（检测技术与自动化装置专业论文）基于叠置分析技术的原型系统的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 g i s 之所以能够得到迅猛的发展，主要缘于其具有超过一般管理信息系统强大的空 间信息管理、分析能力。虽然现有的g i s 专业开发工具具有较好的开发平台，可靠性好、 简单易学，但其存在可扩展性差、对软硬件要求较高、没有系统版权等明显的缺点。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。目前比较流行的一些g 硌系统专业开发工具很多都是用v i s u a lc 斗+ 开发完成 的。尤其是应用v i s u a lc 牛+ 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。 本文首先对g i s 空间数据模型进行了研究，阐述了基于矢量模型的空间叠置分析方 法的优势。然后对叠置分析技术进行研究，重点研究了拓扑关系判断和空间叠置分析方 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。接着在空间拓扑关 系算法的基础上，实现叠置分析的相关算法，并对叠置分析中边界重合、多边形有洞问 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 了一个原型地理信息系统a u t o g l 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；实现了图形对象的拓扑分析和叠置分析等空间分析 功能；在叠置分析的算法基础上实现了简单图形要素的合并与分割功能；设计并实现了 动态报表的生成与设计功能；基本实现了一个o l s 软件所必备的重要功能。 关键词：地理信息系统；拓扑与叠置分析；图形分割与合并 大连理工大学硕士学位论文 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 mb a s e do ns p a t i a lo v c r l a y 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 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 ) i sd e v e l o p p i n gs oq u i c k l ya sap o w e r f u lt o o li n m a n a g i n ga n da n a l y z i n gs p a t i a li n f o r m a t i o nt h a ng e n e r a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m m e x i s t i n gg i sp r o f e s s i o n a lt o o l sh a v eb e t t e rd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，r e l i a b i l i t y ，a n de a s yt o l e a r n ，b u tt h e yh a v ep o o re x t e n s i b i l i t y , h i g hd e m a n d so ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，n os y s t e m c o p y r i g h ta n ds oo n w i t ht h ea p p l i c a t i o n so fg i st e c h n i q u ei nm o r ea n dm o g ef i e l d s g i s d e v e l o p m e n ti sb e c o m i n gah o ti s s u ei nt h er e c e n td e v e l o p m e n to fg i st e c h n i q u e c u r r e n t l y t h em o s tp o p u l a rp r o f e s s i o n a lt o o l sf o rg i sd e v e l o p i n ga r eu s i n gv i s u a lc + + e s p e c i a l l yw h e n d e v e l o p i n ga d u a lg 1 sf o ri 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 n - m a k i n gs e r v i c e sa n ds y s t e m d e s i g n i n g c a nh a v eag o o dp r o s p e c t f i r s t l y ，t h i sp a