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[资料] GIS论文资料合集  -  [推荐度: 10]

GIS支持下的商业地理定位研究初探

摘要 在简要概括现代化商业基本特征的基础上,对商业地理定位的构成要素进行了分析,论述了基于地理信息系统的商业地理定位的技术路线,提出了发展我国商业地理信息系统的对策。

    关键词 地理信息系统;商业地理定位;商业地理信息系统

  地理信息系统( Geographic Information System ,简称GIS)是在上个世纪60年代发展起来的一门新型的管理地学信息的科学技术,是对与地理环境有关的问题进行分析和研究的学科。它不仅是关于地理数据获取、存储、转换、分析和表达的原则、方法和工具,而且提供了认识空间现象的思维方式和解决空间问题的方法,可以用于定义、分析、表达复杂的空间经济现象。社会经济活动中的各种空间经济现象也可以抽象为点、线、面等空间要素。

    随着个人电脑软、硬件功能的快速发展,以往必须使用大型电脑才能运行的地理信息系统,现在已经能够在个人电脑上有效地运行。地理信息系统在商业上的应用则是商业现代化的产物。交通工具的进步、连锁商店的兴起、信息技术的发展等因素,均促使商业经营的方式进行根本性的转变,同时也促使了商业地理信息系统的产生和发展。

    本文试图通过系统地分析现代化商业的基本特征和商业地理定位中的要素,介绍地理信息系统技术在商业地理定位的应用,为建立商业地理信息系统服务。

1 现代化商业的基本特征

    众所周知,在过去物质较匮乏的时代,生产厂商是推动商业活动的主力,依赖商品数量上的优势和大众媒体的促销掌握商业发展的方向。随着社会主义市场经济的建立和发展,人们的收入水平有了明显的提高,其消费大众也分化为消费分众,各有其偏好。因此,商业活动不能再象以前那样,以全体消费者为对象,而是要了解特定客户群的组成及偏好,据以设计商家的行销策略。信息的收集及分析成为商业竞争成败的关键,而掌握消费者动向的零售商,则有取代制造厂商成为主导商业活动主力的趋势。

    据估算,超过80%的商业经济数据具有空间特性或者与空间位置有关,合理有效地开发和利用这些空间数据,可以优化资源配置,降低商业运行成本,并用于规划、监测、改善区域商业和经济环境。

    信息化是现代商业发展的标志,信息在当代经济中的地位越来越重要。信息和信息技术加剧了经济全球化进程,塑造了新的生产方式,改变了商业规则,自然也影响到区域经济发展的策略、规划和实施。现代化商业对于信息流的掌握极为重视,信息技术的发展和应用成为商业现代化的重要环节。电子定货系统(EOS)、销售点系统(POS)等信息系统已成为现代商业经营的锐利武器,使商业的运转更有效率,日本的有些公司甚至定义其本身就是提供信息的公司。

    连锁经营的兴盛则是现代化商业的另一特征。连锁商店依靠其规模及经营技术,对于传统的商店造成了极大的挑战。商店间点对点的竞争,逐渐转变成为连锁体系间面对面的对抗。

2 商业地理定位要素分析

    市场经济中,不同组织结构、不同规模的商店在选择其地理位置时或者称地理定位的原则几乎都是一致的,即最大限度地满足顾客的需要。一般要考虑的因素有:①对自己的目标顾客是否为最方便;②购物时是否有利于与周围商店的比较和选择;③区域内是否有足够的购买需求和购买力;④交通运输条件的优劣等(张素丽,1999)。

    正确的商业地理定位是从较大区域的地理环境分析到小的商圈地理分析,综合考虑自然地理特别是人文地理的各方面因素,以确定最终的商业地理定位。

    商业地理定位的要素包括区域地理环境要素和商圈地理要素两个方面。

2.1 区域地理环境要素分析

    要定义什么是商业区域地理环境是十分困难的,简单地理解,商业区域环境是指商业组织所处的外部环境,包括背景性环境和运行环境。另外,商业地理环境也可以理解为一个公司之外的,影响到公司是否成功的全部要素之和。对于跨地区实施连锁经营的大型零售商业企业,或者准备进行零售商业投资的企业,对预投资区域进行商业区域地理环境的深入了解和分析,是进行商业地理定位必不可少的第一步。

    一般来说,区域地理环境要素包括人口统计要素、宏观经济条件要素、区域购买力和需求要素、文化背景要素、竞争态势要素、基础设施要素等几个方面。

2.1.1 人口统计要素分析

    侧重对区域内的人口增长率、人口密度、收人情况、家庭特点、年龄分布、民族、学历及职业构成等方面的现状和发展趋势做调研。通过这些统计资料的分析,有利于把握区域内未来人口构成的变动倾向,为市场细分提供有用的第一手信息。

2.1.2 宏观经济条件分析

    零售商业是经济活动中不可缺少的重要环节,它必然受宏观经济的影响。主要宏观经济指标有:区域内GDP值、当前利率水平、就业率、一般经济状况等。零售商业属劳动密集型行业,就业率能影响售货员的质量和数量,进一步影响顾客的购买倾向;而一个国家或地区GDP的增长,一般会反映到零售总额和储蓄额的增长;利率水平影响到企业运作成本和消费者的购买成本,当利率上升时,零售企业维持正常库存的贷款成本增加,同时,消费者购买商品的费用增加等等。

    我国作为一个发展中国家,近年来宏观经济一直保持较高的增长,1991~1997年GDP平均增长速度达11.2%,同期社会消费品零售总额的年增长率达10.8%,而商品零售价格指数为9.0%,维持在较低的水平,加上中国的劳动力资源充沛等条件,都极有利于零售业的发展。

    因此,当零售商业部分对外开放时,外国投资者和零售商就会纷至沓来。

2.1.3 购买力和需求要素分析

    消费者对商品和服务的需求程度直接影响到商店的地理定位。消费者不仅要有主观购买需求,还要有足够的购买力。这涉及到区域内经济结构是否合理、区域的经济稳定性、在较长时间内居民收入的增长可能性等。

    需求是人口和购买力的函数,比较不同区域的购买力指数,可为发现潜在的消费市场提供依据:

    购买力指数=A·50% + B·30% + C·20%

    其中:A是区域内可支配收入总和(收入中去除各种所得税、偿还的贷款、各种保险费和不动产消费等),B是区域内零售总额,C是具有购买力的人口数量。

2.1.4 文化背景要素分析

    区域内居民的价值观念、语言、历史、民俗和宗教等文化背景也影响到消费者的购物方式和所购商品的种类。有些地区具有较单一的文化传统,而有些地区的文化背景较复杂,如多民族聚集区。对文化背景的分析使零售商在进入市场前,能明确如何适应,进一步考虑如何实施文化渗透,特别是对青少年和儿童消费者。

2.1.5 竞争态势要素分析

    不同地理区域,市场竞争的激烈程度不同。一般说来,工业化水平高的地区,市场竞争亦剧烈。

    影响企业成败的环境因素之一,是市场中竞争对手的实力。如果不能有效建立高于对手的竞争优势,就不可能在该地区长期立足。因此,有必要深入分析区域内竞争态势,对直接和间接的竞争者了如指掌,如他们为消费者提供商品和服务的种类,其消费人口的数量和营销策略等。对于零售市场较成熟和饱和的地区,再参与竞争会更困难,而到第三产业相对薄弱的地区,特别在有政策扶持的情况下,进入市场要相对容易。

2.1.6 基础设施状况要素分析

    区域内的基础设施为市场的正常运作提供了基本保障。零售商业的连锁经营需要相应的配送系统,这与区域内交通、通讯状况密切相关,有效的配送需要良好的道路和顺畅的通讯系统。此外,还与区域内软性基础设施有关,包括相关法律、法规、执法情况的完善等,都需要认真地分析。

2.2 商圈地理要素分析

    确定了有潜力的零售区域,且在明确的市场定位前提下,就要选取具体的商店地址。范围包括:城镇的商业中心、居民住宅区、交通要道旁等。商圈即是指某商店(或集聚的商店群)在地理上的吸引范围,该商店(或商店群)对周围地区生活或工作的消费者起主导作用,并对较远处消费者也有吸引力。商圈范围的确定可采用经验法和模型法。经验法主要通过消费者市场调查以及各种辅助的顾客来源信息如银行帐户分布、报刊订阅户分布、电话通讯网点等进行;模型法可采用赖利(W.J.Reilly)、康弗斯(P.D.Converse)提出的分界点公式进行。对于零售商不存在完美的地理定位,只要从众多影响因素中选取对自已最重要的加以考虑,经过商圈地理分析,可定出较优店址。

2.2.1 销售潜力预测

    与区域地理分析相似,在更加缩小的商圈范围内,综合考虑人口、经济、竞争程度等,可以同时选择多个地点进行比较,以便评估预选店址的销售情况和增长潜力。

2.2.2 交通客流量

    考察商圈内机动车、非机动车及行人的通行能力,公交线路的通行频率,机动车保有量,停车位的大小以及步行入店是否方便,道路的规划改造等。此外,从自然地理上考察,是否有影响通行的山脉及河流等。

2.2.3 竞争分析

    如果商店在市场定位上互相补充,多家商店聚集,会更加吸引顾客。但业态相同,则会引起激烈竞争。竞争本是好事,它带来商品的丰富与服务质量的提高,并使消费者减少支出。但在有限区域内,过多和过于激烈的竞争却会使零售商付出极大的代价。

2.2.4 不动产成本分析

    商店的不动产租赁和购买成本,对零售商具有决定意义。如果不动产购买或者租赁成本与销售潜力几乎没有区别时,就不值选择该地为店址。经营场所的面积和形状也要与零售商的设计思路相吻合才具有较大的开发价值。

3 地理信息系统支持下的商业地理定位

  前已述及,地理信息系统是一种空间型信息系统,它具有很强的空间信息分析能力,其在商业地理定位中可以发挥较大的作用。

3.1 区域地理分析

    区域地理分析可以借助地理信息系统,将人口统计等诸多数据纳入地理数据库的社会经济要素数据集中,并结合地理数据库中的自然地理要素、行政区划和有关的地理位置数据,使零售商很直观地对区域内各方面条件做出分析和判断,并对不同区域的情况进行比较,对零售商的投资与开发产生积极的作用。全球最大的零售商———美国沃尔玛就是地理信息系统的最大受益者。

3.2 商圈地理分析

    商家首先要了解的就是商圈的范围。商家可以通过市场调查等方式收集客户的分布资料,通过住址定位后可绘制成客户分布地图,从而清楚地显示客户的空间分布。利用商业地理信息系统的空间分析功能,可以进一步根据主要客户的来源地,将商圈区分为主要商圈及次要商圈。在划分出商圈范围后,商业地理信息系统又可以根据人口数等统计资料,以空间推估的方式推算商圈内的人口数以及他们的社会特性,如年龄构成、职业构成、性别构成、文化构成等。通过系统分析可以进一步地了解商圈内的消费者,从而帮助商家选择适当的商品组合、预估销售量、进行库存的管理及规划销售活动。

3.3 分析竞争状况

    对于连锁商店而言,通过地理信息系统对商圈进行分析,可以显示出各连锁店商圈重叠及竞争的状况,以作为未来连锁店位置选择的依据,从而避免造成不必要的自我竞争。地理信息系统也可以协助划分经销商或业务员的销售区域。在过去,销售区域仅能依据行政区或面积划分,地理信息系统则能够按照潜在的客户数量划分销售区域,使各经销商的机会及劳务均等。地理信息系统除了分析已经开业的商店的商圈外,也可以用来选择新商店的位置;可以协助管理人员分析现有商店的商圈以及潜在客户的分析状况,找到尚未饱和的区域,设立商店,以增加开店成功的比率。

3.4 提高物流配送效率

    除了掌握商圈及选择商店地点外,地理信息系统和全球定位系统(GPS)等集成后,还可以协助商家管理配送货物的车队。GPS能即时测定配送车辆的位置,将车辆位置传回控制中心后,控制中心得以随时掌握配送的状况,调度车辆。商业地理信息系统则根据交通路线及路况估计车行速度,从而找出最有效率的路径,提供给驾驶员作为参考,协助规划配送路线,提高配送的效率。

4 加快商业地理信息系统发展的途径

    地理信息系统发展的初期,以土地资源管理为根本目的的信息系统,一般都是由政府出资建造的。这些系统往往需要很高的软、硬件方面的投资,并且还要依赖专业人员的操作。随着电脑软、硬件的技术进步以及地理信息系统技术的日趋成熟,出现了新一代的桌面地理信息系统,例如MapInfo、XINFOArcView等。桌面地理信息系统以个人电脑为平台,配合低价格的软件,加上良好的用户界面,促使了地理信息系统的普及,在许多领域得到了广泛的应用。尤其是最近推出的以ArcView等为代表的桌面地理信息系统还专门发展了专用的商业分析模块,从而为建立商业地理信息系统提供了方便的软件平台。

    一般的管理信息系统所需的资料大多为组织内部自行产生的,不用外求。而地理信息系统在为商业分析服务时除了需要掌握销售量、顾客特性等传统行销资料外,还必须使用大量的空间信息资料,如道路的状况、门牌号码、住址、人口数及社会经济现象的空间分布等。收集这些空间资料相当费时费力的,因此,是否有品质可靠、价格低廉的空间信息直接使用是地理信息系统在商业分析上的应用是否能够普及的关键因素。以美国为例,联邦政府人口普查资料中包含了全国各地区主要道路网以及人口、社会资料等,政府以低廉的价格将这些资料提供给大众使用,是美国地理信息系统在商业中的应用蓬勃发展的主要因素之一。

    我国的国土资源信息系统建设已取得了很大的进步,目前已建成全国基础地理信息系统包括1:100万、1:50万、1:25万等系列的数字化地形图及其相关统计资料,主要包括了自然环境基本资料库、资源及生态资料库、环境质量库、社会经济资料库、交通网络资料库、土地资源基本资料库、区域及都市规划资料库、公共设施资料库及基本地形(籍)资料库等9大资料库,内容非常丰富。许多大城市都建立了相应的大比例尺的地籍管理系统,拥有详细的城市空间信息和社会经济信息。这些政府机关利用公共资金建立的资料,姑且不论其正确性如何、资料格式是否统一等问题,如果能通过一个合理的资料供应方法,为民间所利用,将对国内商业地理信息系统的发展起着决定性的影响。

    在软件系统方面,由于受开发成本、硬件平台和使用者接受能力的影响,如果产品是以个人用户为目标的,如电子图书馆、电子书等,则应使之具有低价格、低硬件需求和高效率的特点。为了获得低价格,提高产品的竞争力,价格昂贵的国外地理信息系统开发工具可能无法满足要求。加上其系统功能较为复杂,不易掌握,无法根据用户的要求增删,故较不适用。反之,国内自主开发的地理信息系统工具可能是较好的选择。商业地理信息系统的发展是全球性的趋势,在国内也是发展的初期,国内业者如能把握这个机会,在房地产中介系统、电子地图、商店选址、银行贷款征信、有线电视管理、物流配送等方面开发相应的应用系统,将有效地增强自己的商业竞争力。

    我国的商业正迈向现代化及国际化,对于商圈及区域分析的需求强烈,如果政府能够建立共用性的资料并以合理的价格提供,将极大地促进商业地理信息系统的发展,在商业交往过程中发挥更大的作用。

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GIS应对新挑战 ———空间信息网格技术探寻

自从纸张发明以后,人类用纸质地图表示地理空间信息已有几千年的历史。电子计算机出现后,人们又开始在计算机中用离散而有拓扑关系的点串来描述点、线、面、体各种空间要素,这就出现了数字地图。信息技术发展到今天,数字地图已不是地理空间数据在计算机中唯一的表示方法,网格技术对原有的GIS提出了新的挑战。   
    GIS在过去10年内得到了极大的发展。但面对新技术,它还有许多局限。一是空间信息的利用率不高,各个部门建立的信息系统与地理信息系统难以相互利用,形成信息“孤岛”。传统的空间信息系统没能很好地解决空间信息的共享和利用问题。究其原因,主要在于GI S是面向空间数据,特别是地图数据的,而不是直接面向空间信息的。空间信息必须用某种算法由空间数据导出来。所以对用户特别是大型用户的大任务,它是不友好的,不方便的,也是十分费时的。二是目前的数字化地图还不能离开比例尺的概念。多比例尺的影像或DEM数据目前已实现了某种程度的互动,但目前还不能自动从影像数据中提取矢量数据,影像数据和矢量数据之间缺乏互动能力。三是我国在空间信息共享方面的标准制定工作相对滞后。为了实现网络环境下空间数据共享,还需要研究和完善空间数据元数据标准,制定地理空间信息编码规则,修改完善地球空间数据转换格式标准,修改完善基础地理信息符号标准,制定地理空间信息互操作标准等等。四是大地坐标系的发展的影响。大地坐标系即全球时空基准与框架总是随着技术进步而不断精化,它的变化给数字地图带来许多至今无法解决的问题。而且,由于GPS技术和整个卫星大地测量、卫星重力测量等技术的飞速发展,全球时空基准与框架不断精化,其周期越来越短,必将走向实时动态化。因此,以存贮某一坐标系下的坐标串为主要方式的空间信息系统已不能适应这种变化,需要从地理空间数据在计算机中的表示方法来寻求非地图表示的新方法。五是空间信息一般采用网格索引,由于GIS应用的逐步推广和关系数据库技术的发展,基于关系数据库或者对象关系数据库的空间数据管理正在逐步成为GIS发展的潮流。因此,研究基于关系数据库技术下的空间数据组织成为当前GIS研究的趋势。六是从空间仓库技术来看,GIS在取得巨大发展的同时,多维信息的空间分析能力不足以及空间分析的结果不实用越来越明显。在实际应用中,使用者不仅要从GIS中得到详细的多维信息,也要得到概括的多维信息,这些信息往往对提高空间辅助决策分析的能力非常有用。为此有必要引入数据仓库技术。数据仓库在空间数据库上表现为空间数据仓库。

