（大地测量学与测量工程专业论文）数据交换在gis中的应用.pdf

a p p l i c a t i o n o f d a t a e x c h a n g i n g i n d e v e l o p i n g g i s ab s t r a c t t h e f a s t a d v a n c e m e n t o f s o ft w a r e a n d h a r d w a r e o f c o m p u t e r m a k e s t h e a p p l i c a t i o n o f d a t a e x c h a n g i n g i n d e v e l o p i n g g i s a v e ry n o t i c e a b l e p r o b l e m .t h i s p a p e r r e s e a r c h e s d e e p ly t h e t h e o ry a n d m e t h o d s o f d a t a e x c h a n g i n g , a n d m a k e c o m p a r i s o n s a m o n g c u r r e n t f o u r a p p r o a c h e s o f d a t a e x c h a n g i n g a b o u t t h e ir a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s，a c c o r d i n g t o t h e p r e s e n t s i t u a t io n o f o u r h o m e - m a d e a n d d a t a p r o b l e m s , t h e w r it e r t h i n k s o u t e r d a t a e x c h a n g i n g i s s t i l l o f r e l a t i v e ly g r e a t e r a c t i v e m e a n i n g in a s p e c t s o f u s i n g e x i s t i n g e n o r m o u s d a t a , s o l v i n g t h e n e e d s o f d a t a e x c h a n g i n g i n s p e c i a l p r o j e c t s , p r o m o t i n g o u r h o m e - m a d e s o ft w a r e t o d e v e l o p q u i c k ly . o n t h e b a s i s o f t h e a b o v e ， t h i s p a p e r c a r e f u l l y i n t e r p r e t s t h e f e a t u r e s o f o u t e r t e x t d a t a e x c h a n g i n g f o r m a t s o f h o m e - m a d e s o ft w a r e f o r s c r e e n d ig it a l iz a t i o n - - - - e p c s c a n a n d c r e a d d i g it a l m a p p i n g s y s t e m - - - - r d ms , a n d g e n e r a l s o ft w a r e f o r p r o c e s s i n g g r a p h i c s - - - - a u t o c a d ; a n d it i s s t u d i e d t o r e a l i z e d a t a e x c h a n g i n g in t h e c o u r s e o f a c q u ir i n g d a t a f o r y i y a n g c it y s g i s; a t t h e s a m e t i m e , d a t a e x c h a n g in g a m o n g t h e s e s o ft w a r e i s a l m o s t f u l f i l l e d b y v b 6 .0 p r o g r a m ,w h i c h s u p p l i e s a k i n d o f t o o l p r o g r a m f o r g e n e r a l c u s t o m s t o r e s o l v e d a t a s h a r i n g o f t h e p r o j e c t s b e t w e e n h o m e - m a d e g i s s o ft w a r e . k e y w o r d sd a t a e x c h a n g i n g ;h o m e - m a d e g i s s o ft w a r e o u t e r d a t a e x c h a n g i n g 中南大学硕士论文 数据交换在g i s 中的应用 第 1章绪论 1 . 