（电力系统及其自动化专业论文）基于gis的输电网生产管理系统的开发与实现.pdf

苎= 垡! 塑塑皇型兰兰篁里墨竺塑茎丝量壅墨 塑鋈盔兰堡主兰焦笙壅 a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h es t a t i s t i c ，e i g h t y - f i v ep e r c e n to fi n f o r m a t i o ns y s t e m sa r er e l a t e d t ot h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n t h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( o i s ) i so d eo f t h eh o t t e s tt e c h n o l o g yi ns o f t w a r ei n d u s t r yi nr e c e n ty e a r s t h i s p a p e r r a i s e st od e s i g nt h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mf o rp o w e r t r a n s m i s s i o nn e t w o r kb a s e do ng s c o m b i n i n gw i mt h er e s e a r c hp r o j e e ta n dt h et i d e o ng i sd o m a i n ，a u t h o rb r i n g sf o r w a r ds o m ep e r s o n a lv i e wo nh o wt od e s i g na n dt o i m p l e m e n t g i si np o w e rt r a n s m i s s i o nn e 帆o r kw i t hh i se x p e r i e n c eo ng i s t h em a i nt o p i co ft h i sp a p e ri sg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o na n do t h e r r e l a t e dt e c h n o l o g y i te m p h a t i c a l l yd i s u s s e sa n da n a l y s e st h es p a c ed a t aa n d i t sm o d e t h i sp a p e rc o n s i s t so ft h r e ep a r t s t h ef i r s tp a r te x p l a i n st h eb a c k g r o u n d t ob r i n g f o r w a r dg i s i n p o w e r t r a n s m i s s i o nn e t w o r k t h es e c o n dp a r t i n t r o d u c e s t h e c o n c e p t i o n sa n da p p l i c a t i o n so f g 1 sa n dg es m a l l w o r l d t h el a s tp a r td i s c u s s e st h e a p l s l l i c a t i o n s o fg i si ne l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n dt h eb a c k g r o u n dp r o j e c t g i s i n p o w e r t r a n s m i s s i o nn e t 、v o r k k e y w o r d s ：g i s p o w e r t r a n s m i s s i o nn e t w o r k g e s m a l l w o r l d 苎三翌堡堂塑皇堡兰兰笪墅竺塑翌茎兰壅塾 塑堡查兰堡圭兰竺望兰 1 1输电阿g i s 背景 第一章绪论 多年来，电力工作者设计和开发出以电子计算机为核心的各种应用系统以 提高电网运行的自动化、信息化水平。成功提高了电网的生产效率，办取得了 较大的经济效益。然而，随着电网运行要求的不断提高，数据采集、通讯方式 的不断完备，电网需采集信息量与可采集信息量也迅速增加。这种采集数据不 断增加的趋势，激化了电网运行人员信息处理能力有限和实际信息量庞大的矛 盾。因此，解决这一矛盾成为当代电网信息化进程的重要课题。电力行业以其 特有的行业特点，对地理信息和相应的软件平台的需求尤为突出。 输电网络是电力系统最重要的组成部分之一，因此如何提高输电网规划、 施工、运行和维护的安全性和经济性是电力企事业单位、相关科研院所研究人 员历来关注的焦点。而随着电网电压等级的提高和规模的扩大，商业化运营的 逐步实施，各项研究工作又面临着新的挑战。