（地图学与地理信息系统专业论文）基于arcgis的模型库系统研究与实现.pdf

基于a r c g i s 的模型库系统研究与实现摘要 摘要 莲蓑g i s 囊空凌决繁支持系统( s d s s ) 方自发栽，g i s 不莰鼙戳必楚户提供 各种所需的空间信息，即数据级支掩而且还可以提供实质髅的决策方案，使 g i s 真正成为辅助用户管理、决策的空间信息系统平台，进而搬动g i s 的深层次 应媚。 露蓊常蹋的模型瘁系统中，模黧靛粒度往往皖较大，一般趱可执行文件，模 型的运行效率较低，模烈的共享性和灵活性都很激；而一些基于静态函数库的系 统往往可扩充性较差，难以在应用系统开发完毕艏增加新的模烈：此外，嫂针 霹翼俸应弱镶域开发豹援黧疼系统，警嚣对其它纛鹚领域豹鞫熬瓣，彗矮露系统 进行较大的修改甚至需臻重新开发，衙从头开始建立一个模型库系统无疑愚一个 复杂的、很费时间的工作，造成人力、物力的巨大浪费。 论文对阂内努研究现状及摸型艨系统豹基本璎论进雩亍了深入磷究，摄据g i s 模型静特意，探讨其表示与分类，采爝关系数据库与文件库联会的方式实现模型 的组织与襻储：同时从提高模型的复用性和系统的动态可扩充憔的角度出发，将 组件式软 牛开发引入模溅的设计与实现中，建立綦于a r c g i s 的模型库系统，开 发攘鍪管壤工其，实醺壤登瓣毒效昝遴，撬裹g i s 静辘赘决策麓力。 论文戴分六章，第一章是前言，讲述选题背景，国内外模黧库的研究与威用 现状，简骤说明本文研究的主要内容。第二章是模型库系统的理论概述，详_ 硼介 绍攮型豹分类及表示方法，模型瘁豹组织与存镶( 龟摇模型字典库帮模型文终 库) ，戬及模型库管理系统的主要功熊。第三章是纂予a r c g i s 的模型开发与建艨， 介绍组件投术，讲述熬于组件的模烈开发过程以及模型字典和文件库的设计方 案。第四章是基于a r c g i s 的模型管联王具开发，详细阐述模型管理工具核心功 能豹设诗与鼯分实瑗戴璐。第五章爨模型痒系统纛羯，谤逑在a r c g i s 繇凌下， 模型管理工具的调用和具体功能的应用。第六章怒结语，对研究工作做了一个总 结，提出了论文创新和不足之处，以及进一步需黢开展的工作。 本文豹刽巍之处是蘩予组终式较 譬开发愚想，程a r c g i s 乎螽上聂发了g i s 模型库系统软件，利用该软件能对g i s 模型进行霄效管理，方便决策者利丽融有 模型建模，提高模型的利用率，并提供组合模型及参数保存功熊，能对按组件规 范开发的不同模型进行鳃合，从丽大大提高模型的复角性和系统的可扩充经。 关键字：模型库系统模型库管理系统g i s 组件a r c g i s 基于a r c g i s 的模型库系统研究与实现摘要 a b s t r a c t a sg i sd e v e l o p st o w a r ds d s s ，g i so f f e rv a r i o r sk i n d so fn e c e s s a r ys p a t i a l i n f o r m a t i o nt ou s e r , n a m e l yt h ed a t ag r a d es u p p o r t ，a n dc a na l s oo f f e rt h es u b s t a n t i v e d e c i s i o ns c h e m e ，w h i c hm a k e sg i sr e a l l yb e c o m eap l a t f o r mo fs p a t i a li n f o r m a t i o n s y s t e mw h i c ha u x i l i a r yu s e r s m a n a g e m e n ta n dd e c i s i o n 。a n dt h e np r o m o t et l l e p r o f o u n da p p l i c a t i o no fg i s a m o n gt h ec o m m o n l yu s e dm o d e lb a s es y s t e m ( m b s ) a tp r e s e n t ，t h eg r a i ns i z e o fm o d e li so f t e nl a r g e r , i ti sg e n e r a l l ye x e c u t a b l ef i l e ，t h eo p e r a t i o n a le f f i c i e n c yo f m o d e li sr e l a t i v e l yl o w , a n dt h es h a r i n ga n df l e x i b i l i t yo fm o d e la r ea l lv e r yb a d ；t h e e x p a n d a b i l i t yi sr e l a t i v e l yb a di ns o m es y s t e m sb a s e do ns t a t i cf u n c t i o nl i b r a r y ；i ti s d i f f i c u l tt oi n c