（计算机软件与理论专业论文）分布式gis中矢量数据查询体系模型及相关技术的研究.pdf

摘要 摘要 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 s ，简称g i s ) 作为获取、 处理、管理和分析地理空间数据的重要技术，近年来得到了广泛关注和迅猛发展。 然而，由于数据信息的海量增长和有限带宽的网络资源之间的矛盾日益突出，导 致需求信息被无法充分利用。只有借助分布式g i s 技术和数据查询优化技术才能 有效地解决数据产生和应用之间的数据预览、分发等功能。 分布式g i s 是在计算机网络环境下，以分布式计算理论和计算机网络技术为 应用指导，来设计建设地理信息系统的理论计算模型。它是解决地理数据、软件 及硬件等资源共享和进行远程互操作和互运算的有效途径，因此成为当前地理信 息系统领域研究的热点和前沿。 由于分布式g i s 数据表现、数据查询和数据存储逻辑部署在不同的终端，对 于当前有限的网络资源环境，如何在不同的终端部署不同的查询方案和优化不同 的查询算法以及广域网环境下的数据传输是海量数据应用的关键。查询的方法和 查询的范围在很大程度上决定了空间数据库的应用程度和应用水平，定位空间对 象、提取对象信息，是地理信息系统进行高层次空间分析的基础。 本学位论文基于北京市电缆厂集中监控中心系统，结合分布式g i s 的项目设 计需求，对当前的g i s 查询模型及相关技术进行了深入的研究。完成了以下几个 方面的工作： l 、 深入分析研究了当前空间数据库常用的存储方式，论述了当前空间数据 库使用的r 树和四叉树的混合索引方式。 2 、深入分析了分布式系统的特点，结合a g e n t 最新技术，设计并实现了一 个查询速度快、网络负担小的系统。 3 、 结合a g e n t 智能代理技术，提出了一种分布在服务器端和客户端的代价 函数方法，进而实现了拓扑差值查询； 4 、结合北京市电缆厂集中监控中心系统项目的试运行，对所设计和实现的 模型和算法进行了测试。达到了预期的效果。 关键词分布式g i s ；智能a g e n t ；查询优化； 代价函数 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 s ( g i s ) h a sg e t t i n gt h e f u r t h e r d e v e l o p m e n ta n de x t e n s i v ea t t e n t i o n ，w h i c hi sa ni m p o r t a n ts u b j e c to f o b t a i n i n gd a t a a n dm a n a g e m e n tf o rg e o s p a t i a ld a t a h o w e v e r ，t h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e ng i sm a s s i v ed a t aa n dt h ei n f o r m a t i o na p p l i c a t i o n i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s o nt h eo n eh a n d ，t h ei n f o r m a t i o ng r o w s w i t he x p o n e n t i a l ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h es o c i e t yd e v e l o p m e n tn e e d st h i s i n f o r m a t i o nu r g e n t l y ，a n di tc o u l dn o tb e f u l l yu t i l i z e d m a s s i v e i n f o r m a t i o ns t o r a g ea n dm a n a g e m e n ts p e n dal o to fm a n p o w e r ，m a t e r i a l r e s o u r c e sa n df i n a n c i a lr e s o u r c e s i tc a nn o te f f e c t i v e l ya p p l yo nl a c k i n g o fa ne f f e c t i v ed o w n l o a d ， q u e r ya n db r o w s et 0 0 1 t h ec o n t r a d i c t i o n so f t h ed a t ag e n e r a t e da n da p p l i c a t i o nb e c o m ec o n s t a n ti n t e n s i f i c a t i o nw h i c h c a ns o l v ee f f e c t i v e l yo n l yb yd a t ap r e