（控制理论与控制工程专业论文）基于网络分析的小型gis平台的开发与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着g i s 技术的不断发展以及g i s 与其它学科领域的结合，g i s 的应用己发生根本 性的变化。一方面其应用领域由最初的几个专业领域发展到社会的各个行业领域，成为 一个基本的空间信息处理应用工具；另一方面g i s 的应用需求由最初的空间信息获取、 管理和查询发展到对空间信息的融合、分析、处理和应用。其中以对空间位置关系和空 间相关关系的分析需求最为突出。g i s 网络分析作为g i s 空间分析的重要组成部分，是 空间位置关系和空间相关关系研究的主要内容和主要的研究手段。 本文首先对g i s 空间数据模型进行了研究，通过比较分析三种数据模型的特点，阐 述了基于矢量模型的空间分析方法的优势；本文采用邻接表存储网络结构，重点研究了 网络分析中最短路径分析，首先对网络基本信息进行了计算，并根据各个网络自身特点 选择适合正向搜索还是逆向搜索，以节省搜索时间，然后采用从起始节点开始对所有节 点逐层扫描的思想给出了最短路径分析的具体思想与实现步骤，在本文最后一章给出了 网络分析的实现结果。 基于上述理论，本课题采用面向对象编程技术，应用v i s u a lc + + 开发环境设计并实 现了一个小型地理信息系统a u t o g i s 。开发了一个能使用鼠标或键盘进行交互式绘制点、 线、面、网络等图形的图形绘制编辑模块；实现点、线、区域等图形样式的多样化设计； 完成了属性数据添加、修改、存取以及图形对象与属性数据之间的双向查询功能：设计 并实现了网络分析中最短路径分析等空间分析功能。基本实现了一个g i s 软件所必备的 重要功能。 关键词：枢纽点；网络点；网络连接 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no f as m a l lt y p eg i sp l a t f o r mb a s e do nn e t w o r k a n a l y s i s a b s t r a c t w i t ht h ec e a s e l e s sd e v e l o p m e n to fg i st e c h n o l o g ya n dt h ec o m b i n a t i o no fo t h e r a c a d e m i cf i e l d sa n dg i s g i sa p p l i c a t i o n sh a v ec h a n g e df u n d a m e n t a l l y o nt h eo n eh a n d , i t s a p p l i c a t i o nf i e l d sd e v e l o pf r o mi n i t i a ls e v e r a lp r o f e s s i o n a lf i e l d st ov a r i o u ss o c i e t yf i e l d s ，a n d i tb e c o m e sab a s i ca p p l i c a t i o nt o o lf o rs p a t i a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n g o nt h eo t h e rh a n d , t h e n e e do fg i sa p p l i c a t i o nd e v e l o p sf r o mi n i t i a la c q u i s i t i o n ，m a n a g e m e n ta n dq u e r yo fs p a t i a l i n f o r m a t i o nt oi n t e g r a t i o n , a n a l y s i s ，p r o c e s s i n ga n da p p l i c a t i o n so fs p a t i a li n f o r m a t i o n t h e r e i n t o ，t h ea n a l y s i sn e e do ft h es p a t i a lu b i e t ya n ds p a t i a lc o r r e l a t i v i t yi st h em o s t p r o m i n e n t g e o g r a p h i cn e t w o r ka n a l y s i s ，a st h ei m p o r t a n tp a r to fs p a t i a la n a l y s i s ，i st h em a i n c o n t e n ta n dm a i ns t u d ym e a n so fs p a t i a lu b i e t ya n ds p a t i a lc o r r e l a t i v i t yr e s e a r c h f i r s t l y ，t