基于GIS的校园自来水供水系统.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 管网是地理信息系统最关键的应用之1 。本文从地理信息系统的原理和疗法入手， 研究如何有效地实施管网系统。焦点集中在管网的宅问数据模型设计、数据采集、睦 本的地理信息功能、网络分析功能和互联网发布功能设汁卜。并结合华中科技大学自 来水供水网络，实施一个j 体的管网系统。 ， ( 本文分析了管网的数据特征和应用需要，比较各种针对网络的空间数据模型，摒 弃基于专题的模型，采用存储面向对象数据的g e o d a t a b a s e 。使用u m l 作为c a s e 手 段，建立自来水供水系统的管网数据模型。g e o d a t a b a s e 的使用，统一了各项数据， 并使系统能有效地进行网络分析。u m l 的使用，提高了数据模型的可移植性、通用 性和可扩展性。在此基础上，总结了一些基_ f 特征的数据模型的建模方法。并对一 、 g e o d a t a b a s e 数据模型提出一些改进意见。厂。 本文比较了几种数据采集的方法，提出了在条件比较缺乏的情况下如何有效地进 行数据的采集的思路。并探究了一种如何利用已经存在但格式不符的地理数据，即如 何有效地进行数据转化的方法。 在功能设计方面，本文充分利用了g i s 软件提供的强大的功能。由于g i s 软件的 通用性，本文探究如何有效和高效地开发一些g i s 软件没有提供的功能，本史从高级 语言编程的角度，使用c o m 面向对蒙组件编程技术，井结合a r c o b j e c t s 。充分扩展 了功能，弥补了系统的不足。系统的功能包括管网设备管理、浏览和查询等毖本功能， 战障分析等基本网络分忻功能，a r c i m s 旺联嘲发布功能。 关键字：地理信息系统，g e o d a t a b a s e ，统1 建模语言，u m l ，c o m ，f 叫络分析， 两向对象组件技术，a r c l m s 华中科技大学硕士学位论文 a b a s t r a c t n e t w o r ki so n eo f t h e m o s tm a i na p p l i c a t i o n so f 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 b a s e do nt h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fg i s ，t h i sp a p e rd o e sr e s e a r c ho nh o wt or e a l i z et h e n e t w o r ks y s t e ma n df o c u s e so nd a t as t r u c t u r ed e s i g n ，d a t ac o l l e c t i o n ，b a s i cg i sf u n c t i o n s ， n e t w o r k a n a l y s i sa n dw e bp u b l i s h i n g a tl a s t ，i tb u i l d sag i sa p p l i c a t i o no f t h ew a t e r s u p p l yo f h u a z h o n gu n i v e r s i t yo f s c i e n c e & t e c h n o l o g y t h i sp a p e ra n a l y s e st h ed a t af e a t u r e sa n dt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n to f n e t w o r k s b y c o m p a r i n gs o m ek i n d so fs p a t i a ld a t am o d e l s ，i ta b a n d o n st h em o d e lb a s e do nt h e m e s ，a n d a d o p t sg e o d a t a b a s e ，am o d e lw h i c hs t o r e so b j e c to r i e n t e dd a t a t h eu s eo fg e o d a t a b a s e m a k e si tp o s s i b l et h a ta l lk i n d so fd a t aw o r k t o g e t h e ra n dp e r f o r mn e t w o r ka n a l y s i s e f f e c t i v e l y t h eu s eo fu m li m p r o v e st h er e u s a b i l i t y , e x t e n s i b i l i t yo f t h es y s t e m t h i sp a p e rd i s c u s s e ss o m ew a