（计算机应用技术专业论文）关于空间数据存储与信息发布的研究.pdf

尔南人学硼l j 学能论文关 ：空间数据存储与信息发布的研究 摘要 随着计算机技术的发展，地理信息系统逐渐走向务实。并且越来越多的与i n t e m e t 相结 合。数字城市和数字地球也由理论逐渐迈向实践，地理信息系统在人们的生活和生产中i 有 越米越重要的地位。 空间数据包括空间特征数据羊属性特征数据两种。空间数据模型是关于g i s 中空间资 料组织的概念币方法，是- - l ：l 由相关关系联系在一起的实体集，描述了g i s 空间资料组织 和进行空间数据库设计的理论基础。论文首先对空间数据模型做了一定的探讨，详细介绍了 e s r i 的s h a p e f i l e 格式。接着，论文对于如何庄关系数据库中表示该空间数据模型的数据以 及如何实现空间信息查向提出了合理的解决方案。 由7 - d c o m 、c o r b a 以及r m i 技术的局限性比如难于穿越防火墙等，阻碍了地理信 息系统真止走向i n t e m e t 。而x m l 和w e b s e r v i c e 的出现给地理信息系统的发展带来了新的 机会。论文对w e b s e r v i c e 这一新技术做了一定的探讨，同时对d c o m 、c o r b a 等分布式 技术与w e b s e r v i c e 技术的优缺点进行了比较，说明了它们各自适用的环境以及w e b s e r v i c e 为软件业所带来的直处。 最后，论文详细论述了原型系统的实现。该原型系统采用了，n e t 和j 2 e e 技术，实现了 空间数据的导入、空间信息奇询以及空间数据的发布和网上浏览。 关键字：空间数据，空间数据模型，空间信息查询，s o a p ，w e b s e r v i c e 第1 页 东南人学硕十学位论文 关】i 空间数据存储与信息发布的训f 究 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , 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 sg r a d u a l l y d e a lw i t hc o n c r e t em a t t e r sr e l a t i n gt ow o r k ，a n di n t e g r a t ew i t hi n t e r n e tm o r ea n dm o r ec l o s e l y d i g i t a lc i t ya n dd i g i t a le a r t ha l s og r a d u a l l yt e n dt o w a r d sp r a c t i c ef r o mt h e o r y g i st a k e sm o r e a n dm o r ei m p o r t a n c ei no u rl i f ea n dp r o d u c t i o n t h e r ea r em a i n l yt w ok i n d so fs p m ia ld a t a ：s p a t i a lf e a t u r ed a t aa n da t t r i b u t ef e a t u r ed a t a s p a t i a ld a t am o d e l w h i c hd e s c r i b e st h ea c a d e m i cb a s eo fs p a t i a ld a t ao r g a n i z a t i o ni ng e o g r a p h y i n f o r m a t i o ns y s t e ma n ds p a t i a ld a t a b a s e d e s i g n i s t h e c o n c e p ta n dm e t h o do fs p a t i a l d a t a o r g a n i z a t i o ni ng e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，a n di s ag r o u po fc o r r e l a t i v ee n t i t i e s t h i sp a p e r d i s c u s s e ss p a t i a ld a t am o d e la n dd e s c r i b e st h ef o r m a to fe s r i ss h a p e f i l ei nd e m i l t h e ni t p r o p o s e ss o l u t i o n so f h o w t or e p r e s e n ts p a t i a ld a t ai nr d b m sa n dh o wt oq u e r y s p a t i a lo b j e c t si n as p e c i f