h i sa r t i c l ei n v e s t i g a t e sg i ss p a t i a ld a t am o d e l b yc o m p a r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h et h r e ed a t am o d e l s ，i te x p a t i a t e st h ea d v a n t a g eo fs p a t i a la n a l y s i sm e t h o db a s i n go nt h e v e c t o rm o d e l i ts t o r e sn e t w o r ks t r u c t u r ew i t ha d j a c e n c yl i s t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e a n a l y s i so f t h es h o r t e s tp a t ha n a l y s i so fn e t w o r ka n a l y s i s f i r s to fa l l ，t h eb a s i ci n f o r m a t i o no n t h en e t w o r ki sc a l c u l a t e d i no r d e rt os a v et h es e a r c ht i m e ，t h ep o s i t i v ed i r e c t i o ns e a r c ho r r e v e r s ed i r e c t i o ns e a r c hi sc h o s ea c c o r d i n gt ot h es p e c i a lf e a t u r e so ft h ev a r i o u sn e t w o r k s ，a n d t h e ni tp r e s e n t st h et h o u g h ta n dc o n c r e t es t e p so ft h es h o r t e s tp a t ha n a l y s i sb ys c a n n i n gl a y e r b yl a y e rf r o ms t a r tn o d et oe n d n o d e i nl a s tc h a p t e r , t h en e t w o r ka n a l y s i sr e s u l t sa r es h o w e d b a s i n go nt h et h e o r ym e n t i o n e da b o v e ，t h i st e x td e s i g n sa n di m p l e m e n t sap r o t o t y p eg i s a u t o g i sp l a t f o r mb yu s i n go b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n ga n dv i s u a lc + + d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t am o d u l ef o rd r a w i n ga n de d i t t i n gg r a p h i c sw h i c hc a l li n t e r a c t i v e l yp r o t r a c t p o i n t ，l i n e ，p l a n e ，n e t w o r ka n ds o o nb yu s i n gam o n s eo rak e y b o a r di s d e s i g n e d ； d i v e r s i f i c a t i o ni sa c h i e v e df o rt h es t y l eo fp o i n t ，l i n ea n dp l a n e a p p e n d i n g , c h a n g i n g , s a v i n g a n dl o a d i n go fa t t r i b u t ed a t aa n dt w o - w a yq u e r yb e t w e e ng r a p h i c a lo b j e c ta n da t t r i b u t ed a t a a r ea l s oa c h i e v e d t h es h o r t e s tp a t ha n a l y s i so fn e t w o r ka n do t h e rs p a t i a la n a l y s i sf u n c t i o n s a r ed e s i g n e da n dr e a l i z e d i m p o r t a n tf u n c t i o n sr e q u i r e db yag i ss o f t w a r ea r eb a s i c a l l y r e a l i z e d k e yw o r d s ：h i l l g cn o d e ；n e tn o d e ；n e t w o r kc o n n e c t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。