（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于arcobjects的gis数据转换研究.pdf

硕士生：郭敏( 签名) 挈数 指导教师：刘长星 ( 签名) 刻益圣 摘要 地理信息系统是采集、存储、管理、分析和显示地球空间信息的信息系统。随着技 术的发展，地理信息系统得到了广泛的应用。但因为处理的数据对象是空间对象，有很 强的时空特性，获取数据的手段也复杂多样，这就形成了多种格式的原始数据，再加上 应用系统很长一段时间处于以具体项目为中心的孤立发展状态中，很多软件都有自己的 数据格式，这使得的数据共享问题变得尤为突出。由于地理信息系统的图形数据格式各 异，给信息共享带来了极大的不便，解决多格式数据源集成一直是近年来应用系统开发 中需要解决的重要问题。 在信息化高速发展和高度发达的今天，传统单一的数字地图已经不能满足g i s 系 统管理和运用的要求，数字地图数据成果向g i s 数据转换已成为g i s 数据建库及应用 的发展趋势。生产数字地图一般途径为：( 1 ) 以原有的基础图件进行数字化：( 2 ) 利用 全站仪等设备进行全野外测量直接生产数字化图：( 3 ) 航空摄影测量成图等。这几种方 式所得的成果均为利于管理的制图数据( 大部份成果为a u t o c a d 的d w g 格式) ，此类数据 成果适用于制图，简单的分层管理及初级的g i s 数据。随着g i s 数据广泛应用于各行各业， 对g i s 数据的分层要求、代码要求更加细化，数据的严谨性进一步提高，行业的g i s 数 据也已得到了长足发展。 在这种情况下，这两种平台间的数据共享为人们所期待。为了促进地理空间数据的 共享、避免数据的重复采集，对不同平台下的地理空间数据的交换和共享的研究就很有 意义和必要了。 对此，本文主要针对a u t o c a d 与觚g i s 平台下的地理空间数据的交换和共享的理论 和实践进行了研究。通过建立d w g 和s h a p e f i l e 格式的转换模型以及相应的转换算法，基 于a r c o b j e c t s 用v b 语言编程实现其相互转换，从而实现两种格式数据的共享，提高数据 的利用率，所以本论文不仅具有一定的实用价值，对其它平台之间的数据交换和共享研 究还具有一定的理论意义。 关键词：数据转换；a r c o b j e c t s ；d 、v g 数据文件；s h a p e 数据文件 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：g l sd a t ac o n v e r s i o nr e s e a r c hb a s e do na r c o b j e c t s s p e c i a l 锣 ： c a r t o l o g ya n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e：g u om i n i n s t r u c t o r ：l i uc h a n g x i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t ur e ) 讹叭 g i s ( g e o g r a p h i c a li n f o 肌a t i o ns y s t e m ) i s 锄i n f o 胁a t i o ns y s t e m ，、v h i c hc o l l e c t s ，s t o r e s ， a i l a l y s e s ，p r o c e s s e s 锄dd i s p l a y st l l eg e o 黟印h i c a li n f o 肌a t i o n w i t ht h et e c l l l l o l o g i c a j d e v e l o p m e m ，g i sh a sb e e na p p l i c a t e dw i d e l y b u tb e c a u s et l l ed a t at a r g e t st l l a tg i sd e a l s 谢t hi ss p a c eo bj e c t s ， t 王l e r ea r ev e 巧s t l 0 n gs p a c et i m ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h em e a n st oo b t a i n d a _ c ai s c o m p l i c a t e da n dv a r i o u s ，i tf o 肌st h ei n i t i a ld a t ao fm a l l yl ( i n d so ff o m a t s i n a d d i t i o ng i sf o rav e 巧1 0 n gt i m ei nr e g a r d i n gc o n c r e t ep r o j e c ta st h ei s o l a t e ds t a t eo f d e v