（交通信息工程及控制专业论文）基于GIS的空间数据查询及管理技术研究与实现.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘摘 要要 由于空间数据的海量性和复杂性查询效率一直是 gis 系统中的一个瓶颈因 此研究空间数据的查询及管理技术具有重要的意义 本文首先分析了空间数据的类型及特征阐述了空间数据的数据结构数据模型 和空间数据库技术本文研究了用于空间查询优化的空间索引技术查询处理算法 代价模型等技术以提高空间数据查询速度并在对常用空间数据索引技术的算法描 述和性能比较基础上着重研究了基于四叉树和 r-树的索引结构根据 r-树结点的 聚类特性r-树各子结点越紧凑聚类性能越高则 r-树的查询效率越高本文将空 间聚类技术应用到 r-树中给出了基于 r-树的空间聚类算法mcar 算法有效地 提高了索引效率 同时也给出了一种基于聚类技术的四叉树和 r-树的混合索引结构 msiqcr 索引该索引结构将空间划分成一些子空间然后在各子空间内使用许多 r-树索引有效地节省了存储空间同时将空间对象的操作限制在局部范围内减少 了空间对象的操作时间 本文最后结合 航班优化与航线经济分析系统 的实际应用 对系统采用 msiqcr 空间索引技术以提高系统的查询效率 关键字关键字gis空间数据空间查询空间索引空间聚类 基于 gis 的空间数据查询及管理技术研究与实现 ii abstract due to the volumes and complexity of spatial data, the efficiency of spatial query has been a bottleneck of geographic information system, so the study on spatial data query and management technology has great significance. this dissertation first introduces spatial data types and characteristics, and describes spatial data structure and models. also, the spatial database technology is discussed. for improving speed of the spatial data query, this thesis also has done some research work on spatial index algorithm for query processing and cost model technology which are used for optimizing spatial query. taking notice of the disadvantages and the data structures, algorithms of existing spatial indexes, the thesis mainly introduces a spatial index structure which is based on quadtree and r-tree. according to clustering speciality of r-tree nodes, the more compact and higer clustering performance nodes are, the higher query efficency r-tree has. in this paper, spatial clustering technology has been applied to r-tree, a mixed clustering algorithm based on r-tree, which improve the efficiency of spatial index, is given, and a mixed spatial index of quadtree and clustering r-tree is also given. the method partitions research zone to several some area, and every area based on r-tree. it greatly saves storage space and decreases time of index operation. based on the msiqcr, the system “formax” is implemented. the system performance is evaluated next. keywordskeywords: gis, spatial data, spatial index, spatial cluster 