  
    综上所述,从目前地理信息系统与相关技术的发展、相互集成中存在的问题和从数字地球到数字城市及其它应用所提出的要求两大方面来看,需要人们突破几千年来传统的以地图方式表示地理空间数据和信息的框框,去探求地理空间数据与信息在网络计算机系统中的新的表示方法,去创造与全球开展的网络计算相适应的空间数据表示的新方法。

  
    网格技术促进GIS的发展  

  
    地球空间信息多级网格中的“网格”与网格技术中“网格”是两个不同的概念,前者主要立足于对地球空间的划分、空间数据的组织以及检索等技术,而后者主要强调在广域网上整体资源的整合与利用。然而,在广域网络环境下的空间信息资源如何有效整合才能有利于空间信息的共享与利用呢?本文作者试图将“网格”的两种概念加以结合,以地球空间信息多级网格的空间划分、空间数据组织与表示方法作为网格节点上空间数据组织与管理的基础,便于网格计算环境下空间信息资源的整合、共享与利用。

  
    目前网格技术研究工作主要在网格计算、信息网格等方面。网格计算通过网络连接各类计算机(包括机群)、数据库、各类设备和存储设备等,形成对用户相对透明的、虚拟的、高性能计算环境,它的应用包括分布式计算、高吞吐量计算、协同工程和数据查询等诸多功能。网格计算被定义为一个广域范围的“无缝集成和协同计算环境”。信息网格是要利用现有的网络基础设施、协议规范、Web和数据库技术,为用户提供一体化的智能信息平台,其目标是创建一种架构在OS 和Web之上的基于Internet的新一代信息平台和软件基础设施。在这个平台上,信息的处理是分布式、协作和智能化的,用户可以通过单一入口访问所有信息。信息网格追求的最终目标是能够做到服务点播和一步到位的服务。信息网格的体系结构、信息表示和元信息、信息连通和一致性、安全技术等是目前信息网格研究的重点。

  
    空间信息多级网格理论方法体系的初步设想  

  
    空间信息走网格化道路是大势所趋,但是考虑到地球空间的自然特征、社会属性的差异性以及经济发展的不平衡的特点,本文提出一种适合网格计算环境支持下的空间信息多级网格技术。

  
    空间信息多级网格的核心思想是:按不同经纬网格大小将全球、全国范围划分不同粗细层次的网格,每个层次的网格,在范围上具有上下层涵盖关系。每个网格以其中心点的经纬度坐标来确定其地理位置,同时记录与此网格密切相关的基本数据项。落在每个网格内的地物对象记录与网格中心点的相对位置,以高斯坐标系或其它投影坐标系为基准。根据实际地物的密集程度确定所需要的网格尺度,如地物稀疏的地方只需要粗网格,而地物密集的地方则按细网格存贮空间与非空间数据。

  
    我国空间信息多级网格的体系结构包括:空间信息多级网格的划分,每个网格点属性项的确定,行政区划与空间信息多级网格对应关系的确定,基于网格计算技术的空间信息多级网格结构。这四项内容应当成为标准,数据采集、更新、维护、管理和使用部门均服从这个统一的空间信息多级网格标准,以利于网格分布计算。

  
    空间信息包括几何与属性数据按多级网格的存取与多比例尺地图空间数据库的区别在于所有数据直接由粗或细网格组成的统一网格系进行存贮、查询、分析和应用,而无需通过地图综合为每一级网格存贮一个完整的数据集,形成一个变网格的统一数据集,保证了数据的完整性和一致性。

  
    空间信息多级网格的信息表示、数据存储与快速查询技术以传统 GIS空间数据表示、数据组织和查询技术为借鉴,研究空间信息多级网格的信息表示、数据存储与快速查询技术。只有解决了这里所列出的技术关键点,空间信息多级网格才有可能成为现有数字地图和空间数据库的补充或替代产品并得到真正的应用。

  
    空间信息多级网格处理与分析技术分为网格层次和网格内部两个方面,一是网格内部的处理与分析,可以在传统GIS空间分析的基础上结合网格计算技术进行,实现空间网格信息节点内的处理与分析服务。网格层次上的处理与分析需要空间网格信息节点之间的协同,同时考虑空间信息多级网格的特点。这里的关键是使空间信息多级网格处理和分析技术有效地融合到网格计算的环境中,来满足经济建设、国防建设和面向全社会服务的需要。

  
    空间信息多级网格在宏观决策中的应用研究

  
    空间信息多级网格研究的主要目标是空间信息的共享与服务。以网格中心点为数据附属体,通过网格内部空间数据处理与分析,提供以网格为单位的主题数据,这些数据构成基于多级网格信息的基础,在软硬件环境的支持下,空间信息多级网格为国家和省市宏观决策提供空间信息服务。主要内容为面向国家和省市宏观决策的主题信息组织结构研究。研究主题可以面向教育、人口、资源环境、交通等领域。

  
    空间信息多级网格作为一种新的空间信息在计算机中的表示方法,其最主要而且最有效的应用应当是在国家和省市自然、经济、社会发展信息的及时获取、分析和在宏观决策中的应用。由于其数据结构比传统空间数据库更先进,在这类应用中空间信息多级网格将发挥其独特的优越性。

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GIS系统在灭火作战中的应用

GIS,全称Geographical Information System,即地理信息系统,简而言之就是电子版地图,本文就GIS系统在灭火作战中的应用情况,以及部分有待改进的方面作一探讨。

    一、导航功能
      
    一般情况下,驾驶员来到一个新的中队,需要花费至少一个月的时间熟悉管区路况,先是背一画三标,然后是跟车担任副驾驶,再单独上路。随着人员的精简,必然要求新驾驶员能够尽快投入战备,传统模式显然已不能适应现代快速作战要求,如果GIS系统能为驾驶员导航必将事半功倍。
      
    中队通讯值班室的接警系统在接到总队指挥中心的火警通知后,接警电脑上所显示的火警地址以及打印在出车单上的地图为通信员提供火警地址的方位和邻近的消火栓信息。但是一张A4幅面的出车单所能包含的内容非常有限,只能提供一个比较模糊的信息,在实际操作过程中仅仅起到参考作用,这显然有背于开发此系统的初衷。
   
     二、路况信息提示及联动功能、目标信息提示功能
      
    在前往火灾现场的途中,不仅驾驶员可以通过GIS系统了解道路状况,接受总队指挥中心的指示,中队指挥员同样可以在该系统上查询火场的相关信息。
   
    1、水源信息
      
    我们现有的GIS系统已经集成了消火栓的信息,但精度很差,且不包括为数众多的新村消火栓。火警出车单仅仅将该路段消火栓的数量标示出来,不能说明其具体的位置,主要还是依靠通信员为驾驶员提供火场附近可使用的消火栓的位置以便及时停靠消火栓保证水源供应。如果不能解决消火栓精确定位的问题,取消通信员编制后,中队在灭火战斗的展开中将面临极大的难题。
      
    使用传统的方法在地图上为消火栓进行精确定位是较为困难的,因为消火栓的目标相对较小,只要在制作地图的阶段有一点失误就会极大地弱化其信息提示功能。所以在制作消火栓信息的过程中可以使用GPS系统为其确定经度、纬度值,这样就可以在GIS系统上为驾驶员提供水源的精确位置。
   
    2、目标信息
      
    中队管区内的各级重点单位少则几十个,多的有几百个。基层中队干部流动性比较大,而中队的日常工作又十分繁杂,中队指挥员一般只是了解重点单位的地址、功能、水源等信息,对其内部结构所知甚少。不掌握建筑物内部结构的详细情况,内攻的时候就没有明确的目标,直接后果就是延误灭火、救人的时机。
      
    预案虽然可以为灭火救援提供较多信息,但要求中队指挥员将每个单位的预案都背得滚瓜烂熟也是不现实的。在出警途中,指挥中心完全可以将预案通过无线网络传送到消防车上的GIS系统中供指挥员参考,虽然时间较短,掌握的内容也有限,不过总比全无概念强。如果条件允许,对于一些非重点单位比如居民住宅也应将其基本的建筑结构情况存入数据库,这样可以大大增加内攻时的准确性,提高灭火作战的效能。
   
     三、参战力量部署
   
    在一些比较大的火灾现场,由于地形复杂、参战车辆比较多且应援力量到场时缺乏统一的指挥,车辆停放混乱的现象屡见不鲜。不仅影响应援力量的迅速展开,而且对参战部队自身安全也具有较大的威胁,当遇到爆炸、喷溅等险情需要撤退时就会挤在一起,延误时机。 
   
     四、车辆监督功能
      
    我们有些中队在应援其他中队的时候有一个通病,那就是出动慢,车速更慢,有的甚至可以低于40公里/小时。究其原因是我们在严格控制主管中队到场时间的同时,限于技术条件对应援中队没有时间上的限制,导致少数指挥员为了避免交通事故,提高安全系数而一味降低车速。对于这种现象,我们一方面要加强教育,另一方面就要建立完善的监督机制。使用车载GPS定位系统后,通过无线网络将车辆的行驶参数传送到指挥中心,每一辆消防车的具体位置和时速都可以显示出来,这样应援中队就会打消磨蹭的念头,在保证安全的前提下尽快赶到火场参与灭火救援行动。
   
     五、硬件要求
      
    根据该系统所需要实现的功能,结合车辆的实际情况,可以考虑使用掌上电脑(PDA)作为GIS系统的硬件载体。虽然笔记本电脑综合能力比PDA强,但在实际的使用中并不需要如此强大的功能,通过日趋完善的无线网络,绝大部分的数据都可以储存在指挥中心的数据库中,需要的时候再通过无线网络传送到PDA中。而且PDA比笔记本电脑具有便于携带,价格相对低廉的优势,且内置的操作系统因为是固化在芯片中所以不易被人为破坏。
      
    无线网络是保证该系统正常运作的基础,除管区地图资料外几乎所有的信息都要依靠无线网络传送。鉴于移动通信技术的不断发展,该模块应当是一个独立的设备,当出现更好的设备时可以将其单独更换。现在可以利用的较为成熟的无线网络有中国移动的GPRS和中国联通的CDMA 1X两种,后者传送速率较快但是网络的覆盖范围不如前者,在一些偏远地区会发生无信号或信号较弱的情况。所以现阶段首选GPRS网络作为信息传送的传送载体。

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地理信息系统(GIS)为国土安全服务

地理信息系统(GIS)用于国土安全(Homeland Security)由来已久。从社区治安、警察破案、救火防灾,1984年以来各届奥运会的安全、三涅岛核电站泄漏事故、1992 年Andrew 飓风、1994年南加利福尼亚Northridge大地震、1993和1995年密西西比河大水灾中GIS都发挥了积极作用。近两年来美国由于反恐怖活动的需要,与国土安全有关的项目更是蓬勃发展。
    知己知彼是国土安全的前题。GIS综合来源极为广泛的空间和属性数据,用于表达、分析和决策。这些数据,包括己方可供使用的资源和对方力量的分布;来自政府机构和民间组织;来自集中的大型数据库和完全分布在网络上的各种数据资源;还可以是历史背景和实时监测的信息。例如,数字城市的发展就为城市安全提供了数据基础。
    现代的GIS具备了可能条件下最完备的有关信息的收集整合能力。根据这些信息,有关部门可以预先分析该地区可能发生的变故,出事的类型和规模,进而拟定和推演相应的救急方案。GIS的强大分析能力以及多年来积累的丰富应用功能为国土安全提供了未雨绸缪的最好条件。这些防患于未然的分析研究又为不断改进准备工作指出了方向。
    万一突发事件来临,权威指挥机构可以运筹帷幄,基于可靠的数据,参考事先推敲过的应急方案,利用GIS的分析研究能力,作出尽可能正确的对策供决策者参考。一旦对策确定,GIS又能把方案具体化,产生出尽可能详细的行动指令通过网路送达各部门执行。力争在最快的时间作出最佳反应,战胜灾害,把生命财产损失降到最小。
    GIS对于大灾害后的救灾工作同样重要。灾民的疏散、救灾物资的分配、灾害后果的评估、保险费的发放和灾后重建的规划, 都需要GIS的支持才能做得又快又好。
    本文介绍GIS为国土安全服务的概念和主要服务领域,并介绍几个应用实例。

1 背景

    国土保安的目的是保护社区面对各种自然和人为的灾害,特别是各种突发灾祸事件,包括危害严重的火灾、水灾、地震、飓风、海啸和各种人为的犯罪恐怖活动。这些灾害会在短时间内直接对社区居民的生命财产造成损失,从而对社会安定造成很坏影响。
    国土保安一直是各国各级政府非常重视的任务和职责。美国在1979年成立了直接向总统报告的联邦紧急处理机构(FEMA)。自2001年9 月11 日之后,FEMA 得到了更大的重视。现在已经成为一个有2500常备人员和5000支援人员,装备精良、训练有素的救灾防卫力量。当前,美国已经成立一个更具权威的国土保安部(DHS),统辖协调22个有关部门,希望能更有效率地预防和对付各种突发事件。
    现在,重大国际活动场所的选择和成功举办、居民品评一个社区的优劣和企事业投资环境的考量,不仅要考虑硬件及软件环境,也会关心当地国土保安的效率和能力。例如,救急援助能在10分钟内赶到出事地点的社区就比半小时才能赶到的社区更有吸引力。
    由于国土保安需要在紧急状态下保护人民生命财产,所以高科技从一开始就被大量采用。
    本文简单介绍美国地方政府的国土保安和灾害应对体系,侧重于GIS 在其中的应用和功能。整个工作可以分为三个阶段∶灾害发生前的未雨绸缪;灾害发生时的决策对应;灾害发生后的救济复原。

2 灾害发生前的未雨绸缪

2.1 收集相关资料知己知彼

    灾害发生的原因很多,危害涉及面很广,突发事件更是迅雷不及掩耳。政府权威部门在抗灾决策之际和灾后赈灾时都要争分夺秒做出成百上千的决定并立即执行。总指挥部当机立断的依据是大量组织好的数据,以便准确无误地反映真实情况。这些数据既有有关部门专为国土保安和灾害应对准备的数据,
也有其他部门的可供分享的通用数据。这些数据可能存放在同一系统中,更可能要通过网络链接到远程数据源。现代的GIS非常适合于收集管理这些数据,包括它们的地理空间和属性。
    应该指出,当前正在蓬勃发展的各地区的GIS 项目(如数字城市),都能为国土保安和灾害应对做出贡献。地形、地质、水文、气候、植被、土地利用、居民分布、交通道路、地下管网、经济布局、商业点、建筑物等数据,都应该从已有的或有关部门将有的GIS随时得到。孤立地发展完全封闭的国土保安和灾害系统是很难成功的,最有效的途经是尽量分享其他部门现有的数据。这不仅能够事半功倍,还能确保数据的一致性和及时性。
    除了上列通用数据外,国土保安和灾害GIS系统还特别关注收集下列数据∶
    (1)高风险容易出事的目标∶火源(数量、分布及类型)、水源(供给范围、管道、闸)、监狱(人数、类型)、电力系统(供给范围、线路、枢纽)等。
    (2)需要重点保护救援的目标∶学校(人数、类型、上课时间)、医院(人数、类型)、居民点(人数、类型)、地标建筑物(人数、建筑图),交通枢纽(流量、结构)、专门人材(姓名、照片)等。
    (3)救灾力量的分布和规模∶警察局(人数、武器)、救火站(人数、设备类型)、医院(医生人数类型、床位数、医药储备量、设备)、交通工具(数量、类型)、救灾物资(类型、数量)、专门人才(专业、联系方法)、自愿人员(数量),上下级指挥部等。

2.2 数据和地图的准备工作

    一旦灾害突然发生,对地图和各种数据的需求量急剧上升。决策者、各部门指挥部、各执行任务分队、新闻机构、相邻居民都会急于得到最新地图,并要借用地图互相间传递信息,协同工作。国土保安和灾害GIS系统应该在平时尽可能准备好通用地图CD、程序和绘制流程以便立即供应。这些CD应该采用大家同意的数据格式,存放在大家约定的地方,各救灾中心的GIS应该都能够读取、修改和打印这些CD上的地图。基于当地特点,也要准备当地特别重要的数据地图,例如在地震区的断层图、海边的海岸线图、城市的街道中心线网络等。

2.3 预估灾害可能发生的种类和规模

每个地区都有当地的自然条件和人文历史背景,地方政府应该对当地灾害的类型和规模的风险精心评估,才能心中有数。
    1999年美国北卡洛利那州的新汉诺威县(New Hanover)作为FEMA 在全国的七个试验点之一,和美国海岸服务中心及N O A A 合作,协调政府部门和民间机构,为地方政府评估突发事件的风险积累经验。以这些经验为基础构成了一个工具包(CVAT)用于评价社区可能发生的风险。CVAT 包括GIS 软件(ArcView,ArcExplore)、数据、有关方法和入门训练,已经向全美近四千个地区推广,很多州政府和地方政府采用CVAT 作为参考模型建立自己的系统。