p e rd o e sr e s e a r c hi ng i ss p a t i a ld a t am o d e la n de x p l a i n st h ea d v a n t a g eo f s p a t i a lo v e r l a ya n a l y s i sm e t h o db a s e do nv e c t o rm o d e l t h e nt h i sp a p e rd i ds o m er e s e a r c ho n o v e r l a ya n a l y s i sa n dt h er e s e a r c h se m p h a s i si so f ft o p o l o g i c a lr e l a t i o nj u d g e m e n ta n ds p a t i a l o v e r l a ya n a l y s i sm e t h o d am e t h o df o rc a l c u l a t i n gt o p o l o g i c a lr e l a t i o ni sb a s e do na l g e b r a i c e q u a t i o n sa n dt h i sm e t h o di ss i m p l ea n de a s yt oa c h i e v ei nt h ep r o g r a mt h a nt h et r a d i t i o n a l m e t h o d sw h i c hi n c l u d e sp o i n ts e tt o p o l o g i c a lm e t h o d , g r a p ht h e o r ya n ds oo n l a s t l y ，s o m e r e l e v a n ta l g o r i t h mi sr e a l i z e db a s e do ns p a t i a lo v e r l a ya n a l y s i sm e t h o d ，a n dt h ep a p e rh a s i m p r o v e dt h ea l g o r i t h mi nt h eo v e r l a ya n a l y s i sf o rp o l y g o n a lf i t t i n ga n dp o l y g o n sw i t hh o l e s i n s i d e b a s e do nt h ea b o v et h e o r y ，t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e das y s t e mo fa u t o g i s ，u s i n g o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt e c h n i q u ea n dv i s u a lc hd e v e l o p i n gp l a t f o r m t h i ss y s t e mh a s d e v e l o p e da ni n t e r a c t i v eg r a p h i c sd r a w i n ga n de d i t i n gm o d u l ew h i c hr i s e sm o u s ea n d k e y b o a r dt od r a wp o i n t ，l i n ea n dp l a n e i ta l s oa c h i e v e dt h et a r g e to fg r a p h i co v e r l a ya n a l y s i s a n dt o p o l o g i c a la n a l y s i s 皿ea c h i e v e df u n c t i o n si n c l u d ed i v i s i o na n dm e r g e n c eo fs i m p l e g r a p h i c sb a s e do nt h ea l g o r i t h mo fo v e r l a ya n a l y s i s ，d e s i g na n dg e n e r a t i o no fd y n a m i cr e p o r t a n ds oo n t 1 i j ss y s t e mb a s i c a l l yi m p l e m e n t e dt h en e c e s s a r yf u n c t i o no fg i sd e v e l o p m e n t s o f t w a r e k e yw o r d s ：g i s ；t o p o l o g i c a la n do v e r l a ya n a l y s i s ；g r a p h i c sd i v i s i o na n dm e r g e n c e 一一 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：。