（交通信息工程及控制专业论文）内河航道三维显示与分析系统的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要 实现内河航道三维可视化是提高我国内河航运现代化水平的迫切要求。与传 统的一二维电了航道图相比，利用i 维场景展现内河航道的地形地貌以及各种助航 信息1 i 仅叮以给人更加真实更加形象的感受，而且三维环境下的空i 白j 分析功能可 以为内河航道基础设施的规划、建设起辅助决策作用。本文提出了一种利用大比 例尺电子航道图数据并结合3 dg i s 技术实现内河航道三维可视化的方法。 全文共分5 章。第一章是绪论，介绍了选题的背景，提出了论文的毛要研究 内容。第二章介绍了内河航道三维可视化的关键技术，包括大比例尺电子航道图 数据的提取和预处理方法，航道地形、助航标志以及航道两侧建筑物的三维建模 方法。第三章介绍了内河航道空问数据库的设计与实现方法，该章从空间数据库 的概念入手，探讨了利用e s r ig e o d a t a b a s e 空| 习j 数据模型设计和实现内河航道空 i 日j 数据库的方法。第四章给出了内河航道三维显示与分析系统的丌发方法，首先 介绍了a r c g i se n g i n e 丌发平台，然后给出了系统的总体结构设计，最后介绍了 各个功能模块的实现方法。第五章给出了论文的结论并对进一步的工作进行了展 望。 本文在内河航道三维可视化和分析问题上采用了内河船舶导航所使用的大比 例尺电子航道图作为三维可视化的主要数据源，利用了a r c g i s 平台作为整个系 统的g i s 技术解决方案，包括：利用a r c g i sd e s k t o p 实现航道空间数据的提耿和 投影变换等三维建模日仃的预处理工作；采用g e o d a t a b a s e 空i 日j 数据模型实现对内 河航道空i 日j 数据的组织管理；基于a r c g i se n g i n e 这一强大的g i s 二次丌发工具 实现系统的三维显示和分析功能。 关键词：内河航道：a r c g i s ：三维建模：空间数据库 英文摘要 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nf o r i n l a n dw a t e r w a y s3 d v i s u a l 娩a t i o na n d a n a l y s i ss y s t e m a b s t r a c t t oi m p l e m e n tt h e3 dv i s u a l i z a t i o no fi n l a n dw a t e r w a yi sa nu r g e n tr e q u i r e m e n t f o rr a i s i n gt h el e v e lo fm o d e r n i z a t i o ni nr i v e rs h i p p i n gi n d u s t r y c o m p a r i n gt ot h e t r a d i t i o n a lt w o d i m e n s i o n a li n l a n d e c d i s ，s h o w i n gt h ew a t e r w a y st e r r a i na n d l a n d f o r mi n3 ds c e n ec a nn o to n l yg i v ep e o p l em o r er e a lf e e l i n gb u ta l s op l a ya s u p p o r t i n gr o l e i nt h ed e c i s i o n m a k i n gf o ri n l a n dw a t e r w a y st r a n s p o r ti n f r a s t r u c t u r e p l a n n i n ga n dc o n s t r u c t i o n t h i sp a p e rp r o p o s e s am e t h o dt o i m p l e m e n ti n l a n d w a t e r w a y s3d v i s u a l i z a t i o nt h a ti sb yu s i n go f3 dg i st e c h n o l o g ya n dl a r g e s c a l ed a t a o fi n l a n de n c t h i st h e s i sc o n s i s t so f5c h a p t e r s c h a p t e ro n ei st h ei n t r o d u c t i o nt ot h et o p i c ? s b a c k g r o u n da n dt h em a i nc o n t e n t f o rr e s e a r c h i n g c h a p t e rt w og i v e st h ek e y t e c