（计算机应用技术专业论文）基于旅游地质资源的空间数据库建模分析.pdf

原创性声明 本人郑重声明：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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：兰1 了即7 冷 日 期：酶7 月? 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 导师签名：扇蛰垃论文作者签名：兰墼 日期：堕生2 目主旦 摘要 本文首先提出空间数据库研究的目的和意义，它着眼于多方面的空间应用， 诸如分子制药、气象预测和旅游线路规划，便于进一步的空问数据挖掘和统计决 策。在结合国内外研究的现状和内容之上，着重对空间数据库的建模分析，其视 角兼顾对象与场模型、栅格与矢量数据结构的优点。 然后利用空间象形语义对实体一关系模型进行扩展，以表达空间实体对象及 联系，并结合对象技术中的抽象数据类型，扩展s q l 的用户自定义数据类型以处 理空间结构。 本文的空间数据库详细建模分析是建立在空间关系代数之上的，它对需要的 空间操作函数进行形式化定义，使其精确反映空间对象间关系。文章兼顾国际规 范化标准，定义空间几何体的数据结构、几何体的拓扑结构和多种几何体的聚合 结构，在此基础之上建立空间几何对象的存储层次。同时，利用空间索引结构分 析设计空间选择、连接算法，在空间连接的过滤阶段提出平面扫描法，在精炼阶 段提出两种启发式策略。 其次，论文把上述建模分析方法应用到旅游地质资源实践中，对应用领域进 行抽象，提取空间几何要素，形成概念模型。运用r a t i o n a lr o s e 中的运用正向 工程工具一模式生成器把旅游地质景观概念模型转化为o r a c l e 8 的逻辑模型。 在文章的最后，简要地介绍了空间数据挖掘技术，其中学术前沿之一的空间 时空孤立点分析可用于交通流量预警中。随着3 s 技术的广泛应用，建立在空间数 据库之上的开放位置服务将会深入到社会的方方面面。 关键词：空间数据库，数据建模分析，旅游地质资源 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dp u r p o s ea n dm e a n i n g so ft h es p a c i a l d a t a b a s er e s e a r c hf i r s t ，w h i c hf i xa t t e n t i o no nv a r i o u ss p a c i a l a p p l i c a t i o n s ，s u c ha st h em e d i c i n e ，w e a t h e r ，t o u rp l a n n i n g a tc o m b i n e p r e s e n tc o n t e n t s e so fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c ho n ，e m p h a s i z e t om o d e l i n gt h es p a c i a ld a t a b a s ea n da n a l y s i s ，i t sa n g l eo fv i e wl o o k s a f t e rb o t hs i d e st h ea d v a n t a g eo ft h eo b j e c ta n dt h ef i e l d ，t h eg r i ds p a c e a n dt h ev e c t o rd a t as t r u c t u r e t h e nm a k eu s eo ft h es p a c er e s e m b l et h es h a p el a n g u a g er i g h t e o u s n e s s t ot h ee n t i t y r e l a t et ot h em o d e lt oc a r r yo ne x p a n d ，w i t ht h ee x p r e s s i o n s p a c i a le n t i t yo b j e c ta n dc o n t a c t ，a n dc o m b i n et h ea b s t r a c td a t at y p e w i t h i nt h eo b j e c tt e c h n i q u e ，e x p a n d i n gt h es q lc u s t o m e rf r o mt h e d e f i n i t i o nd a t at y p ew i t hh a n d l et h es p a c es t r u