2.4 预估灾害可能造成的损失

    HAZUS 是F E M A 为地方政府提供的另一个灾害模型。基于大量的联邦国家标准和有关数据库,HAZUS能够预报社区由自然和人为灾害造成的损失。1999 年HAZUS只有地震损失模型,2003年将加上水灾损失模型,以后会逐步完善包括各类灾害的后果预报。

2.5 制定预防方案

    这是防患于未然的积极措施,目的是尽可能地通过平时的努力,降低灾害发生的风险。万一灾害发生,至少也减低灾害造成的损失。根据经验,预防方案的正确制定,很大程度取决于精确的灾害风险和损失预估。例如,砍掉杂草树丛是很好的防火预防措施,但是必需在正确的地段和正确的季节执行,否则就只不过是浪费时间和金钱。CVAT 和HAZUS为预防方案提供了一个可供选择的手段。
    应该指出,有的预防方案,甚至有必要提前到城市规划阶段实行,以便从根本上避免灾害的损失。或者通过保险费的升降,有意识地宏观调控城市发展方向,从而逐年改善本地区面对可能灾害的态势。

3 灾害发生时的行动决策

3.1 GIS 高速高效提供地图资料服务

这是最初对GIS期望最高的功能。果然,GIS从一开始应用于国土保安和灾害就发挥优势。例如,在2001年9月11日纽约遭到恐怖袭击时,当地的紧急管理中心(包括GIS的硬件、软件数据和大部分最新的基础地图NYCMap),也在世贸中心里同时被毁。这样,纽约市用于救灾的主力GIS消失了。数小时后,来自全国的GIS专家和设备汇集纽约,立即在曼哈登的90和92号码头建立了2个GIS中心,一个针对世贸中心废墟,一个针对纽约市。在FEMA 和纽约市救火部门(NYFD)的指挥下开始工作。
  G I S 中心首先立即复原NYCMap 作为基础地图,各个部门都把关心的特征套合到基础地图上,各部门之间有了一个空间信息交流的共同平台;第二个关键数据是世贸中心的建筑平面图和建筑工程图,为了指挥搜救和灭火,建筑平面图和建筑工程图的数据都由CAD格式立即转为GIS可用的格式;第三步是建立NYCMap 和其他遥感资料的套合流程,以接受不同飞行平台每天收集的更新资料,产生最新的报告发往州政府。GIS中心高效率的工作支持了救灾的顺利进行。

4 灾害发生后的救济复原

    日本神户大地震后的一个沉重教训是救灾援助到达灾区太慢,不少灾民并没有因地震本身受难,但却因救灾援助姗姗来迟而不治。我们还没有办法防止所有的突发灾害发生,但是,依靠GIS的帮助,我们有可能把灾后援助做得又快又好,力争减小二次灾害的损失。

4.1 确认救灾重建的目标

    救灾和重建家园涉及大量的金钱、物资和人力,尽可能准确无误地确认救济的目标、规模和类型是成功的关键。GIS可以集成灾前的数据和灾害中收集的数据,分析出受灾范围和严重程度,从而辅助决策者确定救济数量和路线。

4.2 建立救灾辅助中心

    如果受灾范围过大,救灾物资的直接发放效率太低,就要立即考虑在适当分散地点建立救灾中心,
以保证救灾物资和医药尽快到达灾民手中,GIS可以帮助合理地选择设立救急中心。

4.3 选择最佳运输路线

    大型运输飞机和大型车辆都只能把物资运到大型集散基地,然后要转运到中小型运输工具上散发到辅助救灾中心,再发给灾民。考虑到灾区的交通条件,最优化地确定运输计划,选择最佳路线,把救济真正地立即送到每家每户灾民手中,避免灾后的二次受害。无可置疑,GIS又可以在这个方面发挥作用。
    GIS 以它出色的空间数据处理能力、在灾害发生前、发生时、发生后,都能为救灾防灾减少生命财产损伤起到关键的作用。

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GIS 与Oracle 数据库空间数据格式的转换

摘要] MAPGIS 软件支持多种GIS 数据交换,且其明码数据格式较全面、清晰,易于读写。本文以MAPGIS 明码数据格式和Oracle 数据库为例,研究通过编程实现ASCII 码格式的空间数据上载Oracle Spatial 数据库的方法,探讨各类GIS 软件与Oracle Spatial 进行空间数据交换的基本过程。
[关键词] GIS; 空间数据库; Oracle; MAPGIS
[中图分类号]P208 [文献标识码] B [文章编号]1001-8379(2003)04-0178-03
STUDY ON TRANSFORMATION OF SPATIAL DATA BETWEEN GIS AND ORACLE
LI Jing-wen CHEN Da-ke TANG Qun(Department of civil Engineering, Guilin Institute of Technology, Guilin 541004 China)
Abstract: The software, MAPGIS, supports many kinds of GIS data format. It’s public data format is comprehensive,clear and easy to be understood. The article, based on the MAPGIS’s public data format and Oracle Spatial Data
format, describes how to upload spatial data with ASCII into Oracle Database, and studies the basic procedure of every other kind of GIS software exchanging spatial data with Oracle Spatial.
Key words: GIS; Spatial Database; Oracle; MAPGIS
1 概述
    近几十年来,由于社会应用需求的增长和多年研究工作的积累,地理信息系统(GIS)技术有了明显的进步,正朝着跨平台运行、分布式处理、开放式开发、网络化集成的方向发展。从空间数据管理角度看,GIS 已经从纯文件方式管理图形数据和属性数据向图形数据文件方式管理和属性数据关系型数据库管理方式发展。然而由于GIS 的图形数据格式多样,图形数据用文件来管理的模式给信息共享带来了极大不便,特别是随着GIS 应用领域的不断拓宽,数据量的快速增大,在实现数据共享、网络通信、并发控制及数据安全恢复机制等方面呈现出明显局限,出现了诸多难以解决的问题。
   目前,大多数GIS 软件都逐渐倾向于采用空间数据与属性数据一体化的管理方式,而且选用Oracle 数据库作为存储空间数据和属性数据的数据库管理系统,特别是Oracle 推出Spatial 之后,基于Oracle Spatial 的空间数据管理方式逐渐被认同[1]。然而,由于各个不同的GIS 软件的数据存储结构是封闭的,各自采用不同的数据格式,在数据上载Oracle Spatial 中存在数据语义表达的不一致性,彼此之间难以实现数据互访,并且用户又难以控制,本文针对这一问题以MAPGIS 平台和Oracle 数据库为例探讨GIS 软件与Oracle 数据库数据交换的方法。
2 MAPGIS 明码格式
    MAPGIS 的明码格式数据接口是一个开放式的软件数据接口,用户用其他软件获取的数据只要按照明码格式写成图形文件,就可以由MAPGIS 系统读取。其明码数据格式是ASCII 码的文件,较全面、清晰,且以点、线、面分开的方式存储空间实体,易于读写。下面以线文件为例,分析其明码数据格式的构成。线文件结构如下:
逻辑结构:文件头 线数 1 号线 2 号线......  
具体为:
文件头, 8 个字节WMAP9021
线数n
1号线线型号辅助线型号颜色
线宽x系数y系数辅助色
图层透明输出
线点数m1
x x1y1; x2y2;…; xm1ym1
ID 线长度
2号线线型号辅助线型号颜色
线宽x系数y系数辅助色
图层透明输出
线点数m2
x x1 y1; x2y2; …; xm2 ym2
ID 线长度
……
n号线线型号辅助线型号颜色
线宽x系数y系数辅助色
图层透明输出
线点数mn
x1 y1; x2y2; …; xmn ymn
ID 线长度
3 Oracle Spatial 数据结构
   在Oracle Spatial 的对象—关系模型中,一个空间实体的空间信息是存储在字段类型为SDO_EOMETRY 的对象类型记录中。SDO_ GEOMETRY 在
Oracle 中的定义如下:
CREATE TYPE SDO_GEOMETRY AS OBJECT(
SDO_GTYPE NUMBER,
SDO_SRID NUMBER,
SDO_POINT SDO_POINT_TYPE,
SDO_ELEM_INFO
MDSYS.SDO_ELEM_INFO_ARRAY,
SDO_ORDINATES
MDSYS.SDO_ORDINATE_ARRAY);
在MAPGIS 明码数据上载Oracle Spatial 之前,先在Oracle 中建立与MAPGIS 明码格式相一致的空间类型信息和图形属性信息库结构,见表1 所示:
                   表1 线信息数据库结构
名称数据类型含义名称数据类型含义
Line_ID GUID 线对象代码Line_WD int 线宽
Line_xy GEOMETRY 坐标序列Line_X float x 系数
Line_TID Int 线型号Line_Y float y 系数
Line_TFID Int 辅助线型号Line_CLR int 辅助色
Line_CL Int 颜色Line_OUT log 透明输出
Line_LAY char 图层Line_LEG float 周长
4 空间数据引擎实现方法
4.1 基本过程
    目前,各类专题空间数据库建立的过程包括技术设计、资料准备、数据获取和数据入库等内容。数据的获取常可利用现有的GIS 软件如GeoStar、MAPGIS、SUPERMAP、ARCGIS 等来实现,获得的数据通过某一空间数据引擎(如Easyloader)上载到Oracle 数据库中,实现利用Oracle Spatial 存储、管理空间数据。MAPORA 引擎是把MAPGIS 的明码格式通过编程实现空间数据上载Oracle Spatial 的一种方法,其具体过程如图1 所示[2]:
4.2 实现程序代码
    1)利用Oracle JDBC 驱动程序连接Oracle 数据库。其java 程序段如下:
myconnection=DriverManager.getConnection(
“jdbcracle:thinlocalhost:1521rcl”,
“scott”
“tiger”);
    2)使用CREATE 语句创建数据库表单:
CREATE TABLE F001B (
Point_id INTEGER CONSTRAINT PRIMARY
KEY,
Point_xy MDSYS.SDO_GEOMETRY,
file://坐标对字段的定义
Point_TID INTEGER,
file://线型号字段的定义
Point_TFID INTEGER,
file://辅助线型号字段的定义
......);
    3)读取MAPGIS 明码格式后,写入Oracle 数据库中:
INSERT INFO F001B valueS(
1,
MDSYS.SDO_GEOMETRY(
SDO_GTYPE = 2001
SDO_SRID= NULL
SDO_POINT = (1,1,NULL)
SDO_ELEM_INFO = NULL
SDO_ORDINATES = NULL)
12,
20,
......);
5 数据应用
    目前,虽然GIS 软件产品较多,但由于GIS 应用于各行各业,不可能解决所有的专业问题,还必须根据用户的实际需要进行开发,例如MapInfo 公司提供的MapBasic、MapX,ESRI 公司提供的AVENUE、ArcObjects 等语言和开发组件都方便用户进行二次开发。
    MapX 是一个基于Windows 操作系统的标准控件,不仅支持Visual Basic、Delphi、Visual C++等面向对象语言,而且支持Oracle Spatial。本文利用Oracle 数据库存储空间数据,利用MapX 控件和Visual Basic 语言实现空间数据的交换及应用开发,其过程如图2 所示。
6 结论
    1)采用Oracle Spatial 存储、管理空间数据,易于解决数据共享、分布式处理、网络通信、开放式开发、并发控制、网络化集成、跨平台运行及数据安全恢复机制等方面的难题。
    2)MAPORA 数据引擎为用户提供了ASCII 码格式的空间数据上载Oracle Spatial 的一种便利方法,用户可以把通过野外测量或其他途径获取的数据较方便的上载到Oracle 数据库中,同时用户又可以通过SQL 语言操作数据库,实现远程数据的应用。