y st oc o l l e c td a t aa n d b r i n g sf o r w a r d sh o w t oc o l l e c td a t a i nb a dc o n d i t i o n s t h e ni tg i v e saw a yt om a k eu s eo ft h ee x i s t i n gd a t aw h i c hd o n ta c c o r d w i t ht h ed e m a n d e df o r m a t ，t h a t sa w a yt ot r a n s f e rd a t ae f f e c t i v e l y i nf u n c t i o n sd e s i g n ，t h es y s t e mm a k e sf u l lb s eo f t h ef u n c t i o n sp r o v i d e db yt h eg i s s o f t w a r e b u tb e c a u s et h e s ef u n c t i o n sa r eu n i v e r s a l ，t h ep a p e rd i s c u s s e sh o wt od e v e l o p s o m ef u n c t i o n st h a tg i ss o f t w a r ed o n tp r o v i d e i te x t e n d st h ef u n c t i o n so fg i ss o f t w a r e b yu s i n ga d v a n c e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e sa n dt h ec o m p o n e n to b j e c tm o d e la n d a r c o b j e c t s t h i ss y s t e m sf u n c t i o n si n c l u d eb a s i cf u n c t i o n ss u c ha sm a n a g e m e n ta n d b r o w s i n ga n ds e a r c h i n go f n e t w o r k s ，n e t w o r ka n a l y s i sf u n c t i o n ss u c ha st r o u b l es h o o t i n g ， a n di n t e m e tp u b l i s h i n gf u n c t i o nb ya r c l m s k e yw o r d s ： g i s ，g e o d a t a b a s e ，u m l ，n e t w o r ka n a l y s i s ，c o m p o n e n to b j e c tm o d e ， a r c o b j e c t s ，a r c l m s 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题来源 1 绪论 校吲管网包括自来水供水嘲络、卜水道摊水网络、电网、光纤通信网、固定电话 网、金龙 网络、广播网、电视网等，它们是社会基础建设中f m ( 公用设施管理) 的 重要疗丽，存人们的现代牛活中起着举足轻重的作用。实现这些管网系统的信息化管 理、维护和辅助决策是个非常大的工程。 在信息化日益普及和办公自动化水平不断提高的今天，m i s ( 管理信息系统) 和其 他一些o a 系统能够很好地解决和空间信息无关的应用，在处理日常事务上游刃有余， 但在处理大规模空间信息的时候，就显得捉襟见肘。利用传统的信息化解决方法构建 一个独立的“纯f m ”系统，虽然在设施管理方面能够很好地满足应用的要求，但是却 无法完整地解决地理空间信：息相关的内容。 管网设施的前期规划、工程实施、服务保障、系统维护及客户管理等，都必须充 分利用除各种专业设施数据以外的其他空问数据及相关属性数据，如：基础空间定位 数据、行政区划数据、人口统计数据、客户及潜在客户分布数据等。通过对这些数据 的综合空间分析以得出能够对f m 的规划、管理和服务等具有科学参考价值的辅助决 策信息，从而在效率和质最两方面同步提高公用设施的规划、管理和服务水平。这些 仅凭单纯意义上的设施管理已完全不能涵盖和满足，因此，必须要与g i s 充分地结合， 利用6 i s 的强大的空间分析功能对f m 提供更深的支持硐f 扩展。所以研究如何使用g i s 的方法来实施管网系统，是本丈的根本i 发点之+ 。 为r 探究如似仃效的实施管嗍系统，本课题从校园管刚c | 1 挑选儿仃代表性的n 来水供水刚络，针对它来具体实施个系统。往传统的管理厅式中，( i 来水输送管道 的姚划、施r ：和维护，k 期处企1 | i ：的操作卜，为了提高部j 的效率，提高资源的分 雕效果，提商系统维护的质量，降低维护的成本，提高信息化水、f ，建造一个良好的 6 1 s 和f i 米水供水设施结合的系统势存必 j ：。