（计算机应用技术专业论文）电子地图技术在交通安全信息系统中的应用.pdf

，：，；0，撒硌； h 。， ) ， 、 ， 、 原创性声明 i l u l l l l l t l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l 硼 y 17 9 18 8 4 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 豸! 幽塾 日 期：丝鲤! ! 鱼 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：碘导师签名：j 丛日期：型。彦 j l l j 东人学硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 】：i 第l 章绪论1 1 1 引言1 1 2 本课题研究的目的及意义1 1 3 国内外研究现状2 1 3 1 国外研究现状2 1 3 2 国内研究现状3 1 4 本文研究工作3 1 5 论文的组织结构4 第2 章电子地图技术概述5 2 1 电子地图概述5 2 2 电子地图的优点与功能5 2 2 1 电子地图的优点5 2 2 2 电子地图的功能6 2 3 电子地图中的关键技术7 2 3 1 数据模型7 2 3 2 图层分层结构7 2 3 3 图层地图图集层次结构8 2 4 电子地图表现形式9 第3 章空问数据库技术研究1 0 3 1 空间数据库概述1 0 。 3 1 1 空间数据库概念1 0 3 1 2 空间数据库的特点1 0 3 1 3 空间数据库的作用1 2 3 2 空问数据库在g i s 中的地位1 4 3 3 空间数据库建模1 4 3 3 1 基于文件的空间数据管理1 5 文 2 3 4 5 7 8 9 4 毖 捣 烈 弱 卯 鹅 四 弘 ， 山尔人学硕十学侮论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i e n g l i s ha b s t r a c t i i c h a p t e r1p r e f a c e 1 1 1i n t r o d u c t i o n 1 1 2t h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h 1 1 3r e s e a r c hs t a t u sh o m ea n da b r o a d 2 1 3 1r e s e a r c hs t a t u sa b r o a d 2 1 3 2d o m e s t i cr e s e a r c hs t a t u s 3 1 4t h ew o r ko ft h i sp a p e r 3 1 5 p a p e rs t r u c t u r e 4 c h a p t e r2o v e r v i e wo fe l e c t o r n i cm a pt e c h n o l o g y 5 2 1e l e c t r o n i cm a po v e r v i e w 5 2 2 a d v a n t a g e sa n df u n c t i o n so fe l e c t r o n i cm a p 5 2 2 1a d v a n t a g e so fe l e c t r o n i cm a p 5 2 2 2f u n c t i o n so fe l e c t r o n i cm a p 6 2 3 k e yt e c h n o l o g yo fe l e c t r o n i cm a p 7 2 3 1d a t as t r u c t u r ea n dd a t am o d e l 7 2 3 2 l a y e rh i e r a r c h yo fm a p 7 2 3 3l a y e r - m a p a t l a sh i e r a c h y 8 2 4t h ef o l r mo fe l e c t r o n i cm a p 9 c h a p t e r3s p a t i a ld a t a b a s et e c h n o l o g y 1 0 3 1o v e r v i e wo fs p a t i a ld a t a b a s e 1 0 3 1 1d e f i n i t i o no fs p a t i a ld a t a b a s e 1 0 3 1 2f e a t u r e so fs p a t i a ld a t a b a s e 