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。 作者签名：罗浓问日期：型! ：i ! 口 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工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。本人授权大连理 工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。 作者虢翌这亟 导师签名：沙崇钆 地! i 年j 互月上生 二f 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 g i s 概述 地理信息系统i ( 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 ) 是一种兼容、存储、 管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技 术。它在最近的4 0 年内取得了惊人的发展，并广泛地应用于资源调查、环境评估、重 大灾害处理、区域发展规划、公共设施管理、交通安全等领域。尤其是以地理信息系统、 遥感、全球定位系统三者有机结合的3 s 技术，使g i s 应用的深度和广度达到一个新的 水平，成为一个跨学科、多方向的研究领域。 1 1 1 g l s 发展现状 经过四十多年的发展，g i s 分别在应用领域、软件设计和g i s 理论这三方面取得了 进展。 ( 1 ) 应用领域 g i s 已广泛应用于小至县市级大至国家、全球的资源与环境调查、土地管理等方面 并扩展到商业、农业、建设、航空航天、交通运输、电力、通讯、军事、卫生、保险、 企业管理、公安等诸多领域。 ( 2 ) 软件设计方面 不断基于计算机技术的发展，不断地设计和更新功能强大、界面友好的软件系统。 无论是硬件、软件技术支持的数据输入、存储、运算和处理结果的显示、输出，还是对 地理信息的管理、分析，都有突破性进展，系统的动态性和实时性得以加强，对各种相 关信息的处理能力得到提高，分析结果的精度得到改善。 ( 3 ) 在g i s 有关理论方面 对g i s 理论探索和研究愈加深入和具体。1 9 8 0 年，d f m a r b l e 等编辑出版的“空间 数据处理计算机软件”综合性报告，对各国已有地理信息系统及有关计算机软件情况进 行了分析和总结，对全部软件进行了系统的分类，提出了地理信息系统的今后发展应着 重研究空间数据的算法、数据结构和数据库管理技术等。 尽管我国的g i s 起步较晚，但经过我国g i s 工作者的不懈努力，国内g i s 取得了 长足的发展，国产地理信息系统软件不仅在市场上占有一定比例，而且还出现里许多具 有自主知识产权的品牌软件。在软件使用上，国产软件在数量上已经占有一定的优势。 一批g i s 软件企业在市场搏杀中脱颖而出，企业群体不断扩大，实力有了大幅度的增强。 基于网络分析的小型g i s 平台的开发与实现 国内功能比较完善的g i s 产品中，最具代表性的有北京超图地理信息技术有限公司 开发的超图s u p e r m a p ，中国地质大学的m a p g i s 和武汉吉奥信息工程技术有限公司开 发的吉奥之星g e o s t a r 。此外，还成立了“中国g i s 协会”和“中国g p s 技术应用协会”。 1 1 2g i s 的功能 在建立一个实用的地理信息系统过程中，从数据准备到系统完成，必须经过各种数 据转换，每个转换都有可能改变原有的信息。一般的地理信息系统( g i s ) 包括以下几项 基本功能。 ( 1 ) 数据采集与输入 数据采集与输入，是将系统外部的原始数据传输给系统内部，并将这些数据从外部 格式转换为系统便于处理的内部格式的过程。对多种形式和多种来源的信息，实现多种 方式的数据输入。主要有图形数据输入、栅格数据输入、测量数据输入和属性数据输入 等。它包括数字化、规范化和数据编码三方面的内容。 数字化是指根据不同信息类型，经过跟踪数字化或扫描数字化，进行模数转换、 座标变换等，形成各种数据文件，存入数据库内。 规范化是指对不同比例尺、不同投影坐标系统和不同精度的外来数据，必须统 一坐标和记录格式，以便在同一基础上进一步工作。 数据编码是根据一定的数据结构和目标属性特征，将数据转换为计算机识别和 管理的代码或编码字符。数据输入方式与使用的设备密切相关，常用的有3 种形式，即 手扶跟踪数字化、扫描数字化和键盘输入。 ( 2 ) 数据编辑与更新 数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。图形编辑主要包括图形修改、增加和删除、 图形修饰、图形变换、图幅拼接、投影变换、误差校正和建立拓扑关系等。