e l o p m e n to fc e n t e r al o to fg i ss o f h v a r eh a so n e so w nd a t af o 衄a t s 1 1 1 i sm a l 【e s i a t a s h 撕n go fg i sb e c o m eap a r t i c u l a r l yo u t s t a n d i n gq l 圮s t i o n b e c a u s et h e6 9 u r ed a ：t af o r i n a to f t l l eg e o 铲a p h i c a ii b 加a t i o ns y s t e mi sd i f r e r e n t ，i tb r i n g s 舒e a ti i l c o n v e n i e n c et oi o m l a t i o n g h a r i n g i ti st h ei i n p o m m tp r o b l e mn e e d i n gs o l v i n gi ng i s s 印p l i c a t i o ns y s t e md e v e l o p m e n t i nr e c e n ty e a r st os o l v ea l l d 缸e g r a t ei nt l l ed a t as o u r c eo ft h em u l t i f o h n a t a tt h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f 0 肌a t i o na u l da1 1 i g h l yd e v e l o p e dt o d a y ，t i l et 脚i t i o n a l f i g u r eo fas i n g l em 印c a ni l ol o n g e rm e e tt h eg i ss y s t e ma d m i l l i s t r a t i o n 砒l da p p l i c a t i o no f t 量l er e q u i r e m e n t s ，t h er e s u l t so fd i g i t a lm 印d a t at og i sd a 协c o n v e r s i o nd a t af o rt h eg i s d a 讪a s ea i l d 印p l i c a t i o n 骶n d s p r o d u c t i o no f d i g i t a lm 印sf o r t h e1 1 0 肌a lc h 锄e l s ：o n et 0 t l l eo r i g i n a lf o u n d a t i o nf o rt 1 1 ed i g i t a lm 印；2 ，u s i n gt o t a ls t a t i o ne q u i p m e m ，s u c ha sd i r e c t p r o d u c t i o no fm l l f i e l dd i g i t a lm e a s u r e m e n tm 印；3 ，2 u e r i a lp h o t o g r a p h ya 1 1 do t h e rm 印p i n g m e a s u r e m e m an u m b e ro fw a y st h a ta r ec o n d u c i v ct om er e s u l t so ft h em 印p i n gd a t a m a r l a g e m e n t ( m o s to fm er e s u l t so ft h ed 、v gf o 珊a tf o ra u t o c a d ) ，t i l er e s u i t so fs u c hd a t af o r m 印p i n g ，a n de a s ym a i l a g e m e n tb yt 1 1 ep r i m a 巧d a t ao ft h eg i s 、m t ht h eg i s 妣ai sw i d e l y u s e di n a 1 1w a l k so fl i f e ，廿l es 乜a t i f i c a t i o no ft h eg i sd a t ar e q u i r e m e n t s ，c o d er e q u i r e m e n t s m o r ed e t a i l e dd a t at o 向r t h e ri i l l p r o v et h er i g o r ，t h eg i sd a 臆i n d u s t 巧h a sb e e n d e v e l o p e db y 1 e 印sa n db o 咖d s h l 吼l c hc a s e ， p e o p i e e x p e c tt i l e d a t as h 撕n gb e 眦e nv a r i o u