1地理信息系统的发展 地理信息系统 ( g i s )是集计算机科学、 地理学、测绘遥感学、环境科学、 城市科学、 空间科学、 信息科学、 系统科学、管理科学等多学科一体的新兴的 边缘学科 ( 李德仁，1 9 9 3 ) 。它属高新技术范畴，具有资金密集、技术密集、 人才密集的特点。 1 . 1 . 1地理信息系统的发展简史 随着对现实世界认识的深入和周围环境的干变万化，人们对纷繁复杂的 现实世界的改造有些力不从心， 传统的管理方法已不适应， 人们在不断探索一 种新的管理世界的工具。 5 0年代，由于电子计算机科学的兴起和发展，使人们开始有可能用电子 计算机来收集、 存储和处理各种与空间和地理分布有关的图形和属性数据， 并 通过计算机对数据的分析来直接为管理和决策服务， 这样就导致了地理信息系 统的问世。 1 9 6 3 年，加拿大测量学家r .f .t o m l i n s o n 第一次提出了 地理信息系统这一 科学术语， 并建立了世界上第一个地理信息系统 ( g i s ) 一 加拿大地理信息系 统 ( c g i s ) ，主要用于自 然资源的管理和规划。随之而来，发达国家建立了许 多与地理信息系统有关的组织和机构。 七十年代是g i s 的巩固阶段。不同专题、不同规模、 不同类型的各具特色 的地理信息系统在世界各地纷纷研制，美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日 本等国对地理信息系统的研究投入了大量的人力、物力、财力。 八十年代为地理信息系统的大发展阶段。由于计算机硬件和软件技术的飞 速发展， 越来越多g i s 建立起来，并在全世界范围内全面地推向 应用阶段。 如 加拿大、日本、英国、 荷兰、瑞典等国将地理信息系统用于国土规划、支持资 源与环境管理决策，同时发展中的第三世界国家，在高技术地冲击下，也迈开 了 信息时代的步伐，开始引进、应用和发展自己的地理信息系统。 进入九十年代， g p s 技术的提出和逐渐成熟，再借助传统的遥感 ( r s ) 技 3 中 南 大 学 硕 士 论 文一 一 一一一一 竺 丝 mf g is $ l ll 里_ 术，g i s 技术这时才真正成为了国民经济、人们生活工作中不可缺少的工具。 国际上的g i s己从具备存储、分析评价、查询检索、自 动制图等一般功能，向 信息采样自 动化、多样化、多功能的综合分析评价模型，智能化的专家系统， 充分与遥感遥测技术直接连接进行信息更新，以及规范化、 标准化和信息充分 共享等方面发展。 1 . 1 . 2中国g i s 的发展状况 我国g i s 的起步虽晚，但发展较快、势头良 好。具体而言，大致可以分为 以下几个阶段: 第一个阶段是准备阶段，起始于七十年代初期，主要进行舆论准备阶段， 正式提出倡议，开始组建队伍、组织各别的实验研究。 第二个阶段是实验起步阶段。进入八十年代之后，我国在理论探索、规范 探讨、 实验技术、 软件开发、 系统建立、 人才培养和区域性、 专题性实验等方 面都积累了经验，取得了突破性的进展。 第三个阶段是初步发展阶段。 从1 9 8 5 年到1 9 9 5 年前后，国产的g i s 基础 平台开始走向成熟， 理论研究开始深入。 我国的g i s 技术在研究基地和队伍建 设、技术研究和成果应用、前沿领域开拓以及参与重大的全球性研究计划， 如 国际空间年、国际减灾十年等方面服务的进展迅速，己大大缩短了同世界先进 国家的距离，并挤身于国际先进行列。 第四 阶段是持续发展、形成行业和走向 产业化的阶段 ( 1 9 9 6年开始) 。 经 过了前面十多年的发展， 中国的g i s已在研究和应用上逐步形成行业， 开始走 向产业化的道路， 将成为国民经济建设和社会生活的一种共同需要和普遍使用 的工具，并在城市建设、 农业、能源等基础建设、环境保护、灾害防治和海洋 开发等方面发挥重大作用。 1 . 2地理信息系统的数据 信息是反映客观世界中各种事物的特征和变化的组合，是一种有用的知 识，能用来作为生产、管理、经营、分析和决策的依据。 与信息密切相关的是数据，这两者存在着一种相互转换关系。数据是一种 对客观对象的表现形式， 此时它只是信息的一种载体， 只有赋给它一定的内涵， 即从某种角度对其加以解释， 它才成为有用的信息。反之， 信息一方面需要用 数据这种形式来表示;另一方面信息具有适应性、 现实性及准确性，当以 不同 4 中南大学硕士论文 数 据交换在g i s 中的应用 的角度、 在不同的时刻， 用不同的标准来衡量和分析时，原有的信息可能不再 满足要求，在这种情况下原有的信息只是空有数据的形式而没有实际的意义。 1 . 2 . 