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图表目录图表目录 表 2.1 矢量和栅格数据结构优缺点比较.8 图 3.1 二维空间目标近似表达的一个例子.13 图 3.2 点四叉树的平面示意图.16 图 3.3 r-树的平面分割示意图.17 图 3.4 空间查询的处理步骤.21 图 3.5 加入了内部近似比较的空间查询的处理步骤.22 图 4.1 基于 k-means 算法的一组对象的聚类.26 图 4.2 代价示例.28 图 4.3 代价示例续.28 图 4.4 二维空间 msiqcr 索引的空间划分示意图.32 图 4.5 mcar 算法测试结果.35 图 4.6 msiqcr 索引查找性能曲线.36 图 5.1 formax-gis 子系统基本功能模块.39 图 5.2 spatialware 的体系结构与访问模式.39 图 5.3 formax-gis 系统主界面.42 图 5.4 地理信息设置.43 图 5.5 航班查询结果.44 图 5.6 航班查询界面.44 图 5.7 查询结果表格显示.45 图 5.8 查询结果地图显示.45 承诺书 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行 研究工作所取得的成果尽我所知除文中已经注明引用的内容外本学 位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容 对本论文所涉及的 研究工作做出贡献的其他个人和集体均已在文中以明确方式标明 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件 允许论 文被查阅和借阅,可以将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其他复制手段保存论文 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名 日 期 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 引言 随着现代信息社会的发展每时每刻都有大量来源不同的地理空间数据产生而 大量的地理信息数据无法通过人工方式处理需要借助专门的软件运用计算机处理 才能从中获取有用的信息地理信息系统 1 (geographic information system 简称 gis)是以采集存储管理描述分析地球表面及空间和地理分布有关的数据的软 件系统它把地理位置相关属性进行有机地结合根据用户的需要将空间信息及其属 性信息准确真实图文并茂地输出给用户以满足城市建设企业管理居民生活对 空间信息的要求同时借助其独有的空间分析功能和可视化表达功能进行各种辅助 决策 gis 是 20 世纪 60 年代中期开始逐渐发展的一门新的技术它最初为解决地理问 题而起 至今己成为一门涉及测绘学科 环境科学 计算机技术等多学科的交叉学科 1963 年加拿大测量学家 r.f tomlinson 首先提出了地理信息系统这一术语并建成世 界上第一个 gis加拿大地理信息系统 cgis并用于自然资源的管理和规划不久 美国哈佛大学提出了较完整的系统软件 symap这可算是 gis 的起步随着新技术的 发展能够获取或共享的区域性社会经济等数据越来越丰富gis 不但在测绘制图 资源和环境等领域被成功地应用而且已成为城市规划设施管理和工程建设的重要 工具 同时还进入了军事战略分析 商业策划 文化教育乃至人们的日常生活领域中 数字化地球数字化城市等观念已经深入人心 gis 的研究内容主要涉及数据的录入数据的存储和索引数据的操作和分析以 及数据的输出和显示等几个大的方面从系统的角度看在未来的几十年内gis 将 向着数据标准化interoperable gis数据多维化3d ; struct branch /* r-树结点项的数据结构 */ struct rect rect; struct node*child; /* 对于叶结点存储的是目标标识对于中间结点存 储的是孩子指针 */ ; struct node /*r-树结点的数据结构*/ int count; /* 指示结点项的使用个数 */ int level; struct branch branchm; ; 四叉树的结点结构 四叉树采用线性的存储结构其结点结构可描述为其中 s 为该结点 关联的子空间rt 为与 s 关联的 r-树由于 s 可以根据四叉树结点的层次及结点在 该层的顺序确定 实现时可以不需显式存储为了减少查询过程中提取 r-树根结点的 次数可以在四叉树结点中增加一项 mbr存储其对应的索引空间如果查询目标不 在 mbr 中则不需提取对应的 r-树结点因此可以减少磁盘页的访问次数其描述 s0 s1s2s3s4 rt0 rt1rt2rt3 r1r2r3r4 r2r11r9r3r6r10r8r1 r5r7 r4 rt2: rt4: rt3: rt0rt1 s0s4:spaces r4 r2 r1 r3 s0 s1 s 2 s3 s4 