纯簿，良倭焱鸯辍懿舀瑟上表达凄澍强送鬣豹基本耱缝箱建瑾要素瓣主甏特点豹理论与 方法，称为地图综合( 地图概括) 。制图综合就怒对密观事物进行取含和化简，取舍就 是从大量的客观事物中选出最煎爱的事物表示在图上，而舍去次要的鬻物；化简就是对 客观事物的彤状、数量和质量特征的化简；形状化简是去掉轮廓形状的碎部，以突出事 o基丁i 多分辨地理信息系统的空间分析方法研究 物的总体特征：数量和质量特征的化简就是减少分类和分级的数量，以缩小与客观事物 的差别。当然取舍和化简不是任意的，而是根据地图的比例尺、用途和制图区域的地理 特征，对地图上各要素及其内在联系加以分析研究，选取的目的是强调主要的事物和本 质的特征，而舍去次要的事物和非本质的特征。制图综合可分为比例概括和目的概括。 前者是由于地图比例尺缩小，图形也就缩小，有些图形缩小到难以清楚地表达出来，从 而必须选取和化简；后者是因为客观事物的重要性并不完全决定于它的图形大小，故而 它的选取和化简也不完全由比例尺决定，还要根据编图者对客观事物重要性的判断束确 定是否选取和化简。 多比例尺g i s 的表现形式主要有两种1 2 “，一种是一库多版本，即在g i s 中，建立个 较大比例尺的主导数据库，而其它层次的分辨率的空间数据库是从该主导数据库中衍生 或派生出来的，形成多个版本的数据库。这种形式也叫“基于主导数据库的多种表达”； 另外一种就是多库多版本，即在g i s 中，独立建立对应于多种比例尺的多个空间数掘库， 也称为“多重表达数据库”。 多比例尺g i s 中的一库多版本，是通过自动综合方式建立的。但是许多g i s 和制图专 家都有过类似的描述：依近期内技术水平，制图综合是不可能达到完全自动化的程度。 因此为了满足g i s 分析和显示的需要，有必要事先在数据库中存储多种分辨率层次的数 据，以供使用者随时存取和操作。 多比例尺g i s 中的多库多版本，是通过人工编码的方法建立的。它是系统设计者在 系统建立之初根据g i s 用户的要求首先建立能够满足用户不同要求的不同比例尺的地理 数据库，用不同比例尺的地理数据库之间拥有相同的空间数据编码来实现相互间的联 系。人工编码的方法存在的原因除了自动制图综合的技术还不完善以外，还为了可以满 足用户可能要求系统能够提供快速实时的反应，如部队、公安、消防、救护等。这样可 以满足系统的快速的查询检索和应用要求。但是这种方法可能会导致大量的人力、物力 的消耗。 这两种方法中，一库多版本的数据库是最具有发展潜力的数据库组织模式，解决了 目前的多分辨g i s 所面临的诸如数据一致性、数据更新、数据冗余及数据层次问的连接 等问题，但是由于其主导技术自动综合技术发展不够完善，在建库的时候需要采用 自动与采集相结合的方法。在本文涉及到的多分辨地理信息系统中，对于分辨率差距较 大的数据层，采用重新采集的方法，对于数据分辨率相差不大的数据层，采用地理信息 自动生成的方法。这些方法涉及到矢量数据的插值和关键点提取技术，这部分将在第四 章进行阐述。 二、本系统的数据库结构 在本文的多分辨g i s 中，空间数据库的物理存贮同样基于传统的关系型数据库技术， 下面首先介绍在d b m s 中的数据存贮格式。 本系统涉及到的矢量数据包括道路、建筑物、行政边界以及专题图层( 如学校、投 第二章空间分析中的基本数据及其多分辨结构 资项目等) 的矢量数据和属性数掘。下面分别阐述这些数据在数据库中的存储方式： 一) 道路数据的组织和表结构： 在进行道路查询的时候用户希望得到整条道路的属性信息并且将整条道路显示出 来：在进行最佳路径计算的时候，可能在一条道路的佾路口转向另一条道路。用户希望 得到组成最佳路径的各条子路的总路长，并且将最佳路径显示出来。现实生活中的道路 可以用图2 3 很好地表示。所以在本系统中的道路由弧段组成，引入弧段使得道路属性查 询与道路最短路径的计算都可以很容易实现，解决了两种应用的矛盾。 