1 地理空间 数据 地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照，描述自 然、社会和人文经 济景观的数据，这些数据可以是图形、图象、文字、表格和数字等，由系统建 立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其它系统通讯输入 g i s ， 是 g i s 所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。 地理信息系统的数据模型包括 三个互相联系的方面: u在某个已知坐标系中的位置:即用集合坐标标识地理实体的空间位置， 如经纬度、平面直角坐标、极坐标等，采用数字化仪输入时，常采用数字 化仪直角坐标或屏幕直角坐标。 2 )实体间的空间相关性:地理事物点、线、 面实体间的空间联系，用拓扑 关系 ( t o p o l o g y ) 来表示，如网 络节点与网络之间的 枢纽关系、 边界线与 面实体间的构成关系、面实体与内部点包含关系。空间拓扑关系对于地理 空间数据的编码、格式转换、存储管理、查询检索和模型分析都有重要意 义，是地理信息系统特色之一。 3 )与几何位置无关的属性:地理数据模型中，将地理事物或现象的性质 描述为属性( a t t ri b u t e ) 的数据， 它是与 地理实体相联系的 地理变量。 属性分 为定性和定量的两种，定性的包括名称、类型、特性等，它描述的属性有 气候类型、 土地利用、行政区划等;定量的包括数量和等级，它描述的属 性如面积、长度、土地等级、人口 数量、降水量、积温等。属性一般是经 过分类、命名、量测、统计得到。任何地理实体至少有一个属性，而地理 信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的。因此属 性的分类系统、量测指标对系统的建设有较大的影响。 地理信息系统特殊的空间数据模型决定了地理信息系统独有的空间数据 结构和数据编码， 也决定了它独有的空间 数据管理方法和系统空间数据分析能 力，成为地理学研究与资源环境管理的重要工具。 1 . 2 . 2 g i s中的数据类型 地理信息中的数据来源和数据类型很多，概括起来主要有以下四种数据类 5 中 南 大 学 硕 士 论 文_一一 一 一 一 一w 9 5 a 色is 里 些 塑 _ 型: i )几何图形数据:来源于各种类型的地图和实测几何数据。几何图形数据不 仅反映空间实体的地理位置，还反映实体间的空间关系。 2 )影像数据:主要来源于卫星遥感和航空遥感等。 3 )属性数据:来源于实测数据，文字报告，或地图中的各类符号说明，以及 遥感数据中通过解释得到的信息等。 4 )地形数据:来源于地形等高线图的数字化，己建立的格网状的数字化高程 模型 ( d t m) ，或其它形式表示的地形表面 ( 如t i n)等。 在智能化g i s 中还具有应用规则和知识数据。 空间数据的特征可以概括为空间特征、属性特征和时间特征。空间特征表 示地理实体或现象的空间位置和相互关系; 属性特征表示其名称、分类、 数量 等;时间特征指实体或现象随时间的变化。 实体空间位置及属性常随时间相互 独立的变化。因此，g i s 是一个动态的复杂的空间数据管理系统。 1 . 2 . 3空间数据的抽象表示 地理数据可抽象为点、线、面三类元素，以便表示它们的位置、大小、形 状、高低等。 点 ( p o i n t ) ，又称为元素 ( e l e m e n t )或像元 ( p i x e l ) 。 它以一对坐标 ( x , y ) 表示其一个独立点， 例如: 某个油 井或某个钻孔; 在小比 例尺图 或影 像中可以表示某个村落， 某一城市。对于线的起点、终点或交点， 则称为结点 ( n o d e ) ， 它同样以一对坐标表示。 线 ( l i n e ) ，是具有相同属性点的轨迹，用一个坐标序列表示。道路、河 流、 地形线、区域边界等均属于线状地物。 线上各点具有相同的公共属性并至 少存在一个属性。 线有时也称为弧段 ( a r c ) ， 特别是指两个结点之间的线段。 面 a r e a ) ， 是线包围的看见实体， 或称多边形 ( p o l y g o n ) ， 也是具有 相同属性点的轨迹并以一坐标系列表示。 点、线、面都是一个空间实体，实体是基本的地理信息单元。空间的点、 线、面可以按一定的地理意义组成区域 ( r e g i o n) ，有时称为一个覆盖 ( o v e r l a y ) ，或数据平面 ( d a t a p l a n e ) 。各种专题图在g i s 中都可以表 示为一个数据平面。 中南大学硕士论文 数据交换在g i s 中的 应用 1 . 2 . 4空间数据的拓扑关系 在g i s 中，为了真实地反映地理实体，不仅要包括实体的位置、形状、大 小和属性， 还必须反映实体之间的相互关系。 这些关系就是指它们之间的邻接 关系、关联关系和包含关系。 地图上的拓扑关系是指图形保持连续状态下变形， 但图形关系不变的性质。 地图上各种图形的形状、大小会随图形的变形而改变， 但是上述三种关系则不 会改变。 俗称拓扑关系是绘在橡皮上的图形关系， 或者说拓扑空间中不考虑距 离函数。 