c t u r e t h en e x ti no r d e r t h e s i sa b o v e m e n t i o n e ds e tu pt h em e d e la n a l y s i s m e t h o dt oa p p l yt ot h et o u rg e o l o g yr e s o u r c e st op r a c t i c em e d i u m ，t oa p p l y t h er e a l mt oc a r r yo na b s t r a c t ，w i t h d r a wt h es p a c es e v e r a lm a i nf a c t o r ， b e c o m et h ec o n c e p tm o d e l m a k eu s eo ft h er a t i o n a l r o s ei so fu s a g ei s c h a s i n gt o w a r db o r nm a c h i n eo ft h ee n g i n e e r i n gt o o l m o d et h el o g i cm o d e l t h a tt h et o u rg e o l o g yv i e wc o n c e p tm o d e lc o n v e r s i o ni sa no r a c l e 8 e n di na r t i c l e ，t h es y n o p s i sg r o u n di n t r o d u c e dt h es p a c ed a t a e x c a v a t i o n t e c h n i q u e ，a m o n gt h e ma c a d e m i cf o l l o w b e f o r ei ta no ft h es p a c et i m e s p a c e s t a n da l o n eo r d e r e dt h ea n a l y s i sa n dc a nu s e df o rt h et r a n s p o r t a t i o n d i s c h a r g et h ee a r l yw a r n i n gi sm e d i u m a l o n gw i t ht h e3 s st e c h n i c a la n d e x t e n s i v ea p p l i e d e s t a b l i s h m e n ta tt h es p a c ed a t a b a s eo n0 fo p e nt h e p o s i t i o ns e r v i c ea n dw i l lg od e e pi n t os q u a r e a s p e c tn o o d l e so ft h e s o c i e t y k e y w o r d ：s p a c i a ld a t a b a s e ，d a t am o d e l i n ga n da n a l y s i s ，t o u rg e o l o g y r e s o u r c e s 4 图i i 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 表2 1 表2 2 图2 6 图3 。1 表3 1 图3 2 图3 3 表3 2 图3 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 l 图4 2 2 图4 2 3 图表索引 o p e ng i s 抽象规范各个主题之间的依赖关系1 4 二维空间几何数据关系框架1 8 基本空间几何类型19 用三角形、方格和六角形划分空间2 0 基于栅格的空间模型2 0 基于矢量的空间模型一2 1 欧氏平面上实体对象所具有的拓扑和非拓扑关系2 2 九交空间关系模型2 2 空间点、线、面之间关系( 部分) 2 3 空间数据库建模步骤间联系2 6 关系模式中表示多边形数据类型所需的4 个带重叠属性的表2 7 用多边形对象建模地块的边界2 7 关系模型与对象模型的比较2 8 o g i s 标准定义的空间操作 6 3 2 面向对象分析建模过程的框架3 5 空间对象的抽象3 8 零维、一维、二维和三维一s i m p l e x 3 9 一个应用中的领域3 9 领域形式化定义的图释。