盔重挞日期：2 1 二上l 塑 大连理j 二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：盔丑垒 导师签名：主三：耋! 垒堡 珥年上月卫日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题的提出 1 1 1 地理信息系统概述 地理信息系统，简称g i s ( g e o g r a p h i ci n f o m a t i o ns y s t e m ) 。它是由计算机系统、地 理数据和用户组成的，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出 各种地理信息，从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规 划以及政府各部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划，管理决策服务【1 1 。地理 信息系统体系结构如图1 1 所示。 与一般的管理信息系统相比，地理信息系统具有以下特征： ( 1 ) 地理信息系统在分析处理问题中使用了空问数据与属性数据，并通过数据库管 理系统将两者联系在一起共同管理、分析和应用，从而提供了认识地理现象的一种新的 思维方法：而管理信息系统则只有属性数据库的管理，即使存储了图形，也往往以文件 形式等机械形式存储，不能进行有关空间数据的操作，如空间查询、检索、相邻分析等， 更无法进行复杂的空间分析。 ( 2 ) 地理信息系统强调空间分析，通过利用空间解析式模型来分析空间数据，地理 信息系统的成功应用依赖于空间分析模型的研究与设计【2 l 。 图1 1 地理信息系统体系结构 f i g 1 1 t h e s y s t e ms t r u c t u r eo fg i s 1 1 2 课题提出的必要性 传统的管理手段和管理方式在管理与维护方面存在着查询检索不方便、资料的利用 率低、信息传输渠道老化等诸多弊端，造成不能向决策者、信息咨询者提供及时、准确 的决策依据等问题【“，在这种背景和要求下g i s 应运而生并且迅猛发展。g i s 可将空间 基于叠置分析技术的原型系统的设计与实现 图形和设备数据资料有机实时地结合，将传统的数据库数据带入可视化的空间当中，从 而很大程度上弥补了m i s 系统中分析数据的局限性，使一堆抽象的数据变成了直观的图 形，在此基础上用户能更明确方便地使用和处理数据，加大了对信息处理的能力。而在实 际应用中，要开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。 现在国内外已经开发出许多成型的商用地理信息系统软件，它们确实具有开发起点 高、可靠性好、相对简单易学等优点，但是由于价格昂贵并且或多或少存在缺陷，当人 们利用这些专业开发工具进行g i s 系统开发时。就会发现它们存在着一些适用性差、可 扩展性差、没有系统的版权等不可克服的缺点1 3 】。这些优秀的软件对用户来说是透明的， 人们只能用到很少的部分功能开发特定的系统，并且利用它们开发的g i s 系统，实际 上只是在人家系统的基础上做一些简单的应用开发，开发完成的产品同样需要这些专业 开发工具的支撑平台，也就是用户除了支付开发费用以外，还需要再购买这些支撑平台。 在这种背景下，本文在对基本的空间叠置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叠置分析计算方法，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，尤其引入空间叠置分析技术后，大大加强了空 间数据的拓扑关系查询、空间属性双向查询和空间叠置分析功能。 1 2 g i s 产品的现状与应用趋势 1 2 1 国内外g 玲发展现状 目前世界上常用的g i s 软件已达4 0 0 多种。它们大小不一，风格各异。国外较著名 的有e s r i 公司的a r c i n f o 系列产品和m a p l n f o 公司的m a p l n f o 系列产品，它们包括 了g i s 的全套解决方案，软件的功能强大完善，然而价格昂贵；其他的还有a u t o d e s k 的a u t o c a d m a p ，g e n a m a p ，m g e 等；国内较著名的有武汉中地的m a p g i s ，武汉 吉奥的g e o s t a r 和北京超图的s u p e r m a p 等1 4 - 9 1 。 虽然g i s 起步晚，但它发展快，目前己成功地应用到一百多个领域，如自然资源的 管理利用、农业土地管理、城市规划、军事、交通运输、工业布局、环境保护、人口普 查、国家海洋等，并取得了良好的经济效益和社会效益。 国内g i s 软件目前呈现出如下特点 7 1 ：一是基础平台软件与国外同类软件，在性能、 可用性等方面的差距正在缩小。