空间数据的拓扑关系，对数据处理和空间分析具有重要的意义，因为: 1 )拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系有更大的 稳定性，不随地图投影而变化。 2 )利用拓扑关系有利于空间要素的查询，例如某条铁路通过哪些地区，某县 与哪些县邻接。又如分析某河流能为哪些地区的居民提供水源，某湖泊周 围的土地类型及对生物栖息环境作出评价等。 3 )可以根据拓扑关系重建地理实体。例如根据弧段构建多边形，实现道路的 选取，进行最佳路径的选择等。 1 . 3地理信息系统空间数据结构 在地理信息系统中，描述地理要素和地理现象的空间数据，主要包括空间 位置、 拓扑关系和属性三方面的内容。 地理信息系统空间数据结构是指描述地 理要素和地理现象的空间数据在系统内的组织和编码形式; 它是指适合计算机 系统存储、 管理和处理地理图形的逻辑结构， 是地理实体的空间排列方式和相 互关系的抽象描述，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，计算机程序也无法处理。 对同样一种数据，按 不同的数据结构处理， 得到的是截然不同的内容。 只有充分的理解了地理信息 系统的特定的数据结构，才能正确有效地使用系统。 目 前尚无统一的数据结构能同时存储所有类型的g i s 数据，而是将它们分 别以矢量数据结构、 栅格数据结构、 二维关系表、 及其它类型的数据结构方式 存储。有些 g i s 软件包括矢量和栅格两种数据;并能实现它们之间的转换。 . . . . .口 曰曰 .曰 口. 中南大学硕士论文 数据交换在g i s 中的应用 1 . 3 . 1矢量数据结构 矢量数据结构是最常见的图形数据结构。它通过记录坐标的方式， 尽可能 地将点、 线、 面地理实体表现得精确无误。 这里x、 y 可以 对应于地面点的 经 纬度， 也可以 对应于平面直角坐标系的x 与y 坐标。 其坐标空间 假定为连续空 间， 不必象栅格数据结构那样进行量化处理。 因而矢量数据能更精确地定义位 置、长度和大小。基本实体的矢量结构如下: 点实体:只需记录特定坐标系下的坐标和属性代码; 线实体:用两个点或以系列点的坐标表示，并加上属性代码; 面实体: 用边界上一系列点的坐标表示油于多边形封闭， 首尾点坐标必须 相同。 线和多边形边界通常是由光滑曲 线间隔采样而来，如取点越多，以 后恢复 时越接近原曲线，失真越小， 但数据量也越大。 反之取点越少， 恢复时失真越 大， 甚至成为折线。 因此数字化时采样取点应适当。 这些坐标一般都以文件的 方式贮存在计算机中。 总的来说，矢量数据结构表示的数据量小而精度高，易于建立和分析图形 的拓扑关系， 且目前最为流行的数字化输入和高质量的线划地图的输出都需要 矢量数据结构。但是它在空间分析运算上比较复杂，特别是缺乏与遥感数据、 数字高程数据直接结合的能力。 1 . 3 . 2栅格数据结构 栅格数据结构或称网 格结构 ( r a s t e r或 g r i d c e l l ) ， 又称像元结构 ( p i x e l ) 。它将地表表面划分为均匀紧密相邻的网格阵列。每个网格的位置 由行列号定义。 它包含一个代码以表示该网格的属性 ( 如灰度) 或指向属性记 录的指针。 因而，栅格数据结构是一系列x ,y 坐标定位的 像元，即每 个像元用 行列确定它的位置，同时每个像元独立编码，并载有属性值。 这种数据结构很 适合计算机处理，因为行列像元阵列非常容易存储、维护和显示。 点实体在栅格数据中表示为一个像元:线实体表示为在一定方向上连接成 串的相邻像元集合;面实体有聚集在一起的相邻像元结合表示。 用栅格数据表 示的地表是不连续的， 是量化和近似离散的数据， 这就意味着地表一定面积内 ( 像元地面分辨率范围内) 地理数据的近似性。 例如在栅格结构中表示的地表 面， 地表被分成相互邻接、规则排列的矩形方块，每个地块与一个栅格单元相 中 南 大 学 硕 士 论 文-一 一 望 塑 3 蟹 g is 丝 些 里_ 对应。 栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。 在栅格数据 处理时，一般认为，表示的量化表面是连续的，以便能使用某些函数计算。 在 计算面积、长度、距离等空间指标时，如果栅格较大，会造成较大的误差。因 为在一个栅格的地表范围内， 可能多于一种地物， 而表示在栅格单元中只能由 一个代码。 g i s中空间实体的类型很多，不论是在栅格数据结构，还是在矢量数据结 构中，都有如何组织这些不同类型实体的问题。 通常的办法是将不同类型的地 理实体分层编排， 每层只有单一的类型。 例如点状实体、 线状实体和面状实体 分别处于不同的层上。同样类型的实体又可按不同的专题内容分层。 例如同样 是线状要素， 可将道路作为一个层， 水系又作为另一个层。 这样， 在一个层中 可以只有一种变量反映其不同的属性， 也就是说一个栅格单元只有一个属性代 码。当然， 也可以将多个变量贮存在同一栅格单元中， 其文件格式也将有所不 同，但这样会给栅格的编码增加困难。 