r e a s et h en e wm o d e la f t e ra p 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 na d d i t i o n ， s o m em b s sd e v e l o p e dt oc o n c r e t ea p p l i c a t i o 轧w h e nt ot h e q u e s t i o n so fo t h e r a p p l i c a t i o n sf a c et of a c e ，m u s tm a k eg r e a t e rm o d i f i c a t i o nt ot h es y s t e ma n de v e nn e e d d e v e l o p i n ga g a i n ，b u ti ti su n d o u b t e d l yac o m p l i c a t e do n et os e tu pam b sf r o m s c r a t c h ，w o r ko ft a k i n gt i m ev e r ym u c h ，i ti sw a s t e dt h a tt h eo n e st h a tc a u s e m a n p o w e r , m a t e r i a lr e s o u r c e sa r ee n o r m o u s t h et h e s i sh a sf u r t h e ri n v e s t i g a t e dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c ha n db a s i ct h e o r i e so f t h em b s ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f g i sm o d e l ，p r o b ei n t oi t s e x p r e s s i n ga n dc l a s s i f i c a t i o n ，r e a l i z eo r g a n i z a t i o na n d m e m o r yo ft h em o d e lb yt h ew a yo ft h er e l a t i o nd a t a b a s et om f i t ew i t ht h ef i l eb a s e ； a tt h es a m et i m es e t t i n go u tf r o mt h ea n g l eo fr a i s i n gr e p l y i n go ft h em o d e la n dt h e d y n a m i ce x p a n d a b i l ! t yo ft h es y s t e m ，i n t r o d u c ec o m i n t ot h ed e s i g na n dr e a l i z i n go f t h em o d e l ，s e tu pt h em b sb a s e do na r c g i s ，d e v e l o pm o d e lm a n a g et o o la tt h es a m e t i m e ，r e a l i z et h em a n a g i n ge f f e c t i v e l yo ft h em o d e l ，i m p r o v et h ea i dd e c i s i o na b i l i t y o f g i s t h et h e s i sd i v i d e si n t os i xc h a p t e r sa l t o g e t h e r , c h a p t e ro n ei sp r e f a c e s ，t e l lt h e b a c k g r o u n do ft h es e l e c t e dt i t l e , t h er e s e a r c hm a dc u r r e ma p p l i c a t i o ns i t u a t i o n so ft h e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l 醚b ，a n dt h em a i nc o n t e n tt h a tt h eb r i e fi l l u s t r a t i o nt h i s t h e s i ss t u d i e s 。