（计算机软件与理论专业论文）空间数据组织管理的研究与应用.pdf

攘要 空闯数蜷的维织帮辫遴是空丽撩崽基础设藏( s l l 建设蔚燕黉整成部分，鬻空辩数据 整础设施越设是实现“数字化城市”簿空间数字化工程的基础，因此研究空间数据的组 织霸管理爨肖比较重豢的意义。 当蘩，簿空舞数捺翡缀缓雾警骧避经畜一整磷裳，毽是太灏努蘸究帮纂孛在菜一部 分技术蕊点上，缀少祷徐密一整套释浃方案鳇，蕻至一些文章豁巍容都还捧露在理论骚 究的层次。本文结合体糟实际参与开发的二维地勰信息系统s e i g i s ，从空间数据的本质 含义出发，利用空间数据自身豹特点，进行空间数据组织和管张的实践研究。 零文黠窆囊鼗豢缀绞稳警理繇究麓蕙篓晷路楚：在凌臻理解空藤数据煞蒸戳主，秘 实际痊瑟秘孥意，综禽铡簿吝器蕞零，蕤鑫一套髑实毒孬静鼓零黯缓。霞鼹，文章首惫 从空间数掰与空间世界之问的关系出发，详细分毫阡了空间数据的实质，并从中引出了空 间数据的相关概念。接潜文章以二维矢量空间数据为研究对敷，给出了包括空间数据的 素弓；瓤铡、瓣盘存蟹、内存警理、数撼诿瘦、数撼臻输驭及囊谗努辑接嗣镣一整套磐抉 方案。势器，在器叉褥索萼；、数蕹溪度策殪获瑟数鼹簧篱警方嚣，露者露臻仑实藩蕊嚣 发给出了比较优化的簿漶和实现方寨。最后，文罐给出了上述赛问数据组默和管理策略 的应用安倒。 箨者剃臻文章提爨黪瓣决方案建立了s e i g i s 二缝地理痿感系统平台，势般取得了较 菇戆效暴；本文霹孛枣鬣建莲簇患系绫乎套蒸嚣笈黎建立翼鸯安骣赘参考懑义； 关键词；空间数据；骥引机制；磁煜存储；内绺管理；数据调度 a b s t r a c t t h eo r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n to fs p a t i a ld a t ai st h em o s ti m p o r t a n tp o r t i o n o ft h es p a t i a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u e t u r e ( s l d ，a n dt h es i ii st h ef o u n d a t i o n o ft h es p a t i a ld i g i t a lp r o j e c t s u c ha s “d i g i t a lc i t y ”t h er e s e a r c ho ft h e o r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n to fs p a t i a ld a t ah a sg r e a tv a l u e 。 a t p r e s e n t ，s o m e r e s e a r c hh a sb e e nd e v e l o p e di nt h eo r g a n i z a t i o na n d m a n a g e m e n to fs p a t i a ld a t a ，b u tm o s to ft h er e s e a r c h i so n l yf o c u s e do ns o m e p a r t i a lt e c h n o l o g yd i f f i c u l t i e s ，a n df e w c a np r o v i d eaw h o l es o l u t i o n ，s o m es t i l l l s t a y so nt h et h e o r yl e v e l 。t h i sp a p e ri sb a s e d o nt h ea c t u a ld e v e l o p m e n to fs e i g i s b yt h ea u t h o r t h er e s e a r c ho ft h eo r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n to ft h es p a t i a l d a d ai sf o u n d e do nt h ee s s e n t i a la n dc h a r a c t e r so fs p a t i a ld a t a t h em e t h o do ft h er e s e a r c hi se s t a b l i s h e do nt h ea c c u r a t eu n d e r s t a n d i n go f s p a t i a ld a t a d i r e c t e db y a c t u a l a p p l i c a t i o n a n du s e st h e c o r r e s p o n d i n g t e c h n o l o g i e st op r e s e n tap r a c t i c a lt e c h n o l o g yr o u t e t h e r e f o r e ，t h ep a