（计算机软件与理论专业论文）基于gis的地名数据库系统.pdf

基于g i s 的地名数据库系统 摘要 近年来随着各级政府对地名数据库建设的重视加强、各职能部门对 其相关应用的需求扩展，地名数据库系统的建设已成为城区建设和发展 的一项重要内容。本文所提出的系统是一个通用性地名管理工具，旨在 提供地名数据和海量空间数据的组织、建库、维护、更新、安全管理、 数据发布和元数据发布等服务。该系统进一步提高了地名管理工作的科 学化、规范化、标准化和信息化水平，为社会的建设、管理提供了更好 的地名信息查询和地图定位服务。 本文首先介绍地名数据库的研究意义、国内外研究现状，以及g i s 的相关基础知识；接着介绍了系统所用到的空间数据模型g e o d a t a b a s e 模型及空间数据引擎a r c s d e ；论文详细阐述了系统的目标任务、设计 原则、总体结构、技术路线和关键技术等。该系统不仅实现了地图的显 示、放大、缩小、漫游等g i s 的基本功能，并具有地名信息的录入、查 询、维护、检测等地名管理功能；此外论文以地名数据库建库的顺序为 出发点，提出了数据库中属性数据质量的控制方法，并取得了一定的有 效检测效果。文中还给出了一个通用地名数据库系统的实例金华市 地名数据库系统。论文最后对所做工作进行了总结和展望。 地名数据库系统基于大型数据库o r a c l e 开发，以a r c s d e 为中间件 进行数据库操作。矢量数据存储于o r a c l e 数据库中，由应用系统通过 a r c s d e 访问数据库，实现对地名数据的存储、管理、应用；面栅格数 据以文件的形式存储。系统以c s 作为开发模式，采用c + + 基于组件技 术开发。 关键词：，地理信息系统，g e o d a t a b s e ，空间数据引擎，地名数据库 j 】 t h et o p o n y md a t a b a s es y s t e m b a s e do ng l s a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，w i t h a l ll e v e l s g o v e r n m e n t ss t r e n g t h e n i n g c o n s t r u c t i o n ，f u n c t i o n a ld e p a r t m e n t se x p e n d i n ga p p l i c a t i o nn e e d s ，t h e c o n s t r u c t i o no ft h e t o p o n y md a t a b a s es y s t e mh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t e l e m e n to ft h eu r b a nc o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n t t h es y s t e mp r e s e n t e di n t h i sp a p e ri sag e n e r i cm a n a g e m e n tt o o lo ft o p o n y m ，w h i c hi sd e s i g n e dt o p r o v i d eas e r i e so fs e r v i c e sf o rt o p o n y md a t aa n dm a s ss p a c ed a t a ，s u c ha s o r g a n i z a t i o n ，c o n s t r u c t i o n ，m a i n t e n a n c e ，u p d a t i n g ，s e c u r i t ym a n a g e m e n t , d a t ai s s u ea n dm e t a d a t ai s s u e t h es y s t e mh a sf u r t h e re n h a n c e dt o p o n y m m a n a g e m e n tl e v e lo fs c i e n t i f i c ，s t a n d a r d i z a t i o na n di n f o r m a t i o n ；i ta l s o p r o v i d e sb e t t e rs e r v i c e so ft o p o n y mi n f o r m a t i o nq u e r ya n dm a po r i e n t a t i o n f o rt h ec o n s t r u c t i o na n d m a n a g e m e n to fs o c i a l i t b e g i n sb yi n t r o d u c i n gr e s e a r c hs i g n i f i c a n c e ，h o m ea n da b r o a d r e s e a r c ha c t u a l i t yo