每条道路出弧段组成，道路与弧段之间的关系表r o a d _ a r c i n f o 的表结构如下 表2 1 道路弧段关系表 道路i d弧段i d起始点i d终点i d弧段方向 弧段长度弧段顺序 r o a di da r ci ds t a r t i de n d i d a r c d i r e c t i o n a r c l e n g t l l a r c s e q u e n c e ll 1 0 0 0 0555b o o l l o5 其中，道路l d 和弧段1 d 是道路及组成道路的各条子路的唯一标识符；起始点i d 和终点i d 是弧段的起点和终点编号，该编号与另一个重要地物表中的地名相对应，用 于最佳路径查询：弧段方向，表明组成该道路的弧段与记录的弧段坐标点的顺序是否相 同，相同则为1 ，不同为一1 ；弧段长度表示该子路的实际长度，用于计算最佳路径是分 段计算最佳长度：弧段顺序表示该子路是这条道路的第几条子路。 道路属性信息表r o a d i n f o 的表结构如下： 表2 2 道路属性信息表 道路i d i 道路长度 道路等级 l 道路属性信息 r o a d i d i r o a d l e n lr d i s p l a y e rjr o a d n a m e 1 0 l f l o a t l l lt e x t 其中道路i d 该表的关键字，通过该字段与上面的r o a d _ a r c i ，! 加相关联；道路等级表示该 道路的重要度等级，便于进行重要度的奇询，例如可以查询“国家一级道路”等；道路 长度和道路属性信息都是道路的一些描述性信息，用于查询结果的反馈。 每条弧段矢量数据表a r c i n f o 的表结构如下： 2基于多分辨地理信息系统的空间分析方法研究 表2 3 弧段矢量数据表 标识i d弧段i d弧段坐标弧段坐标弧段坐标点序号 i a p i da r c i da r c xa r c ya r c zp o i n t d i r e l 2 051 01 0l o5 其中标识i d 是表示弧段矢量数据的数据点的唯一标识；弧段i d 可用于与其他表进行联 合查询；弧段坐标用三个字段表示分别表示弧段上的点的经纬度以及高程值；弧段点序 号用来表示本记录是这条弧段的第几个点。 另外还有弧段与公交线路对照表，说明道路的各子路段与公交线路的对应关系；关 键地物表，道路弧段关系表中的道路起始点和终止点均引用了该表中的k e y s i t e i d ， 只有当该字段中出现的值起始点和终止点的值才能用。r e s o l u t i o n d 字段是用来标识 该结点的分辨率信息的，用来实现最佳路径的多分辨查询，这一部分将在第五章重点阐 述。 以上各表之间的内在联系如下图所示： 姐墩q 笛z 戡帑舯m 收i ：m 图2 4 道路各表间的关联关系 二) 建筑物数据的组织和表结构： 由于建筑物没有了类似于道路的弧段的情况，建筑物脚点的坐标信息可以在直接与 建筑物i d 在一个表中记录下来，因而用两个表就可以直接记录，一个表记录矢量信息， 一个表记录属性信息。 建筑物坐标表b u i l d i n g的表结构如下：point 表2 5 建筑物坐标表 唯一性标识i 建筑物i d1x 坐标iy 坐标iz 坐标l 坐标点的顺序 其中b p i d 是建筑物点坐标的标识符：建筑物i d 是建筑物的标识符，可以和建筑物属 第二章空间分析中的基本数据及其多分辨结构 13 性表联合起来进行查询；建筑物的坐标点分别记录了建筑物点的经纬度坐标和建筑物的 高度信息；b a r r a y 记录的是该条记录是对应的是该建筑物的第几个脚点。建筑物在 平面上的坐标按逆时针记录，构成一个闭合多边形。 建筑物属性信息表b u i l d i n g i n f o 的表结构如下： 表2 6 建筑物属性信息表 i 建筑物i d建筑物名称建筑日期所处方位建筑物层数用途信息 ib u i l d i n g l d b n a t n ob t i m eb d i r e e t i o n b l a y e r b u s e l 1 1 0 0 0 0t e x tt e x tt e x tt e x tt b x t 这个表用于记录建筑物的属性信息，包括建筑物的名称、建筑日期、所处方位、建筑物 层数以及建筑物的用途( 商用、住宅、行政机构等) ，这样就可以根据用户需要进行某 种查询，例如数据建筑物名称可以找到相应的建筑物，或者查询“建筑物层数大于l o 层以上的建筑”，这些要求都是可以实现的。 三) 行政边界数据的组织和表结构 在分辨率较小时。用户浏览地图时，只关心一些地图上的一些概要信息，行政划分 上的边界就是这一类信息。我们将各行政区的边界根据边界相交的情况划分成与道路类 似的弧段，构成边界的各条弧段的记录放在上述的a r c i n f o 中。