第十一章GIS技术的新发展

1、第十一章 GIS技术的新发展一、空间数据模型研究的重点根据数据结构或应用发展划分，空间数据模型分为： 基于特征要素的模型 超图空间数据模型 时空一体化数据模型 真三维数据模型 分布式空间数据模型 部件对象模型其中，以研究时空一体化数据模型、真三维数据模型 、分布式数据模型和部件式数据模型最具现实和时代意义。1、时空数据模型 时空数据模型：时态化的空间数据模型。空间数据时态特征的表示。动态GIS的基础。时态变化的两个概念：事件时间，某一地理实体在现实时间中发生变化的时间。系统时间，数据库中用来跟踪记录变化的时间。描述地理实体在数据库中变化的方法有： 当一个或若干个实体在一次事件中发生变化时，对这

2、些实体所涉及的关系表重建一个新的版本。（存在较大的数据冗余） 对变化的实体重建一个新的版本。（介与二者之间） 只对实体变化所涉及的属性字段增加一个新值。（最好的处理方案）（1）面向对象的时空数据模型基本思路：打破关系模型范式的限制，直接支持对象的嵌套和变长记录。对上述第三种方法进行扩展，使它不仅能存储GIS中不同版本的多个属性值，而且能处理空间实体的图表和拓扑关系的版本问题。具体做法是将时态信息标注在具体属性字段上，并用面向数据的模型进行表达和处理。 在这个方案中，对象标识是一个重要的概念。每个空间对象都有系统赋予一个对象标识，并且约定，一个对象无论经过多少次变化，从创建到消失，都使用一个对象

3、标识，且分别对应于数据库中的一个记录。为了方便表达，将实体变化的时间转化为版本号，并用一个专门的表格记录他们的对应关系，同时在发生变化的空间对象上标记版本号。考虑到某些空间对象可能从其它对象分裂或演变而来，可以增加一个“前任对象”字段。（2）时间标记的时空数据模型 时间标记：是在记录空间目标的某一地理状态的同时，记录该状态在现实世界中出现的有效时间（绝对时间位置）。时间标记的方法有两种： 标记两状态的差值 标记新状态显然，在GIS中采用标记新状态：标记的时间元素： 时间点标记 时间段标记 时态元素标记在GIS中采用时间段标记。标记对象的单位： 全局状态时间标记，记录全局整体变化。 局部状态时间

4、标记，记录局部细节变化。标记对象的最小单位： 属性数据项 空间坐标点2、真三维数据模型主要分为两大类： 基于矢量表示的三维表面数据模型 基于体元表示的三维数据模型（1）基于矢量表示的三维表面数据模型 2维规则格网，是DEM中常用的一种数据结构，用于2.5维的地形表面显示。 形状模型，形状结构通过表面点的斜率来表示。基本单元是表面上各单元所对应的法线向量。主要思路是：以单元的明暗变化来反映地表的坡度变化，通过坡度变化求出单元间的高度变化，最终确定地形的3D表面。主要用于表面3D重建。 面片模型，用不同形状的面片近似表达对象的表面。例如 TIN就是常用的一种。（还可是其它形状面片）。 边界模型，用

5、边界表示，基于一种分级表示方法。基本思路是：空间的任何对象都可分解为点、线、面（曲面）、体四类元素的集合。每类元素由几何数据、分类标志及拓扑关系组成。主要用于CAD/CAM。 参数函数模型，采用非均匀有理B样条函数表示地学模型。（2）基于体元表示的三维数据模型3D栅格模型，是一个排列紧凑充满3D空间的体元阵列。其元素取值是0或1。0表示空，1表示占有。这种数据结构存储没有压缩，存储空间浪费大。行程模型，对3D栅格模型，以（X，Y）为基础，对Z方向进行行程编码，以达到压缩数据的目的。（是2维栅格行程编码压缩的扩展）。八叉树模型，是2维四叉树编码的扩展（规则八叉树、线形八叉树）。结构实体几何法模型