3 9 构造几何体的最小闭包边界以避免计算新的交叉点4 0 几何多边形( p g o n ) 和几何面域( a r e a ) 4 1 空间关系运算的图释4 2 空间复杂对象结构4 2 几何面域之间的关系4 3 拓扑边关系的几何意义一4 8 基本数据类型，5 1 几何对象5 2 聚合几何体包5 3 单纯几何体包5 3 零维单纯几何体一点( g mp o i n t ) 5 4 维单纯几何体包5 5 二维单纯几何体包5 6 复杂几何体包5 7 几何对象与拓扑对象关系一5 8 拓扑关系类继承层次5 8 s d t 在内存中的表示5 9 平面扫描线5 9 空间对象的近似表示和空间有序性6 0 图4 2 4 图4 2 5 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图6 1 并行扫描z 元素集6 1 两种精炼启发式策略6 3 地质旅游资源评价的用例需求6 5 三层体系结构6 6 现实世界的抽象6 6 河流一湖泊景观视觉线条的抽象( i ) 6 7 河流一湖泊景观视觉线条的抽象( i i ) 6 7 r a t i o n a lr o s e 的模式生成器6 8 平均交通流量数据中的空间孤立点7 1 英文首字母缩写词索引 对于来自国外文献的专有名词和术语，在文中的括号内记录其英文名，下面 给出文中英文首字母缩写词索引： 9 一i m9 一交空间关系模型( 9 - i n t e r s e c t i o nm o d e l )2 1 a d t 抽象数据类型( a b s t r a c td a t at y p e ) 3 1 b l o b 二进制大对象( b i n a r yl a r g eo b j e c t ) 3 0 b n f 巴克斯一瑙鲁范式( b a c h u s n a u rf o r m ) 2 9 c a d 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 1 6 c a s e 计算机辅助软件工程( c o m p u t e ra i d e ds o f t w a r ee n g i n e e r i n g ) 2 3 d e 一9 1 m 维度扩展的九交模型( d i m e n s i o ne x t e n d e d9 1 m ) 2 2 e e r 扩展e r 数据模型( e x t e n d e d e rd a t am o d e l ) 2 9 e r m 实体一关系模型( e n t i t yr e l a t i o n s h i pm o d e l ，e r m ) 2 4 g e o r a 地理空间关系代数( g e o r a ) 3 9 g i 地理信息基础设旌( g e o i n f o r m a t i o ni n f r 8 s t r u c t u r e ) 1 3 g i s 地理信息系统( 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 0 g p s 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 6 9 m b r 最小外接矩形( m i n i m u mb o u n d i n gr e c t a n g l e ) 6 1 o g i s开放的地理数据互操作规范( o p e ng e o - d a t ai n t e r o p e r a t i o n s p e c i f i c a t i o n ) 1 2 o p e n l s 开放位置服务( o p e nl o c a t i o ns e r v i c e ) 6 9 o r d b m s 对象一关系数据库系统( o b j e c tr e l a t i o n a ld a t a b a s em a n a g e m e n t s y s t e m ) 3 2 p d a 个人数字助理( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) 6 9 r a 关系代数( r e l a ti e n a la l g e b r a ) 2 4 r o s e 健全的空间扩展代数( r o b u s ts p a t i a le x t e n s i o n ) 4 l r s d d 均匀空间离散域( r e g u l a r l ys p a t i a ld i s c r e t ed o m a i n s ) 3 8 s d b 空间数据库( s p a t i a ld a t a b a s e ) 1 0 s d b m s 空间数据库管理系统( s p a t i a ld a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ) 1 0 s d m 空间数据挖掘( s p a t i a ld a t am i n i n g ) 1 0 s d t 空间抽象数据类型( s p a t i a la b s t r a c t d a