f ij ：其他管刚系统jf 1 来水供水系统的 华中科技大学硕士学位论文 类似性，实施这些管网系统时就可以从本课题中得到借鉴。 1 2 国内外研究现状 就电子化的g i s 来说，已经有4 0 多年的发展历史，从h a r v a r d 大学的研究小组 到e s r i 公司的成立，从a r c i n f 0 1 0 到a r c i n f 0 8 3 的发布，6 i s 在桌面的应用已经 发生了本质的变化，a r c i m s 的诞生，也宣布了g i s 与i n t e r n e t 结合的新纪元。此间， g i s 中新的概念不断产生，数据结构也不停地改进，从最初的c o v e r a g e 格式到现在的 g e o d a t a b a s e ，g i s 的功能越来越强大，覆盖面越来越j “，解决的问题越来越多，例如： g i s 不但能模拟地面高程模型，甚至能够模拟人体。 使用现代计算机技术，设计基于地理信息系统的管网系统，已经能够取代传统的 手工的管理方式。很多的研究机构和软件公司给出了良好的解决方案，在这些软件中 间，比较成功的有e s r t 公司推出的a r c i n f o 系列软件，m a p l n f o 公司的m a p l n f o 软 件等。其中e s r i 公司在g i s 软件和行业应用建模上更是一枝独秀。 在公用设施方面，也有很多良好的方案。这些方案只是行业专家，根据在各自领 域内的专业知识，给出了一些公用的模型，般来说，可以借鉴这些模型，或者定制 这些模型，达到为我所用。如果要设计出功能强大的适合自己使用的系统，还需要借 助很多方面的技术，如当今先进的面向对象技术、网络技术等。 国内现在也有很多的g i s 软件开发公司，如吉奥之星等，但是国产g i s 软件和国 外的软件之间的还是有一定的差距，不过它们也在借鉴已有的先进思想，在某些领域 共至走存了前列。在公用设施方面，还是e s r i 公司的解决厅案最为完整和有效。 1 3 本文研究思路和方法 本文的h 的就是在现 e ) 的硬件和软件条件f ，实现华l | 1 科技入学舟来水管道的信 息化，具体来说就足实现毖奉的管i 嘲信息浏览神l 金询功能，实现管道嘲络的管理功能， 实现些分析功能，以便h 】来辅助决策，并把这螳信息发前i 到白：联网l ，以实现管嘲 信息最大范闹内的兵事。 华中科技大学硕士学位论文 本系统选择e s r i 公司的a r c m a p 8 1 ，a r c i m sf o rn t 3 5 ，并利用了m i c r o s o f t v i s u a lb a s i c6 0 来开发扩展功能。 图l 是本文研究的展开过程。 0土 1 g i s 理论分析 | f i 来水供水列络特征分析i 一 一一一 数据模越分析 1 l 自来水供水网络数据模型设计 0 数据采集 上j r上 基本功能设计网络分析功能设计_ 匾联网发布 圈i 本文研究流程图 研究过程中，深入探讨了如f 三个方面： ( 1 ) 传统的基于专题的空间数据模型和关系数据库都很大的局限性，如何设汁白 米水管刚空闻数据模犁，并根据这螳空问数据模犁生成合适的数据结构，足本文研究 的重点之。 ( 2 ) 如f u 在发汁好的数据模型 ：建立必要的网络分析功能，这螳功能包括网络连 通性分析、最佳路径分析等。 ( 3 ) 现有g i s 软件提供的功能具有、定的局限性，本文洋细探究开发行如t j 利 用面向对象的组件技术来定制蝇功能，提高系统的灵活度。 华中科技大学硕士学位论文 2 管网与地理信息系统 2 1 地理信息系统溉述 2 1 1 地理信息系统定义 地理信息系统( g 1 s ，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 ) 是一种采集、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。在 资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管理、交通安全等领域发挥了重大的 作用，是一门集计算机科学、地理学、城市科学、信息科学和管理科学为一体的新兴 边线缘学科。【l 】 一个典型的地理信息系统应包括三个基本部分：计算机系统( 硬件、软件) 、地理 数据库系统、应用人员与组织结构。 其中计算机系统的硬件包括中央处理器，存储设备，输入输出设备。 地理信息的软件由核心软件和应用软件构成。其中核心软件包括数据处理、管理、 地图显示和空间分析等部分，特殊的应用软件与核心模块相连，并面向一些特殊的问 题，如网络分析、数字地形模型分析等。 地理数据库系统包括几何数据和属性数据。几何数据表现了地理空间实体的位置、 大小、形状、方向以及拓扑关系。 一个典犁的地理信息系统应该包括如下。+ 螳基本功能： ( 1 ) 数据采集、检验与编辑 ( 2 ) 数据格式化、转换、概化，即数据操作 ( 3 ) 数据的存储j 组织 ( 4 ) 查询、检索、统汁、汁算功能 ( 5 ) 窄问分析是地理信息系统的核心功能 ( 6 ) 以可视化的乃式表现小来 4 华中科技大学硕士学位论文 2 i 2 地理空间 ( i ) 空间的数学建构 为了能够描述地面的几何数据和属性数据，得对地面的特征数字化。 