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大连理t 大学硕士学位论文 摘要 空间数据模型是g i s 空问数据组织和数据处理算法设计的理论基础，对地理信息系 统的发展有决定性作用。i i l t e m e t 的飞速发展使得人们对于w e b 环境下的空间信息的获 取需求日益明显，通过浏览器进行空间数据检索已经深入到人们的日常生活中，一种全 新的应用w e b g i s 应运而生。因此提出一种适用于w e b 环境下的空间数据模型成为一 种必然趋势。 本文首先介绍了空间认知理论和数据模型理论，在此基础上分析了三种典型的传统 空间数据模型的优势和不足，指出了面向对象数据模型的优势，然后提出了一种适用于 w e b 环境下的空间数据模型。与传统空间数据模型以面向几何要素的方式存储数据不 同，本文提出的基于x m l 的面向实体三层空间数据模型，即概念层模型、实体层模型 和要素层模型，用面向对象的方式对空间地物进行存储，使之符合人们的认知地理世界 的方式，避免了实体查询过程中的图层复合操作。本文在对传统空间数据模型进行分析 的基础上给出了三层数据模型的详细定义和设计以及模型之间的映射关系，将地理数据 以x m l 的方式进行存储，使得地理数据的共享得以很好的解决。 在本文提出的空间数据模型中，对基本的空间分析方法，诸如拓扑分析、方位分析、 距离分析，进行了整合和改进，提出了面向实体的空间分析方法，以使其支持真实世界 的语义关系，有效的减少了计算量，提高了算法的性能。 最后以该模型为指导，以大连理工大学主校区及其周边为完整地理空间，对该空间 的地物进行了合理划分，在该地理空间上完成了一套功能完备的w e b g i s 系统。该系统 采用胖客户端体系结构和基于x m l 的s v g 矢量地图格式，以面向实体的方式存储地理 数据，实现了图层控制、地图操作、信息查询、空间分析等w e b g i s 系统的常用功能， 从而有效的支持了基于x m l 的面向实体空间数据模型。 关键词：空间数据模型；面向实体；】( m l ；空间分析；s v g 大连理工人学硕士学位论文 r e s e a r c ha n di n l p l e m e n t a t i o no fs p a t i a ld a t am o d e lb a s e do nx m l a b s t r a c t s p a t i a ld a t am o d e li st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no fs p a t i a ld a t ao r g 卸i z a t i o n 觚dp r o c e s s i ng i s ni sh a sad e c i s i v er o l ei ng i s sd e v e l o p m e n t n l em p i dd e v e l o p m e n t0 fi i l t e m e t m a l 【e st h en e e d sf o r t h ea c c e s st 0s p a t i a li n f b 册a t i o ni n c r e a s i n g l ye v i d e n t t h er e t r i e v a l t 0 s p a t i a ld a t at h r o u g l lab r o w s e rh a sg o n ed e e pi n t op e o p i e sd a i l yl i f e an e wa p p l i c a t i o n n a m e dw e b g l sa p p e a r s n e r e f o r e ，i ti s 锄i n e v i t a b l et r e n dt 0p r o p o s eas p a t i a ld a t am o d e l r rw e be n v i r o n m e n t f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e o r i e so ft h es p a t i a lc o g i l i t i o na n dt h ed a t am o d e l ， 卸a l y s i e sa d v e n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h et h r e et y p i c a ls p a t i a ld a t am o d e l ，p o i n t so u tt h e s t r e n 舀h so ft h eo b j e c t - o r i e n t e dd a t am o d e l ，t h e np r o p o s e sas p a t i a l d a t am o d e lf o rw e b e n v i r o n m e n t u n l i k ec o n v e n t i o n a