属性编辑通 常与数据库管理结合在一起完成，主要包括属性数据的修改、删除和插入等操作。 数据更新是以新的数据项或记录来替换数据文件或数据库中相应的数据项或记录， 它是通过修改、删除和插入等一系列操作来实现的。由于地理信息具有动态变化的特征， 人们所获取的数据只反映地理事物某一瞬间或一定时间范围内的特征，随着时间的推 进，数据会随之改变。因此，数据更新是g i s 建立地理数据的时间序列，满足动态分析 的前提，是对自然现象的发生和发展做出科学合理的预报的基础。 ( 3 ) 数据存储与管理 数据存储是指数据以某种格式记录在计算机内部或外部存储介质上。其存储方式与 数据文件的组织密切相关。数据管理是处理存取和数据运行的各种管理控制。空间数据 大连理工大学硕士学位论文 管理是g i s 数据管理的核心，各种图形数据或图像数据都以严密的逻辑结构存放在空间 数据库中。属性数据管理一般直接利用商用关系数据库软件，如f o r p r o ，o r a c l e ，s q l s e r v e r 等进行管理。 ( 4 ) 空间查询与分析 空间查询与分析是g i s 的核心，是g i s 区别于其它信息系统的本质特征。主要包括 数据操作运算、数据查询检索、数据综合分析。数据查询检索是从数据文件、数据库中， 查找和选取所需数据，为了满足各种可能的查询条件而进行的系统内部数据操作，如数 据格式转换、多边形叠合、拼接、剪辑等操作，以及按一定模式关系进行的各种数据运 算，包括算术运算、逻辑运算、函数运算和关系运算等。 综合分析功能可以提高系统评价、管理和决策的能力，分析功能可以在系统操作运 算功能的支持下建立专门的分析软件来实现，主要包括信息量测、属性分析、统计分析、 二维模型分析、三维模型分析和多要素综合分析等。 ( 5 ) 数据显示与输出 数据显示是指中间处理过程和最终结果的屏幕显示。通常用人机对话方式选择现实 对象和形式，对于图像数据可根据要素的信息量和密集程度，选择放大或缩小显示。 输出是将g i s 的产品通过输出设备( 包括显示器、绘图机、打印机等) 输出。g i s 不 仅可以输出全要素地图，还可以根据用户需要，分层输出各种专题地图、各类统计图、 图表、数据和报告等【2 1 。 总之，g i s 的基本功能一方面是统一支配相关的海量信息，加快信息的处理速度， 节约时间、提高效率，快速响应社会需求，直接创造社会财富；另一方面赢得预测、预 报的时间，减少损失，间接获得经济效益。 1 1 3g l s 的组成 g i s 由五个主要的元素所构成：硬件、软件、数据、人员和方法【3 】 如图1 1 。 ( 1 ) 硬件 硬件是g i s 所操作的计算机。今天，g 1 s 软件可以在很多类型的硬件上运行。从中 央计算机服务器到桌面计算机，从单机到网络环境。 ( 2 ) 软件 g i s 软件提供所需的存储、分析和显示地理信息的功能和工具。主要的软件部件有： 输入和处理地理信息的工具； 数据库管理系统( d b m s ) ； 支持地理查询、分析和视觉化的工具； 基于网络分析的小型g i s 平台的开发与实现 容易使用这些工具的图形化界面( g u i ) 。 ( 3 ) 数据 一个g i s 系统中最重要的部件就是数据了。地理数据和相关的表格数据可以自己采 集或者从商业数据提供者处购买。g i s 将把空间数据和其他数据源的数据集成在一起， 而且可以使用那些被大多数公司用来组织和保存数据的数据库管理系统，来管理空间数 据。 ( 4 ) 人员 g i s 技术如果没有人来管理系统和制定计划应用于实际问题，将没有什么价值。g i s 的用户范围包括从设计和维护系统的技术专家，到那些使用该系统并完成他们每天工作 的人员。 ( 5 ) 方法 成功的g i s 系统，具有好的设计计划和自己的事务规律，这些是规范而且对每一个 公司来说具体的操作实践又是独特的。 图1 1g i s 的构成 f i g 1 1 t h es t r u c t u r eo fg i s 1 1 4g i s 网络分析发展现状 尽管g i s 网络分析的在许久以前就被提出并投入实际运用，但受限于学科理论和技 术手段，地理网络分析的研究一直依托于别的学科和领域。直到地理信息系统的出现和 不断完善，特别是随着地理信息系统的应用领域不断扩大和深入，关于地理网络分析的 专门研究才得以正式提出和展开。当前随着地理网络分析相关理论的发展和完善及应用 的深入，对地理网络分析的研究也越来越多越来越热。目前地理网络分析的相关研究主 要集中在以下方面： 4 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 在理论体系上 当前对地理网络分析的研究主要还分散在相关的地理学科( 如经济地理学、人文地 理学、行为地理学) 、数学学科( 如图论、运筹学、数学分析) 和具体的应用领域之中。 与此相关的学术论文和相关思想都依托于具体的网络分析任务和作为g i s 的分支研究。 这包括地理网络分析算法的改进及应用。由于算法的好坏直接关系到地理网络分析功能 的实现及效率，也是地理网络分析核心的要素。计算机技术及地理网络分析算法的复杂 度一直是限制地理网络分析发展的瓶颈。