i e dr e c t a n g l ef r o mr d b m s i na d d i t i o n ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sw e b s e r v i c e ，w h i c hb a s e do nx m la n ds o a p t e c h n o l o g y , a n dd i s c u s s e st h ee n v i r o n m e n tt h e yr e s p e c t i v e l ya p p l yt ob yc o m p a r i n gw e b s e r v i c ew i t ho t h e r d i s t r i b u t e dt e c h n o l o g i e ss u c ha sd o c m ，c o b a r ，r m ia n dt h eb e n e f i t sw e b s e r v i c ew i l lb r i n gt o t h es o f t w a r ei n d u s t r y f i n a l l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ei m p l e m e n t a t i o no f t h ea r c h e t y p a ls y s t e m ，w h i c hu s i n g n e t a n dj 2 e ea n di n c l u d i n gs p a t i a ld a t ai m p o r tf r o mf i l ei n t or d b m s ，s p a t i a li n f o r m a t i o n q u e r yf r o m r d b m s ，s p a t i a ld a t ap u b l i s ha n db r o w sm a p o ni n t e m e t k e y w o r d ：s p a t i a ld a t a ，s p a t i a ld a t am o d e l s p a t i a li n f o r m a t i o nq u e r y , s o a p , w e b s e r v i c e 第2 页 东南大学学位沦文独创中1 ：声明及使用授权的说i 刿 一、学位呛文独创| 生声明 本人声明所呈交的学位论文足我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别_ | | 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 墨茎童墨f f j r 期：兰! 圭：! ：皇 二、关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括 = i j 登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：至墨鹭导师签名：f 至纽日期：趁! ：主工 ! ：塑叁翌堕主堂丝堡奎 茎：至囹墼堡堡堡鱼堕星垄塑塑里! 塞 前言 i 、研究背景及现状 地理信息系统( 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 ) 是一种采集、存贮、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。地理信息系统是地理学、地图学、测 量学等传统学科与计算机科学等现代科学技术相结合的产物。本世纪6 0 年代初，加拿大的 r o g e r f t o m l i n s o n 和美国的d u a n e f m a r b l e 在不同地方、从不同角度提出了地理信息系统。1 9 6 2 年， t o m l i n s o n 提出利j _ ! 数字计算机处理和分析人量的土地利用地图数据并建议加拿大土地调查局建立加拿 大地理信息系统( c g i s ) 。1 9 7 2 年，c g i s 全面投入远行和使用，成为世界上第一个运行型的地理信息系 统。白此以后，地理信息系统作为有关空间数据管理、空间信息分析及其传播的计算机系统，在其4 0 多 年的发展过程中取得了深入发展，j 泛应用丁二资源调商、环境评估、区域发展规划、公共设施管理、交通 安全等领域，成为一个跨学科、多方向的研究领域。 自地理信息系统诞生一米空间数据存储就一直是g 1 s 研究的核心之一。空间数据的存储研究主要包 括空间数据模型的研究和存储方式的研究。国外g i s 研究和发展的实践表明，对空间数据模型的认识和研 究在很大程度上决定着g i s 系统和廊用的成败。空间数据的存储方式演变过程同普通信息存储方式的演变 过程类似，但由于空间数据海量级的数据量以及复杂的结构等特点，空闯数据的存储方式发展过程总比普 通信息的存储方式慢一步。文件是空间数据最早也最普遍的存储方式。