lf e a t u r e o r i e n t e ds p a t j a ld a t am o d e l ，t h ee n t i t y - o r i e n t e d s p a t i a ld a t am o d e lb a s e do nx m lp r o p o s e di n t h i sp a p e rp r 0 v i d e st h r e es u bm o d e l s 弱 c o n c e p t o r i e n t e dm o d e l ，e n t i t y o f i e n t e dm o d e la n df e a t u r e - o r i e n t e dm o d e l ，锄ds t o r e ss p a t i a l e n t i t yi n 柚o b j e c t - o r i e n t e dw a y ，i no r d e rt ob e i nl i n ew i t hp e o p l e sc o n 印i t i o nt ot h e g e o 掣a p h i cw o n da n da v o i dt h el a y e rc o m p o s i t i n go p e r a t i o nd u r i n gt h ee n t i t yq u c r y i t 舀v e s t h ed e t a i ld e f i n i t i o na n dd e s i g no ft h et h r e e - t i e rd a t am o d e la sw e l la st h em a p p i n gb e t w e e n m o d e l s ，s t o r e st h ed a t aw i t hx m l a n da p p l i e sag o o ds o l u t i o nt 0d a t as h a r i n g 1 1 1 i sm o d e li n t e 铲a t e sa n di m p m v e st h eb a s i cs p a t i a la n a l y s i sm e t h o d ，s u c ha st o p o l o g y 卸a l y s i s ， o r i e n t a t i o na n a l y s i sa n dm e a s u r e m e n ta n a l y s i s t h e nt h i sp a p e rp r o p o s e st h e e n t i t v o r i e n t e ds p a t i a la n a l y s i sm e t h o di no r d e rt of i tt h es e m a n t i c so ft h er c a l w o r l d n r e d u c e st h ec a l c u l a t e da m o u n ta n di m p r o v e st h ea 1 9 0 r i t h m p e r f 6 m a n c e f i n a l l y ，w ec o m p l e t e af u l l yf u n c t i o n a lw e b g i ss y s t e mw i t hd a l i a nu n i v e r s i t yo f r e c h n o l o g ym a i nc a m p u sa n di t ss u r r o u n d i n g sa sac o m p l e t eg e o g r a p h i c a ls p a c ea n dg i v ea 陀弱o n a b l ed i v i s i o no ft h ea b o v ea r e a t h i s s y s t e mu s e s af a t - c l i e n ta r c h i t e c t u r c觚d x m i 厂s v g - b a s e dv e c t o rm a pf 0 肌a t ，s t o r e sd a t ai na ne n t i t y - o r i e n t e dw a y ，i m p l e m e n t sf o u r m o d u l e s ，s u c ha sl a y e rc o n t r o l ，m a p0 p e r a t i o n ，i n f b m a t i o nq u e r y 觚ds p a t i a la n a l y s i s ，a n d g ：i v e sa ne f ! i e c t i v es u p p o r tt ot h es p a t i a ld a t am o d e lb a s e do nx m l 1 【e yw o r d s ：s p a t i a id a t am o d e l ；e n t i t y o r i e n t e d ；m l ；s p a t i a ia n a i y s ；s ；s v g 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：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。