（模式识别与智能系统专业论文）基于网络分析功能的autogis原型系统的研究与设计.pdf

人连理l ：入学硕+ 学位论文 摘要 随着g i s 技术的不断发展以及g i s 与其他学科领域的结合，g i s 的应用已发生根本 性的变化。一方面其应用领域由最初的几个专业领域发展到社会的各个行业领域，成为 一个基本的空间信息处理应用工具；另一方面g i s 的应用需求由最初的空间信息获取、 管理和查询发展到对空间信息的融合、分析、处理和应用。其中以对空间位置关系和空 间相关关系的分析需求最为突出。g i s 网络分析作为g i s 空间分析的重要组成部分，是 空间位置关系和空间相关关系研究的主要内容和研究手段。 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；本文采用邻接表存储网络结构，重点研究了 网络分析中最佳节点路径分析，首先对网络基本信息进行了计算，并根据各个网络自身 特点选择正向搜索或逆向搜索，以节省搜索时间，然后采用从起始节点开始对所有节点 逐层扫描的方式给出了最佳节点路径分析的具体思想与实现步骤，在本文最后一章给出 了网络分析的实现结果。 基于上述理论，本课题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 现了一个小型地理信息系统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、网络等图形的图形绘制编辑模块；实现点、线、区域等图形样式的多样化设计； 完成了属性数据添加、修改、存取以及图形对象与属性数据之间的双向查询功能；设计 并实现了网络分析中最佳节点路径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：g i s ；网络分析；网络点；枢纽点；网络连接 人迮理i ：人学硕十学位论文 r e s e a r c ha n dd e s i g no fp r o t o t y p es y s t e ma u t o g i sb a s e do nn e t w o r k a n a l y s i s a b s t r a c t w i t ht h ec e a s e l e s sd e v e l o p m e n to fg i st e c h n o l o g ya n dt h ec o m b i n a t i o no fo t h e r a c a d e m i cf i e l d sa n dg i s a p p l i c a t i o n so fg i sh a v ec h a n g e df u n d a m e n t a l l y o nt h eo n eh a n d ， i t sa p p l i c a t i o nf i e l d sd e v e l o pf r o mi n i t i a ls e v e r a lp r o f e s s i o n a lf i e l d st ov a r i o u ss o c i e t yf i e l d s ， a n di tb e c o m e sab a s i ca p p l i c a t i o nt o o lf o rs p a t i a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n g o nt h eo t h e rh a n d ， t h en e e do fg i sa p p l i c a t i o nd e v e l o p sf r o mi n i t i a la c q u i s i t i o n ，m a n a g e m e n ta n dq u e r yo f s p a t i a li n f o r m a t i o nt oi n t e g r a t i o n ，a n a l y s i s ，p r o c e s s i n ga n da p p l i c a t i o n so fs p a t i a li n f o r m a t i o n t h e r e i n t o ，t h ea n a l y s i sn e e do ft h es p a t i a lu b i e t ya n ds p a t i a lc o r r e l a t i v i t yi st h em o s t p r o m i n e n t g e o g r a p h i cn e t w o r ka n a l y s i s ，a st h ei m p o r t a n tp a r to fs p a t i a la n a l y s i s ，i st h em a i n c o n t e n ta n dm a i ns t u d ym e a n so fs p a t i a lu b i e t ya n ds p a t i a lc o r r e l a t i v i t yr e s e a r c h f i r s t l y ，t h i sa r t i c l ei n v e s t i g a t e sg i ss p a t i a ld a t am o d e l b yc