二是应用软件的覆盖范围加大。我国g i s 软件已经形成 大连理工大学硕士学位论文 完整的产品系列，形成了基础平台软件、桌面g i s 软件、g i s 专业软件、g i s 应用软件 4 个技术体系，可分别针对不同的应用目标和领域。与国外g i s 软件比起来，国产软件 虽然不是全面落后，相反在某些方面还有一定的优势，但在海量信息处理的支持等很多 重要方面还有较大差距，整体能力较差。 1 2 2g l s 应用趋势 g i s 的研究热点有以下几个方面【q ： ( 1 ) 面向对象技术与g i s 的结合 g i s 一般采用图形和属性分开管理的数据模型管理数据，即实体的图形数据用拓扑 文件存储管理，属性数据用关系数据库管理，二者通过惟一标识符进行连接。这种数据 模型具有的弱点使得人们开始寻求一种能统一管理图形数据和属性数据的数据模型。 s m a l l w o r l dg i s 是目前面向对象g i s 中最为典型的代表，一些传统的g i s 也开始部分采 用面向对象的技术，如a r c i n f o7 0 ，i n t e r g r a p h 的t i g r i s ，s y s t e m9 ，f a c e t 系统等。 然而，面向对象的g i s 仍存在一些有待进一步研究的问题。 ( 2 ) 真三维g i s 和时空g i s g i s 处理的是在地球三维空间上连续分布的空间数据。然而，目前绝大多数的g i s 采用二维或2 5 维来表示现实三维现象，通常将三维分量z 值当做一个属性值，如d e m 数据，这对于许多地学分析是非常不便的，甚至难以进行。例如，地质构造研究中的断 层处，在一固定位置会有不同的高程值，因而不能用二维或2 5 维表示，而真三维数据 结构能真正表示这种地质结构。近年来，计算机技术特别是计算机图形学的发展，使得 显示和描述三维实体的几何特征和属性特征成为可能，因此真三维数据结构的研究，真 三维g i s 的应用成为g i s 发展的一个热点。 ( 3 ) g i s 应用模型的发展 为用户提供建立专业应用模型的二次开发工具和环境是目前大多数g i s 软件解决 g i s 建模问题的一般方法，如a r c i n f o 提供的二次开发的宏语言a m l 。这种方法的 一个主要问题是它对于普通用户而言过于困难。最好的方式是g i s 本身能支持建立专业 应用模型，这种g i s 又称为地理信息建模系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n m o d e l l i n g s y s t e m ， 简称g i m s ) ，它能支持面向用户的空间分析模型的定义、生成和检验的环境，支持与用 户交互式的基于g i s 的分析、建模和决策，g i m s 是目前g i s 研究的热点问题之一，目 前的g i s 对用户定义自己的专用模型的支持程度都是不够的，离支持实现数据集定义、 模型定义、模型生成和模型检验的全过程仍有相当大的距离。 ( 4 ) i n t e m e t 与g i s 的结合 基于叠置分析技术的原型系统的设计与实现 近年来，i n t e r n e t 技术的迅速发展与普及应用为g i s 发展提供了新的机遇，它改变 了地理信息的获取、传输、发布、共享、应用和可视化等过程和方式，i n t e r n e t 已成为 g i s 新的操作平台。l o t e r n e t 与g i s 的结合即i n t e r n c tg i s ，利用i n t e r n e t 在w c b 上发布 和出版空问数据，为用户提供空间数据浏览、查询、制作专题图和分析的功能，已经成 为g i s 发展的必然趋势。 ( 5 ) g i s 与专家系统、神经网络的结合 专家系统研究的是利用计算机模拟人类专家的推理思维过程，系统根据知识库中的 知识。对输入的原始事实进行复杂推理，并作出判断和决策，从而起到人类专家的作用 ( 6 ) g i s 与虚拟现实技术的结合 将虚拟现实技术引入g i s 将使g i s 更具吸引力，采用虚拟现实中的可视化技术，在 三维空间中模拟和重建逼真的、可操作的地理三维实体，g i s 用户在客观世界的虚拟环 境中将能更有效地管理、分析空间实体数据。因此，开发虚拟g i s 已成为g i s 发展的一 大趋势。 当前，g i s 发展的动态除以上几点外，g i s 与g p s 、r s 的进一步集成，g i s 与c a d 的集成，并行处理技术在g i s 中的应用等都是g i s 研究和发展的热点。g i s 的这些发展 并不是孤立的，而是相互影响，相互促进的，其目的都是为了让g i s 能更好地为人类管 理和保护赖以生存的地球服务 1 3 课题的意义及主要内容 1 3 1 本文主要工作 开发一个g i s 平台，最大的技术难点体现在以下几个方面： ( 1 ) 空间分析算法( 拓扑搜索算法，叠置算法，区域求交、差、并，等等) ； ( 2 ) 高效的图元索引算法( r 1 r e e 索引算法，报表设计与生成) ； ( 3 ) 快速的空间搜索算法( 点选，圆形圈选，矩形框选，任意多边形选择，线形选 择) ； ( 4 ) 动态报表设计( b + 树索引查询算法) 。 