t at y p e ) 1 5 s q l 结构化查询语言( s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e ) 3 0 s t l 标准模板库( s t a n d a r dt e m p l a t e l i b r a r y ) 5 1 u t m 统一横轴墨卡托( u n i v e r s a lt r a v e r s a lm e r c a t o r ) 3 l v l s i 超大规模集成电路( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 1 6 w k s 熟知的数据结构( w e l lk n o w ns tructure)43 第一章问题的提出 1 1空间数据库研究的目的和意义 空间数据库( s p a t i a ld a t a b a s e ，s d b ) 是与地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 相继产生发展的，传统g i s 经历巨大转变，已由最 初作为一种用分层方式表示地理信息的软件系统，发展到关注地图代数和空间操 作的地理信息科学阶段。随着个人计算的异军突起，g i s 的焦点又转移到在p ：c 机上提供地理与空间服务上。 1 1 1s d b 解决单一g i s 遗留的问题 在g i s 应用的深入发展过程中，如何有效合理地存储空间信息始终是一个重 要的问题，也就是用何种方式在计算机系统中将现实世界中复杂的空间实体抽 象、存储和管理，即如何定义一个空间数据库模型。以前比较成熟的方法是用关 系数据库和文件系统结合完成空间数据的存储，这种机制在面向对象技术日益成 熟以及g i s 应用日益复杂的趋势下，暴露出描述语义不足、实现复杂以及不利于 空间数据共享等问题。另外单一的g i s 系统面临诸多问题，如g i s 数据的分布式 共享、海量空间数据的动态管理、三维g i s 的空间建模和空间分析算法和矢量一 栅格模型转换等。应用的深化对g i s 相关技术提出了新的要求，其中最基本的要 求是解决空间数据模型的完备性和适应性问题。对现有空间数据模型认识和理解 的正确与否，在很大程度上决定了空间数据库设计的成败，对空间数据模型的深 入研究也直接影响着新一代g i s 系统的发展。g i s 可以对某些对象和图层进行多 种操作，但是在回答集合查询时反应迟缓，文献空间数据库 1 把g i s 、s d b 与s d b m s 结合起来，三者之间表现出三层体系结构。空间数据库管理系统 ( s p a t i a ld a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，s d b m s ) 可以对更多的对象集和图层 集进行更为简单的操作，在对空间数据进行分析之前，先通过s d b m s 访问这些数 据，从而提高g i s 效率。 1 1 2s d b 着眼子多方面空间应用 空间数据库不只局限于g i s 应用，s d b m s 着眼于高效处理与空间相关的数据， 这些数据来自物理世界的方方面面，例如地理学、天文学、分子制药学、人体解 第一章问题的提出 1 1空间数据痒研究的目的和意义 空间数据库( s p a t i a ld a t a b a s e ，s d b ) 是与地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 相继产生发展的，传统g i s 经历巨大转变，已由最 初作为一种用分层方式表示地理信息的软件系统，发展到关注地图代数和空间操 作的地理信息科学阶段。随着个人计算的异军突起，g i s 的焦点又转移到在p ：c 机上提供地理与空间服务上。 1 1 1 s d b 鳃决单一g i s 遗留的问题 在g i s 应用的深入发展过程中如何有效合理地存储空间信息始终是一个重 要的问题，也就是用何种方式在计算机系统中将现实世界中复杂的空间实体抽 象、存储和管理，即如何定义一个空间数据库模型。以前比较成熟的方法是用关 系数据库和文件系统结合完成空间数据的存储，这种机制在面向对象技术日益成 熟以及o i s 应用日益复杂的趋势下，暴嚣出描述语义不足、实现复杂以及不利于 空问数据共享等问题。另外单一的g i s 系统面临诸多问题，如g i s 数据的分布式 共享、海量空间数据的动态管理、三维g i s 的空间建模和空间分析算法和矢量一 栅格模型转换等。应用的深化对g i s 相关技术提出了新的要求，其中最基本的要 求是解决窄问数据模型的完备性和适应性问题。对现有空间数据模型认识和理解 的正确与否，在很大程度e 决定了空间数据库设计的成败，对空间数据模型的深 入研究也直接影响着新一代g i s 系统的发展。