输电网络仅靠现在的管理方式对 现有运行人员和技术人员已日益显得力不从心尤其是5 0 0 k v 和2 2 0 k v 线路 要求更高质量的运行维护、更迅捷的故障处理。电力系统从旋电厂、输供电线 路( 架空线、电缆) 、变电站、直到配电所，大量各种各样、不同规范的电气设 施分布在广阔的地域和空间，因此，电力行业所涉及的数据特点是量大而且与 地图的关系十分密切，如何将这些数据库中的数据直观的在地图上进行分析， 如何使工作人员彻底脱离枯燥的数据文字报表，如何得到宏观决簸的有力支持， 这使许多业务部门都急需开发带有地理信息的应用系统，用以提高业务水平和 管理水平。 现代计算机技术、网络技术和信息技术的空前发展和商用，为输电网地理 苎王里竖堕笙皇里生兰笪堡墨! 塑茎垄墨壅墨 塑坚查堂堡主兰焦笙塞 信息系统的实现奠定了良好的基础。尽快实现“输电网地理信息系统”，使相关 图文信息的采集、加工、处理、检索、更新和利用更趋于电子化、信息化、高 效化以及管理的规范化和现代化，对于电力业务的发展有着深远的意义。 1 2 提出输电网g i s 的必要性 输电网设备管理现状 改革开放以来，中国的经济飞速发展，对电力供应提出了越来越高的要求， 电力部门每年都要投入大量的资金进行电网建设，以满足迅猛增多的电力用户 需求。随着输电网线路的成数倍甚至成数十倍的增长，原来输电网工程设计、 建设及维护管理方法已经不能满足现在的输电网线路工程和输电网线路资源管 理的需要。然而，大部分电力企业对输电网线路的建设及管理仍停留在原来的 被动、手工及效率低下的水平上，具体表现在以下几方面： 1 、线路工程规划的被动性 由于电力规划部门与市政建设、规划部门缺乏沟通，导致在城市建设时， 电力配套工程没有即使跟上，因此说这样的输电网工程规划时被动的。其后果 就是，工期紧迫，工程质量无法保证，根本没有遵从设计、施工、验收、竣工 的正规的工程法则，致使线路工程建设、管理陷入恶性循环。这样既耽误用户 的及时使用，又给这些资源的后续使用、管理造成了困难，直接影响了电力企 业的服务质量和经济效益。 2 、线路工程设计仍采用落后手工设计 传统的输电网设计方法是：在绘有地形的白纸图上画出线路设施( 如电杆 的位置) 、电缆走向等等，有的甚至直到现场在实地标出。这样做的后果是：设 计资料不全、效率不高，是施工、施工检验及竣工验收失去了依据，也给后续 使用、管理及线路工程的计算机规划带来了困难。 3 、线路资料仍采用手工管理 苎主皇堡堕塑璺堕生兰篁堡墨笙竺墅垄皇壅翌 塑望查堂型主兰壁垒兰 在计算机管理盛行的时代，大部分输电网部门仍然采用保存图纸资料的档 案管理方式，这样的资料只能手工检索。这样做的缺点是：资料容易破损、资 料维护工作量大、手工检索速度慢、一份资料不能被许多人同时、实时共享， 不便于工作效率的提高。 同时，由于线路的图纸资料不能随时查阅，线路人员不得不靠每人脑中的 记忆。但人脑的记忆是有限度的，且容易出错。随着线路的不断增加，线路人 员的记忆量不断增大，如何减轻线路人员的记忆量，是个亟待解决的问题。因 此采用什么样的管理手段来解决这个问题就显得极为紧迫。 4 、计算机管理输电网设备的工作刚起步 如何改变输电网设备管理的现状是当今电力企业管理的一个重要方面。要 解决以上提出的问题，除了建立良好的管理机制之外，还需提供良好的管理手 段、随着计算枫应用领域的不断扩展，人们自然想到用计算机管理这些资源。 我们知道输电网设备的一个重要特点就是图形数据、属性数据一体化，即它不 但要用图形数据直观地表现，还需要用属性数据表述其更加详尽地特征。所以 采用传统地以存储、管理属性数据见长地管理型数据库来描述、管理这些数据 难免感到力不从心。因此，将地理信息系统技术与输电网业务相结合是最佳手 段。 输电网地理信息系统是在g i s 平台上经过二次开发完成的，它面向输电网 管理部门运营、维护、建设、设计、工程等各部门的需求，以输电网设备管理 为核心，运用先进的计算机手段，实现了从工程规划、设计到设备资源管理的 全面图形化管理，提供高效、准确的信息服务，减少从业人员负担，减少不必 要的人力、物力浪费。 1 3g i s 相关产品及输电网g i s 开发解决方案 据不完全统计，国内外市场上已有上千种商用g i s 平台。国外商用平台主 兰立：型塑皇壁兰篁堡墨堕堕茎垄皇壅銎 塑坚苎兰鍪圭兰竺堡壅 要有a r c i n f o 、m a p i n f o 、m g e 、g e n a m p 、g e s m a l l w o r l d 等。近几年来， 国内有关软件开发商推出数量不少的自主版权的g 1 s 平台，如武汉测绘科技大 学的g e o s t a r 、巾国地质大学的m a p g i s 等。但一般它们所涉及的应用范围 较小，主要集中于城市建设地理信息系统、g p s 和遥感等几个领域。并从软件 功能、性能和稳定性来看，国内g i s 软件还是有一段较长的路要走。纵观国内 外的商用平台，有关地理信息解决犯案有几个明显的发展趋势。 越来越多的g i s 商用软件提供商意识到，过去那大而全、相对封闭的方案 是行不通的。有关地理信息的应用也往往是某一企业级信息系统的一部分，单 一的g i s 比较少见，问题集中在如何于其他起系统进行无缝的集成。另外，即 使在o i s 领域里，由，f 发商开发出完全通用的软件也是不实际的。通用g i s 平 台一般提供良好的二次开发环境，以提供用户或第三方开发商进行软件定制或 是二次开发。 