近些年随着计算机技术的飞速发展给地理网络 分析带来了无限生机，此时改进相关算法对地理网络分析的发展有着非凡的意义，因此 这方面的研究是目前地理网络分析研究热点中的热点。 ( 2 ) 在实际应用中的发展 尽管在理论上的尚未独立，却并没有影响地理网络分析在实际中的应用。地理网络 分析已经广泛应用于城市的规划建设、交通运输、物资输送、网络管理、资源配置、环 境保护、军事指挥。特别是随着g i s 的发展和应用的深入，使更多的领域关心地理网络， 需要地理网络分析，对地理网络分析的提出了更广泛更深入的需求。这些研究主要是如 何将地理网络分析相关算法在g i s 系统甚至t e g i s 系统中应用。近些年随着各个领域对地 理网络分析的迫切需求，这方面的研究也越来越多。其他如地理网络模型、地理网络拓 扑关系的建立与维护等的研究和应用。选择何种地理网络模型、数据结构关系到与现行 g e 软件结合难易，关系到算法的实现及算法的复杂度。地理网络拓扑关系的建立与维 护是地理网络数据获取中难点问题，目前也没有很好的解决方案，在这方面的研究也较 少。 ( 3 ) 在g i s 上的发展 地理网络分析作为g i s 空间分析的一项核心内容，已经成为g i s 发展的一个热点， 并逐渐成为衡量g e 软件的一个标准。而当前国内外主要g i s 软件多数都支持地理网络 分析的部分功能，如a f c d n f o ，m c v i e w ，m 印i n f o ，m g e ，地理网络分析及在配电网络g i s 中的应用g c 0 m e d i a ，s u p e r m a p ，m 印g i s ，g e o s t 缸等。这些研究主要是解决如何利用现有 g i s 软件的地理网络分析功能并尽量灵活的实现，同时也有改善或替代现有g i s 软件中 相关模块和算法等问题的探讨。 与g i s 的其它分析功能相比，网络分析的研究一直比较少，但是近年来由于普遍使 用g i s 管理大型网状设施( 如城市中的各类地下管线、交通线、通讯线路等【4 】) ，使得对 网络分析功能的需求迅速增长。 基于网络分析的小型g i s 平台的开发与实现 1 2 问题的提出与研究意义 近几年来，地理信息系统技术在全球得到了迅猛的发展，已经成为i t 的重要组成 部分，用于开发g i s 系统的专业开发工具得到了飞速发展，出现了大量g i s 系统的专业 开发工具。应用专业开发工具开发g i s 系统具有开发起点高、可靠性好、相对简单易学 等优点。但也存在着可扩展性差、适用性差、系统庞大臃肿、没有系统版权等缺点。比 如，我们往往只需要利用g i s 的所见即所得的功能为特定领域的管理提供便利，却不得 不为根本用不到的复杂的三维处理功能付出额外的代价，开发费用也大大增加。更重要 的是，这些专业开发工具总体上来说还是一个难于真正修改的“黑匣子”，而在实际应 用中，要开发的往往并不全是传统意义上的g i s 系统，而是将g i s 技术与m i s 、d s s 和c a d 等系统集成的系统，在这种情况下很难实现与这些实用系统的无缝集成。利用 v i s u a lc + + 开发可以克服上述的缺点，用它开发以信息管理、决策服务及设计为主的实 际g i s 系统时，具有良好的应用前景。 因为v i s u a lc + + 具有强大的图形处理功能和数据库开发功能，所以以往利用v i s u a l c + + 开发的g i s 大多是重点开发地图绘制编辑、数据查询管理等功能，而对网络分析功 能开发得不够。 尽管地理网络分析的在许久以前就被提出并投入实际运用，但受限于学科理论和技 术手段，地理网络分析的研究一直依托于别的学科和领域。直到地理信息系统的出现和 不断完善，特别是随着地理信息系统的应用领域不断扩大和深入，关于地理网络分析的 专门研究才得以正式提出和展开。而目前比较流行的g i s 软件大多都没有网络分析功能 或是功能不完善。 在这种背景下，本文在对基本的网络分析方法进行深入研究后，提出了一种简单高 效、适合于程序实现的网络分析的方法，并采用面向对象技术，在v i s u a lc + + 平台下设 计与实现了的一个原型地理信息系统a u t o g i s 。该系统具有一般成熟g i s 软件所需的基 本功能。 1 3 本文设计内容与结构安排 本论文共分为六章，第一章为绪论，第二、三章为理论和技术基础，第四章为技术 设计与算法，第五章系统设计与实现，最后一章为结论与展望。 本文结构安排如下： 第一章介绍了g i s 的概念、发展现状、功能组成以及g i s 网络分析的发展现状， 指出了网络分析研究的迫切性和本文研究的现实意义。 大连理工大学硕士学位论文 第二章从空间数据、空间数据模型、空间数据管理与组织、以及空间关系等方面 介绍了空间分析的基础知识。 第三章介绍网络分析相关的基础知识，包括图论的一些知识，网络数据模型，网 络分析功能及应用领域和网络分析常用的几种算法。 第四章主要介绍了本课题中网络分析的实现的基本算法与思想，包括枢纽点判断 等网络基本信息计算，网络分析的最佳路径分析的具体步骤与思想，并根据各个网络自 身特点选择正向搜索或是逆向搜索，以节省搜索时间，最后介绍了最短路径总体实现方 法。 