r1 r10 r2 r3 r5 r6 r7 r8 r9 r10 r11 r4 南京航空航天大学硕士学位论文 33 如下 struct qnode /*四叉树的结点结构*/ int count; /*对应 r-树存储目标的个数*/ struct rect mbr; /*对应 r-树的索引空间*/ crtree * rtree; /*对应 r-树对象指针*/ 4.3.2 msiqcr 空间索引类的设计 为了更好地封装索引功能设计了空间索引类 cmanage 和 r-树类 crtree 1 cmanage 类主要功能为创建空间索引负责建立相应的索引文件除空 间索引负责删除相应的索引文件空间范围查询根据给定的空间范围 供操作接口 2 crtree 类的主要功能为提供针对索引结构的插入删除相交查询与包 含查询功能以及一些统计功能 4.3.3 msiqcr 空间索引算法 msiqcr 的主要算法有索引数据的查找算法插入算法和删除算法 查找算法 该查找算法实际上是一个递归过程 这里以窗口查询为例 若给定查询窗口 w 即 查询区域即查找所有与 w 重叠的空间目标或完全落入 w 的空间目标必须对所有 与 w 相交的子空间所关联的 r-树进行查找操作具体算法描述如下 从根结点 n 开始如果根结点的关联子空间与 w 相交且与对应 r-树的索引空 间相交则调用 r-树的查找算法在对应的 r-树进行查找操作 对每一子结点将其作为子树的根结点重复上述操作直至 n 结点为叶子 结点 输出集合 q 中的索引项 r-树的查找算法描述如下 从根结点 n 开始如果 n 结点不是叶子结点则依次判断该结点中各索引项 的 mbr 与 w 的空间关系 若 mbr 与 w 相交 则以该索引项所指的结点为子树的根结点 重复上述操作如果 n 结点是叶子结点则转至 如果 n 是叶子结点则依次判断结点中各索引项的 mbr 与 w 的位置关系若 包含则将该索引项加入到集合 q 中 输出集合 q 中的索引项 插入算法 插入算法的基本思路是插入一个索引项必须首先确定其属于的子空间最小 基于 gis 的空间数据查询及管理技术研究与实现 34 包围该索引项的子空间及其关联结点然后再将其插入到对应的 r-树中当插入导 致结点分裂时采用 mcar 算法具体算法描述如下 首先确定待插入索引项 p 的所属子空间从根结点 n 开始如果 n 结点不是 叶子结点则依次判断其孩子结点是否完全包含 p若完全包含则将该孩子结点作 为根结点重复上述操作直至根结点下的所有孩子结点不能完全包含 p n 结点下的子空间即为所求的空间对其调用 r-树的插入算法 r-树的插入算法描述如下 首先选择合适的叶子结点来存放待插入的索引项 p从根结点 n 开始如果 n 结点不是叶子结点则将 p 依次加入该结点的孩子结点中依次计算其加入 p 后的面 积增量选择增量最小的孩子结点则将该孩子结点作为根结点重复上述操作直 至 n 为叶子结点 若 n 结点未满则将 p 插入到 n 中即在 n 中记录新空间对象的 mbr 和唯一 标识 oi并向上一层调整其父结点对应索引项的目录矩形直至根结点否则需分裂 该叶子结点调用 mcar 算法分裂 n并在分裂后对 r-树进行调整 若结点分裂向上传播则继续调用 mcar 算法并对其进行调整重复上述操 作直至到根结点 删除算法 删除算法的基本思路是删除一个索引项必须首先确定其属于的子空间最小 包围该索引项的子空间及其关联结点然后再从对应的 r-树中删除该索引项具体 算法描述如下 首先确定待删除索引项 p 的所属子空间从根结点 n 开始如果 n 结点不是 叶子结点则依次判断其孩子结点是否完全包含 p若完全包含则将该孩子结点作 为根结点重复上述操作直至根结点下的所有孩子结点不能完全包含 p n 结点下的子空间即为所求的空间对其调用 r-树的删除算法 r-树的删除算法描述如下 首先找到存放该索引项 p 的叶子结点从根结点 n 开始如果 n 结点不是叶 子结点依次判断该结点中各索引项是否和 p 相重叠若重叠则以该索引项所指的 结点为根结点重复上述操作直至 n 为叶子结点若没有找到则停止 若找到则从 n 中删除 p 若删除 p 后n 中的索引项数小于最小下限 m即出现结点下溢的情况将采 用插入算法将其剩余的索引项插入到树中对于叶子结点中的索引项仍插入到叶子结 点中但对于中间结点的索引项需插入到其原来所在的那一层 南京航空航天大学硕士学位论文 35 4.4 性能评估 4.4.1 mcar 算法性能评估 r-树实际上是通过插入操作实现创建的过程当结点溢出要产生分裂分裂算法 的不同 耗费的时间也不同 而在 r-树的操作算法中 区域查询是最具代表性的操作 衡量 r-树的性能一般以区域查询的性能来表示在 msiqcr 索引中r-树采用了 mcar 算法对结点进行分裂为了测试 mcar 算法的性能本文通过计算建立 r-树所耗费的 时间和区域查询性能来评价其对 r-树的性能影响 我们对 500 个二维随机数据文件进行测试得到大量的数据经过数据筛选制图 后得到测试结果 图 4.5 mcar 算法测试结果 从图 4.5 可知 聚类 r-树和普通 r-树的构建时间相当 