与矢量数据结构比较而言，栅格数据在空间运算方面要简单得多，还能够 与遥感数据和数字高程数据直接结合。 但它的数据量相对较大， 精度相对较低， 且难于建立空间实体的拓扑关系，不利于目 标检索等。 1 . 3 . 3栅格一矢量一体化数据结构 目 前，通用的g i s 主要有矢量、栅格或两者的混合系统。针对现在的数据 存取状况，取舍其利与弊，提出了矢量栅格数据一体化的概念: “ 无论是点状 地物、 线状地物还是面状地物， 均采用面向目 标的描述方法，即直接跟随位置 描述信息并进行拓扑关系说明，因而它可以完全保持矢量的特性，而元子空间 充填表达了位置与地物的联系，使之具有栅格的性质。 ”( 龚健雅，1 9 9 3 ) 对于面状空间目 标， 在基于矢量结构的g i s 中， 主要使用边界表达的方法; 而在基于栅格结构g i s 中， 一般用元子空间充填表达的方法。 后者更符合于计 算机数据表达的特点。 对线状目标，人们习惯使用矢量方法表示。 如果将矢量 方法表示的线状目 标也用元子空间充填表达的 话， 就能够将矢量和栅格的概念 统一起来， 进而发展成矢量栅格一体化的数据结构。 假设在一个线性目 标数字 化采样时， 恰好在所经过的栅格内都获得了 取样点， 这样的位置就具有矢量和 栅格双重性质。 一方面它保留了矢量数据的全部特性，目 标具有明显的位置信 息，并能建立拓扑关系;另一方面又建立了 栅格与地物的关系，即路径上的任 一点都与目标直接建立联系。 因此，可采用充填线性目 标路径和充填面状目标空间的表达方法作为一体 9 中 南 大 学 硕 士 论 文-一 - 一一一一 止 些x 丝 g is $ h5 座 里_ 化数据结构的基础。 每个线性目 标除记录原始取样点外， 还记录所通过的栅格; 每个面状地物除记录它的多边形周边外， 还包括中间的面域栅格。因而它既保 持了矢量的特性，又保持了栅格的性质。 这是栅格一矢量一体化数据结构的基 本概念。从本质上说，这是一种以栅格为基础的数据结构。 1 . 4我国g i s 软件发展现状及其数据问题 一个运行的地理信息系统，由计算机硬件、软件、数据和用户组成。软件 在信息系统中起核心作用。 它不仅决定系统的功能、 效率， 而且还影响着人们 对 g i s 的理解和推广应用， 当前信息社会的一个重要特点是软件不断将人们带 入新的领域和新的技术高度。随着计算机硬件的高速发展， 并且已达到相当高 的水平，影响信息社会发展的主要因素，将归结为软件。此外，g i s 软件涉及 地理数据的采集、编辑、存储、管理、分析、显示、制图等各个方面。它不仅 具有图像处理和制图功能， 而且还要有数据库管理和图像处理功能。 它比通常 的数据库管理相同要复杂和昂贵得多。 另一方面， 用该种软件建立起来的地理 信息系统， 难以为其它软件使用， 数据转换也相当困难， 因而人们只好长期使 用基于这一种软件的信息系统， 随着它的发展而发展。 实际上在某种程度上说 g i s 软件支配者地理信息产业的进步和发展。 由此可见g i s 软件对地理信息产 业具有重要意义。 1 . 4 . 1我国发展 g i s 软件的必要性 1 ) g i s 软件产业是高新技术产业的一个新增长点 据统计，1 9 9 0 年地理信息系统己经发展成为年产值达到1 5 亿美元的一个 新兴产业，1 9 9 4 年地理信息系统及其相关产品的世界销售额达到3 1 亿美圆。 从国内市场分析，我国自8 0 年代以来购进各种外国g i s 软件每年从几十套逐 年上升到9 4 年的几百套， 这些费用将随着我国信息高速公路的建成迅速增加。 仅从土地信息系统而言，全国有2 1 6 4 个县，每个县建一个联系其所属乡、镇、 区土地部门的信息网， 则全国就要装5 万套g i s 软件，即使用微机系统，也要 有 1 0 亿人民币的产值。 以参加中国g i s 协会的1 9 个部委看， 在我国走上信息 社会后，各行各业每年对g i s的市场需求达到几十亿乃至上百亿元是可能的。 这是一个相当大而又有不断需求的市场， 全部依靠进口几乎是不可能的。 我们 必须涉足这一领域，一个阵地一个阵地地占领。 中 南 大 学 硕 士 论 文- 一 一 一 一 进 鱼 丝 竺 g is i 塑 望 _ 2 ) g i s 软 件关系 到信息主 权与 安 全 软件是信息系统的核心，如果一个国家的地理信息系统建立在国外的 g i s 软件基础之上， 意味着将信息的主权交给了对方， 它采用什么样的格式和运行 机制你就必须跟着变化。 这样整个国家在g i s 方面都将受制于人， 信息的安全 更无从保障。 特别是发生战争或处于敌对状态， 这种情况将使国家处于非常危险的状态。 一是可能得不到新得技术支持而使系统瘫痪。 第二， 地理信息系统和遥感是未 来战争得一种工具， 电子信息战将在相当大的程度上反映地理信息系统和遥感 的水平，这么重要的工具应该掌握在自己的手中，否则将不战而败。 3 ) 数据共享的必然要求 各部门各行业争相进口五花八门的国外软件，各种软件的格式互不兼容， 致使数据重复采集，重复建库严重， 造成了极大的混乱。 我们应尽可能的在技 术上实现国产g i s 软件之间的数据交换，使用户可以享受到数据共享的优点， 增加对国产g i s 软件的依赖度。 