sg i ss y s t e mi s c o m p l i m e n t e d mo r d e rt op r o m o t eg e o - s p a t i a ld a t as h a r ea n da v o i dd u p l i c a t i o no fd a ：t a c o l l e c t i o n ，g e o s p a t i a l d a t ae x c h a n g ea i l ds h a r er e s e a r c ho fd i f f b r e n tg i ss y s t e m si s s i g l l i f i c 觚ta 1 1 dn e c e s s a r y t 1 1 i sp a p e rd o e sc h i e n yr e s e a r c ho nt h et l l e o 巧a n dp r a c t i c ea b o u tg e o s p a t i a ld a t a i n t e r c h a n g i n g a n ds h 嘶n go fa u t o c a da n d 甜c g i sp l a t f o 瑚s t h r o u g h e s 切b j i s h j n g c o n v e r s i o nm o d e l sa 1 1 dn l ec o r r e s p o n d e i n g c o l e r s i o na l g o r i t h l n sb e t w e e na u t o c a d f o m a ta n da r c g i ss h 叩e f i l ef o n n a t ，t h e i rm u t u a lc o n v e r s i o na n d t w of b m a t sd a _ t as h a r i n gi s c o m p l i m e n t e d s ot h j sp a p e rw i un o to m yh a v eap r a c t i c a lv a l u e ，b u ta l s ok w es o m et od a t a e x c h a n g ea n ds h a r eb e t 、 ，e e no t h e rg i s t l l e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ep l a t f o 肌s k e y w o r d ：d a _ t ac o n v e r s i o n a r c o b j e c t sd 、v gc i a t af o r m a tf i l es h a p ed a t af o r m a tf i l e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要彳争技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文巾加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构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 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：喜p 数日期：册7 芏。 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 指导刻币龇别长毒 2 1 年7 月口日 l 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 地理信息系统( g e o 铲a p t l i ch l f o n n a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是一种特定而又十分重要 的空间信息系统，它是采集、存储、管理和描述整个或部分地球表面与空间、地理分布 有关的数据的一个空间信息系统。它可根据事物的地理坐标对其进行管理、检索、评价、 分析、结果输出等处理，提供决策支持、动态模拟、统计分析预测等服务，其应用覆盖 工业、农业、交通运输、环保、国防、公安等诸多领域。特别是g i s 与m i s 相结合， 其应用将更加广泛。g i s 给信息系统带来的不仅仅是地图显示，而且将各种数据进行直 观的、可视化的分析和查询，发掘隐藏在数据之中的各种潜在的联系，为用户提供了一 种崭新的决策支持。地理信息系统自5 0 年代问世以来，共经历了6 0 年代摇篮时期，7 0 年代发展时期，8 0 年代趋于成熟时期，进入9 0 年代以来，得到了全面的发展，并成为 信息产业的重要组成部分。 在g i s 应用系统中，数据是组成系统的四要素之一( 四要素：计算机硬件、软件、数 据、用户) ，g i s 应用本身体现为对地理数据的处理，往往要投入大量的人力、物力进行 数据建设。