在区域查询性能上的比较 显然在查询效率方面聚类 r-树高于普通 r-树因此综合考虑构建时间和查询效 率聚类 r-树的综合性能明显高于 r-树 4.4.2 msiqcr 索引性能评估 对于基于外存的索引结构而言由于外存的读写时间远远大于内存的读写时间 所以对外存磁盘页的读写数是决定系统响应时间的关键因素因此在实验测试中主 要评估的是访问外存页面的数量page及在对数据矩形进行添加删除查询 cpu 计算时间上的开销 1 插入性能 在树的查找过程中每次插入过程访问的外存页越少插入性能越好插入性能是 通过统计平均每次插入过程所需访问外存页的数量及cpu的计算时间来衡量判断 即 insertofcountthe processesinsertallinusedtimecputotal insertpercostcpu= insertofcountthe processesinsertallintouchedpagestotal insertpertouchpages= 0 50 100 0 0.01 0.01 0.01 0.04 0.07 0.1 0.3 0.6 0.9 查询区域大小在每个维度上的百分比 平均磁盘访问次数 r-树聚类r-树 0 20 40 60 80 100 120 140 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 结点数 耗费时间 r-树聚类r-树 基于 gis 的空间数据查询及管理技术研究与实现 36 2 删除性能 与插入性能类似删除性能是通过统计平均每次删除所需访问外存页的数量及 cpu 的计算时间来衡量判断即 deleteofcountthe processesdeleteallintouchedpagestotal deletepertouchpages= deleteofcountthe processesdeleteallinusedtimecputotal deletepercosecpu= 3 查找性能 对于任何一个索引结构而言查找性能是最重要的指标本文主要测试查找所需 访问外存页的数量及 cpu 的计算时间来衡量判断即 searchofcountthe processessearchallintouchedpagestotal searchpertouchpages= searchofcountthe processessearchallinusedtimecputotal searchpercosecpu= 我们对 500 个二维随机数据文件进行测试得到大量的实验数据本文给出查找 性能测试的运行结果level_i 表示四叉树的深度 图 4.6 msiqcr 索引查找性能曲线 从图 4.6 可知msiqcr 索引的性能总是优于 r-树在一定范围内四叉树的深 度越大msiqcr 索引的查找性能越好随着索引目标数量的增多其操作性能也越 优于 r-树 4.4.3 小结 msiqcr 索引采用的技术是将地理空间先用四叉树进行划分 从而使得每一部分涉 及到的跨块对象数量大大减少降低了重复存储而每一个四叉树结点采用聚类 r- 树的存储方式进一步减少了存储开销四叉树索引由于需要达到一定的检索精度 其深度就越大在空间上需要较大的开销r-树索引是基于对象的存储方法存储开 销较小所以 msiqcr 索引在存储开销上要远远好于四叉树索引比 r-树索引略大 pages touch per search 0 50 100 150 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 data number pages r-树level_2level_3 cpu cost per search 0 100 200 300 400 500 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 data number cpu msec r-树level_2level_3 南京航空航天大学硕士学位论文 37 在 r-树索引中本文采用了 mcar 算法来提高其查询效率在构建 r-树上聚类 r-树的耗费时间与 r-树相当特别是当数据量比较大的时候而在查询性能上聚类 r-树在建树时将相似数据聚类在一起 大大减少了查询时间故聚类 r-树在性能上优 于 r-树 此外msiqcr 索引在进行数据索引项的查找插入和删除操作时完全采用 r- 树索引的方案要在全局范围内操作涉及到的数据量可能比较多耗时比较长而 msiqcr 索引中数据索引项只在局部范围内操作 涉及到的数据量相对少得多耗费的 时间也比较少 总的来说msiqcr 索引以稍小的空间代价换取好的操作性能整体性能比 r-树 好在第五章中本文将结合课题 formax 运用 msiqcr 索引 基于 gis 的空间数据查询及管理技术研究与实现 38 第 5 章 应用系统实现 前面章节论述了空间数据管理以及空间数据查询技术并将空间聚类技术应用 到 r-树中给出一种新的空间索引结构msiqcr 空间索引在空间数据查询过程 