h n o l o g i e sf o r3 dv i s u a l i z a t i o n ，i n c l u d i n gt h em e t h o d sf o rd a t ae x t r a c t i o nf r o m l a r g e - s c a l ei n l a n de n c ，d a t ap r e p r o c e s s i n ga n dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gf o r c h a n n e l st e r r a i n ，n a v i g a t i o n a la i d sa n db u i l d i n g so nt h eb o t hs i d eo ft h ef a i r w a y c h a p t e r t h r e ed e s c r i b e st h ed e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n gm e t h o d so fi n l a n dw a t e r w a y s s p a t i a ld a t a b a s et h r o u g he s r i ss p a t i a ld a t am o d e l - g e o d a t a b a s e c h a p t e rf o u rg i v e s t h ed e v e l o p m e n tm e t h o df o rt h i ss y s t e m i tf i r s t l yi n t r o d u c e s t h ea r c g i se n g i n e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a n dt h e ng i v e st h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e md e s i g n ，f i n a l l y p r o v i d e st h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so fv a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e s c h a p t e rf i v e s u m m a r i z e st h i sp a p e r sc o n c l u s i o n sa n dg i v e su ss o m es u g g e s t i o n sf o rf u r t h e rw o r k t h e r ea r es e v e r a la s p e c t so ft h ei n l a n dw a t e r w a y s3 dv i s u a l i z a t i o na n da n a l y s i s i nt h i st h e s i s ：u s i n gt h el a r g e - s c a l ee n c sa st h em a i nd a t as o u r c e sw h i c ha r ed e s i g n e d f o rn a v i g a t i o np u r p o s e s ；u s i n ga r c g i sp l a t f o r ma st h eg i st e c h n o l o g ys o l u t i o n s ， i n c l u d i n gm a k i n gu s eo fa r c g i sd e s k t o pt oa c h i e v es o m ep r e t r e a t m e n tw o r k ss u c ha s d a t ae x t r a c t i o na n dp r o j e c t i o nt r a n s f o r m a t i o n ，a d o p t i n gt h ee s r i sg e o d a t a b a s es p a t i a l d a t am o d e lt o o r g a n i z e t h ew a t e r w a y sd a t aa n du t i l i z i n ga r c g i se n g i n ea st h e d e v e l o p m e n tk i tt of u l f i l l3 dv i s u a l i z a t i o na n ds p a t i a la n a l y s i sf u n c t i o n 英文摘要 k e yw o r d s ：i n l a n dw a t e r w a y ；a r c g i s ；3 dm o d e l i n g ；s p a t i