o m p a r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h et h r e ed a t am o d e l s ，i te x p a t i a t e st h ea d v a n t a g eo fs p a t i a la n a l y s i sm e t h o db a s i n go nt h e v e c t o rm o d e l i ts t o r e sn e t w o r ks t r u c t u r ew i t ha d j a c e n c yl i s t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e a n a l y s i so ft h es h o r t e s tp a t ha n a l y s i so fn e t w o r ka n a l y s i s f i r s to fa l l ，t h eb a s i ci n f o r m a t i o no n t h en e t w o r ki sc a l c u l a t e d i no r d e rt os a v et h es e a r c ht i m e ，t h ep o s i t i v ed i r e c t i o ns e a r c ho r r e v e r s ed i r e c t i o ns e a r c hi sc h o s ea c c o r d i n gt ot h es p e c i a lf e a t u r e so ft h ev a r i o u sn e t w o r k s ，a n d t h e ni tp r e s e n t st h et h o u g h ta n dc o n c r e t es t e p so ft h es h o r t e s tp a t ha n a l y s i sb ys c a n n i n gl a y e r b yl a y e rf r o ms t a r tn o d et oe n dn o d e i nl a s tc h a p t e r ，t h en e t w o r ka n a l y s i sr e s u l t sa r es h o w e d b a s i n go nt h et h e o r ym e n t i o n e da b o v e ，t h i st e x td e s i g n sa n di m p l e m e n t sap r o t o t y p eg i s a u t o g i sp l a t f o r mb yu s i n go b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n ga n dv i s u a lc + + d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t am o d u l ef o rd r a w i n ga n de d i t t i n gg r a p h i c sw h i c hc a l li n t e r a c t i v e l yp r o t r a c t p o i n t ，l i n e ，p l a n e ，n e t w o r ka n ds oo nb yu s i n gt h em o u s eo rt h ek e y b o a r di sd e s i g n e d ； d i v e r s i f i c a t i o ni sa c h i e v e df o r t h es t y l eo fp o i n t ，l i n ea n dp l a n e a p p e n d i n g ，c h a n g i n g ，s a v i n g a n dl o a d i n go fa t t r i b u t ed a t aa n dt w o - w a yq u e r yb e t w e e ng r a p h i c a lo b j e c ta n da t t r i b u t ed a t a a r ea l s oa c h i e v e d t h es h o r t e s tp a t ha n a l y s i so fn e t w o r ka n do t h e rs p a t i a la n a l y s i sf u n c t i o n s a r ed e s i g n e da n dr e a l i z e d i m p o r t a n tf u n c t i o n sr e q u i r e db yag i ss o f t w a r ea r eb a s i c a l l y r e a l i z e d k e yw o r d s ：g i s ；n e t w o r ka n a l y s i s ：n e tn o d e ；h i n g en o d e ；n e t w o r kc o n n e c t i o n 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：薹量堕垒垄刍望童兰皇量鱼堕堡竺星型垂鱼堕强鲎鱼盟 作者签名：与监与l 翌l 日期：丝年j 生月上l 日 人连理i ：人学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：差童璺查兰垫堑鱼兰至! 