1 0 3 1 3r o l eo fs p a t i a ld a t a b a s e 1 2 3 2t h ep o s i t i o no fs p a t i a ld a t a b a s ei ng i s 1 4 3 3 s p a t i a ld a t a b a s em o d e l i n g 1 4 3 3 1 s p a t i a ld a t am a n a g e m e n tb a s e d o nf i l e 1 5 m 山尔入学硕十学何论文 3 32s p a t i a ld a t am a n a g e m e n tb a s e do nd a t a b a s e 1 6 3 3 3f i l ea n dd a t a b a s eb l e n d i n gm a n a g e m e n t 1 8 3 - 4s p a t i a ld a t a b a s em o d e lu s e di nt h es y s t e m 2 0 3 5 s p a t i a lc o o r d i n a t e ss y s t e m 2 0 c h a p t e r4t r a f f i cs a f e t yi n f o r m a t i o ns y s t e m 2 2 4 1 s y s t e mr e q u i r e m e n t so v e r v i e w 2 2 4 2 s y s t e mf u n c t i o n a lm o d u l e 2 3 4 3 g e n e r a ld e s i g no ft h es y s t e m 2 4 4 4 s p a t i a ld a t a b a s ed e s i g no ft h es y s t e m 2 5 4 5c o r em o d u l ed e s i g n 2 7 4 5 1 d a t a e n g i n em o d u l e 2 8 4 5 2 m a p c o n t r o lm o d u l e 2 9 4 5 3 a c c i d e n t e n g i n em o d u l e 3 4 4 5 4u s e r i n t e r f a c em o d u l e 3 4 c h a p t e r5r e a l i z a t i o no ft r a f f i cs a f e t yi n f o r m a t i o ns y s t e m 3 6 5 1 e - m a pe n g i n e 3 6 5 2t r a f f i ca c c i d e n td r a w i n gm o d u l e 4 6 5 3a c c i d e n ta n a l y s i sm o d u l e 4 8 c h a p t e r6s u m m a r ya n do u t l o o k 5 2 a p p e n d i x 5 3 r e f e r e n c e s 6 3 a c k n o w i e d g e m e n t s 。：6 3 i 【j 东人学硕十学位论文 摘要 近些年，机动车辆币在迅速增加，交通事故的预防已成为社会急需解决的问 题。交通决策部门既要随时了解城市重要路段的车流量信息，也需要掌握重要路 段交通事故发生的数据。而目前的国内很多系统都只是对其中一个方面进行处 理，在预防事故发生方面，还有很大提升空i 日j 。 本课题将实时交通信息( 如车速和流量信息) 和事故数据信息综合考虑，利 用电子地图技术、雷达测速技术以及计算机辅助设计技术( a u t oc a d ) ，丌发一 个基于数据采集的交通安全信息系统。本文主要的研究内容有： 1 研究了电子地图技术，并对电子地图的数据结构与数据模型及其对应的 数据库组织形式进行了分析。 。 2 研究了在本系统中电子地图实现的基础，即空i 日j 数据库技术。本文结合 已有空间数掘库技术，并比较了空间数据库技术的组织结构和存储结构，设计出 针对本系统的空问数据结构和存储方式。 3 在设计的数据库引擎的基础上，本文从交通安全信息系统的需求出发， 介绍了系统总体设计、数据库设计及主要功能模块的设计。最终实现的系统利用 a u t o c a d 技术，绘制电子地图和事故草图，并将雷达获得的实时交通流量和车速 信息按照显示地图的比例尺，以不同形式实时显示在地图上。同时系统可通过事 故分析模块，对各个大队上报的事故信息进行统计，将统计结果以直观形式反馈 给决策者。 