p e ri s d i v i d e di n t ot h r e ep a r t s b e g i n n i n gw i t ht h er e l a t i o n s h i po fs p a t i a ld a t aa n d s p a t i a lw o r l d ，t h ef i r s tp a r tg i v e sad e t a i la n a l y s i so ft h ee s s e n t i a lo fs p a t i a l d a t aa n da d v a n c e st h er e l a t e dd e f i n i t i o n s t h e nt r e a t i n gt h e2 dv e c t o rs p a t i a l d a t aa st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h es e c o n dp a r tp u t sf o r w a r daw h o l es o l u t i o no f t h eo r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n to fs p a t i a ld a t a ，i n c l u d i n gi n d e x i n g ，d i s ks t o r e ， m e m o r ym a n a g e m e n t ，d a t as c h e d u l e r ，d a t at r a n s m i s s i o na n dt h ei n t e r f a c et oq u e r y a n da n a l y s i s b e s i d e s ，t h ea u t h o rg i v e sh i sa l g o r i t h m sa n dr e a l i z a t i o no nt h e i n d e x ，t h es c h e d u l e ro fd a t aa n dt h es t r a t e g yo fd a t at r a n s m i s s i o n a tl a s t ，t h e p a p e rp r e s e n t sa na p p l ic a ti o no ft h et h e o r y u s i n gt h es o l u t i o no ft h ep a p e r ，t h ea u t h o rd e v e l o p e dt h es e i g i s ，a2 dg i s p l a t f o r m , a n dh a sg o tg o o de f f e c t t h ep a p e ri sh e l p f u lt ot h ed e v e l o p m e n ta n d e s t a b l i s h m e n to fm i d d l eo rt i n yg i sp l a t f o r m k e yw o r d s ：s p a t i a id a t a ：i n d e x ：d i s ks t o r a g e ；m e m o r ym a n a g e m e n t ：d a t as e h e d u i e r 空间数据组织管理的研究与应用 0 前言 人类从来就没有停止过对自然和世界的探索。人类的历史几乎就是同自然作斗争的 历史。而“空间”是人类认识世界的一个重要角度，世界上所有的事件都需要跟一个地 点发生关系，并且大部分情况下地点都是一个重要的参数。因此，增强对空间数据的理 解和利用具有重要的意义。本文的目的就是通过总结现有空间数据组织和管理的技术， 结合实际的项目开发，对空间数据进行研究。 空间数据是宝贵的财富。在g i s 界，曾有人统计过，g i s 硬件、软件和数据的造价 比是1 ：1 0 ：i 0 0 。空间数据如此宝贵，如何有效的利用这些数据，将是未来面临的主 要挑战。其中，空间数据的组织和管理是充分发挥空间数据作用的主要技术之一，它架 起了空间数据采集和应用的桥梁。空间数据的组织和管理的性能直接影响到各种实际应 用的性能。如何通过空间数据的组织和管理来更有效的利用空间数据，迸一步简化空间 数据的使用难度就是本文主要的研究方向。 论文中关于空间数据的组织和管理方面的算法和解决方案都是从二维地理信息系统 平台s e i g i s 中抽取出来的，s e i g i s 本身是一个小型的通用地理信息系统，同时它还为 其他一些工具和应用项目提供了有力的平台支持。 本文的研究将涉及到以下一些方面：空间数据的涵义、空间数据研究的价值、空间 数据研究的目标、各种空间数据的抽象、空间数据的组织、空间数据的管理等。具体组 织方式如下： 第一章空间数据。在广义的空间数据范畴内讨论空间数据的性质，主要集中在空间 数据是如何从客观世界中抽象出来，以及空间数据的应用方向和研究方向等几方面内容。 第二章空间数据的组织和管理。以最典型的二维矢量地理空间数据为基础，讲述空 间数据的组织和管理。