垒丝三垦型丕! 查盟蓟塞曼盗主! 作者签名： 主途堑篁聋日期：二型年j 三月卫日 导师签名：匕兰望地日期：兰翌年匕月卫l 日 人连理i ：人学硕十学位论文 1绪论 1 1 课题研究的背景 地理信息系纠1 j ( 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 s ，简称g i s ) ，它是一种特定的十分 重要的空间信息系统，是在计算机软、硬件系统支持下，对整个或部分地球表层的有关 地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地理信息 系统处理、管理的对象是多种地理实体、地理现象数据及其空间关系数据，包括空间定 位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分 布的地理实体、现象及过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。 ( 1 ) 地理信息系统发展现状 经过四十多年的发展，g i s 分别在应用领域、软件设计和g i s 理论这三方面取得了 进展。 应用领域 g i s 已广泛应用于小至县市级，大至国家和全球的资源与环境调查、土地管理等方 面并扩展到商业、农业、建设、航空航天、交通运输、电力、通讯、军事、卫生、保险、 企业管理和公安等诸多领域。 软件设计 基于计算机技术的不断发展，不断地设计和更新功能强大、界面友好的软件系统。 无论是硬件、软件技术支持的数据输入、存储、运算和处理结果的显示、输出，还是对 地理信息的管理、分析，都有突破性进展，系统的动态性和实时性得以加强，对各种相 关信息的处理能力得到提高，分析结果的精度得到改善。 g i s 理论 对g i s 理论探索和研究愈加深入和具体。1 9 8 0 年，d f m a r b l e 等编辑出版的“空间 数据处理计算机软件综合性报告1 2 1 ，对各国已有地理信息系统及有关计算机软件情况 进行了分析和总结，对全部软件进行了系统的分类，提出了地理信息系统的今后发展应 着重研究空间数据的算法、数据结构和数据库管理技术等。 尽管我国的g i s 起步较晚，但经过我国g i s 工作者的不懈努力，国内g i s 取得了 长足的发展，国产地理信息系统软件不仅在市场上占有一定比例，而且还出现了许多具 有自主知识产权的品牌软件。在软件使用上，国产软件在数量上已经占有一定的优势。 一批g i s 软件企业在市场搏杀中脱颖而出，企业群体不断扩大，实力有了大幅度的增强。 基丁网络分析功能的a u t o g l s 原型系统的研究与设计 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”。 ( 2 ) 地理信息系统构成和功能 g i s 由五个主要的元素所构成：硬件、软件、数据、人员和方法【3 l ，如图1 1 所 示。 图1 1g i s 的构成 f i g 1 1 t h es t r u c t u r eo fg i s 硬件是g i s 所操作的计算机。今天，g i s 软件可以在很多类型的硬件上运行。从中 央计算机服务器到桌面计算机，从单机到网络环境。 g i s 软件提供所需的存储、分析和显示地理信息的功能和工具。其主要的软件部件 有：输入和处理地理信息的工具；数据库管理系统( d b m s ) ；支持地理查询、分析和视 觉化的工具；容易使用这些工具的图形化界面( g u i ) 。 一个g i s 系统中最重要的部件就是数据，地理数据和相关的表格数据可以自己采集 或者从商业数据提供者处购买。g i s 将把空间数据和其他数据源的数据集成在一起，而 且可以使用那些被大多数公司用来组织和保存数据的数据库管理系统，来管理空间数 据。 g i s 技术如果没有人来管理系统和制定计划应用于实际问题，将没有什么价值。g i s 的用户范围包括从设计和维护系统的技术专家，到那些使用该系统并完成他们每天工作 的人员。 成功的g i s 系统，具有好的设计计划和自己的事务规律，这些是规范而且对每一个 公司来说具体的操作实践又是独特的。 人连理l ：人学硕十学位论文 在建立一个实用的地理信息系统过程中，从数据准备到系统完成，必须经过各 种数据转换，每个转换都有可能改变原有的信息。一般的地理信息系统( g i s ) 包括以下 几项基本功能： 1 ) 数据采集功能 数据采集，是将系统外部的原始数据传输给系统内部，并将这些数据从外部格式转 换为系统便于处理的内部格式的过程。对多种形式和多种来源的信息，实现多种方式的 数据输入。主要有图形数据输入、栅格数据输入、测量数据输入和属性数据输入等。它 包括数字化、规范化和数据编码三方面的内容。 2 ) 数据编辑与处理 数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。图形编辑主要包括图形修改、增加和删除、 图形修饰、图形变换、图幅拼接、投影变换、误差校正和建立拓扑关系等。属性编辑通 常与数据库管理结合在一起完成，主要包括属性数据的修改、删除和插入等操作。 