a ld a t a b a s e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成f 尊- l i 硕士学位论文= = 因迥照道三丝显丞皇坌近丕统的遮过曼塞堡! ：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公丌发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名二产日兰书 2 0 0 0 年3 月2 一同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“” ) 做作者躲御皓带翮虢诛襄( 人， 日期：卯g 年3 月二口日 内河航道二维显示与分析系统的设计与实现 1 1 课题提出的目的及意义 第1 章绪论 内河航运利用天然河道和历史上形成的人工河道，不占地或少占地，并具有 运量大、成本低、能耗小、污染少等优势，是最能体现可持续发展战略的运输方 式。我闺发展内河航运的自然资源十分丰富，拥有大小河流5 8 0 0 多条，河流总 长4 3 万公罩，其中流域面积在l 万平方公罩的河流就有8 0 多条，尤其足长江、 黄河、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等世界著名的长川大河更是不可多得的宝贵资 源。相关资料显示，截至目前我国己建成的内河航道有1 3 力公罩，其中等级航道 6 3 万公罩，等级航道中一级航道1 3 4 7 公罩，占2 ；二级航道2 5 1 3 公罩，占4 ； 三级航道4 2 1 3 公里，占6 7 ；四级航道7 0 0 7 公罩，占1 1 ；四级及以上航道罩 程1 5 0 8 0 公罩，占1 2 比1 。由此可见，我国内河航运丌发利用得并不充分，多数河 流仍处于自然状态。制约我国内河航运建设的原因是多方面的，其中包括：内河 航运管理水平落后，在利用信息技术和现代化管理手段方面还跟不上时代发展的 步伐；船舶驾驶员的引航、操纵、避碰技术依旧以传统的经验为主：船舶航行安 全保障技术依靠现代化管理的程度不高；对于船舶航行安全存在的危险和隐患仍 然以经验和直觉进行判断和处理，缺乏对航行安全体系的整体分析与把握；内河 航道的水工建筑、航道整治、港口建设等工程的可行性论证主要依靠实物模型和 实船试验。这些现实表明传统的技术手段已经不适应新时期的要求。随着中央政 府和交通部对“数字航道”的同益重视。”，对三维航道、虚拟航道的要求也愈渐 迫切。司时，在实际航道应用中，对三维环境中的应用和要求也非常迫切。可见， 利用现代科学技术，特别是现代船舶驾驶技术、矢量化的数字航道图技术以及三 维地理信息系统技术，深入研究内河航运安全环境，建立内河航道航运安全虚拟 现实仿真系统是非常必要的。2 0 0 7 年，交通部已将三峡库区航运安全虚拟现实 仿真系统研究项目列入了当年的西部交通建设科技项目计划。本文正是依托这 个项目，研究利用三维地理信息系统的理论和方法实现内河航道的三维可视化与 空间分析，以满足内河航运相关部门的需要。 第1 章绪论 1 2 运用( 3 1 8 技术实现内河航道的三维显示与分析 长期以来内河船舶大都借助于二维电子航道图( i n l a n de c d i s ) 进行导航， 在电子航道图上，所有的第三维信息，如水深值、等深区域、地面高程等，均是 以二维符号方式呈现的。驾驶员通过这些二维符号获取航道信息，判断船舶所处 的航行环境，确保船舶不被搁浅。可见，第三维信息对于船舶的航行安全是至关 重要的。由于现实世界中的航道是三维的，电子航道图这种二维的显示方式必定 存在着自身难以克服的缺陷，其本质上是基于抽象符号的系统，不能给人以真实 的感受。 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 ) ，简称g i s ，就是在计算机 软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论和方法，综合地、动态地获取、 存储和分析地理环境信息的空间信息系统1 4 1 。g i s 经过了三十多年的漫长发展， 现在已经边入了3 d 时代，3 dg i s 5 1 成为了当前g i s 研究的热点。实践中，各g i s 软件公司也纷纷推出了各自的三维g i s 平台软件，如e s r i 提供的a r c s c e n e 、 a r c g l o b e ，北京灵图推出的v r m a p 三维地理信息系统平台软件，适普软件有限 公司的i m a g i s 等帕1 ，这些软件都有其特点和适用场合。本文采用的是e s r ia r c g i s 平台，因为a r c g i s 所提供的三维可视化分析扩展模块( 3 da n a l y s t ) 与本文要实 现的内河航道三维显示和分析功能有较好的结合点。该模块可以利用现有数据集 以规则空川格网或不规则三角网的形式来创建地形表面，一旦表面模型数据被创 建，即可用来进行进一步的分析，诸如设置阴影以增强地貌的可视化效果，对表 面数据进行查询，以及对表面数据进行坡度、坡向、视域分析等操俐7 1 ，这些为 航道三维表面建模和分析提供了有力支持。