c h a p t e rt w oi st h e t h e o r ys u m m a r yo ft h em b s ，e x p l a i nt h e c l a s s i f i c a t i o na n de x p r e s s i o nm e t h o do ft h em o d e li nd e t a i l ，o r g a n i z a t i o na n dm e m o r y o ft h em b ，a n dt h ek e yf u n c t i o no f 蜘em b m s ，c h a p t e rt h r e ei st h ed e v e l o p m e n to f m o d e la n db u i l d i n go f t h em bb a s e do na r c g i s ，i n t r o d u c ec o mt e c h n o l o g y , t e l lt h a t t h ed e v e l o p m e n tc o u r s eo fm o d e lb a s e do r lc o m ，a n dt h ed e s i g np l a no ft h em o d e l d i c t i o n a r ya n dt h ef i l eb a s e c h e e rf o u ri st h ed e v e l o p m e n to fm o d e lm a n a g et o o l 蒸手a r c g i s 垂孽攘麓痒系统磷究每鬟璃 b a s e do na r c g i s ，e x p l a i nt h ed e s i g na n dr e a l i z i n gc o d ep a r t l yo fk e yf i m c t i o no f m o d e lm a n a g et o oi nd e t a i l 。c h a p t e rf i v ei st h ea p p l i c a t i o no fm b s ，t e l lt h a tt h e t r a n s f e r r i n ga n dt h ea p p l i c a t i o no f c o n c r e t ef u n c t i o no f m o d e lm a n a g et o o lu n d e rt h e e n v i r o n m e n to fa r c g i s c h a p t e rs i xi si sc o n c l u s i o nt h a ts u m m a r i z e sa l l0 fa b o v e i n c l u d i n gi n s u f f i c i e n ta n di n n o v a t i v er e s p e c t s ，a n db r i n g sf o r w a r dw h a ti sg o i n g t od o a tn e x ts t e p ， t h ei n n o v a t i o no ft h i st h e s i si st od e v e l o pg i s - m b ss o f t w a r eo na r c g i s p l a t f o r mb a s e do nc o ms o f t w a r ed e v e l o p m e n tt h o u g h t t h i ss o f t w a r ec a r lm a n a g e e 脓c t i v e l yg i sm o d e l s a n dh e l pp o l i e y m a k e rb u i l dn e wm o d e l sw i t l lt h ee x i s t i n g m o d e l s ，w h i c hi m p r o v et h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fm o d e l s ，i na d d i t i o n ，t h i ss o f t w a r eo f f e r m o d e l sc o m b i n a t i o na n ds a v et h ep a r a m e t e r so fm o d e l s ，a n dc o m b i n ed i f f e r e n t m o d e l st h a ta r ed e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h en o r mo fc o m ，t h u sr a i s er e u s i n go ft h e m o d e la n ds y s t e m a t i ce x p a n d a b i l i t yg r e a t ly _ k e yw o r d s ：m b s ，m b m s ，g i s ，c o m ，a r c o i s 差鐾硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 张超教授华东师范大学主席 梅安新 教授华东师范大学 束炯 教授 华东师范大学 孙建中 教授 上海城市信息发展中心 倪丽萍高工上海城市信息发展中心 学位论文独刨性声鞠 本人所整交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 瑕得的研究成果。