本文实现的系统在电子地图上实时显示的交通信息和事故统计结果可以向 交通决策部门提供可靠的指挥依据，为降低未来事故发生率做出努力，从而达到 科学预防交通事故的目的。 关键字：电子地图；空间数据库：g i s ：智能交通； ij l 尔人学硕f j 学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h en u m b e ro fm o t o rv e h i c l e sh a sb e e ni n c r e a s i n gr a p i d l y t h u s ， t h ep r e v e n t i o nf o ri n c r e a s i n go ft r a f f i ca c c i d e n t si sb e c o m i n gam o r ea n d m o r e i m p o r t a n tp r o b l e m f o rt h et r a f f i ca u t h o r i t yd e p a r t m e n t ，t h e yn o to n l yn e e dt ok n o w t r a f f i cf l o w so fi m p o r t a n tr o a ds e c t i o n s ；t h e ya l s on e e dt om a s t e rt h ea c c i d e n td a t a a tp r e s e n t ，s o m ei n f o r m a t i o ns y s t e m so n l yh a v eh a n d l e do n er e s p e c to ft h et w o t h e r ei sal o n gw a yt og oi nt h ea r e ao ft h ep r e s e n t a t i o n t h i sp a p e rt a k e sc o n s i d e r a t i o no fr e a l t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o na n da c c i d e n td a t a t od e v e l o par o a dt r a f f i cs a f e t yi n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do nt r a f f i cd a t ac o l l e c t i o n ， u s i n ge l e c t r o n i cm a pt e c h n o l o g y ，r a d a rt e c h n o l o g y , a u t o c a dt e c h n o l o g y i nt h i s p a p e r ，i t sw o r ki n c l u d e s ： 1 d i g i t a lm a pt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ra n di ta n a l y z ee f f i c i e n t d a t as t r u c t u r ea n dd a t am o d e lo fd i g i t a lm a p 2 t h i sp a p e rw o r k so ns p a c ed a t a b a s e ，w h i c hi st h eb a s es t o n eo fe l e c t r o n i c m a p i ta l s oc o m p a r e st h eh i s t o r yd a t as t r u c t u r ea n ds t o r i n gs t r u c t u r eo fs p a c e d a t a b a s ea n dd e s i g n si t so w ns p a c ed a t a b a s eo ft h i ss y s t e mb a s e do np r e s e n ts p a c e d a t at e c h n o l o g y 3 t h eg e n e r a ld e s i g n ，d a t a b a s ed e s i g na n df u n c t i o nm o d u l ea r ed e t a i l e di nt h i s p a p e rb a s e do nt h es p a c ed a t