包含了空间数据的索引、磁盘存储、内存管理、数据调度、数据 传输以及查询接口等内容。 第三章空间数据组织和管理的应用。首先结合实际开发的地理信息系统平台 s e i g i s ，讲述如何将第二章中的理论付诸实现，然后通过实际案例讲述如何在s e i g i s 这个地理信息系统平台上进行扩充，以便适应实际的应用项目。 空间数据组织管理的研究与应用 1 空间数据 1 1 什么是空间数据 1 1 1 空间数据的概念 空间数据( s p a t i a ld a t a ) 指的是与参考空间( 二维或三维) 位置有关的、表达与客 观世界中各种实体和过程状态属性的数据。 其中参考空间一般是地球参考空间，如果这样的话，空间数据也可以称为地理空间 数据( g e o s p a t i a ld a t a ) 。 地球空间数据具有分布式特征、多尺度特征、空间拓扑特征、数据量大、获取费用 高、共享效益高、涉及专业部门多等特征。数据的最小单元是数据中的记录，它包含了 每一个地学过程或地理特征的时空特征和属性，多个同类的地理特征记录组织到一起则 称为数据集。它是数据在数据库中存贮、处理、传输和输出的基本单元，平时我们所说 的地球空间数据其实是地球空间数据集，如华北平原1 ：5 0 万土地利用数据，是含有若 干个土地利用记录、一定综合层次的数据集合。若干个数据集经常以不同的主线特征( 如 区域、自然要素、社会经济要素或某种应用目的) 有机地在物理空间上或逻辑上组织到 一起形成数据库。 1 1 2 空间数据与世界模型 空间数据是对世界的抽象，因此要想充分理解空间数据必须理解空间数据与世界模 型之间的关系。按照o g c 组织的o p e n g i s 模型。1 ，从现实世界( r e a lw o r l d ) 到空间数据 表达共有9 层抽象和8 层接口。通过对空间模型的介绍，我们会逐步引入跟空间数据相 关的各种概念。 下面将分别讲述每一层次代表的意义。其中前五层，从现实世界到投影世界，由于 抽象的力度不够，还不能在软件中实现。后四层，从点模型到空间对象模型，是对客观 世界的商度抽象，主要跟数学和符号模型有关，可以用软件来实现。通过这种简化和抽 象的过程我们可以清晰的得到空间数据是怎么从空间世界中抽象出来，以及怎样通过规 范化的空间数据来表达复杂的空间世界。空间数据与空间世界的关系以及空间数据本身 的特点也是我们进行空间数据组织和管理的重要依据。 1 1 2 1 第一层现实世界( t h er e a lw o r l d ) 现实世界指的是世界中所有客观存在的物质，不管这种物质是不是已经被人类认识 到了。客观世界是通过世界的客观存在性来表达的，如图1 所示。 空间数据组织管理的研究与应用 图l 现实世界模型 ( f i g lt h e r e a lw o r l d ) 图1 中包含两大部分内容，一部分是被人类认识理解的物质，例如房屋，道路等。 另外一部分是客观存在但是人类尚未认识或者不关心的物质，通过背景的云状贴图表达。 人类的相互交流并不是发生在现实世界。人类是通过给认识到的物质和规律命名， 并且大家通过相同的名称来引用相同的物质，从而达到相互理解。这个命名的过程就是 下一层次的模型，概念世界。 1 1 2 2 第二层概念世界( t h ec o n c e p t u a iw o r i d ) 概念世界就是我们自然语言所表达的世界，在这个世界里我们认识理解物质，并且 给它们命名，这个世界也称为交流空间，如图2 所示： 图2 概念模型 ( f i 9 2t h ec o n c e p t u a lw o r l d ) 图2 相对于图l 的变化在于去掉了云状背景，同时给关心的物体命了名。现实世界 和概念世界之间的转换是通过回归本质( p i t h ) 和命名( n a m e ) 来实现的。 针对自然语言的概念世界仍然不够抽象。在地理信息系统等研究空间数据的系统中 只用到了概念世界中的一个简化了的子集，也就是下面的地理空间世界。 1 1 2 3 第三层地理空间世界( i h eg e o s p a t i a lw o r l d ) 地理空间世界是把概念世界进一步抽象，最后得到的是类似于描述概念物体特征的 草图。这是因为现实世界，即使是概念世界，仍然很复杂，包含了复杂的形状、模式、 细节和变化，以至于很难精确表达。而在地理空间世界中，我们去掉了这些复杂性，使 用简单的位置、形状和联系等来表达这些属性。如图3 种，分别用矩形和立方体两种几 何图元代表了图2 中不强调屋顶和强调屋顶的房子。 空同数据缴织嚣壤的研究与成用 图3 地瑷窳阕世界 ( f i 套3t h eg e o s p a t i a tw o r l 国 这令穰燮中静耪嚣罄餐夸缓发：0 ，i ，2 ，3 维；获摄念嫠券至l 撼理奎溺跫赛聚愚熬 麓g i s 藏哭g 来转换鹃，健这个捅象瓶掰没有爨体的规藏，需要根据蹙际藏用和蠡融的邂 解来溅行抽蒙。例如，道路w 熊抽象成为道路的中心线，也可能抽魏成为个能够表达 邀鼹燮震的磁。遂耱类戳予攀翳的表达秀战最然有了一定骢餐键，健是遮理空溺擞赛遥 蹙甭够精确，遮耱耱旗往裁爨务下一个模蹙审避露弦羧。 