据我所知，除文中已经注明孽l 用的内容矫，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贾藏麴个入j l 蘩集体，瀚已在文串佟了贸馥说骥并表示 蠹 意。 锋者签名：兰整嚣鲷；翌盛翻翻 学位论文授权使用声鳞 本人完全了鬃华东癖莲大学有关保謇、夔矮学位论文的藏定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子舨和纸质版。有投将学穰论文震予薅赢裂目的麓多量复制并允许谂 文进入学校圈书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题帮摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名：善馨 霸期；丝盛翻堪 导师签名；孓设寻 日期；兰! ：兰：；o 基于a t c g i s 的模型库系统研究与实现 第一章前盲 。唾选题背景及意义 第一章前言 近年来，随着g i s 向空问决策支持系统( s d s s ) 方向发展，g i s 的驱动机制 发生了深刻酌变化，从数据库及其管瑷系统豹驱动机制转变成横溅库及其管瑷系 统的驱动梳潮，模燮在系统中己不器鲶予获属静蟪经，雨成为系统翡核心，获藤 使g i s 不仪可以为用户撼供各种所需的空间信息，即数据级支持，而且还可提供 实质性的决策方案。随着对g i s 模型需求量的不断增加，模型的商散管理已成为 久稻关注懿焦熹。摸羹等数据一榉，魄楚一穆重要鹣缝织资滚，爨予箕嚣袭鞠维 护的代价很高，所以需骚得到有效的管理“。 模型脬是在计算机中按照一定的组织结构形式存储和表示多个模型的集合 髂。摸型露管理系统的镁务是对这个集会钵进行蠢效靛管理，它提供适当钓方法 来实现模戮盼提取、谤阏、更新和合成等搡作。模灏库和模墅黪管理系统集合起 来形成模型库系统，从广义上讲，模型库就是指模趔库系统o 。本文研究广义上 的模型库设计与实现。 模型露系统这令橇念楚1 9 8 8 每在数模墅警瑾为主题豹菱藏炎系统释学鬻瓣 会议上提出的。模型库系统作为夏威夷国际系统科举会议知识与决策支持系统主 题中的一个分主题，讨论包括模型管理方面的所育论题，及与决簸支持有关的不 弱豹理论与安黢翊题。摸型痒系绞瓣挺窭在菜静程度上是受数据疼系统豹影 响。通常复杂闯题的决策不是一个或一类模型所能解决的，往往需要一组不阐类 型的模型支持决策过程中的不同阶段、不同类型问题的处理。因此人们希望能够 像数据库及数据库管理系统那样，在计簿枫软件与硬件的支持下建立一个模溅库 及模型疼餐蠖系统，穗模蹙毒爨蕊绥念在一超薨辩筵进行辩学簿毽，酸提蠢焚辕 助决策的能力。 随着现代信息技术的发展，用于决策的信息爨急剧增加，信息的获取越来越 快速、蠖撼。摄应遮，黢g i s 系统孛，耀予决策豹务秘模型氇嚣搂不颧熬添翔鼹 修改，这就需要模型库系统在动态可扩充性、可羹用性等方面肖很好的支持。在 数据库系统中，数据是被动的，而在模型库系统中，模型具有主动和被动两种特 性，模型不仪仅是存德阉题，还涉及剿翔何定义模型接口豹阀题，如何定义支持 模型的动态调期等阀蘧，这就需要模遐霹系统其鸯强丈的功毙，髓有效懿对模型 进行存储、修改、查询、调用和组合样。 目前常用的模型库系统中，模型的粒度往往比较大。一般是可执行文件，模 基于a m g i s 的模型库系统研究与实现第章前言 型终为应用程摩鲍缀成鄂分，嵌入到系统中，模型闼豹透镕德强是逶过数据义件 或公用通讯区的形式进譬亍的，因两模型艇运行效率较骶，模型的组念困难，模型 的共事性和灵活性都很差。丽一魃基于静态函数库的系统往往w 扩充性较差，难 以在应用系统歼发完毕后增加新的模鳖。此外，一些针对其体威厢领域开发滟模 型库系统，当瑟对葵它藤角领域的阐题f l 雩，登绥对系统进行较大的修改蒹至需要 重新开发，衙从头开始建立一个横篷库系统无疑楚个复杂的、缀费时闯瓣工作， 遮成人力、秘力豹爨太浪费。 摸型蓐技术的发展及其支持下的g i s 与痰用分携模型攥成磺究骞助手撼动 空阕决策支持系统戆发展，使g i s 真压成为辅助用户管理、决藏的空间髅息系统 平台，进而推动g i s 钓深层次应用。 1 2 翻内外研究进展 自2 0 世纪7 0 年代后期模型岸思想问世以来，对于模型的管理经历了子程序 库、模型软件龟和模整库管理系统三个发展阶段“1 ； ( 1 ) 子程序瘁。这燕横壅管毽技术豹裙麓狳羧。鲍较成熟静模型秽算法戳 予程痔的形式汇编戒瑟或存放奁计算机肉，蘸l 操作系统静文佟警溅系缝统管 理，题户露以擞据爨己豹嚣簧调髑能们。这个辩期用户网对也蹩程廖炅，她的任 务是编制未程序。予程膨可以多屡嵌套，一个艇决较小翊题的主程露调试成功惹， 可以存放程程岸库巾，董誉为辩决照太闽题的予程序。最典型的例子熙i b m 公嗣爝 f o r t r a n 写的科学计算子程序包( s s p ) ，该子程序包提供了统计学和矩降运算程 序。獠序员只潴写段驱动程序( 郾主稷序) ，调用必要的子稷序，引导粥户输 入必要豹数据，醵完成建模分析任务。 这种模型管理方式缀然简单，开锖小，僮箕缺陷怒很鳙显的；簿个横鼙都蔗 绝对独立鑫孽，糯互之阉溉没寿关系逡宠法联系；模型集合天缀缀结构霹蠢，农系 绫孛模型数鳖较多瓣 毒琵下，丈嫂搂鹃攒型缝会褥不到支持；模型自豢数擐；茏 专门的用户接鞠，蟋户邋过操终系绞购命令进入疲熙，实鼷上怒文件妁调用。