a b a s ea n dr e a l i z e si tf r o mt h en e e do ft h es y s t e m t h e r e a l i z e ds y s t e mc o u l dd r a wt h em a pa n da c c i d e n tl o c a l eu s i n ga u t o - c a dt e c h n o l o g y a n dd i s p l a yt h em a pw i t ht r a f f i cf l o wa n ds p e e di n f o r m a t i o no ni t a n di tw i l la n a l y z e t r a f f i ca c c i d e n td a t aw h i c hi su p l o a d e db yt h et r a f f i cu n i tt h r o u g ha c c i d e n ta n a l y s i s m o d u l e r e a l t i m ed i s p l a yo ft r a f f i cf l o wa n dd a t aa n da n a l y s i sr e s u l t sc o u l dp r o v i d e i m p o r t a n ti n f o r m a t i o nt op o l i c y m a k i n gd e p a r t m e n t i tw i l lp l a yi t sr o l ei nr e d u c i n g t h er a t eo ft r a f f i ca c c i d e n t si nt h e a i mt op r e v e n ta c c i d e n t sh a p p e n p r o p e r l y k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cm a p ；s p a c ed a t a b a s e ；g i s ；i n t e l l i g e n c et r a f f i c 山尔火学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 电子地图作为种新形式的地图，从2 0 世纪9 0 年代以来，在中国得到了快 速的发展。随着市场化的发展，电子地图技术得到了逐步的优化。电子地图作为 未来地图学的重要发展方向，随着电子地图技术的进步与实际需求的推动，预计 电子地图在生产与生活中的应用将会更加广泛并且更加大众化【1 l 。 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 简称i t s ，它将信息技术、 通讯传输技术、电子控制技术及计算机处理技术等综合运用于交通运输和管理体 系中，通过对交通信息的实时采集、传输和处理，借助各种科技手段，及时对交 通情况进行协调和处理，建立起实时的、准确的、高效的综合交通管理体系，从 而使交通设施得以充分利用并提高交通运输的效率和安全，最终使交通运输服务 和管理实现智能化，使交通运输实现集约式发展。 电子地图技术作为智能交通应用系统中的关键技术，起着举足轻重的作用。 在本系统中，电子地图技术设计的优劣决定着交通安全信息系统的成败。随着电 子地图技术的不断发展，智能交通应用系统也将继续发展下去，使交通更加方便、 智能化。 1 2 本课题研究的目的及意义 交通事故是一种世界性的公害。作为发展中国家的中国来说，机动车的发展 速度远远超过相对应的基础设施的承受能力。因此，我们选择“基于数据采集的 交通安全信息系统 作为课题，具有很大的社会意义和经济意义。 2 0 0 8 年，我国发生交通事故2 6 5 2 0 4 起，造成7 3 4 8 4 人死亡，3 0 4 9 1 9 人受 伤，直接财产损失1 0 1 亿元。2 0 0 9 年，全国道路交通流量、公路旱程、机动车 保有量和驾驶人数进一步增长，道路交通事故预防工作的压力将进一步加大。 为了预防事故发生，交通部门必须统计这些数据，从数据中分析事故原因。 同时为了消除造成交通事故的客观因素，交通管理部门既要随时了解城市各个路 段、时段的车流量信息情况，也要掌握各路段、时段交通事故的数据情况。只有 山东火学硕十学位论文 两方面信息都掌握，才能最大限度地降低事故发生率。 为了在交通安全信息系统中实现这些目的，需要利用电子地图技术、空间数 据库技术、a u t o c a d 等计算机技术，因此，对这些技术的深入了解与研究，有助 于使交通安全信息系统更加优化与智能。