v i e wa n dd a t ad i s t r i b u t i o nc h a i n u s i n gd i s t r i b u t e dg i sa n dd a t aq u e r yo p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g y 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 ( d i s t r i b u t e dg i s ) h a so c c u p i e da n i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tp o s i t i o ni na p p l i c a t i o nf i e l d d i s t r i b u t e dg i si s ， i nn e t w o r k e n v i r o n m e n t w i t h t h eg u i d a n c eo fd i s t r i b u t e dc o m p u t i n g t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y ，at h e o r e t i c a lm o d e lt h a tc a n b ea p p l i e dt ot h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fg i s i naw o r d ，p r e s e n t l y d is t r i b u t e dg i sisa m o n gt h ef o c u s e so ft h em o s ta d v a n c e dt e c h n 0 1 0 9 ie s i nt h er e s e a r c hf i e l do fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m d a t ar e p r e s e n t a t i o n ，d a t aq u e r ya n dd a t as t o r a g ei nd i s t r i b u t e d g i s l o c a t i n gi nd i f f e r e n tt e r m i n a l sl o g i c a l l y ，a n dt h el i m i t e dr e s o u r c e sf o r t h ec u r r e n tn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，h o wt od e p l o yq u e r ym e t h o d sa n dr e m o t e i n q u i r ya l g o r i t h m sf o rd i f f e r e n tt e r m i n a l sa n d h o wt ot r a n s m i to fm a s s i v e d a t ai nr e m o t ew a ne n v i r o n m e n ta r et h ek e yt op r a c t i c a la p p l i c a t i o n q u e r y m e t h o d s a n dt h er a n g eo fe n q u i r yd e t e r m i n et h ee x t e n to ft h es p a t i a l d a t a b a s ea n da p p li c a t i o nl e v e l s l o c a t i n gs p a t i a lo b j e c ta n de x t r a c t i n g o b j e c ti n f o r m a t i o na r et h ef o u n d a t i o no fh i g h l e v e ls p a c ea n a l y s i sf o r g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m s ( g i s ) t h ed i s s e r t a t i o n ，b a s e do nc a b l em o n i t o r i n gc e n t e rs y s t e mi nb e i j i n g o fg r i ds t a t e ，c o m b i n e dw i t ht h ed i s t r i b u t e dg i sp r o j e c td e s i g nn e e d s ， s t u d i e si nf u r t h e ro nt h ec u r r e n tq u e r ym o d e lg i sa n dr e l a t e dt e