映 乏对模型的有效管理。 ( 2 ) 模型软件包；这个时期有专职的程序员( 也称软件人员) 来研究模型 并编制相成的糕序，构造出一系列模凝应用较件包。用户可睚不必考虑稷序闻透。 截至不懂程序也可以，只要模型符合用户的要求。糟户只需按溉定使用相应的名 字来调藕耩羹帮胃。这除段逶常深嗣静辩话方式怒菜肇，焉户鬻逶过菜攀选辑掰 嚣要豹模楚或一个求鳃系列。这糖臻登管理方蕊琵子穰序黪兹避了一步，宅建立 了大鬣模凝豹麓革键织结构，霹模型遴餐了咒耱熬势鼷和分类瓣管理。它是壤麓 应用较多的一秘模型管理方式；肖秘下特点； 基于a m g i s 的模型库系统研究与实现第一章前言 缀织形式麓萃。各模型程露遴遘多缀菜纂驱动形式连接起来，多缀蘩萃 的内容实质上蹙一个层次分炎表，菜单的底层即为蠢模燮程序以及露关 的技术分析的处理。 备模型程序分别挂在菜单底层，它们之涧除了和菜单连接外，没有任何 袋系，这样各穰登程序相鼹猿立。当便矮宠了模鍪轰逐簧筏用舅一个模 型时，只须通道一个模型程序运行完毕后回到相应层次的菜单中，转入 另一个模型程序的运行。 务模型翟痔魏数掇是各自封溺豹。每个摸骥程痔在执移辩，都要辕入实 际问题的数据聪才能开始运行。数据的输入是按程序设计中的要求进行 的。形式是固定的，数据也怒无法共享的，各模型程序对数据的要求是 备翻封闼豹，一个模型程序不可能使用另一个模型的数据。 模鼙软侔奄是逶合予模型闷无关系豹管理方式。在信意系统率瓣模鳌鞠砖独 立，在数据各自封闭的环境下，采用软件包的模型管理方式比较合适。而当模型 之间关系比较紧密，各模型数据需受麸享时，这种模型管理方式则不合适。 这样豹管理方式梵爝户提供了方袋，摸墼酌壤蠲效率有缀大程凄靛疆裹。这 才真正避入了模型管理阶段，因为模溅软件包降低对用户的要求。但模型不赫变 更，缺乏灵活性，用户只能选择模型而不能干预模型的求解过程。这就是模型管 理系统出现豹背景和客观要求。 ( 3 ) 横鍪管理系统：这个系统使耀诗算穰避行模型的缀缀管理工律。随着 d s s 的发展，模型库成为大量模型的有效组织结构，这种组织结构形式便于模型 的有效管理和使用。模型之间既可以相互独立，又w 以相互组合。模型间可以实 现鼗摇共攀，整之襞发撂遗多模型缓念辏韵凌策豹终震，获瑟爨供了骧瓒头繁豹 效果。模溅的组合作为模型生成技术的一种有效谂径，越来越爨到重视。具有如 下特点： 对模型进 亍了蠢廖豹组织管璎。模型豹存德、查询、髂敬、使用都缀方 便。 模型问相互独立又可相互结合。模型可以独立的运行，又可以方便的组 合成新的模型，实现更复杂的功能。 穰凝闼数据孬焚攀与传递。数獾存敷在数援痒串，由数撵淳警瑾系统送 行统一的管理，模型库与数据库之间建立统一的接口标准，从而实现数 据熬享。 显然，攘壁警理系绫戆绘躅户戳受大豹方便，势基其寿是够黥灵活性。蒸予 模型库的模挺管理，可以提供模型存储和表示模式以及模型运行的计算机系统， 它是d s s 的共享资源，魑d s s 用于模型管理的主骚手段。目前的主要研究方法 旗子p a c g i s 熬撰藏痒系统毳睡窕每裳埂第一章翦言 怒：采用数据库管理技术实现模型管理；威用人工智能技术实现模型管理；或者 选二者的巧妙续合。一般来说，模型管理涨用数据库披术，都是直接应用数据霹 警壤静涿理，将模型处瑾必羧据撞象，并焱钕于数据辫簧瑾技拳，遮藏模型定义 语宵和模型查询语言。 国外，对于模型管理理论的研究始予2 0 世纪8 0 年代。b l a n n i n 9 0 1 在1 9 8 0 年蓑次提出了模銎疼熬撮念，劳设诗了类戳予数据库粪溺语言瓣模黧疼查询语言 ( 旧l ，m o d e lq u e r yl a n g u a g e ) 来管理模跫；1 9 8 7 年，g e o f f r i o n “设计了一套 结构化模型构造语言s m l ，首次将结构化程序设计思路植入模型生成问题；1 9 8 8 筚，m u h a n a 等“1 又将系缝论的概念用于模型露镑理系统；1 9 9 3 年， l i a n g t i n g p e n g 猢将攥理稍谈学习方法融避了模鳌露管理系统；1 9 9 6 年， w e s s e l i n g “3 设计了动态模型语言来支持空间数据结构。国内，自9 0 年代以来， 畿g i s 模型库系统( m b s ) 平臼、模型字典( m d ) 、模型的标准化、模型的集成以及 纛翔对象豹簇黧疼等方嚣黎避每了深入戆 溽究，茏荚题与g i s 结会方嚣，翔：黄 跃进等采用框架柬进行模型霹的构建和管理”3 ，由于层次结构比较嘲驻，因此便 于模型的重建和组合：毕建涛等人”1 提出了模型方法元数据的概念，并对框架进 行了理论上的潮述；岳天祥等人。1 也讨论了资源与琢壤模型标准文楼瘁及与g i s 祭威的重要毪；李本纲等入“蜩阐述了建立求环境模黧蓐豹阍嚣及蒙簧性；李越 锋“从数学角度讨论了使用元图表示模猁库的方式，俄是对基于图形的表示方 式的扩充与改进；薛安等人“盯研究并提出了元模型的结构和实现算法。这些研 究镬g i s 模登豹设毒 窝实瑗技零套 较大稷凄夔发震。 总的来说，模型管理系统的理论研究强9 3 9 4 年问达到顶峰，涌现了大批的 相关文献，体现了该领域的丰富成果。