1 3 2 本文组织结构 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，进而指出了引入叠置分析技术解决的全新方案。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 第二章从空间数据模型、空间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。 第三章介绍了空间叠置分析的概念、在g 璐中的地位、空间关系和空间分析方法， 为本文空闻叠置分析的实现打下基础。 第四章也是本文的重点之一，详细论述了空间叠置分析的实现算法。首先论述了空 间拓扑关系的计算方法，它也是叠加分析的基础。其次重点介绍了空间叠加的算法与实 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。 一5 一 基于叠置分析技术的原型系统的设计与实现 2g i s 空间数据模型与数据管理 2 1 空间数据模型 2 1 1 概念 g i s 一方面应为用户采用数字形式表示和分析空间现象或问题提供空间数据建模及 分析操作的手段，另一方面应向用户提供友好的使用界面，便于用户进行空间数据建模、 查询、分析等。 空间数据建模的基本任务是，针对所研究的空间现象或问题，描述g i s 的空间数据 组织，设计g i s 空间数据库模式，这包括定义空间实体及其相互间关系，确定数据实体 或目标及其关系，设计在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构等i 加l 。这项工作 是以空间数据模型的理论为指导的。空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互 间联系的概念，为描述空间数据组织和设计空间数据库模式提供了基本的方法。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 空间数据结构 空间数据结构是空间数据在计算机中的具体组织方式。目前尚无一种统一的数据结 构能够同时存储上述各种类型的数据，而是将不同类型的空间数据以不同的数据结构存 储。一般来说，描述地理位置及其空间关系的空间特征数据是地理信息系统所特有的数 据类型，主要以矢量数据结构和栅格数据结构两种形式存储。 2 1 3 空间数据模型的类型 在g i s 中与空间信息有关的信息模型有三个，即基于对象( 要素) ( f e a t u r e ) 的模型、 网络( n e t w o r k ) 模型以及场( f i e l d ) 模型1 1 2 1 。 基于对象( 要素) 的模型强调了离散对象，根据它们的边界线以及组成它们或者与它 们相关的其它对象，可以详细地描述离散对象，一般包括点对象、线对象与面对象，常 用矢量数据模型来描述。矢量数据模型如图2 1 所示。基于要素的空间模型强调了个体 现象，该现象以独立的方式或者以与其它现象之间的关系的方式来研究。任何现象，无 论大小，都可以被确定为一个对象( o b j e c t ) ，假设它可以从概念上与其邻域现象相分离。 要素可以由不同的对象所组成，而且它们可以与其它的相分离的对象有特殊的关系。在 一个与土地和财产的拥有者记录有关的应用中，采用的是基于要素的视点，因为每一个 土地块和每一个建筑物必须是不同的，而且必须是唯一标识的并且可以单个地测量。一 6 大连理工大学硕士学位论文 个基于要素的观点是适合于已经组织好的边界现象的，尽管并不被限定。因此，这也适 合于人为现象的，例如，建筑物、道路、设施和管理区域。一些自然现象，如湖、河、 岛及森林，经常被表现在基于要素的模型中的，因为它们为了某些目的，可以被看成为 离散的现象，但应该记住的是，这样现象的边界随着时间的变化很少是固定的，因此， 在任何时刻，它们的实际的位置定义很少是精确的 图2 1 矢量数据模型 f i g 2 1 t h ev t o rd a t am o d e l 场模型用于模拟一定空间内连续分布的现象，常用栅格数据模型描述。栅格数据模 型如图2 2 所示。栅格数据模型是基于连续铺盖的，它是将连续空间离散化，以规则或 图2 2 橱格数据模型 f i g 2 2 t h eg r i dd a t am o d e l 基于叠置分析技术的原型系统的设计与实现 不规则的铺盖覆盖整个空间。例如，空气中污染物的集中程度、地表的温度、土壤的湿 度水平以及空气与水的流动速度和方向。根据应用的不同，场可以表现为二维或三维。 一个二维场就是在二维空间中任何已知的地点上，都有一个表现这一现象的值；而一个 三维场就是在三维空间中对于任何位置来说都有一个值。一些现象，诸如空气污染物在 空间中本质上讲是三维的，但是许多情况下可以由一个二维场来表示。 网络模型表示了特殊对象之间的交互，如水或者交通流。 