c h n o l o g y ， i tm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： i i i 北京工业大学t 学硕十学位论文 1d e e p l ya n a l o g i z e st h ec u r r e n tc o m m o n l yu s e ds p a t i a ld a t a b a s es t o r a g e m e t h o d sa n dd e s c r i b et h ec u r r e n th y b r i di n d e xo ff o u r - t r e e sa n dr t r e e 2d e e p l ya n a l o g i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i s t r i b u t e d s y s t e m s ， c o m b i n e dw i t ht h el a t e s ta g e n tt e c h n o l o g y ，d e s i g na na r c h i t e c t u r em o d e l w it hq u e r yf a s t e r ，s m a llb u r d e no ft h en e t w o r k 3i nt h eb a s i so fi n t e l l i g e n ta g e n tm o d e l ，p r o p o s ea na p p r o a c ho fc o s t f u n c t i o nb a s e do nad i s t r i b u t e ds e r v e r s i d ea n dc l i e n ta n dt h u sc a nm a k e t o p o l o g yi n q u i r y 4a p p l i e di nc a b l em o n i t o r i n gc e n t e rs y s t e mi nb e i j i n go fg r i ds t a t e ， v e r i f i e dt h eq u e r ys y s t e mm o d e ld e s i g n e di nt h i sp a p e r ，a tt h ep r e s e n t t i m e ，r e a c h e st h ed e s i r e dr e s u l t s k e y w o r d sd i s t r i b u t e d g i s ；i n t e l l i g e n ta g e n t ；q u e r yo p t i m i z a t i o n ；c o s tf u n c t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：向牟色型垒日期：兰盈：堕d 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：1 南盐色盟垒 导师签名： 日期：乏1 2 塑 第l 章绪论 1 1 研究的背景与意义 第1 章绪论 人类活动中约7 5 8 0 的信息与地理空间位置有关，地理信息系统 ( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m , g i s ) 是一种采集、处理、存贮、管理、 分析、输出地理空间数据及其属性信息的计算机信息系统n 1 。自2 0 世纪6 0 年代 诞生以来，g i s 发展迅速，应用也日趋深化和广泛，逐步融入信息技术( i t ) 的主 流，正在成为信息产业新的增长点，是发展潜力巨大的地理信息产业的主要组成 部分之一。 地理信息系统作为获取、处理、管理和分析地理空间数据的重要工具、技术 和学科，近年来得到了广泛关注和迅猛发展乜1 。从技术和应用的角度，g i s 是解 决空间问题的工具、方法和技术：从学科的角度，g i s 是在地理学、地图学、测 量学和计算机科学等学科基础上发展起来的一门综合学科，具有独立的学科体系： 从功能上，g i s 具有空间数据的获取、存储、显示、编辑、处理、分析和应用等 功能：从系统学的角度，g i s 具有一定的结构和功能，是一个完整的系统。g i s 的 一个突出特点是精确地描述空间实体及它们之间的相互关系，可用来分析和处理 一定地理区域内的分布现象或过程，或对自然资源与管理做出的规划决策提供较 为精确的数据支持。在我国，气象部门、测绘部门、地震及地球物理研究部门都 广泛采用了g i s 技术。 近年来，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i n t e r n e t 技术、面向对象的数据库技术、三维技 术、图像处理和人工智能技术都直接应用到g i s 中【引。随着计算机网络向着开放 化、集成化、高速化和智能化的持续发展，以及面向对象技术的日益成熟，分布 式对象技术应运而生并在软件开发领域占据了越来越重要的地位，各g i s 厂商相 继推出了自己的分布式g i s 产品，为实现开放式、分布式g i s 提供了基本的环境。 