此聪，研究从理论走向实践。涌现了一批 嚣囱特定颁域或阗题的模型撵管理系统软l 譬。 国井，l e a v e s l e y 等入( 1 9 9 6 ) 开发豹模块纯摸黧系统( m o d u l a rm o d e l i n g s y s t e m ) f l a , 是一个将g i s 与模块库( 实质上是一个单元模型库) 集成的一个模型 开发系统。其模块库包含了麓种模拟水、熊、生物过程等相互兼容的模块，这些 摸坟瑶戮缰袋羹为复杂熬繇凌模羧模型，g i s 工其较 孛g r a s s 开发鹣g i s 赛嚣翔 提供模型生成前期的图形数据显示、空间数据的前期处理、输入参数文件的生成 以及模型生成尉的模型模拟纳果显示和分析。 d i n g 蠢f o t h e r i n g h a m “砒( 1 9 9 2 ) 戳g i s 为核心系统，列蠲g i s 憨宏愈令 语裔编写事件驱动程序，在远行时激活模溅系统，提供了一个无缝的操作环境， 实现g i s 功能与模型系统的集成，而数据的集成则通过i m p o r t e x p o r t 功能实现。 美国d b 公司的s a l ea n dm a r k e t i n gi n f o r m a t i o ns y s t e m ( s m i s ) t t s i 该 系统霹馥簸不鬻炎数蕹库系统( o r a c l e 、s y b a s e 、i n f o r m i x 等) 审获取数据， 4 基于a r c g i s 的模型库系统研究与实现第一章前言 共且支持c s ( 客户规驻务器) 工露摸式，采爆宄遴豹o l a p ( 联掇分析楚壤) 技术，给决策这提供一个实际有效的祷理分析和决策工具。 此外，美国e x e c u c o ms y s t e m 公诩研制的应用于合作计划、财务计划和销售 策略分析的d s s i f p s 系统”，s o c i a ls y s t e mi n c 公司研剁豹一个辅助计划嬲荫 盈d s s s i 赫 ) l 。 菇8 。 国内，苏理宏、黄裕髅等“”( 1 9 9 9 ) 自行开发了个智能空间决策支持系统 i s a t ( i n t e l l i g e n ts p a t i a la n a l y s i 8t o o l s ) ，将专家系统，g i s ，模型库系统 缀会囊一起，采臻模型数据爨叛，基予焱羹| l 集戏空阗模型。毽其涉及豹摸型烹簧 侧重于数学模型，对于评价、规划和预测类的分析模型刚涉及铰少。 范泽蒜，岳天祥等“”( 2 0 0 3 ) 研发的资源环境模型库，充分肖效的集成丁犬 量的空闯模型和非空阈模型，实现了燮态系统综念评估模型的囊动生成，为生态 系统综合译 鑫静穗关磅究闯题襄供了谂患往、智麓位的辖韵决策支持工爨。 对以上文献资料避 亍分析表明，模型管理技术不仅是近几年来世界各国的研 究重点，而鼠是利用模型库系统来解决各种决策问题的关键性技术。根据数据库 系统发最瓣经验秘蔻入黠攘型疼管理系统豹疆究袭鲷，凝一戎模粼津警理系绞残 具有如下主要特征：模溅臻有比较统一的表示形式；有独立于模型的求解方法； 可以表示模毅有关辅助信息，以便从模型库中快速选取模型；具有组合开发能力； 模型运行熊够与数据库翔由交换信息；可以快速熨凝模型。 1 3 本文研究的主要内容 鉴于攘毽在g i s 孛掰处夔耋要使爨，溺襄考虑剿溅毒模型繁多墓无彦簧爨豹 现状，本文在分析现有模型库系统的熬础上，把缎件技术弓l 入剐g i s 模型的设计 与实现中“，建立基于a r c g i s 的模趔库系统，开发出模型库管理工具，实现模 型豹有效管理，提高g i s 豹辅助决策旋力。其主要工作如下： ( 1 )戮究模鹜静分类与表示，挺出g i s 禳黧痒管理系统巾模型瓣分类及 表示方式； ( 2 ) 对模型库的组织与存储进行探讨，采朋字典库和文件库联合组织管 瑾摸鍪豹方索，对嚣奉遴行详纲夔没谨； ( 3 ) 研究模型组件化，实现横趟的共享和黧用： ( 4 ) 分析模型库黼理系统的总体框架开发基于a r c g i s 的模型库管理工 具，实现横趟的畜效管瑷； ( 5 ) 歼发可褪仡建模工其，支掩多模型缰合。 慕子a x c g l s 豹搂型痒系统研究与寰域 莓二攀模型痒系统 第二章模型库系统 模型库系统( m o d e lb a s es y s t e m ，m b s ) 是对模型进行分类和维护，支持模型 的嫩成、存储、焱询、运行和分析应用的软件系统，玄主要包括模型库、模型库 管瑗系统、以模型库为基础豹应用程序靼攒墅痒管理爨簿4 个部分“”。模型库 ( m o d e lb a s e ，潲) 是力一定羰的服务，以特定豹结构存储的摇关联的模型集合， 而模型库管理系统( m o d e lb a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，m b m s ) 则是处理模型存取和 各种管理控制的软件，实现对模型库系统的有效管理。以模型库为基础的应用程 彦必须逶过m b m s 来访阉模受痒。藤模型簿遴季亍鬟鬟、设诗、癸调、实蠛、维护 和管理等工作的人员或集体称为模型库篱理员( m o d e lb a s ea d m i n i s t r a t o r ， m b a ) 。