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文 作者签名 大连理t 大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本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、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： f 批侧仞司教搠j 殇眺 日期：趔年卫月丛日 日期：j 么班朔彬日 大连理t 大学硕士学位论文 1 绪论 地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是 对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释，地理数据则是各种地理特征和 现象之间关系的符号化表示1 1 j 。地理信息系统为描述地理信息提供了一种强有力的工具。 地理信息系统( g e o g r a p h i c a l i n f 0 珊a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 最为空间信息科学的重要 组成部分，通常被定义为在计算机软、硬件支持下，运用系统工程和信息科学的理论与 方法，综合、动态地获取、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面与地理空间分 布有关数据的空间信息系统【m j 。 地理信息系统的本质是对客观世界的近似模拟，尽可能准确的反映地理世界，便于 人们获取和处理信息。而空间数据模型是人们对现实世界地理空间实体、现象以及它们 之间相互关系的认识和理解，它是实现g i s 数据组织、表达、分析和处理的前提。因此 空间数据模型的研究与发展决定了地理信息系统的研究与发展。 本文首先介绍了地理信息系统的简要发展历程，空间认知理论的相关模型，然后介 绍了当今主流g i s 平台采用的空间数据模型并进行了详细分析，然后提出了一种面向空 间实体的空间数据模型，并在该模型下改进了基本的空间分析方法，提出了面向实体的 空间分析方法，之后，给出了该模型的一个具体应用。 1 1课题背景 从1 9 6 3 年r f t 0 n l i n s o n 博士丌始研究使用电子计算机管理加拿大土地资源信息， 并且提出“地理信息系统的概念，成功建立了世界上第一个g i s 一加拿大地理信息系 统( c g i s ) 开始至今世界上出现了许多具有代表性的g i s 软件平台，如e s r i 公司的 a r 洲f o 、a r c v i e w ，a u t o d e s k 公司的a u t o c a dm a p 、m a pg u i d e ，i n t e r 嚣a p h 公司 的m i c m s t a t i o n 、g e o m e d i a ，m a p i n f 0 公司的m a p i n f 0 、m a p i n f op r 0 s e e r 等，地理信息 系统已经在社会各个领域发挥了越来越大的作用。由于地理信息本身的分布性、开放性、 综合性，g i s 的发展也j 下在从封闭走向开放、从集中转向分布、从孤立转向协作【2 4 1 。 随着多学科、多技术的发展和密切结合，尤其是认知理论的逐步成熟，人类对于地 理世界认知的逐步演化导致不同的空间数据模型的的出现。传统数据模型为了存储的方 便硬性拆分地理对象，隔离了同一个地理对象内部数据之间的联系，使得空间数据模型 与客观地理世界的地理实体不能形成良好的映射，难以满足地理空间整体特征的要求， 因此如何使空间数据模型对地理实体的表述更加贴近人们增长的认知能力，逐步消除认 知论和模型存储的差距成了空问数据模型亟待解决的重要问题，空间数据模型从以计算 基丁儿的空间数据模型研究与实现 机存储为重心向人们认知思维的过渡成为一个必然趋势。 随着i i l t e m e t 技术的不断发展和人们对地理信息系统的需求，利用i n t e m e t 在w e b 上发布和出版空间数据，为用户提供空间数据浏览、查询和分析功能，已经成为g i s 发 展的必然趋势。w e b g i s ，简言之，就是利用w e b 技术来扩展和完善地理信息系统的一 项新技术，它是h l t e m e t 技术应用于g i s 开发的产物【6 。g i s 通过w w w 功能得以扩展， 真正成为一种大众使用的工具。从w w w 的任意一个节点，i i l t e m e t 的用户都可以浏览 w e b g l s 站点中的空间数据、制作专题图，以及进行各种形式的空问检索和空间分析。 