g i s 可以对某些对象和图层进行多 种操作，但是在回答集合蠢询时反应迟缓，文献空间数据库 i 把g i s 、s d b 与s d b m s 结合起来，三者之间表现出三层体系结构。空间数据库管理系统 ( s p a t i a ld a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m , 8 d b m s ) 可以对更多的对象集和图层 集进行更为简单的操作。在对空间数据进行分析之前，先通过s d b m s 访问这些数 据，从而提高g i s 效率。 1 1 2 $ d b 着眼子多方面空间应用 空间数据库不只局限于g i s 应用，s d b m s 着眼于离效处理与空间相关的数据， 这些数据来自物理世界的方方面面，例如地理学、天文学、分子制药学、人体解 这些数据来自物理世界的方方面面，例如地理学、天文学、分子制药学、人体解 剖学、城市规划、电磁场模拟、超大规模集成电路设计和多维决策支持系统。许 多行业的专业人员都有可能遇到空间数据的管理和分析问题： 一分子生物学家基因组中氨基酸合成基因的拓扑结构能否从数据库其他序列图 中找到? 一诊治医师根据患者的核磁共振图像，能否从数据库中找到类似病症? 一鸟类学家记录栖息地的相关数据，预测种群在此地的空间分布。 一气象学家怎样才能测试和检验新研究出的全球变暖模型? 一商业旅行社 规划某一地区的旅游精品路线。 而这些应用离不开空间数据库模型的建立和空间数据挖掘( s p a t i a ld a t am i n i n g s d m ) 。 1 1 3s d b 便于进一步的空间统计决策 数据挖掘是发现隐藏在大型数据库中有意义的、潜在有用的信息模式的过 程。“挖掘”这一比喻意在传达：模式是隐藏在大型数据库中，等待人们去发现 的珍贵信息宝藏。空间数据挖掘是从空间数据库中提取模式的技术，这些大型数 据库要有一个功能强大的空间组件。例如，系统地绘制整个地球表面地图的地球 观测卫星，每天收集大约1 t b 的数据。其他大型空间数据库还包括中国人口普查 数据库、气象数据库和气候数据库等。空间数据库的挖掘要求不同于经典的关系 数据库的挖掘需求，地理学第一法则清楚地概括空间数据挖掘的独特性质：空间 自相关性( s p a t i a la u t o c o r r e l a t i o n ) ，所有事物相互间都有关系，而距离进的 事物之间的相互关系比距离远的事物更紧密，即相似的对象趋向与在地理空间中 进行聚集。 1 2 国内外研究现状 在国内，北京超图海量空间数据管理技术取得重大突破。海量空间数据管理， 一直是g i s 和s d b 技术发展的难题之一。海量空间数据管理技术对电子政务、数 字城市、军事管理、资源规划等信息化建设都有重要的意义，是其中不可缺少的 支撑技术。如全国1 ：2 5 万的地理数据，和每期全国1 ：1 0 万土地利用图的数据 量都在i o g b 左右，一些国家部门级信息中心的地图空间数据库多达数百g b 甚至 t b 级。在国家8 6 3 “面向网络海量空间信息的大型g i s ”课题和中科院知识创新 工程支持下，由北京超图公司开发的s u p e rm a ps d x + 海量空间数据管理引擎在 大数据量矢量或栅格数据管理、长事务处理能力、异构分布式数据管理、拓扑关 系支持等诸多性能和功能完全达到国外同类产品水平，在空间索引速度、复杂集 合实体支持等技术性能上还甚至超过了国外同类产品。s u p e rm a ps d x + 不仅对 o r a c l e ，o r a c l es p a t i a l ，s q ls e r v e r ，s y b a s e 等国外数据库产品支持良好， 而且首次对国产d m 3 ( 迭梦数据库) 进行支持。目前，s u p e rm a ps d x + 海量空间 数据管理引擎已经在国家广播电视总局全国光纤网地理信息系统、国家统计局社 会经济统计地理信息系统、中国铁道部以及日本铁道等一系列大型系统中获得成 功应用，其成熟性己得到了检验。 在美国，开放的地理数据互操作规范( o p e ng e e - d a t ai n t e r o p e r a t i o n s p e c i f i c a t i o n ，o g i s ) 由o p e ng i s 协会提出。o g i s 规范包括抽象规范，实现规 范以及具体领域的互操作性问题。抽象规范是o g i s 的基础和主体：实现规范定 义了抽象规范在不同分布计算平台上的实现，目前o p e ng i s 协会已经定义了针 对c o r b a ，o l e c o m 和s q l 的简单特征访问的实现规范；针对领域的互操作性研 究通过提取领域的互操作性用例，检验抽象规范能否满足该领域的需求，它是抽 象规范的扩展。 抽象规范建立了一个概念模型，并将其文档化，采用了在面向对象技术中通 用的u m l 作为其形式化的建模语言。抽象规范通过对现实世界的描述，建立了系 统实现与现实世界之间的概念化的联系，它是与具体的软件实现无关的。