模型库系统的基本结构如图2 1 ： 圈2 1 模型库系统黥基本结构 模型库系统的构建涉及到冉勺关键技术肖模型组织、模型管理、模犁共享、模 型燃行、模型组食、模型表示髂，这些问题直是模型库系统研究的繁点。下蘧 分潮鼹模墼、揆鍪疼、模型露管理系统三拿方瑟霹| 薹上内容透蠡详绥豹滔述。 2 1 模型 爱镶模型“赣蹩客露氆爨瓣一令表征翻转瑗，嚣嚣重又是窖鼹整雾瓣糖象窝凝 括，建以某种形式对一个系统的本质属性的描述，以揭泳系统的功熊、行为及其 变化舰律。模型技术学方法的引入，反映了现代地理科举以定量的精确判断来补 充定性的文字按述舱不足，以撼蒙的、反映本质的数学模型去刻画其体的、庞杂 静务耱缝理蕊袋，戳对过程黥模掇帮预测米代替对瑰状的分辑零说鞠，班合理酌 趋势推导和反馈机制分析代替简单的因果分析的趋势。 模型作为对研究对象及其变化过程的抽象与模拟，怒在充分的专门研究基础 上糕鏊豹窖鬟鬣簿静表述。嚣魏宅畜麓予硗究者毒效遮麸众多梗关毽索孛寻撬重 要的成因联系与因果关系，促进研究工作的逐步深化。 6 罄子a r c g i s 均攘溅痒系统研究与蜜域第二毒模型痒系统 2 1 1 模型的表示 模型在诗舅掇孛黪表零方法秘存藉影袋稼袁模鳖淡零汹，。在模黧痒系统孛， 首先要考虑模型的表示，使横型便于管理，能够灵活的连接，并参加推理。为了 增强管理的灵满性和减少存储的冗余，横型的表示趋向于将模型分解成基本单 元，由基本单元缀合成模型。对应于不同的管理模式，纂本单元采用不同的存储 方式，嚣蓊主甏窍戳下三静；程序表蚕、数据表示帮逻辑表示。 ( 1 ) 模型的程序表示 大多数的模型表示方法都是程序表示，它包括子程序表示法，宏命令表示法 帮蒺予缀俘熬模熬表示方法。 子程序表永法是一种传统的、实用酌横型表示方法。该方法将模溅作为计算 机的子程序进槽存储。模型鼹一个具有自融的输入、输出、执行次序的完整的程 序。模型可以是妇主程序调用豹子程序，镪一个模型是一缀带有进入和返回连接 税剃韵程序语国，这使它瞧被懑俸执行模块霜瑗在其它程序孛。 宏命令表示法是由美国t e x a s 大学韵m i c h a e ls y w a n g 龆1 等人在8 0 年 代初提出的。他们认为，模型怒一系列用米解决问题的原始指令。在d s s 中，解 凌溺户润蘧不莰鬟簧一系捌瓣模鍪，奏辩逐嚣要奎谗巍纛忝一缝数豢束支籍援户 的决策，这组数据往往是通过窦现一系列用来完成数据查询操作的琢始指令。 因此，模型和复合查询都可以认为是可以激复使用的一组命令，即可以把它们看 撵必宏命令。 以上两种模鍪表示方法辩优点是：大大提高模型的浓解能力，充分利用了计 算机的速度快、计算精度高、存储量大等优势；缺点：凼于模型和算法结合在一 起，增加了修改的工作量。另外，模型之间难以共享、溅以组合，造成模型存储 豹残余。组终技零瓣窭瑷在缀大程疫上瓣凌了上述瓣戆，缀释逶遘接弱实瓒缰秘 之间以及组件和客户间的通讯，组件内部实现完全封装，为重用提供鞭好的支持， 可以单独或与其他组件一起欺同完成特定的功能，十分销利于模型库的扩展；通 过镄建组舞中类模块貔属性秘方法，可以蜜褒模整库与数据摩之闯的焉缝连接； 便于模型运彳亍控制程序的生成。本文将在第三章对组件技术进行详细介绍。 ( 2 ) 模型的数据表示 用数据来表承模型，就是把模型看作输入数据集到输出数据集的映射，其映 射关系由参数蘩禽确定。有黧学者簸不阉豹建度磅究了翔数据表示耩翟豹阉题。 用数据表示模型又有模型抽象和模型关系裁示两种。 文献。”中讨论了k o n s y n s k i 用数据表示模型的方法构造的广义模型管理系 统，德把模型臻逡淹由方程、元素彝勰程黟缀或豹数撰糖象。搂墼熬糖象表示裁 是搬模型描述为元素、格式和程序三部分缀戚。元素为构成模型参数拍所有数据 基于a r c g i s 的模型库系统研究与实现 箱= 章模型库蔫i 婉 壤及其类黧；程疼部分麓遮孬奉模型黪茨寿予程黟；搀式为有关嚣素窝程痒之嗣 的相互关系，可以是一系列谓词演算公式。这样就粑模型抽象变成数据抽象。 文献啡1 中给出了b l a n n i n g 提出的模型的关系理论。他的主要思想是将模型 表示为由一缀输入属性鞠组输出耩饿组成的关系，记为m ( i 0 ) ，i 为输入黎， 0 为输出集。这箨，模黧虢可浚看或一个薅痤予输入壤集于输蠢矮集静笛卡尔袄 的子集。因此，创建模擞就和创建关系数据库中的关系一样。谴种模型表示方法 足从模型的变量转换关系及约束条件出发来研究模烈的，他建或程关系模型的数 据痒豹基勰上，这样裁霹叛蓬套谗语键寒表示弱户鹃蘩塞爨求，绘使援模型豢寒 更多的方便。 模型数据表示的优点：引用发展的比较成熟的关系数据库管理技术实现模型 豹管理。这榉，模型运舞靛可转换为数据豹关系转换。使摸型攀元易于与其它单 元通信，势髓模型便予羹新；缺点；溺模墅的结构院较复杂露黩动态性较强时。 不利于模烈的存储。 ( 3 ) 模型的逻辑表示 模型豹逻辑表忝”1 又豁必搂型豹翔谈表示，它爨一耱基予大王智毙戆表零方 式，主要有谓词逻辑、语义网络、逻辑数计关系稚架等。这些方法都是表示知识 的基本方法。 逻辑袭涿残霹数攒述定量模型熬输入输出关系，也可班攒遴定性豹、逻辑骢 及概念的横艇对应关系。因j 琏：，模受酌逻辑表示辩予描述含育窥藿的、定性盼、 半结构的及非结构的决策模型具有非常重要的意义。 