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 空间数据的组织与管理 在地理信息系统中，数据主要有两类：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 空间数据库概述 地理信息系统的数据库( 简称空间数据库或地理数据库) 是某一区域内关于一定的 地理要素特征的数据集合；是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的 地理空间数据的总和，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的 o ”。换句话说，空间数据库是地理信息系统中用于存储和管理空间数据的场所。空间数 据库系统在整个地理信息系统中占有极其重要的地位，是地理信息系统发挥功能和作用 的关键，主要表现在：用户在决策过程中，通过访问空间数据库获得空间数据，在决策 过程完成后再将决策结果存储到空间数据库中。空间数据库的布局和存储能力对地理信 息系统功能的实现和工作的效率影响极大。如果在组织的所有工作地点都能很容易地存 取各种数据，则能使地理信息系统快速响应组织内决策人员的要求；反之，就会妨碍地 理信息系统的快速反应。如果获取空间数据很困难，就不可能进行及时的决策，或者只 能根据不完全的空间数据进行决策，其结果都可能导致地理信息系统不能得出正确的决 策结果，可见空间数据库在地理信息系统的意义是不言而喻的。 空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点： ( 1 ) 数据量特别大，地理信息系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理 要素，尤其是要素的空间位置和空间关系等，其数据量往往很大； ( 2 ) 不仅有地理要素的属性数据( 与一般数据库中的数据性质相似) ，还有大量的空 间数据，即描述地理要素空问分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 系： ( 3 ) 数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、土地利用和规划、资源开发、生态 环境、市政管理、道路建设等。 空间数据库的组成，从类型上分有栅格数据库和矢量数据库两类，其中栅格数据包 括航空遥感影像数据和d e m 数据；矢量数据则包括各种空间实体数据( 图形和属性数 据) 。 2 2 2 空间数据的组织 数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、记录、文件和数据库 数据问的逻辑联系主要是指记录与记录之问的联系。记录是表示现实世界中的实体 的。实体之间存在着一种或多种联系，这样的联系必然要反映到记录之间的联系上来。 数据之问的逻辑联系主要有三种：一对一的联系；一对多的联系：多对多的联系。 文件组织则主要指数据记录在外存设备上的组织，它由操作系统o s 进行管理，具 体讲在外存设备上如何安排数据和组织数据，以及实施对数据的访问方式等问题。操作 系统实现的文件组织方式，可以分为顺序文件、索弓l 文件、直接文件和倒排文件。 数据库是比文件更大的数据组织。数据库是具有特定联系的数据的集合，这也可以 看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内部构造是文件的集合，这些 文件之间存在某种联系，不能孤立存在 2 2 3 空间数据的管理 对于矢量数据，其位置数据和属性数据通常是分开组织的。这一特点使得在管理时 需要同时顾及空间位置数据和属性数据，其中属性数据很适合用关系数据库来管理，空 间位置数据则不太适合用关系数据库管理。空间数据管理方式与数据库发展是密不可分 的，按照发展的过程，对矢量数据的管理有文件关系数据库混合管理、全关系管理、 对象关系数据库管理等方式“。 ( 1 ) 文件一关系数据库混合管理 由于空间数据的非结构化持征，早期关系型数据库难以满足空间数据管理的要求。 因此，传统g i s 软件采用文件与关系数据库混合方式管理空间数据，比较典型的是 a r c i n f o ，有的系统也采用纯文件方式管理空间数据如m a p i n f o ；即用文件系统管理几 何图形数据，用商用关系型数据库管理属性数据，两者之间通过目标标识或内部连接码 进行连接( 如图2 3 所示) 。近年来，随着数据库技术的发展，越来越多的数据库系统提 供了高级语言的接口，使得g i s 可以在图形环境下直接操纵属性数据，并通过高级语言 的对话框和列表框显示属性数据；或通过对话框输入s q l 语句，并将该语句通过高级 一9 一 基于叠置分析技术的原型系统的设计与实现 语言与数据库的接口来查询属性数据，然后在g i s 的用户界面下显示查询结果。这种工 作模式，图形与属性完全在一个界面下进行咨询与维护，而不需要启动一个完整的数据 库管理系统，用户甚至不知道何时调用了数据库系统。 这种管理方式的不足之处在于：属性数据和图形数据通过i d 联系起来，使查询 运算，模型操作运算速度慢；数据分布和共享困难；属性数据和图形数据分开存 储，数据的安全性、一致性、完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本的 功能；缺乏表示空间对象及其关系的能力。