关于a r c i n f o 这里不再赘 述。所以对于行政边界这一类对象只需要再增加两个表就可以了。 行政边界与弧段之间的关系表b o u n d a r y _ a r c 的表结构如下： 表2 7 行政边界与弧段之间关系表 边界i d弧段i d弧段序号弧段方向i b y i da r c i da r c a r ya r c d i r i 【 52 051 或一1 l 该表中的各字段的作用与r o a d表中的各字段作用类似，和是边界arcinfob y i da r c i d 和弧段的唯一标识符通过这两个字段不仅找到了与边界对应的弧段，而且可以分别与 边界属性表和a r c i n f o 表进行联合查询；弧段序号表示该弧段是组成该边界的第几条弧， 弧段按逆时针方向构成闭合曲线；弧段方向表示弧段的在相应的边界组成中是否按 a r c i n f o 中的记录顺序取点，1 表示顺序取点，一l 则倒序取点。 边界属性信息表b o u n d a r y i n f o 的表结构如下： 袭2 8 边界属性信息表 j边界i d边界名称区域信息介绍 l b y i dn 灿i ed f b c r i p t l 0 n l 5t e x tt e x t 1 4基于多分辨地理信息系统的空间分析方法研究 由b y i d 构成该表与其他各表的关联；边界名称和信息介绍用来记录边界的属性信息， 用于提供查询结果的边界信息反馈。 四) 专题图数据的组织和表结构 在现存的g i s 中，几乎全部采用基于层的方法表示地图所蕴含的各种地理信息。在 这种方法中，空间数据以一组被称为“层”的地图来表示，每一层表示一个特定的专题， 如：教育层、医院层、酒店层等。本系统实现了学校、酒店以及投资项目等的分层显示 和查询功能，这里以教育层为例介绍学校数据的表结构。 学校的位置信息表s c h o o 功o i n t 的表结构如下： 表2 9 学校的位置信息表 i l y r n a m es c l i ds c l xs c l y l图层名称学校i d经度坐标纬度坐标 i t e x t51 01 0 l y r n a m e 记录图层名称；s c l i d 记录学校的唯一标识符；s c l x 、s c l y 记录学校 的经纬度坐标。 教育单位信息表s c h o o l i n f o ： 表2 1 0 教育单位信息表 ls c l i dn a m ep h o n ea d d r e s se m a i la r e ak i n d i 学校i d学校名称电话地址邮箱地址所在区域办学类型 l 5t e x t1 5t e x tt 色x tt b x t1 e x t 这个表是学校的属性信息表，提供了学校名称、电话、地址等可查询的信息。 2 4 系统总体框架 作为一种特殊的信息处理系统，地理信息系统同样是以数据为核心的，基于上述的 多分辨数据结构的特点。本文中的多分辨地理信息系统的结构如图2 5 所示。在图中， 以多分辨空间索引和关系型数据库构成的多分辨空间数据库是整个系统的核心，与传统 的地理信息系统相同，地理要素的集合是系统待处理的实体集合，由于关系型数据库在 各类信息系统中被广泛使用，本文中选择关系型数据库作为空间数据的物理存储介质。 空间索引的建立基于“空间一分辨率”上的二维划分。本文的多分辨g i s 中通过建 立地理实体的分辨率视图和空间视图实现对空间信息的二维联合检索，保证空间索引的 完备性和有效性。 以多分辨空间数据库为支撑，本文的系统中还设计了针对多分辨地理信息系统的空 间查询、缓冲区分析和网络分析算法，通过多分辨空间索引，完成在特定分辨率下的地 第二章空间分析中的基本数据及其多分辨结构 1 5 理实体筛选，可视化和网络拓扑结构的自组织，实现了一个功能较完备的原型系统。 分辨牢等级 地 理 蜚 素 集 分辨牢视 图划分 空间视图 划分 多分辨卒间索0 ( m r 树) 多分辨窄间查询 多分辨缓冲区分析 多分辨网络茄析 关系型数据库( d b m s ) 图2 5 多分辨地理信息系统总体结构 2 5 小结 查 询 分 析 结 粜 本章通过对地理信息系统中涉及到的点、线、面三类地理要素的数据特征进行分析， 说明了多分辨地理信息系统中的矢量数据的特征：增加了重要变量分辨率。进而对 传统的多