由于文件系统所存在的弊端比如， 效率低下、难以控制数据的完整性、以及容易形成网络瓶颈导致系统性能下降等，人们开始考虑利_ f _ j 成熟 的数据库技术存储空间数据。 数据库技术主要是通过属性来管理平| 1 检索，其优点是有效的存储和管理，查询和检索方便，但数据表 示不直观，不能描述图形的拓扑关系，一般没有空问概念，即使存储了图形，也只是以文仲形式管理，幽 形要素不能分解查询。而关系数据库技术是诸多数据库技术中最为成熟的，其最大优点是结构特别灵活， 可满足所有用布尔逻辑运算和数学运算规则形成的询问要求；关系数据库技术还能搜索、组合和比较不同 类型的数据，加入和删除数据都非常方便。因而关系数据库技术特别适台存储属性特征数据。由丁关系模 型不是和描述空间数据，目前一般采h j 的处理方法是使用关系数据库存储空间数据的属性特征数据而将 空间数据的空间特征数据仍使用文件存储。这种方法是数据库技术与文件系统的折衷，仍然摆脱不了文件 系统的弊病。 e h _ 】二近年米地理信息系统的迅速发展，对于使i 【 j 现有的关系数据库系统存储空间数据的需求越来越 多。为了 领更多的市场份额，各关系数据库生产厂商也纷纷在这方面投入研究。m i c r o s o f t 、i b m 以及 o r c a l 都先后发布了支持空间数据存贮的关系数据庠新版本。它们都是对对关系数据库进行了扩展，在 关系数据库基础上增加了支持空间数据存储和查询的组件。而应用者对空间数据库中空间数据的格式无法 知晓，从关系数据库中获得空间数据的唯一方法是通过生产厂商提供的a p i 或者扩展了的s q l 3 。但是， 由于目前空间查询语言的不成熟很难做到灵活有效的查询空间数据，效率低下。 数据存储的最终目的是为人们提供有意义的信息服务，信息发布是g i s 另一个重要部分。传统g i s 系 统都是基丁文件共享的低级分布式结构，数据集中存放丁服务器，存在着效率低f 、成本高等缺点，尤其 是应心丁= _ 象省级甚至国家级这样的广域网环境中。为了提高g i s 系统的性能，传统的做法是复制空间数据 文件到本地，而这样义很难保证数据的完整性和一致胜。近年来随着诸如c o r b a 、c o m d c o m 、r m i 等分布式技术的出现，人们提出了分布式g i s 系统，随之也出现了不少问题。而由于这些分布式技术难以 穿越防火墒的特点，成为在广域网环境中建立真e 的分布式应刖的绊脚石，因为很难在安全与访问能力方 面找剑台适的平衡点。 随着汁算机麻用的发展，经历了集中式管理、c s 结构两个阶段的地理信息系统势必走向i n t e m e t 。为 了实现计算环境的电高性能、更低成本、更人性化的擞作方式，数据重用以及多应州程序的集成成为1 i 可 逆转j 1 勺趋势。x m l 与w e b s e r v i c e 技术以其良好的互操作性、可扩展性、可移植性和兼容胜，为地理信息 第3 页 j i 阿人学硕r t 学位论文夫1 空间数据存储与信息发布的研究 系统走向开放和i n t e m e t 提供了新的机会。 i i 、论文主要内容和章节安排 本论文旨在探索一条利州关系数据存储空间数据，实现互联网上空间数据重用的道路。论文主要以 e s r is h p f i i l e 简单父量模型为基础，探索了如何在关系数据库中存储空间数据，从关系数据库中商询空间 数据，并且通过w e b s e r v i c e 以x m l 编码方式发布，最终实现网上浏览地幽。 论文的其余章1 7 安排如f - 第一章土要介l 小j - 空问数据以及各种空间数据模型的特点，在简单矢量模 鼎中详细介绍了e s r i 公司的s h a p e f i l e 格式，并以此作为整个研究的基础：第二章主要论述了如何在关系 数据库中表示s h a p e f i i e 格式的空间数据，提出了一个弁理解决方案；第二章介绍了空间信息夯渤的方式， 并且详细论述了在第二章中提山的关系数据库表示方式的基础上如何实现查询某一空间范周内的空间对 象。这一务询操f 1 是整个系统中最为频繁也是嘏为基础的查询操作；笫四章介绍了以x m l 和s o a p 为基 础的w e b s e r v i c e 技术，并同d c o m 、c o r b a 等分布式技术做了比较，总结了各自适合的应川环境：第五 章详细论述了原型系统的实现，并简单介绍了网上浏览地图的实现；最后对论文所作的r 作以及不足做了 总结。 第4 页 东南人学硕十学位论文荧r 空间数据存储与信息发布的研究 第一章、空间数据模型 空间数据模型是关丁g i s 中空间数据组织的概念和方法，是一组由相关芙系联系在一起的实体集，描 述了g i s 空间数据组纵和进行空间数据库设计的理论基础。国外g i s 研究雨i 发展的实践表明，对空间数据 模酗的认识和研究在很大稃度上决定着g i s 系统和麻h j 的成败。 1 1 、空间数据 在地理信息系统( g i s ) 中，有关空间日标实体的描述数据可分为两种类型：空间特征数据和属性特征 数据。对丁少数对t , j f n 属性数据有特殊要求的地理信息系统的应用米说，需要把时间属性数据从属| 生特征 数据中分离山米。