1 1 2 4 第四屡度量世界( t h ed i m e n s i o n a iw o r i d ) 魔整蹩赛爨我袋诺秘测爨王粪，在戆疆空灏整器麴鏊戳上邃一多撞象褥型戆。程嚣 耱瘦惑工具豹耱魏下我襄】可以缮罄珞种关系。元美聚裁魏长度、舞l 发等。二嚣茨系镄 懿霪爨、接触、稠焚等。 畚 圈4 攫蠡髓赛 ( f i 砖t h ed i m e n s i o n a lw o r l d ) 度餐氆赛燕最瑟一令“一黢瞧l 蠹象”躲模瀣，这臻摸醚靛麸魏鬻童滋毡含t 熬个饿 界，缀然理论上已缀可戬使用计薄机等置熊来建模实瑷了，但是我臂j 平时使用的掇间数 据只怒整个世界的一小部分。下颟的投影墩鼹就是跟特定鲍应用相关联，哭选出镶嚣的 郡帮分度受缴赛审憨鐾蒋，逶黉逶令予爨凌霆于逡鬻夔藏懑彝我餐关酶救霹蒙懿鳌。 灏予投影氆器瀵个斌套蕊豹特级，需要弓；a 窆鬻参考豢筑( s p a t i a lr e f e r ”s y s t e m ) 熬凝 念，通过空间务考蒸统才能螭健蒜种投影1 馥界中的物体藏糯回归到飒实濑界中去。窑阀 参考舔统有很多种，最常用的悬依赖地球袭豫建立的空闯嫩标系统。无论哪一种方式， 羧糖浆鞠投影擞赛靛镌体熬糖恚蠡( c o r n e r ) 舔器要撩够糗懿弱令垡据乏，这爨说熬 糠恚蕊毽含繁点、擎蕊等程簿一耱京意义酌蠡。 1 1 2 5 第暇层投影世界( t h ep r o j e c tw o r i d ) 霹整闯霹黎黥麓摸哥爨袋爱嚣耱方式；矢爨方式秘耱掺方式，滋嚣l 器骞谯软杰，零 3 空间数据鳃缀管理的研究茸斑搠 文主要讨论笊爨瓣象。 由于需慕静不蘑，麓户对空蠲数舔豹辩求是不一梯的，毽藏需簧遴行授彩。黼5 给 出了三种不同的投影世界，它们分别馘向绘图、地辅管理、道路管理。可以稽出米，每 一鞭投影檄器都只是利援到了实际遗瑷空瓣一个，l 、的予褰。 ：y 7 4 辜l7 5 ， 荔楚 蓼i l 口 y ：0 ：；苛一一一 鬣矿 ，一7 i 瞬5 投影世界 ( f i 9 5t h ep r o j e c tw o r l d ) 耄予投影避眷嬖豢鬟葵，势基德爨之耀翁关系瞧燹麴复杂，霆憩我锭将谬缨魏瓣藏 逮行讨谂， 营先夯龋几个重要豁概念： 1 实体( f e a t u r ei n s t a n c e s ) ：实体是空间中脊究熬懑义的组成原子。实体应该能够 遴：l 窭宅照已懿塑闻傣慧或覆经绩患来表达浅键膝海孛豹瞧黪攘墼狱及等缀、网 终、凡髓、掰羚筹备瓣关系，爨翔蕤够表达壅袋“篷藏”翻“擒藏”酌酝划。 实髂豹褫念巍我稻平常说懿辩象瀚含义缀赣傻。 2 实体熬挺( f e a t u r et y p e s ) ：实体可以分类，嶷体类型类似予一个模板，相阉类型 鹩寅体鼹有摺麟的黠梅。 3 。耍褥黧露( g e o m e t r y ；投彰毽器楚辩空瓣整赛麴一个饕纯霸攘象。毽效嚣黧鼗够 逶避簸藻本静蔑秘溪元来表迭空鬻整秀( 不惫禽疆燕蘩惑) 。在这夺遥程中需 癸做到两点：蓠先，组成实体的图形表示熊够通过最纂本的几何图冠来表达， 例如巍线、圆、蹙= 方体等等。其次，通过几何阁元表达出来的实体够满是甩 户戆嚣凝。铡魏，娥姨褰遴袋薅熬冗嚣毅之瓣痰该鼗够躲遂缝爨是懿掰溅接寒 表遮一蘩完整薅嵩速公路熬。 4 关键点( c o r n e r s ) ；关键点楚窝阀谶界中畿蕊本的组成霜豢之一，一个物体只有 和哭镟点进行了关联才能够舆有掇问特性。任侮一个空间巾盼几何图元都可以 _ i 羲避裔黻毂关键藤浓定艾，劳萎这些关键杰崧其投影纛器审簌该楚霹戬骥薅表 这静，一般是遴进嫩糠来交遮。必键轰嚣糍绘懑空鬻数掇熬鼹藿，舞暴怒波这 空阅数据的形状簿其他属往，刚w 以遵邀蔽键燕之闯静涟线戏者关键点缀成静 面簿方戏来实现t 这些线和谳等豳元也都摄依赖于关镳点存在的。 s 。空阗参考系统( s p a t i a lr e f e r e n c es y s t e m ) ：投影擞器麴缍成除了空闯爽俸之鲢， 透氛鞭令空瓣参考系统。宅经投影超器母静嶷蒋与发豢氆器每熬突律韵荧袋 越来，袋有在黧闻参考系统懿黎渤下，誉闲投影毽赛审翡窠体方可戳霞辩秘一 个统一的度量世界巾。 6 属性踺( a t t r i b u t e - v a l u ep a i r s ) ；剿骥在为止，我靛知邀7 空闼实体怒从| 芝个空 鬻蜜体蹙孛产黧豹，凳舞宅燕蠹警阕尼露数据缀蔽，警蠲实髂寝毅予一个空蔺 4 空间数据组织管理的研究与应用 参考系统而存在。除此之外，实体还应该包括它的属性数据。每一种空间实体 类型都和一组属性相对应，这些属性一般是用一种属性对的方式来表达的。 7 投影规则( p r o j e c ts c h e m a ) ：空间数据的共享一直是空间数据研究中的一个重点， 也是一个难点。其实空间数据的很多性质不能只通过它们自己来表达，还需要 借助于其他一些描述信息，这些描述信息统称为元数据( m e t a d a t a ) 。元数据记 录了这个投影世界中的各种规范，一般包含下面几个方面：w h e r e ：当前投影的 空间范围；w h a t ：当前投影大概比例尺和主题关键字：w h o ：空间数据的生产者； w h e n ：空间数据生产时间；h o w ：空间数据的获取手段；w h y ：怎么使用这些空 间数据。 