6、，也称积木型。用预先定义好的具有一定形状的基本体素的组合来表示对象、体素间的关系。使用几何变换合布尔操作。四面体格网模型，是TIN 的3D扩展以不规则四面体作为基本的体素来描述对象。二、空间分析建模与空间数据决策支持在GIS的空间分析中，根据GIS提供的空间分析基本操作，可以完成一些简单的综合分析。但对于复杂的决策支持分析，往往需要一定的数学模型支持（例如，水量的优化调度、洪水模型演进等）。这种基于空间分析的数学模型，是以对空间图形数据的操作实现的，因而又称为地图建模。实现途径：GIS提供空间分析建模工具，如GIS宏命令语言或GIS控件加上VC、VB等通用开发语言。基于高级的可视化建模工具。用

7、户只需定义参数和分析流程即可完成建模。 空间决策支持系统的概念：人机交互界面模型管理 SDBMS知识库管理，推理机模型库空间数据库 知识库 GIS环境三、空间数据的多尺度特征与自动综合1、空间数据的多尺度特征尺度的定义：是客体在其“容器”中规模相对大小的描述。尺度概念广泛存在于自然现象、社会、经济过程。形成层次概念。空间数据的多尺度： 概念尺度，类型层次尺度。反映为命名系统或分类系统。 量刚尺度，量测单位与级别。GIS中主要为距离（空间）和时间单位。 内容尺度，GIS中表现为属性变化强弱及内容的层次性。其中，空间尺度和时间尺度对空间数据最重要。 空间尺度，空间数据表达的空间范围的大小，分为不同

8、层次。尺度越大，信息密度变小。 时间尺度，数据形成的周期和数据表示的周期（事件时间和系统时间）。时间尺度与空间尺度是一致的，即较大的空间尺度，对应于较长的时间周期。数据尺度与地图比例尺的关系尺度在空间数据方面，表现为：空间范围的可变性，时间的可扩展性，属性的可归并、可抽象性。数据尺度与相应地图比例尺变化成反比。2、GIS空间数据的多尺度表示和自动地图综合尺度在这里被理解为：信息被观察、表示、分析和传输的详细程度。由于我们无法观察到地理世界的所有细节，加之多种地理现象和过程的尺度行为（尺度变化与表达内容）并非按线性或均匀变化，因此研究尺度变化规律，建立多尺度空间处理模型和表示方法是GIS的基本任

9、务。在GIS的应用中，不仅需要多种尺度的数据支持，而且还需要多尺度信息的动态联接。自动综合：大多数具有制图功能的数据库都对应于一定的比例尺，称之为主导比例尺，其它比例尺（从属比例尺）都小于主导比例尺。理论上，从属比例尺的数据可以从主导比例尺数据经过抽取、整合、重组等产生。这个过程称为地图综合。如果这个过程在数据分析、显示时，由程序自动完成，则称自动综合。（1）从多尺度表示到不依（无）比例尺的GIS数据库综合与制图综合使得一种数据库满足多种用途需要称为期盼。目前的关键问题是，主导数据库能否产生多比例尺地图数据？ GIS的最终目的是建立基于无比例尺、无缝的空间数据库。（2）主要方法自动综合虽然不是

10、新的研究课题，但它不断有新的研究内容。80年代前的主要不足： 基本上集中于中小比例尺 某种算法处理某种要素80年代后发生了一些变化，开始涉及大比例尺地图综合研究。主要方法有： 面向信息的综合方法 面向滤波的综合方法 启发式的综合方法 专家系统的综合方法 神经元网络的综合方法 分形的综合方法 数学形态学的综合方法 小波分析的综合方法四、多源空间数据无缝集成随着地理信息系统的社会化发展,空间数据共享成为一种必然要求,然而要真正实现空间数据共享,多格式空间数据集成是一个亟待解决的问题。多源空间数据无缝集成(SIMS)技术实现了一种特殊的数据访问机制,不仅提供了直接存取多种数据格式的能力,而且使GIS

11、软件具有跨数据源复合分析功能,是实现空间数据共享的有效的技术基础。1地理信息多格式集成的几种模式(1)数据格式转换对其他软件数据格式的包容性,是衡量一个GIS的软件是否成功的重要标准之一。数据格式转换,是集成多格式数据的一种通用方法。GIS软件通常都提供与多种格式交换数据的能力。数据交换一般通过文本的(非二进制的)交换格式进行,为了促进数据交换,美国国家空间数据协会(NSDI)制定了统一的空间数据格式规范SDTS(SpatialDataTransferStandard);我国也制定了地球空间数据交换格式的国家标准CNSTDF(ChineseSpatialDataTransferFormat)。