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GIS环境下面向地理特征的制图概括的理论和方法

提 要 制图概括(制图综合)一直是地图学的瓶颈问题,近年来又成为国际GIS领域内的热点和前沿问题。本文从信息机理、理论模式、数学模型与知识法则相结合的方法,以及制图概括集成模块研制等方面探讨了GIS环境下面向地理特征的制图概括的理论和方法。本文认为,对地理特征和地理规律的科学认知(即地理认知)是地理图或地理数据库制图概括的主客观依据,GIS环境下制图概括的动机不再仅仅是为适应比例尺缩小后的图面表达,制图概括也不仅仅是为了地理数据表达而进行的数据和图形转换,而是一种具有GIS数据表达、数据深加工等多种功能的数据转换方法和技术手段。传统的“从图到图”的观念限制了制图概括自动化的发展,只有把源数据(地图或已有数据库)放在GIS的数据库环境下,分地理数据深加工和图形表达两个阶段,依据地物的“对象-类”的继承和归并模式,把GIS工具、数学模型库和专家系统三者集成到一起,方能使该问题得到合理的解决。
  关键词 制图概括(制图综合) 地理信息系统 面向地理特征
1 引言
  作为地图学的核心理论和方法之一,制图概括①始终是地图学家们所关注的焦点问题;近30多年来,制图概括的自动化一直是人们追求的目标,近年来又成为GIS研究领域内的热点和前沿问题。然而对制图概括问题的解决远没有达到人们所期望的程度。究其原因,一方面在于制图概括问题本身的复杂性,使得人们无论在理论上还是在实践中,都不可能将这一高度依赖于主观判断、带有强烈智能化色彩的问题在一朝一夕、仅从某个狭窄的突破口加以解决;另一方面,也在于以往研究中存在一些偏差,例如:过分依赖于计算机图形学方法,研究的重点长期停留在线划图形概括的算法上,因而忽视(或重视得不够)地理规律对制图概括的指导作用;把GIS与机助制图割裂开来,只认为地图的图形概括是制图概括,不承认数据库的概括(或称地理要素的语义概括)也是制图概括的组成部分,因而也就否认了GIS的分析功能在制图概括过程中的重要意义;在制图概括手段上或者只注重数学模型方法,或者只研究专家系统方法,而没有将两者结合在一起。  本文研究的方向是“GIS环境下面向地理特征的制图概括”(GGGEN)。其具体含义有两个方面:
  (1) GIS环境下的制图概括。这又包含二层含义:其一,制图概括应该是GIS系统的组成部分或应具备的功能。GIS中需要制图概括,是近几年来才被人们认识到的。一方面,出于节约成本、减少数据采集量的考虑,人们逐渐认识到了数据库“一库多用”的重要性;另一方面,GIS的空间分析结果只有用通过恰当的制图表达,才具有最优化的可读性,而按地图要求进行表达,就必然要使用制图概括手段。因此,本文所述的“制图概括”是GIS系统中的制图概括,其含义比传统地图学中的制图概括概念丰富。其二,通用GIS软件中的某些空间分析工具可以用于制图概括操作。从这个意义上讲,“GIS环境下的制图概括”又可以被理解为“GIS环境支持下的制图概括”。
  (2) 面向地理特征的制图概括。“面向地理特征的制图概括”一词也有两层含义:其一,地理制图中的制图概括必须以地理规律作为指导,在对地物对象实施概括时,必须顾及到它们的地理特征(如空间维数、空间分布、空间相互关系、类型和等级等)。其二,制图概括的结果又反映了地理规律。不仅概括后的地图更加突出了地物的地理特征和地理规律,而且概括后所形成的系列地图也从大、中、小不同尺度(指比例概括)反映出地物特征的层次性,或通过不同要素的组合(指目的概括)反映出地理要素间相互关系的各个侧面。
  为方便起见,“GIS环境下面向地理特征的制图概括” 用缩写词“GGGEN”表示,它由GIS、Geography两词的第一个字母和Generalization一词的前三个字母组合而成。
2 GGGEN过程中的信息
2.1 对地理客体的科学认知:GGGEN的主客观依据
  地理认知与制图概括是地理信息传输过程中两个不同层次的信息处理子过程。地理认知偏重于心理感知和分析,认知者既感知图上明显的信息也挖掘潜在的信息,不仅仅是探测、识别或区分信息,更要主动地解译信息,形成对客观世界的整体认识。从地图学者在编制地图时的地理认知,到用图者在读图时的地理认知,这整个过程反映了人对地理客体的认识由浅入深的特点。因为从原始制图资料到地图再到新地图的地理信息传输过程,正是人们对地理事物的认知深度的螺旋式上升过程[1]。制图概括则在地理认知的基础上对上述信息进行抽象和概括,形成对应于特定的制图目的,适合于在一定比例尺下显示的地理要素的分类、分级和空间图形格局。因此,地理认知是制图概括的主客观依据,而制图概括则是在认知过程中对地理客体的科学抽象和概括。
  之所以说地理认知是制图概括的“主客观依据”,一方面是因为制图概括本身就是一个主观与客观相统一的过程,另一方面则在于制图工作者或GIS专家在地理认知中不仅全面、综合地分析和理解地理环境,进而实施制图概括这项“科学的创造性的劳动”[2],而且其认知中还包含了对一些客观的制图标准和规范的接受或认同。
  作为制图概括的主客观依据,地理认知贯穿于制图概括的整个过程。具体来看,它表现在地图设计阶段,对制图概括原则、内容、分类分级指标的“构思”上,以地理认知中所获得的关于地理环境的系统功能、层次结构、各要素的组合关系等的知识为指导。在地图编绘即制图概括实施阶段,对地图要素的选取、数量和质量概括、图形简化等“构图”操作上,一方面在处理符合概括指标的要素或图形时能够进一步体会地理认知的控制和指导作用,做到心中有数,操作正确,不致于误解概括指标和规则;另一方面在遇到概括指标没有详细规定到的要素或图形,或者某地物与多项指标均符合,难以决断时,就要根据自己对制图对象的理解来灵活处理。在校验地图阶段,对于以图形方式呈现在面前的地理客体及其相互关系,能够加深对地理环境的理解。当发现成图所反映的与自己理解的地理规律不一致时,可以深入探究原因,如果属于地图表达错误,返回到设计阶段修改概括指标,重新进行制图概括;如果系自己理解错误,则可从形象、直观的地图上纠正自己的概念。
2.2 对地理客体的空间概括和过滤:GGGEN的信息加工功能
  GGGEN的信息加工功能分为两种:一是对地理客体空间分布格局的概括,二是对复杂地理信息的过滤。
  GGGEN对地理客体空间分布格局的概括表现在两方面:一是对地理客体的地域分异格局的概括,即在综合自然地理学和景观学派[3,4]关于地物的类型和等级体系的划分理论基础上,从地图学和GIS中对于特定的空间尺度和空间等级单元存储和表达的内在要求出发,应用一系列概括手段,从较大比例尺地图或源数据库中提取或派生出包含与新比例尺相适应的2级~3级地理景观单元的地物数据的较小比例尺地图或数据库,反映地物“等级分辨率”体系[3]规律,满足GIS空间分析和信息表达的需要。二是对各种点、线、面状地物在空间上的位置格局和相互间的拓扑关系的概括。其中地物的空间位置格局既指地图上点、线、面状地物所组成的空间分布图形(如岛状、斑状、扇状、环状、带状、层状、交叉状等),也指它们在空间上的距离远近对比、分布密度对比等。而地物间的拓扑关系则指点、线、面三类地物相互间的相交、相切、相割、相邻、包含等关系。在制图概括中,图上或数据库中的某些细节地物可能被删除,地物的形状可能被简化,某些图斑也可能被合并,为了协调地物间的关系还有可能对某些地物实施移位处理,但地物的空间分布图形特征、距离和密度对比以及相互间的拓扑关系必须保持;而且对地物概括的程度越高,对其本质的和核心的空间位置格局特征的抽象程度也越高。
  GGGEN对复杂地理信息的过滤是从信息熵的角度来考察的。即当地理信息通过有噪声信道(与原信息量不相适应的缩小了的地图幅面或新的信息需求)时,制图概括的作用是经过适当的编码,从信源熵(输入信息)中剔除条件熵(失去的信息),最大程度地消除信源信息的不定度,得到相互信息(核心的和必要的信息)。虽然在传输过程中信息有所损失,但复杂而模糊的信息得到过滤,变得脉络清晰,重点突出。GGGEN的信息过滤特征表现在:通过信息编码的归类和按类选择性过滤完成对地理信息的取舍;通过增大类间和级间差距、限制相关信息的扩散和重叠来实现地理信息的质量、数量概括;通过减少不肯定熵(条件熵)、夸大符号之间的区别或它们之间的空间距离,达到协调地物关系的目的。
2.3 对地理数据深加工后的可视化:GGGEN的梯级实施
  制图概括是分阶段实施的,并与地理信息的可视化问题密不可分。这是GIS环境下的制图概括区别于传统制图概括的重要特征,也是近年来人们对制图概括的新认识。
  首先,在GIS环境下存在两种意义上的制图概括,它们分属于以下两个不同的阶段:第一阶段是数据的语义概括过程。即对客观真实世界进行概念层次上的概括性模拟或模型化,用于产生并突出地理目标的结构和相互间的关系。方法是利用GIS数据库作为输入源,采用选取/删除、类型合并和等级合并等处理,产生派生数据库。该阶段不考虑图形显示方面的问题,因此又被称为“模型概括”[6]。第二阶段是数据的图形概括过程。即为了视觉表达而对上述派生后的数据库进行的图形表达和概括处理,主要是表示方法的改变、符号化(或重新符号化),以及符号化过程中的图形概括(简化、移位、合并、夸大等),进而生成符合制图规范和可视化原则的地图。
  其次,在制图概括的梯级实施过程中,可视化原则起着十分重要的规范化指导作用。这是因为可视化的双重功能与制图概括的两个阶段紧密相关,即语义概括阶段体现了可视化的知识探索和信息分析功能,图形概括阶段则体现的是可视化的信息传输功能;制图概括两个阶段的目的都是为了更好地可视化(即更好地分析和表达地理现象的规律)。这种指导作用主要表现在以下三个方面:①科学性指导。即判断地图要素的分类分级方案、符号梯尺的设计和应用、表示方法和符号设计的科学性和合理性;②信息传输效果指导。即判断地制图概括过程中,图上各视觉变量及其组合传输地理信息的有效性;③艺术性指导。要求在制图概括过程中贯穿审美原则,达到色彩既合谐又明快,符号造型形象生动的目的。
  可视化原则的指导作用体现在制图概括的各个阶段:在语义概括阶段,如何对地理要素实施选取/删除、类型合并和等级合并等操作,应遵循可视化的科学性原则,以突出地理目标的结构和相互间的关系为目标。当第一阶段完成后,由于许多地物被删除,制图对象的空间结构虽未发生大的变化,但信息量减少许多,地图所表现的重点由较全面的细节变为带有总览性质的地理规律。这时就有可能在第二阶段重新设计表示方法,以适应新图的特点。而采用何种表示方法为好,就需要根据可视化原则进行全面衡量。同理,如果在第一阶段采用了新的分类和分级方案,关系数据库中的若干个等级较低的地物类型被某一个较高等级的类型代替,地物较详细的数量分级也被较概略的分级所取代。这时就需要进行符号化和重新符号化。而符号设计和运用得当与否,也须有可视化的原则作指导。在图形概括阶段,从表面看,曲线的化简、特征点的夸大、图形合并、移位等项操作是按照事先确定的制图概括原则和指标进行的,但实质上可视化的规范化指导作用渗透于其中。特别是在移位处理中,为了协调要素间的位置关系,要利用对不同要素重要性的理解来解决何者移位、何者保持原位、位移量多大等问题[7]。
3 GGGEN的理论模式
  按照从总体到局部、从概括到具体的顺序,GGGEN的理论模式由以下四个层次构成:
  第一层次是“从数字景观模型到数字制图模型”的数据库模型框架。其中数字景观模型(DLM) 用于描述地理数据库,数字制图模型(DCM) 用于描述地图数据库。前者存贮的数据是以实体(Entities)形式描述地理客体的精确位置、形状和属性,以及实体之间的空间关系(拓扑结构)、变化过程等,而后者则在比例尺的要求下以符号的形式反映上述内容。
  GGGEN实质上是从DLM向DCM转化的过程。其语义概括阶段是在DLM中进行,图形概括阶段则包括从DLM向DCM的转换(即符号化、重新符号化)和由前一个DCM向后一个DCM转换的整个过程(见图1)。
  第二层次是“基于主导数据库的多重表达”的数据库层次结构框架。即以全要素大比例尺的主导数据库为基础,从中派生出一系列不同比例尺或不同分辨率的数据集[9]。这些数据集以一定的联接关系集合成一个整体,组成一个“多重表达数据库”。换而言之,多重表达数据库存贮的是相同地理客体在不同比例尺或分辨率下的不同表现形式。在这种具有层次结构的数据库的生成和维护中,都离不了制图概括。其数据流程见图2。
  第三层次是基于知识和地理目标的过程框架,由结构识别、过程识别、过程模拟、过程执行、数据显示5个步骤组成(见图3),步骤名称前分别用字母a,b,c,d,e标注。详细内容见本文第4部分(图5)。

图1 从数字景观模型到数字地图模型
Fig1 The scheme from DLM to DCM

图2 基于主志数据库的多重表达数据流程框架
Fig2 The scheme of master database multiple representation
图3 基于知识和地理目标的过程框架
Fig3 The scheme of knowledge & object-based procedure
  第四层次是“对象-类”的继承和归并模式,是对地理客体的抽象描述模式。对地物地理特征的科学描述,以及以此为基础而进行的地物类型、等级层次关系的继承和归并(见图4),是面向地理特征的制图概括的一个核心的理论支撑。首先把客观世界分解并描述为一系列地理实体,继而在数据库用点、线、面、属性等数据对象来描述上述地理实体。然后从数据对象中抽取出“地理要素”,接着便对地理要素进行“对象-类”的描述(包括地物定义、地物类别描述、地物等级描述和要素空间关系描述等)。有了地物“对象-类”的描述,就可实施数据库中的语义概括(包括取舍、类型归并和等级合并)。所形成的新数据库既可用于数据分析,也可直接显示成地图形式。这反映了GIS环境下制图概括的灵活性——可以只做数据库中的语义概括,也可以进行从语义概括到图形概括的整个过程。图形表达的第一个步骤是对新数据库进行地理量度描述(包括名义、顺序、分级、比率4种尺度);第二步骤是按照地理量度描述把数据符号化(地图符号表达)。然后就需要对数据实施图形概括(如重新符号化、图形简化、图斑合并、特征点夸大、移位等)。整个过程体现了对地理客体进行抽象描述的模式。其中“地理实体→数据库对象→地理要素→对象-类描述→语义概括”属于对地物“对象-类”的归并过程,“地理量度描述→地图符号表达→图形概括”则属于“对象-类”的继承过程。

图4 地物“对象-类”的继承和归并模式
Fig4 Generalizing model of geo-object and class inheritance and incorporation
4 数学模型与知识法则相结合的GGGEN方法
  在信息机理和理论模式的指导下,本文采取的GGGEN实施方法的核心是将知识推理方法与数学模型方法相结合(见图5)。两种方法各有长处,在GGGEN中是互相补充、紧密配合的。缺少两者之一,制图概括都不会有令人满意的结果。总体来看,数学模型方法主要用于具体的操作过程,例如用方根模型、回归模型、模糊综合评判模型、等比数列模型等完成取舍操作,用Douglas-Peucker模型、分形分维模型、数学形态学方法等完成形状简化操作,用空间聚类模型完成地物分级分类概括,等等;知识推理方法则用于过程判断、过程之间的连接等智能化的操作。

图5 知识推理与数学模型方法相结合的GGGEN流程
Fig5 GGGEN flow-chart of knowledge reasoning conbined with math model operation
  具体而言,知识推理主要用于:①结构识别,即从原数据库中和原地图上对地物的地理特征进行判定,包括识别地物类型、地物等级、空间位置、与其它地物的空间关系以及确定地物的重要性等。在结构识别之前,必须在知识库中对地物的地理特征进行描述,建立基于地理特征的“对象-类”知识。结构识别的结果是确定被处理的对象(地物)。②过程识别,即确定对所选定的对象进行何种概括处理(概括行为判定),概括过程会给(新)目标数据库或地图带来什么样的结果(概括结果预测)。过程识别的标准分为图形显示限制、地物地理特征的保持、地图或数据应用要求、操作过程特征4个方面。根据上述判定和预测,确定应该采用的操作项(过程)。③过程模型化,即分别为知识规则驱动操作和数学模型处理两种概括方法选择具体的操作规则和数学模型,并确定运行时应取的参数。过程模型化的结果是确定了规则、模型和参数。④概括质量的判定,即对概括后的新数据库或新地图的质量进行检验和判定。判别标准包括地物类型和等级体系的一致性、景观特征的保持、地物之间协调关系的保持、几何精确性与地理规律真实性的统一、表达清晰性与内容完整性的统一五项。这一步骤中的知识规则十分复杂,因为五项判定标准都是定性的、模糊性的指标,必须把它们分解成一步步可形式化的逻辑段落。⑤决定下一步概括行为,即通过④得出“满意”或“不满意”的结论后,判断下一步应该采取的概括行为。如对本次概括不满意,则须修改本次方案并重做本次概括;如对本次概括满意,但整个制图概括任务还没完,则选择下一个地物或对本次选定的地物进行另一项操作;如果整个概括任务已经完成,且经概括质量判定达到“满意”结论,则结束整个制图概括任务,产生(新的)目标数据库或目标地图。
5 GGGEN方法的实现与应用
  本文实现GIS环境下面向地理特征的制图概括的方法途径是把GIS工具、数学模型库和专家系统三者集成到一起,形成GIS软件包中的一个模块。图6是该模块的粗略结构图。

图6 GIS中制图概括模块的结构
Fig6 Structure of GGGEN module in GIS
  从图6中可看出,GIS中制图概括模块主体部分由“GIS工具”、“制图概括操作工具/数学模型库”和“制图概括推理机/知识库”三个组份组成。它们各自完成特定的功能,形成一个有机的整体。具体来讲:
  (1) GIS工具的功能:①接收并组织、管理输入的数据;②通过对地物的空间和属性查询来辅助推理机进行推理判断;③通过对地物的空间和属性查询来辅助模型方法的概括,并做补充性操作;④输出处理结果。
  (2) 制图概括推理机/知识库的功能:①根据GIS工具的查询所得出的结果识别地物结构和特征;②经过推理判断,选择操作项和数学模型。
  (3) 制图概括操作工具/模型库的功能:实施制图概括操作并把概括结果返回给GIS系统。
  本实验用MGE作为GIS工具和技术开发平台。建立的知识库包含三类知识和规则,一是地物地理特征“对象-类”知识,二是基础的GGGEN知识规则,包括“结构识别”、“过程识别”、“数学模型选择”等方面,三是专用型知识规则,包括面向地理要素的综合性知识规则、面向我国典型地理区域的制图概括知识规则。建立的数学模型库中除了常用的取舍、形状简化模型外,还采用了一些新的制图概括模型,如图论模型、分形模型、数学形态学模型、滤波模型等。
  作者应用上述制图概括模块进行了两个典型区域的实证性研究,一是以冀北山地及其山前平原基本地理单元和水系图(即延庆幅)为例进行目的综合、比例综合,以及河、渠、水库的概括和相互协调处理,实现GGGEN对区域自然景观特征的多数据层表达和系列图表达;二是以珠江三角洲经济区交通网络为例,进行主导数据库的交通网多重表达实验,实现GGGEN对区域人文景观特征的反映。两个实验均得到了很好的效果。
参考文献(References)
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THE THEORY AND APPROACHES OF GEOGRAPHIC
—FEATURE ORIENTED GENERALIZATION
IN GIS ENVIRONMENT
Qi Qingwen
(“3S” Center of Civil Engineer Department, Tsinghua University, Beijing 100084)
Liu Yue
(Institute of Geography, Chnese Academic of Sciences, Beijing 100101)
  Key words Cartographic generalization, GIS, Geographic-feature oriented generalization
Abstract
  Cartographic Generalization has long been the key problem in cartography, and are becoming one of the most attractive and leading problems in the international realm of GIS. This paper sumarizes the author''s research on the theories and approaches of Geographic-feature oriented Generalization in GIS environment (GGGEN). The paper contains five parts, i.e., the information mechanism, the theoretic models, the method of mathematic models combined with knowledge rules, and the development of integrated module of generalization of GGGEN. The author''s conclusions are as follows: ① Scientific cognition on geographic feature and geographic regularity, i.e., Geographic Cognition, is the subjective and objective basis of generalization for geo-maps or geo-databases, and it goes through each mapping stages, e.g., the designing stage, the map constructing stage, and verifying stage. ② The motives of generalization in GIS environment are no longer for only adapting graphic representation with the decreased scale, and generalization is a kind of method and technology not only for data and graph transformation for geographic data representation, but also for GIS data processing, integration, analysis and database derivation. The functions of GGGEN''s information processing include its generalization on the spatial distributive pattern of geo-objects and its filtering on the complex geographic information. ③ The traditional concept of generalization, i.e., transformation from one paper map to another, is an obstacle of automated generalization, which should be realized in GIS database environment, through two stages as data processing and graphic representation, on the model of “object-classes” inheritance and mergence, using the technology of integrating GIS tool, mathematic model base and expert system. That is to say, GGGEN is a kind of stepped information processing, which starts from geo-data analysis and treatment in database, and ends at geo-data visualization, i.e., graphic representation. The visualization principles have very important guidance to generalization. ④ From concrete view to detailed view, there are four levels of theoretic models for GGGEN, in which the first level is the database model scheme, i.e., the scheme from DLM to DCM, the second level is database hierarchical structure scheme, i.e., the scheme of Master Database Multiple Representation, the third level is the scheme of Knowledge and Object Based Procedure, and fourth level is the Generalizing Model of Geo-Object and Class Inheritance and Incorporation, which is the kernel part of Geographic-feature Oriented Generalization. ⑤ The combination of mathematical models and intelligent rules should be, and really is, a kind of prosperous approach to automatic generalization, in which the former function acts as concrete operations, while the latter, including structure recognition, course recognition, course modeling, assessment of final output, decision of the next operation, deals with the judgment and linkage of various operations. ⑥ By using the GGGEN module in GIS, which includes a generalization operator set with the Math Model-base, a generalization inference engine with the knowledge-base, and a GIS tool set with GIS environment, the author obtain satisfactory results for representing the natural landscape feature of Yanqing County, Beijing Municipality, and the humanistic landscape feature of transportation network in Zhujiang Delta Economic Zone.
作者简介
  齐清文,男,1963年生,1981年~1988年就读于陕西师大地理系,先后获地理专业学士和地图学与遥感专业硕士学位,1988年7月~1993年8月在湖南师大地理系任教(助教、讲师),1996年获中国科学院地理研究所理学博士学位,1996年10月~1998年9月在清华大学土木系“3S”中心进行博士后研究工作。主要从事GIS、遥感和地图学的理论、方法和技术及其在城市建设中的应用性研究。先后在国内外学术刊物和学术会议上发表20余篇论文。
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GIS空间数据的误差校正