因此，目前空间数据管理正在逐步走出 文件管理模式。 图2 3 文件一关系数据库管理 f i g 2 3 d o c u m e n t - r d b sm a n a g e m e n t ( 2 ) 全关系型数据库管理 全关系数据库管理方式下，图形数据与属性数据都采用现有的关系型数据库存储， 使用关系数据库标准连接机制来进行空间数据与属性数据的连接如图2 4 所示。对于变 长结构的空间几何数据，一般采用两种方法处理。 按照关系数据库组织数据的基本准则，对变长的几何数据进行关系范式分解， 分解成定长记录的数据表进行存储。然而，根据关系模型的分解与连接原则，在处理一 个空间对象时，如面对象时，需要进行大量的连接操作，非常费时，并影响效率。 将图形数据的变长部分处理成二进制块字段。当前大多数商用数据库都提供二 进制块的字段域，以管理多媒体数据或可变长文本字符等。 g i s 利用这种功能，通常把图形的坐标数据，当作一个二进制块整理交给关系数据 库管理系统进行存储和管理。其缺陷是，这种存储方式，虽然省去了前面所述的大量关 系连接操作，但是二进制块的读写效率要比定长的属性字段慢得多，特别是涉及对象的 嵌套，速度更慢。 ( 3 ) 对象一关系数据库管理 由于直接采用通用的关系数据库管理系统的效率不高，而非结构化的空间数据又十 分重要，所以许多数据库管理系统的软件商在关系数据库管理系统中进行扩展，使之能 直接存储和管理非结构化的空间数据，如i n f o r m i x 和o r a c l e 等都推出了空间数据管理的 大连理工大学硕士学位论文 专用模块，定义了操纵点、线、面、圆、长方形等空间对象的a p ! 函数。这些函数，将 图2 4 全关系型数据库管理 f i g 2 4r d b sm a n a g e m e n t 各种中间对象的数据结构进行了预先的定义，用户使用时必须满足它的数据结构要求， 用户不能根据g i s 要求( 即使是g i s 软件商) 再定义。例如，这种函数涉及的空间对象一 般不带拓扑关系，多边形的数据是直接跟随边界的空间坐标，那么g i s 用户就不能将设 计的拓扑数据结构采用这种对象一关系模型( 如图2 ，5 所示) 进行存储。 这种扩展的空间对象管理模块主要解决了空间数据的变长记录的管理，由数据库软 件商进行扩展，效率要比前面所述的二进制块的管理高得多。但是它仍然没有解决对象 的嵌套问题，空间数据结构也不能由用户任意定义，使用上仍受到一定限制。 矢量图形数据与属性数据的管理问题已基本得到解决。然而，从概念上说，空间数 据还应包括数字高程模型、影像数据及其他专题数据。虽然利用关系数据库管理系统中 的大对象字段可以分块存贮影像和d e m 数据，但是对于多尺度d e m 数据，影像数据 的空间索引、无缝拼接与漫游、多数据源集成等技术还没有一个完整的解决方案。 ( 4 ) 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 基于叠置分析技术的原型系统的设计与实现 商用d b m s 空间数据管理 专用模块 i 空问和性矗据库 图2 5 对象一关系数据库管理 f t g 2 5o b j e c t - r d b sm 函l 罐p m e n l 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 3 空间数据的索引 经对研究区空间数据输入并建立空间数据库以后，得到了一个庞大的数据库，如何 从该数据库中快速检索、提取所需的空间数据来满足空间分析、模拟与决策的需要是一 个重要的问题。空间索引就是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间 关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对象的标识、 外接矩形及指向空间对象实体的指针。作为一种辅助性的空间数据结构，空间索引介于 空间操作算法和空间对象之间，它通过筛选作用，大量与特定空间操作无关的空间对象 被排除，从而提高空间操作的速度和效率。空间索引的性能的优劣直接影响空间数据库 和地理信息系统的整体性能，它是空间数据库和地理信息系统的一项关键技术。常见的 空间索引一般是自顶向下、逐级划分空间的各种数据结构空问索引，比较有代表性的包 括b s p 树、k - d b 树、r 树、r + 树和c e l l 树等【l j o 此外，结构较为简单的格网空间索 引有着广泛的应用。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 1 格网空间索引 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如图2 6 所示。 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 1234 鼍 ， l ，捂嘎囝示 图2 6 格网索引 f i g 2 6g r i di n d e x 链指针 2 3 2b s p 扫f 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如图2 7 所示。