12、业界还流行着一些著名软件厂商制定的交换格式,如AutoDesk的DXF、ESRI的E00、MapInfo的MIF等,由于广为大众所接受,成为事实上的标准(Facto-standard)。由于缺乏对空间对象统一的描述方法,不同格式用以描述空间数据的模型不尽相同,以至于数据格式转换总会导致或多或少的信息损失。DXF着重描述空间对象的图形表达(比如:颜色、线型等),而忽略了属性数据和空间对象之间的拓扑关系;E00侧重于描述空间对象的关系(如拓扑关系)而忽略了其图形表达能力。因此,CAD数据输出为E00格式将丢失颜色、线型等信息;而Arc/Info数据输出到DXF时则会损失拓扑关系和属性数据等有价值的

13、信息。另外,通过交换格式转换数据的过程较为复杂,需要首先使用软件A输出为某种交换格式,然后再使用软件B从该交换格式输入。一些单位同时运行着多个使用不同GIS软件建立的应用系统。如果数据需要不断更新,为保证不同系统之间数据的一致性,需要频繁进行数据格式转换。(2)数据互操作数据互操作模式是OpenGISConsortium(OGC)制定的数据共享规范。GIS互操作是指在异构数据库和分布计算的情况下,GIS用户在相互理解的基础上,能透明地获取所需的信息。OGC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。根据OGC颁布的规范,可以把提供数据源的软件称为数据服务器

14、(DataServers),把使用数据的软件称为数据客户(DataClients),数据客户使用某种数据的过程就是发出数据请求,由数据服务器提供服务的过程,其最终目的是使数据客户能读取任意数据服务器提供的空间数据。OGC规范基于OMG的CORBA、Microsoft的OLE/COM以及SQL等,为实现不同平台间服务器和客户端之间数据请求和服务提供了统一的协议。OGC规范正得到OMG和ISO/TC211的承认,从而逐渐成为一种国际标准,将被越来越多的GIS软件以及研究者所接受和采纳。目前,还没有商业化GIS软件完全支持这一规范。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GIS带入了开放

15、式的时代,从而为空间数据集中式管理和分布存储与共享提供了操作的依据。OGC标准将计算机软件领域的非空间数据处理标准成功地应用到空间数据上。但是OGC标准更多考虑到采用了OpenGIS协议的空间数据服务软件和空间数据客户软件,对于那些历史存在的大量非OpenGIS标准的空间数据格式的处理办法还缺乏标准的规范。而从目前来看,非OpenGIS标准的空间数据格式仍然占据已有数据的主体。数据互操作规范为多源数据集成带来了新的模式,但这一模式在应用中仍存在一定局限性:为真正实现各种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现实。为解决数据格式转换带来的

16、种种问题,理想的方案是在一个软件中实现对多种数据格式的直接访问。多源空间数据无缝集成(SeamlessIntegrationofMulti-sourceSpatial-dataSIMS)就是这样一种技术。(3 )SIMS的特点多源空间数据无缝集成是一种无须数据格式转换,直接访问多种数据格式的空间数据集成技术,SIMS技术具有如下特点:多格式数据直接访问这是SIMS技术的基本功能,由于避免了数据格式转换,为综合利用不同格式的数据资源带来了方便。A、格式无关数据集成。GIS用户在使用数据时,可以不必关心数据存储于何种格式,真正实现格式无关数据集成。B、位置无关数据集成如果使用大型关系数据库(如Or

17、acle和SQLServer)存储空间数据,这些数据可以存放在网络服务器、甚至Web服务器,如果使用文件存储空间数据,这些数据一般是本地的。通过SIMS技术访问数据,不仅不必关心数据的存储格式,也不必关心数据的存放位置。用户可以象操作本地数据一样去操作网络数据。C、多源数据复合分析SIMS技术还允许使用来自不同格式的数据直接进行复合空间分析。用户可以使用一个格式为Arc/InfoCoverage的土地利用数据集和一个存储于SDE的行政区划数据集进行叠加分析,叠加结果可以存储到SuperMap的SDB。SIMS技术的核心不是分析、破解和转换其他GIS软件的二进制文件格式,SIMS提出了一种内置于