基于i l l t e m e t 的w e b g i s 最大的优势是打破以前信息按区域分割的缺陷，形成一个物理 上分布、逻辑上集中的大型空间数据库，在它提供的信息查询和空间分析的基础上，满 足不同用户对地理空间信息的需求【7 8 j 。它具有更广泛的访问范围和跨平台性。 空间数据模型作为空间数据信息组织和管理的理论基础，在推动g i s 发展的过程中 起决定性作用。w e b g l s 的宗旨就是为了实现数据共享。传统数据模型的实现跟平台有 关，不同的实现平台采用不同的表示方式，这就使得地理空间数据不能很好的共享，再 者由于地理空间数据数量庞大，在w e b 环境下不利于传输，很容易出现网络拥塞现象， 因此提出一种适用于w e b 环境下的空间数据模型成为一种必然趋势。 1 2 相关工作 空间数据模型是g i s 空间数据组织和数据处理算法设计的理论基础【9 ，l o 】。为g i s 底 层的开发、g i s 软件的互操作、空间数据的共享提供了技术支持，对海量空间数据的描 述、组织、管理以及共享具有重要作用。不同的g i s 平台的数据模型不尽相同。 g i s 发展早期，空间数据模型表达的重点是地理空间实体的各种几何形状，强调把 地理空间实体用不同的集合特征在地图上表达出来，对空间实体的处理集中体现在对几 何特征的处理上，空间实体具有很少的属性信息。这种方式直接采用文件系统来存储和 管理空间数据，难以满足当前g i s 对空间数据管理的需求【9 1 。 目前的g i s 平台大都采用拓扑数据模型或者关系数据模型。这些数据模型把空间 实体硬性分割为点、线、面基本几何要素，并存储在不同的文件或者关系表中，模型支 持属性数据，属性数据存储在关系表里，它存储了拓扑关系，因此实现了空问数据与属 性数据的有机结合，但是由于空间数据与属性数据的分开存储，这就导致一个完整的空 问实体被不合时宜的拆分，空间地理要素皆以几何元素描述地理实体，难以支持真实地 理世界的行为，对具有完整意义的单个地理实体的具体操作效率低下，对实体之间空间 关系的分析能力受到很大限制，完整实体的属性查询效率低下。陈军指出空间关系研究 的主要脉络是语义、描述、表达和应用并针对9 i 模型的缺陷提出了基于v o r o n o i 区域的 人连理- 人学硕士学位论文 v 9 i 模型1 1 0 l 。邬伦等认为解决复杂地理问题的必然趋势是g i s 与应用模型集成，针对当 前模型的不足，提出建立r m o d p 和w e bs e i c e 的应用模型复用体系【9 。 地理信息系统不应该仅仅反映几何要素之间的关系，更应该反映空间实体之间的关 系，反映实体的语义1 1 。因此，在一定意义上，语义数据模型应该上升到跟几何要素模 型同等的高度，空间数据模型应该实现二者的有机融合。1 9 9 3 年f e u c h 俩a n g e r 系统研 究了g i s 语义数据模型【1 2 1 。1 9 9 9 年，陈常松等提出了面向数据共享目的的g i s 语义数 据模型【1 3 1 。 随着面向对象技术的逐步成熟，将面向对象思想跟空间数据模型有机结合，从而提 出面向对象的空间数据模型，它是面向对象技术与g i s 技术结合的新一代g i s 空间数据 模型，是g l s 空间数据模型的发展方向。这种新型的数据模型通过赋予要素更贴切的“自 然”行为，从而使得物理数据模型跟逻辑数据模型更加接近。 g i s 是一种具体应用，空间数据模型是g i s 应用发展核心驱动力。在g l s 平台发展 过程中，基于以上数据模型，主要实现了从( 、a d 模型到c o v e r a g e 模型，从c o v e r a g e 模型到g e o d a t a b a s e 模型的过渡。q 模型是空间数据模型发展初期的数据模型，只能 描述很少的属性数据，没有考虑语义。c o v e r a g e 是第二代空间数据模型的典型代表，它 虽然实现了属性信息与空间信息的结合并存储了拓扑，但是二者是分开存储的，通过索 引建立关联，对真实语义的支持仍然较弱，并且不能快速高效的维护数据一致性【1 4 l 。 m a p i n f o 模型与c o v e r a g e 模型具有相似的定义，只是在不同平台上的实现方式和地图格 式不同。以面向对象思想为指导，出现了第三代空间数据模型g e o d a t a b a s e 模型，它是 一种面向对象的模型，赋予要素更加贴切的语义，但是，该模型的面向对象性仅仅存在 于逻辑概念上，在物理存储方面仍然是将对象分开存储1 1 5 1 6 j 。 在传统的空间数据模型中，由于地理实体分割存储，因此空间分析的基本对象是几 何要素，而用户关注的信息更多是集中在空间实体的关系，因此需要一种新型空间数据 模型的出现，来支持空间实体的整体分析【1 7 l 剐。再者地理空间数据本身具有海量数据， 因此无论采用上述哪种模型，在具体实现过程中空间数据在w e b 环境下的传输速率都 得不到保证，加之，实现平台的差异，导致空间数据共享的问题得不到很好的解决。 1 3 论文主要工作与创新 本文对空间数据模型和空间认知理论进行了深入、全面的介绍，分析了各种空间数 据模型的组织机制和优势劣势，指出了空间数据模型的发展方向，并在此基础上提出了 基于x m l 的面向实体的空间数据模型，该模型区别子传统数据模型面向几何要素的存 储方式，从概念模型到存储模型都围绕对象来进行，保持了语义完整性，实现了语义模 基于v i l 的空间数据模巧! 