所谓空间数据，是空间特征数据利属性特征数据的统称。 空间特征数据记录的是空间实体的位簧、拓扑关系年儿何特征，它反映自然现象的地理分布，具有定 位的性质。空间特征数据是地理信息系统同其它行业的各种数据库管理系统区分开的重要标忠。 属性特征数据是指实体所具有的各种性质，如人口密度、温度等。属性特征数据通常以数字、符号、 文本和图像等形式表示。 空间数据具有以下特点： 空间性 空间性是空间数据最主要的特性，是空间数据医别r 其他数据的标志特征。空间数据除了描述空间物 体的位置、形态还需要描述物体的空间拓扑关系。例如描述一条河流，一般数据侧重于河流的流域 面积，水流量，枯水期等。而空间数据i i i ! l 巫于河流的位置、长度、发源地等和空间位置有关的信息。 复杂一点的还耍处理河流与流域内城市间的距离、方位等空间关系。 抽象性 空间数据描述的对象是经过抽象处理的现实出界中的地物和地貌特征。不同主题的空间数据库，根据 人w j 所关心的主题不同，其内容也有差别。所以空间数据的抽象性还表现在人为地取舍数据，同时抽 象性也使数据产生多语义问题。在不同的抽象中，同一i l 然地物表示可能会有不同的语义。如河流既 可以被抽象为水系要素，也可以被抽象为行政边界，如省界，县界等。 多尺度与多态陛 不同的观察尺度具有不同的比例尺和不同的精度同一地物在不同的情况下会有形态差异。最典型的 例子有：就形态而言，任何城市在地理空间中都l - 据一定范围的区域，因此可以认为其是面状地物， 但在比例尺比较小的空间数据库中，城市是作为点状地物米处理的。 多时空性 ( 3 i s 数据具有很强的1 ，r 空特性。一个g i s 系统r j 的数据源既有同一时间不同空间的数据系列；也有 同一空间不浏时间序列的数据。不仅如此，( 3 i s 会根据系统需要而采_ 【_ i 不同尺度对地理空问进行1 茈达。 g i s 数据是包括不同时空和不同尺度数据源的集成。 1 2 、空间数据模型 空间对象可分为点、线、面、表面和体，其中表面和体是三维的。对丁二维空间与三维空间，其空间 数据模型有所不同。这里土婴芙心二维空间数据模俐即点、线、面的组织模型。_ 二维空间数据模型主要 分为栅格模纵久越模i 7 , f i i 7 i i , “, 十i 1 7 。其中混合模7 烂把栅格模型平矢量模型结台在一起的模型。一般在 宏舰上采j l j 栅格模耻进行数据压缩，在微观上对某个空间实体的详细数据通过父繁模型进行管理。混合模 掣虽然减少了栅格模! i j , f r l 火封模刑的缺点，但也减弱了两者的优点。 i - 面上要介 “栅格模7 平久姑模7 他其中详细描述了，二种久量摸删，着重介 “了e s r i 的s h a p e n l e 文 第5 负 东南人学硕十学位论文 笑丁空间数据存储与信息发布的研究 件格式。 1 2 1 、栅格模型 栅格模型是通过一系列规则羊不规则的像元组合米表达空间实体。 栅格模型常州的方法有完全栅格结构( 大多数的数字图像系统采用) 、游稃编码、m o n o n 顺序丰um o n o n 坐标、区域四义树, f i u 义树等。 栅格模型的突出优点足t 它可以直接利用遥感、数字摄影测量、扫描等方式获取数据，且数据结构简 单，可以方便地计算山f 象y - t ：* t i 其领域间的方向、邻接硬连通等拓扑性质；其缺点是，随着精度的增大，数 据量不断增人，从而对设备的存储空间要求过高，日帝词速度较慢。该模型对于实现空间实体的旋转、坐 标的变换、空间实体的识别和标识较幽雉。 1 2 2 、矢量模型 欠昔模型以构成现实世界空间目标的边界来表达空间实体，其边界可以划分为点、线、面等几种类型。 空间位置采用点的空问坐标表达，空间实体的几何属性通过点的空间坐标来汁算。 矢量模型的优点是能方便地表达空间实体之间的拓扑空间关系，图形精度高，数据存储最小，容易定 义和操作单个目标，方便实现坐标变换、距离计算等操作。矢量模型的缺点是缺乏与遥感及数字地面模型 直接结合的能力，难丁处理叠置操作。 1 2 2 1 、简单矢量模型 在简单矢量模型中，地物刚一系列坐标串表示，记录了空间实体的形状信息，没有考虑空间实体间的 邻域关系、相邻关系的公共边被重复存储，其拓扑关系信息必须通过在数据文件中搜索所有实体的信息， 并经过大量计算才能得山，但适合于制幽系统。 e s r i 公司的s h a p e t i e 格式趄典型的简单矢量模型，e s r i 的s h a p e f i l e 主要由主文件( s h p ) ，索引文 件( s h x ) 和d b a s e 表( d b f ) 组成。其中主文件是个可以直接访问由可变k 记录组成的文件，每个记 录都描述了一个由一些顶点组成的图形。在索引文件中，每个记录记录了主文件中相应记录对于主文件头 的偏移。d 1 3 a s e 表存储了一个记录的特征属性。陶形和属性之间是一对一的关系。d b a s e 文件中的属性 记录与主文f t - 中的记录排序相同。 主文件包括一个同定欧度的文件头和不定k 的纪录。每个不定长的记录又由定长的记录头和不定长的 记录内容组成。主文件头部长1 0 0 b y t e s t 具体内容见t a b l ei 。