分布式地理信息系统是在计算机网络环境下，以分布式计算的理论和技术以 及计算机网络技术为应用指导，来设计建设地理信息系统的理论计算模型h 1 。它 是解决地理数据、软件及硬件等资源共享和进行远程互操作和互运算的有效途 径，是当前地理信息系统领域研究的热点和前沿哺6 1 。 然而，空间数据库信息的产生与应用之间存在着不可调和的矛盾。一方面存 在着数据或信息爆炸现象，如n a s a 的行星地球计划每人产生l o 儿字节的信息， 加上其他来源，每天产生1 0 1 5 字节的海量信息；但是，另一方面，社会迫切需求 北京工业大学工学坝十掌位论文 信息，而这些信息却没有得到充分利用n 1 。海量信息的存储、管理需要花费大量 的人力、物力和财力，由于没有有效的下载、查询、浏览工具，不能有效地利用， 不能产生经济价值。这种生产和应用矛盾的不断激化，只有借助互联网、分布式 对象技术和地理信息系统的技术才能有效地实现数据产生和应用之间的数据预 览、分发环节。 分布式地理信息系统数据表现、数据查询和数据存储逻辑部署在不同的物理 设备上。例如数据表现一般在客户端，数据查询部件部署在应用服务器上。数据 存储逻辑部署在空间数据库服务器上。在弹性的多层部署中，客户端、w e b 服务 器、应用服务器、数据库服务器的物理设备是独立的，客户端与应用服务器之间 的通信一般为广域的因特网，应用服务器、数据库服务器之间通过1 0 0 m ，1 0 0 0 m 局域网或宽带网络进行连接，因此数据查询和广域网环境下的数据传输是海量数 据分发的关键哺1 。 1 2 研究现状 地理信息系统技术是一门综合性的技术，它的发展与地理学、地图学、摄影 测量学、遥感技术、数学和统计科学、信息技术等有关学科的发展密不可分m 。 g i s 的发展可分为四个阶段：第一个阶段是初始发展阶段，2 0 世纪6 0 年代世界 上第一个g i s 系统由加拿大测量学家r f t o m l i s o n 提出并建立，主要用于自然 资源的管理和规划；第二个阶段是发展巩固阶段，2 0 世纪7 0 年代由于计算机硬 件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量存储设备的使用，促进了g i s 朝着实用 的方向发展，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 各地纷纷付诸研发，如美国、英国、德国、瑞典和日本等国对g i s 的研究都投入 了大量的人力、物力和财力；第三个阶段是推广应用阶段，2 0 世纪8 0 年代，g i s 逐步走向成熟，并在全世界范围内全面推广，应用领域不断扩大，并与卫星遥感 技术结合，开始应用于全球性的问题，这个阶段涌现出一大批g i s 软件，如 a r c i n f o ，g e n a m a p ，s p a n s ，m a p i n f o ，e r d a s ，m i c r o s t a t i o n 等；第四个阶段 是蓬勃发展阶段，2 0 世纪9 0 年代，随着地理信息产品的建立和数字化信息产品 在全世界的普及，g i s 成为确定性的产业，并逐渐渗透到各行各业，成为人们生 活、学习和工作不可缺少的工具和助手。目前，国外的很多g i s 厂商都展开了分 布式g i s 的研究和开发，其中颇具代表性的有：a u t o d e s k 公司的m a p g u i d e 、e s r i 公司的m a p o b j e c t s 、i m s 和a r c v i e wi m s 、i n t e r g r a p h 公司的g e o m a d i aw e bm a p 、 m a p i n f o 公司的m a p x s i t ea n dm a px t r e m e 。 地理信息系统的研制与应用在我国起步较晚，虽然历史较短，但发展势头迅 猛。我国g i s 的发展可分为三个阶段n 0 1 。第一阶段从1 9 7 0 年到1 9 8 0 年，为准备 2 第l 苹绪论 阶段，主要经历了提出倡议、组建队伍、培训人才、组织个别实验研究等阶段。 机械制图和遥感应用，为g i s 的研制和应用做了技术和理论上的准备。第二阶段 从1 9 8 1 年到1 9 8 5 年，为起步阶段，完成了技术引进、数据规范和标准的研究、 空间数据库的建立、数据处理和分析算法及应用软件的开发等环节，对g i s 进行 了理论探索和区域性的实验研究。第三个阶段从1 9 8 6 年到现在，为初步发展阶 段，我国g i s 的研究和应用进入有组织、有计划、有目标的阶段，逐步建立了不 同层次、不同规模的组织机构、研究中心和实验室n 妇n 羽。目前，我国开始出版有 关地理信息系统理论、技术和应用等方面的书籍，设立了地理信息系统专业，培 养了大批人才，并积极开展国际合作，参与全球性地理信息系统的研讨和实验。 在科技部等国家有关部门的大力组织和支持下，国产g i s 基础软件开发工作取得 了重要进展，出现了一批g i s 高技术企业，开发出了较为成熟的国产g i s 软件， 如m a p g i s 、g e o s t a r 、c i t y s t a r 、s u p e r m a p 、m a p e n g i n e 、g r o w 等，并形成了一 定的产业规模。