ft h et o p o n y ms y s t e ma n db a s i ck n o w l e d g ea b o u tg i s u s e di nt h ep a p e r ；t h e ni ti n t r o d u c e st h es p a t i a ld a t am o d e l - - - - - g e o d a t a b a s e a n ds p a t i a ld a t ae n g i n e 一a r c s d eu s e di nt h es y s t e m t h ep a p e re x p a t i a t e p a r t i c u l a r l ya i m sa n dt a s k s ，d e s i g np r i n c i p l e s ，o v e r a l ls t r u c t u r e ，t e c h n o l o g y c o u r s ea n dk e yt e c h n o l o g i e so f t h es y s t e m t h es y s t e md e s i g n e di nt h ep a p e r i i i h a sa c h i e v e dn o r m a lg i sf u n c t i o n s ，s u c ha sm a pd i s p l a y , z o o m i n gi n ， r z o o m i n go u ta n dw a n d e r i n g f u t h e r m o r e ，o t h e rf u n c t i o n s ，l i k ep l a c e n a m e i n p u t t i n g ，q u e r y , m a i n t e n a n c e ，w i l la l s ob ei n t h ec h a r g eo ft h i s s y s t e m f u r t h e r m o r e ，u s i n gt h eo r d e ro fd a t a b a s eb u i l d i n ga sas t a r tp o i n t ，t h ep a p e r p u t s f o r w a r dam e t h o do fc o n t r o l l i n ga t t r i b u t ed a t aq u a l i t y , a n dac e r t a i n d e g r e eo fe f f e c t i v e d e t e c t i o ne f f e c th a sb e e na c h i e v e d a ni n s t a n c ei s i n t r o d u c e di nt h ep a p t e r 一一t 1 1 et o p o n y md a t a b a s es y s t e mo fj i n h u a c i t y f i n a l l yt h ep a p e rd o e ss u m m a r i z a t i o na n de x p e c t a t i o nf o rt h ew o r k t h es y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do nt h el a r g ed a t a b a s e - - - - o r a c l e ， w h i c hd o e sd a t a b a s eo p e r a t i o nu s i n gt h em i d d l e w a r e - - - - a r c s d e t h e v e c t o rd a t ai ss t o r e di nt h eo r a c l e ，t h ea p p l i c a t i o ns y s t e ma c c e s s e so r a c l e t h r o u g h a r c s d e ，a n di ti m p l e m e n t ss t o r a g e ，m a n a g e m e n t ，a n da p p l i c a t i o n o ft h et o p o n y md a t a t h eg r i dd a t ai ss t o r e di nd o c u m e n tf o r m c si st h e d e v e l o p m e n tm o d eo f t h es y s t e m w h i c hi sd e v e l o p e dt h r o u g hc + + b a s e do n g r o u p w a r et e c h n o l o g y k e y w o r d s ：g s ，g e o d a t a b a s e ，s p a t i a ld a t ae n g i n e ，t h et o p o n y md a t a b s e s y s t e m 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机 构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在 论文中作了明确的声明并表示了谢意。 