因此，许多g i s 公司近年来不断推出一些基于c o m 或是c o r b a 的通用 地理信息处理构件。如e s r i 公司推出的m a o b o b j e c t 和m a p t n f o 公司的 m a p x 就是这样构件。用户可以使用这些c o n m 构件直接插k n 用户开发环 境中，例如v b 、v c 、d e l p h i 和p b 等，大大减少了系统集成的复杂性。 另外，在一些运行在n t 环境下的地理信息系统平台，一些公司开始沿用 了m i c r o s o f u 的w d n a 标准( d i s t r i b u t e di n t e m e ta p p l i c a t i o n sa r c h i t e c t u r e ) ，可 以使得g i s 基础平台看起来象一个m so f f i c e ，用户可以通过v b s c r i p t 对 它进行编程，或者是宏定义。由于v b s c r i p t 的简单性，它可以使得一些二次 开发工作变简单，而且可以和m i c r o s o f t 的众多产品集成在起工作a 也正是由于以上原因，同一经营g i s 的软件公司往往推出不同种类的g i s 产品，以适应多样化的市场需求。 如原先桌面地理信息软件公司m a p l n f o ，从原有单一的 m a p i n f 伽订a p b a s i c ，发展到现在十几种产品。其中，p r o v i e w e r 用于数 苎旦! ! 竺塑皇坚兰主塑墨竺竺墅茎皇塞翌 塑堡查兰堡主鲨堡苎 字地图的浏览；m a p x 是一个基于c o m 技术的a c t i v e x 控件；m a p x s i t e 和m a p x t r e m e 用于地理信息的w e b 发布；s p a t i a w a r e 可以将原有的地 理信息存储在商用数据库系统种，如o r a c l e s y b a s e i n f o m i x 等；d e c i b e lp l a n n e r 致力于g i s 在通信领域的应用。 e s r i 公司是目前为止最大也是最早的以g i s 为主要经营业务的软件公司， 它也有自己的一系列产品。其中s d e 是一个控件数据引擎，它和a p a t i a w a r e 一 样，可以将地理信息存贮在商用数据库中；a r c v i e wg i s 用于桌面地理信息系 统运行在p c 上，m a p o b j e c t s 是一个基于c o m 技术的构件；i n t e m e tm a p s e r v e e 用于地理信息的w e b 发布；a r c c a d 是具有g i s 功能的c a d 软件，它可 以于a u t o c a d 兼容；a r c e x p l o r 是一个用于1 n t e r n e t 的地理信息浏览 器：a r c f m 集成了一些g i s 处理工具；b u s i n e s s m a pp r o 用于商业用途；m a p l e x 是一个自动地理名字匹配软件。 作者结合输电网g i s 开发的实际经验，采用了g es m a l l w o r l d 为开发平台， m a g i k 为开发语言，o r a c l e 为外部数据库的开发方案。 苎三旦堡堕塑皇壁笪墅竺塑墅垄皇壅翌 塑鋈奎兰堡主堂堡垒苎 第二章地理信息系统概述 2 1 g i s 的定义和研究内容 2 1 1g i s 的定义 g i s 是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的技术，要给 出g i s 的准确定义是困难的，因为g i s 涉及的面太广，站在不同的角度，给出 的定义就不同。通常可以从4 种不同的途径来定义g i s ：( 1 ) 面向功能的定义： g i s 是采集、存储、检查、操作、分析和显示地理数据的系统。( 2 ) 面向应用的 定义：这种方式根据g i s 应用领域的不同，将g i s 分为各类应用系统，例如土 地信息系统、城市信息系统、规划信息系统、空间决策支持系统等。( 3 ) 工具箱 定义方式：g i s 是一组用来采集、存储、查询、变换和显示空间数据的工具的 集合这种定义强调g i s 提供的用于处理地理数据的工具。( 4 ) 基于数据库的定 义：g i s 是这样一类数据库系统，它的数据有空间次序，并且提供一个对数据 进行操作的操作集合，用来回答对数据库中空间实体的查询。 我们认为，虽然g i s 是- - f 多学科综合的边缘学科，但其核心是计算机科 学，基本技术是数据库、地图可视化及空间分析( 见图2 - - 1 ) ；因此，可以这样 定义：g i s 是处理地理数据的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计 算机系统。 墨_ ! ：皇堡璺塑皇旦兰兰笪型塑墅垄兰壅型 塑坚盔兰堡主兰竺望茎 图2 一i 地理信息系统的组成 虽然g i s 使用了地图、可视化、数据库等技术，但与c a d 系统、计算机 地图系统、数据库系统等均有很大的区别。 c a d 系统提供交互式的图形处理功能，以辅助象建筑、v l s i 等人造对象 的设计，其主要特点是设计者与计算机模型的交互。