每个记录的头存储了记录号和记录的内容长 腰，崩定i 王= 度8 b y t e s ，内容见t a b l e2 。 每个5 h a p e f i l e 中只能有一种图形，s h a p e f i l e 中的幽形类型有：n u l ls h a p e 、p o i n t 、p o l v l i n e 、p o l v 2 0 n 、 m u l t i p o i n t , p o i n t z 、p o l y l i n e z 、m u l t i p o i n t z 、p o i n t m 、p o l y l i n e m 、p o l y g o n m 、m u t i l p o j n t m 、m uj f j ；：t c h 。 n u l l s h a p e 主要悄r 为要创建或要拷贝的记录预留宅问，同个s h a p e f i l e 中允许同时存在n u l ls h a d e 丰p o i n t 焚弘的图仃t 其记录内容见t a b l e3 。 这里主要介绑点、线、面的格式。 点：有一对舣精度的坐标值组成点记录的内弈址t a b l e4 ： p o i l i t d o u b l e x ； ，x 坐标值 d o u b l ey ； y 坐标值 l 第6 页 糸南人学硕士学位论文 关 ：空间数据存储与信息发布的研究 l a h i i k _ ：r i p l h l ni iri h c 、l a l nr j i cl l c a d e r b i i c2 | ) e 、e h p t i o ai r m a i nl - cr e c o r di l c a d c n t a r j 、i d ls h a p er r o ；r d ( o p n b t g b l ij p f “l i tn p c r dt o l l l e n t 线：是点的有序集合，线的记录内容见t a b l e5 ： l i n e d o u b l e 4 】 b o x 区域边界 i n t e g e r n u m p a r t s 组成部分的个数 i n t e g e r n u m p o i n t s 点的总数 i n t e g e r n u m p a r t s p a r t s 每一部分的第一个点的位置 i n t e g e r n u m p o i n t s p o i n t s所有的点 ) 其中b o x ，表示该线的外接矩形，在粗略判定某条线是否值r 指定的区域中时，会j l j 剑该子项的值。 第7 页 东南人学项士学位论文 关丁空间数据存储与信息发布的研究 | a l3 1 ej p 州l n e l k l ! o r d c o n f e t t i 面：面是由一个或多个环组成，环是由四个或更多个点有序连接成的闭合的不交叉的环面的结构如 p o l y g o n d o u b l e 4 】 b o x ，区域边界 i n t e g e r n u m p a r t s 环的个数 i n t e g e r n u m p o i n t s点的总数 i n t e g e r n u m p a r t s p a r t s环的第一个点的位置 i n t e g e r n u m p o i n t s 】p o i n t s所有的点 l 幽1 1 图2 ，1 是一个p o l y g o n ，且该p o l y g o n 只包括阴影部分。该p o l y g o n 由两个环组成，外环是 v l v 2 v 3 v 4 v l ，内环是v 5 一v 6 v 7 v 8 v 5e 灰色边框表示了包含该p o l y g o n 的最小区域边界，即 该p o l y g o n 的外接矩形，也是b o x 所表示的区域。该p o l y g o n 的各字段值如下： p o l y g o n x 1 ，y 1 ，x 2 ，y 2 2 1 0 0 ，5 ) v 1 ，v 2 ，v 3 ，v 4 ，v 】，v 5 ，v 6 ，v 7 ，v 8 。v 5 ) # 1 - 接矩形 ，环的个数 ，点的总数 环的第一个点的位置 所育的点 阳幢翠一1 o12345 6789 刚m 叵臣卫正正工至互丑丑习 幽1 2 第8 页 笙童查兰堕主堂垡堕塞 茎王皇塑墼塑查堡兰堡旦叁塑堕蟹茎一 p a 巾和p o i n t s 之间的对应关系可以用如图1 2 所示 1 2 2 2 、拓扑矢量模型： 拓扑模型将空间实体间的某些拓扑关系和点、线、多边形直接存储于表中。拓扑模梨在空间数据的组 纵、拓扑空间关系的表达、数据模型的拓扑一致性检验及图形恢复等方面均具有较强的能力，如a r c i n f o 、 c o v e r a g e 、g r e n a m a p 、t i g e r 。 拓扑矢量模型与简单矢量模型相比，优点是：一个多边形和另一个多边形之间没有空间坐标的重复， 这样就消除了重复线；拓扑信息与空间坐标分别存储，有利于进行近邻、包含和相连等查询操作。