研究生签名：守艿耋。f 1 期：乏唧卜2 j 学位论文使用授权声明 本人完全了解浙江师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意浙江师范大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播论文的全部或部分内容。保密的学位论文在解密后遵守此协议。 研究生躲宁另芡导师虢榴蹶翮一才 浙江师范大学学位论文诚信承诺书 我承诺自觉遵守浙江师范大学研究生学术道德规范管理条 例。我的学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、 观点等，均已明确注明并详细列出有关文献的名称、作者、年份、 刊物名称和出版文献的出版机构、出版地和版次等内容。论文中 未注明的内容为本人的研究成果。 如有违反，本人接受处罚并承担一切责任。 第一章绪论 本章主要阐述对地名数据库研究的目的和意义，介绍地名数据库在国内外的 研究现状，并概括出论文的研究内容与创新点。 1 1 论文的研究目的与意义 地名数据库是空间定位型的关系数据库，它对国家基本比例尺地形图上的各 类地形进行注记，连同其汉语拼音及属性特征等录入计算机建成的数据库i l 】。地 形图中常见的地形包括居民地、河流、湖泊、山脉、山峰、海洋、岛屿、沙漠、 盆地、自然保护区等：地形的属性特征包括类别、政区代码、归属、网格号、交 通代码、高程、图幅号、图名、图版年度、更新日期、x 坐标、y 坐标、经度、 纬度等。地名数据库与地形数据库之间通过技术接口码连接，可以相互访问。当 前地名数据库作为基础空间数据库建设的一个子库，已越来越受到人们的重视。 地名作为最常用的社会公共信息之一，不仅与人们的日常生活息息相关，而 且是国家行政管理、经济建设、国际交往不可或缺的基础信息资源。一方面，随 着社会经济、文化的发展，新地名大量涌现；另一方面，进入信息时代，世界各 国的联系越来越频繁密切，国家、地区间的相互依存，相互渗透不断加深，国际 合作和竞争空前广泛和激烈。地名信息的传递速度不断加快、使用频率日益提高。 对不同语言文字地名之间的转译、国家地名标准化以及及时、高效地收集、整理、 传输地名信息的要求越来越高。总之在当今世界，无论是社会交往、经济交流、 信息传输，还是商业竞争、军事战争都离不开地名信息1 2 】。 更为重要的是，在当今知识经济时代，信息技术是知识经济的基础，而地理 信息正逐步成为信息技术的主流。基础地理信息系统建设已成为信息数字化的基 础和重要方向。所谓基础地理信息，即通用性强，共享需求量大，为几乎所有与 地理信息有关的行业提供统一的空间定位和进行空间分析的基础地理单元。基础 地理信息主要包括三部分内容1 2 1 ：( 1 ) 自然地理信息中的地貌、水质、植被等； ( 2 ) 人文地理信息中的地名、居民点、政区、边界、交通、大型建筑物和构筑 物及其他特殊地物；( 3 ) 用于地理信息定位的地理坐标系网格组成。地名在上述 要素中居于主导地位，因为除了地理坐标系网格和表示地形的等高线以外，其他 的基础地理信息要素离开了地名都无法独立存在。没有名称的点、线、多边形和 数字是不能反映地理信息的。从上述分析可以看出：地名信息是基础地理信息的 基本要素，是以信息为核心的知识经济时代最基础的经济资源。 随着社会信息化的快速发展，我国地名信息系统的建立已成为大势所趋。当 前应迅速建立以计算机为主，结合地图矢量化、扫描等现代化技术的地名信息系 浙江师范大学硕士学位论文 统，快速实现地名信息系统的地名查询、动态管理、图表文字结合可视化、数字 化等高新功能。 建立一个高质量、高效率的地名信息系统，其目的在于： ( 1 ) 地名管理规范化。在很多时候，同一个地方有多个命名，也有许多地 方没有名称，这给地名管理、邮政、快递等工作带来诸多不便。通过地名数据库 的建设，可以使地名规范化、单一化。 ( 2 ) 快速提供地名信息，为地名管理及科研服务，从根本上改变其在管理 和决策手段的落后面貌。 ( 3 ) 准确及时的向社会提供各类地名信息，并且能准确的指出其地理位置。 以方便各界人士的咨询。 ( 4 ) 国家和地方要建立一个统一规范的数据库以便资源共享，防止重复建 设，浪费资金。 ( 5 ) 便于电话定位：即地名数据库与电话号码库结合，快速确定打入电话 的精确位置。这一点在很多的实用地理信息系统中很有意义，如公安、消防g i s 。 目前的系统中有很多是人工定位，速度慢、成本高，建立地名数据库后可以极大 提高定位速度，降低人力成本。 本文研究的主要目的是提供地名数据和海量空间数据的组织、建库、维护、 更新、安全管理、数据发布和元数据发布等方面的服务，为社会的建设、管理提 供更好的地名信息查询和地图定位服务。 1 2 地名数据库的国内外研究现状 地名是人们赋予客观世界中特定地理实体的代号，是区别某一特定地理实体 与其它地理实体的一种标志【3 】。