地球表面的几何模型可以分成四类：地球表面、大地水准面、椭球体模型和数学 模型。其中椭球体模型是根据地球的形状，以及大地水准面，把地球当作+ 个椭球体 来考虑，f 面是椭球的几何表达方法，并以据此来进行计算。 x 2v 2 z 2 7 + 争+ 7 - 1 绝大部分的g i s 项目使用的是椭球体模型，在a r c l n f o 中，e s r i 公司提供了几十 种椭球体模型供选择。根据华中科技大学的地理情况和实际项目中的需要，系统选择 了w o r l d 投影的m e r c a t o r 方式。这种方式就是以椭球体模型为基础的。 在使用球面模型时，都涉及到球面到平面的投影，所选择的m e r c a t o r 投影方式是 等角投影中的一种，此种投影认为经、纬线互相垂直，地面特征之间保持等角关系。 在华中科技大学这个小区域内，误差非常小。 ( 2 ) 地理空间坐标系的建立 地理特征的表述，最常见的是采用经度和纬度的方法，这种方式在较大区域分析 时非常方便，但是在华中科技大学这个小的区域内，难以进行距离、方向、面积等参 数的计算。这些参数的计算的理想环境就是笛i ；j l , 坐标系。 ( 3 ) 地理空间的距离度量 在测最地理空间的距离时，也有三种方式：欧几里得距离、曼哈顿距离和时问距 离，其中欧几里得距离是用的最f “泛的也是本系统采用的方式。 在在篇 儿平嘶，任意两点( 一，儿) ，( r ，y ，) 之间的欧儿里得距离为： d ( i ，) = ( _ 一x i ) ：+ ( 一一y ，) 2 ( 4 ) 地理窄问的表达方法 欠量表达法 零维欠最，即窀n 中的个点。窿：维窄m 窄h j 唯的实数对( x ，y 1 米莨4 i ， 华中科技大学硕士学位论文 在三维空间中使用( x , y ，z ) 来表示。一维矢量表示空间中的一个线段要素，或者空间 对象之间的边线界，亦称为弧段、链。在二：维欧式空间中采用一组离散化的实数点对 来表示：( 置，) ，( x ：，k ) ，( x 。，y o ) ，同理，在三维空间中则表示为 ( ，i ，z f ) ( j 0 ，k ，乙) 。二维矢量表示空间的。个面要素，在二维欧式空间平面上 是指一组闭合弧段所包围的空间区域。三维矢量指的是三维空间中的实体。 栅格表达法 在栅格表达中每一个位置点都表现为一个单元，依行列构成单元矩阵叫栅格，每 个单元都以一定的数值表示诸如十地利用类型，环境变量等地理现象。 三角形不规则网( t i n ) 对于地理连续面的表达，可以利用三角形不规则网表示。t i n 把一表面表示成 系列相连接的三角形，这些三角形是在一组结点之中，按照一定规则连接相邻点形成 的边线组成的。 ( 5 ) 地理空间的拓扑 地理要素之间的连通性或相邻性等关系统称为拓扑关系。用来表示拓扑关系的数 据结构称为拓扑结构。拓扑结构是地理要素存储的最高形式。通过存储某一要素相对 于其他要素的位置信息，拓扑结构提供了许多地理分析的基础，并节省了存储空间， 避免了频繁检索坐标的过程，提高了处理效率。例如：连通性、路程确定都可以通过 拓扑分析直接产生。 在本系统使用的a r c l n f o 中，提供了如f 几种拓扑结构 弧段一结点拓扑结构 在数字化弧段时，a r c t n f o 将每个弧段的起始结点和终l ：结点记录在a r c l n f o 文 件中。利用弧段的拓扑结构，很容易确定弧段与其端结点的连接性、弧段的方向、弧 段的k 度、连通性。 多边彤弧段拓扑结构 多边形一弧段拓扑结构用来定义个区域。一个多边线形由系列组成它的边线 界的弧规定，包括那砦在多边线形电边线的“洞”和“岛”。 华中科技大学硕士学位论文 左一右多边线形拓扑结构 在建立多边线形时，a r c i n f o 将每段弧的左右多边线形内部顺序号添加到a r c 文 件中。左右多边线形拓扑结构定义了邻接性。如果两个多边线形拥有公共边线( 弧线) ， 则认为两个多边线形互相邻接。【3 】 2 1 3 空间数据库及其组织 ( 1 ) 空间数据结构 在地理信息系统中，有关宅问目标实体的描述数据可分为三种类型：空间特征数 据、时间属性数据和专题属性数据。对大部分地理信息系统的应用来说，时间和专题 属性数据结合在一起共同作为属性特征数据，空闻特征数据和属性特征数据统称为空 间数据。 有两种模型来表达空间数据：栅格和矢量。栅格模型特别适合于表达连续的空间 变量，矢量模型非常适合于表达图形对象和进行高精度制图。以矢量存储的数据结构 要比栅格数据复杂，以矢量形式进行图形叠加的算法很复杂。它们本质的区别是：栅 格模型采用一个区域( 能为空) 来表达一个对象，而矢量模型则是采用边线界或者表 面来表达空间目标对象的面或者体要素。 为了对空间数据进行合理的组织，以便计算机能够进行处理，地理信息系统的空 间数据结构要经过特别的设计。在栅格模型中，有很多种数据结构，如：完全栅格结 构、游程编码、区域四叉树和八叉树等。矢量模型中有s p a g h e t t i 结构、拓扑数据结构 和表面格网数据结构等。 传统 ：栅格和欠量似乎是完全两种不同性质的数据结构，如何生成一体化数据结 构，足一个值得研究的课题。 ( 2 ) 窄问数据库 地理信息系统的核心就是地理数据库。