18、GIS软件中的特殊数据访问体系结构。它需要实现不同格式数据的管理、调度、缓存(Cache),并提供不同格式数据之间的互操作能力。(4)SIMS的体系结构SIMS技术体系是一种紧凑三层结构,包括:数据消费者(Customer)、数据代理(Agency)和数据提供者(Provider)。每一层有明确分工:数据提供者直接访问数据文件或者数据库,并通过数据代理提供给其他模块使用;数据消费者消费和使用数据的模块,通常负责对数据的各种分析、处理和表现;数据代理是维系数据消费者和数据提供者之间的纽带,来自提供者的数据通过代理这个中介传递给消费者,完成一次数据访问(或者数据消费),一次数据消费行为可能产生新的

19、数据(如:迭加分析产生的新图层、缓冲区分析产生的缓冲区多边形等),这些新的数据也是通过代理传递给提供者,由提供者完成存盘动作。(a)数据消费者数据消费者指GIS软件中使用或者消费数据的部分。它们包括:拓扑处理、地图显示、空间分析、三维表现、专题图制作、数据转换、制图输出等等模块。这些模块使用数据,是数据消费者。数据消费者不直接与存储数据的文件或者数据库打交道,所有对数据的访问都通过数据代理完成。(b)数据代理数据代理是联系数据消费者和数据提供者的中介,代理负责把来自提供者的数据传递给消费者使用,并把消费者产生的新数据传递给提供者存储。SIMS技术中的数据代理是一个虚拟空间数据引擎(Virtua

20、lSpatial-dataEngine)。该引擎定义了数据访问的框架,但并不实现具体的数据访问功能,因此该引擎是“虚拟”的。(c)数据提供者数据提供者指直接访问数据文件或者数据库的模块,这些模块获取数据并通过代理提供给消费者使用,并且把传回来的数据存储到文件或数据库。SIMS提供了访问多种格式数据的能力,对每一种数据格式的访问,最终通过空间数据引擎(SpatialdataEngine)实现。数据提供者由一组空间数据引擎组成,每个引擎负责访问一种数据格式。比如SQLServer引擎访问存储在SQLServer中的空间数据、Oracle引擎访问OracleSpatial数据库、SDE引擎访问ESR

21、ISDE支持的各种数据库、SDB引擎存取SuperMapSDB等等。为方便引擎的管理和调度,每个引擎具有统一的接口,封装成动态连接库(DynamicLinkingLibrary)。类似于一些软件的插件(Plug-in或Add-in)机制,引擎DLL存放在特定目录下,程序启动时自动搜索该目录,动态调入并注册。一般而言,空间数据引擎只提供存储、读取、检索、管理数据和对数据的基本处理等功能,不负责进行空间分析和复杂处理。但是基于第三方API(如:OracleSpatial和ESRISDE)开发的引擎可以提供更多功能。五、公用信息存储交换和共享平台1、数据存储平台数据存储平台由数据中心和各分中心节点的

22、数据存储局域网和网络数据存储和备份管理体系构成。其建设应利用先进的、具备高性能和高可用性的、大容量存储的设备和软件，构建以冗余的专用的光纤通道为传输载体的开放式的存储局域网；使用功能完善的开放存储区域管理软件，集中化、智能化、图形化管理所有Internet/Intranet重要应用的关键性信息数据；提高数据传输能力，方便数据共享；保证存储系统具备强大的零停机在线扩充升级能力，兼容更先进的存储技术，使存储网络具备灵活的可扩展性。实现高性能的数据存取和安全备份，满足大规模用户并发性数据读写的要求，使纷繁复杂的数据业务存储网络易于维护和管理。传统的存储体系都是存储设备通过诸如IDE/SCSI等I/O总线与服务器相连。客户机的数据访问必须通过服务器 ,然后经过其I/O总线访问相应的存储设备 ,服务器实际上起到一种存储转发的作用。这种结构的主要缺点是 : 客户机访问的所有数据都要通过文件服务器存储转发 ,严重占用了服务器的内存、CPU和I/O总线等系统资源 ,并产生严重的I/O瓶颈 。 这种结构可扩展性差 ,其扩充网络存储容量的方法是为服务器增加更新、更快速的盘。如果要更多的空间就增加一个硬盘。如果服务器上可挂接的驱动器数已满 ,就只有考虑买一台昂贵的服务器来扩充了 ,随之而来的是响应时间变长 ,复杂性、维护及管理负载增