其中研发的有代表性的分布式g i s 产品有：武汉测绘科技大学研 制的g e o s u r f 、国家遥感应用工程技术研究中心网络与运行工程部开发的地网 g e o b e a n s 。这些国产g i s 软件以较高的性价比，打破了国外g i s 软件对我国市场 的垄断，有力促进了我国地理信息系统技术的发展。 在过去2 0 多年里，各国研究人员致力于研究g i s 中的各项技术，尤其是开 发高效的空间数据存取方法。空间索引是分布式地理信息系统和海量空间数据库 的一项关键技术，空间索引方法的采纳与否以及空间索引性能的优劣直接影响空 间数据库和地理信息系统的整体性能。例如，空间查询语言中常见的区域查询， 在有无空间索引的情况下，效率可能相差几十甚至上百倍。近年来，g i s 技术已 经在我国得到了广泛应用，其应用面从传统的城市规划、土地利用、测绘、环境 保护、电力、电信、减灾防灾等领域渗透到矿产资源调查、海洋资源调查与管理 等各方面，取得了丰硕的成果并带来了巨大的经济效益n 引。 1 3 论文的结构与内容 第1 章是绪论。介绍了课题的研究背景与意义、研究现状、论文的结构与 内容。 第2 章是分布式地理信息系统基础。主要叙述了分布式计算机系统的定义、 特征、分类及设计分布式系统的要求，详细阐述了分布式地理信息系统的数据模 型、组织方式、几何对象以及地理信息系统中必须使用的空间参考系统。 第3 章是a g e n t 技术在分布式g i s 中的应用。本章首先介绍a g e n t 技术的 基础知识和多a g e n t 技术的协作方式，然后详细论述了目前实现分布式g i s 系统 的两种体系结构和这两种结构的优缺点。并分析阐明为何要在分布式g i s 中使用 北京工业大学工学硕上学位论文 a g e n t 代理技术及其应用模型。 第4 章是空间数据库查询优化及其实现。主要介绍空间数据的存取方法、 比较典型的空间索引算法以及如何选择合适的空间数据的索引算法。并分析当前 g i s 中数据查询技术的特点，根据人工智能的动态规划的方法，提出了基于客户 端和服务器端的代价函数。并把该算法和原型系统的组成、结构及在北京市电缆 厂集中监控中心系统中的应用。 最后是本文的结论，即对学位论文工作进行总结、归纳，并对进一步的研 究进行了展望。 4 量：萎丝垩至耋矍篁呈耋至茎型 第2 章分布式地理信息系统基础 2 1 分布式计算机系统 2 11 分布式计算机系统定义 第一次分布式计算机系统国际会议给出了分布式计算机系统( d c s ) 的定义： 分布式计算机系统是由多个高速的处理资源组成能够在系统范围控制下对 单个问题进行合作，并最少依赖集中的过程、数据或硬件“”“。 图2 - 1 是一个典型的分布式计算机系统示意图。 图2 - 1 分布式计算机示意图 f i g2 - 1t h e i l l u s t r a t i o no f t h ed i s t r i b u t e dc o m p u t e rs y s t e m 分布式系统有两个最基本的属性，一是它所包含的计算单元的自治性，每个 计算单元具有自己的物理存储和处理器，可以独立自治地进行工作：二是它的统 一性，计算单元之间相互通信协同工作，呈现给用户的是逻辑上统一的系统。分 布式系统还必须是可动态扩展的，支持不定数目的进程或计算单元。 从资源管理的观点看，分布式系统允许多个用户和应用共享分布式网络上的 各种资源，如c p u 、存储、外设及各种数据等。从虚拟机的观点看，分布式系统 隐藏了系统中计算单元的不同硬件结构的异构性和复杂性，以统一的虚拟机形式 提供给用户使用。 2 1 2 分布式计算机系统特征 分布式计算机系统有六个主要特征n 7 m 8 3 ： 1 、资源分散性 通常计算机系统包括物理资源( 中央处理器、存储器、输出输入设备) 和逻辑 资源( 文件系统、各种软件系统等) 。所谓分布式是相对于集中式而言的，一般是 指其功能是分布式的，是通过资源分散配置来实现的。传统的计算机是单机集中 式，其功能和资源都是集中式。而分布式系统是把处理功能、存储功能、传输功 能分散到各个系统，软件的资源分散到各个系统上，通过通信网络和软件把它们 连成一个整体。 2 、工作并行性 工作并行性是由于它的资源分散和重复性，真正实现了多指令多数据流。这 是一种真正的并行而不是并发执行。分时系统中，对每个用户来说宏观上好象是 并行工作，但某一时刻，中央处理器只能处理一个作业，实质上是串行地执行。 而分布式系统，每台计算机都具有自己的c p u 和存储器，允许多个进程真正并行 执行。 3 、结构模块性 结构模块性是指系统由多个分散的物理和逻辑资源组成。它们虽然互连成一 个整体，但它们分别又是相互独立的。每个子系统或节点有独立的处理功能、存 储功能、i 0 设备、通信功能，这样就形成一个完整的模块，这种模块性的结构 易于扩展、更新和重构。 4 、协作自治性 分布式系统中控制上的自治性是区别多处理机系统的关键所在。并行处理和 多处理机系统大多共享它们的内存，对资源集中控制和管理。