研究与实现 型跟几何要素模型的融合，在存储层次上，模型以x m l s v g 作为表达方式，有效的解 决了海量空间数据在w e b 环境的传播和数据共享问题，本文给出了模型的详细定义和 描述，并在该模型下对基本的空间分析方法进行了整合和改进，提出了面向实体的空间 分析方法，该方法与传统的面向几何要素的空间分析方法相比，得到了作为完整对象的 地理实体之间的空间关系，减少了空间分析的计算量，之后，以该模型为依托，给出了 该模型在w e b g i s 中的一个具体应用。本文章节安排如下： 第一章，绪论，简要介绍课题的研究背景、相关的研究工作和本文的主要工作。 第二章，地理空间认知与空间数据模型。介绍了地理空间认知理论，详细阐述了 o p e n g l s 规范定义的基本地理空间认知模型的九个层次和八个接口，之后，详细介绍了 根据g i s 数据组织和处理方式划分的三种地理空间认知模型中的基于对象的认知模型。 详细介绍了当前主流的g i s 平台所使用的空间数据模型及其主要特征，并对传统数据模 型进行了详细分析，之后指出空间数据模型的发展趋势及面向对象数据模型的优势所 在。 第三章，基于x m l 的面向实体空间数据模型。本章给出了该模型下地理空间和地 理对象的定义，详细描述了该模型的三层结构，即概念模型、实体模型和要素模型，分 析了模型之间的映射关系，并以该模型为基础，整合改进了基本的空间分析方法，提出 了面向实体的空间分析方法，从复杂度、认知论、信息量、计算量、灵活性五个方面进 行了对比和分析。 第四章，基于x m l 的面向实体空间数据模型在w e b g i s 中的应用。以本文提出的 模型为基础，以大连理工大学主校区为完整地理空间实现了一套功能完备的w e b g i s 系 统，本章给出了系统的体系结构，地图区域的划分模型和x m 郴v g 表示，实现了图层 控制模块、地图操作模块、信息查询模块、空间分析模块。 结论，总结了本文所做的工作和取得的成果，并展望未来的工作。 人连理工人学硕士学位论文 2 地理空间认知与空间数据模型 人们在生产和生活中，通过与现实世界的交互，感受、识别自然界提供的信息，在 此基础上对获取到的信息通过人们的判断思维，去伪存真、去粗取精的再加工，来提取 自己需要的信息，这就要求对地理环境进行科学的认识。在信息爆炸的今天，由于互联 网技术的高速发展，人们对地理世界信息的采集和获取方式有了很大改变，网络的出现 加速了信息的传播，如何对大量出现的空间信息进行有效的管理势在必行。目前g i s 系 统已经具备管理大量空间信息的能力，但是其空间信息的表述是以计算机的存储方式而 不是人们认识世界的自然方式为中心，这就使得我们认识到的空间信息和存储起来的空 间信息之间存在差距，严重阻碍了g i s 系统空间决策分析的能力的发展。 2 1 地理空间认知 2 1 1 空间认知 认知是一个人对于他所生活的世界的认识和了解各个过程的总称，是概念形成、问 题求解、语言描述、个性差异等有机联系的信息处理过程。可以说认知就是“信息获取、 存储、转换、分析和利用的过程”【2 ，钔。 空间认知是行为地理学与心理学的一个重要的交叉研究领域( 图2 1 ) 。它是一个 人与现实世界交互，获取、解释、存储空间信息，通过思考、逻辑判断得到新的空间知 图2 1 空间认知 f i g 2 1s p a t i a lc o 印i t i o n 识的过程。j p i a g e t 认为，空间认知具有四个层次：感觉运动的层次，它以行动的表象 为依据；前运算期的层次，其基础是从记忆中获得的有关客观世界的知觉的映像；形象 运算的层次，其中允许系统化、符号化的环境心理表象；形式运算的层次，在该层次中， 个体具有假设演绎逻辑推理能力，能够处理独立于行动、客体、空间的抽象的空间 概念【3 1 。 基于儿的空间数据模型研究与实现 2 1 2 现实世界的抽象表达 为了在异构分布式数据库中实现信息共享和不同地理信息系统之问的互操作，开放 地理信息系统协会( o p e ng l sc o n s o n i u m ，简称o g c ) 制定的o p e ng i s 规范。基本地 理空间认知模型抽象为9 个层次，定义了8 个接口与它们连接，实现了从现实世界到地 理要素集合世界的转换，如图2 2 所示【4 1 。 图2 20 p e n g i s 认知规范 f i g 2 2c o 印i t i v cs t a n d a r d so fo p e n g i s o p e ng i s 认知模型比较细致的表述了地理空间，但是相对来说显得繁琐，为了更加 简单清晰的表述g i s 抽象过程，可以归纳为三个层次来进行抽象，概念数据模型、逻辑 数据模型和物理数据模型。 概念数据模型是抽象的最高层，它把空间地物和现象抽象为概念的集合，为空间数 据提供一种语义上的诠释【1 9 m j 。该模型与计算机是完全独立的，它只是提供一种逻辑上 的概括，不需要转换或者比较容易实现到逻辑数据模型的转化。逻辑数据模型是抽象的 中间层，它是空间信息的逻辑表示，由上层的概念数据模型转换而来，它定义了地理空 间中用户感兴趣的对象的集合以及相互之间的关系1 4 1 9 。