据统计，国外g i s 工程建设中，硬件、软件、应用开发( 包括数据采集录入) 的投资比例为l ：2 ：1 0 。国内硬件+ 软件与应用开发的投资比例为l ：2 2 5 。数据是g i s 系统的“血液 ，而且g i s 应用系统与一般的应用系统不同，大量的基础数据在建立系 统时就需要录入，系统运行中新的数据将在这些数据的基础上生成。所以构建一个g i s 应用系统，首先遇到的是数据问题，它是g i s 的应用入口。海量空间数据采集和g i s 数 据库更新是g i s 建设和维护的一个瓶颈问题。 空间数据的主要数据源是地图数据，通常要采用地图数字化录入。地图数字化主要 有两种方式，即手扶跟踪数字化和扫描数字化。手扶跟踪数字化是目前最有效的输入方 法。与手扶跟踪数字化相比，扫描数字化具有速度快、自动化、精度高、一致性好、拓 扑错误少等优点，正逐步取代手扶跟踪技术而成为最主要的地图数字化方式。 在六十年代，数字地图在我国开始得到广泛的应用，并且生产出大量的数字地图。 然而自七十年代以来，g i s 迅速进入数字地图领域，g i s 的综合地理数据管理及空间分 析功能使它在数字产品的管理与应用方面明显优于数字地图。人们开始转向应用g i s 来 管理现实世界，如何把其它平台下的数据转换为a r c g i s 中可运行的数据是g i s 用户面 临的迫切问题。 西安科技大学硕士学位论文 1 2 课题研究的目的和意义 目前，在我国大部分省市都采集了不同比例尺的数字地形图，而这些数字地形图的 存储管理主要还是以文件的形式进行管理，即主要以c a d 格式的文件存储在磁盘上， 而数字地形图数据模型与g i s 数据模型存在差异性，目前的g i s 软件还无法直接对单独 的c a d 文件进行各种操作，如空间查询、分析等。这种方式的管理将大大降低空间数 据的利用效率，同时阻碍了空间数据的共享进展。 数字地形图数据模型的本质是地图符号模型，因此数字地形图数据模型与g i s 数据 模型最根本的区别在于它们如何对地理数据进行表达。当前，迫切要解决的问题就是如 何将c a d 格式空间数据导入g i s 空间数据库中，给数据以智能，实现空间数据的无缝 共享，使现有空间数据得到充分的利用，同时体现出现有空间数据的经济效益。 随着信息时代的到来，地理信息系统这一集空间数据的管理、存储、查询和空间分 析于一身的信息工具，越来越受到社会各行业、各方面的关注。数据是地理信息系统( g i s ) 分析和处理的对象，也是构成地理信息系统的应用基础。数据质量和数据共享是地理信息 系统发展和应用的瓶颈问题。1 9 9 8 年美国副总统戈尔提出数字地球的概念，更是将地理 信息技术推到了最前沿。 我们将已有的a u t o c a d 数字地形图作为g i s 数据库建立数字化形式的基础数据源， 充分利用现有的数字地形图，可以更高效地建立城市基础地理信息数据库。但是，虽然 a u t o c a d 在图形处理上功能较强，但它在对空间数据信息的描述和分析上还需完善，而地 理信息系统( g i s ) 在空间信息方面发挥着巨大的作用，能对已存在的空间数据进行建模、 分析和管理。在这种情况下，各种平台之间的数据共享为人们所期待。为了促进地理空 间数据的共享、避免数据的重复采集，对不同平台下的地理空间数据的交换和共享的研 究就很有意义和必要了。 1 3 数据转换及其研究现状 不同的系统对各种时空现象的理解、描述方式、概念模型、数据结构、实现手段等 也互不相同，各有优势和局限。实现新的应用功能时，首先考虑能否利用已有的数据， 这就涉及到数据的转换问题。一些商用软件厂商根据自己对的理解，为特定的用户群和 应用目的设计了各自的数据结构和数据模型，不同厂商的软件自成体系，造成局部有序 和世界整体的无序。需要运用多个软件时也要涉及数据交换。 1 3 1 数据交换的内容 地理空间数据转换的内容主要包括三个方面的信息：其一是空间定位信息( 实体的坐 标) ；其二是空间关系( 如一条弧段的起始结点、终结点、左多边形、右多边形等) ；其三 2 1 绪论 是属性数据。由于每个系统的数据结构和数据模型不完全相同，在空间数据转换过程中 往往丢失，甚至得不到有关信息。一般情况下，空间目标的定位信息能够完整地进行转 换。但是有些基于c a d 的系统，如a u t o c a d 和m i c r o s t a t i o n ，它们可能包含数学曲线， 如三点圆、圆弧等，而g i s 中又没有这些图形元素，所以在转换时，一般将它们内插成 折线，这样难免会损失精度。转换过程中最容易丢失的信息是拓扑关系的信息。数据模 型基本一致，如果拓扑关系的信息在转换过程中丢失，可以在数据转换后的系统中重构 拓扑关系，但是数据结构不一样时，如m 印i n f 0 。等软件没有拓扑关系，空间数据的转 入和转出就不可能带有拓扑关系。对于属性数据，大部分g i s 系统都能够进行转换，但 用户经常用到的a u t o c a d 的外部交换文件d x f 早期版本不含有属性数据，此时要得到 属性数据要通过其它途径。 1 3 2 地理空间数据交换和共享的国内外研究现状 目前地理信息系统数据交换和共享技术还处于发展阶段，还没有一种被广泛使用的 成熟方法，实现多源数据集成的方式大致有三种，即：数据格式转换模式、数据互操作模 式、直接数据访问模式。