在普通的数据库巾，要表示对象之问的窄 间关系足垌难的，而地理数据库借助备种时窄准则，能对对象的k = 、宽、高，对象之 间的距离，对象的边线界等进行洋细的描述。对这类数据库，时问也足很蕾耍的，酬 为用广tl i j 能想知道影像资料足什么时候扶取的，建筑物什么时候拆迂过等。j e 他仃意 华中科技大学硕士学位论文 义的概念还包括相邻性和包含性等。所有这些特殊的要求构成了地理数据库的特色。 传统数据库系统的数据模拟主要针对简单对象，因而无法有效地支持复杂对象为 主体地工程应用。地理空间数据库系统必须具备对地理对象进行模拟和推理的功能。 为了克服这些问题，人们提出了些数据模型，其中面向对象的数据模型是最重要的 一种，它包含了其他模型在数据模拟方砸的很多概念，并能很好地模拟和操纵复杂对 象。 面向对象的数据库采用面向对象模型，为了实现面向对象的数据库，通常有三种 方式：扩充面向对象语言、扩充r d b m s ( 使其具备面向对象的特性) 、建立全新的支持 面向对象数据模型的o o d b m $ 。在这几种方法中，第一种最方便，但是没有利用到现有 的r d b m s 的功能，第三种技术还不够成熟，第二种是现在一些g i s 软件采用的方式， 如g e o d a t a b a s e 就是在原有的关系型数据库基础上进行扩充而成。 2 1 4 空间数据操作 对于空间数据的操作，首先是空间数据的采集。对于数据的采集，首先是数据源， 数据源一般分为原始数据和次生数据。然后确定地图的投影，接着进行数字化工作。 地图的数字化般分为手扶追踪数字化和光学扫描仪的栅格扫描。在数字化过程中 间，需要进行坐标转化。 对空间数据的操作，接着是数据的压缩编码。 然后就是可视化与空间查询。可视化是地理信息系统的最重要的目标之一，它包 括图形图像的生成和空间数据的查询分析。而窄问查询一般包括两类问题：查询空间 特征和查询属性特征。对丁图形图像的二维町视化，由】与计算机屏幕的维数，样， 所以只需把地理大地坐标与屏幕坐标相对应即可。对于三维可视化，因为趋把兰维空 间映射到：维空间中，所以需要很多的计算机图形处理技术。例如可以利用i l i 体阴影 来增强平面图中的地表影像的表达效果，使用屯体透视来显示形状和表面纹理。其中， 范体透视投影巾的z 缓冲器算法是非常蘑娶的种，在计算机图形学舸l 计算机硬件制 造j ：都有j “泛的应用。 对j ：窀问查询来说，建立宅问索引是关键的个步骤。空问索引般楚根据空i 砌 华中科技大学硕士学位论文 对象的位置和形状或者对象空问的某种空间关系，按一定的顺序排列的种数据结 构，其中包括对象的一些概要信息，如对象的标志、外接矩形等。常见的空间索引有 简单的如格网型空问索引，也有复杂一些的如平衡一二又树空间索引等，这些索弓i 结构 的选择无非都是为了提高查询的效率与性能。 2 i 5 其他方面 以上基本上构成了一个地理信息系统的框架，但是在具体的应用中还存在着很多 的问题。由于现在的比较先进的地理信息系统都是结合关系型数据库( 基于字段或者 是域) 并扩充了面向对象( 基于对象) 的特征，所以在空间信息模型中需要有处理基 于字段的方法和基于对象的方法。此外，还有高程数字模型( d t i i l ) 的实现方法( 本 课题没有涉及) ，空间信息分析的一些方法，如空间信息量算、空间信息分类、叠加 分析、网络分析、缓冲区分析、空间统计分析等。 2 2 管网地理信息系统 管网是地理信息的一个重要方面。自来水供水系统、下水道排水系统、电力网线、 通信线路、石油输送管道、煤气管道、供热管道等，在人们生活中都不可或缺。 下面以自来水供水网络为例，说明地理信息系统在它上面的应用。 自来水管道连接千家万户。改善以往管理模式中存在的不足，以及由此引起的工 作效率低下、工作景大、技术服务跟不上等，成为摆在企业决策者面前的首要问题之 一。 从自来水r i n k 的观点，它可以分为如卜四个大的部分： ( 1 ) 传输系统 般来说，自来水h j 户如居民、d 眦用户、商业用户等，他们的所在地部足离水 源很远的。传输系统就是把把水从水源送到目的地。如艮江和尔湖就是两个很人的水 源。中问所f h 的传输哎备般都很人，如水渠、连接设备、刚络管道、水泵等。 传输系统把水送到目的地，、殷是送剑当地的分配系统f ：去。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 分配系统 分配系统一般考虑的是一个较小的地理范围，但是要比传输系统复杂得多。 在网络的构建中，一般可以分成两种网络：放射型网络和循环型网络。放射型网 络一般有一个明确的流向，而循环型网络则没有明确的流向。 在分配网络中，为了向用户提供稳定的持续一定压力的水源，使用的就是循环型 网络。 ( 3 ) 服务 最终，水被传输到用户那里去。但是针对不同的用户，采取的传输策略也是不同 的，例如：对于一股的居民用户区的用户来说，它们的需水量比较小，使用的管道的 真径在o 7 5 英寸到i 5 英寸，而干管的直径大约6 英寸以上，所以需要使用一个套阀 它们。而对于很多商业用户，它们使用的直接是干管，不需要连接到细的支管上去。 再如：一般的水源是需要水表来计量的，但是从消防栓那里流出的水就不需要经过水 表。即供水系统需要针对不同的用户或者拥有者提供不同的服务。 ( 4 ) 网络管理 当使用一个接头连接两段一样的水管的时候，可以把这两端管子当作一条来看待， 但是如果一段采用的是8 英寸的金属管，另一段采用的是p v c 管的话，就认为这是 两段不同的管子。如何来处理这些问题，就是网络管理方面的内容。 本文研究的范围校园的自来水供水系统，并且以华中科技大学为例，主要的焦点 集中在分配系统和网络管理上。 将水源、管道、用户等信息以地理位置为基础，与属性数据库相结合，g i s 可以 随时提供如卜的典魁应用： ( 1 ) 依据建设好的设施更新数据库； ( 2 ) 图形的显示、查询及分析等功能 ( 3 ) 和其他系统如信息管理系统等集成； ( 4 ) 自来水供水系统的流向分析、i ：作流程处理、故障监测及提供检修方案等： 这蝗内容也是本系统力求解决的些问题。 o 华中科技大学硕士学位论文 3 基于u m l 的数据模型设计 3 1 地理信息中的数据模型 3 1 i 空间数据模型和空间数据结构 数据模型是通过数据手段对现实世界的抽象，是操作与完备性规则经过形式化定 义的目标集合。数据模型包括3 个方面的内容，分别为目标类型集合、目标操作集合 和目标操作应用结果和完备性约束规则集。 形式上，可将数据模型定义为如下的三元组： d a t am o d e l = ( s o t ) 数据结构没有一个明确的解释，一般认为，数据结构是相互之间存在一种或者多 种特定关系的数据元素的集合。形式定义为： d a t as t r u c t u r e = ，d ，固 数据模型是数据结构的高层次抽象，而数据结构则是数据模型的具体实现。【3 4 】 空间数据模型和空间数据结构是数据模型和数据结构在g i s 领域内的应用特例。 空间数据模型是以概念的方式对客观世界进行的抽象，是一组由相关关系联系在一起 的实体集，包括集合数据模型和语义数据模型。几何数据模型用于描述空间实体或现 象的包括与时态变化相关的几何分布与空间关系。语义数据模型用于描述空间实体或 者现象的包括非空间芙系在内的专题信息及部分时态信息。对于这些窄问数据模础， 可以通过不同的空间数据结构来实现。 按照人类感知客观世界的方式，有两种认识客观t 界的观点：离散 i 标观点稿j 连 续场观点。离散目标观点把空间霄作被明确的离散空问e 1 标所干扰的域，连续场： ! i l 点把空间看作由明确的区块组成的空问顺序集。 将离散日标，连续场形式的表达方法转化为平面单值方程的过程称为、r 面强化。平 面强化将人们对客观雎上界的认识婵解简化为平面形式，这样就广。 _ rfj 前1 1 孚遍采用的 蜷r 平耐图的离散 i 标点、线、【自i 数据模掣j 展 ：连续铺盖的嵌食数捌摸魁。 3 3 】 华中科技大学硕士学位论文 3 1 2 基于特征的g i s 数据模型 在大多数成熟的g i s 软件中，都是采用的基于专题信息类型分层的数据模型。它 主要存在着如下的两个不足： ( 1 ) 这种模式割裂了各层次要素之间可能存在的语义和空间关系，对于涉及多层 次要素的复杂查询与分析先天不足。例如：在华中科技大学校园中，有些道路同时就 是校园校区的划分边界，在分层模型中需要道路和边界分层存储。这样不但存在数据 的冗余，而且当道路发生改变时，边界层也要作同步更新。还有由于各层次之间的相 对独立性，各层次要素之间可能存在的空问关系无法显式表达，需要经过复杂的空间 叠加操作才能得到查询结果。对各层次之间要素的拓扑关系的查询也需要经过空间叠 加操作。随着层次的增加，运算量也随即增大，导致效率低下。 ( 2 ) 多重专题要素的层次划分是由平面强化的二维特性所决定的。由于数据库管 理系统对组成联线要素的均值属性要求，导致强制实行“集成地域单元”策略，即必 须在联线属性发生变化处设置节点。对于平面图，集成地域单元策略表现为平面强化 限制，要求必须在各专题要素几何数据在二维平面上的投影发生交叉的地方设置节点 ( g o o d c h i l d1 9 9 2 ) 。这样就把一个完整的目标分解成为很多零碎的小目标，每个目标 具有各自的标识、空间和属性信息。随着要素类型的增加，碎分情况也越加严重。这 样对整体目标的表达非常不例，例如一条自来水管的分段不知道它们是同一条水管的 组成部分，虽然这些隐含关系可以通过数据操作推导出来。 针对这砦弊端，g i s 研究领域发展出数据模犁的另外一个方向：基于特征的数据 模型。 地理特征是地球空间t - 客观存在、具仃描述信息的地理实体，它包括地理现象的 二维属性：空问、专题与时态信息。其c - 窀问属性包括位置信息和空间关系，专题信 息包括特征属性及特征之间的非空间关系，时态信息描述特征实体随时间的变化，可 反映在几何信息_ l j 专题信息中。 肇f 特征的g i s 把地理特征作为建模的基本单元，从空f , f f 苦息、专题与语义信息 及时态信息几个方面对地理特征进 j 描述的g i s 设计方法。 华中科技大学硕士学位论文 基于特征的g i s 逻辑建模过程可以使用面向对象的方法来实现。面向对象的基本 思想就是模拟人们认识世界的思维方式，把事物当作一些对象来考虑。面向对象的设 计方法很方便地用来描述地理特征，并把这些地理特征定义为实体相关数据和操作函 数的统一体。面向对象方法提供了分类、概括、聚集、联合4 种数据抽象及继承等工 具，它们丰富了基于特征方法的语义模型。