2 1 1 。逻辑数据模型相当于概念数 据模型和物理数据模型之间的一个桥梁，它的建立既要易于用户的理解，又得便于计算 机实现。物理数据模型位于抽象的最底层，是概念模型在计算机内部具体的存储形式和 实现机制1 4 w j 。 人连理上人学硕士学位论文 2 1 3 基于对象的空间认知模型 地理空间的地物现象复杂多样，认知地理空间的角度或者关注点的不同将导致不同 模型的产生。许多建模方法往往关注地理空间某一范围或者某一方面，因此形成的模型 也只能体现地理空间一方面的信息。根据g i s 数据组织和处理方式，目前地理空间认知 模型大体上分为三类：即基于对象( o b i e c t - b a s e d ) 的认知模型、基于网络( n e 附o r k - b a s e d ) 的认知模型和基于域( f i e l d - b a s e d ) 的认知模型4 ，2 2 。矧。 如图2 3 所示，在基于对象的模型中，对象是关键概念，它是由空间信息抽象成的 明确的、可识别的和相关的事物或者实体。每个对象都携带一系列描绘自己的属性集， 根据属性集的不同来区分不同的地理对象。空间对象最主要的特点在于它的属性可以分 为截然不同的两类：空间属性和非空间属性。对象具有自己的行为，体现对象与地理空 间或者与其他对象之间的交互途径。基于对象的模型将地理空间表述为一系列相关对象 的集合，地理实体和现象作为独立的对象分散在地理空间中。按照空间特征可以分为点、 线、面三种基本对象，三种基本对象可以根据客观世界的实际情况有机组合构成复合对 象。在基于对象的模型中，地理现象按照空间、时间和非空间属性以及与其他现象在空 间、时间和语义的关系来描述。 图2 3 基于对象的认知模型 f i g 2 30 b j e c t 帕r i e n t e dc o g n i t i v em o d e l 分 基于x m l 的空间数据模型研究与实现 2 2 空间数据模型 数据模型与g i s 技术相结合就产生了空间数据模型。空间数据模型是g i s 空间数据 组织和数据处理算法设计的理论基础。从2 0 世纪6 0 年代g i s 产生以来，空间数据模型 就一直是g i s 领域研究的基本问题。主要的数据模型主要有以下几种，这也是目前最具 代表性的g i s 平台所采用的数据模型：c a d 数据模型，这是最早采用的数据模型，它 以二进制格式存储地理数据，并以点线面的形式表达；c o v e r a g e 数据模型，该模型主要 有两个关键点，一是属性数据和空间数据的结合，空间数据存储为索引化的二进制文件， 为显示和存取做了优化，属性数据存储在表里，通过共同的标识符实现二者的连接，二 是能够存储矢量特征间的拓扑关系，该模型使得高性能g i s 成为可能，而且它存储了拓 扑关系以便于改进地理分析和进行更加精确的数据录入；m a p i n f o 数据模型，该模型的 属性数据和空间数据分开存储，类似于c o v e r a g e 模型，二者通过索引联系，该模型引 入层次的概念，用不同的专题对地图进行分层，各个图层的叠加形成了计算机地图。第 三代数据模型g e o d a t a b a s e 模型，体现了面向对象的概念，是当前g i s 平台中应用最广 泛的模型。 2 2 1c a d 模型 最早的计算机制图系统绘制矢量地图使用阴极射线管来显示线化，绘制栅格地图则 在行式打印机上使用套印符号1 4 1 。由此起源，在2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代图形硬件和绘 制软件有了改进，能够以合理的制图逼真度渲染地图。 在那个年代，地图主要有普通的c a d ( 计算机辅助制图) 软件绘制。o 如数据模 型以二进制文件格式存储地理数据，并以点、线、面的形式表达。这些文件只能表示极 少的属性信息，地图图层和注记是主要的属性表达方式。 2 2 2 c o v e r a g e 模型 加d i n f o 是e s r i ( 美国环境系统研究所) 开发的地理信息系统软件。该软件以数字 形式来管理、分析和显示空间数据。用户使用酬i n f o 来建立空间数据库和进行地理分 析。觚i n f o 采用以一种混合数据模型统一定义空间数据库模型和管理空间数据，支持 空间实体的矢量和栅格表示。“觚”是指用于定义地物空间位置和关系的拓扑数据结 构，“i l l f o ”是指用于定义地物属性的表格数据结构。也就是说，属性数据存储在关系 数据库中，空间数据存储在文件中，通过空间数据和属性数据的连接实现对空间数据的 查询、分析和图形显示。觚i n f o 把地理要素抽象为点( 定义为空间一套x 、v 类型或x 、 y 、z 坐标) 、线( 定义为一系列有顺序的空间点) 、面( 定义为一组或者多组线围成的 多边形) 、结点( 定义为线的起点或者终点) 和注记。 大连理工大学硕士学位论文 加叫i n f 0 7 x 以前的版本采用c 0 v e r a g e 作为矢量数据的基本存储单元。一个c o v e r a g e 存储指定区域内地理要素的位置、拓扑关系及其专题属性。