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 2 0 世纪6 0 年代木期，美国i t s 的雏形开始出现，丌始研发的系统名称叫做 电子路径导向系统( e r g s ) ，后来因为某种原凶中间暂停了1 0 多年。到了8 0 年代中期，由) j h 祠j 福尼亚交通部门研发的p a t h f i n d e r 系统成功应用，在此之后， 国外丌始了一系列关于智能交通技术的研究。1 9 9 0 年，美国运输部成立智能化 车辆道路系统( i v h s ) 组织，1 9 9 1 年国会制定了i s t e a ( 综合地面运输效率方案) ， 这个方案除了针对地面运输常规项目进行安排外，其重点还是安排i v h s 的研发 和试验，目的是能利用通信和信息技术，对交通承载量进行合理的分配，从而提 高整个路网的运输效率。在1 9 9 4 年，i v h s 更名为i t s ，同时提出了i t s 的7 个服 务领域( 7 个系统) ：即交通管理系统、公共交通运营系统、商用车辆运营系统、 出行信息服务系统、电子收费系统、应急管理系统和车辆控制系统。进入2 1 世 纪后，美国政府将i t s 的发展重点放在了系统安全、信息服务和通信上，并在其 中增加了社会保安和车辆装载物品监控等内容1 2 l 。2 0 0 4 年，美国国会通过了 s a f e t e a l u 法案，内容涉及交通管理、公交管理、公路营运、货运管理、道路 气象管理、出行者信息、费用征收、事件管理等系统的改善和远程传感器系统等 领域，其重点放在了使用多样的智能交通系统及增强多式联运。包括用于与紧急 事件和健康有关的服务，通过避免碰撞与改善保护、碰撞信息发布、商业机动车 辆运行以及基于基础设施或是合作的安全系统来增强安全，推进智能基础设施、 车辆和控制技术的集成等内容上【2 l 。 1 9 8 8 年，由欧洲多国投资5 0 多亿美元，联合推进一项完善道路设施，提高 服务质量为目的的d r i v e 计划。这是欧洲用于车辆安全的专用道路基础设施方 案，这一计划己于1 9 9 4 年完成第1 阶段。目前欧洲各国正着手t e l e m a t i c s 的全 2 山尔人学硕十学何论文 面应用研究工作，计划在全欧洲内建立专门用于交通数据共享使用的无线通信 网，使i t s 系统中的交通管理、车辆行驶和电子收费等都围绕这个无线通信网络 展丌。 在欧洲i t s 的发展过程中，出现了“i t s 服务”这个概念。这一概念提出要 将道路、车辆、卫星和计算机系统利用通信网络进行集成，这样做的目的是将各 国独立的系统演变为车与车、车与路、车与其它的合作系统，实现人和物的移动 信息互操作。他们打算在最近几年实现车内和路侧速度提示、路侧紧急呼叫、危 险货物午辆和被盗车辆跟踪系统、通过浮动车和蜂窝电话检测交通和道路状念、 客户关系管理等i t s 服务。 1 3 2 国内研究现状 近些年，随着技术的不断引进与信息化的不断深入，g i s 系统得到了大力普 及，i t s 作为g i s 的一个分支，也得到了很好的应用。 现在，已经有商业公司利用网络平台将电子地图与i t s 有机地结合在一起， 在货运管理系统、紧急救援系统、公共交通系统、交通信息服务系统中利用其网 络平台的动态电子地图及相关功能及i n t e r n e t 的成功运用，将实现使用基于 i n t e r n e t 的i t s 服务、分析、管理及决策。北京天下网推出的公交换乘就是一个 在i n t e r n e t 上实现a p t s 的实用系统，用户可以利用公交换乘这项功能，快速地 查询出最佳换乘公交路线。用户只需输入起止地点，系统计算出最佳换乘路线， 并将换乘车站的位置进行注释，画出行经路线，同时给出路线的公里数。在这基 础上如果加入实时信息，如交通状况和线路运营情况等，用户就可以实现通过 i n t e r n e t 使用真正意义的公交换剩3 1 。 1 4 本文研究工作 结合电子地图技术，本文主要做了以下工作。 1 电子地图技术的研究。结合现有电子地图技术，抽象出现实交通系统的 计算机模型，将交通地图( 包括道路、交通图例、交通设施等) 数据化。 2 研究了空间数据库技术，并结合已有空间数据库技术，设计出针对此系 统的空间数据存储策略。 3 山东人学硕十学何论文 3 系统实现。结合雷达数据采集，实现交通地图的显示以及关注数据实时 显示，给交通管理部门提供指挥依据。并将历史数据与事故数据汇总，用报表输 出给用户。 1 5 论文的组织结构 本文主要分为以下六个章肖来讨论。 第一章绪论，介绍了本课题的研究意义。首先介绍了电子地图的发展及智能 交通的发展，阐述了智能交通系统的旧内外发展现状，接着介绍了本文主要研究 的内容，最后给出了本文的组织结构。 