第二方面， 实现国产g i s 软件之间的数据共享 可使我国的g i s 软件作为一个整体形象参与市场竞争。 第三方面， 在发布国家 空间数据转换标准 ( v c t ) 后，我们的当务之急是强制各个行业执行， 将不同 的软件采集的数据转换为国家统一的数据标准， 在技术和标准上迫使国内用户 采用国产软件， 这样既能解决数据共享问题，又能掌握信息的主权与安全， 这 也是当前许多国家对国产软件产业采取的保护手段之一口 1 . 4 . 2国产g i s 软拌发展水平 根据1 9 9 9 年国产g i s 软件测评结果，国产g i s 软件水平在过去一年里有 了很大的提高。国产优秀的p gg i s基础软件在功能和性能方面已经全面接近 国外同类优秀软件，在某些方面明显高于后者。 例如: 在大数据量缓冲计算方 面， m a p g i s 比国 外同类软件快1 4 倍;在处理数字高 程模型方面， g e n s t a r 在 实用性方面明显优于国外软件;在网络分析、地图出版等方面亦有优势。 在专 有软件和应用软件方面， e f g i s 在电力配线应用的技术上比国外软件有明显的 优势; g e o t i n 方正 智绘和m a p c a d基本上占 领了 国内 地图 轻印 刷 市场， 开 始向 大 型出 版市场进军; 在电信、 城市建设与管理等领域， 市场格局也发生了有利于国 产 软件的变化。我国g i s 软件产业迎来了一个新的阶段。 中 南 大 学 硕 士 论 文一 一 一 一 一 竺 鳌 塑 鱼 g is 二 塑 丝_ 通过测评，涌现出一批技术先进、 运行可靠、有相当 市场份额的国产优秀 软件。测评专家委员会经认真、反复的讨论，认为: m a p g i s大多数模块比较成熟、实用性强， 在大 数据量管理和空间分析、 网络分析和综合应用等方面表现优秀。缓冲区分析、 全库查询性能优于国外同 类软件，己经占有相当的国内市场，在基础软件测评名列第一。 g e o s t a :软件功能齐全，可以在g i s 应用工程中使用，在数字高程模型处 理方面表现优秀，可用性优于国外软件。在基础软件测评中名列第二。 m a p e n g i n e 实现了 全组件化， 有利于二次开发， 有自 己 的 特色， 综合应用 表现良好。 a m/ f m应用开发平台g r o w实现了多级服务器、 多用户协同工作，已经用 于电力、消防、燃气、交通等领域，在本次测评中表现突出。 1 . 4 . 3我国g i s 软件面临的数据问题 数据是g i s 应用系统的血液， g i s 应用本身体现为对地理数据的处理: 数 据采集、 编辑、 存储、 管理、 分析、 显示与制图。 因而组建一个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g i s 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1 : 2 : 1 0 。国内硬 件+ 软件与应用开发的投资比例为 1 : 2 - - 2 . 5 0 各个g i s 软件厂商根据自己对g i s 的理解、 某些用户的需要和自己的技术 水平， 为图形数据设计了一套数据结构和数据模型， 这种数据结构和数据模型 对某一个系统来说是固定不变的， 但对整个g i s 世界而言却是杂乱无章的。目 前大约有几百套g i s 软件， 这些软件的图形数据文件大多不能兼容和共享， 这 与用户希望不同的系统之间能够进行数据共享是矛盾的。 因此， 随着g i s 的广 泛应用，数据交换问题变得突出起来。 我国的g i s 软件在实际应用中，一方面，尽管各部门在开发地理信息系统 过程中都十分注意技术和标准的问题，但是由于技术、发展阶段和其他原因， 我国现有的地理信息系统还很难满足全国范围内的信息共享需求。另一方面， 尽管我国己推出国家地球空间数据交换格式 ( v c t ) ，其可适用于多种矢量数 据、影像数据和格网 g i s数据以及数字高程模型 ( d e m)等得数据交换，为 图形数据的标准化提供了基准， 但如何有效地利用现己 存在的海量且纷繁多样 的g i s 空间数据看来一时还无法解决。 并且国产g i s 软件之间能格式转换的少， 不能转换的多。 这在一定程度上造成了数据输入的大量重复劳动，也防碍着空 间数据在不同机构、 部门和软件间的共享， 降低了用户对国产g i s 软件的依赖 1 2 中南大学硕士论文 度，阻碍了国产 g i s 软件的迅速发展。 数据交换在g i s 中的应用 1 . 5当代g i s 软件主要趋势 g i s几十年来发展的最大特点是与计算机技术的发展结合得越来越密切， 因而导致了在数据模型、 数据的管理方式和软件结构、 软件的运行与开发平台、 数据集成与应用等方向发生了巨大变化。 当代地理信息系统软件呈以下几个方 面的发展趋势: 1 ) w in d o w s n t平台己 经成为g i s 的主要平台 随着p c机硬件的发展， 速度越来越快， 价格越来越低廉， 以及wi n d o w s n t 的稳定及性能和功能的扩展， 使wi n d o w s n t成为g i s 的主要平台。 