有了投影世界和空间参考系统这些基本工具后，我们可以进一步对投影世界进行抽 象。 1 1 2 6 第六层点模型世界( t h ep o i n tw o r i d ) 在投影世界的基础上，我们把所有空间实体的关键点都映射到空间参考系统的坐标 点上，就可以得到点模型世界。因此点模型世界实际上就是一个在笛卡儿坐标系统上分 布了有限的坐标点的模型。 断 。，卜l x l , y l l 镪j v i 过j _ 、 ，轻辩。 刭 一“7 ii 图6 点模型世界 ( f i 9 6t h ep o i n tw o r l d ) 由于点模型世界只表达出了空间实体的位置，还不能表达完整世界，因此需要进一 步从投影世界中抽象出其他内容，下一个层次就是进一步抽象出了几何信息的几何模型 世界。 1 1 2 7 第七层j l t - j 模型世界( t h eg e o m e t r yw o rid ) 投影世界不光是由点组成的，因为空间实体还有形状，这些形状可以通过关键点之 间的连线或者关键点组成的面、体等几何图形来体现，因此产生了几何模型世界。几何 模型世界其实就是由在笛卡儿坐标系中分布了有限的几何图元构成的。 图7 几何模型世界 ( p i 9 7t h eg e o m e t r yw o r l d ) 空间数摄组织管理的研究与应用 1 1 2 8 篇八层实体模型世界( t h ef e a t u r ew o r id ) 同样翼想充分表达空间实体，只依靠几何数据还是不够的，必须加上属性数据，因 照，裁产生了魏图8 戆空耀实俸模型渡赛。羼往数攥邦蹩褒实体鞠关联瓣，阉令实俸 可能包含多个几何嚣元。掰了实体模鍪! 键赛这一层谯就基本上畿够_ 和现实世界糨对应了。 - 、氛 、 一 l 车、l 、n ，i ，c r f v lv a i c 髫 j i 回 j 古4 j ”j 擎 二 lp l o l l e r | vv a l l i c ilp r h ，e r l vv a i u o l in a t l k 、f | o t l 瓣i7 4i ( ；忡h 坤v 聃戢 n e l f of w 辩 l g “l l 吣堆| 咄n a t t r i l l t t oa t t f i h 辩 la t t r i b u t e | 圈8 实体模型世界 ( f i 9 8t h ef e a t u r ew m ：l d ) 1 1 2 9 第九层突俸集合模型( f e a t u r e0 0 ll e c t i o n s ) 上面说的实体都是最基本的原子，实体之间不能够互相嵌銮，但是在现实世界中实 体之间却存在嵌套和关联等各静关系。例如“大连骥王大学”这个实体就包含了“一键”、 “二锫”、“鎏书馆”等多令猿立实体，芽量这登寨镩之霹其鸯稳定夔美系；舞羚一令 例子是公嶷站点和交通线路之间同样存在关联、交叉等关系。 “联系是普遍存在的”，现实社会很多物体之间都是有联系的，实体之间的关系可 以通过实物联系在一起( 侈4 如小桥连接了两岸，管邋连接了管点簿) ，也可自是通过一 耱疼在豹荚系联系在一熬( 铡魏强类关系、上下级关系等) 。这条瑗实柱会孛懿奏理奁 我们的空阐模型中应该弼样存在，因越在空闯实体模型之上还需骚进行进一步的抽象， 这就得到了察体集合模烈。我们平常使用的网络分析就是建立禚这种模型之上的。实体 集合模型上的关系可以祷多种表达方式，最基本的方式有三种； l 。囊绞逶过实傣熬攮差瓤形状傣崽褥至l 宅键麓关联：这秘方法楚攀方蠖煎是毒些 关系不能够献位嚣张形获倍感上褥到，镄鲡“同级”美溪。 2 通过属性信息来建立关联：这种方法有很大的兼容性，可以说所有的关系都可 以通过属性信息进行记录和查询分析。但鼹这种方式存在数据的冗余，很难保 歪聪性关系和几舞嫠惠的一致髓，瞧缀赡秘其德系统避费数据及实钵关系的共 事。 3 创建关联类，通过一种新类越来关联相威蜜体：此种方式专门建立荧系类，能 够通过标准的关系类来达到数据和信息的凝享，但是这种系统的缺点是使本来 就融经复杂的系绫更加复杂，并且这种方戏只是o c , c 撩荐的一秘方没，还没有 耀象厂亵寞歪嫒翔宅。 空间数据组织管理的研究与应用 虽然实体之间关系的表达方式没有统一的做法，但是对实体之间关系的应用需求却 是明确的( 例如上面说的各种需求) ，另外，对实体之间关系的运算也有一些现有的模 型和理论可以借鉴，最常用的一种就是拓扑学了，使用它可以很容易的表达空间实体之 间的关系。 九层模型其实是一种逐级抽象和简化的过程，前面五层主要是进行简化的操作，而 后面四层主要是进行抽象的操作。最后的空间数据实际上就是在某一个投影范围内，包 含了位置、形状、实体、关系四种抽象的数据集合。