【4 8 5 0 】 a r c l n f o 在借鉴了基r 特征的数据模型，在以往的数据模型塔础上，建立了。个 新的数据模型：g e o d a t a b a s e 。以f 是g e o d a t a b a s e 的介绍。 3 2g e o d a t a b a s e 数据模型 随着信怠技术的不断发展，地理信息系统软件已经历了两代空间数据模型，即 c a d 数据模型和c o v e r a g e 数据模型。 c a d 数据模型起源于6 0 7 0 年代，它是通过点、线、面将地理数据存贮在二进 制文件中，缺乏属性信息。由于它缺乏对属性数据的支持，且空间数据不是存储在数 据库中，所以给g i s 软件开发和g i s 数据共享都带来了困难。 c o v e r a g e 数据模型源于1 9 8 1 年e s r i 公司推出的第一个商业g i s 软件 a r c i n f o 。此模型比c a d 数据模型有了较大的改进：首先，它支持属性数据，将空间 数据与属性数据有机地结合在一起；其次，它存储了矢量数据的拓扑关系，因此 c o v e r a g e 数据模型提高了对地理空间信息的表达能力和数据的分析能力，也提高了数 据采集的准确性。但其也有不足：它将空间数据和属性数据分开存储：它仅用点、线、 多边线形等几何元素描述空间实体，从而缺乏对空问实体或现象的显式定义及其基础 关系的描述。 随着面向对象的技术的成熟和j 、泛应用，以a r c i n f 0 8 中g e o d a t a b a s e 为代表的面 阳对象的空问数据模掣应运而乍，并在空问数据模型对象化的进程- i 有了重大的突 破。 g e o d a t a b a s e 是a r c l n f 0 8 引入的1 个全新的空问数据模犁，实际 ：是建立在d b m s 之 i 的统一的、智能化的窄问数据库。占采用面向对象技术将现实窄问世界抽象为由 符埘象炎组成的数拥；模，每个刈象类宵其属性、行为和姚w 0 ，刈象类间义仃定 华中科技大学硕士学位论文 的联系。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裂。因此， 它不仅接近于人类对地理空间世界的认识，而且还具有较好的客户化能力和可扩展能 力。 g e o d a t a b a s e 主要涉及以下几个关键类： ( 1 ) 对象类。在g e o d a t a b a s e 中，对象类是一种特殊的类，它没有空问特征，其 实例为可关联某种特定行为的表记录。例如：某块地的主人。在“地块”和“主人” 之间，可以定义某种关系。 ( 2 ) 要素类。地理要素类是具有相同属性集、相同行为和规则的空间对象的集合， 如：自来水干管、自来水支管、阀门等。 ( 3 ) 要素数据集。要素数据集是具有相同空间参考的要素类的集合。把不同的要 素类放到同一个要素集内面，是因为以下三种情况： 专题归类表示：当不同的要素类属于同一范畴。例如，全国范围内某种比例尺 的水系数据，其点、线、面类型的要素类可组织为同一个要素数据集。 创建几何网络：在同一几何网络中充当连接点和边线的各种要素类，须组织到 同一要素数据集中。例如，在本系统中，自来水管网中，有很多的东西：如系统阀门、 控制阀门、支管、干管、取样站、水泵等，它们分别对应点或线类型的要素类，在自 来水管网的建模中，这些要素类都被放在一个几何网络中。 考虑平面拓扑：共享公共几何特征的要素类，如：用地、水系、行政区界等。 当移动其中的一个要素时，其公共的部分也要求一起移动，并保持这种公共边线关系 不变。 ( 4 ) 必系类。定义两个不同的要素类或对象类之间的关联父系。例如：可以定义 房，l 年ij 房一j ：之间的关系，房r 和地块之问的关系等。 ( 5 ) 域。定义属性的有效取值范旧。可以是连续的变化区间，也j j 以是离散的墩 值集合。如自来水干管的赢径：8 英寸到1 3 英寸。 ( 6 ) 规则。对要素类的行为稿j 墩值加以约束的规则。例如：规定彳i 同管径的水管 要连接，必须通过个合适的转接头。 g e o d a t a b a s e 数据模型是在汲取以f _ _ ! 数据模删工作成果的毖础f ：，采片j 丽向对象的 4 华中科技大学硕士学位论文 思想而提出的一种适用于关系型数据库管理系统的空间数据模型。它的许多优点是以 往空间数据模型所不具备的： ( 1 ) g e o d a t a b a s e 数据模型在逻辑上统一了a r e f l n f o 以往空间数据模型，为上层应 用提供了统一的数据接口。g e o d a t a b a s e 的空间对象集不仅可以表达关系型数据库中 的地理数据，同时也可以表达c o v e r a g e 和s h a p e f i l e 格式的字间数据。在开发中，统 的数据接口町以降低应用程序与数据结构的相关性，提高了代码的可重用性：同时， 由于数据模型与数据格式的无关性，也使得不同的a r c l n f o 数据源在应用系统中可实 现无缝集成，即：在同一个系统中无需数据转换就可以同时处理不同格式的空间数据。 ( 2 ) g e o d a t a b a s e 数据模型不仅接近于人类对现实事物对象的认识和表述方式，而且 还具有较好的客户化能力和可扩展能力。