第五章介绍a u t o g i s 原型系统的整体设计思路、各主要功能模块的具体实现过程， 以及最终的界面输出。 最后一章是总结和展望，总结系统的不足之处和改进办法。 基于网络分析的小型g i s 平台的开发与实现 2 g i s 空间数据与空间关系 2 1 空间数据 空间数据( s p a t i a ld a t a ) 是空间分析的对象，它是描述地理空间一定范围内空间实体 及其相互关系的数据。g i s 提供了大量的空间数据，如何有效地认识、分析和使用空间 数据，成为g i s 研究中的重要问题。 2 1 1 地理实体特征 ( 1 ) 属性特征 属性特征用来描述事物或现象的特性。例如，事物或现象的类别、等级、数量、名 称等。 ( 2 ) 空间特征 空间特征用来描述事物或现象的地理位置以及空间相互关系，又称为几何特征或拓 扑特征。例如，北京的经纬度，中国和朝鲜接壤。 ( 3 ) 时间特征 时间特征用来描述事物或现象随时间的变化情况。例如，国民生产总值的逐年变化 情况。 在g i s 中，主要研究的是属性特征和空间特征，时间特征研究得较少。但随着g i s 的发展，时间特征的研究也在不断增加。 2 1 2 空间数据的类型 根据地理实体的基本特征，空间数据可分为三类： ( 1 ) 属性数据 属性数据是描述空间实体的属性特征的数据。例如，类型、等级、名称、状态等， 其中也包括描述空间特征的数据。 ( 2 ) 几何数据 几何数据是描述空间实体的空间特征的数据，也称为位置数据、定位数据。例如， 点的坐标。 ( 3 ) 关系数据 关系数据是描述空间实体之间关系的数据 5 1 ，例如，空间实体的邻接、关联、包含 等，主要指拓扑关系。拓扑关系是一种对空间关系进行明确定义的数学方法。 大连理工大学硕士学位论文 作为空间分析的研究对象，空间数据在空间分析中占有基础性地位。空间分析模型 的建立取决于空间数据的特性和表示形式。 2 1 3 空间数据的表示模型 空间数据表示模型主要有三种：栅格数据模型、矢量数据模型和栅格矢量一体化数 据模型【6 , 7 1 。空间分析模型与数据模型密切相关。只有根据不同的数据模型，采取合适的 建模方法，才可能得到好的空间分析模型。 ( 1 ) 栅格数据模型 栅格数据模型中，地理空间作为一个整体被划分为规则的格网，空间位置由格网的 行、列所表示。格网的大小反映了数据的分辨率。 栅格数据网络主要有三角形格网、正方形格网和六边形格网等。图2 1 分别表示了 一个正方形格网和一个三角形格网的栅格数据模型。最常用的是正方形格网，其坐标记 录于计算十分方便。 ( a )正方形格网( b )三角形格网 ( a ) s q u a r eg r i dc o ) t r i a n g l eg r i d 图2 1 栅格数据模型事例 f i g 2 1 c r n dd a t am o d e le x a m p l e 栅格数据模型的缺点在于一个栅格只能赋予一个特定的值，因而难以表示不同要素 占据不同位置的情况，不利于多要素内容的表达。 ( 2 ) 矢量数据模型 矢量数据模型中，地理空间作为一个空间域，地理要素根据其空间形态特征分为点、 线、面等。点用一空间坐标对表示，线由一串坐标对组成，面是由线形成的闭合多边形。 图2 2 表示了一个矢量数据模型。 矢量数据模型是面向实体的表示方式，形式直观，分析方便，信息冗余量小，矢量 模型的突出优点是能方便地表达空间实体之间的空间拓扑关系，图形精度高，数据存贮量 一9 一 基于网络分析的小型g i s 平台的开发与实现 小，容易定义和操作单个目标，能方便地实现坐标变换、距离计算等操作| s , g l 。基于矢量 数据模型的上述优点，本课题使用该数据模型。其缺点是失量数据模型结构较复杂。 f i g 2 2 v e c t o rd a t am o d e le x a m p l e ( 3 ) 栅格矢量一体化数据模型 栅格矢量一体化数据模型是结合栅格和矢量数据模型的优点提出的一种数据模型。 在栅格矢量一体化数据模型中，面状数据用矢量边界的表示方式，同时也用栅格方 式表示。线状数据一般用矢量方式表示，如果将矢量方式表示的线状对象也用像元空间 填充表达，则能够将矢量和栅格的概念统一起来，形成栅格矢量一体化数据模型。 栅格矢量一体化数据模型本质上是以栅格为基础的数据模型。 2 2 空间数据管理与组织 在地理信息系统中，数据主要有两类【1 0 】：一类主要是和空间位置、空间关系有关的 数据，称为空间数据；另一类是地理元素中非空间的属性信息，称为属性数据。在地理 信息系统中，所有的属性数据都是依附空间数据的存在而存在的，可以说空间数据是地 理信息数据的元数据。 2 2 1 空间数据的管理 目前，各类空间地理数据主要有以下几种管理方式【1 l l ： ( 1 ) 全文件管理方式 将所有的数据存放于一个或多个文件中，包括结构化的属性数据。采用文件管理数 据的优点是灵活，即每个软件厂商可以任意定义自己的文件格式，管理各种数据，这一 点在存储需要加密的数据以及非结构化的、不定长的几何体坐标记录时是有帮助的。文 件管理的缺点也是显而易见的，就是需要由开发者实现属性数据的更新、查询、检索等 操作，而这些都可以利用关系数据库来完成，换言之，利用文件管理增加了属性数据管 l o 大连理工大学硕士学位论文 理的开发量，并且不利于数据共享。