拓扑欠 量模型的不足在于：拓扑表必须在一开始就创建，这要花费一定的时间和空间：一些简单的操作比如图形 显示比较慢，因为图形显示需要的是空间坐标而非拓扑结构。是否采用拓扑矢量模型主要考虑数据适用丁 分析还是简单的显示。 1 2 23 表面格网矢量模型： 表面模型通常是对无规则的空间数据进行内插，并反映到规则的格网上。在格网形式下，表面可以进 行显示、分区、组合、分析等操作。 表面上不规则分布的点可以连接成三角形网，三角形的顶点就是原先的不规则点。三角形本身是多边 形，三角形的边是链的一个特例它们构成了直线段，顶点也成了唯一的中间点。 该模型通常用于数字化地形的表示中，方便的进行表面的坡向、坡度、自动生成等高线、消除阴影中 隐藏线等计算。与栅格方式相比，该模型所需的存储空间要少。 1 2 3 、栅格模型与矢量模型的比较 空间数据的栅格模型和矢量模型是地理信息系统中两种的数据模型，它们互相补充，互相促进，下表 对栅格模型和矢量模型的优缺点进行了比较： 栅格模型矢量模型 数据存储量大数据存储量小 空间位置精度低空间位置精度高 难于建赶网络连接关系用网络连接法能完整描述拓扑关系 输出速度快，但绘图耗l 糙、不美观输h 简单容易、绘图细腻、精确、美观 便于面状数据处理可对图形及其属性进行检索，更新和综台 可快速获取大量数据数据结构复杂 数据结构简单获取数据慢 可快速扶取大量数据数学模拟困难 多种地图叠台分析方便多种地图叠合分析困难 能直接处理数字图像信息不能直接处理数字图像信息 空间分析易于进行宅间分析不容易实现 容易描述边界复杂和模期的事物边界复杂和模糊的事务难以描述 技术开发费用低数据输“ 的费用较高 第9 页 东南大学硕士学能论文 关丁空间数据存储与信息发布的研究 第二章、空闻数据在关系数耩痒中酶表示 在地理信息累统( g i s ) 中，对于如何存储这些空间数据，一盥是人们不断探讨和研究的焦点之一。这 是因为空间数据的存储对于整个地理信息系统性能的好坏有决定性作用。 由上一章我# 知道空间数据包括空间特征数据和属性特征数据，在早期的文件系统中，存储空间特征 数据帚l 属性特短数据采臻下同的格式。地毽信息系统是飙计冀椒到篷演纯丽来的，早期躬空闻特征数据存 档 l 较凌藐，袋鞠存貉建蛰戆技术采存键数撂，在藻存空蠢数攥瓣蘑跨，还保存窆闼特糕数疆翦攘癸关系。 采用了“节点一弧段多迓形”数据摸掇的警秘扮a r c l n f o ，就怒这方面的一个铡予。拓扑关系静维护使 得空间特征数据的更新修改操作变得困难。而后出现了c a d 软件，由于其在制图方面的优势，被部分地 理信息系统人员所采用。但是c a d 系统所管理的数据文件一般情况下都比较小，无法满足地理信息系统 中海量数据的要爿乏。而且，在地理信息系统中空间特征数据与属性特征数据的分开存储。使得维护两者的 一致性并进行一体化管理便成为必须解决问题。面向对象思想的 _ 1 5 现和面向对象方法学的应用，人们开始 把每静地兹抽象为慕一粪具有公共属性黯辩象，比如点、线、簌等，势且 | a 了屡的授念，来管理空间对 象，簸纛在一是耩整主艇决了室阔数撰写疆性数据熬一律恁蛰瑗魏嗣趣。熬嚣采蠲文髂蓉统，文辞播式戆 不统一，篌褥热唪数据成为嬗理信息系统中的壁垒，大大耀嬲了地理信息系统的成本。同时文件系统还存 在着效率低f ，数据不一致等问题。因此，与其它的信息系统一样，采用成熟关系数据库存储空间数据成 了必然选择。 关系数据库的基本思想使用二维表表示实体及其联系。二二维寝中的每- - n 对应实体的一个属性，并给 出相应的属性俊，每一行形成一个由多釉属性组成的多元组，娥称霓组，与一个特定赏体相对应。实体间 靛联系蠢各二维淡潮熬联系采雳关系攘述蠛通过关系直接运舞建立。元组赉一个或多个弱淫寒标识，这一 个或一缝藩毪称为笑键字，一令关系表戆关键字稼为主关罐字，务关淫享孛懿属程称麓嚣璃往。关系模型 的三类完戆性约束：实体完整性、参照瓷整性和用户定义的竞接性能够很好的傈证关系数据的完整性。 2 1 、层的概念 g i s 孛，为了逻静魏管理窆阍数据，g | 入了层静概念。层燕京淘数据组织粒秘方式，楚其霄耜叛属 性兹空润蹲象豹集台，毙热j 莹经缓空淹数箨辩把繇畜憨离速公鼹露凳一瑟保存。屠是空闺数据组织的釜奉 单位。匿王 夜示了一个典型的空间数攒璐次结构： 幽2 i 由此，可抽魏出电子地翻可使用的一般蹦层组织方式，如图2 2 所示： 第1 0 页 奎童查堂堡主堂垡丝奎茎! ：窒塑墼塑童堡皇堡星垄塑塑堕堑 幽2 2 当然，在一副地图中往往存在着多个点层，多个线层和多个面层。 2 2 、关系数据库中表结构 由上节得知，一幅地图由若干个层组成，而每个层又由若干个空间对象组成。获取一个空间对象时， 需要知道这个空间对象位于那个地图中的那个图层。一般来说，一个地理信息系统是针对某种特定的应用 的，所有的图层都是为这一应用服务的。这样需要保存的信息包括图层和空间对象的。而空间对象的数 据又分为空问特征数据和属性特征数据，考虑到空间特征数据海量的特性，为了提高数据存取速度，把空 间特征数据和属性特征数据分两个表存放。两个表之间通过空间对象的i d 关联，从而保证空间特征数据 和属性特征数据的完整性。