而只是 定义了软件应该实现的内容。抽象规范共分为十七个主题 2 ： 0 综述( o v e r v i e w ) l 特征几何体( f e a t u r eg e o m e t r y ) 2 空间参照系统( s p a t i a lr e f e r e n c es y s t e m s ) 3 位置几何体结构( l o c a t i o n a lg e o m e t r ys t r u c t u r e s ) 4 存储功能和插值( s t o r e df u n c t i o n sa n di n t e r p o l a t i o n ) 5 特征( f e a t u r e s ) 6 覆盖类型及其子类型( t h ec o v e r a g et y p ea n dit ss u b t y p e ) 7 地球映像( e a r t hi m a g e r yc a s e ) 8 特征之间的关系( r e l a t i o n sb e t w e e nf e a t u r e s ) 9 质量( q u a l i t y ) 1 0 特征集合( f e a t u r ec o l l e c t i o n s ) 1 l 元数据( m e t a d a t a ) 1 2o p e ng i s 服务体系结构( o p e ng i ss e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) 1 3 目录服务( c a t a l o g ss e r v i c e ) 1 4 语义和信息团体( s e m a n t i c sa n di n f e r m a t i o nc o m m u n i t i e s ) 1 5 图像开发使用服务( i m a g ee x p l o i t a t i o ns e r v i c e ) 1 6 图像坐标转换服务( i m a g ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o ns e r v i c e ) 抽象规范的十六个主题( 综述除外) 之间同样具有相互的依赖性，图1 1 描述了 1 3 这些依赖性。 图1 1o p e ng i s 抽象规范各个主题之间的依赖关系 在欧洲，位于爱尔兰都柏林的欧洲空间数据研究所提出2 0 0 4 - 2 0 0 6 年度的研 究计划：提供一种作为空间框架的核心数据，以此作为地理信息基础设施 ( g e o i n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ，g i ) ，为各个上层组织机构提供监审、管理、 开发服务，其核心是空间数据库的建模。2 0 0 4 2 0 0 6 年度主要目标： 3 l 地理几何图形的数据获取。 2 空间语义数据的获取，包括有用信息的自动性抽取。 3 三维核心数据，尤其空间建模，信息提取工具。 4以空间数据库为中心的工程方案集成。 5 核心地理空间数据库建模、并发维护和元数据。 6 数据集成，包括核心数据与其他数据的集成，如空间特征的地理参照系。 7 核心数据的协调互操作需求( 水平交叉的地理边界，如河床，交通网；垂直的 g i 各层的内部完整性) 。 8 数据发布、传播机制，尤其是分布式空间数据基础设施。 9 地理空间数据质量。 其中第五个目标：c o r eg e o s p a t i a ld a t a b a s e s 包括数据或信息结构的建模( 不 同类型数据的合并分类机制) ，第三方数据的连接与集成，由商业成形数据库开 发出空间数据模型的l 临时组件并导出较小规模的数据集产品。 1 3 论文的选题依据、研究方法和文章结构 s h a s h is h e k h a r 等人关于空间数据库：成就和研究需求的调研报告，发 表在美国电气和电子工程师学会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ，i e e e ) 的知识与数据工程期刊上 4 。从中我发现计算机科学与地理 1 4 信息科学从不同的角度研究s d b ，例如数据结构模型、空间分析和实现算法等。 在本论文有关章节中我力求兼顾两者，并参考了来自商业运作标准的很多思想观 念。作者在提出本课题研究前，参加了云南省科技攻关项目乡村生态旅游发展 模式与典型示范研究和省院省校合作项目昆明市交通预警系统的学习、研 究，旁听了昆明理工大学旅游地质研究所所长、博导杨世瑜老师关于旅游地质 学课程，向相关人员请教遥感图像的解释理论和方法。对论文相关的专业知识 做了必要的查询和讨论，提出和策划了本论文研究的框架和具体内容。 本文采用面向对象技术中抽象数据类型的思想，算法分析与设计方法以及统 一建模语言中用静态视图表示对象结构的方法。