在基于g e o d a t a b a s e 模型的应用中，面向用 户的不再是抽象的点、线、面，而是面向具体应用的一些实体，如：水井、河流、湖 泊等等，模型中对象问的组成关系、层次关系也接近现实状况，从而清晰易懂。另外， 由于对象可继承性和可扩充性，从而可使用户基于已有的基础对象构建出符合需求的 对象。 ( 3 ) 将行为、关系、规则引入地理要素，不仅可以充分表达空间数据之间的关系， 同时也使应用中的空间数据的采集和编辑更加准确。例如：可将“烟酒店不能设在距 学校l k m 的范围内”等规则加入到某些应用的数据编辑中，从而使空间数据更加准确。 ( 4 ) g e o d a t a b a s e 可将空间数据和属性数据集成在同一关系型数据库中，改变了传统 模型中两者仅通过i d 联系的状态，实现了严格意义上的地理空间数据库；同时，它 也可以充分利用关系犁数据库高效的数据管理能力。 ( 5 ) g e o d a t a b a s e 对网络拓扑的描述非常丰富( 如：设施网络和街道网络) ，而h 随着 各种编辑操作的产f g e o d a m b a s e 会主动维护现行网络拓扑关系，从而避免了拓扑重 建这样 个重复、冗k 的操作。而c o v e r a g e 数据模型是通过编辑和拓扑重建支持拓扑 从牛成到死亡的周期。 ( 6 ) g e o d a t a b a s e 模魁的几何网络中引入r 复杂结点、复杂边线的概念。般复杂结 点或边线在儿何网络中足由许多复杂的图索组成，但是在创建儿何拓扑时，其逻辑网 络不会关心其复杂的组织结壮j ，| 而是将其整体作为简瞥的1 y 点或边线行待【4 】。 华中科技大学硕士学位论文 3 3u m l 与数据模型设计 在前面的介绍中，g e o d a t a b a s e 使用面向对象的方法扩充了传统的数据模型，对于 面向对象的系统设计，目前有很多种方法： 方法一：采用手工的方式，有接在系统中生成类、对象等模型，如果需要修改模 型的话，直接在系统上更改； 方法二：通过需求分析之后，写出类和对象等文字性描述的文档，然后进入方法 一的过程； 方法三：使用计算机辅助设计工具，通过u m l 统一建模语言，生成图形化的视 图，然后利用c a s e 软件提供的转化工具，生成系统所需的数据结构。 比较以上三种方法，无疑第三种是最优的方法，它提供了可视化的功能，模型的 结构非常清晰，也利于修改和扩充。 为了有效地生成自来水管到的数据模型，我们使用了u m l 统一建模语言，并利 用c a s e 软件来进行辅助设计。 3 3 iu m l 统一建模语言 u m l ( 统一建模语言，u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 是一种建模语言，是第三代 用来以面向对象开发系统的产品进行说明、可视化和编制文档的方法。由面向对象领 域的三位著名的方法学家：g r a d y b o o c h ，j a m e s r u m b a u g h 和l v a rj a c o b s o n 共同提出。 由o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 采纳作为业界标准。它取代传统的众多分析和 设计方法，也是软件也第次有r 个统一的建模语言。【l o 】 u m l 用模型来描述系统的结构或者静态特征、行为或动念特征。它从不同的角度 为系统搭建模犁，形成了如下的儿种模裂：用例视图、逻辑视阉、并发视图、组件视 图、部署视图，其中逻辑视图也称为结构模犁视图或静态视图，表现的是静态或者结 构组成及特征。 u m l 中有几个重要的图：用例图、类图、对象图、状态图、序列陶、胁作图等， g e o d a t a b a s e 使用了o b j e c tc l a s s 、f e a t u r ec l a s s 等类，用u m l 的类图呵以清晰地表述 华中科技大学硕士学位论文 这些类，以及这些类之问的相互关系。 类图是用类和它们之问的关系描述系统的一种图示，是从静态角度表示系统的。 类图也只允许描述类和它们之间的关系。 类代表了被建模的应用领域中的离散概念一物理实体( 如阀i 、】) 、商业事物( 如 一份订单) 、逻辑事物( 如网络修改计划) 、应用事物( 如取消键) 、计算机领域的事 物( 如哈希表) 或行为事物( 如项伍务) 。类是有着相同结构、行为和天系的组 对象的描述符号。所用的属性与操作都被附在类或其他类元上。类是面向对象系统组 织结构的核心。 类定义了一组有着状态和行为的对象。属性和关联用来描述状态。属性通常用没 有身份的纯数据值表示，如数字和字符串。关联则用有身份的对象之间的关系表示。 个体行为由操作来描述，方法是操作的实现。对象的生命期由附加给类的状态机来描 述。类的表示法是一个矩形，由带有类名、属性和操作的分格框组成，如图3 1 所示。 s u b s c r i p t i o n e r i b ：s t r i n g c e c a t e g o r y ：c a t e g o r y 类名 属性 奄c o s t o ：m o n e y r e s e r v e ( s e r i e s ：s t r i n g ，l e v