通常，模型可以分成模型结构、参数集、变擞鬃及约束集镣四个基本要索， 每一部分丽穰关豹谓谲袭示。一个较为复杂静模蘩翡梭势簿成蓑予基奉单元，簿 一个基本单元用一个为此表示。根据问题的描述，将有关谓词缀合在一起，又w 以形成一个新的模型。 逶过以上熬套绍，我袋发现各静搂整豹表示方法各畜不曩瓣馕缺点。在诗冀 机辅助决策系统中，模型表示方法不仅簧与模型生成统一考虑，黼且要考虑数 据表示方法的联系。通常，对模型表示有下列一些基本要求：致性。模型的 表示应与数据的表示相一致，以利予数据的衔接和调用，并便予绕一豹方式避行 管理；模块佳。模型袭菇毫应吴毒基奉莘元形式翻缀合功能，疆馁多令基本貘擞 组合成复杂模型，使一个模型系统能够适应不同的应用环境，方便模型的建立、 修改和维护；独立性。不仅每个模溅应该独立，而且整个模型库应该与数据库 及方法疼分裂独立嘉敖。这梯不仅霞予筷墼瓣掺改，氇不会影螭鬟数据及方法， 而且便于横型瓷源共事；智能型。檬型表示应基于知识，并尽可能具有一魑智 能型，以便和知识库协同工作。 s 基于a m g i s 的模型库系统研究与实现 第二章模型库系统 本文把组件思想引入到模型的设计与实现中，提出通过程序开发组件来表示 模型的方法。其中，模型主要是以d l l 二进制文件的形式存在，通过接口实现模 型之间、模型与数据之间的信息传递，以及模型与系统的集成，克服模型的程序 表示中存在的模型共享和组合的困难，从而使系统具有更好的可扩充性和易维护 性。文章将在第三章详细介绍基于组件的模型开发过程。 2 1 2 模型的分类 关于模型的管理，首先应确定模型的分类体系，以便于模型库进行类别属性 查询和其他用户清楚模型的适用范围。目前人们已研究出了许多模型并将它们 应用到具体对象的分析与处理中。为了更好的分析和使用已有的模型，可以将模 型进行分类。模型的分类是相对的，可以有不同的分类方式。如：根据模型所处 理的信息形式不同，可将模型分为处理定性信息的定性模型和处理定量数据的定 量模型；根据模型应用于具体对象所完成的功能不同，可将模型分为设计模型、 预测模型、决策模型和仿真模型等；根据模型的应用系统的抽象程度可分为图标 模型、相似模型、数学模型等。“。 研究模型分类对于g i s 模型管理和系统设计、应用等都具有重要作用。然而 g i s 的应用涉及到农业、林业、地质、水利、能源、气象、旅游、海洋、电力、 通讯、交通、军事以及城市规划与管理、土地管理、资源与环境评价等广泛的领 域，应用模型的数量相当庞大，由于不同的学科和研究领域所涉及的研究内容不 同，相应的应用模型也截然不同，其各自的分类体系也大相径庭。因此对g i s 模 型而言，以上的分类方式并不完全适用，这也是由g i s 模型的特性所决定的。 g i s 中的应用模型大多为数学模型，它们除了具有数学模型的一般特征之外， g i s 的性质和任务决定了它们还具有其它一些突出的特点1 ：首先是空间性，即 不是单纯的数值计算模型，还包括空间关系的分析等，因而决定了模型的复杂性； 其次是动态性，即所描述的现象或过程也与时间有密切的联系，具有不同动态性 的模型在系统中使用的效率有较大的差别，所以，在模型设计时需考虑时间对模 型目标的影响及数据的可能更新周期等问题；第三是多元性，通常g i s 应用模型 将会涉及到自然、社会、经济、技术等多种因素，应注意通过因素分折去调整模 型状态。第四是复杂性，因为对实际的处理对象，往往存在人为的干预与影响， 很难用数学方法全面、准确、定量地加以描述，所以要把定量、定性的方法相结 合起来运用；第五是综合性，实际应用中往往涉及多种模型方法，且与多个子系 统中的数据有关，使用时其数据结构中要处理好叠加、协调等诸多问题。 这里，我们根据g i s 应用模型的特征和功能，以及针对的用户不同和模型生 成的需要，将g i s 模型库系统中的模型分成两种基本类型：基础模型和应用模型。 9 基于a m g i s 的模型库系统研究与实现 第二章模型库系统 基础模型是指通用规范的，可多次重复使用的，具有单一功能的“小模型”。又 可以称之为工具或方法。应用模型是用户开发的、针对专业问题的模型。以上两 类模型均属于通用模型的范畴，此外，用户可以通过模型库系统中的建模工具， 直接利用基础模型，采用积木方式或非积木方式自动构模，形成组合模型，即专 用模型，以避免模型基础部分的重复开发，提高模型的重用性。 2 2 模型库 模型库( m o d e lb a s e ，鹏) 是在计算机中按照一定结构、形式存储的模型的 集合。模型库是处于模型库管理系统( m o d e lb a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，m b m s ) 的组织、管理之下的。就像数据库( d a t ab a s e ，d b ) 和数据库管理系统( d a t ab a s e m a n a g e m e n ts y s t e m ，d b m s ) 的关系一样。但是，从根本上来讲，模型和数据是 有很大区别的。 由于实际问题的复杂性，单一模型通常不能满足某一研究目标的需要，因此 通常需要多种模型的组合来解决一个实际问题，这导致了模型的组织形式由传统 的软件包向模型库发展。模型库不同于软件包。软件包虽然也