中数据库的索引技术是关键能够提高查询速度本章将结合作者的课题之航班 优化及航线经济分析系统formax 系统的地理信息显示部分阐述上述技术在 formax-gis 中的应用 5.1 formax-gis 子系统结构 5.1.1 formax-gis子系统需求分析 航班是航空公司的主营业务生产方式对航空公司的整体效益有着决定性影响 合理 科学地编排航班计划 有利于充分利用航空公司资源 提高航空公司经济效益 航班计划及航线经济分析系统的作用是根据航空公司的航班历史数据编排航班 计划对航班编排逻辑性合理性正确性以及经济性进行分析和优化以选择最优 方案本系统用于航空公司的航班计划编排因此分析所用数据均来自航空公司自 身的运营数据包括一部分与航班运营相关的其他数据大部分原始数据通过计算机 软件界面录入也可以通过数据库接口从其他系统中导入逐年积累 航线地理信息管理formax-gis 子系统是 formax 的一个子系统航线管理的 目的是对与航线有关的信息进行管理以便编排航班计划航线管理部分主要包括 城市信息管理机场信息管理航空公司信息管理以及航段信息管理formax-gis 子系统的主要功能包括图层显示图层放大缩小自由缩放漫游等可以在地 图上显示编排的航班计划它由城市层机场层航段层和航空公司层四个业务图层 和其它修饰图层组成用户可以直观的浏览查看航班还可以在地图上通过画线的 方式编排航班 用户还可以在图层管理窗口中确定图层的显示状态 系统还提供城市 机场航班和航空公司信息的综合查询功能 5.1.2 formax-gis子系统设计 在 formax-gis 子系统中采用中文 ms windows 2000通用关系数据库 ms sql server 2000 和 mapinfo gis 为系统平台以普通 pc 机硬件作支撑为用户提供图 形化的航班编排操作界面航班经济信息查询系统与 gis 航线显示 根据 formax-gis 子系统的设计要求及需求分析可将其分为四个功能模块基 础信息设置航空信息查询地图工具选择地图信息输出及打印功能模块图如图 5.1 所示 南京航空航天大学硕士学位论文 39 图 5.1 formax-gis 子系统基本功能模块 5.1.3 formax-gis子系统数据库的设计 在本系统中采用基于数据库引擎的关系空间数据库技术来管理空间数据用 mapinfo的spatialware解决存储在数据库中的空间数据与应用程序之间的数据接口问 题spatialware 是第一个在 oraclesql serverdb2 环境下基于 sql 进行空间查 询和分析的空间信息管理系统它作为一种数据库服务中间件在完成对数据的空间 化操作后允许用户将地理空间数据存储于关系数据库中并进行访问管理和操作 使用 spatialware 与 sql server空间数据可作为 sql server 中任何被完成空间化的 数据库的一部分使用 sql 语句来插入删除或更新图 5.2 给出了 spatialware 的体 系结构与访问模式用户通过 mapinfo easyloader 将 mapinfo 的.tab 文件上传到 sql server 中mapinfo 的.tab 文件中的空间信息保存在 sql server 的数据库中并且同 样可以在 mapinfo professional 中进行浏览和分析 图 5.2 spatialware 的体系结构与访问模式 formax-gis 子系统 基础信息显示 航空信息查询 地图工具选择 地图信息输出 行政信息 水系信息 居民信息 地貌信息 地面交通 信息 城市查询 机场查询 航线查询 航空公司查询 放大缩小 选择平移 标注工具 距离测量 地图输出 表格输出 图片保存 数据 空间数据存储类型存储过程 及扩展存储过程 mapinfo pro easyloader 客户端 odbc odbc ado.net tab 文件 基于 gis 的空间数据查询及管理技术研究与实现 40 5.2 msiqcr 空间索引在系统中的实现 在本系统中将 msiqcr 空间索引作为空间数据库的索引技术在第四章已经描 述了其基本算法下面是相关算法的部分实现代码 5.2.1 msiqcr索引的建立 void msiqcrtree:create (const char *outputfilename) /* outputfilename 为运行输出结果的文本文件名 */ if (! outputfilename) m_fp=fopen (outputfilename,”w+”); else m_fp=null; resetstart (); /clear all statistics var to zero createquadnodes (); initquadnodes (); generalstarts (); void msiqcrtree:createquadnodes () /* quadtree 结点空间分配 */ if (m_quadnodes) freequadnodes (); m_quadnodes= (struct quadnode*) malloc (sizeof (struct quadnode)*getnodestotal (); void msiqcrtree:initquadnodes () /* quadtree 结点初始化 */ int i, j; for (i=0; igetnodestotal (); i+) m_quadnodesi.count=0; m_quadnodesi.rtree=null; for (j=0; j0); temp =getchildspernode (); /temp=2k for (i=1; isearchdaterectoverlaped(r); s=index * getchildspernode()+1; t=s+getchildspernode()-1; if (t=getnodestotal()-1)/the child nodes of index are existed while(s=t)/ recursively call all childs for searching hitcount += searchoverlaped2(r,s); s+; return hitcount; 5.3 formax-gis 系统实现 系统采用 mapx 组件与 delphi 来实现空间数据库采用空间数据与属性数据分开 存储的方式空间数据通过 mpalnfo 的文件系统来进行组织属性数据则采用关系数 据库 sql server 2000 进行管理 mapx 31是一个基于 activex 技术的可编程控件 它使用与 mapinfo professional 一致的地图数据格式并实现了大多数 mapinfo professional 的功能mapx 为开发 人员提供了一个快速易用功能强大的地图化组件在 vbdelphipowerbuilder 基于 gis 的空间数据查询及管理技术研究与实现 42 vc 等可视化开发环境中 只需在设计阶段将 mapx 控件放入窗体中 并对其进行编程 设置属性或调用方法或相应事件即可实现丰富的地图信息系统功能 mapx 的主要功能包括 显示 mapinfo 格式的地图 对地图进行放大 缩小 漫游 选择等操作专题地图图层控制数据绑定动态图层和用户绘图图层生成和编 辑地图对象简单地理查询边界查询和地址查询 对 mapx 编程不需要有任何 mapbasic 知识而且大多数任务可简单的通过设置 mapx 控件的属性来实现mapx 定义了一个类体系以有效的组织图形元素图层 属性数据等对象mapx 的推出扩展了 mapinfo 产品的应用面更多的用户可以通过 mapx 得到 mapinfo 的先进技术而开发商也更容易在现有的应用系统中增加地图功 能本系统主要是利用 mapx 的空间数据管理及地图可视化功能 5.3.1 系统 gis地图显示 用户在进入航线图显示子系统后窗体中主地图显示整个中国地图屏幕左下方 的导航图显示整个世界地图并且指示当前主地图是中国地图图层的数据都是从本 地数据库中加载初始化时用户可以看到城市这个图层在屏幕右方显示的是当前图 层的图元数据用户用鼠标单击就能看到每个图元具体的信息在屏幕左上方是地图 工具栏实现地图缩放刷新移动等功能如图 5.3 图 5.3 formax-gis 系统主界面 地图由多个图层和一个地图集文件组成图层可分为两类一类是公有图层此 类图层不会发生变化用户也不会对其做任何修改它只是为了美观(如 china)和显 示一些辅助信息(如高速公路国道水域信息等)另一类图层是业务数据层如城 市层和航段层此类图层的内容是由程序在运行时动态产生的用户如果对数据库中 的城市或航段进行了修改此类图层也会做相应修改地图是图层的集合因此对地 图的控制实际上就是对图层的控制 formax-gis 除了提供默认的显示样式以外 还提 工具栏工具栏 主图主图 导航地图导航地图 状态栏状态栏 南京航空航天大学硕士学位论文 43 供样式定制途径供用户调用包括增加删除图层标注图层改变图层顺序和属性 等每一个图层代表着一定的地理属性将不同的图层叠加起来可形成用户相应的 需求显示地理信息设置的对话框如下图 图 5.4 地理信息设置 其中点击初始设置键回到程序启动时的界面点击取消键取消当前的 选择或撤销项点击确定键对图层设置的信息生效立刻反应在界面上当选 中图层当前状态为可见时图层是否可见按钮为选中状态否则为不选中状态 更改它可设置相应图层的可见性 5.3.2 空间查询的实现 通过数据的查询检索用户可以进一步获取很多派生空间数据在 formax-gis 中作者按一定条件对空间目标的位置和属性信息进行查询并形成新的数据子集以 实现用户的需求 空间查询方式包括 1 定位查询 定位查询是最基本的查询功能是用于实现图形数据和属性数据的双向查询如 将光标指向屏幕上图形的某一部分时可得到相应的属性数据相反当光标指向属 性数据中某一数据项时在屏幕上显示该数据项相关联的图形如图 5.5显示的是 航班查询的结果并且在航线上可以显示航班的具体信息 2 分层查询 分层查询用于查询分层存放的图形数据和属性数据如当地图的地理要素分成国 界线省界线省行政中心等层时为了提取省行政中心可只查询省行政中心层可 基于 g i s 的空间数据查询及管理技术研究与实现 44 通过对前面提过的图层属性设置对话框进行设置可实现分层查询 3 区域查询 区域查询用于在屏幕上开一窗口或指定一任意多边形区域并查询该区域内的所 有图形数据及相关的属性数据此外也可检索点线面的一定范围内的图形数据 及相关的属性数据 图 5 . 