目前许多c a d 开始支持对 象的非图形性质，而g i s 处理的数据大多来自现实世界，较之c a d 的人造对 象更为复杂，数据量更大。另外，c a d 中的拓扑关系较为简单，更重要的是， g i s 强调对空间数据的分析，c a d 这方面的功能要弱得多。 计算机地图系统侧重于数据查询、分类及自动符号化，具有辅助设计地图 和产生高质量矢量形式的输出机制。它强调数据显示而不是数据分析，地理数 据往往缺少拓扑关系；另外，它与数据库的联系通常是一些简单的查询。 数据库系统是各种类型信息系统的核心。通用数据库侧重非图形数据的优 化存储与查询，其图形查询与显示功能极为有限，其数据分析功能也很有限。 然而，数据库的些基本技术，如数据模型、数据存储、数据检索等，都在g i s 中广泛采用，成为g i s 的核心技术。 苎三兰堡堕塑皇壁主篁堡墨堕塑茎垄皇塞翌 塑垩查兰堡主兰堡造苎 由此可见，g i s 已经形成了一个独立的、具有鲜明特色的研究领域g i s 的 研究内容很广泛，下面我们从输入、存储、操作和分析、输出4 个方面来讨论 g s 的研究内容。 2 1 2 g i s 的研究内容 ( 1 ) 输入：地理数据如何有效地输入到g i s 中是一项琐碎、费时、代价昂贵 的任务，大多数的地理数据是从低质地图输入g i s 潸用的方法是数字化和扫描 数字化的主要问题是低效率和高代价；扫描输入则面临另一个问题，扫描得到 的栅格数据如何变换成g i s 数据库通常要求的点、线、面、拓扑关系属性等形 式，就这一领域目i j i 的研究进展而言，全自动的智能地图识别短期内没有实现的 可能：因而，交互式的地图识别是矢量化方法的一种较为现实的途径，市场上 已有多种交互式矢量化软件出售。 目前g i s 的输入j 下在越来越多地借助非地图形式，遥感就是其中的一种形 式遥感数据已经成为g s 的重要数据来源与地图数据不同的是，遥感数据输入 到g i s 较为容易，但如果通过对遥感图象的解释来采集和编译地理信息则是一 件较为困难的事情；因此，g i s 中开始大量融入图象处理技术，许多成熟的g i s 产品，如m a p g l s 中都具有功能齐全的图象处理子系统。 地理数据采集的另一项主要进展是g p s 技术。g p s 可以准确、快速地定位 在地球表面的任何地点，因而，除了作为原始地理信息的来源外，g p s 在飞行 器跟踪、紧急事件处理、环境和资源监测、管理等方面有着很大的潜力。 f 2 ) 存储：g i s 中的数据分为栅格数据和矢量数据两大类，如何在计算机中 有效存储和管理这两类数据是g i s 的基本问题。在计算机高速发展的今天，尽 管微机的硬盘容量已达到g b 级，但计算机的存储器对灵活、高效地处理地图 这类对象仍是不够的。g i s 的数据存储却有其独特之处大多数的g i s 系统中采 用了分层技术，即根据地图的某些特征，把它分成若干层，整张地图是所有层 叠加的结果。在与用户的交换过程中只处理涉及到的层，而不是整幅地图，因 基于g i s 的输电卿生产管理系统的开发与实现 浙旺人学硕士学位篼文 而能够对用户的要求作出快速反应。 地理数据存储是g i s 中最低层和最基本的技术，它直接影响到其他高层功 能的实现效率，从而影响整个g i s 的性能。基于微机平台的m a p g i s 能够快速、 高效地处理多达上万幅的海量地图库，这不仅在国产g i s 软件中处于领先地位， 即使与国外同类产品相比仍是其中佼佼者，这与m a p g i s 较好地解决了地理数 据的存储问题密切相关。 ( 3 ) 地理数据的操作和分析：g i s 中对数据的操作提供了对地理数据有效管 理的手段。对图形数据( 点、线、面) 和属性数据的增加、删除、修改等基本操 作大多可借鉴c a d 和通用数据库中的成熟技术；有所不同的是g 1 s 中图形数 据与属性数据紧密结合在一起，形成对地物的描述，对其中一类数据的操作势 必影响到与之相关的另一类数据，因而操作带来的数据致性和操作效率问题 是g t s 数据操作的主要问题。 地理数据的分析功能，即空间分析，是g i s 得以广泛应用的重要原因之一 通过g i s 提供的空间分析功能。用户可以从已知的地理数据中得出隐含的重要 结论，这对于许多应用领域是至关重要的。 g i s 的空间分析分为两大类：矢量数据空问分析和栅格数据空间分析。矢 量数据空间分析通常包括：空间数据查询和属性分析，多边形的重新分类、边 界消除与合并，点线、点与多边形、线与多边形、多边形与多边形的叠加，缓 冲区分析，网络分析，面运算，目标集统计分析栅格数据空问分析功能通常包 括：记录分析、叠加分析、滤波分析、扩展领域操作、区域操作、统计分析。 ( 4 、输出：将用户查询的结果或是数据分析的结果以合适的形式输出是g i s 问题求解过程的最后一道工序。输出形式通常有两种：在计算机屏幕上显示或 通过绘图仪输出。对于一些对输出精度要求较高的应用领域，离质量的输出功 能对g i s 是必不可少的。这方面的技术主要包括：数据校正、编辑、图形整饰、 误差消除、坐标变换、出版印刷等。 苎! 兰竖堕塑皇望竺兰篁i 坚竺塑! 堕兰塞垫 塑坚查堂堡主兰壁笙茎 2 2 地理信息系统的发展动态 近年来地理信息系统技术发展迅速，其主要的原动力来自日益广泛的应用 领域对地理信息系统不断提高的要求另一方面，计算机科学的飞速发展为地理 信息系统提供了先进的工具和手段，许多计算机领域的新技术，如面向对象技 术、三维技术、图象处理和人工智能技术都可直接应用到地理信息系统中。