摘 要 主要介绍了图形输入过程中引起误差的原因、误差校正的原理及一些常用的误差校正方法,特别是在MAPGIS中应用的分块误差校正方法,实践表明效果很好,最后还简要地介绍了图形精度的评价. 关键词 数字化,控制点,误差校正,数据精度. 中图法分类号 TP391.41 第一作者简介 樊文有,男,助理工程师,1970年生,1992年毕业于中国地质大学(武汉)计算机系,获学士学位,主要从事计算机制图及地理信息系统的研究与开发工作.   现代计算机技术和自动控制技术的发展,使机助制图技术发展很快.机助制图主要可分为编辑准备阶段、数字化阶段、计算机编辑处理和分析实用阶段、图形输出阶段等.在各个阶段中,图形数据始终是机助制图数据处理的对象,它用来描述来自现实世界的目标,具有定位、定性、时间和空间关系(包含、联结、邻接)的特征.其中定位是指在一个已知的坐标系里,空间实体都具有唯一的空间位置.但在图件数字化输入的过程中,通常由于图纸变形等因素,使输入后的图形与实际图形所在的位置往往有偏差,即存在误差.本文主要介绍数字化过程中产生的误差和误差校正的方法以及对误差精度的评价. 1 图形数据误差    图形数据误差可分为源误差、处理误差和应用误差3种类型.源误差是指数据采集和录入过程中产生的误差,如制图过程中展绘控制点、编绘或清绘地图、制印和套色等引入的误差,数字化过程中因纸张变形、变换比例尺、数字化仪的精度(定点误差、重复误差和分辨率)、操作员的技能和采样点的密度等引起的误差.处理误差是指数据录入后进行数据处理过程中产生的误差,包括几何变换、数据编辑、图形化简、数据格式转换、计算机截断误差等.应用误差是指空间数据在使用过程中出现的误差[1].其中数据处理误差远远小于数据源的误差,应用误差不属于数据本身的误差,因此本文着重介绍数据源误差及其校正方法.   在图件数字化输入过程中,通常的输入方法有扫描矢量化、数字化仪跟踪数字化、标准数据输入法等.通常将一幅地图按一定的数据结构数字化得到的数据一般存在如下误差:(1)由于地图纸张变形所产生的误差;(2)由于数字化时地图定向所产生的误差;(3)由于数字化读数所产生的误差;(4)数字化操作产生的各种粗差.这些误差的性质有系统误差、偶然误差和粗差.由于各种误差的存在,使地图各要素的数字化数据转换成图形时不能套合,使不同时间数字化的成果不能精确联结,使相邻图幅不能拼接;所以数字化的地图数据必须经过编辑处理和数据校正,消除输入图形的变形,才能使之满足实际要求,进行应用或入库.   一般情况下,数据编辑处理只能消除或减少在数字化过程中因操作产生的局部误差或明显误差,但图纸变形和数字化过程产生的随机误差,必须经过几何校正,才能消除.由于造成数据变形的因素很多,对于不同因素引起的误差,其校正方法也不同,具体采用何种方法应根据实际情况而定,因此,在设计系统时,应针对不同的情况,应用不同的方法来实施校正. 2 误差校正方法    输入到计算机中的图形,实际上都是通过其位置坐标(x,y)来表示,因此校正过程实质上是找一种数学关系(或函数关系),描述变换前图形坐标(x,y)与变换后图形坐标(x′,y′)之间的换算,其数学关系一般描述为   这个数学关系常表示为二元多项式一次、二次或三次及更高次表达式.   为了求得上式的未知系数,首先寻找图形中已知坐标的位置点,称为控制点.这里所说的图形控制点,实际上是指能代表图形某块位置坐标的变形情况,其实际值和理论值都已知或为可求得的点.如图形中经纬网交点,它可指示一幅图的位置情况,其周围点的位置坐标往往是以其为依据的.在一幅图中,具体经纬网点的理论坐标可以经计算或根据标准经纬网求得,为此,经纬网点往往作为校正用的控制点.其他如三角点、水准点、方里网的交点等都可以通过坐标表查得或通过实际的数学公式计算而得其真值,因此这些点也可以作为控制点.其次是如何选择控制点的问题,控制点的多少决定了其位置计算关系式中的最高次数.为了使校正后的图形各处校正效果都比较好,必须使控制点选取在图形各处且分布比较均匀,特别是边界、四角要有控制点,以避免图形校正不能满幅.增加控制点数目和增加多项式次数可以提高精度,现在一般采用的方案为:控制点在4至7个时,用双线性变换公式,即  X=a1+a2x+a3y+a4xy,   Y=b1+b2x+b3y+b4xy. 控制点为8至19个时用二次多项式;控制点为20至49个时用三次多项式;控制点为50个以上时,用四次多项式并不再增加次数,因再继续增加控制点和增加次数,位置精度增加很少而计算量增加很多,浪费了机时.实际上采用不同次数的多项式,分别适用于不同的变形校正.一次多项式变换,即仿射变换是一种比较简单的一次变换,在进行直线变换和平行线变换时效果相当好,但不同方向上的长度比发生变化.二次变换是一种含二次项的变换,高次变换同二次变换相比,只是它含有常数项.这两种变换的实质是:制图资料上的直线经变换后可能为二次曲线或高次曲线,它适用于原图有非线性变形的情况.在实际校正过程中,具体选哪一种,要看具体的变形而定:若满足线性,如平移、缩放等最好用仿射变换;若满足二次型或高次型最好用二次变换或高次变换.   对于给定的控制点,将每个控制点理论值和实际值代入所选公式进行对比,求出公式中的校正系数,根据校正系数,即可对图形进行校正变换.那么,如何选择数学关系并进行校正计算呢?下面介绍几种方法. 2.1 几何变换  在数字化过程中,由于地图定向,即数字化仪坐标系与地图投影坐标系不一致所产生的误差,可以通过坐标旋转得到校正.   设XOY系为数字化仪坐标系,xoy系为经平移旋转后的地图投影坐标系,其坐标变换公式为  x=Xcosα-Ysinα,   y=Ysinα+Ycosα. 式中α可通过共同点在两系中的坐标求得,即  tanα=(yX-xY)/(xX+yY). 如发生平移或比例变化,则选择平移或比例变换进行校正即可.   为了校正由于纸张伸缩和地图定向引起的系统误差,可采用同素变换进行数据校正.同素变换是一种比较简单的一次变换,设数字化的坐标为(X,Y),经同素变换后的坐标为(x,y),则同素变换的公式为 x=(A1X+A2Y+A3)/(C1X+C2Y+1), y=(B1X+B2Y+B3)/(C1X+C2Y+1). 2.2 最小二乘法线性校正  在实际校正过程中,由于造成变形的因素很多,有机械的、也有人工的,如数字化后的图是放大了,还是缩小了,放大或缩小了多少倍,是局部变形还是整体变形,是某些图元与实际不符,还是整个图形都发生了畸变等,实际参数很难估算;因此很少通过几何变换即可完全校正图形.为此,一般采用上述介绍的一次或高次多项式进行校正.   从理论上讲,控制点越多,分布越均匀,校正的效果越好.当方程次数与控制点的个数相同时,这样总可以使控制点满足精度要求.但当方程次数增高时,控制点外的其他位置点将按照曲面拟合路径进行变换,而图形输入过程中产生的误差很少满足这种关系,因此控制点外其他点的误差反而会增大,离控制点越远,变化越大;所以在实际使用中很少用高次变换,一般用得较多的是一次变换,即仿射变换和双线性变换,也称双一次变换.   当选定一数学关系时,如一次多项式或二次多项式,按照解方程组未知数与方程个数必须相同的原则,一次多项式选取3个控制点即可求出未知系数,二次多项式选取6个,双线性多项式选取4个控制点即可.如果所给控制点数多于方程所要求的个数,为了使其尽量满足各个控制点,可运用最小二乘法求解其校正系数.由于最小二乘法只能使各个控制点的真值与图形输入值的平方差达到最小,当控制点很多时,往往很难达到地图精度的要求[2]. 2.3 分块校正  图形控制点实际上是分布在图形中的一系列坐标位置点,校正的目的是通过这些已知的控制点,来校正整幅图形,使其满足精度要求.一般情况下,由于数据的相关性,图形中某一点的位置误差与其附近控制点的误差最接近,受这些控制点的影响最大;距离越远,影响越小.为此,可以将这些控制点形成一个个小区域,使该区域内的点仅受相应区域上的控制点控制.最简单的方法是将这些控制点形成一个个三角形,所有的三角形组成了一个三角网,每个三角形内的点用该三角形上的3个控制点来进行校正.故可用仿射变换,即   通过这种计算,所得的结果图件中,控制点可以完全达到所给定的值.每个三角形内部的点,都使用该三角形的校正系数来进行校正变换.相邻的两个三角形由于共边,所以在公共边上的点,用两边的校正系数进行校正都可以,跨接相邻三角形的曲线不会出现跳跃现象.但对于三角形外的点需作特殊处理,为避免这种情况,在被校正图形的边缘处,要想办法选取控制点,用外推的方法一般会产生较大的误差.   那么如何构成三角形网呢?这实际上是一个三角剖分的问题.自动生成三角剖分的基本问题,是如何将有界平面上所有n个互不重合的参考点(在此为控制点)结成一张满足下列条件的三角形格网:(1)三角形格网中的所有网格(剖分)都是三角形;(2)全部n个参考点都是三角形格网的结点,三角形格网共有n个结点.可利用一步法、分步法或应用数学形态学等方法来生成三角形网[3].   合并相邻的三角形,可以形成四边形网,对于每个四边形,可选用双线性变换关系式.利用四边形的4个顶点,即可求出每个四边形内数据的校正系数.每个四边形内的数据都通过双线性变换关系式,根据所得的校正系数进行校正,则校正结果图件中的控制点也可完全达到真值.特别是对于小比例尺区域图来说,图中都有经纬网,通常一个经纬网格就是一个四边形,可作为一个校正单元,并对经纬网格进行统一编号.为了建立四边形格网,计算校正多项式系数,应按一定的顺序数字化所有经纬网的交点,将它们作为校正控制点,而经纬网交点的理论值可由坐标表查取或根据投影坐标公式求得.根据控制点的值,求得校正多项式的校正系数,从而可对网格内图形元素的数字化点进行校正.   在MAPGIS中,就是采用这种校正方法,实际应用表明,效果很好.值得注意的是,由于是分块进行校正,任一条具有行政意义的边,可能隶属于不同的校正单元,所以必须进行接边处理. 3 图形精度的评价    由于引起误差的因素比较多,因此评价起来也有困难,本文介绍一种对比方法.所谓对比方法就是将数字化后的数据通过绘图机输出产生回放图件,将此输出图件(一般是透明片基)套合在数字化原图上,选择明显的地物点、格网点、图框交点等量测其目标位移的误差,分别统计并计算出单位产品平面或高程中误差.地物点的平面误差计算为 高精度检测 等精度检测 其中:Xi,Yi为检测值;xi,yi为数字地图中点的坐标值;Mx,My分别表示地物点的X方向、Y方向的点位误差;n为平面检测点数.   相邻地物点间距中误差或点状目标位移中误差、线状目标位移误差按下式计算 式中:Δs为数字地图的回放图与数字化原图套合后经量测的点状或线状目标的位移差;n为量测边的条数或点状/线状目标的个数[1]. 4 误差校正的应用    MAPGIS软件有很强的编图制图能力,其中提供了误差校正功能模块,由于最小二乘法只能使各个控制点的真值与图形输入值的平方差达到最小,当控制点很多时,往往很难达到地图精度的要求.因此MAPGIS软件使用了分块校正方法,其校正过程如下.(1)原图数字化.即从地图编稿图或地理底图上采集数据数字化,包括扫描矢量化、数字化仪数字化,形成图形数据文件.(2)图形编辑处理.对于由于操作员跟踪线迹和线划时,出现重叠、漏采、输入差错等个别错误,借助编辑系统的功能,进行交互式编辑修改.对于由于纸张变形、定点误差、设备精度等引起整幅图形出现偏差,进行误差校正.(3)为了对输入的图元文件进行校正,首先得确定图形的控制点,通过采集控制点功能输入校正图形所用的控制点.控制点的采集要均匀,而且采集的控制点越多,控制越精确.(4)装入图形文件,键盘输入或直接在图上采集图形中控制点的实际值.(5)直接从键盘输入理论值或从标准数据文件中采集理论值.(6)根据采集的控制点构造格网,并计算每个格网的校正参数,然后进行相应文件校正.(7)显示校正后的图元文件,检查校正效果,若仍未达到要求的精度,继续前述步骤.   实践表明,用这种方法校正输入的图件,可以完全达到图件输出精度的要求.实际上这种方法对控制点校正效果很好.为了进一步减小源误差,避免误差传播,可在数字化图件开始就控制数据误差.如提高数字化仪和扫描仪的精度,提高操作员的实际操作能力和应用水平;在采集过程中,通过回归统计、自动推演等方法求出采集点数据误差的纠正关系式,这样在开始输入点过程中,就可以进行数据校正. 参考文献 1 马智民,俞全宏,姜作勤.应用地理信息系统设计与实现.西安:西安地图出版社,1996. 117~119 2 赫普克;田佩俊译.误差理论与平差计算.北京:煤炭工业出版社,1989. 37~38 3 柯正谊,何建邦,池天河.数字地面模型.北京:中国科学技术出版社,1993. 57~58 ERROR RECTIFICATION OF GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEM MAP DATA Fan Wenyou Xie Zhong (Faculty of Information Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074)     Abstract This paper mainly introduces the cause of error in map inputting, and the principle and methods of error rectification, especially dividing method in MAPGIS. It also introduces the estimation of map precision in brief.   Key words digitizing, control point, error rectification, data precision. [/td][/tr]