3 数据存储、组织与管理 j 计算机的数据必须按照一定的结构进行组织和管理，才能高效地再现真实环境和进 行各种分析。由于空间数据本身的特点，一般信息系统中的数据结构和数据库管理系统 并不适合管理空间数据，g i s 必须发展自己特有的数据存储、组织和管理的功能。目前 常用的g i s 数据结构主要有矢量数据结构和栅格数据结构两种，而数据的组织和管理则 有文件关系数据库混合管理模拟模式、全关系型数据管理模式、面向对象数据管理模 式等。 4 1 空间查询与分析 空间查询与分析是g i s 的核心，是g i s 区别于其他信息系统的本质特征。主要包括 数据操作运算、数据查询检索、数据综合分析。数据查询检索是从数据文件、数据库中 查找和选取所需数据，为了满足各种可能的查询条件而进行的系统内部数据操作，如数 据格式转换、多边形叠合、拼接、剪辑等操作，以及按一定模式关系进行的各种数据运 算，包括算术运算、逻辑运算、函数运算和关系运算等。 5 ) 数据输出功能 数据显示是指中间处理过程和最终结果的屏幕显示。通常用人机对话方式选择现实 对象和形式，对于图像数据可根据要素的信息量和密集程度，选择放大或缩小显示。 输出是将g i s 的产品通过输出设备( 包括显示器、绘图机、打印机等) 输出。g i s 不 仅可以输出全要素地图，还可以根据用户需要，分层输出各种专题地图、各类统计图、 图表、数据和报告等。 基丁网络分析功能的a u t o g i s 原型系统的研究与设计 总之，g i s 的基本功能一方面是统一支配相关的海量信息，加快信息的处理速度， 节约时间、提高效率，快速响应社会需求，直接创造社会财富；另一方面赢得预测、预 报的时问，减少损失，间接获得经济效益。 ( 3 ) g i s 网络分析发展现状 尽管g i s 网络分析的在许久以前就被提出并投入实际运用，但受限于学科理论和技 术手段，地理网络分析的研究一直依托于别的学科和领域。直到地理信息系统的出现和 不断完善，特别是随着地理信息系统的应用领域不断扩大和深入，关于地理网络分析的 专门研究才得以正式提出和展开。当前随着地理网络分析相关理论的发展和完善及应用 的深入，对地理网络分析的研究也越来越多越来越热。目前地理网络分析的相关研究主 要集中在以下方面： 在理论体系上 当前对地理网络分析的研究主要还分散在相关的地理学科( 如经济地理学、入文地 理学、行为地理学) 、数学学科( 如图论、运筹学、数学分析) 和具体的应用领域之中。 与此相关的学术论文和相关思想都依托于具体的网络分析任务和作为g i s 的分支研究。 这包括地理网络分析算法的改进及应用。由于算法的好坏直接关系到地理网络分析功能 的实现及效率，也是地理网络分析核心的要素。计算机技术及地理网络分析算法的复杂 度一直是限制地理网络分析发展的瓶颈。近些年随着计算机技术的飞速发展给地理网络 分析带来了无限生机，此时改进相关算法对地理网络分析的发展有着非凡的意义，因此 这方面的研究是目前地理网络分析研究热点中的热点。 在实际应用中的发展 尽管在理论上的尚未独立，却并没有影响地理网络分析在实际中的应用。地理网络 分析已经广泛应用于城市的规划建设、交通运输、物资输送、网络管理、资源配置、环 境保护、军事指挥。特别是随着g i s 的发展和应用的深入，使更多的领域关心地理网络， 需要地理网络分析，对地理网络分析的提出了更广泛更深入的需求。这些研究主要是如 何将地理网络分析相关算法在g i s 系统甚至非g i s 系统中应用。近些年随着各个领域对 地理网络分析的迫切需求，这方面的研究也越来越多。其他如地理网络模型、地理网络 拓扑关系的建立与维护等的研究和应用。选择何种地理网络模型、数据结构关系到与现 行g i s 软件结合难易，关系到算法的实现及算法的复杂度。地理网络拓扑关系的建立与 维护是地理网络数据获取中难点问题，目前也没有很好的解决方案，在这方面的研究也 较少。 在g i s 上的发展 人连理l ：人学硕十学位论文 地理网络分析作为g i s 空间分析的一项核心内容，已经成为g i s 发展的一个热点， 并逐渐成为衡量g i s 软件的一个标准。而当前国内外主要g i s 软件多数都支持地理网络 分析的部分功能，如a r c i n f o 、a r c v i e w 、m a p l n f o 、m g e ，地理网络分析及在配电网络 g i s 中的应用g e o m e d i a 、s u p e r m a p 、m a p g i s 、g e o s t a r 等1 4 j 。这些研究主要是解决如何 利用现有g i s 软件的地理网络分析功能并尽量灵活的实现，同时也有改善或替代现有 g i s 软件中相关模块和算法等问题的探讨。 与g i s 的其他分析功能相比，网络分析的研究一直比较少，但是近年来由于普遍使 用g i s 管理大型网状设施( 如城市中的各类地下管线、交通线、通讯线路等) ，使得对网 络分析功能的需求迅速增长。 1 2问题的提出与研究意义 近几年，地理信息系统技术在全球得到了迅猛的发展，已经成为1 1 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。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。 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 l c + + 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，而对网络分析功 能开发得不够。 