陔模块同时支持多种专门的3 d 模型， 包括o p e n f l i g h t 、3 ds t u d i om a x 及s k e t c h u p 等格式，这样就能够利用丰富的三 维建模软件为航道中的助航标志以及各种建筑物创建三维符号或模型，将这些三 维符号或模型用于航道空间要素的符号化渲染可以极大地提高航道的三维显示效 果，从而形成逼真的航道三维场景。 1 3 论文的主要研究内容 本文主要研究利用大比例尺电子航道图提供的空间数据实现内河航道三维可 内河航道二维显示与分析系统的设计与实现 视化的方法以及对内河航道进行空间分析的方法。 本文的研究内容可分为三个方面：一是研究航道三维显示所需数据的提取和 预处理方法；二是研究航道三维模型的创建方法，包括航道三维表面的建模方法 以及各类助航标志的三维建模方法；三是从航运业的实际出发，研究利用e s r i 提供的二次开发工具a r c g i se n g i n e 开发一个可运行、可操作的内河航道三维显 示与分析系统。具体研究内容包括： ( 1 ) 大比例尺电子航道图数据的提取和预处理方法 ( 2 ) 内河航道地形建模方法 ( 3 ) 内河航道各类助航标志及建筑物三维模型的制作方法 ( 4 ) 内河航道空间数据库的设计方法 ( 5 ) 内河航道空f b j 分析功能的实现方法 第2 章内河航道二维可视化的关键技术 第2 章内河航道三维可视化的关键技术 测深手段的增强e 1 3 dg i s 技术的发展为内河航道的三维显示提供了良好的物 质基础与技术保障。目日矿，国内外很多机构都开展了针对电子海图的三维可视化 研究，并且取得了令人瞩目的进展，o n m a p t e c h 研制的1 3 系统，d k a r t 推出的 n a v i g a t o r ( t m ) ，e c c 公司研制的g l o b ev 2 0 等【8 1 ，这些软件是为商船在海上航行而 设计的，通过对二维电子海图中的数掘进行补充，转换成规则格网数据，然后再 利用可视化算法驱动舰则网格数据来显示海底的三维地貌。这种实现方式存在如 下不足：首先，大洋航行船舶所肘海图比例尺为1 ：3 0 0 0 0 1 1 ：2 2 5 0 0 0 0 ，即使是港 内航行船舶所用港口图的比例尺也不大于1 ：1 0 0 0 0 ，这种比例尺的海图所提供的 水深数据很难满足三维可视化的要求。其次，采用插值算法无法保证数据的精确 性。所以这种基于电子海图的三维显示只能作为驾驶员航行时的参考。 内河大比例尺电子航道图( i n l a n de c d i s ) 的比例尺可达1 ：2 0 0 0 l ：5 0 0 0 ，不 仅能够提供详细的水深数据、等深线数据、岸线数据，而且其他诸如碍航物、助 航标志，航道两侧港口设施、建筑物等信息也十分丰富。可见，内河大比例电子 航道图能在数据精度和质量上为航道的三维可视化提供保障【9 】。因此，如何将这些 数据提取出来并处理成三维显示所需的数据，以及基于这些数据的三维建模方法 就成了内河航道三维可视化的关键。 2 1 大比例尺电子航道图数据的提取与预处理 本文采用的是我国长江干流基于欧洲内f 可e c d i s 标准1 1 0 1 的大比例尺电子航道 图，由于欧洲内7 可e c d i s 标准遵从国际海道测量组织的s 5 7 8 a ：准，从而町以保i i f 所 提耿数据的可靠性。内河电子航道图( i n l a n de n c ) 是一个内容、结构、格式均标 准化了的数据库，数据以数据集文件( 0 0 0 ) 的形式存储在磁盘上，一个数据集文 件就是一个按航道图所覆盖的地理区域划分的单元( c e l l ) 【l 。这种数据格式不能 直接用于三维建模，在使用之前需要对其进行必要的处理。 2 1 1 大比例尺电子航道图数据的提取 提取大比例尺电子航道图中的空间数据是进行内河航道三维建模的前提。本 内河航道二维显示与分析系统的设计与实现 文采用a r c g i s 桌面产品( a r c g i sd e s k t o p ) 作为空| 白j 数据的处理平台，a r c g i s d e s k t o p 足一系列应用程序的总称，利用它可以完成从简单到复杂的g i s 分析和处 理2 】，包括数据提取、格式转换、投影变换等操作。 数据提取过程可分为两个阶段：如图2 1 所示： 1 ) 将e n c 单元导入到a r c g i s 提供的个人版空间数据库( p e r s o n a lg e o d a t a b a s e ) 中( 关于g e o d a t a b a s e 的介绍参见第三章) 。 2 ) 从g e o d a t a b a s e 中提取所需的数据，并把提取到的数据保存为e s r is h a p e f i l e s 格式。 图2 1e n c 数据处理流程 f i g 2 ie n cd a t ap r o c e s s i n gf l o w 这罩数据的导入可采用如下两种方式： 1 利用e s r i 提供的a r c g i ss 5 7c o n v e r t e r i ”1 。 