一大批原 来支持u n i x 的计算机厂家继而转向 支持w i n d o w s n t ， 如i n t e r g r a p h公司、 d e c 公司、h p公司和 s g i公司等。目 前虽然还有一些 g i s 系统采用基于u n i x 的 服务器， 但是在客户端， 绝大多数用户都愿意使用基于wi n d o w s n t的g i s 软 件。 2 ) 面向 对象技术 九十年代是面向对象技术普及的年代，面向对象语言己 成为各种软件开发 的主要工具。因为基于c o v e r a g e 的数据模型已“ 先入为主， 深入人心” ，面向 对象数据模型的优点要在人们的应用过程中才能被接受和领会。目前， 虽然有 些 g i s系统采用纯面向对象空间数据库管理系统，但为数不多。多数的 g i s 软件转为采用扩展的关系数据库管理系统。 这里有两条发展道路，一条是g i s 软件商在纯关系数据库管理系统基础之上自 行扩展， 使之能够将g i s 中的图形 数据和属性数据均交由r d b ms 管理。 另一种发展趋势是原来关系数据库软件 公司在原有r d b ms 基础上扩展空间数据库管理的功能。 g i s软件开发商不需 要扩展即可将 g i s中的图形数据和属性数据都交由 扩展的关系数据库管理系 统管理。然而需要说明的是，在空间数据管理的效率方面，目前仍不够理想。 面向对象空间数据管理另一种理想模式是对象映射管理技术，将空间对象 直接映射到虚拟内 存文件， 这种方式数据管理的效率很高， 适当增加数据库管 理的功能，可以发展成为面向对象空间数据管理的引擎。 3 ) 部件对象模型 ( c o m)技术 部件对象模型技术可以被认为是九十年代计算机软件技术的一次革命。在 p ol it 题 f il 3 一一一一一t m x a a g is p 鲤f一 此之前，由于软件缺乏必要的接口 标准， 人们很难将不同公司、 不同语言、 不 同软件的模块集成在一起，软件的重用性很差，因而造成了软件危机。 部件对象模型技术或者称控件技术就是在这样的背景下发展起来的。部件 对象模型支持二进制接口， 可以使不同厂家、 不同语言开发的控件组装成应用 软件协同工作。 虽然目前大部分商品化g i s 软件都支持部件对象模型， 但不同 g i s 软件商提供的控件还是很难集成在一起协同工作。 其主要原因是数据结构 和数据模型方面有较大差异。 一些主要g i s 软件商正 在制定的 o g i s 标准， 就 是采用部件对象技术， 使用户今后能将不同的g i s 软件商提供的部件协同工作 起来。 4 )因特网g i s 迅猛发展的因特网已将各学校、 政府机关、 工矿企业和家庭广泛连接起来， 基于因特网的g i s 无疑成了个g i s 软件商开发的重中之重。 一般来说， 原来基 于局域网或单机版的g i s 软件不能在因特网或者说不能在万维网上运行， 所以 需要开发新的软件模块。 有多种方 法开发因特网的g i s 软件。 一种是基于c g i 的模式， 对原有的软件函数， 增加c g i 接口， 用户在客户端， 发出 指令， 启动 服务器运行， 获得结果和当前的图象 ( 图形生成的g i f ) 文件， 传递到客户端。 这种方法能够让客户端的功能比较简单， 基本上每步操作都要涉及服务器， 当 放大、 缩小、漫游图形时，都要实时从服务器到客户机传输图象，因而服务器 和网上的负荷太大， 运行效率不高。 另一种p r o s e r v e r 方式是基于插件的模式。 用a c t i v e x开发一个插件，用户使用时，先下载一个插件，然后到服务器中调 用矢量数据， 到客户端进行显示、 放大、 缩小、 漫游、 查询。由于它是一次性 地调用矢量数据， 尔后仅在客户端操作， 所以效率要比c g i 的模式要高。 但是 它需要用户预先下载一个插件，限制了 用户的使用。 第三种模式是使用l a v a 语言 开发 应用系统， 由 于j a v a 语言开 发的 软 件可以 跨平台 运行， 并 可以 直接运 行在w e b的浏览器上，所以可以开发基于矢量的g i s软件，效率与第二种模 式相同， 但它不需要用户预先下载插件。 用这种模式开发的w e b g i s ， 只要有 浏览器，任何用户都可以启动和运行。 5 )矢量、影像和d e m数据库集成化管理 矢量、 栅格的集成一直是近十年来g i s 发展的一个重要方向。 现在， 对于 单幅图或单个工作区来说，它们之间可以集成或进行综合分析应用。 然而这种 集成还不够，还必须是矢量、影像和d e m数据库的集成，分别建立多比例尺 的矢量数据库、 影像数据库和d e m数据库， 需要时， 相互之间建立一致连接， 中南大学硕士论文 做到一个库的集成 会越来越大。 数据交换在 g i s中的应用 。由于数字摄影测量技术、 遥感技术的普及应用， 这种需求 6 )多维地理信息系统 目前的地理信息系统一般仅能表示2 维或 2 .5 维地理信息。而且难以处理 时态信息。 