第二章介绍了电子地图技术。主要有电子地图的功能、优点等，其中对电子 地图中的关键技术进行了详细介绍。 第三章介绍了电子地图实现的基础，即窄f n j 数据库技术，并重点介绍了空间 数据建模技术，并设计了交通安全信息系统采用的数据模型。 第四章对交通安全信息系统进行需求分析，分析了需要实现的功能，并详细 介绍了系统的设计。 第五章在第四章设计的基础上，介绍了交通安全信息系统的实现。 第六章对本文的创新点和不足进行了总结，同时提出下一步工作的重点。 4 山东大学硕十学位论文 2 1 电子地图概述 第2 章电子地图技术概述 电子地图( e l e c t r o n i cm a p ) 是一种随着计算机科学的发展，可以反映地表 自然与社会现象、以数字形式存储、并可在计算机显示器上以图形形式快速表现 的地图新品种。 电子地图是地图在计算机屏幕上的符号化显示，但它仍具有地图的内涵。在 制作电子地图时，需要有数字地图数据、地图符号库，还必须有一定的数学理论 支撑。电子地图是随着计算机技术的发展而产生的，它是一种崭新的地理信息展 示技术，它来源于地图，却将地图以数字的方式存储呈现，也就是说，它只能在 计算机中才能使用【4 l 。相对传统纸质地图，电子地图可以提供更佳的展现方式。 现在的电子地图储存信息方式，一般采用矢量方式储存图像。因为矢量地图 比例可以不因放大、缩小或旋转操作造成图像变形。早期的位图方式储存地图， 地图比例不方便放大或缩小，否则会出现地图失真现象。现代电子地图软件一般 利用地理信息系统来储存和传送地图数据【射，当然，其他的信息系统也可以完成 这项功能。 2 2 电子地图的优点与功能 2 2 1 1 电子地图的优点 相对于传统纸质地图，电子地图具有以下优剧引。 1 任意缩放。用户在使用电子地图时，可以在一定限度内实现任意无级缩 放，并且可以很容易实现“漫游 和“平移 。一幅电子地图可以容纳某一个地 区的所有纸质地图，而且不需要地图分幅【7 l ，这样就可以避免多幅纸质地图在拼 图连接时，由于粗糙接边带来的误差。 2 交互性强。传统地图对这一优点只能无可耐何。有的电子地图的制作过 程是用户不断与计算机的对话过程中动态生成出来的，使用者可以根据自己实际 需要，直接在电子地图上进行位嚣标注或添加其他信息，设定地图显示比例尺， s l l l 尔人学硕十学位论文 还可自由组织地图要素等，同时使用者可以不用担心标注太多会造成显示混乱的 麻烦，因为可以设置电子地图对这些信息进行过滤显示，用户不想看到的，不会 显示给用户。 3 计算能力强。电子地图由于使用了计算机这先进信息处理工具，可以 非常方便的进行关于地图的各种几何形状运算，信息统计和分析功能，还可以对 地图信息进行定黾分析或定性判断，具有较强的灵活性8 1 ，为人们的信息使用提 供了很大的方便。 4 大存储量。电子地图数据除了包括位置数据外，还可包括图形、图像、 文档、统计数据等多形式信息。在存储 乜了地图时，不仅可以存储一：维图形数据， 还可以保存三维影像数据，数抛类型! 数掘量的町兼容性比较强，同时使电了地 图直观、形象、生动地表达空问信息。电子地图使用数! 存储介质，容最可以很 大。 2 2 2 电子地图的功能 凭借电子地图的优点，电子地图经常被用作以下功能。 i 空问观察的提供者。电子地图脱胎于传统纸质地图，但它地图的一种， 仍具有地图的功能特征，即为使用者提供地理观察需要的信息。在地子地图中， 不仅存储着位嚣信息和拓扑关系，还存储着更详细的地理属性信息，这些信息都 可以提供给使用者 9 1 。 2 空间信息包容者。在没有电子地图之前，有的地图其实已经包含了多媒 体产品，它包括文本、图形、图像和图表等信息。随着信息技术的发展，电子地 图中又加入了声音、视频影像、动画等媒体类型1 0 l 。如今的电子地图的内容正变 得越来越丰富。将多媒体类型纳入地图中，可以使人们的生活更直观、生动地在 电子地图上反映出来。 3 访问地理数据库的桥梁。用户可以通过电子地图显示的地理元素，获取 与之相关的地理属性信息，这些信息一般部保存在地理数据库中，从而达到以友 好方式获取地理数据信息的目的。 4 空间元素的模型。传统纸质地图都有图例等用来指代现实世界的空间实 体。这就是地图的本质，即它是按照一定制图规则，对现实实体的抽象化符号展 6 山东人学硕十学位论文 示。在电子地图上可以将现实世界中的实体以约定的符号形式表现出来，从而达 到显示现实世界信息的目的。 2 3 电子地图中的关键技术 2 3 1 数据模型 电子地图在伴随计算机信息技术及信号处理技术的发展过程中，出现了多种 数据结构和数据模型，数据库组织方式也相应的发生了变化。