2 利用n o a a ( 美国大气与海洋管理局) 提供的e n cd a t ah a n d l e re x t e n s i o n 。 这两种方式的操作方法相似，在原理上也基本相同，即读取e n c 单元文件 ( 0 0 0 文件) ，并按照一个事先设计好的、优化了的e n cg e o d a t a b a s e 数据模型 将其转换为g e o d a t a b a s e 数据。 2 1 2 数据的投影变换 地面上任意一点都是三维空间中的点，它的位置是由某种参照系统来确定的。 第2 章内河航道三维可视化的关键技术 通常情况下，其水平位置由地理坐标系统( g c s ) 确定，而高度位置由高程系统 ( v c s ) 确定【1 4 1 。e n c 产品规范在制图框架部分指出，e n c 必须采用w g $ 8 4 大 地基准面，并且不采用任何一种投影，即定位数据采用地理坐标来描述【| 5 1 。这就 使得从e n c 提取的内河空间数据( 水深点数据、等深线数据、岸线数据等) 均基 于地理坐标系统。我们知道地理坐标系统是一种球面坐标系统，它采用经纬度表 示地面点的水平位置，虽然经纬度可以精确表示地面点的位置，但是它们在单位 长度上并不一致，仅在赤道上经度l 度所表示的距离大致与纬度l 度表示的距离 相等。以克拉克( c l a r k e ) 椭球体为例，1 度经度在赤道上的长度为1 1 1 3 2 1 公里， 而在6 0 度的纬度圈上只有5 5 8 0 2 公罩。由于经纬度没有一个标准的长度，所以 不能用它们来准确地度量距离和面秘1 6 1 。除此之外，e n c 产品规范在计量单位部 分规定，e n c 中的深度单位和高程单位必须是米，这样就造成了平面坐标( 单位： 度) 与深度、高度( 单位：米) 在单位上不统一。因此，为了保证所提取的数据 能够在三维环境中j 下常显示，必须首先对它们进行坐标变换，以统一它们在三维 空间中的度量单位。这种坐标变换可以采用如下两种方式实现： ( 1 ) 空间大地直角坐标变换 ( 2 ) 墨卡托投影变换 下面分别介绍这两种坐标变换： 1 ) 空间大地直角坐标变换 空阳j 大地直角坐标变换是将地理坐标数据( 经纬度、高度、深度) 转换为空 间大地直角坐标数据( x 分量，y 分量，z 分量) 。如图2 2 所示： x z a 地理坐标系 b 空间大地直角坐标系 图2 2 空间人地直角坐标变换 f i g 2 2s p a c eg e o d e t i cc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n y 内河航道二维显示与分析系统的设计与实现 图中，a 为地理坐标系，它利用一个三维椭球面来定义地球上的位置，某地 面点p 的经纬度是以地心与该点之1 8 的夹角来量算的。b 为空间大地直角坐标系， 它利用一个直角坐标系来定义地球上的位置，o 为空间大地直角坐标系原点，o z 轴与椭球旋转轴一致，o x 轴与大地首子午面和赤道面的交线一致，o y 轴为赤道 面上与o x 轴i f 交的轴，任意点p 的空间大地直角坐标为该点在三个轴上的正射 投影，分别以其在三个轴上的分量x 、y 、z 表示【1 7 1 。椭球面上某点的地理坐标 ( 旯，够) 和深度或高程( d ) 到空间直角坐标( x ，y ，z ) 的转化公式如下： x = ( n + d ) c o s o c o s 五 y = ( n + d ) c o sc , o s i n 五 ( 2 1 ) 【z = 【n 0 一e 2 ) + d s i n 妒 式中： x ，y ，z w g s 8 4 空间大地直角坐标 彳，够一地理坐标系的经度和纬度 d 一水深或高程 n 一卯酉圈曲率半径，n ：_ 一 l e 2s i n 2 缈 e 一地球椭球第一偏心率 a 一地球椭球长半径 2 ) 墨卡托投影坐标变换 墨卡托投影( 等角f 圆柱投影) 坐标变换是将地理坐标数据( 经纬度、高度、 深度) 转换成二维平面坐标( x ，y ) ，如图2 3 所示： 第2 章内河航道三维可视化的关键技术 t z 3 - 航标等物标 s h a p e f i l e s 利用物标属性并参照相关国家标 准在建模t 具中创建三维模型 。 叵圣囤 图2 1 6 二维符号创建流程 f i g 2 1 63 ds y m b o l s c r e a t i o np r o c e s s 图2 1 7 所示是用c r e a t o r 创建的灯浮。 一 i 图2 1 7 左侧灯浮( 绿色) 和右侧灼。浮( 红色) f i g 2 17l e f tb u o y ( g r e e n ) a n dr i g h tb u o y ( r e d ) 2 2 内河航道= 维显示与分析系统的设计与实现 创建好的三维模型可直接作为三维符号导入a r c g i s 样式库( s t y l e s ) ，用于对 三维航道中各种要素( 如航标、沉船等) 进行符号化渲染。 2 3 2 利用m u l t i p a t c h 数据创建建筑物三维模型 m u l t i p a t c h ( 多片) 是e s r i 自己的三维数据模型，与三维符号不同，m u l t i p a t c h 同p o i n t ，p o l y l i n e 等要素类型一样，属于矢量数据。