世界上多数发达国家已经建立了国家级地名数据 库。目前，己有1 0 0 多个大型地名数据库投入使用。美、俄等国不仅重视本国地 名数据库的建设与完善，还建立了庞大的世界地名数据库。加拿大、英国等西方 国家还建立了互连网上可供查询的地名词典。 我国的地名档案工作起步较晚，始于1 9 8 2 年。但经过几十年的努力，我国 地名管理工作发生巨大改变，从以前的收工管理到现在的电子化管理，有了质的 飞跃。特别是从2 0 0 3 年民政部颁发关于建立地名数据库有关问题的通知( 民 办函 2 0 0 3 】5 3 号) 以来，全国各省市都加快了当地地名数据库建设的步伐。 目前地名数据库建设取得了很大进展，一些地方已经初步建成了本地的地名 数据库。据了解，全国已有l o 个省( 区、市) 初步完成了省级地名数据库建设， 占省级行政单位总数的3 2 ：其它2 1 个省( 区、市) 已经启动省内各级地名数 据库建设，占省级行政单位总数的6 8 。在全国3 3 5 个地级行政单位中，已有 第一章绪论 1 2 1 个建立了本级地名数据库，占地级行政单位的3 6 。在全国2 8 6 2 个县级行 政单位中，已有9 1 3 个建立了县级地名数据库，占县级行政单位总数的3 l 。在 此基础上许多地方积极探索，开展了多种形式的地名信息服务。比如：沈阳、南 京、长沙、重庆、朝阳等城市开通了地名查询和电话问路热线；全国包建立地方 性地名网站4 8 个；设置地名信息触摸屏上百个；制作地名电子地图数十种。各 地在地名信息化建设和服务工作中知难而进开拓进取，付出了艰辛的努力，积累 了宝贵的经验。数字地名服务的开展得到了人民群众的欢迎和拥护，受到社会各 界的肯定和赞誉。但也必须看到地名信息化建设和服务工作发展还很不平衡，总 体上看仍然处在起步阶段，面临的任务还十分艰巨【钔。 2 0 0 5 年至2 0 0 6 年，民政部规划地名司、民政部地名研究所和解放军总参测 绘信息技术总站联合开发国家地名数据库管理系统。该系统是我国首个国家 级区划、地名、边界信息综合管理软件平台，用于建立内容完备、现势性强的国 家地名数据库。 国家测绘局根据国民经济建设的需要，相继建成了全国l ：1 0 0 万、全国l ： 2 5 万和全国1 ：5 万地名数据库，产生了较好的社会经济效益【5 1 。但就目前而言， 无论在地名的数据量、地名的详细程度、地名的现势性、地名的相关信息的丰富 程度等方面都不能满足社会需求的日益增长。测绘部门正在提高主动服务的意 识，充分满足社会的需求。为此，各省、自治区、直辖市已经完成或即将开始建 设省级l ：1 0 0 0 0 甚至更大比例尺数据库，其中包括地名数据库，以及确定统一 的技术路线和技术方案。 1 t 3 关于g i s 的基础知识 1 3 1 g i s 的定义 g i s ( 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 ，简称g i s ) 作为一种特定而又十分重要的 空间信息系统，是集计算枧科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、 空间科学、信息科学、应用数学、管理科学等多门学科综合的技术。要给出g 1 s 的准确定义是很困难的，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 6 1 。( 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 分成各类应用系统。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 浙江师范大学硕士学位论文 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。 虽然g i s 是一门多学科综合的边缘学科，但其核心是计算机科学，基本技术 包括数据库、。地图可视化及空间分析技术。因此可以给出以下定义 6 j ：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。 尽管现存的地理信息系统软件有很多，但对于它的应用研究，归纳概括起来 有二种情况1 7 】。一是利用g i s 系统来处理用户的数据；二是在g i s 的基础上，利 用它的开发函数库二次开发出用户的专用地理信息系统软件。目前g i s 已成功地 应用到包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域的规划、人口和商业管 理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域。在美国 等发达国家，地理信息系统的应用遍及环境保护、资源保护、灾害预测、投资评 价、城市规划建设、政府管理等众多领域【8 1 们。近年来，经济建设的迅速发展加 速了地理信息系统应用的进程，g i s 在城市规划管理、交通运输、测绘、环保、 农业、制图等领域发挥了重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。 1 3 2 g i s 的的研究内容 ( 1 ) 输入：地理数据如何有效地输入到g i s 系统中是一件琐碎、费时、成本 昂贵的工作。