为了方便快速检索空间对象，空间对象的数据中还需要提供该空间对象所占的 矩形范围。该矩形范围是由x m a x 、x m i n 、y m a x 、y m i n 定义的。由于这个矩形范围对点对象来说是 没有意义的，为了减少数据库中数据的冗余，为空间对象的矩形范围数据新建一张表。由丁空间数据的海 量特性，一个图层中的空间对象往往上万甚至上亿，为了提高查询速度，将每一个图层的信息分开存放。 也就是说，对于每个图层来说需要三张表分别存放空间特征数据、属性特征数据和矩形范围，它们之间通 过空间对象的唯一标识关联。由上所述，可以得出，在关系数据库中存放一个地理信息系统的空间数据， 共需要建立四张表： 2 2 1 、图层信息索引表： 图层信息索引表用于保存图层的基本信息，比如所属地图，图层名称、空间对象类型( 点、线、面) 、 图层地理范围( x m i n 、x m a x 、y m i n 、y m a x ) 等等。 2 2 2 、图层空问特征数据表： i 到层空间特征数据表，存放空间对象的坐标信息年空间对象的唯一标识。这里，使用b l o b 类型定义 空间对象根据空间对象类型的不同，b l o b 字段存放的信息有所不同： 点：只存放点的x 与y 的坐标值； 线：依次存放顶点个数、各个点的x 与y 的坐标值： 面：依次存放顶点个数、环个数、每个环的起点位置、各个点的x 与y 的坐标值： 其中对于x 与y 的坐标值，整数部分l 0 用3 2 b i t s ，小数部分放大若干1 0 的倍数后按3 2 b i t s 整数存放。 2 2 3 、图层属性特征数据表 图层属性特征数据表，存放空间对象的属性特征数据，比如一个地区的年平均温度，人口密度等信息。 幽层属性特征数据表的荇个字段完全来白原空间数据格式文件的属性信息。在这里图层属性特征数据表的 信息米白y - d b f 文什的各个字段。 第1 i 页 查塑盔堂堕主兰竺堡兰 茎! ：窒塑墼塑童熊兰堡璺茎互堕竺至一 2 2 4 、图层空间对象范围表： 图层空间对象范围表，存放空间对象的空间范围，既每个空间对象的x m i n 、x m a x 、y m i n 、y m a x 坐标值，也就是保存的每个空间对象的b o x 字段的值。 图层空问特征数据表、图层属性特征数据表和图层空间对象范围袭的每个记录通过空间对象的唯一标 识关联起来，表示一个完整的空间对象。每个图层在图层信息索引表中都有一条记录；每个图层的空间特 征数据表、属性特征数据表和图层空间对象范围表的表名称都根据该层在圈层信息索引表中的图层名称字 段的值得出，比如图层信息索引表中的图层名称为j s _ s h i j i e 则该图层的空间特征数据表、属性特征数 据表雨i 图层空间对象范围表分别为：j s _ s h i j i e _ k j t z 、j s _ s h i j i e _ s x t z 、j s _ s h i j i e _ f w 。 lm a pn a m e l a y e rn a ms h pt y p ex m i nx m a xy m i ny m a x e ij i a n gs u j ss h i j i e p l o y g o n 2 0 4 4 0 8 52 0 9 6 8 7 03 3 2 5 9 23 9 9 8 7 7 j s i ds h a p e i 1o x 2 3 1 4 3 3 l l s i da t t r la t t r 2a t t r 3 i 1 卜 s 1 d x m i nx m a xv m i ny m a x l l l 然面，如此对于点类型的空间对象来说，数据冗余较犬。可以简化为如下： lm a pn a m el a y e rn a ms h pt y p ex m j nx m a xy m r ny m a x e t j i a n gs u j ss h i j i ep o i n t2 0 4 4 0 8 52 0 9 6 8 7 03 3 2 5 9 23 9 9 8 7 7 j ss h i j i e 空间特征数据j s _ s h i j i e _ k j t zt a b l e i s i dxy 1 i s i da t t r la t t r 2a 订r 3 _ l i 2 第1 2 页 东南人学硕1 ：学位论文关r 空问数据存储与信息发布的研究 第三章、空间信息查询 空间信息查询是按一定的要求对地理信息系统所描述的空间实体及其空间信息进行访问， 间实体中挑选出满足用户要求的空间实体及其相应的属性。 提到空间信息褒询，必然联系到空间数据模型、空间实体问的空间关系描述和空间索引。 经介绍了空间数据模型，本章节介绍空间关系、空间索引以及空间信息查询。 3 1 、空间关系 从众多的空 前面章节已 空间关系是指地理空间实体对象之间的空间相互作用关系。通常将空间关系分为三大类：拓扑空间关 系，用于描述空间实体之间的相邻、包含和相交等空间关系：顺序空间关系，描述空间实体之间在空间上 的排列次序，如实体之间的前后、左右和东西南北等方位关系；度量空间关系，描述空间实体之间的距 离等关系。 下面具体介绍一f 拓扑空间关系。 