尽管地理网络分析的在许久以前就被提出并投入实际运用，但受限于学科理论和技 术手段，地理网络分析的研究一直依托于别的学科和领域。直到地理信息系统的出现和 不断完善，特别是随着地理信息系统的应用领域不断扩大和深入，关于地理网络分析的 专门研究才得以正式提出和展开。而目前比较流行的g i s 软件大多都没有网络分析功能 或是功能不完善。 在这种背景下，本文在对基本的网络分析方法进行深入研究后，提出了一种简单高 效、适合于程序实现的网络分析的方法，并采用面向对象技术，在v i s u a lc + + 平台下设 基丁网络分析功能的a u t o g i s 原型系统的研究与设计 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。 1 3 本文设计内容与结构安排 本论文共分为五章，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，最后是结论与展望。 本文结构安排如下： 第一章介绍了地理信息系统、发展现状、构成和基本功能以及g i s 网络分析的发 展现状，指出了网络分析研究的迫切性和本文研究的现实意义。 第二章从空间数据、空间数据模型、空间数据管理与组织等方面介绍了空间分析 的基础知识。 第三章介绍网络分析相关的基础知识，包括图论的一些知识，网络数据模型，网 络分析功能及应用领域。 第四章主要介绍了本课题中网络分析的实现的基本算法与思想，包括枢纽点判断 等网络基本信息计算，网络分析的最佳节点路径分析的具体步骤与思想，并根据各个网 络自身特点选择正向搜索或逆向搜索，以节省搜索时间，最后介绍了最佳节点游历路径 总体实现方法。 第五章为a u t o g i s 原型系统的整体设计思路、各主要功能模块的具体实现过程， 以及最终的界面输出。 最后是总结和展望，总结系统的不足之处和改进办法。 人迮理l ：人学硕十学位论文 2 空间数据和空间关系 2 1 空间数据模型 2 1 1 空间数据模型的类型 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，它为描述空间数 据的组织和设计空间数据库模式提供着基本方法。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1 5 6 1 。 ( 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，空间实体的集合属性，如线的长度、区域问的距离等，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 ) 栅格模型 栅格数据模型中，地理空间作为一个整体被划分为规则的格网，空问位置由格网的 行、列来表示。格网的大小反映了数据的分辨率。栅格数据网络主要有三角形格网、正 方形格网和六边形格网等。最常用的是正方形格网，其坐标记录于计算十分方便。栅格 数据模型的缺点在于个栅格只能赋予一个特定的值，因而难以表示不同要素占据不同 位置的情况，不利于多要素内容的表达。 ( 3 ) 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、矢量和栅格一体化模型等。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j 日j 分析。 基丁网络分析功能的a u t o g i s 原型系统的研究与设计 2 1 2 空间数据的管理方式和组织 ( 1 ) 目前，各类空间地理数据主要有以下几种管理方式1 7 8 l ： 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。 文件关系数据库管理方式 目前大多数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间数 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数据 图。由于空间几何坐标数据和属性数据是分开存储管理的，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：不丛良直本、图像，还有声音、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 m p 界n il 高级语言高级语言o d b c ll f 图形处理系统数据库管理系统 ll l 图形文件库属性数据库 图2 1 文件关系数据库管理方式中图形属性互操作 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 i l e d a t a b a s em a n a g e m e n t 一8 人连理l ：人学硕+ 学位论文 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迸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 一致的访问借口( 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。 