大多数的地理数据是从低质地图输入g i s ，常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；扫描输入面l 临的问题是，如何将扫 描得到的栅格数据转化成g i s 数据库通常要求的点、线、面、拓扑关系等属性形 式。就g i s 这一领域目前的研究进展而言，全自动的智能地图识别短期内基本没 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 场上己有多种交互式矢量化软件出售【u q 3 。 目前g i s 的输入正在越来越多地借助非地图形式，遥感就是其中的一种形 式。遥感是利用遥感器从空中来探测地面物体性质的，它根据不同物体对波谱产 生不同响应的原理，识别地面上各类地物，具有遥远感知事物的意思。遥感数据 己经成为g 1 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，但通过对遥感图像的解释来采集和编译地理信息则是一件困难的事情。 因此g i s 中开始大量融入图像处理技术，许多成熟的g i s 产品，如m a p g i s 都 具有功能齐全的图像处理子系统。 地理数据采集的另一种方式是g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，全球定位系 统) 【1 4 1 。g p s 可以准确、快速地定位在地球表面的任何地点，因此除了作为原始 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。 4 第一章绪论 ( 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 计算机的内存容量己达到g b 级，硬盘容量达到t b 级，但它的存储器对灵活、 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 系统采用了分层技术，即根据地图的某些特征，将其分成若干层，整张地 图是所有层叠加的结果。o i s 在与用户的交换过程中只处理涉及到的层，而不是 整张地图，因而能够对用户的要求做出快速反应。 ( 3 ) 地理数据的操作和分析：g i s 提供了对地理数据有效的管理手段。对图 形数据( 点、线、面) 和属性数据( 向量、矢量) 的增加、删除、修改等具体操作 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 i s 中图形数据和 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会影 响到与之相关的另一类数据，因而解决操作带来的数据一致性和操作效率问题是 g i s 数据操作的主要目标。 地理数据的分析功能，即空间分析，是g i s 得到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，用户可以从己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 的空间分析分为两类：矢量数据空间分析和栅格数据空间分析【1 4 1 。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，目标集统计分析等。栅格数据空闻分析通常包括：记录 分析、叠加分析、滤波分析、扩展领域操作、区域操作、统计分析等。 ( 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，高质量的输出功能对 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。 1 4 论文的创新点与组织结构 目前，地名数据库系统的建设重点在两个方面：属性数据库的设计。如何 设计才能更加高效的组织和管理海量的地名数据；录入数据的质量检查。系统 的设计应该尽量提高录入数据的质量，同时方便操作人员检查纠错。针对这两个 问题本文提出了相应得解决措施。 本文创新点主要有三个： ( 1 ) 坐标定位：该地名数据库系统结合了地理坐标，更具有实用价值，方便 浙江师范大学硕士学位论文 用户使用； ( 2 ) 海量数据的组织与管理：利用g e o d a t a b a s e 作为空问数据模型，a r e s d e 作为空间数据库引擎。 ( 3 ) 属性数据的质量控制：从地名数据库建库流程，上分阶段提出了控制属性 数据质量的方法。 本文分为7 章： 第1 章介绍地名数据库的国内外研究现状，并论述本文的研究目的及意义； 最后简单介绍了g i s 的一些基础知识。 第2 章介绍g e o d a t a b a s e 的空间数据模型，以及空间数据库引擎a r c s d e 的 有关知识等。 第3 章阐述地名数据库的总体设计方式，包括系统实现的目标任务、设计 原则、系统架构和开发环境、总体结构设计：同时重点介绍了系统技术路线和关 键技术。 第4 章详细描述地名数据库系统的功能实现，介绍系统的两大主要模块： 后台维护系统和录入系统。 第5 章探讨了地名数据库系统的关键问题；包括两个方面内容：系统数据 库系统的设计和属性数据的质量控制。 