例如数据模型发展 中，从关系型数据模型、面向对象数据模型，到现在最新的时空数据模型、超媒 体数据模型【1 1 l 等，在数据库存储管理上，从已经成熟的文件管理系统、传统数据 库管理系统，到现在f 在发展完善中的面向对象数据库管理系统、多媒体数据库 管理系统【1 2 l 等等。在电子地图领域，针对电子地图技术本身发展设计的数据结构 是分层思想，如图层分层结构、要素图层地图结构1 1 3 】等。 2 3 2 图层分层结构 目i j ，国内外一些著名的g i s 软件都以图层方式组织数据，并设计了图层的 操作功能。分层管理思想是g i s 空间数据组织管理的重要内容，在诸多地图数据 管理概念中，以层的管理形式效率最高【1 4 l 。 在地理信息系统【1 s 】应用程序中，图层是地图数据组织的基本储存单位，用来 区分空间实体的类别。层是在一定空间范围内属性一致、特征相同、具有一定拓 扑关系的地理实体或地理因子在空间分布上的集合，即具有某些相同或相似特性 的同种类型多个几何空间元素组成的集合。在实际应用系统中，每一类特征数据 都可以单独组成一个图层，如图2 - 1 所示，也可以将若干类特征数据合并成一个 ， 新的图层。而多个空间图层的组合，构成能满足一定应用需求的图层的集合，称 为图层集。图集层包含有以下图层信息：图层空间索引( 大小、标号、表名) 、 组成图层集的图层引用( 图层标号、图层表名) 、图层坐标范围( 坐标最大、最 小值) 、图层是否显示等信息。 7 山尔人学硕十学位论文 图2 - 1l 毡子地图图层示意图 2 3 3 图层地图图集层次结构 地图层次结构思想对电子地图的应用丌发影响非常大，因为它在电子地图的 应用系统中很常用。这种地图层次结构多数由要素图层地图三层逻辑体 系组成，见图2 2 所示。这种体系可以根据现实世界的分层组成分别对应建立相 应的地图图层，这样对现实世界的描绘可以更清晰，且可扩展性非常好，可以很 方便地加入需要的图层。在面向对象的数据模型思想出现后，有的电子地图系统 的底层丌始采用面向对象建模方式建立对应的数据模型，将地理实体抽象为对象 加以描述，这样的电子地图系统韵数据层次一般分为图层地图结构。 图层地图图集 目 图2 2 电子地图层次结构 在实际电子地图的应用中，图层地图结构确实是一种有效的地理数据组 织管理方法，但它仍然有一个不足，那就是它缺乏大数据量的地图集应对策略。 在电子地图应用系统中，一般将地图做成电子地图集的数据组织管理【1 6 1 ，即在电 子地图制作系统中，采用图层地图思想的数据组织管理体系，而在电子地图 8 山东人学硕十学位论文 系统中采用树或其他思想进行图集的组织管理。这样，一个电子地图的数据组织 管理雏形就产生了。 2 4 电子地图表现形式 地图作为空间信息的展示，是空问信息数据经过全面抽象化后的符号模型。 电子地图的本意是为了对现实世界进行展现，为了达到直观、美化、对使用者友 好的用电子地图刻厕现实地理的目的，有必要对电子地图的表现手法进行介绍。 现在，国内很多研究主要对地图视觉理论、增强地图表现力、地图符号系统及符 号库等方面进行了阐述1 7 i 。 地图的制作过程是通过抽象模型进行图数转换，即将现实世界的地图实体转 换为可以在计算, t j l q , 表示的数字符号，这样就可以用地图数据表示现实世界了， 最后将抽象化的地图数据存储在空间数据库中。当需要将电子地图展示时，就需 要一个相反的过程，即将空问数据库内实际地理实体对应的地图数据通过符号化 过程，转化为电子地图上相应的图形元素符号，这样用户就可以通过这个元素符 号直观的看到地理实体了，这个过程可以称作直观化，它是现实世界抽象的逆过 程。 电子地图中采用的图形元素符号可以认为是电子地图的语言，它对描述现实 世界地理实体特征与拓扑关系有着重要作用，是表达地理环境的基本元素。利用 这些符号，可以使展现的电子地图更具易读性【圳。 9 山力：人学硕十学位论文 第3 章空间数据库技术研究 3 1 空间数据库概述 3 1 1 空间数据库概念 随着地理信息系统的丌发和应川的普及，空问数据组织管理技术的地位变得 越来越重要。在电子地图的应用驻，也是如此，因为它足电子地图实现的基础。 慢慢的，这种组织技术丌始形成一个管理体系，这就足空问数据库系统。到日前 为止，空i j 数抛库系统并没彳r 脱离应用而单独存在，它与具体实际应刚紧密结合， 在具体操作中，一般作为系统的核心基础出现。 在电子地图的应用系统中，空间数据一般用来记录地理实体的位置、形状和 拓扑关系特征等方面的数据，它不仅可以描述二：维空问实体信息，还适用于描述 三维或多维分和的关于空l 日j 的特征数据【1 9 1 。在空间数据库中存储的另一种数据就 是属性数据，它是非空问数据，主要用于对地理实体进行描述说明，如语义定义 和解释2 引。