m u l t i p a t c h 从抽象类g e o m e t r y 中继承，是一系列3 d 表面的集合，它用于描述三维物体的表面拦“。利用m u l t i p a t c h 构建三维模型的优点是可以为这个三维模型定义属性并作为矢量要素存储到空间 数据库中。然而，a r c g i s 截至9 2 版仍没有提供三维模型的编辑环境，因此，对 m u l t i p a t c h 几何体进行组件级( c o m p o n e n t 1 e v e l ) 的编辑将不能通过用户界面的方 式进行。要获得复杂的m u l t i p a t c h 模型，可以通过三种方式：将三维符号转化 为m u l t i p a t c h ( 符号的纹理将丢失) 。编写a r c o b j e c t s 代码实现。借助第三方 插件实现。本文采用的是利用s k e t c h u p 提供的g i sp l u g i n 实现m u l t i p a t c h 格式建 筑物的创建。用它创建航道两侧建筑物的流程如图2 1 8 所示： 从e n cg e o d a t a b a s e 中提取航道两侧的陆 地i 物标数据并把它 们转化为s h a p e f i l e s 如 o oo 匡鲴圈国 龟doo 匕= = = = 刮b = = = = = t 、夕 一 利j 【 js k e t c h u p 创建建筑物模型 。 建筑物m u l t i p a t c h 模型 图2 1 8 航道两侧建筑物创建流程 f i g 2 18c r e a t i o np r o c e s sf o rb u i l d i n g so nb o t hs i d e so fw a t e r w a y 第2 章内河航道二维可视化的芙键技术 2 4 本章小结 本章详细讨论了内河航道三维可视化的各项关键技术，包括：大比例尺电子 航道图数据的提取和预处理方法，航道地形建模方法以及航道两侧三维物标建模 方法。通过研究发现利用a r c g i sd e s k t o p 可实现对符合i h o $ 5 7 标准的内河大比 例尺电子航道图数据的提取、格式转换以及投影变换。本章提出了基f 墨卡托平 面实现内河航道 维i l 丁视化的方法以及基于不规则三角网t i n 和规则格阔r a s t e r 模型展现航道地形的方法，最后给出了各种三维符号或模型的创建流程。本章是 本文进行内河航道三维显示的方法基础，体现了g 1 s 技术在内河航道三维可视化 方面的应用。 内河航道二维显示与分析系统的没计与实现 第3 章内河航道空间数据库的设计与实现 内河航道三维显示与分析系统中用到的数据主要包括从大比例尺电子航道图 中提取的空白j 数据以及由这些数据生成的地形数据、实地采集的建筑物数据( 高 度信息和纹理图片) 以及与航标建模有关的数据( 如内河助航标志国家标准) 等。获取这些数据后，需要对它们进行必要的处理，才能满足三维建模需要，这 些处理包括：改变水深数据的深度值符号，使得低于墨卡托投影平面的深度值为 负值；根据所要建模的内河区域范围剔除或补充一部分水深点；根据岸线制作剪 取多边形以约束航道t i n 模型的边界等。完成了对空问数据的处理后，就可以按 照第二章介绍的方法对航道地形进行建模，生成表面数据，对航标、建筑物进行 建模生成三维符号或三维模型。本章将研究如何对这些空间数据进行有效的组织 和管理。 3 1 空间数据库概述 3 1 1 空间数据库的概念 空问数据库是地理信息系统的核心，地理信息系统几次重大的技术革命都是 与空间数据库管理系统的技术发展相关的。2 0 世纪8 0 年代，文件系统与关系数 据库管理系统相结合的空间数据管理方式和9 0 年代木出现的对象关系数据库管 理系统都代表着当时g i s 软件的基本特征。地理信息系统基础( 龚健雅) 一书 对空i 白j 数据的基本特征进行了描述。概括起来它具有五个基本特征，即：空间特 征、非结构化特征、空| 目j 关系特征、分类编码特征和海量数据特征。空i 日j 数据库 具有通用数据库的基本内涵，它是大量具有相同特征的数据集合，它需要数掘库 管理系统进行管理，需要有数据查询与浏览的界面。同时要考虑多用户访问的安 全机制问题。它也遵循数据库的模式，具有物理模型、逻辑模型和概念模型，但 是它不能直接采用通用数据库的关系模型。如采用商用数据库进行管理，也要对 其进行扩展，使之成为对象关系数掘模型刊能进行存储管理| 8 1 。 3 1 2 空间数据库的内容 空间数据库从应用性质上分，可分为基础地理空间数据库和专题数据库。基 第3 章内河航道空间数据库的设计与实现 础地理空| 白j 数据库包括基础地形要素矢量数据( d l g ) 、数字高程模型( d e m ) 、 数字i f 射影像( d o m ) 、数字栅格地图( d r g ) 以及对这些数据进行说明的元数 据( m e t a d a t a ) 。专题数据( t d ) 与专业部门有关，数据形式不外乎是矢量和栅 格两种【2 9 1 。