第6 章讲解实例金华市地名数据库的建立；包括系统的数据采集和入 库工作等。 第7 章对论文进行总结并对下一步的工作进行展望。 6 第二章基于g e o d a t a b a s e 的空间数据模型 g i s 作为复杂的空间信息系统，不仅能够存储、分析和表达现实世界中各种 地理对象的属性信息，而且涉及大量复杂的空间定位特征及可能的拓扑关系的组 织和管理。与信息系统息息相关的数据模型作为对客观事物及现象抽象概括的结 果，是关于数据和逻辑联系的组织形式的表示。空间数据模型则在空间语义和属 性语义方面更加完整地模拟和抽象客观地理世界。因而，空间数据模型不仅是 g i s 数据库系统的核心，也是所有g i s 赖以成功的基石【1 5 】。 2 1 空间数据模型的发展 2 1 1 空间数据模型的发展里程 随着信息技术的不断发展，地理信息系统软件已经经历了三代空间数据模 型，即c a d 数据模型、c o v e r a g e 数据模型和g e o d a t a b a s e 数据模型 阍。 ( 1 ) 第一代地理数据模型弋a d 第一代地理数据模型于2 0 世纪6 0 7 0 年代源自通用的c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ，计算机辅助设计) 软件。就其本质而言，c a d 模型是地理信息计算机 化的图形表示。c a d 数据模型用二进制文件存储地理数据，使用点、线、面描 述空间实体，几何要素与相关的颜色、形状等属性存放在一起，而图层和注记号 则是它对属性的主要表达方式。由此可见，c a d 存储格式不能完全表达空间要 素的属性信息，空间数据之间当然也不可能建立拓扑关系或实现空间分析。存储 结构的局限使c a d 数据模型随地理信息系统的发展而逐步被淘汰。 ( 2 ) 第二代地理数据模型c o v e r a 2 e 1 9 8 1 年，e s r i 公司推出了它的第一个商业化g i s 软件m c 胁f o 。 a r c l n f o 实现了第二代地理数据模型c o v e r a g e 数据模型。c o v e r a g e 数据模型 是基于地理关联的矢量数据模型，也被称为地理相关数据模型( o e o r e l a t i o n a ld a t a m o d e l ) 。 由于当时计算机硬件性能和数据库软件技术的局限，关系数据库不能够直接 存储和管理空间数据，但c o v e r a g e 数据模型则采取一种折衷的方式把空间数据 与属性数据分开管理。在当时，c o v e r a g e 数据模型具有以下两方面的优点：空 间数据与属性数据相互关联。空间数据存储在具有索引表的二进制文件中，这些 文件经过优化处理即可以进行空间数据的显示和存取。而属性数据是以数据表的 形式存储，数据表中存储的记录数等于存于二进制文件中的空间图形要素的数 目。此外，数据表中的每一条记录都与相应的图形要素之间通过相同的标识i d 7 浙江师范大学硕士学位论文 关联。矢量要素之间的拓扑关系可以保存。而且用户可以拓展甚至是自定义特 征表，也可以与外部动态或静态数据库建立关联。c o v e r a g e 数据模型强调了几何 特征和空间要素的拓扑关系，并兼顾空间数据和非空间数据两种不同性质数据的 特点，有效地实现了两类数据的联合操作和管理，使得高性能g i s 成为可能。尤 其是属性数据得到了高效r d b m s 地支持，使地理空间数据模型得以进一步发 展；1 9 8 5 年e s r i 公司分别推出了不规则三角网t i n 和面向多用户的基于 c o v e r a g e 要素的格网级图库a r e i n f ol i b r a r i a n ；1 9 9 1 年又分别推出了基于图像和 格网组织结构的i m a g ec a t a l o g 和基于地理关联的栅格数据模型g r i d ：1 9 9 4 年， e s r i 在空间数据存储结构的解决方案中出台了面向多用户、基于c o v e r a g e 要素 的要素级图库a r e s t o r m 和基于地理关联的矢量数据格式s h a p e f i l e 。正是由于这 些优点，c o v e r a g e 数据模型在其出现后的近2 0 年时间里一直处于g i s 数据模型 领域的标准地位。 ( 3 ) 第三代地理数据模型- g e o d a t a b a s e g e o d a t a b a s e ( g e o g r a p h i cd a t a b a s e ) 是a r c i n f o8 引入的一个全新的空间数据 模型，是建立在d b m s 之上的统一、智能化的空间数据库，并在专题图层和空 间表达中组织g i s 数据的核心地理信息模型【i 卯。所谓“统一”，是指g e o d a t a b a s e 可以在同一个的模型框架下对g i s 通常需要处理和表达的地理空间要素，如矢 量、栅格、三维表面、网络、地址等进行统一的描述，而之前所有的空间数据模 型都不能做到这一点。所谓“智能化”，是指在g e o d a t a b a s e 模型中地理空间要素 的表达较之以往的模型更加接近与我们对现实事物对象的认识和表达方式。 