下 面我们对当前地理信息系统研究中的几个热点研究领域作介绍。 1 、g i s 中面向对象( o b j e c to r i e n t e d ) 技术研究 面向对象方法为人们在计算机上直接描述物理世界提供了一条适合于人类 思维模式的方法，面向对象的技术在g i s 中的应用，即面向对象的g i s ，已成 为g i s 的发展方向。这是因为空间信息较之传统数据库处理的一维信息更为复 杂、琐碎，面向对象的方法为描述复杂的空间信息提供了一条直观、结构清晰、 组织有序的方法，因而倍受重视。图2 2 展示了面向对象的g i s 的一般结构。 i两向埘彀的d 8 m s i c j二 l 窑阉鹭慕觳婿唪 图2 - - 2 面向对象的g i s 系统结构 面向对象的g i s 较之传统g i s 有下列优点：( 1 ) 所有的地物以对象形式封装， 而不是以复杂的关系形式存储，使系统组织结构良好、清晰；( 2 ) 以对象为基础， 消除了分层的概念；( 3 ) 面向对象的分类结构和组装结构使g i s 可以直接定义和 处理复杂的地物类型；( 4 ) 根据面向对象l 砒皇_ b i n d i n g ( 后编译) 的思想，用户可 苎量里堡堕塑生里圭兰里墨墨垫塑墅茎皇塞銎 塑堡叁兰墨主兰垡笙茎 以在现有抽象数据类型和空间操作箱上定义自己所需的数据类型和空间操作方 法，增强系统的开发性和可扩充性；( 5 ) 基于i c o n 的面向对象的用户界面，便于 用户操作和使用。 s m a l l w o f l dg 1 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 o 7 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。 面向对象的g i s 也存在一些尚待进一步研究豹问题：( 1 ) 大对象的操作仍受 硬件条件的限制；( 2 ) 对象的独立性与颗粒度问题；( 3 ) 矢量和栅格数据统一的、 支持动态拓扑结构和复合对象表示的面向对象的数据结构问题。 2 、时空系统( s p a t i o t e m p o r a ls y s t e m ) 传统的地理信息系统只考虑地物的空间特性，忽略了其时间特性在许多应 用领域中，如环境监测、地震救援、天气预报等，空阃对象是随时间变化的， 而这种动态变化的规律在求解过程中起着十分重要的作用。过去g i s 忽略时态 主要是受器件的限制，也有技术方面的原因。近年来，对g j s 中时态特性韵研 究变得十分活跃，即所谓“时空系统”。 地物除了具有三维空间中的空间性质外，如何刻画时间维的变化也十分重 要。通常把g i s 的时间维分成处理时间维( t r a n s a c t i o n t i m ed i m e n s i o n ) 和有效时间 维( v a l i dt i m ed i m e n s i o n ) 。处理时间又称数据库时间或系统时间，它指在g i s 中 处理发生的时间。有效时间亦称事件时间或实际时间，它指在实际应用领域事 件出现的时间。 根据处理时间和有效时阋的划分，可以把时空系统分为4 类：静态时空系 统f s t a f t cs ts y s t e m ) 、历史时态系统( b i s t o r i c a ls ts y s t e m ) 、回溯时态系统( r o l l b a c k s ts y s t e m ) 和双时惫系统( b i t e m p o r a ls ts y s t e m ) 。 ( 1 ) 静态时空系统，它既不支持处理时间，也不支持有效时间，系统只保留 应用领域的一种状态，比如当前状态。( 2 ) 历史时态系统，它只支持有效时间， 垄茎! 坚堂堂堕生燮篁墅鉴塑茎茎量壅婴 塑堡奎兰曼主兰堡堡奎 这种系统适用于事件实际发生的历史对问题求解十分重要的应用领域。0 ) 回溯 时态系统，它只支持处理时间，这种系统适用于信息系统的历史对问题求解十 分重要的应用领域。( 4 ) 双时态系统，它同时支持处理时间和有效时间处理时间 记录了信息系统的历史，有效时间记录了事件发生的历史。 时空系统主要研究时空模型，时空数据的表示、存储、操作、查询和时空 分析目前比较流行的作法是在现有数据模型基础上扩充，如在关系模型的元组 中加入时间，在对象模型中引入时间属性在这种扩充的基础上如何解决从表示 到分析的一系列问题仍有待进步研究。 3 、地理信息建模系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nm o d e l i n gs y s t e m ，简称g i m s ) 通用g i s 的空间分析功能对于大多数的应用问题是远远不够的，因为这些 领域都有自己独特的专用模型，目前通用的g i s 大多通过提供进行二次开发的 工具和环境来解决这一问题。如s m a l i l w o r l d 提供的进行二次开发的语言 m a g i k ，二次开发工具的一个主要问题是它对于普通用户而言过于困难。而 g i s 成功应用于专门领域的关键在于支持建立该领域特有的空间分析模型。