空| h j 数扼库的内容组成如图3 1 所示： 图3 1 空间数据库的内容组成 f i g 3 1t h ec o m p o n e n t so fs p a t i a ld a t a b a s e 3 1 3 空间数据库的空间数据模型 数据模型是对客观事物及其联系的数据描述，即实体模型的数据化。空间数 据模型描述和解释地球上事物的分布，我们所熟知的地图就是对地理数据的抽象 表达，是现实世界的比例模型。 空| 日j 数据库作为复杂的空间信息管理系统，不仅能够存储和表达现实世界中 各种对象的属性信息，而且涉及大量复杂的空| 白j 特征及可能的拓扑关系的组织和 管理。空| 日j 数据模型是在空i 、日j 语义和属性语义方面更完整地模拟和抽象客观地理 世界，它不仅是g i s 数据库系统的核心，而且是所有g i s 赖以成功的基石【2 9 1 。一 个好的空| h j 数据库管理系统( s d b m s ) 1 3 0 l ，必须有一个设计良好的空间数据模型 作为支持。 本文将采用基于e s r i 的g e o d a t a b a s e 空间数据模型，并利用a r c s d e ( e s r i 提供的空i 白j 数掘引擎) 实现内河航道空i 白j 数据的管理。 内河航道二维显示与分析系统的设计与实现 3 2 基于g e o d a t a b a s e 内河航道空间数据库的设计与实现 3 2 1g e o d a t a b a s e 的概念 g e o d a t a b a s e 是a r c l n f 0 8 弓i 入的一个基于关系数据库的空间数据模型和一体化 管理的空间数据库，即采用面向对象技术将现实空间地理要素( 地物) 抽象为由 若干对象类组成的数据模型，对象之间建立关联，对矢量、栅格、三维表面、网 络、地址等进行统一描述。用户可以在已有的空间数据模型之上，建立符合应用 需求的扩展模型。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以往模型更接近 于现实事物对象的认识和表达方式【3 。g e o d a t a b a s e 的体系结构如图3 2 所示， g e o d a t ab a s e 要素数据集( f e a t u r ed a t a s e t s )栅格数据集( r a s t e rd a t a s e t s ) 空间参考( s p a t i a lr e f e r e n c e )羚 栅格r a s t e r 对撼子类( 。b j e c tc l a s s e s , s u b t y p e ) 誉r 凡 要素类，子类( f e a t u r ec l a s s e s , s u b t y p e ) “夕 关系类，子类( r e l a t i o n a lc l a s s e s ，s u b t y p e ) 验证规则( v a l i d a t i o nr u l e s ) 可在要素 数据集 中，也可 独立存在 t i n 数据集( t i nd a t a s e t s ) 爹 结点7 边 几 定位器( l o c a t o r s ) 自吉 地址( a d d 吣螂) f 寅吉 x , y 坐标，i i l i j 政编码，位冒名 路径位置 图3 2g e o d a t a b a s e 的内部结构 f i g 3 2t h ei n s i d es t r u c t u r eo fg e o d a t a b a s e 第3 章内河航道空间数据库的设计与实现 从图中可以看出，g e o d a t a b a s e 提供了四种空间数据的表述形式，它们分别是： ( 1 ) 描述婴素( f e a t u r e ) 的矢量数据 ( 2 ) 描述影像( i m a g e ) 、格网数据的栅格数据( r a s t e r ) ( 3 ) 描述表面的不规则三角网( t i n ) ( 4 ) 用于地址定位的a d d r e s s e s ( 地址) 矛h l o c a t o r ( 定位器) g e o d a t a b a s e 可将这四种空间数据表示形式都存放于一个关系型数据库或基于 文件系统的数据库中，这使得各类型空间数据的集成管理变为可能。理解 g e o d a t a b a s e 的体系结构是进行内河航道空间数据库设计的前提。 