人们多年来一直致力与研究真三维、时态维和四维的空间信息的处 理与表达， 但是实用化的商品系统井不多见。这一问题解决之前，理论研究将 继续进行。 1 . 6本文主要研究内容 数据是g i s 应用的入口， 数据获取是系统建立的第一步。当前， 市场上的 g i s 软件都与许多其它的g i s 软件有接口， 但主要是给国外的流行软件提供接 口 ， 如: m a p i n f o . a r c / i n f o 。 就国 内g i s 软 件而 言 ， 也 是以 面向占 市 场主 导 地位的国外g i s 软件为主， 仅为少量的国产g i s 软件提供了接口。 从长远来看， 这种现状是不利于国产g i s 软件的健康发展及提高国产软件的市场占 有率。 针 对这一实际情况， 本文以数据交换在益阳市地理信息系统的应用为实例， 总结 阐述了相关的研究工作。 本文首先对数据交换的原理和方法进行了深入研究， 认真分析了国产软件 e p s c a n 屏幕矢量化软件的.c o r 文件及.n o t 文件、通用图形处理软件 a u t o c a d的.d x f文件、瑞得数字测图系统 ( r d ms )的.t x f文件及.t x p文 件的 数据格式特点; 然后采用v b 6 . 0 基本实现c o r文件及n o t文件到.d x f 文件、.d x f 文件到.t x f 文件及t x p 文件的批量数据交换。其意义如下: 其一， e p s c a n软件能够实现单幅图形d wg格式输出，还未提供面向 d x f格式的数据输出接口。对于一个需处理大量数据的工程而言，二进制的 d wg文件格式难读且占用的磁盘空间太大， d x f 格式则即容易读又容易编辑， 同时批量的图形输出能给实际应用带来更大的方便、节省更多的时间空间。 其二，当前有部分g i s 软件仅接受.d x f 格式的数据， 如: g e o s c a n ， 因而 将.c o r文件及_n o t文件转换为d x f 文件可为日 后的数据共享提供更大的空 间。 其三，目前， r d ms 还不能接受d x f 文件的数据输入，如能实现两者间 的数据交换，将更有利于实际应用中的数据共享。 中南大学硕士论文 数据交换在g i s 中的应用 第 2 章数据交换的原理和方法 2 . 1数据交换原理 随着 g i s技术飞速发展，g i s已深入到社会的各个部门。由于各部门的 工作侧重点不同，因此在 g i s软件的选择上各有不同，这就造成社会上多种 g i s 软件和多种g i s 数据格式并存的现象。 社会的发展也使各部门的联系越来 越密切， 对空间数据共享的要求也越来越迫切。同时， 数据问题是地理信息系 统的颈瓶问题，一般来说，数据获取费用占整个系统开发的 5 0 % - 7 0 %。降低 数据方面费用的方法是实现不同g i s 间的数据交换。 数据共享的另一个原因是 因为在完成某一g i s 应用时需要同时用到多个g i s中的数据信息。 虽然国家颁 布了国家标准空间数据交换格式，但距离该标准的普及应用还有长期一段时 间， 并且现存的海量g i s 数据尚 无统一的标准格式; 为此许多地理信息系统软 件都有一个数据转换接口，可以读写其它软件的数据。 数据交换有两种可能情况。 其一是各用户使用完全不同的g i s 软件， 其二 是不同用户使用相同的g i s 软件， 但各用户分别根据自己的要求对系统进行用 户化 ( c u s t o m e r i z a t io n ) 。 在第一种情况下由于不同g i s 软件在基础模型设计和 数据交换格式上的差异， g i s间的数据交换往往不是可以完美地实现的。 例如， 益阳市地理信息系统的地形数据，主要来自于用 e p s c a n屏幕矢量化软件将 己有的 l : 5 0 0地形图矢量化后得到的数据，该数据的文本格式是* .c o r . * .n o t。而有关的地籍数据则是以e p s c a n矢量地图为底图， 通过r d ms 数 字测图系统采集得到， 其数据文本格式为* t x p , * j x f。 因而， 需将e p s c a n 转换为 r d m s可接收的 数据， 在这个过程中往往出现信息损失和逻辑的不一 致。 第二种情况表面上看不应存在数据交换上的问题。 但事实上由于用户在数 据字典设计上的差异， 即相同的 地物可能在g i s 中使用不同的定义， 因而可造 成交换时的出错。 为了 对数据交换有比 较深入的理解， 我们首先讨论g i s 的空间对象。 2 . 1 . 1空间对象及其定义 与地理空间位置或特征相关联的对象称为空间对象。这里所定义的空间对 1 6 中 南 大 学 硕 士 论 文一 一一 一 一 塑3m 些 is 望 鲤 鱼_ 象是各种空间地物的抽象表达，如:点、线、面、复杂地物。为了便于空间数 据的组织和表达，除此之外，空间对象还包括结点、弧段等几何元素。 空间对象有如下几种类型: 1 ) 纯几何类型 例如一个独立点，一条等高线，只有几何位置，没有对象之间的关 联关系。 2 ) 几何拓扑关系 既有几何位置，又有拓扑关系，如结点、公共弧段。 3 ) 纯拓扑类型 仅有拓扑关联关系，通常用于定义