而分布式计算机系 统采用协作自治管理方式。这种控制自治性体现在各个模块是处于平等自治地 位，分别是在统一协调配合下自主地工作。这种工作方式使系统有了任意扩展的 可能，并使其工作可靠性得到确实的保证。 5 、运行坚定性 系统总是会出错的，这包括硬件系统和软件系统的故障。为了提高系统的可 利用性和可靠性，近几年对容错技术进行了大量的研究。分布式系统对于冗余、 重构、快速恢复的潜在能力具有突出的优越性。由于模块结构和在操作系统级采 用了容错的措施，使分布式系统在当出现故障时，首先可以降级使用或采用重构 的措施，特别是近几年在分布式操作系统级实现了进程迁移，使系统对用户运行 更加坚定。 6 、系统透明性 6 第2 章分布式地理信息系统萃础 系统对用户透明己成为分布式计算机系统最突出的特征之一。很多多机系统 和网络系统均不满足这一条件。对于局域网，其系统的拓扑结构、互联网方式、 传输介质、通信速率和辖域与分布式系统类似，但只是为了通信和共享资源而己， 而分布式计算机系统对用户是透明的，即用户不知道它的程序在哪一台机器上运 行，也不知道它的文件存于何处，当调用一个文件系统时，系统能保证总是提供 最新版本。这方面的典型系统有美国u c l a 的l o c u s 分布式系统。下面是 a n s a ( a d v a n c e dn e t w o r ks y s t e ma r c h i t e c t u r e ) 定义的8 种透明性n 钔： 访问透明性：可用同样的操作访问本地和远程的文件以及其他对象。 位置透明性：访问任何对象时都不必了解其所在位置。 并发透明性：多个用户或应用程序在使用共亨数据时互相不干扰。 复制透明性：可以使用文件或其他数据的多个副本以增加可靠性和性能，但 用户或应用程序不必了解是否使用了副本。 错误透明性：错误被封闭起来，即使出现了软硬件故障，也不影响应用程序 完成任务。 迁移透明性：系统中的对象可在不同机器之间迁移，但不影响应用程序运行。 性能透明性：允许系统进行重构来改变性能，从而适应用户负载的变化。 伸缩透明性：允许系统或应用扩充规模而不必改变系统结构或应用算法。 2 1 3 分布式计算机系统分类 按照分布式计算机系统中各个计算机互相连接的紧密程度，分布式系统可分 为紧密耦合系统和松散耦合系统两大类。紧密耦合系统用一种全局的观点来管辖 各种系统资源，它的主要目的是隐藏底层硬件的异构性和复杂性。这样的系统通 常又称为分布式操作系统，或者全分布式系统。松散耦合的系统是通过网络连接 的一群计算机，其中每台计算机运行自己的操作系统且为其他的计算机提供系统 服务。典型的松散耦合的分布式系统有网络操作系统和基于中间件的分布式系 统。 2 1 4 分布式计算机系统的设计要求 分布式计算机系统的设计要求表现在以下四个方面： l 、互操作性 网络连接的站点机上各种不同计算资源可能具有非常不同的异构特征，比如 异构的计算机硬件和操作系统、不同的程序设计语言和应用接口等，分布式系统 要求能使用户对这些资源进行远程访问，实现资源共享。比如远程调用一个服务 器或者使用一台打印机。异构性为实现计算资源的远程访问带来困难。在分布式 7 北京丁业大学工学硕士学位论文 系统中，需要有不同层次的连接和信息交换协议，语义上的共同理解才能使不同 的站点机之间进行互操作。由于各种计算资源在网络上是分布和动态配置的，对 计算资源的安全性控制和一致性也成为互操作的一个主要问题， 2 、透明性 呈现给用户的分布式系统应是一个单一的系统，而物理分布在网络上不同站 点机的种信息，包括进程和数据资源信息，都不同程度地被屏蔽，这就叫做透明 性。 3 、开放性 开放性并非指系统的用户界面、a p i 和使用文档的发布和公开化，而是指分 布式系统设计必须遵循公共的标准规范。分布式系统必须是可灵活配置的和可扩 充的。那些新加的或者替换的软件模块可能是由不同的软件开发商生产的，但只 要它们满足相同的标准规范，它们就可以容易地重新配置，生成新的分布式系统。 4 、可伸缩性 分布式系统要求系统规模是易于扩张的，新的用户或资源要易于加入，而这 些要求加入系统的用户和资源可能在地理位置上是分布的：最后还要求所有这些 可伸缩性是可管理和可控制的。 2 2 地理信息基础 2 2 1 分布式地理信息 任何信息系统，信息都是基础的基础，地理信息系统更是如此。地理信息系 统是处理地理信息的信息系统。地理信息( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o n ，g i ) n m l 】 是一种重要的分布式信息资源，它包括表征直接或间接与地理圈内各种现象的数 量、质量、分布特征、空间关系和规律等有联系的数字、文字、图形、图像信息。 它具有描述现象本身、记录现象的空间位置和反映现象变化过程的三个基本特 征。它是现实世界中联系各种信息，形成在空间和时间上连续分布的综合信息的 基础。而分布式地理信息( d is t r i b u t e dg e o g r a p h yi n f o r m a t i o n ，d g i ) 的概念是 指地理信息存在的形式具有分布式的性质。 地理空间信息是对地理信息系统中地理空间实体的抽象描述。