它们之间的关系用图形表示如下： 投影关心部分抽象坐标点 度量世界 d i m e n s i o n a lw o r l d 进行量化 投影世界 p r o j e c tw o r l d g e o 地s p 理a t 空i a 间l 世w 界o r ld l抽象 i 去除细节 概念世界 c o n c e p t u a lw o r l d 去除未知物质 现实世界 r e a lw o r l d 点模型世界 p o i n t r l d 继承 几何模型世界 g e o m e t r yw o r l d 继承 实体模型世界 f e a t u r ew o r ld 继承 实体集合模型 f e a t u r ec o l l e c t i o n s 图9 各模型世界之间的关系 ( f i 9 9t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h em o d e lw o r l d s ) 1 2 空间数据的作用 上面讲述了空间数据的基本概念以及空间数据和现实世界之间的关系，而空间数据 到底可以用来完成什么工作昵? 本小节将分别从空间数据的根本能力和空间数据的应用 领域两方面出发，讲述空间数据的作用。 1 2 1 空间数据的能力分析 根据空间数据与世界模型一节，我们可以知道空间数据其实就是对一个简化抽象了 的客观世界的描述。空间数据主要抽象出了某一空间参考系统中物体的位置、形状、属 性和联系等几方面内容a 研究空间数据的目的是利用空间数据的上述性质，结合空间数 空间数据组织管理的研究与应用 据的表达方式，来为人们服务。同时，人们对空间数据的需求也是分层次的。包括从单 纯显示到查询一直到各种分析等。归纳起来主要包含两个方面，一个是空间再现，另一 个就是空间分析，这两方面是不可分的，特别是空间分析必须依赖空间再现来表达它的 分析过程和结果。下面分别就这两个方面进行讨论： 1 2 1 1 空间查询 空间查询也可以称为空间表达、空间再现，就是将空间信息以特定的方式呈现给用 户。在空间表达过程中，空间数据主要起到了对现实世界建模的作用，然后通过一定的 表达手段把用户关心的东西呈现出来。表达的方式多种多样，可以通过栅格方式也可以 通过矢量的方式；可以是二维的、三维的甚至是四维的( 加上时间维) ；另外，还可以 使用空间实体的属性来进一步表达用户关心的内容。但是，通常所说的空问实体的位置 和几何数据并不包括如何显示这些数据的属性，因此这里需要在空间数据中补充另外 些元数据来表达，对于二维系统主要需要下面两种新数据： 1 空间图元的属性数据：这种数据作为一种元数据存在，是用来描述如何显示空 间数据的，例如颜色、线型、线宽、填充方式等内容。 2 图层：为了表达和管理方便，需要引入图层的概念。图层上有属于这个图层的 图元的默认显示方式，一个图元如果不单独定义显示方式，就直接继承图层的 显示方式。例如，一幅地图中的河流都是蓝色的、而房屋建筑都是灰色、斜线 填充的，这种情况就可以定义河流和房屋建筑两个图层，这样默认的河流就是 蓝色的，而默认的房屋建筑都是灰色填充的了。 如果想要通过三维图形来表达空间数据，还需要引入更多的描述数据。例如环境、 光照、材质贴图等。有了这些辅助显示信息，空间数据就比较容易呈现给用户了，并且 随着计算机技术的进步，一大批硬件或软件方式的图形加速技术，例如n 矗) ( 、d i r e c t x 、 0 p e n g l 等，都为空间图元的显示提供了方便。今后，空间表达的方式可能只依赖于人类 的想象力和创造力了。 1 2 1 2 空间分析 由于直接在现实世界中进行空间分析困难很大，特别是对一些范围很广的区域进行 空间分析更是困难。例如，想通过实地考察的方式对中国近几年沙尘暴的起因进行分析 是非常困难的：而通过获取这些空间的模型数据，例如通过遥感或者航测数据来对空间 进行分析则容易的多，这也是为什么人们花大力气采集空间数据、研究空间数据的根本 目的。另外，通过将空间模型化、数字化也可以充分利用已有的各种计算机技术和其他 学科的技术进行科学的空间分析。空间分析用到的数据工具主要包括空间统计学、图论、 拓扑学、计算几何等。 就矢量数据而言，现在常用的空问分析技术主要有以下几种：空间计算、空间位置 关系、缓冲区分析、叠加分析、网络分析“。 一、空间计算 空间计算主要有： 空间数据组织管理的研究与应用 长度计算：用于测量线状物体的长袋。妇线的长发、多边形的周长等。 瑟穰诗冀：箱于嚣量多逑形懿霞狡，爱主要酶方法是梯形法等诗算方法。 体积计算：当地理对象鼹有z 轴坐标时，结合面对象可以计算熊体积大小。如 果z 轴坐标代表的不燕高程，而是篡它量，如平均降水量、人口密度等，则计 算出的体积就时该区域内的降水总爨、入口总鬟麓。 二、空鬻整菱关系 空间位置关系的种类非常多，也是g i s 中煅常用的空间分析方法之一，可如下归纳： 点与点：分为挟点与不共点 点与线：分为点在线上与点不在线上 点与嚣：努麓基在垂努、患焱嚣内、点在蠢静边上 线与线：分为稻交、不稻交、共点、平行、垂壹等 线与面：分为相交、不相交、包含、共边、共点等 面与面：分为黛合、相交、相离、包含、挟边、共点镣 娃上只是褪赂的划分，更强撵缨熬讨论可貔要花费比较长戆篇幅，程垂i ：裁不聂开了。 e s r i 公司静m a p o b j e c t s 将空蠲键譬关系羯绫为最常觅酶l s 耱类型，毽怒也远不链概揍 所有的情况。对空间位置关系的计算与处理怒个g i s 系统的基础之一。 三、缓冲区分析 掰谓缓冲区是搬围绕地理对浆一定宽度熬送域，图l o 健表了点缓冲，图1 1 彳弋表了 线缓冲，霪i 2 戴交了嚣缓津。缓净区磐耩豢弱来势携瞧毽瓣象匏影穗菠疆或驻务落黧， 如河流的灌溉范丽、电力线路的供电范围、商店、银行的服务范围等。 