以下的章节结构如下： 第二章概括了空间数据库的研究内容，从不同的角度对空间数据库模型进行 了概述和总结，分析了对象模型、栅格数据结构和矢量数据结构的特点，以及在 数据结构之上进行的空间分析操作。 第三章针对关系模型在空间数据库建模中的缺陷进行扩展，象形图延伸了e r 模型的语义，使其能够表达空间关系；运用面向对象方法和统一建模语言，把空 间抽象数据类型与关系模型结合起来。 第四章在空间关系代数的数学基础之上，扩展了经典关系代数，对需要的空 间操作函数进行形式化定义，使其精确反映空闻对象间关系。然后在通用的空间 数据类型基础上建立空间几何对象的存储层次，最后利用空间索引结构分析设计 空间连接算法，在过滤阶段采用平面扫描法，在精炼阶段采用两种启发式策略。 第五章把上述建模分析方法应用在旅游地质景观的分类评价中，建立分类评 价的需求用例。把分类评价中用到的地理要素抽象成空间几何类型，在此基础上 建立概念模型。运用正向工程工具把概念模型自动转化为关系表空间。 第六章总结论文的创新点，展望空间数据库的最新商业趋势和学术前沿 空间数据挖掘。 第二章空间数据库模型 2 1空间数据库研究的内容 空间数据库系统包含空间对象的集合，这些对象有明确的名称、位置和范围， 它们可以从图像数据库中的栅格图像分析抽取特征得到。然而关于空间数据库的 定义尚不明确，容易和这一领域的其他术语诸如图形数据库、图像数据库、几何 数据库、地理数据库( g i s 数据库) 混淆。我从底层数据结构的角度定义空间数 据库管理系统：空间数据库系统首先是一个数据库系统，它在数据模型和查询中 提供空间数据类型，并在空间抽象数据类型( s p a t i a la b s t r a c td a t at y p e ，s d t ) 的实现中至少提供空间索引和用于空间连接的有效算法，其支撑技术的特点是具 有管理大量简单几何对象集的能力。空间数据库的研究内容包括以下几个方面： 2 1 1空间数据及其属性数据分析 空间数据的显著特点是数据量巨大，结构复杂，常隐含着层次结构关系，一 般以点、线、面、体等元素表示。非空间属性数据与空间数据密切相关，随着其 反映的空间特性不同，有不同的数据类型。另外空间数据还存在着各向同( 异) 性、连续、离散等情况。 2 1 2 空间建模分析 空间模型是指用一定数学表示方法对空间数据进行描述。空间数据模型分为 基于场或领域( f i e l d 或r e a l m ) 的模型和基于对象的模型两大类。基于场的模型 将信息空间视为在空间结构上一定空间分布的集合体，每一个空间分布可以被规 则化成一个从空间结构框架到空间属性的数学函数。例如空间高程分布、降雨量 分布和气温分布等。基于对象的模型将信息空间视为离散的、可标识的和与空间 相关的对象的集合体。本文在空间建模过程中力求把两种模型兼顾起来考虑。 2 1 3 空间数据查询、空间数据索引和空间数据访问方法 由于空间数据的复杂性和用户需求的不确定性，事先完全预计用户可能提出 的空间查询是不可能的，但空间查询从大的方面来看可分成三类：点查询，区域 查询，近邻查询。空间数据访问方法是空间查询的技术基础，它由空间索引和在 1 6 空间索引上定义的操作组成。 2 1 4 新技术的融合与扩展 随着i n t e r n e t 的普及，如何通过互联网进行空间数据库访问是当前的一个研 究热点。分布式、组件化技术是当前计算机系统一个技术发展趋势。如何在分布 式的环境下进行多个空间数据库的数据共享也是一个研究重点 5 。利用面向对 象技术可以对传统的关系型数据库进行扩展使之能高效处理空间数据，这就形成 对象数据库或对象一关系数据库。 2 2 空间数据库建模的视角 现实中空间的概念主要表现为二维或者三维的形式，人们通常在二维空间中 分析、规划、决策和挖掘有用模式，同时把三维空间可视化以达到虚拟现实的目 标。g i s 、计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 和超大规模集成电 路( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ，v l s i ) 的应用向我们提出了如何高效地管理 空间数据，如何概念化物理世界中的空闻信息等问题。本文着重于二维空闻的建 模分析。 空间分类学( s p a c et a x o n o m y ) 涉及了多种来组织空间的描述方法。关系与 对象一关系数据库在基于集合的空间模型上规划集合间关系：拓扑空间的基本概 念是邻居关系，其空间操作有重叠、邻接等；网络空间利用图论的方法处理空间 对象之间的遍历、连通性和最短路径问题。欧氏坐标空间用于方位操作；而度量 空闯则靓范化距离尺度。 现阶段空间数据( s p a t i a ld a t a ) 很大一部分是指地理数据( g e od a t a ) ，如 地图、各种专题图、图像、统计数据等，这些数据都具有能够确定空间位置的特 点。