3 1 1 、拓扑空间关系 拓扑空间关系在地理信息系统和空间数据库的研究与应用中具有十分重要的意义。拓扑空间关系的形 式化描述是建立在点集拓扑理论基础之上的。这里我们详细介绍各种空间目标的拓扑空间关系： 线点空间关系的形式化表达： 面一点空间关系的形式化表达 分离 面线空间关系的形式化表达 分离 图3 1 包含 幽3 2 重台 相邻 第1 3 页 查堕查堂堕主堂笪堡塞 茎! 皇塑茎塑登熊量堡星垄变塑婴壅一 分离 相邻 面一面空间关系的形式化表达 寸。 3 2 、空间索弓 分离 p帮移 萤台相交包含 幽3 3 包含 图3 4 童台 相交 空间索引就是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系，按一定的顺序排列的一 种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对象的标识、外接矩形以及只想空间对象实体的指针。作 为一种辅助性的空间数据结构，空间索引介于空间操作算法和空间对象之间，它通过筛选作用，大量与特 定空间操作武官的空间对象被排除，从而提高空间操作的速度和效率。常见大空间索引一般是自顶向f 、 逐级划分空间的各种数据结构空间索引，比较典型的有四叉树、k d b 树、r 树、r + 树等。 3 3 、空间信息查询 地理信息系统数据库的空间信息查询包括三类问题： 基丁| 空间特征的查询： 根据空间位置，查询处于该位置上的空间对象的相_ 芙属性，比如该位置上的空间对象是什么? 该查询 i ：作可分为两步：首先借助丁i 空间索引，在空间数据库中快速检索出被选空间实体：然后，根据空间数据 和属性数据的连接即可得到该空间实体的属性列表。 基丁属性特征的帝询： 属性信息的亢i 旬主要在属性数据库中完成的，已发展成熟的关系数据库技术可以提供方便快捷的奄洵 第1 4 页 乐南犬学矮士学靛论文 关于空闯数据存储与信息发蠢静氍究 手蔽。 基于空蛹关系和属性特链的查询： 此豢资询如长江两岸的城市有哪些，涉及到空间顺序关系、空间距离关系、空间拓扑关系以及耧性倍 息，相对比较复杂。 3 3 1 、煎询某一空间范围内的空间对象 蠢海菜一空勰范围远的室黼对象楚空闯数据发京中涉及到最酱遍静查询方式，这一节蒋详细讨论鼬何 实现该j ! i 询方式。 为了提高商陶效率，并不需要于巴空间对象的每个点的嫩标与给定空间范围矩形进行比较。每个空间对 象都有一个外接矩形，这里采取了一种比较粗略的比较方法。即把空间对象的外界矩形与空间范围矩形进 行比较。这样t 问题就简化为矩形与矩形间的比较。 图囫 蟪匈蕊的， 按蘸诳 幽3 5 由空越关系一节，可鞋缮出铤形每矩形之闻拓挣空阍荧系舂魏下死辩： 口圈p 睁 努褒$ l 邻 鞠蹙 口 璧套 圈3 6 假定： 矩形a ：表示给定的空间范阉炬形： 矩形b ：空间对象的外接矩形： 则某一空间对象在给定的空闯范围矩形中可以定义为： 嚣 x # 姒x ) v ( y , m a x y 8 m a x ) a 与转穗翻j ： ( x a m a ：慧x a m r ) v ( x a m i n = x b m a x ) v ( y a m a x = y b m j n ) v ( y a m i n = y b m a x ) 那么， i ( ( x a m a x x b m j n ) v ( x m 州x b n n x ) v ( y a m a x y 8 m l n ) v ( y a m y b m a x ) ) 国 第1 5 妥 东南人学硕士学位论文关1 ：葺三间数据存储与信息发布的研究 正确的表示了关系，化简得： ( x a m a x x b m i n ) 八( x a m r n y b m ) 八( y a m l n x ) ( x a m i n y ) ( y a m i n y ) 其中，x 、y 为点的坐标。 此既是从图层空间对象范围表中查询给定空间范同矩形内的空间对象的条件。根据该条件，可以从图 层空间对象范围表中得到符合条件的空间对象的唯一标识根据该标识既可以从图层空闻特征数据表中获 得空间对象的空间特征数据，从图层属性特征数据表中获得空问对象的属性特征数据。 为了提高查询搜索速度，在图层空间对象范围表的x m i n 、x m a x 、y m i n 、y m a x 字段，图层空间 特征数据表和幽层属性特征数据表的标识字段( s i d ) 上建立索引。对于点类型的图层来说，也就是在空 间特征数据的x 、y 字段、图层属性特征数据表的标识字段( s i d ) 上建立索引。 第1 6 页 查壹堂堕堂笪堡壅 茎! 至囹塾塑堡熊量堡垦垄塑堕婴窭 第四章、w e b s e r v i c e 技术 传统g i s 系统都是基于文件共享的低级分布式结构，数据集中存放于服务器，存在着效率低r 、成本 高等缺点，尤其是应用于象省级甚至国家级这样的1 域网环境中。为了提高g i s 系统的性能，传统的做法 是复制空间数据文件到本地，而这样又很难保证数据的完整性和一致性。近年来随着诸如c o r b a 、 c o m d c o m 、r m i 等分布式技术的出现，人们提出了分布式g i