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GIS多源数据集成模式评述

摘要] 地理信息系统的迅速发展和广泛应用导致了空间数据多源性的产生,为数据综合利用和数据共享带来不便。本文探讨空间数据多源性的产生和表现,指出多数据格式是多源空间数据集成的瓶颈;分析和评价了多源空间数据集成的三种模式,并展望了多源数据集成的发展方向。
[关键词] 地理信息系统 多格式数据源 多源数据集成
一、多数据格式是多源空间数据集成的瓶颈
1、空间数据多源性的产生和表现
空间数据多源性的产生和表现主要可以概括为以下几个层次:
(1)多语义性
地理信息指的是地理系统中各种信息,由于地理系统的研究对象的多种类特点决定了地理信息的多语义性。对于同一个地理信息单元(feature),在现实世界中其几何特征是一致的,但是却对应着多种语义,如地理位置、海拔高度、气候、地貌、土壤等自然地理特征;同时也包括经济社会信息,如行政区界限、人口、产量等。一个GIS研究的决不会是一个孤立的地理语义,但不同系统解决问题的侧重点也有所不同,因而会存在语义分异问题。
(2)多时空性和多尺度
GIS数据具有很强的时空特性。一个GIS系统中的数据源既有同一时间不同空间的数据系列;也有同一空间不同时间序列的数据。不仅如此,GIS会根据系统需要而采用不同尺度对地理空间进行表达,不同的观察尺度具有不同的比例尺和不同的精度。GIS数据集成包括不同时空和不同尺度数据源的集成。
(3)获取手段多源性
获取地理空间的数据的方法有多种多样,包括来自现有系统、图表、遥感手段、GPS手段、统计调查、实地勘测等。这些不同手段获得的数据其存储格式及提取和处理手段都各不相同。
(4)存储格式多源性
GIS数据不仅表达空间实体(真实体或者虚拟实体)的位置和几何形状,同时也记录空间实体对应的属性,这就决定了GIS数据源包含有图形数据(又称空间数据)和属性数据两部分。图形数据又可以分为栅格格式和矢量格式两类。传统的GIS一般将属性数据放在关系数据库中,而将图形数据存放在专门的图形文件中。不同的GIS软件采取不同的文件存储格式。
2、多源空间数据集成的迫切性
随着Internet网络的飞速发展和普及,信息共享已经成为一种必然的要求。地理信息也不例外,随着信息技术以及GIS自身的发展,GIS已经从纯粹地学技术系统的圈子跳了出来,正和IT行业完全融合,人们对空间信息的需求也越来越多。GIS要进一步发展,必须完全融入大型MIS(管理信息系统)中。1998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。然而地理信息要真正实现共享,必须解决地理信息数据多格式、多数据库集成等瓶颈问题。随着技术发展,GIS已经逐步走向完全以纯关系数据存储和管理空间数据的发展道路,这为GIS完全和MIS无缝集成迈出了重要的一步。但因为GIS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,这就形成多种格式的原始数据,再加上GIS应用系统很长一段时间处于以具体项目为中心孤立发展状态中,很多GIS软件都有自己的数据格式,这使得GIS的数据共享问题变得尤为突出。
空间数据作为数据类型的一种,同普通数据一样需要走过从分散到统一的过程。在计算机的发展过程中,先是数据去适应系统,每一个系统都为倾向于拥有自己的数据格式;随着数据量的增多,数据库系统应运而生;随着时代的发展,信息共享的需求越来越多,不同数据库之间的数据交换成了瓶颈;SQL(标准结构化查询语言)以及ODBC的出现为这一难题提供了比较满意的解决方案。但是空间数据如何引进这种思想,或者说将空间数据也纳进标准组织和标准协议进行规范和管理,从而使空间数据共享成为现实。
二、 GIS多源数据集成模式比较
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GIS应用系统开发中需要解决的重要问题。目前,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。
1 、数据格式转换模式
格式转换模式是传统GIS 数据集成方法(图1)。在这种模式下,其他数据格式经专门的数据转换程序进行格式转换后,复制到当前系统中的数据库或文件中。这是目前GIS系统数据集成的主要办法。目前得到公认的几种重要的空间数据格式有:ESRI公司的Arc/Info Coverage、ArcShape Files、E00格式;AutoDesk的DXF格式和DWG格式;MapInfo的MIF格式;Intergraph的dgn格式等等。
数据转换模式主要存在的问题是:(1)由于缺乏对空间对象统一的描述方法,从而使得不同数据格式描述空间对象时采用的数据模型不同,因而转换后不能完全准确表达源数据的信息。(2)这种模式需要将数据统一起来,违背了数据分布和独立性的原则;如果数据来源是多个代理或企业单位,这种方法需要所有权的转让等问题[1]。
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(Spatial Data Transformation Standard),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SDTS提供了标准的空间数据交换格式。目前,ESRI在ARC/INFO中提供了SDTSIMPORT以及SDTSEXPORT模块,Intergraph公司在MGE产品系列中也支持SDTS矢量格式。SDTS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SDTS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SDTS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。
2 、数据互操作模式
数据互操作模式是OpenGIS consortium (OGC) 制定的规范。OGC是为了发展开放式地理数据系统、研究地学空间信息标准化以及处理方法的一个非盈利组织。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(Data Servers),把使用数据的软件称为数据客户(Data Clients),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存在一定局限性:首先,为真正实现各种格式数据之间的互操作,需要每个每种格式的宿主软件都按照着统一的规范实现数据访问接口,在一定时期内还不现实;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,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GIS软件,并且同时运行,才能完成数据互操作过程。
3、直接数据访问模式
顾名思义,直接数据访问指在一个GIS软件中实现对其他软件数据格式的直接访问,用户可以使用单个GIS软件存取多种数据格式。直接数据访问不仅避免了繁的数据转换,而且在一个GIS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。直接数据访问提供了一种更为经济实用的多源数据集成模式。
目前使用直接数据访问模式实现多源数据集成的GIS软件主要有两个,即: Intergraph 推出的GeoMedia系列软件和中国科学院地理信息产业发展中心研制的SuperMap。GeoMedia实现了对大多数GIS/CAD软件数据格式的直接访问,包括:MGE、Arc/Info、Frame、Oracle Spatial、SQL Server、Access MDB等(图2)。SuperMap 2.0则提供了存取SQL Server、Oracle Spatial、ESRI SDE、Access MDB、SuperMap SDB文件等的能力,在以后的版本中将逐步支持对Arc/Info Coverage、AutoCAD DWG、MicroStation DGN、ArcView等数据格式的直接访问。
三、多源空间数据格式集成的展望
1 、文件方式和数据库方式
传统的空间数据往往采用文件方式,随着技术的进步,逐渐将属性数据移植到数据库平台上;随着技术发展,图形数据也可以和属性数据一起存放在关系数据库中。文件方式对数据管理安全性较差,存在着属性和图形分开管理的问题,不适合网络共享发展的需要;数据库方式则实现了空间数据和属性数据一体化存储和管理,便于开发两层、三层甚至多层网络应用系统。从发展趋势来看,纯关系数据库方案取代文件方案是发展的必然趋势,这也是IT发展的主流趋势。随着对信息量需求的增大以及信息需求种类增多,数据仓库的建立,将是GIS文件系统向数据库系统发展的主流。
2 、OpenGIS、SDTS与DLG/F
OpenGIS是目前的主流标准,但SDTS并不会停滞不前,相反笔者认为SDTS将会与OpenGIS走向一体化。SDTS 可以为OpenGIS提供一个转换和存取空间数据的标准,该标准是不依赖任何一种特定GIS软件格式的,该标准中利用头文件描述格式的方式使得数据服务者不必专门提供格式说明,而数据客户也不必专门学习该格式,只需读取SDTS头文件就可获得数据服务者提供的数据格式。笔者认为利用SDTS做数据标准,利用OGC作数据互操作的标准(例如空间SQL标准),简单地说就是如果说SDTS提供了数据格式的头文件,而OGC标准则提供了读写这个头文件的标准方法。如果再采用数据库作后台,利用空间数据引擎,空间数据引擎按照SDTS存取空间数据,按照OGC标准对客户软件提供操作接口,这将是空间数据集成的理想解决方案。
USGS还提供了一种称作DLG/F的标准,该标准设计了空间数据在数据库中的动态存储结构,利用该结构可以将拓扑关系动态记录下来,同时可以让用户添加自定义的空间数据类型。怎样利用DLG/F完善SDTS和OpenGIS也将是OpenGIS以及SDTS发展的方向。
3 、统一空间实体编码
多源空间数据据格式集成还有一个很重要的方面就是如何处理不同数据库对空间实体采用的编码方式不同的问题。从理论上来说,一个系统对同一空间实体的编码应该是唯一的,实际上由于不同领域从不同视角对同一空间实体编码并不一样,甚至会出现不同空间实体具有相同编码的情况,这些编码放在同一系统中,就会出现空间实体标识的严重问题。从目前来看,OpenGIS和SDTS都是基于地理特征(Feature)定义空间实体的,但都还不能真正提供一个通用的空间实体编码体系。
参考文献及网址
On spatial database integration, Thomas Devogele ,Geographical Information Science, 1998,12(4)
Issues and prospects for the next generation of the spatial data transfer standard (SDTS), DAVID ARCTUR, DAVID HAIR,GEORGE TIMSON, etc, Geographical Information Science, 1998,12(4)
Towards integrated geographic information processing,DAVID J.ABEL, BENG CHIN COOI, KIAN-LEE TAN etc, Geographical Information Science, 1998,12(4)
A framework for the integration of geographical information systems and modelbase management , DAVID A.BENNETT, Geographical Information Science, 1997,11(4)
Overcoming the semantic and other barriers to GIS interoperability , YASER BISHR, Geographical Information Science, 1998,12(4)
http://www.opengis.org ;
http://www.fgdc.gov ;
http://www.intergraph.com ;
http://www.esri.com
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GIS技术在保护区管理中的应用

摘要:本文主要论述了GIS在生物多样性保护的应用过程和保护区GIS的建立过程,并就目前中国保护区GIS建设过程中存在的问题提出一些建议。特别针对保护区存在的严重忽略GIS技术在生物多样性编目、监测和分析中的应用问题,提出了相应的对策。
关键词:GIS、保护区、生物多样性

1 前 言

  地理信息系统(GIS-Geographical Information System)是建立在地球科学和信息科学基础上的边缘科学。是地理学、地图学、计算机科学、遥感等涉及空间数据采集、处理和分析的多种学科与技术共同发展的结果。GIS把这些技术与学科有机地融合在一起,并与不同数据源的空间与非空间数据相结合,通过空间操作和模型分析,提供对规划、管理和决策有用的信息产品。
它萌芽于本世纪60年代初,90年代以来地理信息系统得到了空前迅速的发展,世界各地的政府部门、商业机构、学术团体已广泛地采用GIS,GIS已经成为一大型的工业部门,逐渐成为社会经济体系中运行的一个部分。发达国家和新兴工业化国家大多已建立了本国统一、规范和广泛共享的国家基础地理信息系统;积累了相当规模的数字化专业空间信息,多种形式的数字化地理信息产品广泛进入市场;相关的GIS产业已成为信息产业中的一个重要的分支。GIS的应用已经替代了一系列传统的信息管理、决策模式,在资源环境管理、农业估产、自然灾害防治、交通通信系统设计和管理、城市规划管理、经济决策以及商贸等各个领域产生了巨大的经济和社会效益,提高了整个国民经济系统运行的有效性。
  GIS的应用范围正随着国家信息网的发展迅速扩大。以美国为例,由1:100万至1:2.4万的基础地理信息数字化产品和大批专业地学数字化信息产品已进入市场,以相当低廉的价格提供用户使用,约85%的联邦机构和7万多个地方政府机构使用GIS,每年GIS的应用项目达1万多个。90年代全球GIS产业以每年15%~40%的速度增长,预计2000年其产值将至少达500亿美元,成为信息产业中市场前景十分广阔,又相对独立的新兴产业(陈述彭,1992)。
  我国的GIS起步较晚,从80年代初方开始,但至今已取得了一些重要成果。如初步建成了国家地理信息系统1:100万数据库,并开始提供使用;一些在资源调查、规划和环境、灾害监测等方面的专业地理信息系统研制成功,并在应用中取得了显著的经济和社会效益;城市和地区地理信息系统发展迅速,开始在决策规划中发挥重要作用;一批我国自行设计的GIS基础软件研制成功,相继投入使用;一些技术规范、标准已经研究或发布实施;一批从事GIS开发、应用的人才、机构和高科技企业在实践中成长;地理信息系统产业化进程正在加速(何建邦、蒋景瞳,1993)。
  但是在农业可持续利用、森林和野生生物保护和管理中,GIS技术还是相当新的技术。GIS技术在野生生物和生物多样性管理方面的应用面临严峻的挑战。野生动物天生的躲避和藏匿行为使我们很难在野外观察到动物;由于季节、食物、栖息地、光照和其他原因,野生动物常常处于迁移状态,使野生动物很难准确定位;森林有着复杂的水平和垂直空间结构(草本层、灌木层和乔木层等);由于树冠的覆盖,树冠下植被和动物物种的情况很难在卫星和航空图片中体现;物种之间有着或强或弱的相关性,这种相关性影响着物种的组成和数量……。这些复杂的生物多样性特征导致数据收集、分析和模拟的困难,从而限制了GIS技术在生物多样性监测和分析方面的作用。GIS技术在中国生物多样性研究方面的应用更是处于起步阶段。保护区使用GIS技术已有一些不错的开端,但远远不谈上真正在保护区规划、管理,特别是野生生物资源调查、监测、分析和管理中发挥作用。
  少数保护区已经建立了GIS,据不完全统计,有长白山(森林火灾监控、生态旅游规划和区带划分)、梅花山(森林火灾监控系统、虎栖息地评估和区带划分)、神农架(区带划分)、卧龙(大熊猫栖息地评估)、盐城(丹顶鹤栖息地评估和区带划分)和西双版纳自然保护区(当地少数民族土地利用规划、砂仁种植土地利用评估)(Han et al., 1997)。卧龙自然保护区利用GIS技术分析了大熊猫生境状况并为大熊猫的管理提供信息(Ouyang, Z. Y. and Yang Z.Q.,1996)。西双版纳创建了包括高程、保护区边界、保护区划分区带、植被等30个主题层的GIS,涉及到生物多样性的有砂仁(Amomum villosum)的分布、亚洲象(Elephas maximus)群的活动范围和少数民族分布地。他们通过GIS的重叠分析发现,有一半勐养的热带雨林在保护区核心区以外(David Welch and Jean Poitevin,1997)。GIS在保护区开始应用是可喜的,但GIS技术要真正在中国的自然保护区生物多样性的管理上发挥作用,有些问题还值得探讨。

2 GIS建立过程

  一个保护区的GIS的建立是个耗资巨大的工作,必须要认真规划设计,从长远考虑,以长期发挥GIS在保护区管理、资源监测和持续利用方面的功能。GIS建立费用将逐步得到回收并为保护区带来巨大效益。下面的图1就是该建立过程示意图。

2.1 规 划
  这是最终建立的GIS能否发挥最大作用的关键。来自保护区和当地相关部门的工作人员与国内外的GIS技术人员一起讨论需要的GIS信息产品,列出所有的潜在信息产品清单,从中选择优先急需的产品,并确定能够接受的预算和需要购置的相应设备和软件等。


图1:保护区GIS建立过程示意图



2.2 基础设施购进
  (a) 硬件(工作站或个人电脑)。随着Windows NT版本的GIS应用软件的上市应用,对保护区来说,价格昂贵而软件与普通微机不兼容的工作站并非必要。P586,32M内存和较大的硬盘(2G)配置的普通微机即可运行Windows NT版本的ARC/INFO和ARC/VIEW。对于较大的数据处理工作,需要更高的配置,特别是要求硬盘较大,因为GIS数据可占据大量的空间。PC版本的ARC/INFO和ARC/VIEW要求配置可以更低,不过软件功能受到较大限制。
  (b) 软件 除常规软件外,需要GIS软件(最常用的为ARC/INFO和ARC/VIEW,其它的还有IDRISI,SPANS,MAPINFO等)、图像处理软件(IDRISI提供的功能或ERDAS等)、数据管理软件(FOXPRO,ACCESS或DBASE等);全球定位系统(GPS)以及其它外围和辅助设备。

2.3 GIS项目设计
  确定数据主题及其划分等级(通常有高程、公路、保护区边界、管理站地点、保护区划分的区带、居民地、土壤、土壤湿度、温度气候及其季节性变化、植被、土地利用和物种分布、人类活动分布等);确定数据要求的尺度、分辨率、空间范围等;工作开展的顺序和时间;数据库和系统的设计和建立。

2.4 基础资料获取
  购买适当尺度的遥感卫星图片、航空照片。

2.5 地图资料的数字化和属性数据库的建立
  根据保护区的需要建立相应的分析及预测模型。

2.6 人员培训
  这是GIS发挥作用不可忽视的工作。

2.7 生物多样性信息长期监测
  通常应由巡逻人员记录下巡逻时观察到的野生生物和人类活动情况,并输入到监测系统中。应定期在选定区域或整个保护区进行资源调查并录入监测系统中。

2.8 地图数据更新
  土地利用、植被、道路、河流以及其它经过一定时间会发生变化的数据,应定期更新。对不同的主题可根据其变化速率制定相应的更新周期,以保证计算机中的GIS代表了当时当地的保护区现状。

2.9 对长期监测数据进行分析
  分析或预测结果为保护区的规划和生物多样性保护策略服务。

3 GIS在保护区的应用面临的主要问题及对策(XIE et al.,1998)

  已建立的为数不多的保护区GIS还存在许多值得推敲和改进的地方,特别是GIS在生物多样性编目、监测和分析过程中几乎没有发挥作用,十分可惜。在此对这些问题略作分析,并提出一些解决方案,供保护区管理和技术人员,以及生物多样性保护界同行参考。

3.1 GIS专门技术
  中国保护区的GIS开展工作目前还主要由外资支持。例如西双版纳保护区由加拿大的国际发展研究中心(IDRC)资助建立的。正在云南六个保护区建立的GIS是由荷兰政府协助建立。大量的GIS建立工作由研究院校的研究和技术人员完成。虽然有技术培训工作,然而保护区管理人员仍然缺乏对GIS作用的认识,而且保护区严重缺乏熟练运用GIS技术的人员。这些因素大大限制了已建立的GIS的作用。建议:

每个保护区应该培训两个或两个以上的GIS技术人员。

不仅应加强培训GIS技术人员,同时应加强对保护区主要管理决策人员的基础GIS知识的培训。培训应着重在GIS的基本理论、功能,特别是管理决策中的应用。一旦决策人员充分了解了GIS可能为保护区管理和持续利用提供的帮助,他们会积极考虑重视建立、发展和利用GIS。

在GIS培训材料中应加入更多的在管理层次应用成功的事例。这些培训的重要任务之一应该是充分发现GIS技术在保护区管理和生物多样性监测等方面的作用。而被培训的GIS技术人员在了解GIS的作用之后,应该积极地利用和发展其保护区的GIS,为保护区提供信息和建议。

GIS技术人员有责任提高保护区的其他工作人员对GIS功能的了解,并鼓励他们利用GIS中的信息和分析功能,帮助他们提高其工作效率和质量。

管理人员应鼓励GIS技术人员参与决策的制定,以及各种报告的编写。以便充分发挥GIS在决策和管理上的作用。
3.2 编目、监测和分析系统
  建立的GIS没有给予物种的编目、监测和分析工作以足够的重视。涉及到的物种少,而且没有建立起开展日常的、长期的物种监测和录入GIS系统的工作。野外鉴定物种从来是很困难的事。涉及几乎所有分类门类的生物多样性监测工作,对于缺少分类知识的保护区人员来讲更加困难。多数保护区人员对拉丁学名,甚至中文学名不太熟悉。

全国的保护区应建立起一套完备的、与GIS相连的生物多样性(特别是物种)监测系统和信息系统。监测系统应与GIS相联,所录入的生物多样性数据可便捷地在GIS中显示和分析。

具有方便易学的录入界面。

因此提供帮助辨别和鉴定物种的功能,将具有重要意义:如物种的外型识别特征、度量、照片或特征图;物种的踪迹描述或图片;物种的鸣声录音;各个生态系统特点和主要物种组成等。

编制较为完整的物种名称系统,将帮助保护区人员确定物种。这包括同物异名、中文学名、中文俗名、当地俗名、英文名等。

提供公共使用的数据库,如物种分类数据库、植被类型数据库等。

提供标准的编码系统,如物种、地点、参考文献和生态系统等。
3.3 基础信息
  大部分保护区缺乏基本信息,不懂保护的重要性和保护区生物多样性的分布与现状。这是野生生物致危因素科学分析和物种管理保护规划准确制定的前提。
  如有可能最好在GIS和生物多样性监测系统建立应用之后不久,开展一次有生物学家和数据库专家参加的,涉及保护区全范围的生物资源普查工作。这样的工作将为保护区刚刚建立起来的GIS提供较为系统的保护区内生物多样性信息,帮助保护区管理和技术人员熟悉生物的分类、名称、物种鉴定、数据录入和GIS技术应用等工作,以便生物多样性编目、监测和分析工作的长期正常进行。