得到公认的几种重要的空间数据格式有：e s 砒公司的时c i n f o c o v e r a g e ，a r c e ws h a p e f i l e s ，e o o 格式；a u t o d e s k 的d 格式和d w g 格式，m a p i i l f o 的m i f 格式，i n t e 瑁r a p h 的d g i l 格式等等。还有另一种解决方案就是指定统一的空间数 据规范，如果所有的数据生产者能够遵循这个规范，自然能够轻松做到数据共享。美国 国家空间数据协会( n s d i ) 制定了统一的空间数据格式规范s d t s ( s p a t i a l d a t a t r a n s f o m l a t i o ns t a n d a r d ) ，包括几何坐标、投影、拓扑关系、属性数据、数据字典， 也包括栅格格式和矢量格式等不同的空间数据格式的转换标准。许多软件利用s d t s 提 供了标准的空间数据交换格式。目前，e s 在a r c i n f o 中提供了s d t s e m p o r t 以 及s d t s e x p o r t 模块，i i l t e 聊h 公司在m g e 产品系列中也支持s d t s 矢量格式。s d t s 在一定程度上解决了不同数据格式之间缺乏统一的空间对象描述基础的问题。但s d t s 目前还很不完善，还不能完全概括空间对象的不同描述方法，并且还不能统一为各个层 次以及从不同应用领域为空间数据转换提供统一的标准：并且s d t s 没有为数据的集中 和分布式处理提供解决方案，所有的数据仍需要经过格式转换复制到系统中，不能自动 同步更新。在国内，也有数家公司和科研单位对数据共享展开了研究，并撰写了一些很 有价值的论文，北京大学的遥感与地理信息系统研究所提出的“以x m l 为框架的数据 融合和数据表现”，也是一种针对数据共享问题的一种很好的解决方案【l 。 在我国国家空间数据基础设施建设中，地理信息标准化工作的任务包括标准的制 定、发布和实施，同时对标准的执行进行监督。在标准未制定或未推广之前，格式转换 模式是g i s 入库的唯一有效的、方便的、被广泛采用的方法。对于数字地形图导入g i s 空间数据库的研究目前存在以下四种途径： 3 西安科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 利用a u t o c a d 进行二次开发 在这种模式下，用户不需具体了解c a d 数据的存储格式，但需要知道g i s 的具体 数据存储格式，所以输出数据多为公开的g i s 交换格式，使用这种模式多为制图生产者 为机助制图系统开发g i s 数据接口。 ( 2 ) 在g i s 环境下进行二次开发 这种模式与在数字测图软件环境下进行二次开发相反，用户需要熟悉的是c a d 数 据的存储格式，所以输入的数据多为d x f 等c a d 交换格式。 ( 3 ) 独立开发 脱离数字测图软件环境和g i s 环境，直接编程来实现数据转换。这种方式需要同时 熟悉数字地形图的格式和g i s 软件数据格式，对于一般的程序员来说实现起来有一定的 难度。 ( 4 ) 基于模型驱动的转换方式 这种方式是利用觚g i s 提供的工具进行建模，利用模型实现数据入库，这种方式 编程工作量少，模型可以重复利用，但是模型的灵活性差，不易修改。 1 4 研究的主要内容 本文对d 、g 和s h a p e 的相互转换进行分析和研究，主要内容如下： ( 1 ) 研究的目的及意义，以及目前国内外数据转换和共享的研究现状； ( 2 ) 介绍了地理空间数据转换的原理和方法，对目前几种地理空间数据转换的方 法进行了比较，并对它们的优缺点进行了分析，本文所用数据转换的方法选择； ( 3 ) 分析和研究了和格式的内容及差异性； ( 4 ) 建立d w g 和s h 印e 格式的相互转换模型，对两种格式之间的图形元素之间的 相互转换建立相应的转换算法，并对其相互转换的实现过程进行了详细的阐述，最后利 用v b + 觚o b i e c t s 工具编程实现了两种格式的相互转换； ( 5 ) 总结和展望，对本文所做的工作进行总结，以及以后进一步的研究工作。 4 2 空间数据转换原理和c a d 向g t s 数据转换方法研究 2 空间数据转换原理和c a d 向g i s 数据转换方法研究 2 1 数据转换原理 在g i s 发展的历程中，形成了许多可以浏览、编辑、分析空间数据的软件，他们在 不同的环境中独立发展，有自己的文化背景、领域背景和技术背景，形成了自己的数据 模型和功能组织结构。虽然在功能和问题描述能力方面大同小异，但实际操作上差别很 大，加上内部空间数据组织相互保密，形成了不同的壁垒，给信息共享带来了极大不便。 解决软件系统之间的数据共享问题，即多源格式数据共享问题，一直是近几年来g i s 应 用系统开发中需要解决的重要问题【1 3 1 。 地理空间数据不同于一般的事务管理的数据，一般的事务管理数据或者说属性数据 仅有集中固定的属性模型，且一般关系数据库管理系统直接提供读写数据的函数，数据 转换问题比较简单。但是，地理空间数据之所以与之不同，是由于对空间现象的理解不 同，对空间对象的定义、表达、存储方法亦不相同，因而空间数据共享异常复杂。 