5 航班查询结果 4 条件查询 条件查询是根据数据项与运算符组成的条件表达式来查询图形数据和属性数据 f o r m a x - g i s 系统实现了城市机场航空公司航班的组合查询模块包括地图和表 格两种输出方式例如在航班查询中选择查询条件如图 5 . 6点击确认显示符 合要求的数据输出表格见图 5 . 7 输出格式中选择表格输出地图见图 5 . 8 输出 格式中选择地图 图 5 . 6 航班查询界面 南京航空航天大学硕士学位论文 45 图 5 . 7 查询结果表格显示 图 5 . 8 查询结果地图显示 基于 gis 的空间数据查询及管理技术研究与实现 46 第 6 章 结束语 空间数据库是 gis 的核心,它是 gis 采集存储和管理空间数据的中心空间数 据查询是空间数据库的关键技术,其性能的高低决定着整个空间数据库的效率由于 空间数据的海量性和复杂性查询效率一直是 gis 系统中的一个瓶颈因此研究空 间数据的查询技术具有重要的意义 本文首先分析了空间数据的组织及管理阐述了空间数据的数据结构数据模型 和空间数据库技术研究了用于空间查询优化的空间索引技术查询处理算法代价 估算模型等技术以提高空间数据查询速度并在对常用空间数据索引技术的算法描述 和性能比较基础上着重研究了基于四叉树和 r-树的索引结构根据 r-树结点的聚 类特性r-树各子结点越紧凑聚类性能越高则 r-树的查询效率越高将空间聚类 技术应用到 r-树中给出了基于 r-树的空间聚类算法mcar 算法有效地提高了索 引效率同时给出了一种基于聚类技术的四叉树和 r-树的混合索引结构msiqcr 索 引该索引结构将空间划分成一些子空间然后在各子空间内使用许多 r-树索引有 效地节省了存储空间同时将空间对象的操作限制在局部范围内减少了空间对象的 操作时间因此对于 gis 等必须处理大量空间数据的应用系统采用 msiqcr 索引 技术可以改善查找性能提高系统的响应速度 系统 formax 是 gis 在民航上的应用具有重要的研究意义和实用价值在该系 统中采用关系数据库管理系统 sql server 和 mapinfo 的 spatialware 来实现空间 数据库由于空间数据的海量性和复杂性查询效率一直是 gis 系统中的一个瓶颈 在该系统中对空间数据库采用了 msiqcr 空间索引技术大大提高了该系统的查询 性能 空间数据查询技术是 gis 应用领域中的关键技术国内外很多学者都在积极探索 更有效的方法来提高查询速度本文主要从空间索引技术方面来研究并进行了 msiqcr 空间索引的应用但是由于时间和本人能力的限制做的工作还不够充足以 后还需要从以下方面来研究 (1) 研究与空间数据快速查询相关的技术外存空间的管理缓冲区调度等等 来完善 formax 系统 (2) 对 mcar 聚类算法进行改进虽然采用密度法来选取中心点可以减少局部优 化的情况但是还是不能达到理想的状态而且密度法中参数 r1r2对聚类结果有影 响希望能从这一方面进一步对算法进行改进 (3) 研究二维查询向三维查询的转换进一步研究三维空间索引技术三维空间 索引技术还存在很多问题如高效索引树算法的改进复杂空间查询方法的优化索 引评价标准等这些都有待于进一步搜索 南京航空航天大学硕士学位论文 47 致 谢 在本论文完成之际首先深深的感谢我的导师夏洪山教授衷心感谢夏老师在我 攻读硕士研究生的两年多的时间里对我学习工作和生活上的关心和支持对夏老师 平日里的教诲和启迪铭记在心同时对夏老师严谨的治学态度勤勉的工作作风深表 敬佩 还要感谢我的师兄师姐杨林赵焕省王芳于海波周薇王龙耀朱峰感 谢同课题组的同学党倩李健严雯雯赵红竹高婷婷宋志敏张为伟万健 张捃舒严娇李丽娟房玮李琦她们在课题开发过程中给了我很多帮助和启发 同时她们在学习和生活也给了我很大的关系和支持感谢我的师弟师妹们 最后还要感谢我的父母感谢他们对我的最无私最深切的关怀和支持在此 向所有给我学习和生活无私帮助和关心的所有老师和同学一并表达最真挚的谢意 基于 gis 的空间数据查询及管理技术研究与实现 48 在校期间学术成果 1 丁滨夏洪山gis 空间数据索引技术研究 江苏航空200712 2 参与洛神网站的制作 3 参与开发十五项目航班计划及经济性能优化系统已建立了实验系统 南京航空航天大学硕士学位论文 49 参考文献 1 王亚民等地理信息系统及其应用m西安电子科技大学出版社20065 2 黄杏元等地理信息系统概论m北京 高等教育出版社200520-24 3 汤国安等arcgis 地理信息系统空间分析实验教程m北京科学出版社20064-6 4 张正栋,邱国锋等 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