每个c o v e r a g e 一般只描述 一种类型的地理要素。位置信息用x 、y 表示，相互之间的关系用拓扑结构表示，属性 信息用二维表表示。 c o v e r a g e 的拓扑结构不仅存储了空间对象的集合信息，而且存储了空间对象的拓扑 关裂1 4 l 。该模型的特点是，除结点外，每个空间对象都是由更基本的对象组成。只有结 点的坐标是被实际存储的，其他复杂对象的坐标实际上是被逻辑存储的。任何复杂的对 象均可分解为一组结点及其拓扑关系的定义。点、弧段、多边形坐标信息具有依赖关系。 另外，由于以文件的方式保存空间数据，而将属性数据放在另外的d b m s 系统中，当 空间几何数据和属性数据二元存储结构在数据库操作时的一致性问题就凸现出来，另一 方面，该模型的拓扑结构不够灵活，局部变动后则必须对全局拓扑关系重新建立。 2 2 3g e o d a t a b a s e 模型 g e o d a t a b a s e 是舡c i n f o 引入的一种全新的面向对象的空间数据模型，该模型与面向 对象技术和数据库技术实现了结合，能对空间数据进行统一智能化的管理。该模型能在 一个统一的模型框架下对g i s 通常所处理和表达的地理空间要素进行统一的描述。在该 模型中，地理空间要素的表达较以往的模型更接近于我们对现实对象的认识和表述方 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，我们无需通过程序编码来实现，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义，这是其他任何空间数据模型都做 不到的【1 们。 2 2 4 传统数据模型分析 这罩讲的传统数据模型主要指前面讲述的目前流行的商业化g i s 软件所采用的数 据模型。这些数据模型是按照计算机的方法对客观世界地理空间进行不自然的分割和抽 象，使得人们认知地理空间的概念模型与计算机中的数据模型不能形成良好的对应关 系。从功能的角度剖析，主要表现在以下三个方面： ( 1 ) 空间查询和空间分析的速度出现瓶颈。由于数据模型的限制，进行有关空间 信息和属性信息的查询，需要多次复合，特别是在网络环境下难以实现快速查询，且空 间分析功能十分有限。 基于舭的空间数据模犁研究与实现 ( 2 ) 地理空间认知模型的表达不符合人们的思维。人们认知地理空间通常采用自 然的思维过程去归纳、抽象客观世界，所产生的地理空间认知模型很难通过传统的数据 模型真实、一致的表达。 ( 3 ) 数据共享的限制凸现。传统数据模型的分层表达、管理的方法，以及缺乏对 空间实体关系的表达，导致当把同一空间实体信息存储在不同服务器时很难实现信息集 成化管理，更难满足空间信息共享及互操作的要求。 随着面向对象技术的出现和飞速发展，也出现了面向对象的空问数据模型，这是面 向对象技术与g i s 技术结合的新一代数据模型，是g i s 数据模型发展的方向【肄2 6 1 。它以 对象为单位来包装地物，将空间数据和属性数据有效的融合起来。 2 2 5 面向对象数据模型的优势 面向对象的数据模型以丰富的语义、描述复杂对象的功能和数据抽象技术等优点受 到g l s 研究人员的广泛关注。以面向对象分析方法和程序设计方法为基础的面向对象的 模型方法，能够很好的模拟和描述现实世界地理空间中的复杂对象，克服了传统数据模 型的局限性，改进和提高了系统的性能。与传统g i s 数据模型相比，面向对象的地理数 据具有以下几个方面的优势：建立的概念模型可以更好的模拟客观地理世界，此模型按 照人们的思维机制和认识世界的天然方式为原型，同过对地理世界的合理抽象来建立数 据模型，所以，在这样建立起来的概念模型基础上，才能将只反映某一方面的各种数据 模型合理结合起来；面向对象的地理数据模型将概念模型和逻辑模型以及物理模型很好 的结合了起来，提供了模型之间的自然过渡，不需要人为的转换，这就使得模型之间的 差异变的模糊，有利于使用数据定义语言、数据操作语言和数据管理语言的直接操作； 面向对象的系统特性可以使g i s 成为开放的系统，有利于数据的扩展，比如添加新的数 据类型，增加新类等，同时也有利于数据的修改和更新；面向对象的多态性在模型中得 到完美的体现，可以使同一个对象对应多个表示体。因此，提供了对同一地理对象有多 个几何形态或状态的表示机制，这种机制一方面可以为数据的多比例尺综合提供方便； 面向对象数据模型可以提高软件模块的可复用性和可扩展性，为建立构件式和分布式 g i s 提供了基础。 大连理t 大学硕十学位论文 3 基于x m l 的面向实体空间数据模型 本文结合认知论和面向对象思想提出了面向实体的空间数据模型( e 例i 驯m ) ，并 且用x m u s v g 作为描述模型的工具和表达方式，有效解决了传统数据模型的以上弊端。 该模型根据语义而不是几何表示的复杂性在不同层次上来划分地理世界，能比较真实的 模拟现实世界；其数据组织和分类符合人类的思维习惯，保证了空间实体的完整性要求， 缩减了逻辑模型和物理模型之间的差距。 3 1 地理空间和地理对象 在e d s ! d m 模型下，对地理空间和地理对象【刎做出如下定义： 定义1 侥唧口( 地理空间) ：散落在一个二维欧式空间尺2 中的实体的集合。