为了对数据转换有比较深入的理解，我们首先讨论g i s 的空间对象。 2 1 1 空间对象及其定义 与地理空间位置或特征相关联的对象称为空间对象。这里所定义的空间对象是各种 空间地物的抽象表达，如：点、线、面、复杂地物。为了便于空间数据的组织和表达，除 此之外，空间对象还包括结点、弧段等几何元素【1 4 】。 空间对象有如下几种类型： ( 1 ) 纯几何类型 例如一个独立点，一条等高线，只有几何位置，没有对象之间的关联关系。 几何拓扑类型 既有几何位置，又有拓扑关系，如结点、公共弧段。 纯拓扑类型 仅有拓扑关联关系，通常用于定义空间分析操作。 空间地物 有属性特征，或者说有确定的地物意义，有对应的地物编码和属性描述记 录，如油井、房子、公园等。 非地物类型 没有确定的地物意义，只是为了便于空间数据的表达和组织方便设置的中间对象， 如有一个纯粹的结点或多边形的公共弧段。 5 西安科技大学硕士学位论文 前三种有几何概念区分，后两种以属性概念区分。它们之间有概念的交叉，以上划 分主要是为了下面的叙述方便。 零维对象 a 独立点状物 它是一个纯几何类型，也是一个空间地物，有对应的属性编码表。 b 点簇 它是类型相同，属性相同的离散点，如独立高程点。 c 纯结点 它是一种几何拓扑类型，不是一种空间类型。这种结点只是用来表达与弧段的关联 关系和几何位置。 d 结点地物 它既是几何拓扑类型，又是空间地物。如电力线之间的结点往往是一个电站。 e 注记参考点 它是用作注记位置的参考，可以将它放入注记的数据结构中。 f 多边形标识点 它是多边形的一个辅助信息，可以放在多边形的数据结构中。 以上a ，b ，c ，d 四类空间对象有许多相似性，又有交叉的概念联系，所以设计数据 结构时，把它们作为一类对象处理，称为结点一点状类型，并用特征描述码将它们分为 不同的对象。 一维对象 a 拓扑弧段 它是几何拓扑类型。弧段没有分支，有起结点和终结点。它可能是线状地物的一部 分，也可能仅是面状地物的边界，并且甚至可以既是面状地物的边界，同时又是一个或 多个线状地物的一部分或全部。弧段本身一般没有地物意义，但是一条弧段本身就是一 个线状地物，那么它可以直接赋以地物的编码，连接到属性表。 从形式上说，拓扑弧段可以有多种类型，有不光滑的点串，有多项式拟合的光滑曲 线，也可能是圆弧、椭圆、b 样条曲线等。 b 无拓扑弧段 它是一种纯几何地物，有些系统称为面条地物，例如等高线，一般不需要考虑它的 起结点、终结点、左多边形和右多边形。它比前面所说的拓扑弧段要简单的多。但就形 状上说，无拓扑弧段也有光滑和不光滑之分。 c 线状地物 一个线状地物可以由一条或若干条弧段组成。线状地物必须有属性编码，并连接到 属性表。 6 2 空间数据转换原理和c a d 向g i s 数据转换方法研究 二维对象( 面状地物) 它由周边弧段组成，有属性编码和属性表。它可以嵌套岛屿，也可以由多个多边形 组成。 复杂地物 a 无边界复杂地物 由若干地物组成的对象成为复杂地物。如果复杂地物中没有明显的封闭边界将分子 地物对象包含起来，称为无边界的复杂地物。复杂地物可以包含多个同类或不同类的简 单地物( 点、线、面) ，也可以在嵌套复杂地物。复杂地物有自己的编码和属性，它们不 同于所包含的分子地物。 b 有边界的复杂地物 复杂地物的分子目标由边界确定，其边界由弧段组成。例如，土地管理信息系统中 的宗地，可以作为一个复杂地物。它本身作为一个整体带有属性描述信息，但里面包含 的简单地物，如某一建筑物又有自身的属性描述信息。 两种复杂地物可以共享一个整体数据结构，当指向边界弧段的指针为空时，表示无 边的复杂地物。 2 1 2 空间数据模型 美国国家标准所下的系统规划与要求委员的数据库管理系统工作组 ( a n s i x 3 a p a r c ) 发展了传统的信息系统设计框架，现实世界的数据模型可以别分为三 个层次：外部模型、概念模型及内部模型【1 5 】。在进一步的描述中，逻辑模型又被引入。 因此，从现实世界到内部模型的过程中可以依次地由以下模型描述： a 现实世界： b 外部模型： c 概念模型： d 逻辑模型； e 内部模型。 在这个框架的基础上，各种不同的g i s 发展起了自己的概念、逻辑和内部模型。 ( 1 ) 现实世界 从理论上讲，现实世界是一个无限的自然现象。由于受感兴趣的范围、描述方法方 面的限制等。我们只能描述无限现实世界中的有限部分。因此在实际建模中，现实世界 只是被视为有限的和可描述的现象。 ( 2 ) 外部模型 在数据库设计之初，每一单独的用户只定义现实世界中它所感兴趣的那一个子集， 即与其本身需要有关的部分，称为外部模型。由于通常有多种应用目标，因此相应地有 7 西安科技大学硕士学位论文 多种外部模型。 ( 3 ) 概念模型 概念模型是关于实体及实体间联系的抽象概念集，它考虑用户需求的共性，用统一 的语言描述和综合、集成各个外部模型。尽管概念模型是对现实世界的一个抽象，但其 所含的内容却十分具体，这包括自然现象的表态及其相互关系。由该阶段产生的组织方 式只与数据中的信息内容有关，而与物理存储无关，因此同一概念模型可以分别用多种 不同逻辑模型来表达。