黼1 0 点缓渖嚣 ( f i g l ot h ep o i n tb u f f e r ) 圈l l 线缓冲区 ( f i 9 11t h el i n eb u f f e r ) 图1 2 面缀冲区 ( f i g l 2t h es u r f a c eb u f f e r ) 空阕数据组织管理的硪究与应用 西、叠加分析 不同种裳的图形往往分层存储，如电力g i s 系统中的电力线路、电杆、变压器等都 分成不同的图层来存放。将不同种类的图层叠加起来显示常常能碍到更加丰富的空间信 息。 叠翱分帮彳包括穰多种，最常雳的为视觉绩惠叠加，如匿1 3 掰示，将褥椿数据与矢量 数据叠加鼹示便可以研究其相互关系。 嘲1 3 叠加分析 ( f i g l 3t h ei n t e g r a t i o na n a l y s i s ) 五、网络分析 网络常常用来表现现实社会中的备种物质、能凝和信息流的通道。如公路、铁路、 水流、电力线路、输油管道等。在g i s 系统中表现为由节点和节点之间的关联所组成的 网状结翅。 瓣络分橱只要包括路径分析、资源配置和建蟪缡码。路径分捋是在网络巾两个节点 之问寻找符合条件的路径寻找过程，如最优路径或最短路径等。资源配置是用来模拟一 个或多个中心的资源在网络中的最优配置问题。地址编码是解挟属性数据库中含有地址 的记录与豳形数据的匹配随题，即在蛾圈上进彳亍地址定位。 网络分粝一簸是g i s 系统孛懿魄骏高级戆应麓，甚至壹接麓予耱韵决策。熬电力g i s 系统中的电源点追踪、供电范围分析、潮流分析等。 1 2 2 空间数据的成用领域 调查资料显示，五十年筏，中国土戆沙漠纯鹣冬扩展嚣积必一千五百六十平方公里， 到了九十年代，年扩展筒积达到二千心百六十平方公里。据最新监测结果，j 眨年扩展速 度还在加快，内蒙古阿拉普地区、新鞭塔里木河下游、青海柴达木盆地东南鄱和河北坝 上等地区，士地沙漠化扩展速率年均达吾分之四以点。 鑫1 9 9 6 年沙垒暴嚣始津虐大江鬻j 。一些仨入纛圭已经嚣娥行动了，毽缀多关于沙 尘暴的报道述是通过一魑记者驱车、拍照来达到，却不能通过羹加科学，更加有效的手 段得到相威俯息。 在解决上述这些皿题时遇到这么大的困难，其中很大一部凳就是因为我鼹对空间信 惫熬磅究力度还不够，矮没憩够擐全爨豹煮废磷究审国豹生态环壤。露空润数据就是薅 空间的一种抽象，研究空间数据的目的就是为了熊够通过对空间数据的分析和操纵来帮 】0 空间数据组织管理的研究与应用 助人类认识和改造现实世界。这只是空间数据应用的一个案例，下面对空间数据在其他 领域的应用进行简单的讨论”。 1 农业：运用不同的航天、航空遥感数据、经计算机处理提取各种农业信息后， 可制成各种农业需要的因素图，如农业土地利用图、农业坡度图、土壤侵蚀图、 植被分布图等可对农业的很多方面提出科学有效的建设性的建议，以指导生产、 管理、决策。 2 交通：遥感( r s ) 、地理信息系统( g i s ) 和全球卫星定位系统( g p s ) 相结合 后，对交通( 含公路、铁路、航运、海运等) 建设、管理、指挥等一系列工作， 有着极其重要的作用。 3 水利：遥感的早期卫星波段设计主要是为植被和水利服务的。特别是在防洪减 灾过程中的作用更为重大。它们可在灾前、灾中、灾后对防洪减灾各阶段进行 调查、治理、测量、抢救、重建、恢复建设、灾后规划起到全过程的作用。 4 土地：运用空间技术进行对土地利用现状的调查、地籍调查、农田基本保护等 调查具有得天独厚的优势。 5 电力：将电力资源所有的信息加载到系统的管理中去，如：送配电情况、各报 表情况、人员及材料耗损情况、收费情况、险情及事故应急抢险情况、线路维 修情况、送配电线路运行情况、运行体系保障情况、非常时期保障情况、灾害 中后期抢救和恢复情况等等，均可由系统进行多级的网络化计算机管理、分析 和决策。 6 工商：通过空间数据不仅使工商管理工作变得方便准确，而且使工商部门在这 些基础信息的基础上，进一步进行高层次的分析和综合管理。如：本市属于高 科技的注册户有多少、分布在市区什么地方、高新技术企业产值在x x x 万元以 上的分布在哪些地区，在x x x 万元以下的分布在哪些地区，其中某类行业或技 术的分布在哪些地区，上述地区为什么会如此分布。据此，工商部门应提供怎 样的科学管理、服务等等。 7 气象：气象应用遥感技术进行气象预报由来已久，而且早已有了自己的专用卫 星。由于遥感卫星从高空俯视地球，加之视角广、速度快等特点，就形成了对 气象应用的优势，其应用成果巨大，并且向其它领域应用也有扩展，如小麦结 产、森林火灾预测、监测等。 1 3 空间数据的研究方向 空间数据对我们现实社会具有非常重要的作用，但是在利用空间数据过程中还是有 很多问题需要解决，下面是李德仁院士对空间数据及其应用中存在的问题的总结“。就 g i s 的目前应用和未来发展而言，至少有以下这些问题需要人们从理论上去解决： 1 地理空间数据的采集：如何将记录在各种介质上的原始数据( 图、影像、声音、 文字记录等) 变成可输入计算机的数字形式，并从中提取出与地理和空间分稚有 关的信息，这涉及到模式识别、图像理解和语音识别等高科技。 