3.4 设备
  目前许多保护区还没有能力建立GIS,但是那些有计算机的保护区一般也没有成分地利用这些设备。
  有计算机的单位,应开始使用简单的数据库管理软件(EXCEL, ACCESS, FOXPRO, 甚至DBASE),将有关物种的观察记录卡片上的信息录入计算机中,并可使用这些简单的软件开展基本的统计和分析工作。这样做的目的,一是为将来GIS提供物种的信息,二是通过这种方式促进生物多样性信息的监测工作的长期顺利进行,三是逐渐提高保护区的数据库管理能力。不过在鼓励所有保护区开展这项工作之前,应该制定一个适用于所有保护区的工作框架,提供应收集的信息的统一标准,提高数据的兼容能力

3.5 生物多样性或生态系统完整性的指示物
  大部分保护区没有明确的管理目标和相应的监测指标。
  管理的目标应强调并监测受到大众关注的物种和生态系统。对于许多还没有开展物种监测工作的保护区,应首先选择几个重要的"旗帜"式物种,开展有系统的、长期的监测和管理。例如卧龙保护区的大熊猫的分析研究就是一个较好的例证。通过几个物种来熟悉和掌握物种监测、数据库管理和GIS技术,以及这些技术在保护区管理和生物多样性保护决策中的作用。在条件成熟之后,开展涉及大多数物种的编目、监测工作将变得较为容易。

3.6 人类影响的指示物
  生物多样性监测的工作十分重要,但对人类活动的监测工作也应得到相应的重视。人类活动可能给生物多样性保护带来威胁或机会,而这些正好可以对管理做出反应。由于目前很多保护区的生态旅游业正在蓬勃发展,游客数量也就需要给予特殊的注意。
  监测不同季节、节假日和工作日、不同时间、不同地点的旅游人员流动量,并根据保护区内的承载量,调节和限制旅游人数。结合生物多样性监测分析结果,可制定相应的旅游路线,避免对保护区内生物多样性脆弱区域带来过分干扰。这种工作将对保护区资源的持续利用和管理发挥重要作用。

3.7 控制数据的质量
  没有科学监测的经验是很容易曲解数据的。如果结论被曲解,即使有最先进的设备也无济于事。
  为培训和充分发挥收集的数据和GIS的作用,建议一定时期应邀请生物多样性方面的GIS和数据库专家检查数据质量,并与保护区管理人员一起,根据保护区管理,特别是生物多样性监测和保护方面的新的需要,对已有信息进行分析,一方面帮助制定新的决策,另一方面根据保护区新的需求,扩大或改变信息监测范围,开拓新的GIS应用领域。

3.8 背景信息
  缺乏对背景生态的研究会限制生物多样性监测和管理的效力。我们应该充分理解生态系统中的生物分布和物种与栖息地之间的相互影响。
  保护区应鼓励大学和其他研究机构在保护区利用GIS中的信息开展研究工作,他们的研究结果和收集的数据可以为保护区所用。并应有意识地促进保护区之间的数据交换和技术交流。

3.9 公众意识
  目前,中国保护区的环境教育水平还很底。直到现在,GIS等形象的信息工具还未用于教育。
  GIS建立后,还应充分发挥其信息收集和系统化的功能,为把保护区变为生物多样性保护和中  小学生生物学实践的重要基地发挥作用。
  保护区GIS的建立工作最近几年取得了一些进展,但总的说来该工作与发达国家和生物多样性保护的迫切需要相比还差得很远。例如加拿大的所有国家级保护区在二十年前就开始建立GIS,现在都已有相当的GIS软硬件设备,以及如高程、公路、保护区边界、植被等基本的GIS数字化地图。我国计算机在保护区正在逐渐普及,在国内外保护界的帮助下,建立GIS,使长期而系统的生物多样性资源编目、监测和分析的工作迅速开展起来。GIS技术将为我国的生物多样性保护发挥重要作用。

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选择GIS软件平台应考虑的几个主要因素

随着社会的进步和科学技术水平的日新月异,企业对信息技术提供了更心信息技术的发展更是给各行各业注入了新鲜的血液。GIS技术作为信息系统的重要组成部分,在各行业的应用由来已久。随着企业对信息技术新的要求的出现,对GIS的应用也提出了新的要求,比如:海量数据的存储、系统的可伸缩性、系统的开放性、多用户的并发访问、INTERNET解决方案等。GIS应该在日新月异的IT技术中采取积极借鉴、充分融合的方式以满足用户对这一应用新的要求。

    作为平台支撑软件,必须满足以下要求:海量数据的存储、高效的并发访问等。企业级信息系统以及社会级信息系统的核心是数据仓库,用来存储和管理所有的空间和属性数据。这势必要求所选用的GIS软件具备海量数据的存储和管理能力,同时具备多用户高效的并发访问机制等。结合各行业GIS应用现状,在选择GIS软件平台时,应考虑如下几个主要因素:

    系统的可伸缩性:

    在现代科学技术不断进步时代,任何一个信息系统都不应是孤立存在和停滞不前的。在设计和规划系统之初,就应该从宏观、从长远的观点来统筹考虑。但因为经费的投入问题、现阶段的应用需求以及其它各种硬软环境的制约,又往往无法一步到位。因此,“统筹规划,分步实施”就不失为一种上佳选择。而要做到这一点,系统所依赖的平台的可伸缩性(可扩展性则是关键,从而充分保护用户和开发商的前期投资和工作,保证系统的分步实施不会因为平台的提升和系统规模及功能需求的扩展而陷入进退两难的境地。系统规模应该是可以缩放的,可以小到一个独立的桌面应用,也可以大到为面向企业级的应用系统,应该是在系统建设的不同阶段都会有不同定位的产品来对应,给用户留有许多余地,提供基于空间信息的处理与分析,以满足各部门不同阶段、不同应用的需求。

    系统的安全性:

     任何一个信息系统,一旦投入实际生产运作中,其安全性的重要程度自是不言而喻,系统的安全与否应该自投入运作开始应该是和企业息息相关了。系统的安全性应该包含三个方面的内容:一是系统自身的坚固性,即系统应具备对不同类型和规模的数据和使用对象都不能崩溃的特质,以及灵活而强有力的恢复机制;二是系统应具备完善的权限控制机制以保障系统不被有意或无意地破坏;三是系统应具备在并发响应和交互操作的环境下保障数据安全和一致性。因此,用以建设系统的GIS软件应该是久经考验的,并得到市场公认,有着广大用户群体和经过大量工程的成功考验。

    支撑面向对象的数据模型和组建化的GIS软件技术:

    数据模型是现实世界的某一部分的逻辑描述。GIS数据模型以数字的形式表达现实世界地理对象及其相互关系。数据建模的目的就是在计算机上抽象和表达现实世界,让用户可以通过在他的数据中加入其应用领域的方法或行为以及其他任意的关系和规则,使数据更具智能和面向领域应用,尽可能地简化开发过程,提高开发效率。

    现在,一些大的软件公司,如ESRI公司引入了面向对象的GIS数据模型,允许用户建立自己的面向对象的在基本模型基础上扩展的数据模型。面向对象的数据模型与用户通常看待所研究事物的观点及分类很接近,因此直观且使用简单,软件处理的将是面向用户的概念,例如:杆塔和用户、人井与开关,而不是面向系统的概念,如点、线、面。

    全关系型GIS技术:

    GIS软件管理两类数据:空间数据和属性数据。其中,属性数据刻划了对象除空间位置外的性质,这类数据一般是可以结构化的,因此可以用传统的关系型DBMS来管理,并实现快速、可靠的检索;而空间数据则刻划对象的空间位置以及对象之间的相互关系,结构化的难度较大,因此一般采用文件系统来管理空间数据。这种数据管理的不一致性,一方面增加了GIS软件开发的复杂性,另一方面也不易保证数据管理的可靠性,给使用带来不便。

近年来,国外GIS与数据库开发商(如ESRI公司与IBM公司)和国内的天夏TEAMAX加紧了科研的步伐,开发出全关系型的GIS软件,使GIS软件能充分利用商用数据库中已经成熟的众多特性,如内存缓冲、快速索引、数据完整性和一致性保证、并发控制、安全和恢复机制及分布式处理机制,明显地提高了GIS软件管理空间数据的能力。

    现在,新一代全关系型GIS支撑软件基础上开发的企业级GIS软件已经投入运行,取得了很好的效果。

    支持长事务处理和版本管理,支持海量数据管理:

    在企业的实际应用中,往往有许多工作并不是一挥而蹴,也不是一个两个人就能够独立完成的,而是需要多人协同作业,需要一周一个月甚至更长时间来完成。在这种情况下,系统的长事务处理和版本管理功能就显得尤为重要。此外,作为一个完善的系统,应该能支持海量数据管理,这在系统建设和应用的初期可能不会显得十分重要,但却是系统设计过程就应该考虑到的问题,避免随着系统应用的进一步加深,数据量达到一定程度时由于系统不支持海量数据管理所带来的重建、换平台等一系列问题。

    系统的开放性:

    为了充分利用已有的企业资源,要求GIS软件必须具备良好的开放性,包括支持多种硬件平台、操作系统、数据库以外,还要求能够将已有的各种格式的数据转换目前可用的数据类型,及支持多种数据格式的转换。GIS支撑软件是否开放主要体现在以下三个方面:首先是数据结构特别是图形数据结构的开放性,要求有开放的数据格式,有标准的外部数据交换格式,同时这种数据格式又是可以扩展的,如ESRI公司的shape数据格式等。其次是产品二次开发技术的开放性,能够支持通用的开发集成环境,如Delphi、Visul C++,Visul Basic等;支持通用的商业关系数据库,如DB2,Orcale和SQL Server等;支持各种必须的工业接口标准等。第三是产品结构的开放性,它们可以按照不同的应用需求,搭配成一种客户/服务器体系结构。

    能够提供全方位的企业级解决方案:

    企业的GIS系统是整个企业的应用平台。因此,在选择基础支撑GIS系列软件产品时,这些GIS软件产品应该支持企业级的GIS应用,也就是说,应该能够根据用户的特点,在客户端和服务端为用户提供多种适合用户的选择。

    根据用户应用需要和投资计划的不同,GIS产品系列应该支持从偶尔用GIS功能的用户到复杂的多用户的企业级系统应用。这意味着,随着用户的应用对GIS功能的需求的增长,从某个GIS软件家族中选取适合的产品。日后,随系统的扩展而进一步选取较高端的产品,以满足新的GIS的应用需求。

    采用工业标准或事实上的工业标准:

    建设GIS系统是一个投入大、时间长的过程,这要求平台供应商对用户的应用系统提供长期的支持和维护。由于不同的GIS软件之间的数据结构、开发方式、技术支持上的巨大差异,所以当用户从一种GIS软件转换到另一种GIS软件,往往意味着巨大的投资被浪费;甚至即使采用同一种GIS软件,从一个开发商转换到另一个开发商,都有可能造成数据的丢失,因为开发过程中,不同的开发商对相同的设备设施有着不同的数据描述。因此,采用工业标准和事实上的工业标准有利于保护用户的投资。

    另外,由于GIS系统所包含的内容非常庞杂,技术涉及面广,应该采用具有广大用户群的GIS产品,从而在技术支持、产品的稳定性和产品的升级换代等方面得到保证。

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基于GIS平台的城市智能交通管理系统构架研究

摘 要 本文对地理信息系统(GIS)作为城市智能交通管理系统的共用信息平台的可能性进行了分析,提出了系统总体架构及GIS平台的基本功能,指出系统存在的问题及可能的解决方案。
关键词 GIS 共用信息平台 智能交通管理系统

1 背景


  为了解决我国城市的交通问题,改善城市交通系统的性能,一方面需要通过改造路网系统、拓宽路面、增添交通设施以及道路建设等城市交通所必需的“硬件”建设来实现,另一方面需要通过采用科学的管理手段,把现代高新技术引入到交通管理中来提高现有路网的交通性能,从而改善整个道路交通的管理效率,提高道路设施的利用率,实现城市交通管理的科学性和有效性。
  城市智能交通管理系统由多个子系统组成,各个子系统的信息需求复杂多样,但有一些信息是可以共享的,通过共用信息平台可以使这部分信息增值,而且整个智能交通管理系统的信息通过共用信息平台的统一存储、组织、处理,能够更有效地保证数据间关系的正确性、可理解性和避免数据冗余,提高系统中信息的利用率和传输速度。


2 以GIS作为共用信息平台


  智能交通管理系统主要包括视频监控系统、电子警察系统、110/122接处警系统、车辆运营管理系统、路口控制系统、公共交通系统、GPS系统、交通诱导系统等。对整个系统而言,应充分发挥子系统的作用,并做到无缝集成。
  地理信息系统(GIS:Geographic Information Sys-tem或Geo-Information System)作为一种综合处理和分析空间数据的技术系统,能够有效地对地球空间数据进行采集、存储、检索、建模、分析和输出。它的独特之处就在于能够把地理位置和相关属性信息有机地结合起来。众所周知,交通信息与地理位置密切相关,利用GIS技术构筑智能交通管理系统的共用信息平台,不但能够使交通信息在空间上直观明了地显示出来,并能为这些信息的深层次挖掘和后续信息服务及辅助决策提供空间属性上的支持。
  信息是智能交通管理系统中重要的基本元素,也是联接各个子系统的纽带。通常把交通信息划分为两类:静态交通信息和动态交通信息。静态交通信息是指包括道路信息、交通附属设施信息、停车场信息、车辆管理信息等随时间变化较小的信息,它又可以分为基础数据(如道路路网数据等)和历史数据(如车辆违章历史数据等);动态信息主要指各类实时采集到的交通信息,如交通流量信息、视频监控信息、公交车位置信息等。利用GIS可对以上所有数据进行集成管理。针对智能交通管理系统对信息要求的特点,建立专属的地理信息数据库,通过网络互联与分布式数据库系统建立GIS平台。GIS作为整个系统的协调者,对数据和应用进行管理。图1所示为地理信息系统在智能交通管理系统环境下的集成。

3 系统的技术框架


  3.1 系统的总体架构
  根据信息平台的一般架构,结合考虑GIS作为智能交通管理系统共用平台的要求,系统可采用三层体系结构:
  (1)客户端。指的是信息平台的用户主体,包括道路使用者、道路建设者、交通管理者、运营管理者、公共安全负责部门、相关团体等。具体的服务对象由系统的建设者决定。
  (2)应用服务层。以GIS作为城市交通智能管理系统的信息平台,由各个交通管理子系统采集交通数据,将这些原始数据以规定的格式返回,再对数据进行分类、抽取、挖掘和融合等处理,在数据存储的同时,将不同的信息按照规范的协议发布给相应的应用子系统。同时提供多种静态和动态交通信息查询接口,满足这些外部系统的交通信息需求。
  (3)数据管理层。存储系统所需的基础数据,提供平台与各子系统之间的信息接口。
基于GIS平台的城市智能交通管理系统的组成如图2所示:
  3.2 GIS共用平台的基本功能
  各个子系统由于功能的不同,获得的交通数据也不同,但大多具有信息量大、情况复杂等特点。将这些来源不同、类型不同的大量信息融合在一起,从中提取具有更多特征的更深层次的信息,并最终在系统的管理决策核心中得到应用,是维持整个系统正常运作的关键环节。信息在智能交通管理系统中的综合利用如图3所示。
GIS共用平台作为整个智能交通管理系统的枢纽,它担负着信息汇总、融合和中转的职责。其基本功能表现在:
  (1)信息采集功能。从各子系统按规定的格式提取共享数据,完成对静态交通信息和动态交通信息的重组,并保证数据的正确性、可读性,避免大量数据的冗余。
  (2)信息融合功能。根据各个子系统间的功能要求和内在联系,对采集来的信息在一定的准则下加以分类、统计、关联,挖掘出更深层次的信息,以用于交通管理决策。
  (3)信息提供与发布功能。按各子系统的要求,以规定的格式向子系统传输所需信息;根据服务请求和查询权限提供给客户数据、图形或图像等信息。4 主要问题与解决对策
  以GIS作为智能交通管理系统的共用信息平台也存在着一些问题,主要体现在实时性和数据量过大两个方面。
  智能交通管理系统要求共用信息平台能够实时刷新数据用于交通管理(如决策、指挥和调度等)和信息发布,从而对GIS平台提出了实时性的要求。另一方面,由于我国不允许将高精度的GIS数据刻入光盘,相当一部分地理信息基础数据需要通过无线下载方式获得,导致各子系统与平台间的数据交换量庞大,影响GIS平台的有效工作。
  针对上面的两大问题可将地理信息分为基础地理信息(道路位置信息、单行道信息等)和交通属性信息(停车场位置、建筑物位置等),将大量的基础地理信息通过GIS共用信息平台通过专用短程通信(DSRC)方式下载至车载装置的内置内存介质,少量的属性信息从智能交通系统实时发布,通过多种通信方式送至车载设备。
  对于数据量大的问题,可考虑采用数据压缩技术减少数据量,采用分布式数据库来管理数据以分担数据存储的空间,降低网络堵塞的可能性。对实时性要求高的数据通过网络在GIS平台和各子系统中传送,对实时性要求不高对数据定时传送到平台的数据库中。