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。因此，对空间数据模型 的认识和研究在设计空间数据库和发展新一代g t s 系统的过程中起着举足轻重 的作用。 空间数据信息模型有对象模型和场模型，它们在信息系统中的实现形式又 可分为栅格数据结构和矢量数据结构。基于对象特征的模型强调离散化、可识别 性、空间参照实体，可以利用面向对象技术详细地描述空间对象的边界和距离关 系；场模型表示在二维或者三维空间中连续变化的数据，把对空间的划分转变到 属性域，进行局部区域聚焦操作。很多类型的数据，有时被看作场，有时被看作 对象。选择某一种模型而不选择另外一种模型主要是顾及数据的测量方式。如果 数据来源于卫星影像，它的值包括区域内每一个连续位置，如作物类型、森林类 型可以采用基于场的观点；如果数据是以测量区域边界线的方式提供且区域内部 可以被看成是一致的，则可以采用基于对象的观点；如果是将空间分成粗略的子 空间，一个基于场的模型可以被转换成一个基于对象的模型，因为后者更适合于 离散线、面的特征度量和分析。 2 2 1 对象模型 在基于对象的建模中，把空间信息抽象成明确的、可识别的、相关的实体， 称之为对象，它隐藏了数据存储的细节。对象模型适合表示有固定形状的空间实 体，如湖泊、道路网、城市等。这种对象模型是概念化的，可以采用矢量数据结 构将其映射到计算机中。其关键问题是选择一组基本几何数据类型，来满足对空 间常用形状建模的需求。o p e n g i s 协会提出的空间几何对象类的层次框架正逐渐 得到大家的认同 6 ，见图2 1 所示。 图2 1二维空间几何数据关系框架 其中几何体基类是不可实例化的，但它规定了一个适用于其子类的空间参照系 统。空间二维几何体分为点、线、面和几何体集合。点( x l ，y 1 ) 描述一个零维对 象的形状，例如世界地图上的城市中心。线描述以为对象的形状，例如世界地图 上的河流。线对象通常用线串( 1 i n e s t r i n g ) 来近似表示，它由两个或更多的点 表示( x 1 ，y l ，x n ，y n ) ，最简单的线串是一条连接两个或更多点的直线段。每条 线段也可以是曲线段，并且线串可以自我交叉，但近似形成环的线串并不意味着 拥有内部域。面则描述了二维对象的形状，例如世界地图上的国家，面通常用多 边形( x 1 ，y 1 ，x n ，y n ) 建模。多边形的每条边可以是直线或曲线，它们的坐标值 闭合，可视为有向边界的闭域，规定外部环是逆时针。内部环( 洞) 是顺时针，其 1 8 内部域可以被忽略，也可以用额外的元素表示( 当多边形内部有洞时) ，基本几 何类型见图2 2 。几何体集合表示复杂的形状，例如景观的聚集和群岛等。几何 体集合由三种类型：多点( m u l t i p o i n t ) 、多线( m u l t i c u r v e ) 和多面 ( m u l t i s u r f a c e ) 。几何体集合空间数据类型保证了空间数据类型在几何操作上的 封闭性。这些操作包括几何并、几何差、几何交操作。例如对云南省和昆明市的 边界作几何差运算，尽管它们都是“面”空间数据类型，但运算结果是“多面”。 运算的封闭性支持多步查询和嵌套查询。多线通常用混合线串( x l ，y 1 ，x n ，y n ) 建模，它是直线与曲线的组合。而多面通常用混合多边形( x 1 ，y 1 ，x n ，y n ) 建模， 它的语义类似于多边形。 点直线串 卜1 广 基本几何类型 弧线串混合线串 线串自我交叉 、习7 支持 多边形 有洞多边形 混合多边形 优他多边形 多边形自我交叉 口回 乃昌 图2 2 基本空间几何类型 2 2 2 栅格数据结构 栅格数据结构是基于连续铺盖的，它是将连续空间离散化，即用二维铺盖或 划分覆盖整个连续空间；铺盖可以分为规则的和不规则的，后者可当作拓扑多边 形处理，如社会经济分区、城市街区；铺盖的特征参数有尺寸、形状、方位和间 距。对同一现象，也可能有若干不同尺度、不同聚分性( a g g r e g a t i o no r s u b d i v i s i o n s ) 的铺盖。在边数从3 到n 的规则铺盖( r e g u l a rt e s s e l l a t i o n s ) 中，方格、三角形和六角形是空间数据处理中最常用的。三角形是最基本的不可 再分的单元，根据角度和边长的不同，可以取不同的形状，。方格、三角形和六角 形可完整地铺满一个平面( 图2 3 ) 。 1 9 图2 3 用三角形、方格和六角形划分空间 基于栅格的空间模型把空间看作象素的划分，每个象素都与分类或者标识所 包含的现象的一个记录有关。象素与“栅格”两者都是来自图像处理的内容，其 中单个的图像可以通过扫描每个栅格产生。栅格数据通常来自人工和卫星遥感扫 描设备中，以及用于数字化文件的设备中。采用栅格模型的信息系统，通常应用 了分层的方法