g e o d a t a b a s e 中引入了地理空间要素的行为、规则和关系，当处理g e o d a t a b a s e 中 的要素时，对其基本的行为和必须满足的规则，无需通过程序编码；对其特殊的 行为和规则，则可以通过要素扩展进行客户化定制，这些是之前任何空间数据模 型都无法做到的1 1 6 1 。 2 1 2 三种空间数据模型的优缺点 ( 1 ) 第一、二代地理数据模型的缺点1 1 7 q 9 第一、二代地理数据模型在其诞生之初，有着其在当时技术水平条件下先进 和优越的地方，但是随着地理信息技术的日益更新和发展，其弊端便逐渐显现出 来。c a d 数据模型的存储格式不能完全表达空间要素的属性信息，空间数据之 间也不能够建立拓扑关系或实现空间分析。存储结构的局限使c a d 数据模型随 地理信息系统的发展而逐步被淘汰。 c o v e r a g e 数据模型虽然在相当长的一段时间内保持着g i s 数据模型领域的 标准地位，但是在以c o v e r a g e 为代表的第二代数据模型中，空间数据是作为一 第二章基于g e o d a t a b a s e 的空间数据模型 个整体单独储存在二进制文件中。所以，g i s 软件在操作空间数据时就迫不得己 地直接与一个个独立的二进制文件进行对话。这样不仅增加了数据转换成本也限 制了海量数据的存储与管理。对日益趋向企业级甚至社会级的g i s 应用而言，这 种空间存储方案已很难适用。同时随着空间技术及g i s 应用要求的提高， c o v e r a g e 数据模型的另一缺陷日益蔽露：特征聚集在类似的空间要素集合中不具 有特殊的特征行为，因此模型在描述丰富、复杂的地理对象时很受限制。虽然通 过a r c 宏语言，a m l 或v b a 宏可以有限制地设计某些要素模型及其相关行为， 但这种外部代码对要素及其特征之间连接较为松散，而且编写复杂、易出错误。 而随着数据库技术的性能和功能的不断提高，将所有的空间数据和属性数据直接 存储在同一个数据库中己成为可能。这也就决定了第二代地理数据模型必然被取 代。 ( 2 ) 第三代地理数据模型的优点 g e o d a t a b a s e ( g e o g r a p h i ed a t a b a s e ) 在实现上使用了标准的关系一对象数据库 技术，它支持一套完整的拓扑特征集，便于大型数据库系统在数据方面的管理， 这种基于格网级r d b m s 的数据模型不仅支持以往的数据格式，同时也拓展了 c a d 和c o v e r a g e 数据模型所不能支持的特殊的行为。与以往的数据存储格式相 比较，g e o d a t a b a s e 具有无可比拟的优越性： 实现了数据源系统内的无缝集成。g e o d a t a b a s e 在逻辑上统一了a r e i n f q 以往空间数据模型，为上层应用提供了一致的数据接口。所有地理数据，包括 c a d 、影像、矢量数据、栅格数据、t i n 、地址数据等都可存储于g e o d a t a b a s e 中统一管理，从而实现了在同一数据库中无需数据转换而统一管理储存和处理各 种模型的空间数据。 实现了严格意义上的地理空间数据库。g e o d a t a b a s e 是基于r d b m s 的空 间数据模型，可将空间数据和属性数据集成在同一个关系型数据库中，改变了传 统模型中二者通过i d 联系的状态。g e o d a t a b a s e 可以充分利用关系数据库高效的 数据库管理能力，并可以管理一个支持工作流及并发编辑的多版本数据库。 面向对象的属性和行为的智能化。g e o d a t a b a s e 数据模型不仅接近于人类 对现实事物对象的认识和表述方式，而且还具有较好的客户化能力和可扩展能 力。在基于g e o d a t a b a s e 模型的应用中，面向用户的不再是抽象的点、线、面， 而是具体应用的实体，例如水井、河流、湖泊等，模型中对象间的组成关系、层 次关系也接近现实状况，从而清晰易懂。同时由于对象的可继承性和可扩充性， 所以可以使用户基于已有的基础对象构建出符合要求的对象。 实现连续空间要素的无缝存储。g e o d a t a b a s e 存储结构可以容纳非常巨大 而连续的要素集和特征组，无需分幅、分块存储和空间分离。 9 浙江师范大学硕。j 二学位论文 高效维护网络拓扑关系和网络连通性。g e o d a t a b a s e 中拓扑是基于重合而 非几何共享，其逻辑网络可以有效保持现行拓扑关系和几何网络的连通性，从而 避免了拓扑重建这样一个重复、冗长的操作。而c o v e r a g e 数据模型是通过编辑 和拓扑重建支持拓扑从生成到死亡的周期。 支持包含离散要素的复杂网络要素建模。g e o d a t a b a s e 模型的几何网络中 引入了复杂型交点、复杂型边线等概念。一般复杂型交点或边线在几何网络中是 由许多图素组成，但g e o d a t a b a s e 在创建几何拓扑时，不用关心其复杂的逻辑网 络组织结构，而是将其整体作为简单的节点或边线看待。 要素之间的相邻关系内容更为丰富。用户不仅可以定义特征要素的性质， 而且可以描述它与其它特征要素的相邻关系。