另一方面，对于同一组外部模型，由于概念模型建立时的侧重点 有所不同，因而可以产生不同的概念模型。 ( 4 ) 逻辑模型 一个逻辑模型是对概念模型的转换，根据概念模型确定的空间数据信息内容( 空间 实体及相互关系) ，具体地表达数据实体( 或记录) 及其间的关系，因而可以有若干不同的 实现方法。这个阶段的输入形式通常是描述数据特性的数据字典。传统的数据库逻辑模 型有三个：关系、层次、网络。面向目标的逻辑数据最近亦被g i s 界引入。 ( 5 ) 物理模型 物理模型是描述数据在计算机中的物理组织、存取路径和数据库结构。这主要与存 设备的特性、文件结构、查询方式、物理地址有关。对于商用数据库管理系统及g i s 这 个层次通常对用户是不透明的。但对数据交换而言，这个模型则极为重要，因为它涉及 到具体的数据结构，是空间数据交换格式的基础。 对同一现实世界，不同g i s 在建立的各个层次所产生的差异，由于对外部模型有理 解上和侧重点的不同，对空间对象的定义、表达、存储方式亦不相同，因而产生不同的 概念模型：概念模型a 和概念模型b 。对同一概念模型，又可以有不同的物理实现方法， 因而产生了逻辑模型a l ，a 2 ，a m 。在g i s a ( x ) 和g i s b ( ) ( ) 进行数据交换时，若两 个系统之间的差异来自愈深层次的模型( 如概念模型层次) ，其数据交换就愈难实现，甚 至在某些方面是不可能的。若差异来自的层次愈高( 如在物理模型的层次) ，其数据交换 就愈易实现。这就是理论上讲为什么有时不同g i s 系统间的数据交换会比较容易，而有 些会比较难以实现，甚至有些方面是不可能的原因。 2 2 地理空间数据转换和共享的方法 总的来说，目前实现地理空间数据转换和共享的模式大致有四种，即传统格式转换、 数据互操作、直接数据访问和空间数据共享平斜2 9 1 。 2 2 1 传统格式转换 传统格式转换就是把其他格式的数据经过专门的数据转换程序进行转换，变成本系 统的数据格式，这是当前g i s 软件系统共享数据的主要方法。许多g i s 软件为了实现与 r 2 空间数据转换原理和c a d 向g i s 数据转换方法研究 其它软件交换数据，制定了明确的交换格式，如觚i 晌的e 0 0 ，觚e w 的s h a p e ，m 印i n f o 的m i f 等格式。这些交换格式一般都是a s c i i 码文件，通过这些交换格式实现不同软 件之间的数据转换【l6 1 。 空间数据格式转换的内容主要包括三个方面的信息：其一是空间定位信息( 实体的坐 标) ；其二是空间关系( 如弧段的起始点、终结点、左多边形、由多边形等) ；其三是属性数 据。由于每个g i s 系统的数据结构和数据模型不完全相同，在空间数据转换过程中往往 丢失，甚至得不到有关的信息。转换过程中最容易丢失的信息是拓扑关系的信息和属性 信息。各个系统之间的数据一般需要通过2 3 次转换。如图2 1 所示，从系统a 的内部 数据转换到系统b ，先从a 的内部数据转换到a 的交换文件，如果b 系统能够直接读 a 系统的交换文件，则转换2 次即可；文件到b 的外部交换文件，再从b 的外部交换文 件到3 次转换。 图2 1 两个系统之间的空间数据转换 由于g i s 系统很多，每一个系统都不可能提供直接读写所有商用g i s 软件的外部数 据文件的程序。为了方便地进行空间数据交换，也为了尽量减少空间数据交换损失的信 息，使之更加科学化和标准化，许多国家和国际组织制定了空间数据交换标准，如美国 的空间数据交换标准( s d t s ) ，欧洲d g i w g 的数字图形信息交换标准( d i g e s t ) ，加拿大 的空间档案和交换格式( s a i f ) 等，我国也制定了相应的空间数据交换格式标准 ( g b t 1 7 7 9 8 - 1 9 9 9 中华人民共和国国家地球空间数据交换格式，c n s d t f ) 。有了空 间数据交换标准格式以后，每个系统都提供读写这一标准空间数据格式的程序，可以避 免大量编程工作，而且数据转换仅需要两次即可，如图2 2 所示。 系统a 内部文标准空闻数据交换文件系统b 内 件部文件 图2 2 通过标准格式进行两个系统的空间数据交换 9 西安科技大学硕士学位论文 2 2 2 数据互操作 数据互操作是o p e n g i sc o n s o n i u m ( o g c ) 制定的规范。g i s 互操作是指在异构数据 库和分布计算的情况下，g i s 用户在相互理解的基础上，能透明地获取所需的信息。o g c 为数据互操作制定了统一的规范，从而使得一个系统同时支持不同的空间数据格式成为 可能，o g c 规范基于o m g 的c o i m a ，m i c r o s o r 的o l e c o m ，d c o m 以及s q l 等， 为实现不同平台问服务器和客户端之间数据请求和服务提供了统一的协议。o g c 主席 d a v i ds c h e l l 认为：“工业上的成长与成熟主要在于实现基于公共接口的互操作 ，互操作 区别于数据转换在于它的跨平台与跨系统的能力，允许数据格式存在差异并能对数据实 施操作，使数据共享从物理标准转向逻辑标准。 数据互操作为多源数据集成提供了崭新的思路和规范，它将g i s 带入了开放的时 代，为空间数据集中式管理、分布式存储与共享提供了操作的依据。