所以空间数据库不仅包括物体本身的空间信息，还包括对空间数据进 行描述的属性信息。 空l 、日j 数据库系统是一个按照一个数据管理模型组织的数据管理体系，是用来 存储和处理空间数据及其属性数据的数据库系统。空间数据库技术如果用关系数 据库管理系统( r d b m s ) 来管理空i 日j 数据，主要解决存储在关系数据库中的空间数据 与应用程序之问的数据接口问题，使空间数据能被应用程序方便、高效地访问， 同时，应用程序对空间数据的修改能高效反馈到空间数据库中【2 ，这就是空间数 据库引擎( s p a t i a ld a t a b a s ee n g i n e ) 。更准确地说，空间数据库技术主要解决空 间数据对象中几何属性在关系数据库中的存取问题。 3 1 2 空间数据库的特点 空间数据管理体系，相对有传统的数据库系统，具有空间性、现实抽象性、 多尺度和多态性、非结构化、分类编码以及海量存储等区别性特征2 2 】： i 山东人学硕十学位论文 1 空间性。空间数据库中存有空间数据，所以空问性是空问数据库最主要 特征，它描述了空白j 实体的位置、形态，有的还可以存储空间实体的拓扑关系。 每个空问实体都具有自己的空问坐标，即空间元素隐含了空| 日j 分御特征。这种带 有拓扑关系的数据虽然保存的信息量增大了，它不仅保存了空间数据，还保存了 它们之间的位置关系，但同时却带来了数据一致性与完整性的维护难度1 2 3 。比如 在一般的空间数据组织管理中，一个复杂的几何对象，通常没有直接记录空间坐 标的信息，如带有位置关系的面状坐标，而是仅记录组成它的弧段的标号，这样 在进行分析操作时就需要检索和操纵多个数据文件才算完成数据操作功能。这意 味着在空问数据组织管理时，要充分考虑它的空问拓扑关系，这样爿算保持空i 日j 数据的一致性与完整性。 2 现实抽象性。空问数据是将具有复杂位置关系的现实世界实体经过抽象 化处理后得到的数据。存储起来的空问数据是经过空间图数转换后的抽象化空间 元素表示，整个空l 日j 数据库是真实世界的另一种表达。 3 多尺度和多态性。不同观察要求下需要有不同的比例尺和精度，这时同 一地理实体在不同的情况下的展示会有形态上差异。比如，一个学校在现实世界 中是占据一定范围的区域，如果需要全景展示，这时这个学校就可以被看作面状 空间元素来保存处理；但是在比例尺较小的全景缩放展示时，此学校可能会被当 作点状空间元素来处理的。也就是说，同一学校在展示给使用者时，表现出了不 同的形态。 4 海量数据特征。在地理信息应用系统中，空间数据一般需要专门的大容 量服务器做用作存储。一个城市的g i s 数据存储量可能会高达几十个g b ，如果再 加上多媒体数据，如音频、视频等相关数据一同存储，存储量可能会有t b 级。这 样的存储量在一般的数据库应用系统中很少用到。正因为空间数据存储量大，一 般采用在二维空间上对地图进行分幅或分块处理，同时，用分层思想将空间数据 分开组织与管理。 5 分类编码特征。在制作电子地图时，需要对现实世界的地理实体类进行 分类编码，有的是遵循国家标准，如按照l ：5 0 01 ：1 0 0 01 ：2 0 0 0 地形图要素分 类与代码国家标准对地形要素进行分类。这样做可以兼顾制图与g i s 功能分析， 同时也方便应用，如根据分类码查找提取各种专题的基础地形要素信息。在多种 山尔人学硕十学位论文 情况下，将现实地物进行分类编码后，一种地物类型只对应于一个属性数据文件， 有的时候如果几个属性项被几种地物共同所用，也可以将它们合并成一个属性数 据文件。 6 非结构化特征。这一特征也足窄i 只j 数据库单独成体系的重要原因。在传 统的关系型数据库管理系统中，通常要求数据是结构化的，而在空间数据库中， 空i 日j 数据不能满足这一要求。即一条数掘汜录一般都满足是结构化的，它满足关 系数据模型的第一范式要求【2 4 】，也就是说，在数据存储时，数抛表中的每一条记 录都是定长的，存储的数据内容只能是原子数据，不允许一条记录嵌套另一条记 录进行存储。空f b j 数据不能满足这种结构化要求，若用物理表存储一个空问实体 相关空间数据，则它的实际数据可能足变k 的。例如，现实世界咀一段弧形路的 坐标，根据不同的抽象标准，其存储数据长度可能也不一样。它可能是三对坐标， 即三点确定一段弧形；也可能是_ 万对坐标，即对弧形进i ，一定精度的重描。另 外，现实世界早存伍着地理实体与另一地理实体是包含关系的t 爵况，例如，一个 多边形组成的花园，它可能含有多条弧段，如果在数据库的表l p 一条记录表示一 条弧段，那么一个多边形的记录就i 叮能嵌套天联存储多条弧段的记录。如果这样， 这种数据组织将不满足关系数据模型的第一范式要求。这也是空l u j 图形数据不好 直接采用成熟的关系数掘管理系统的主要原因。 3 1 3 空间数