g i s 应当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，这种g i s 系统又称为地理信息建模系统， g i m s 是目前g i s 研究的热点问题之一。 目前实现通用o i s 空间分析功能与各种领域专用模型的结合主要有两种途 径。f 1 ) 松散耦合式，即除g i s 外，借助其他软件环境实现专用模型，其与g i s 之间采用数据通讯的方式联系。( 2 ) 嵌入式，即在g i s 中借助g i s 的通用功能来 实现应用领域的专用分析模型。上述两种方式总体上对用户定义自己的专用模 型的支持程度都是不够的。目前的g i s 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。 g i m s 的研究有几个值得注意的动向。( 1 ) 面向对象在g i s 中的应用a 面向 对象技术用对象( 实体属性和操作的封装) 、对象类结构( 分类和组装结构) 、对象 基于g i s 的输电网生产管理系统的开发与实现 浙江人学顼士学位论文 间的通讯来描述客观世界，为描述复杂的三维空间提供了一条结构化的途径。 这种技术本身就为模型的定义和表示提供了有效的手段，因而在面向对象g i s 基础上研究面向对象的模型定义、生成和检验，应当比在传统g i s 上用传统方 法要容易得多。( 2 ) 基于i c o n 的用户建模界面建模过程中的对象和空问分析操 作均以i c o n 形式展示给用户，用户亦可自定义i c o n 用户在对i c o n 的定义、选 择和操作中完成模型的定义和检验。这种方法较之a m l 这类宏语言要方便和 直观得多。( 3 ) g i s 与其他的模型和知识库的结合这是许多应用领域面临的一个 非常实际的问题，即存在g i s 之外的模型和知识库如何与g i s 耦合成一个有机 整体。 4 、三维g i s 的研究 三维g i s 是许多应用领域对g i s 的基本要求。目前的g i s 大多提供了一些 较为简单的三维显示和操作功能，但这与真三维表示和分析还有很大差距。真 正的三维g i s 必须支持真三维的矢量和栅格数据模型及以此为基础的三维空间 数据库，解决了三维空间操作和分析问题。主要研究的方向包括：( 1 ) - - 维数据 结构的研究，主要包括数据的有效存储、数据状态的表示和数据的可视化；( 2 ) 三维数据的生成和管理；( 3 ) 地理数据的三维显示，主要包括三维数据的操作， 表面处理，栅格图象、全息图象显示，层次处理等。 2 3地理信息技术的应用与推广 国际上g i s 应用得到了非常高的重视，应用面不断扩大。国际上g i s 应用 有两个值得注意的方面，一是面向大型项目，二是面向公众。 在大项目方面，如美国内务部土地管理局的自动土地与矿产资源系统 ( a l m r s ) 和森林局6 1 5 项目，仅软件和硬件的耗资就高达1 2 亿美元。美国海 军的海图计划，建库的费用也在数亿美元以上。 另一方面，g i g 的应用已经走向公众，通过网络将空间信息传至千家万户， 苎三里坚竺塑皇垦皇篁堡墨堡塑茎垄兰壅翌 塑垩查兰型兰壁堡苎 如美国已有城市试验通过电视有线网向公众发布城市等空间信息。香港地政署 与旅游协会( t a ) 也正在着手建立香港旅游信息系统，该系统的基础数据直接来 源于地政处的大型数据库，旅游信息则由旅游协会( t a ) 所提供，计划首先在尖 沙嘴等旅游热点安装触摸屏，游客可以通过它直接了解香港地理和旅游信息。 g i s 应用最为值得注意的动向是g i s 功能的变化。g i s 的应用过去只是限于 管理方面，随着信息技术的发展，g i s 已经逐步进入控制阶段。如位于美国西 雅图波音公司附近的一家名为欧米嘎的小型飞机制造公司，主要生产小型无人 驾驶飞机，它通过g i s 、g p s 和通信等技术的集成应用，可以在地面由个g i s 系统直接控制飞机的飞行，达到全自动的环境监测、灾害跟踪和侦察等目的。 虽然，在北美和西欧等发达国家，g i s 应用已经形成一定规模但是，应 用深度并没有达到理想的程度，大多g i s 也只是停留于制图，其分析和辅助决 策的功能并没有得到应有的发挥。如在洛山矾和南加州数十个城市的市政局中， 几乎都设有制图部门，都采用了g i s 技术和安装了g i s 系统，这些系统往往只 是满足于制图，并没有与自7 0 年代起就建立起来的人口和户籍数据库连接起 来，难于进行分析和辅助决策支持。 从我国目前g i s 应用情况看，总体水平是比较高的，而且存在着巨大的应 用潜力，对g i s 的需求将不断增加。我国g i s 的应用，首先是在科研部门和测 绘与资源环境等领域，然后在城市规划等部门展开，在农林业方面也已开始， 现在已经扩展到土地管理、设施管理、军事和商业等领域。可以说，土地管理 和设施管理是近几年我国g i s 应用的热点，随后，商业g i s 将是一个新的热点。 地理信息系统近年发展迅速，其内涵和外延正在不断变化。最初的地理信 息系统都是一些具体的应用系统，充其量只能称之为一门技术。