面向对象的集成空间数据库管理方式 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，而非结构化的空间数据管 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据库管理方 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来表达复杂的空间对 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 md b 2 ，i n f o r m i x 以及o r a c l e 数据库，针对各类空问数据，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 ) 无论采用上述何种模式管理空问数据，空间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。 基丁网络分析功能的a u t o g i s 原刑系统的研究与设计 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 者是一个覆盖区。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。 2 2空间关系 ( 1 ) 空间关系概述 空间关系是空间查询、分析的基础，空间关系是指地理实体之间存在的一些具有空 间特性的关系，主要为顺序关系，度量关系和拓扑关系【9 , 1 0 】。顺序关系，是指空间目标 在空间中的某种顺序，如前后，左右，上下等，也称为方向关系。度量关系，是指求得 一个或者一组空间对象之间的几个特征属性，如距离，面积等。拓扑关系，是指那些在 拓扑变换( 如平移、旋转、缩放) 中保持不变的性质，主要描述空间对象间是否相邻、包 含、重叠。这3 种关系表达了空间数据间的一种约束，约束的强度为度量关系最强，拓 扑关系最弱，度量关系是定量的，顺序关系和拓扑关系是定性的。 随着g i s 空间关系研究的不断深入，人们发现空间实体间还存在着其他很多空间关 系，如相邻( a d j a c e n c y ) 关系( c h r i s t o p h e rc m ，1 9 9 2 ) 、相离( d i s j o i n t ) 关系( f l o r e n c ej e ta l ， 人迮理i ：人学硕+ 学位论文 1 9 9 6 ) 、模糊反映空自j 实体邻近的靠近关系( c l o s e ，n e a rt o ) 以及反映空间目标运动状态 的穿越与进入关系等( e g e n h o f e rm e ta l ，1 9 9 0 ) 不确定性关系1 1 1 j 等。 在空间关系中，由于拓扑关系反映了空问目标的逻辑结构，对空间目标的查询、分 析和空问目标的重建具有重要的意义，因此也最为重要，是否具有可靠的拓扑关系功能 处理已成为衡量g i s 软件的重要标准之一。正因为如此，人们从八十年代开始在拓扑关 系问题上进行了大连的研究，并取得较大的进展和应用。 ( 2 ) 空间拓扑关系 g i s 把空间物体抽象地用二维欧式空间的点、线、面3 种几何实体来表示。空间物 体的拓扑关系就转换为点、线、面的拓扑关系。简单的几何实体组合成复杂的几何实体， 复杂几何实体的拓扑关系就是简单几何实体的拓扑关系的扩展。郭仁忠( 2 0 0 0 ) 从地图学 和实用g i s 出发，提出对拓扑关系按点点、点线、点面、线线、线面、面面目标之 间的相离、相邻、相交、包括和共位关系1 1 2 l ，分为1 9 种，并对相离、相邻、相交和严 格包括关系如下定义，其中弘和a 4 分别表示空间目标a 的边界和内部： 相离( a0b ) ：a n bi 彩； 相邻彳l b ) a n 8 一a a n o b 一彩； 相交( a x b ) ：彳o n b o 一彩； 严格包含( 4 b ) ：a c b 。 2 3 空间分析的意义 空间分析源于6 0 年代地理和区域科学的计量革命，在开始阶段，主要是应用定量( 主 要是统计) 分析手段用于分析点、线、面的空间分布模式。后来更多的是强调地理空间 本身的特征、空间决策过程和复杂空间系统的时空演化过程分析。实际上自有地图以来， 人们就始终在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，都是人们利用地图 进行空间分析的实例，而后者实质上已属较高层次上的空间分析。 空间分析就是利用计算机对数字地图1 1 3 】进行分析，从而获取和传输空间信息。它是 基于地理对象的位置和形态特征的数据分析技术，也是g i s 区别于其他系统的标志。目 前绝大多数地理信息系统软件都有空间分析功能。 基丁网络分析功能的a u t o g i s 原刑系统的研究与设计 3网络分析基础理论 3 1网络分析应用领域 ( 1 ) 网络分析概述 网络分析是通过研究网络的状态以及模拟和分析资源在网络上的流动和分配情况， 对网络结构及其资源等的优化问题进行研究的一种空间分析方法。 在地理信息系统中，网络分析功能依据图论和运筹学原理，在计算机系统软硬件的 支持下，将与网络有关的实际问题抽象化、模型化、可操作化，根据网络元素的拓扑关 系( 线性实体之间、线性实体与节点之间、节点与节点之间的连接、连通关系) ，通过考 察网络元素的空间、属性数据，对网络的性能特征进行多方面的分析计算，从而为制定 系统的优化途径和方案提供科学决策的依据，最终达到使系统运行最优的目标。 ( 2 ) 应用领域 地理网络分析的应用领域1 1 4 l 主要包括有： 城市规划 市政部门在进行城市规划时需要应用地理网络分析来为小区划分提供信息，分析各 个小区在功能和作用上的相互关系；需要利用地理网络分析来对街道进行规划；为小学、 医院的布局和选址提供定位信息和服务信息【1 5 】。 道路建设 在修建连接多个城市或地区的铁路、公路时，可以利用地理网络分析来研究各个城 市和地区之间的联系的强弱程度，为各个路段设置不同的级别。另外通过地理网络分析， 可以辅助设计一个建设费用最低或时间最短的道路网络。 管线布设 在布设供水管网、输油管网、供电线网、通讯线网等管线网络时，利用网络分析协 助设计管线的布局，一方面有利于降低布设和维护的费用，另一方面使布局趋于最合理。 资源配置 资源的配置、物资的发放和服务的提供都不可能也不应该是均匀地分布。利用地理 网络分析，可以分析各个接点对资源、物资和服务的需求以及所带来的回报，以此来研 究整个网络所产生的回报，并作为资源配置的依据。 物资输送 人连理i ：人学硕十学位论文 运输部门在从事运输业务时，总是希望运输的总费用最低。利用地理网络分析，可 以在众多的道路网络中寻找一条运输费用最低的路线和最优的运输方案。 信息传播 各种信息都是在一定的空间范围沿着一定的途径传播，而在信息的传播过程中，我 们又希望能够对它们进行控制。这时也可以利用地理网络分析，研究这些信息传播途径 的特点和规律，同时研究各种信息在这些传播途径上的传播规律。 商业决策 各大公司在进行商业决策时，也需要利用地理网络分析来进行市场的调查分析，分 析其用户网络、销售网络和服务网络，寻求最佳的商机。 环境保护 在环境保护方面，利用地理网络分析可以寻找污染源、估计污染范围和预测污染造 成的危害，还可以为治理污染提供信息和依据。 军事建设 在进行战场建设时，利用地理网络分析可以对战场中的交通网络进行分析，分析其 通行性、通行能力、抗打击能力和战场容量；另外，利用地理网络分析进行战场设施( 如 营地设施、野战医院、油库、武器库等) 的布局分析，使其能够合理分布。 部队行动 部队在进行训练、演习、作战时，也需要利用地理网络分析，在道路网络中寻找最 佳的行军路线、补给路线，以及进行通道分析、要点分析。 3 2 图论的基本知识 很多实际问题适合于用图形来表示，图形的结构可以映射为某种存储结构，即被表 示为机内形式，利用各种算法语言就可以用计算机加以处理。例如，在城市之间建立通 讯网络，使其中任意两个城市之间都有直接或间接的通讯联系，假设已知每两个城市之 间通讯线路的成本，要求找出一个成本最低的通讯网络。首先要将问题中的数据用一种 适当的方法来描述，便于计算机识别，在进行相应的处理和分析。用小圆圈代表城市； 用小圆圈之间的连线代表对应两个城市之间的通讯线路；在连线旁边附加一个数值表示 该通讯线路的成本，如图3 1 所示，图( a ) 为5 个城市间的通讯线路示意图，通过这种表 达方式，一个实际问题中的数据得到清晰的描述。对于图( a ) ，利用计算机可以求得满 足要求的成本最低的通讯网络，如图( b ) 所示。现实世界中大量的实际问题可以用图形 加以表示，通讯网络只是其中之一。 基丁网络分析功能的a u t o g i s 原型系统的研究与设计 6 6 ( a )通讯网络问题中的数据( b )一个最小成本通讯网络 ( a ) t h e d a t ao fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ( b ) a l e a s tc o s tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 图3 1 用图形描述通讯网络问题 f i g 3 1 d e s c r i b ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw i t hg r a p h 图论中许多基本概念如路径、赋全图、连通性等都是进行网络分析的基础【1 6 l 。图论 中的“图是指有点集合y 和矿中点与点之间的连线的集合e 构成的二元组( 以助。y 中的元素称为节点，e 中的元素称为边。设g = ( 啊) 是一个图，e - - v y , 是其中的一条边， 顶点k 和杉是相邻的，e 与k 、k 是关联的。如果两条边有公共的顶点，则称这两条边 是相邻的。连接两个节点间的边可能不只一条，如图3 2 所示，图论中所研究的图是出 实际问题抽象出来的逻辑关系图，图中点和线的位置及取值无关紧要，点的多少和每条 线连接的是哪些点才是关键。 两个端点重合的边称为环。如果有两条边的端点是同一对顶点，则称这两条边为重 边。既没有环也没有重边的图成为简单图。如果图中的边是有向的，则称为有向图f 1 7 1 8 l ， 其中的边叫做弧，如图3 3 所示，在无向图中，首位相接的一串边的集合叫做路。在有 向图中，顺向的首尾相接的一串边的集合叫做有向路。通常用顺次的节点或边来表示路 或有向路。如图3 3 中， 巳，p 6 ) 是一条路，可用 k ，匕，k ) 来表示。如果一个图中， 任意两个节点之间都存在一个路，则称为连通图。起点和终点为同一个节点的路成为回 路( 或圈) 。如果一个连通图中不存在任何回路，人称为树f 1 9 l ，如图3 4 所示。任意一个 连通图，去掉一些边后形成的树叫做连通图的生成树，一个连通图的生成树可能不只一 个。 人连理，i ：人学硕十学位论文 d c b 图3 2 图的结构图 f i g 3