b s p 树能 固m 瑰 图2 7b s p 树 f i g 2 7 b s pt r e el n d e x 基于叠置分析技术的原型系统的设计与实现 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。 2 3 3 如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 定空间范围的地物要素，如二维空闯中的线和面。该缺点可以通过空问映射或变换的方 法部分地得到解决。空间映射或变换就是将2 n 维空间中的区域变换到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：高维空间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 4r 树与r + 树空间索引 r 树根据地物的最小外包矩形建立，可以直接对空间中占据一定范围的空问对象进行索 引。r 树如图2 8 所示r 树的每一个结点n 都对应着磁盘页d ( n ) 和区域i ( n ) ，如果 x z 图2 8r 树 f i g 2 8 rt r e ei n d e x 日 f 一日 大连理工大学硕士学位论文 结点不是叶结点，则该结点的所有子结点的区域都在区域i ( n ) 的范围之内，而且存储 在磁盘页d ( n ) 中；如果结点是叶结点，那么磁盘页d ( n ) 中存储的将是区域i ( n ) 范围 内的一系列子区域，子区域紧紧围绕空间对象，一般为空间对象的外接矩形。 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问的 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 问大于一个磁盘页，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p j 。 由于r 树兄弟结点对应的空间区域可以重叠，因此，r 树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，因此，其空间搜索的效率较低。正是这个原因促使了r + 树( 如图2 9 所示) 的产生 b 图2 9r + 树 f i g 2 9r * t r e ei n d e x 在r + 树中，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；但由于在插入和删除空间对象时要保证兄弟结点对应的空间区 域不重叠，而使插入和删除操作的效率降低。 一蛔一 臣曰 _；一日 可归一；| 一目一旧 基于叠置分析技术的原型系统的设计与实现 2 3 5c 雹i l 树空间索引 考虑到r 树和r + 在插入、删除和空间搜索效率两方面难于兼顾，c e l l 树应运而生 ( 图2 1 0 ) 。它在空间划分时不再采用矩形作为划分的基本单位，而是采用凸多边形来作 为划分的基本单位，具体划分方法与b s p 树有类似之处，子空间不再相互覆盖。 c e l l 树的磁盘访问次数比r 树和r + 树少，由于磁盘访问次数是影响空间索引性能 的关键指标，故c e l l 树是比较优秀的空间索引方法。 图2 1 0c e l l 树 f i g 2 1 0c e l l t r e ei n d e x 2 4 空间数据的查询 目前大多数成熟的商品化地理信息系统软件的查询功能都可完美地实现对空间实 体的简单查找，如根据鼠标所指的空间位置，系统可查找出该位置的空间实体和空间范 围( 由若干个空间实体组成) 以及它们的属性，并显示出该空间对象的属性列表，并可以 进行有关统计分析0 7 1 。该查询工作可分为两步：首先借助于空间索引，在空间数据库中 快速检索出被选空间实体：然后，根据空问数据和属性数据的连接即可得到该空间实体 的属性列表。 2 4 1 基于属性特征的查询 一般来说，基于属性信息的查询操作主要是在属性数据库中完成的。目前大多数的 地理信息系统软件都将属性信息存储在关系数据库中，而发展成熟的关系数据库又为我 大连理工大学硕士学位论文 们提供了完备的数据索引方法及信息查询手段。几乎所有的关系数据库管理系统都支持 标准的结构化查询语言。利用s q l ，我们可以在属性数据库中很方便地实现属性信息的 复合条件查询，筛选出满足条件的空间实体的标识值，再到空间数据库中根据标识值检 索到该空闻实体。 2 4 2 基于空间特征的查询 基于图形的查询是可视化的查询，用户通过在屏幕上选取地物目标来查询其对应的 图形和属性信息。基于图形的查询包括两种方式：区域查询和点选查询。区域查询包括 矩形区域、圆形区域和任意多边形区域查询，用户通过在屏幕上指定一个区域来查询其 中的地物目标的信息；点取查询指用户通过直接在屏幕上选取地物目标的整体( 点状地 物) 或者局部( 线状和面状地物) 来查询其信息 2 4 3 基于空间关系