现在已发展成 一个独立的、充满活力的新兴学科，这已经为大家所公认，地球信息科学从理 论上讲是解决地球信息问题，它的范围包括从卫星航空遥感或全球定位系统 f g p s ) 接受信息，变换和校正后进入空间数据库：数据库中的地理信息可以方便 1 4 基于g i s 的输电婀生产管理系统的开发与实现浙江大学硕士学位论文 地检索、查询，在此数据库和相关知识库的基础上能够定义和生成各种领域专 用模型，如城市规划模型、灾害评价模型等；运用这些模型对地理数据进行有 效分析，并把分析结果或是决策咨询建议以直观、清晰的形式输出。这一范围 包括了计算机科学、地图学、航测、遥感等多种学科的交叉。 总之，由于地理信息在人类生活和国民经济中的重要作用，地理信息系统 在未来的几十年中将保持高速发展的势头，成为高科技领域的核心技术。 苎皇垒堕塑垦壁主竺堡墨竺箜茎垄皇壅墨 塑坚查兰塑主堂垒笙壅 第三章g i s 中的数据 3 1 空间数据分类与特点 3 1 1 数据涵义 数据是用以载荷信息的载体。它可以是记录下来的某种可以识别的物理符 号，数据的具体形式多种多样，如文本、图像、声音等都可以归入数据的范畴。 虽然数据是信息的载体，但并非就是信息，只有理解了数据的含义、对数据做 出解释，才能得到数据中所包含的信息。在计算机化的信息系统中，数据的格 式往往与具体的计算机系统有关，随着载荷它的物理设备的形式而改变。信息 系统对数据进行处理( 运算、排序、编码、分类、增强等) 就是为了得到数据 中所包含的信息。 在地理信息系统中，由系统建立者输入、机器存储的各种专题地图和统计 图表是数据；系统软件中所包含的代码是计算机系统中的二进制数据；用户对 地理信息系统发出的各种指令也是数据，等等。因此，地理信息系统的建立和 运行，就是信息或数据按一定的方式流动的过程。 数据的处理和解释是非常重要的环节。所谓数据处理，是指对数据进行收 集、筛选、排序、归并、转换、检索、计算以及分析、模拟和预测的操作，其 目的就是把数据转换成便于观察、分析、传输或进一步处理的形式；把数据加 工成对正确管理和决策有用的数据；把数据编辑后存储起来。以供不断使用。 数据处理是为了解释，而数据解释需要人的智慧、学识和经验。 基于g i s 的输电同生产管理系统的开发与实现 浙江大学硕士学位论文 3 1 2 空间数据分类 空间数据( s p a t i a ld a t a ) 是指在g i s 中用来表达地理空间信息的各种数 据。狭义上，空间数据指的是图形实体数据，是相对于非空间的属性数据而言； 而广义上指的是g i s 数据，包括图形、图像、属性以及相关的多媒体数据等， 用于构建g i s 数据库，作为g i s 处理分析的对象。 狭义空间数据 狭义空间数据定义了图形和制图特征所处的空间位置，包括对象的空间位 置以及空间拓扑关系等信息。在属性数据的支持下，空间数据不再是仅仅具有 几何意义的像元或图形，而是具有地理意义的空间实体。通常，可用分类码和 识别码来描述某一空问实体。“分类码”是对具有某一特征的实体子集的描述， 而“识别码”是对单个实体的识别描述，在系统中必须是唯一的，其表现形式 可以是数字的，也可以是文字的。此外，对空间实体的描述还有位置、实体特 征、实体角色、行为或功能以及实体的空间特征等。 空间实体可以抽象为点、线、面、体以及组合类等几种基本地形要素。 广义空间数据 广义空间数据，又称g i s 数据或地理数据，主要有以下几种类型。 ( 1 )几何图形数据。即前述的狭义空间数据，它来源于各种类型的现有 地图和实测几何数据。它不仅反映空间实体的地理位置，还反映实体间的空间 关系( 拓扑关系) 。 ( 2 )影像数据。影像数据主要来源于航空和航天像片、航空和航天数字 图像或其他数字形式的遥感影像等。它能较快地、直观地、形象地表达地理现 状。 ( 3 )属性数据。属性数据主要来源于实测数据、几何图形数据地属性描 述信息、调查统计数据、图例符号以及遥感解译信息等。其空间特征更加隐含， 是空间数据的重要组成部分。 茎要旦堡堕塑生主筻鳖竺塑堑垄皇壅垫 塑堡查堂墅圭兰些丝壅 ( 4 ) 地形数据。地形数据主要来源于地形等高线图的数字化、己建立的 格网状数字高程模型( d e m ) 或三角网地面模型( t i n ) 等。地形数据能有效的 辅助几何图形数据来表达地理现状，如地形的高低起伏变化情况等。 ( 5 ) 多媒体数据。多媒体数据主要来源于与地形实体相关的声音、图片、 录像和文本等形式的各种数据，是图形数据的一种补充，可用来丰富和完善地 理实体的表达形式。 ( 6 )其他，如专家知识库等。 3 。1 3 空间数据的特征 一般来说，数据具有以下基本特征： ( 1 ) 选择性。数据从某一( 些) 侧面描述事物本身。 ( 2 ) 可靠性。有很多原因影响数据的可靠性，比如数据在获取，存储，管 理，传播过程中会出现差错，导致数据的失真。必须保证数据的可靠性。 ( 3 ) 时间性。事物是动态的，发展的，数据只能反映事物在某个时间态下 的状态。关于数据时间性的研究比较多，也有一些专著。 ( 4 ) 完备性。数据的不完备往往导致分析结果的不完善，甚至会造成决策 失误。 ( 5 ) 详细性和综合性。 空间数据除了具有一般数据的特赶之外，还具有一些区别于其他数据的特 性。构成空间数据的特征主要有： ( 1 ) 空间性 这是空间数据最主要的特性。空间数据描述了空间物体的位置、形态，甚 至需要描述物体的空间拓扑关系。例如描述一条河流，一般数据侧重于河流的 流域面积，水流量，枯水期等。而空间数据则侧重于河流的位霞、长度、发源 垦王皇竖堕竺皇旦兰兰篁里墅塑翌茎量壅型 一塑坚；苎兰堡主兰竺兰苎 地等和空间位置有关的信息。