目前许多软件采用文本格式文件进行数据存储，其 目的就是为了实现数据的转入和转出，与其他应用系统交换数据。 ( 2 ) 文件关系数据库管理方式 目前大多数g i s 软件都采用这种数据存储方案。考虑到空间数据是非结构化的、不 定长的，而且施加于空间数据的操作需要g i s 软件实现，这样就可利用文件存储空间数 据，而借助已有的关系数据库管理属性数据。图2 3 为文件关系数据库管理方式的结构 图。由于空间几何坐标数据和属性数据是分开存储管理的，需要定义它们之间的对应关 系。通常的解决方法是空间数据文件中，每个实体都有一个唯一的标志码，而在关系数 据表结构中，也有一个标志码属性，这样每条记录可以通过该标志码确定与对应实体的 连接关系。采用这种管理方式：不论是文本、图象，还是声音、录像，一般都对应一个 文件，这样可以简单地在关系数据库中记录其文件路径，其优点是关系数据库数据量少， 缺点是文件经常会因为删除、移动等操作而变得不可靠。 图2 3 文件一关系数据库管理方式中图形一属性互操作 f i g 2 3o p e r a t i o nb e t w e e ng r a p h i cd a t aa n da t t r i b u t ed a t ai nf d e d a t a b a s em a n a g e m e n t ( 3 ) 全关系数据库管理方式 在这种管理方式中，不定长的几何实体坐标数据以二进制数据块形式被关系数据库 管理，换言之，坐标数据被集成到i m s 中，形成空间数据库。一个实体对应数据表 中的一条记录，这样它就避免了对“连接”关系的查找。现在，关系数据库已经提供了 一致的访问接口( s q l ) 以操作分布的海量数据，并且支持多用户并发访问，完全性控制 和一致性检查。这些正是构造企业级的地理信息系统所需要的。 采用全关系g i s 数据管理，由于几何体坐标数据长度不定长，会造成存储效率低下， 此外，现有的s q l 并不支持空间数据检索，需要软件开发厂商自行开发空间数据访问 基于网络分析的小型g 1 s 平台的开发与实现 接口。而且，采用关系数据库的方案不能提供最大程度的灵活性，而且有较强的依赖性， 系统本身的发展就受到数据库厂商的制约。 ( 4 ) 面向对象的集成空间数据库管理方式 采用全关系数据库管理方式管理g i s 空间数据效率不高，而非结构化的空间数据管 理对于数据库管理系统来说又十分重要，因此产生了面向对象的集成空间数据库管理方 式。面向对象的集成空间数据库【1 2 l ，是建立在对象关系模型基础上的，其基本组成单 位是关系表，每个表又是由相应的字段以及记录行组成，相对于关系数据库而言，主要 增加了面向对象的特征，它可以使用自定义的抽象的对象字段类型来表达复杂的空间对 象。目前，支持创建自定义对象类型的大型对象关系数据库，典型的有l b md b 2 、i n f o r m i x 以及o r a c l e 数据库，针对各类空间数据，它们分别有面向对象的空间数据模型。这些空 间数据模型分别是d b 2 的s p a t i a le x t e n d e r 以及i n f o r m i x 的d a t a b l a d e 、o r a c l e 的s p a t i a l 。 2 2 2 空间数据的组织 无论采用上述何种模式管理空间数据，空间数据的组织方式均非常重要。不同的管 理模式所对应的空间数据组织方式可能不一样，但将地图分层组织，图形数据与属性数 据分开管理是基本思想。 根据问题的需要和工作方便，通常将一幅图和几幅邻接的图当作一个工作单元，称 之为工作区，图2 4 是其组成关系图。 g i s 工程 工作区1i f 工作区ii i 工作区月 图幅1 l l 图副i i l 酗幅n 图层1 l i 图层ii l 图层n 型7 幽盥 舸商 图2 4g i s 数据的组织管理结构 f i g 2 4o r g a n i z a t i o ns t r u c t u r eo fg i sd a t a 大连理工大学硕士学位论文 工作区由若干个图层组成，图层在平面上与工作区范围一致，可以是一个逻辑层或 者是一个覆盖层。每个图层都由多种对象组成，同一类对象一般用相同的显示颜色和符 号表示，每个对象对应着一个属性。属性数据由关系型数据库进行管理，通过建立属性 表可以实现对空间对象的查询、显示和分析。 2 3 空间关系 2 3 1 空间关系概念 空间关系是空间查询、分析的基础。空间关系是指地理实体之间存在的一些具有空 间特性的关系，主要为顺序空间关系，度量空间关系和拓扑空间关系。 顺序空间关系，是指空间目标在空间中的某种顺序，如前后，左右，上下等，也称 为方向关系。 度量空间关系，是指求得一个或者一组空间对象之间的几何特征属性，如距离，面 积等。 ； 拓扑空间关系，是指那些在拓扑变换( 如平移、旋转、缩放) 中保持不变的性质，主要 描述空间对象问是否相邻、包含、重叠。 这3 种关系表达了空间数据间的一种约束，约束的强度为度量空间关系最强：拓扑 空间关系最弱，度量空间关系是定量的，顺序空间关系和拓扑空间关系是定性的。 