3 - 2 2g e o d a t a b a s e 的类型 a r c g i s 提供了三种不同类型的g e o d a t a b a s e 以适应不同的工作环境，它们分别 是：文件、个人以及企业g e o d a t a b a s e f 3 1 ，如图3 3 所示： 图3 3g e o d a t a b a s e 的类璎 f i g 3 3 f h ey y p eo fg e o d a t a b a s e 才i 同g e o d a t a b a s e 之l 日j 的区别见下表3 1 ： 内河航道维显示与分析系统的设计与实现 表3 1g e o d a t a b a s e 类型比较 t a b 3 1t h ec o m p a r i s o no fg e o d a t a b a s et y p e 类型 存储格式存储容量用户数 支持操作系统平台 文件空间数据库 ( f il eg e o d a t a b a s e ) _ 二进制文 没有限制单个编辑心户 跨平台( w i n d o w s ， 件的文件 ( 1 t b 表)多个读川户 l i n u xa n d 剧 夹s o l a r i s ) 个人空间数据库 ( p e r s o n a l g e o d a t a b a s e ) m sa c c e s s 单个编辑用户 日 ( m d b ) 2 g bw i n d o w s 多个读刚户 企业空间数据库 ( a r c s d eg e o d a t a b a s e ) 创 关系型依赖丁服务 多个读、写用户 w i n d o w s ，l i n u x ， 数据库器a n ds o l a f i sp l u s 尉 从表3 1 中可以看出，企业空i 日j 数据库支持多用户并行操作，并且可以跨平 台使用1 33 1 ，本文将采用这种类型的g e o d a t a b a s e 建立内河航道空间数据库。 3 2 3 内河航道g e o d a t a b a s e 的设计 创建基于g e o d a t a b a s e 的内河航道空间数据库的目的，在于利用g e o d a t a b a s e 这种空i 白j 数掘模型对内河航道三维显示与分析系统中用到的各种空间数据进行组 织和管理。在丌始创建g e o d a t a b a s e 之自仃，需要根据需要对g e o d a t a b a s e 进行设计。 通常一个g e o d a t a b a s e 的设计包括以下步骤 2 0 1 ： 1 ) 为用户视图建模 2 ) 定义实体及其之f 白j 的关系 3 ) 确定实体的表达方式 4 ) 匹配到g e o d a t a b a s e 数据模型 5 ) 组织成地理数据集。 如图3 4 所示： 第3 章内河航道空间数据库的设计与实现 建立用户数据视图 定义对象和关系 选择地理表达方式 匹配到g e o d a t a b a s e 要素 膏盛 醒 目宦 鱼酋 ：0 i 乙二。 。 一 组织g e o d a t a b a s e 结构三：兰一 确定机构的职能 确定用柬支持职能的数据 将数据组织为逻辑分组 识别和描述对豫 改定对象问的天系 用幽米描述模型 用点、线、血水表小离散特 丁 用栅格描绘连续对象 用t i n 或r a s t e r 水建模表皿 确定离散特 一的几何类型 改定特征之问的关系 眦r 对象属陀类型 i 1 i 织要素系统 定义拓扑关系 指定坐标系统 定义关系和规则 图3 4 设计g e o d a t a b a s e 的一般步骤 f i g 3 4s t e p si nb u i l d i n gag e o d a t a b a s e 其中前三步发展成概念模型，它基于对机构履行职能所必需数据的理解来进 行要素分类，并确定要素的空j 剐表达方式( 点、线、面、影像、表面或非地理要 素) 。最后两步发展成为逻辑数据模型，在这两步中，概念模型被匹配到a r c g i s 的数据集【3j 】。木系统中大部分数掘均来自大比例尺电子航道图，数据的提取过程 采用a r c g i ss 5 7c o n v e r t e r ( 或e n cd a t ah a n d l e re x t e n s i o n ) 将一个数据集( 0 0 0 文件) 导入到一个e n cg e o d a t a b a s e ( p e r s o n a lg e o d a t a b a s e ) 中，该g e o d a t a b a s e 的 结构如图3 5 所示： 内河航道二维显示与分析系统的设计与实现 一? 絮燃c $ 5 7 一 - 。i 刚 一， 习a t t o 习a t t r 习c _ a g g r 习c _ a s s o 习c a t d 目d s l d 习d s n m d s p m 习d s g 习f f e l o b a t 习s r e l 习s t a t _ v c 崮v e 刨v i 2 d u v 1 3 d v 1 3 d s p 一种e n cs s 7 u b e a c o n f e a t u r e 到b e t b h a r e a f e a t u r e 划b e t t h l l n e - - f e a b j r e u b e r t h p o t n b 。e a t u r e u b u o y f e a t u r e 圆c a u 蛳a r e a f e a 乜j r e 凹c a u b o n l i n e f e a t u r e 【二二jc a u 勺o n p o i n f e a t u r e i 副c o a s b h 、e a r e a f e a t u r e 臼c o a s