地 理空间是一个相对空间，是一个空间实体组合排列集( 这些空间实体具有精确的空间位 置) ，强调宏观的空间分布和空间实体间的相互关系。 定义2g p d d 6 如c f ( 地理对象) ：与一定的地理空间位置有关，具有一定的几何形 态，依附地理空间存在着各种事物或现象。在地理空间中，物体不仅反映事物和现象的 地理本质内涵，而且反映他们在地理空间中的位置、分布状况以及他们之间的相互关系。 每一个g p d d 匆归c f 都对应真实世界中一个具有完整意义的对象。 根据面向对象的思想，模型中的每个实物都可以模型化为对象。一个对象是有描述 该对象状态的一组数据和表达它的行为的一组操作组成的。例如，河流的坐标数据描述 了它的位置和形状，河流的变迁则表达了它的行为。该模型根据对象粒度的不同有三个 子模型组成：概念级模型、实体级模型和要素级模型。每个子模型都能完整的描述地理 世界。 3 2 概念模型 概念模型( c m ) 下的相关定义如下： 定义3c 伽c 印f ：具有某一共同特征的g e d 0 6 肥c f 的抽象概括，它指出了g d 匆如c f 所 在的范畴，表明了这类& 加d 匆如c f 在现实世界中的公共意图，忽略了单个g p d d 匆膨c f 在细 节上的差异，如同它们是统一的去处理。这一公共特征就构成了这个c 伽c 印f 的属性。 根据抽象程度不同将c d 以c 印f 划分为两大类，彳c ( 原子概念) 和彤( 复合概念) 。 顾名思义，原子概念就是不能再分的概念，复合概念就是由原子概念或者更小的复合概 念组成的概念。从面向对象的角度讨论，彳c 属于子类的范畴，而彤属于基类的范畴。 在继承树中，彳c 属于叶子结点，而阳属于非叶子结点。 基于x m l 的空间数据模1 1 研究与实现 定义4p r 耐出口把：描述或者判定某概念意图的词项，与本身所捕述的概念具有 对应关系。 定义5 & 印p ：存其对麻的c 。n c 印l 范畴内所有子概念的集合。 设 c 1 是所有c o n c 印的集台， 一c ) 是所有原子概念的集合， f c 是所有复合概念 的集合，s 删是所有丹e d 妇圯的集合， c r l 是所有概念关系的集合- 则存在以下关系 ( 1 ) 如果4 c 1 ， 埘应的p r 8 批d 把为p ，p s 珊f 刚有如f 关系成立 & o 班( 爿) = 扛i x s ，p ( z ) 。 ( 2 ) & 叩p 岱) ； z l z s ，s 矾i ( z ) 。 设一g ，一c 2 ，爿e 扣c ) ，c ，c 2 ，心 ，c ，且均位于同一概念c 下，则 存在以下几种关系： ( 1 ) 若爿c ，一c ，一c m 是最底层原子概念s n ) ，尸c 脚是其直接上层复合概念， 则存在以下关系4c l n 爿c ，n n o - ，巳。 ( 2 ) 若4 c 。，一c m ，一c ，f c ；，心坩f c ，0c ，c 月) 属于同一概念层次，且f c 。是 其直接上层复合概念，则存在咀下关系 爿c n 4 e + 。nn 爿c n f g n 心+ ，nn f c ，= f c m 。 ( 3 ) 符喝，f c ：，e 是属于州一概念层次的复合概念咖sh ) ，肛；( qcn ) 是其 直接上层复台概念，则存在以f 关系f c 。n m ：nn f c 用- 彤：n + i h3l 地理空可示例 f k3l a n e x 8 m p l eo f g e 0 8 p 8 c e 大连理工大学硕十学位论文 得出结论：在同一概念c 下，属于同一概念层次的c 册c 印f ，不论是彳c 还是粥， 它们的交集就是其直接上层复合概念。 由此，可以得到c 的一棵概念树，并且定义概念之间的一种小于关系。 定义6c 尺 ：如果彳 c ，b c ，且日是彳的祖先，则我们称彳 b 。 c 印f 之间的关系众多，无法给出逐一的定义，所以只给出了c 尺 的形式化定义。 综上所述，在c m 下，地理空间s 可以表示为s = 。最后给出概念模型 的形式化描述伽= 。 图3 1 是以大连理工大学周围区域为地理空间给出的一个概念模型的例子： 山 学 地理空间 图3 2 概念模型示例 f i g 3 2e x a m p l eo fc o n c e p tm o d e l 话区 图3 1 所示的g 唧口卯在c m 下如图3 2 所示： c ) = 山区，建筑用地，道路，学 校，医院，公司，生活区) ， 彳c ) = 山区，学校，医院，公司，生活区】， 彤) = 建筑 用地 ，学校n 医院n 公司n 生活区= 建筑用地，医院 建筑用地。建筑用地在地图上的 表示如下： | 道 基丁衄。的空间数据模耍4 研究与实现 外层标签 包含了整个g 印印口c p ，内层标签 的树结构反映了概念之间的关 系，有内层 的属于 彤 ，没有内层 的属于 彳c 。 3 3 实体模型 实体模型( 肼) 下的相关定义如下： 定义7g p d 翻铆：欧式空间尺2 中的一个相连的闭合的点集构成的一块或者几块形 状区域。该区域与现实世界中某一完整的地理现象相关联，它是根据分析应用的需要对 g 印d 6 f e c f 进行的抽象表示。 g d 匆f e c f 是现实世界中具有完整意义的对象，而g 删矗钞则是仇d d 匆f f 在地图上 的抽象表示。比