复杂一点的还要处理河流与流域内城市间的距离、 方位等空间关系。空间性是空间数据区别于其他数据的标志特征。 ( 2 ) 抽象性 空间数据描述的是现实世界中的地物和地貌特征，非常的复杂，必须经过 抽象处理。不同主题的空间数据库，人们所关心的内容也有差别。所以空间数 据的抽象性还包括人为地取舍数据。抽象性还使数据产生多语义问题。在不同 的抽象中，同一自然地物表示可能会有不同的语义。如河流既可以被抽象为水 系要素，也可以被抽象为行政边界，如省界，县界等。 ( 3 ) 多尺度与多态性 不同的观察尺度具有不同的比例尺和不同的精度。同一地物在不同的情况 下就会有形态差异。最典型的例子有：就形态而言，任何城市在地理空间中都 占据一定范围的区域，因此可以认为其是面状地物，但在比例尺比较小的空间 数据库中，城市- 是作为点状地物来处理。 ( 4 ) 多时空性 g i s 数据具有很强的时空特性。一个g i s 系统中的数据源既有同一时间 不同空间的数据系列；也有同一空间不同时间序列的数据。不仅如此，g i s 会 根据系统需要而采用不同尺度对地理空间进行表达。g i s 数据是包括不同时空 和不同尺度数据源的集成。 3 2g i s 的内部数据结构矢量结构和栅格结构 描述地理实体的数据本身的组织方法，称为内部数据结构。空间数据结构 是指适合于计算机系统存储、管理和处理的地学图形的逻辑结构，是地理实体 的空间排列方式和相互关系的抽象描述。它是对数据的一种理解和解释，不说 明数据结构的数据是毫无用处的，不仅用户无法理解，计算机程序也不能正确 1 9 基于g i s 的输电网生产管理系统的开发与实现 浙江大学硕士学位论文 的处理。对同样的一组数据，按不同的数据结构去处理，得到的可能是截然不 同的内容。空间数据结构是地理信息系统沟通信息的桥梁，只有充分理解地理 信息系统所采用的特定数据结构，才能正确地使用系统。 内部数据结构基本上可分为两大类：矢量结构和栅格结构( 也可以称为矢 量模型和栅格模型) ( 图3 1 ) 。两类结构都可用来描述地理实体的点、线、面三 种基本类型。 空间数据编码是空间数据结构的实现，即将根据地理信息系统的目的和任 务所搜集的、经过审核了的地形图、专题地图和遥感影像等资料按特定的数据 结构转换为适合于计算机存储和处理的数据的过程。由于地理信息系统数据量 极大，一般采用压缩数据的编码方式以减少数据冗余。 在地理信息系统的空间数据结构中，栅格结构的编码方式主要有直接栅格 编码、链码、游程长度编码、块码、四叉树码等；矢量结构主要有坐标序列编 码、树状索引编码和二元拓扑编码等编码方法。 苎主皇竖堕塑皇旦兰主笪里! ! ! 塑墅苎量窒塑 塑婆查竺堡主堂壁笙苎 格表示形式 3 2 1 栅格数据结构 1 讲 卜精 轴 m m 嘶 哪枷却_m z 由 c 矢量表示形式 图3 1矢量结构和栅格结构 栅格结构是最简单最直接的空间数据结构。是指将地球表面划分为大小均 匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含 食代码表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括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地物或现象分布的数据组织，组织 中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。如图3 2 所示，在栅格结构 中，点用一个栅格单元表示；线状地物沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每 个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上；面或区域用记有区域属性的相邻栅 格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。遥 感影像属于典型的栅格结构，每个象元的数字表示影像的灰度等级。 2 1 ! 墨三幽塑墨坠兰壁里墨丝竺茎垄兰壅墨 塑望查堂堡圭堂垡丝兰 ( a ) 点 44 4 4 4 4 o 4 o8 0 0 0 0 0 0 ( b ) 线( c ) 面 图3 2 点、线、区域的格网 栅格结构的显著特点是：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，而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标，也就是说定位是 根据数据在数据集中的位置得到的。如图3 - 2 ( a ) 所示，数据2 表示属性或编 码为2 的一个点，其位置由其所在的第3 行、第4 列交叉得到的。由于栅格结 构是按一定的规则排列的，所表示的实体的位置很容易隐含在格网文件的存储 结构中，在后面讲述栅格结构编码时可以看到，每个存储单元的行列位置可以 方便地根据其在文件中的记录位置得到，且行列坐标可以很容易地转为其他坐 标系下的坐标。在格网文件中每个代码本身明确地代表了实体的属性或属性的 编码，如果为属性的编码，则该编码可作为指向实体属性表的指针。图3 - 2 一( a ) 表示了代码为2 的点实体，图3 - 2 一( b ) 表示了一条代码为6 的线实体，而图 3 。2