地理空间实体 是组成地理空间信息的基本单位，是地理空间信息模型乃至g i s 的基础。地理空 间实体是指具有空间分布特征和一定几何形态的事物和现象，可分为资源、环境、 经济和社会以及地质、地形、气候、植物、耕地、水文、经济与社会等。所有的 地理空间实体都是分布在一定的地理系统中的，有着地理性质的相互关系，形成 了空间的分布、形成、结构和变化规律等方面的内涵。 8 第2 章分布式地理信息系统基础 地理空间实体有两个最基本的特征，那就是空间要素和属性要素豫幻。空间要 素指的是地理空间实体的几何形态及其与其它地理空间实体的空间关系，属性要 素则指的是地理空间实体的社会意义。由于地理空间实体具有复杂性和多样性的 特点，对其分类要同时兼顾其空间要素和属性要素两个特征，因此，一般将地理 空间实体划分为零维实体、一维实体、二维实体以及复杂实体等四类2 0 多种。 地理空间信息的组织我们通常采用图层的方式。一个图层是一定空间范围内具有 相同属性要素的同类地理空间实体的有机集合。通常称图层是地理空间实体的有 机集合，但图层并不是这些地理空间实体的简单堆砌，而是在某种特殊应用领域 下地理空间实体的组合，并且相互之间有着密切的联系。 所谓分布式就是指数据和程序不分配在一个服务器上，而是分散到多个服务 器，以网络上分散分布的地理信息数据及受其影响的数据库操作为研究对象的一 种理论计算模型口射。分布式有利于任务在整个计算机系统上进行分配与优化，克 服了传统集中式系统会导致中心主机资源紧张与响应瓶颈的缺陷，解决了网络 g i s 中存在的数据异构、数据共享、运算复杂等问题，是地理信息系统技术的一 大进步。分布式g i s 与当今主导地理信息系统发展方向的技术的紧密联系使分 布式g i s 相应地成为地理信息系统的主要发展趋势。 2 - 2 2 分布式g i s 的数据模型 a ) 拓扑关系的数据模型b ) 面向实体的数据模型 a ) t h ed a t am o d e lb a s e do nt h et o p o l o g yb ) t h ed a t am o d e lb a s e do nt h ee n t i t y 图2 - 2 两种典型的g i s 数据模型 f i g 2 2t w ok i n d so ft y p i c a lg i sd a t am o d e l 1 、拓扑关系数据模型 很多g i s 软件采用了以“结点一弧段一多边形 拓扑关系为基础的数据模型， 我们称这种数据模型为拓扑关系数据模型乜劓。在拓扑数据模型的基础上，一些软 件将空间数据和属性数据分开存放，如8 o 版以前的a r c i n f o 。将位置坐标数 9 北京丁业大学t 学硕十学位论文 据存放在文件系统中，而将拓扑属性和其它属性存放在关系数据库系统的二维表 格中；另一些软件将坐标数据和属性数据统一存放在关系数据库的各种表格中， 一条记录对应一个点、线或面类型的几何要素( 不一定为完整独立的地理要素) 。 拓扑关系数据模型以拓扑关系为基础组织和存储各个几何要素，其特点是以 点、线、面间的拓扑连接关系为中心，它们的坐标存贮具有依赖关系。该模型的 主要优点是数据结构紧凑，拓扑关系明晰，系统中预先存储的拓扑关系可以有效 提高系统在拓扑查询和网络分析方面的效率。 但是，另一方面，由于拓扑数据模型面向的是整个空间区域，强调的是各几 何要素之间的连接关系，因此略了空间关系中地理实体具有的完整性与独立性。 由于拓扑关系组织的要求，一个完整的简单实体在拓扑关系模型中有时需要 被分解为多个几何要素( 比如一条公路本是一个完整的实体，但为了记录其拓扑 邻接信息，只有对其在与其它公路实体邻接的地方进行分段，这样一个完整的实 体就被分成多个几何要素。所有的实体都进行如此处理，所以我们说拓扑数据模 型是面向整个区域、面向不被分割的几何要素，而不是面向用户眼中的地理实体 的) 。复杂地理实体由多个简单实体组合而成，自然也常常被分解，拓扑数据模 型的整体组织特性注定了它不可能有效地表达这一由多个独立实体构成的有机 集合体。 2 、面向实体的数据模型 这里称为“面向实体 ，是为了强调这种数据模型是以单个空间地理实体为 数据组织和存储的基本单位的乜5 1 。与上述拓扑模型相反，该模型以独立、完整、 具有地理意义的实体为基本单位对地理空间进行表达。在具体组织和存储时，可 将实体的坐标数据和属性数据( 如建立了部分拓扑，拓扑关系也放在表中保存) 分别存放在文件系统和关系数据库中，也可以将二者统一存放在关系数据库中 ( 可以将坐标数据和属性数据放在同_ 个表中，也可以将二者分成两个表) 。 面向实体的数据模型在具体实现时采用的是完全面向对象的软件开发方法， 每个对象( 独立的地理实体) 不仅具有自己独立的属性( 含坐标数据) ，而且具有自 己的行为( 操作) ，能够自己完成一些操作乜6 l 。虽然面向实体的数据模型在内部组 织上可以按照拓扑关系进行，但是作者这里所说的模型强调对象的坐标存贮之间 ( 尤其是面与线的坐标存贮) 不具有依赖关系，这是它与拓扑关系模型的本质不同 点。该模型能够很好地克服拓扑关系数据模型的几个缺点，具有实体管理、修改 方便，查询检索、空间分析容易的优点，更重要的是它能够方便地构造用户需要 的任何复杂地理实体，而且这种模式符合人们看待客观世界的思维习惯，便于用 户理解和接受。