随着g i s 空间关系研究的不断深入，人们发现空间实体间还存在着其他多种空间关 系，如相邻( a d j a c e n c y ) 关系( c h r i s t o p h e rc m ，1 9 9 2 ) 、相离( d i s j o i n t ) 关系( f l o r e n c ej e t a 1 ，1 9 9 6 ) 、模糊反映空间实体邻近的靠近关系( c l o s e ，n e a rt o ) 以及反映空间目标运动状 态的穿越与进入关系等( e g e n h o f e rm e ta 1 ，1 9 9 0 ) 不确定性关系等。 在空间关系中，由于拓扑空间关系反映了空间目标的逻辑结构，对空问目标的查询、 分析和空间目标的重建具有重要的意义，因此也最为重要，是否具有可靠的拓扑功能处 理已成为衡量g i s 软件的重要标准之一。正因为如此，人们从八十年代开始在拓扑关系 问题上进行了大量的研究，并取得较大的进展与应用。 2 3 2 空间拓扑关系 拓扑特性【1 3 , 1 4 指在拓扑变换( 任意申缩或变形，但不扭结或折叠) 下能够保持不变的 几何属性。地理空间关系的研究所特别关注的几个重要拓扑特性是连接性、包含和邻接 性。 连接性：空间曲线的交点常称为结点。连接性指曲线或弧段在结点处的相互连接关 系。 基于网络分析的小型g i s 平台的开发与实现 包含：包含关系有时仅就多边形或区域而言，但我们这罩采用更广泛的理解，讲点、 线、面之间能够定义的所有包含关系或组成关系都纳入包含的范畴。 邻接性：邻接性指共有公共边的两个区域的邻接关系。 g i s 把空间物体抽象地用二维欧氏空间的点、线、面3 种几何实体来表示。空间物 体的拓扑关系就转换为点、线、面的拓扑关系。简单的几何实体组合成复杂的几何实体， 复杂几何实体的拓扑关系就是简单几何实体的拓扑关系的扩展。郭仁忠( 2 0 0 0 ) 从地图学 和实用g i s 出发，提出对拓扑关系按点点、点线、点面、线线、线面、面面目标之 间的相离、相邻、相交、包含和共位关系，分为1 9 种，并对相离、相邻、相交和严格 包含关系作如下定义，其中a a 和a o 分别表示空间且标a 的边界和内部： ( 1 ) 相离( a i i b ) ：a n b = g ； ( 2 ) 相邻( a 1 8 ) ：a n b = a a na b d ； ( 3 ) 相交( a x b ) ：a o n b 0 o ； ( 4 ) 严格包含( a 1 图4 1 结束节点是枢纽点 f i g 4 1 e n dn o d ei sh i n g en o d e ( 2 ) 对于有一个对外连接的节点，如果没有指向它的连接，这个节点是一个枢纽点 ( 起点，见图4 2 ( a ) 的节点1 ) ；如果也有一个指向它的源连接，当指向它的那个节 点是源节点时，这个点也是枢纽点( 是起点和终点，见图4 2 ( b ) 中的节点1 ) 。 1 2 (a)(b) 图4 2 起始节点是枢纽点 f i g 4 2 s t a r tn o d ei sh i n g en o d e ( 3 ) 对于一个有两个对外连接的节点，当有两个指向它的源连接，并且这两个源连 分别来源于它指向的节点( 见图4 3 中节点1 ) 时，这个节点不是一个枢纽点。除了这种 情况外，这个节点是一个枢纽点。 2 1 八 3 图4 3 存在连个对外连接且不是枢纽点的节点 f i g 4 3n o d ew h i c hh a st w ol i n k si sn o tah i n g en o d e ( 4 ) 对于一个有两个以上对外连接的节点，是一个枢纽点。 。 大连理工大学硕士学位论文 本文用枢纽点标志来表示节点是否为枢纽点，mp n e t i m _ b n e t 为第i 个节点的枢 纽点标志。把符合上面条件的节点设为枢纽点即m _ p n e t i m _ b n e t = l ，不符合条件则设 m _ p n e t i m _ b n e t - - 0 ，设置枢纽点标志的流程图如图4 4 。 图4 4 设置枢纽点标志 f i g 4 4 s e tn o d es i g n 基于网络分析的小型g i s 平台的开发与实现 4 1 2 网络连接信息计算 应用程序中创建了类c n e t 管理网络信息，在该类中定义了一些连接信息计算函数， 网络点信息都是采用结构数组存储的，为了节省存储空间，很多结构数组都是采用动态 分配空间，在程序结束后，把空间释放。 首先c n e t 定义了一个带参数的结构函数，此函数完成了将网络点信息拷贝到动态 分配的结构体数组m _ p n c t 中；在后面的实现中，要用到网络点在m _ p n e t 的存储序号， 为方便运算，在结构函数中事先做好从节点识别号到节点在m _ p n e t 结构数组的存储序 号的映射。该映射流程图如图4 5 ，图中mn e t n u m b 为节点总数。 图4 5 从节点识别号到节点在n m _ p n e t 结构数组的存储序号的映射 f i g 4 5m a p p i n gf r o ms i g nn u m b e r t os t o r a g ei n d e xi ns t u c t u r ea r r a ym _ p n e to fn o d e s 为了实现节省存储空间和不对一个节点的最大连接数