这种相邻关系能够让用户详细地说 明一个要素在相关要素被移动、改变或删除时所发生的行为，并且能够让用户借 助行为和关联关系回访到与之相关的特征要素。 对象属性的整体约束。通过智能化域定义及空间要素的合法性规则检验， 强制实现对象属性的整体约束性。例如，可以将“烟酒店不能设在距离小学1 0 0 0 米的范围内”等规则加入到某些应用的数据编辑中，使空间数据录入与编辑更加 准确。 2 2 基于g e o d a t a b a s e 的空间数据模型 2 2 1 g e o d a t a h a s e 空间数据模型在r d b m s 中的存储 g e o d a t a b a s e ，又称为地理数据库( g e o g r a p h i cd a t a b a s e ) ，是一种采用标准关 系数据库技术来表现地理信息的数据模型，支持在标准的d b m s 表中存储和管 理地理信息 2 0 1 。 g e o d a t a b a s e 相对于其所选用的d b m s 而言，扮演了“中间件”的角色。通 过中间件技术，将不同的操作系统平台和数据库平台的差异屏蔽在中间件之后， 并高度专业化地实现了面向空间数据的管理和应用所需的技术，供不同的客户端 高效地共享和互操作。在采用g e o d a t a b a s e 空间数据模型的系统中，地理数据的 管理工作是由g i s 软件和r d b m s 来共同完成的。r d b m s 存储地理数据，g i s 软件则通过定义r d b m s 表，用来表示各种地理数据和特定领域内的逻辑，以及 维护数据的完整性和实用性1 2 ”。 空间数据一般存储为矢量数据、栅格数据以及传统意义上的属性表。例如， 一个r d b m s 表中可以用来存放一个要素的集合，表中的每行保存一个要素，而 每行中的s h a p e 字段存储要素的空间几何或形状信息。相似的要素的集合具有相 同的空间类型( 如点，线或面) ，再加上一组属性字段，由一个单一的表来管理， 1 0 称为要素类( f e a t u r ec l a s s ) 。栅格和图像数据也存放在关系表中，栅格数据通常较 大，因而采取把栅格数据分成若干块( b l o c k ) 的方法，存放在单独的块表记录中。 同时，通过建立“金字塔”索引，可以提高栅格数据的检索和现实效率。 g 南d a t a b a s e 的模式包括地理数据的定义、完整性规则和行为。例如要素类 的属性、拓扑、网络、影像目录、关系、域等1 2 2 】。模式由d b m s 中一组定义地 理信息完整性和行为的g e o d a t a b a s e 的元数据表( m e t a t a b l e ) 来维护。 r d b m s 要素集( d a t a s ：包含用于建立拓扑和网络对象的 空间相关的要素类。要素集中的要素类必须具有相 同的空回参考 要素类“f 髓t u 心i a s s ) ：代表点、线，面等几何图形 的地理要素集。每行记录是一个要素( f e a t u r e ) 。 表：记录的集合，每个表带有相同的字段，要素类 是带有s h a p e 字段的表。 域：定义的组字段的有效取值或范围。 关系类；从一个要素类或表到另一个要素类或表的 关系对象，关系类允许有用户自定义的字段。 关系类：从一个要素类或袭到另一个要素类或表的 关系对象，关系类允许有用户自定义的字段。 拓扑：用来定义空同相关要素的行为的完整性规则。 几何网络：管理一组要素类中要素的连通性的规则。 测量数据集：包含测绘的测量值。用来计算测量要 素中的要素的坐标。 栅格数据集：包古表示连续地理现象的栅格数据 原数据文档：一个与每个数据集相关的x m l 文档， 通常用于a r c l m s 和其他的服务器应用 f i g u r ez - ig e o d a t a b s e ss t o r a g ei nr d b m s 图2 - 1g e o d a t a b a s e 在r d b m s 中的存储 2 2 2 g e o d a t a b a s e 空间数据模型的操作 g e o d a t a b a s e 支持多种d b m s 结构和多用户访问。从基于m i c r o s o f t e t e n g i n e 的小型单用户数据库到工作组、部f - $ n 企业级的多用户数据库，g e o d a t a b a s e 都 浙江师范大学硕士孑：位论文 能够支持【2 2 1 。目前主要有两种g e o d a t a b a s e 结构：个人地理数据库( p e r s o n a l g e o d a t a b a s e ) 和多用户地理数据库( m u l t i u s e rg e o d a t a b a s e ) 个人g e o d a t a b a s e 采用m i c r o s o f tj e te n g i n e 数据文件结构，将g i s 数据存储 在小型数据库中。个人g e o d a t a b a s e 可蹦：用微软的a c c e s s 数据库来存储属性表， 数据库的最大存储量为2 g b 。这种地理数据库结构支持单用户编辑，但不具备 版本管理功能。 多用户g e o d a t a b a s e 通过a r c s d e 支持多种数据库平台