同时，面向实体的数据模型自然地具有系统维护和扩充方便的优 点。 同样，另一方面，与基于拓扑关系的数据面向相比，面向实体的数据模型也 1 0 第2 覃分布式地理信息系统基础 存在以下问题： 拓扑关系需临时构建。由于面向实体的数据模型是以地理实体为中心的，并 未以拓扑关系为基础组织、存储地理实体，表达地理空间，因此拓扑关系并不是 一开始就存在，而是在需要时才临时导出各种拓扑关系。 难以将管理、分析和处理定位到几何要素一级。几何要素是指点、弧段和多 边形等简单图形，拓扑数据模型可以直接进行处理，而面向实体的数据模型则需 要首先对相关地理实体进行定位、分解。从本质上分析，我们不难得到，由于该 种模型认为组成同一实体的几何要素之属性相同，因而忽略了几何要素间的属性 差异，从而导致在系统存贮和处理机制上难以定位到几何要素一级。 难以实现跨图层的拓扑查询和分析。如果这个问题放在拓扑关系模型中，则 比较容解决，因为各个要素的邻接要素己事先存在，不仅己经是分层的，而且具 有实际的地理属性，因此只要顺藤摸瓜查找邻接要素并取得其地理属性即可。但 对于面向实体的数据模型，则不能有效地解决，因为临时生成拓扑关系时其中的 几何要素一般属于同一层，不可能自动生成跨图层的地理属性，必须做进一步的 处理方才有可能解决。 经过以上的分析，为了实现拓扑查询，故本课题的g i s 数据组织采用拓扑数 据关系数据模型。 2 2 3 分布式g i s 的数据组织 地理空间数据的组织一般采用典型的地图一图层一几何对象 ( m a p l a y e r g e o m e t r y ) 的结构。在这个模型里，定义了基本的几何类型，如几何 对象( 点、线、多边形等) 、地理空间参考系统对象( 椭球、投影带等) 等等。 空间参考系统( s p a t i a lr e f e r e n c es y s t e m ，s r s ) 应用于整个地图，各个图 层采用统一的参考系统。一个地图里面包含有一个或多个图层，每个图层包括许 多几何对象船7 蚓。地理空间数据模型如图2 3 所示。 s h a p e l a y e r 包含的是具体的几何对象。g e o - - o b j e c t ( 几何对象) 的特征数据 和a t t r i b u t e r e c o r d ( 属性数据) 分别保存在d b m s ( 关系数据库管理系统) 里面。 i m a g e l a y e r 是图像层，是i m a g e o b j e c t ( 图像对象) 的集合。这些图像保存为 i m a g e f i l e ( 图像文件) 。 北京t 业大学1 二学硕十学位论文 图2 3 地理空间数据组织模型 f i g 2 3t h eo r g a n i z a t i o nm o d e lo fg e o - s p a t i a li n f o r m a t i o n 2 2 4 分布式g i s 的几何对象 典型的何对象模型使用点( p o i n t ) 、线( p o l y l i n e ) 和多边形( p o l y g o n ) 作为基 本数据类型。o p e n g i s 规范( o p e n g i ss p e c i f i c a t i o n ) 也延续了这个模型，同 时也定义了许多标准操作的接口。在o p e n g i s 规范里面有两个执行规范：0 l e c o m 和c o r b a 的o p e n g i s 的简单特征集( s i m p l e r e a t u r e s s p e e i f l e a t i o n ) 。 图2 - 4 是o p e n g i s 规范定义的几何对象模型【2 9 1 。在这个模型里，所有的地理 空间元素都派生于抽象的根类型：几何图形( g e o m e t r y ) 。具体的类型有点 ( p o i n t ) 、折线( l i n e s t r i n g ) 、闭合线( l i n e a r r i n g ) 、直线( l i n e ) 、多边形 ( p o l y g o n ) 、复点( m u l t i p o i n t ) 、复线( m u l t i l i n e s t r i n g ) 和复多边形 ( m u l t i p o l y g o n ) 。空间参考系统( s r s ) 也属于几何图形，每个几何对象都有自己 的空间参考系统 1 2 第2 章分布式地理信息系统基础 图2 - 4o g c 定义的简单特征集 f i 簖- 4s i m p l ef e a t u r es e tf o r m u l a t e db yo g c 在第五章原型系统的几何对象模型中，按照o p e n g i s 的规范定义了点、线、 和多边形等抽象类型，另外，还包括曲线和面等扩展类型。空间参考系统没有依 附于每个几何对象，而是对应于包含它们的地图。而且定义边界矩形 ( b o u n d r e c t a n g l e ) ，它是设计用来保存几何对象、图层和地图的外接矩形。 2 2 5 空间参考系统 g i s 的一个重要的特征是g i