但是，g i s 互操作 在应用中还存在一定的局限性：首先，为真正实现不同格式数据之间的互操作，需要每种 格式的宿主软件都按照统一的规范实现数据访问接口，这在一定时期内还不能实现；其 次，一个软件访问其他软件的数据格式时是通过数据服务器实现的，也就是说，这个数 据服务器实际上就是被访问数据格式的宿主软件，也就是说，用户必须同时拥有这两个 g i s 软件，并且同时运行，才能完成数据的互操作过程，显然，这将不可避免地增加用 户的负担。 2 2 3 直接数据访问 直接数据访问模式指把个g i s 系统的内部数据文件直接转换成另一种g i s 系统 的内部数据文件，用户可以使用单个g i s 软件存取多种数据格式。直接数据访问不仅避 免了冗繁的数据转换，而且在一个g i s 软件中访问某种软件的数据格式不要求用户拥有 该数据格式的宿主软件，更不需要该软件运行。从上述角度来看，直接数据访问提供了 种更为经济实用的多源数据共享模式。 由于针对每一种要直接访问的数据格式，客户软件都要编写被访问的宿主软件数据 格式的读写驱动，即数据引擎，所以直接数据访问必须建立在对宿主软件数据格式的充 分了解之上。如果宿主软件数据格式不公开，或者宿主软件数据格式发生变化，为了获 得对该数据格式的直接访问，客户软件就不得不投入大量的人力和财力去研究该宿主软 件数据格式。这样，客户软件在开发过程中的难度无疑将会大大增加，并且限制了软件 的可扩展性，使得客户软件可直接访问的数据格式种类有限。更为重要的是，当每个 g i s 软件都实现了对其它流行g i s 软件格式数据的直接访问时，每一个g i s 软件都要在 1 0 2 空间数据转换原理和c a d 向g i s 数据转换方法研究 其内部实现读取相应数据的驱动程序。这样，除了单个g i s 软件需考虑上述问题之外， 从整个g i s 行业来看，这样的数据集成模式必然要大大浪费大量的人力无力财力，无疑 也是不可取的。 2 2 4 空间数据共享平台 这是一种最好的空间数据共享模式，采用客户机服务器( 即c l i e n t s e r v e r ) 体系结构， 一个部门所有空间数据及各个应用软件模块都共享一个平台。所有的数据都存在s e r v e r 上，各个应用软件都有一个客户( c l i e n t ) 端的程序，通过这一平台向服务器( s e r v e r ) 中存 取数据。尽管这种结构能够及时更新数据，而且避免了数据的不一致问题，但目前这种 模式从技术上讲实现起来比较困难。现在市场上有许多g i s 软件，谁也不愿丢掉自己的 底层，而采用一种公共的平台。只有发展到某一个软件的底层服务器( s e e r ) 绝对优于 其它系统，而这一服务器( s e r v e r ) 又管理着大量的基础地理信息数据时才有可能作为共享 平台【3 0 1 。 综合以上分析来看，虽然后三种数据交换模式给人们提供了较为理想的数据共享模 式，但是对国内大多数普通用户而言，外部数据交换模式在具体的工程应用中更具有可 操作性和现实性，与现实的技术、资金条件更相符。 2 3c a d 向g i s 数据转换的方法讨论及优缺点比较 2 3 1c a d 中常用的数据格式简介 常见的c a d 文件有a u t o c a d 的线画文件( d w g ) ，m i c r o s t a t i o n 的设计文件( d g l l ) 。 a u t o d e s k 的线画交换格式( d x f ) 。c a d 文件除可存储静态的图形数据外，也可以通过编 码对应属性的方式来存储属性数据。 d x f 是d r a 丽n ge x c h a j l g ef o 珊a t 的缩写，作为图形文件的交换标准，d 7 文件是一 种a s c i i 方式储存图形的文本文件，也可以存为一个二进制文件方式，在表现图形的大 小方面十分精确，包含了a u t o c a d 图形文件的所有信息【3 l 】。 2 3 2g i s 中常用的数据格式简介 目前比较常用的g i s 软件有a r c g i s 、m 印i n f 0 、m a p g i s 、g e o w 毋、g e o s t a r 、s u p e r m 印、 c i t y s t a r 等等，下面只简单介绍几种常用的数据格式。 ( 1 ) m a p i n f 0 m 印i n f o 采用层次结构对空间数据进行组织，每个图层由5 个文件组成：( 1 ) 属性数据 的表结构文件( t a b ) ；( 2 ) 属性数据文件( - d a t ) ；( 3 ) 交叉索引文件( i d ) ；( 4 ) 空间数据文件 ( m a p ) ；( 5 ) 索引文件( i n d ) 。 西安科技大学硕士学位论文 ( 2 ) a r c g i s a r c g i s 的数据存储格式有c o v e r a g e ，s h a p e f i l e ，g e od a ：t a b a s e 和e o o 。其中e o o 是 一种数据交换格式，用于不同平台之间的数据转换。 c o v e r a g e s 是一种矢量文件格式，几何和空间拓扑关系存储