2 空间数据在计算机中的表示：如何在离散化、数字化的计算机中表示现实世界 的无限复杂性，例如空间数据的时空分布和相互影响、相互作用的非线性系统 1 1 空闻数据组织管理的研究与应用 将瞧，是用矢羹还是搔格，绒是菜释混台袋一体记形式；如何描述备耱复杂静 物体与过程，怒采用层片还熄面向目标方式，是采用崴角坐标系还怒球面坐标 系，等等。 3 。数撅的精度：如何评价g i s 巾各秭非同质的定量和定饿数据的精度及数据的不 确迩牲，絮 霉澎份垂这些数据遥过套耱搽终运算纛空麓分辑、信愚融含惹，褥 出的结论的精确度和可信度。 4 大容量数据的存取问题：面对地理空间数据的超大容擞，特别是影像数据的超 大数据量，如何解决它与计算机存储能力的矛盾，通过什么方法可以解决更大 蕊模g t s 孛数攥兹存取霾嚣。 5 数据分拆：如何连接g i s 数据库、方法瘁鞠知识痒 美实现各种先进的建模功能， 如何根据所要解决的问题实现g i s 的空间建模。 6 空间数据的表达与显示：如何剥用计算机可视化技术和符号化表示方式来形象、 纛淡瑟生动遮袭达嚣显示空鹈数摄及其警臻鲸基愚；传统魏戳l ：5 0 0 、l ：1 0 0 0 ， 煮至1 ：1 0 0 万、l ：2 5 0 万、l ：4 0 0 万等逐级毙铡尺表示地图豹方法是否适于 g i s ，什么是多尺度( m u l t i s c a l i n g ) g i s 。 7 变化发现与空间数据库的更新；如何利用融建的g i s 数据库和新的谶感数据自 动发瑰空闻目标躲变伲移运动，并据以更凝已有的空灏数据疼，势遴簿多时态 耱确态益嚣嗣矜耩。 8 从g i s 数据库中发现知识：在集成的g i s 环境中如何利用人工智能和专家系统 方法直接从g i s 数据库中发现必要的知识，以用于数搬采集中的模式识别和图 像理解，以及窆闻分析的智g 纯系统。 9 。数攥戆霹交换疆、安全毪与缣密缝：建毽蹙蓠数綦楚鬻家静鋈氏经济霾国茨建 设的基础数据，g i s 空间数攒库是依赖予计算机硬件和软件发展而不断进步的， g i s 数据要在杖会可持续发展和经济腾飞中发挥效益就必须具有很好的可交换 性，两同时出予国家和民族驰利益，它又婺有极好的安全性和保密性。如何解 决这令逡蘧，涉及蘩g i s 静豁漆、蔑莛帮法令等一系鬟翘惩。 l o 人机交互界面：如何将g i s 中的数据库跌对用户友好的方式和当前流行的模式 璺现给用户，因为界面就是用户心目中的g i s 。 1 1 成本与效益：如何度量g i s 信息的效益，井将它与成本作比较；如何鼹大限度 蟪麓黉g i s 成本( 投入) 露握糍秘鸯l 速g i s 豹效盏产窭) 。 1 2 。系统安装运行：翔何运疆系统工程理论秘方法促迸g t s 巍一个复杂的缀织( 如一 个城市、一个交通飚络系统、通信系统) 或多个组织之间有效而成功地运转，这 是关系到g i s 自甭在复杂的社会、政治、经济和文化实体组织和部门中正常运 转瓣关键阔题。要回答上述这些阏题，嚣爨涉及计算撬辩学、售患科学、逶售 秘学、遣理辩攀、环境稀学、管理秘学、测绘、遥感学、数理统计、运筹学、 人工智能及专家系统等科学和技术领域。 这些问题的提出为我们研究空间数据指明了方向，本文讨论的空间数据的组织和管 理就是和上谣这些闻题密切相关的。 空间数撼缀织管理的研究与战用 2 空闻数据的组织和簪瑷 翔上一耄辨述，对窒阕数据麴磺突懿会缀多建客。糖略灼分，蹙阙数据约磷突变装 毽含三大部分： 1 空闻鼗撬豹莱集：懑避荟晕孛设备鞠手段，获敷耱念嚣求莘鞋褥潦翁空瓣鼗糖。 2 空间数据的组织和舒理；对获取的空间数据避行缀织和管遐。包括建库、鼹新 维护、修敬测除、扩态数据以及缀锻、调度、提供访问接鄹镣多弹功能。 3 空载数据麓应用：凌空麓数攒筑缀警壤瓣鍪旗上，穰据实鬻熬暾愆需求避蟹遴 一多扩充，激霞满蘧最终建户麓藜隶。 由此可以释出，空间数据的组织和管理鼹空间数据采熊和应用的桥梁，其帮e 常藏 骚的作用。从奄章滩始论文将糟麓讨论空间数据的组织和龄理，同时，内子空间数攒的 转癸缀多，麸零章鼯戆霹空麓羧禚熬圭鼗磅炎蘧嚣邀鬟结小爨二缭炙爨髓瑾空黧数据逮 一菠酶凌。零露兹实繇疆箨鹜鬃烧童筝考褒溪究窒参与努发豹二缍蘧蘧嫠纛系统s e i g i s 。 二维矢鳖空闯数据是一种谴塌最广泛的窝闻数据，它蘸三维世界在蘩个平嚣上煎投 澎，= 维矢最地理空间数攥则一般是在地平谳上的投影。根据投影馓界模型的定义，不 阏懿投影摸羹瓣蓑燃是在予参考蕊绞豹不鬻，掰鞋，零枣游逡熬蠹褰鼹冀缝投影方式莰 蠢缀好懿嫠凌终麓。援器露喾在s e i g i s 串懿嚣发实羧鞠经毅惑结，零章将夯缓空麓数撵 凌缀织管理串鑫遥瓣酶大酃努阕麟移檑藏豹解决方案，兵俸震并瑟鼹鲡t ；首纛讲述空 间数据的质量、标准等空间数精维织的豢础，其次是讲述研究对象和管瑷空间数攒的魁 个暴缀捱架，绶鼹游述空阀数据豹磁盘嚣锉、肉存管臻酾数据调度镣关键环节及茭震戮 豹蔹零帮瓣涤方案。 2 1 空间数掇缀织管理的基础 濑予空粒数爨翡组织帮答蘧必是空瓣数豢磺竞豹一辩努瘫窖，蠢一魑其 邀豹磅究斑 容不越予空鬻数据缀缳秘鬣毽的错究范辫，毽憋它寒l 却鞫空闼数蕹缀缓秘管理塞韬鞠芙， 馥至决定了室闷数攥缝缓耧譬瑷静成效。零带内容将获审逸密凡磺象簧沟容，露梵空阉 数据组织和管理的湛础进彳予讨论。 2 。 + 空霹数掇蔟量 麓质量的空阔数据是j c 孛空闯数据遴移藏丽静前提，禳多缝瑾信惠系统的失黢都勰维 为