5 结束语


  本文探讨了基于GIS平台的城市智能交通管理系统构架问题,主要讨论系统的技术框架与主要功能及可能存在的主要问题与解决方法,对系统中的细节问题还有待进一步深入研究。

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透视Web GIS软件

摘要:Web GIS是当前GIS研究的一个热点课题,本文通过对主流Web GIS产品的的概括分析,给读者对Web Gis产品一定的了解。

关键词:互联网 地理信息系统 Web GIS

前言:

Internet (互联网)从1995年开始如火如荼地蔓延至全球,其发展速度早已打破IT行业著名的以18个月为周期的“摩尔定律”。仅从1998年开始到现在, Internet的用户人数以每6个月翻一番的速度急剧增长。据IDC统计,截止1998年底,全球Internet用户已经突破1亿大关。现在, Internet的主页数已经超过1亿,并仍以每天10万页、近2000万单词的速度增长,被媒体称为继报纸、广播、电视后的“第四大传媒”。在中国,Internet也已走过5个春秋。根据中国互联网网络信息中心(CNNIC)统计,截止到1999年6月30日,我国共有上网用户400万,上网计算机达146万台。

相应地,GIS技术也随着Internet的出现而发展成为互联网地理信息系统(以下简称Web GIS)。它使GIS从专业人员手中解放出来,成为千千万万老百姓生活中息息相关的一部分。目前,基于Web的GIS技术已经成为GIS研究的一个热点课题。全球各大GIS厂商也相应地推出自己的Web GIS解决方案。综观当前国内流行的Web GIS软件,可以说是五花八门,令人眼花缭乱,用户很难选择适合自己的产品。本文试图对这些主流产品进行剖析,以给读者对Web GIS产品有一定的了解。
二、主流Web GIS软件及其实现方法:

从主流Web GIS软件的工作模式而言,可以分为以下四种类型:

(一)CGI(通用网关接口)模式:

基于CGI模式的Web GIS的实现原理如图一所示。

图一:基于CGI模式的Web GIS

优点:CGI灵活性较强,可以用任何一种能运行在服务器上的语言如VB、C++、Perl等编写。客户端无需安装任何插件,基本上没有任何负担,所有操作和分析都是由服务器端完成,充分利用了服务器的资源。

缺点:CGI本身效率不高。再加上此类Web GIS传到客户端的地图为栅格数据(GIF或JPEG),因此每次客户端的操作,如放大、缩小、漫游等都必须由服务器来完成,网络和服务器的负担较沉重,因此对服务器性能和网络带宽的要求较高。

基于CGI模式的Web GIS软件简介:

(1)美国ESRI公司的ArcView IMS3.0和MapObjects IMS2.0:

①基本介绍:

MapObjects 是一组供应用开发人员使用的制图与GIS功能构件。它由一个ActiveX控件和一系列可编程对象组成,用户可以用流行的编程语言定制专用的GIS应用程序。Mapobjects IMS 由三部分组成:一是IMS在Internet上的扩展,它是一个CGI应用,主要负责客户的请求,把请求分发给相应的地图应用程序,并把结果经由 Internet服务程序传递给客户;二是地图应用程序在Internet上的扩展,该模块通过TCP/IP协议与CGI程序通讯,接收来自CGI的请求,把地图应用程序的结果交给CGI; 三是地图应用程序,主要负责响应CGI请求。Mapobjects IMS还提供了一套地图服务器管理用户界面,可以直接管理地图服务器,数据卸载服务,或与别的网站相联。

ArcView IMS包括Web Server的应用程序扩展 ESRIMap;ActiveX 控件 WebLink;Java应用程序 MapCafe。利用ArcView强大的制图和查询功能,为用户提供现成的Internet功能,一般用户基本不用进行开发。高级用户可以通过ArcView的开发工具Avenue实现制图和查询功能, MapCafe包括一些封装好的类库和部分源代码。可用于创建客户端地图显示界面。

②应用平台:客户端支持PC版本的浏览器;服务器端可安装在Windows NT。

③用户操作对象:栅格数据(GIF或JPEG)

④数据源:本身使用矢量Arc/Info 的Coverage、Shape、SDE和栅格数据,也可转换

其它常见GIS数据格式。

⑤下载:感兴趣的朋友可以从 http://www.esri.com/ 下载MapObjects IMS2.0 :。90天试用期。

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(2)美国MapInfo公司的MapXtreme2.0

①基本介绍:

MapXtreme 包含有两个版本NT和JAVA版,它集成了地图控件MapInfo mapX和网络应用开发工具Hatesite,组成一个集成的Web解决方案软件包,提供了地图显示、图层控制、专题图、缓冲区分析、地图编辑、空间选择、查找等功能。值得一提的是,MapXtreme和它的另一个产品MapInfo SpatialWare(功能强大的空间数据管理软件,允许将地图数据存储到大型关系数据库如Oracle、DB2、Informix等)是完全兼容的。

②应用平台:客户端支持PC、Macintosh和UNIX版本的浏览器;服务器端可安装在Windows NT、UNIX。

③用户操作对象:栅格数据(GIF或JPEG)

④GIS数据源:本身使用矢量MapInfo的Tab格式、SpatialWare中的数据和栅格数据,也可转换其它常见GIS数据格式。

⑤下载:MapXtreme2.0从以下网址下载 :http://www.mapinfo.com/mapxtreme。30天试用期。 

(二)基于Plug-In(插入件)模式:

基于Plug-In模式的Web GIS的实现原理如图二所示


图二:基于Plug-In模式的Web GIS

优点: 传送到客户端的结果为矢量数据,充分利用了客户端的计算能力,可在客户端

实现缩放、漫游等基本操作,运行效率最高。

缺点:需下载插件安装到客户端硬盘,与平台和操作系统相关。

基于Plug-In模式的Web Gis软件简介:

美国Autodesk公司的AutoDesk Mapguide4.0

①基本介绍:

MapGuide4.0主要包含三个基本模块:MapGuide Viewer(客户端,作为Plug-in)、MapGuide Author、MapGuide Server。

其中MapGuide Viewer是个Netscape Plug-in 或IE 的 ActiveX控件,安装到客户端才能使MapGuide正常工作。它用于访问MapGuide Server上存储的地图信息。 可生成动态缓冲区,通过明细表、半径、多边形、缓冲区及交叉等方法选择多个对象,可根据地址和地理名称检索地图,还可读、写、修改图上的点线面目标。引人注目的是,它提供针对主流浏览器Microsoft IE、Netscape的开放的API函数,可供用户增强其客户端的操作能力。

MapGuide Author用于制作和修改所发布的地图数据。

MapGuide Server作为地图服务器。用于向MapGuide Viewer、Author的用户提供地图服务,支持对多地图文件和关系数据库的连接。

②应用平台:客户端Autodesk提供的MapGuide Viewer有三个版本,分别适用于PC、

Macintosh、UNIX版本的浏览器。服务器端只能安装在Windows NT。

③用户操作对象:矢量数据

④GIS数据源:本身使用矢量SDF格式和栅格数据。也可转换其它GIS数据

格式,包括DWG、Coverage、Shape、DGN、MIF、BNA等。

⑤下载:MapGuide4.0从以下网址下载 :http://www.autodesk.com/mapguide

30天试用期。

(2)美国INTERGRAPH公司的GeoMedia Web Map3.0和GeoMedia Web Enterprise3.0

①基本介绍:

GeoMedia Web Map的最大特点是OPEN GIS解决方案,它可操作常见GIS数据而无

须将其转换成新的格式。GeoMedia Web Enterprise则对GeoMedia Web Map进行了扩展,它是一个完整的Internet开发环境,提供了一整套针对Web的用于开发的空间和网络分析的控件对象和服务。用户能用工业标准的程序语言如VB、C++、PowerBuider、Delphi、JAVA来创建动态的、自定义的、在Web上用于对地理数据进行浏览和分析的地图应用软件。

②应用平台: 客户端使用ActiveCGM插件,支持PC、Macintosh和UNIX版本的浏览器。

③用户操作对象:矢量数据.

④GIS数据源:可直接读MGE、FRAMME、Arc/Info、ArcView、MapInfo、ORACLE SDO/SC等格式的数据而无须转换,也可叠加栅格数据作为背景。

⑤下载:不提供。

(三)基于JAVA Applet(JAVA 小程序)模式:

基于JAVA Applet模式的Web GIS的实现原理如图三所示:其中Applet由服务器下载到客户端,负责图形的放大、缩小、漫游等功能,通过CGI、RMI、IDL与应用服务器通信。 Web服务器负责WWW服务,处理和分发请求。应用服务器负责处理并发请求,实例化状态,交易处理,安全管理,数据库连接池管理等。应用构件用于完成不同的用户应用功能。


图三:基于JAVA Applet模式的Web GIS
优点:与平台和操作系统无关。


缺点:由于JAVA Applet本身效率比ActiveX慢好几倍,因此基于此类的Web GIS运行效率不是很高。

基于JAVA Applet模式的Web Gis软件简介:

国家遥感工程技术中心的地网GeoBeans1.0。

①基本介绍:

GeoBeans 由于采用了构件化技术,方便了用户的二次开发。用户可根据自己的需求,用JAVA定制自己的Internet应用和普通的桌面应用,具有较高的灵活性。它采用了JDBC和ODBC技术,可以与多种大型数据库相连,简化了对数据的操作和管理,实现了对分布式数据库的访问。还具备了直方图、曲线图、饼图等专题图功能,以及路径分析功能。

②应用平台 :与平台无关。

③用户操作对象:矢量数据。

④GIS数据源:使用自己的gbd格式,也可转换其它常见GIS数据格式,如Arc/Info Coverage、ArcView的SHAPE、MapInfo、MapGIS等。

⑤下载:不提供,可到http://www.map.beijing.gov.cn/看其效果。

(四)基于分布式超图模式:

优点:矢量图形数据;任务分离;分布式计算;分布式服务器和客户端;多数据源的

互操作性。

缺点:应该说基于分布式超图模式的Web GIS是一种很有前途的产品,但正如JAVA

本身的雷声大雨点小,其整体效率还有待提高。

基于分布式超图模式的Web Gis软件简介:

武汉测绘科技大学的GeoSurf2.0。

①基本介绍:

基于分布式超图模式GeoSurf是100%的纯JAVA软件,它使客户机、Web Server和数据库服务器任务分离。Web Server负责Web服务,数据库服务器负责数据库管理和数据服务,其它任务由客户机完成。在客户机端,用户能完成放大、缩小、漫游、查询、统计、分析等基本操作。通过Java和 JDBC可直接与GeoStar主系统选用的数据库无缝连接,如Sybase、SQLServer等,并能获取不同层次的数据信息。安全性强。客户机虽能获取数据信息,但不能修改数据库,不能将获取的数据在客户机端保存。图形分层调用、显示和管理;专题图制作;SQL查询及图形属性互查;最佳路径分析;多种语言(汉、英、日语)根据用户需要实时转换即加即用,解决网络交流障碍。

②应用平台:与平台无关。

③用户操作对象:矢量数据。

④GIS数据源:使用系统自身的DHM数据格式,也可转换Arc/Info、 MapInfo、MGE、

GeoStar、AutoCAD等数据格式。

⑤下载:不提供,可访问http://www.rcgis.wtusm.edu.cn/wwwgis/geosurf 体验。

三、Web GIS在中国的应用现状:

在中国,Web GIS的应用主要体现在两大领域:Internet和Intranet。其中Internet上的应用较少,主要有:北京市政府网站“首都之窗”开辟的以地图信息发布、浏览、查询为特色的专栏北京通(网址:http://www.map.beijing.gov.cn/),包括了北京城区的电子地图、三千多条地名路名、1400多个小区、300个旅游景点的图文介绍、约1万个企事业单位信息、1000多个房地产项目、400多条工交路线、以及火车时刻表、邮编等。国家信息中心制作的中经网地图信息服务系统(网址:http://webgis.cei.gov.cnHYPERLINK http://webgis.cei.gov.cn)也是此类网站。郑州飞狐网络有限公司的“飞狐中国通”(网址:http://www.fhoo.com/)和北京图行天下信息咨询有限公司的“图行天下”(网址:http://www.go2map.com/)有异曲同工之妙,均提供了全国各大城市的交通、旅游、购物等功能。

Intranet的应用较多,主要用于政府各级部门图形信息发布,见诸报道的有:深圳市规划国土局、天津市规划管理局采用AutoDesk MapGuide开发的Internet/Intranet网络图形信息发布系统等

四、结束语:

Web GIS的产品还很多,如BENTLEY的ModelServer Discovery、Genamap的Web Broker等均可以归到以上分类,这里就不再赘述了。无疑,Web GIS是“数字地球”、“数字城市”的雏形,受目前互联网带宽和其它因素的影响,此类产品功能还局限于地图信息发布,其性能离常规GIS尚有一定距离。随着Internet2、VR(虚拟现实)等技术的成熟,Web GIS将翻开崭新的一页!



参考文献:

[1] 袁相儒 《流行Internet GIS软件面面观》

[2] 杨崇俊等 《地网 GeoBeans----一体化网络GIS解决方案》

[3] 朱华忠等 《Internet GIS发展趋势----Intergraph解决方案》

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GIS环境下面向地理特征的制图概括的理论和方法

提 要 制图概括(制图综合)一直是地图学的瓶颈问题,近年来又成为国际GIS领域内的热点和前沿问题。本文从信息机理、理论模式、数学模型与知识法则相结合的方法,以及制图概括集成模块研制等方面探讨了GIS环境下面向地理特征的制图概括的理论和方法。本文认为,对地理特征和地理规律的科学认知(即地理认知)是地理图或地理数据库制图概括的主客观依据,GIS环境下制图概括的动机不再仅仅是为适应比例尺缩小后的图面表达,制图概括也不仅仅是为了地理数据表达而进行的数据和图形转换,而是一种具有GIS数据表达、数据深加工等多种功能的数据转换方法和技术手段。传统的“从图到图”的观念限制了制图概括自动化的发展,只有把源数据(地图或已有数据库)放在GIS的数据库环境下,分地理数据深加工和图形表达两个阶段,依据地物的“对象-类”的继承和归并模式,把GIS工具、数学模型库和专家系统三者集成到一起,方能使该问题得到合理的解决。
  关键词 制图概括(制图综合) 地理信息系统 面向地理特征

1 引言
  作为地图学的核心理论和方法之一,制图概括①始终是地图学家们所关注的焦点问题;近30多年来,制图概括的自动化一直是人们追求的目标,近年来又成为GIS研究领域内的热点和前沿问题。然而对制图概括问题的解决远没有达到人们所期望的程度。究其原因,一方面在于制图概括问题本身的复杂性,使得人们无论在理论上还是在实践中,都不可能将这一高度依赖于主观判断、带有强烈智能化色彩的问题在一朝一夕、仅从某个狭窄的突破口加以解决;另一方面,也在于以往研究中存在一些偏差,例如:过分依赖于计算机图形学方法,研究的重点长期停留在线划图形概括的算法上,因而忽视(或重视得不够)地理规律对制图概括的指导作用;把GIS与机助制图割裂开来,只认为地图的图形概括是制图概括,不承认数据库的概括(或称地理要素的语义概括)也是制图概括的组成部分,因而也就否认了GIS的分析功能在制图概括过程中的重要意义;在制图概括手段上或者只注重数学模型方法,或者只研究专家系统方法,而没有将两者结合在一起。  本文研究的方向是“GIS环境下面向地理特征的制图概括”(GGGEN)。其具体含义有两个方面:
  (1) GIS环境下的制图概括。这又包含二层含义:其一,制图概括应该是GIS系统的组成部分或应具备的功能。GIS中需要制图概括,是近几年来才被人们认识到的。一方面,出于节约成本、减少数据采集量的考虑,人们逐渐认识到了数据库“一库多用”的重要性;另一方面,GIS的空间分析结果只有用通过恰当的制图表达,才具有最优化的可读性,而按地图要求进行表达,就必然要使用制图概括手段。因此,本文所述的“制图概括”是GIS系统中的制图概括,其含义比传统地图学中的制图概括概念丰富。其二,通用GIS软件中的某些空间分析工具可以用于制图概括操作。从这个意义上讲,“GIS环境下的制图概括”又可以被理解为“GIS环境支持下的制图概括”。
  (2) 面向地理特征的制图概括。“面向地理特征的制图概括”一词也有两层含义:其一,地理制图中的制图概括必须以地理规律作为指导,在对地物对象实施概括时,必须顾及到它们的地理特征(如空间维数、空间分布、空间相互关系、类型和等级等)。其二,制图概括的结果又反映了地理规律。不仅概括后的地图更加突出了地物的地理特征和地理规律,而且概括后所形成的系列地图也从大、中、小不同尺度(指比例概括)反映出地物特征的层次性,或通过不同要素的组合(指目的概括)反映出地理要素间相互关系的各个侧面。
  为方便起见,“GIS环境下面向地理特征的制图概括” 用缩写词“GGGEN”表示,它由GIS、Geography两词的第一个字母和Generalization一词的前三个字母组合而成。

2 GGGEN过程中的信息
2.1 对地理客体的科学认知:GGGEN的主客观依据
  地理认知与制图概括是地理信息传输过程中两个不同层次的信息处理子过程。地理认知偏重于心理感知和分析,认知者既感知图上明显的信息也挖掘潜在的信息,不仅仅是探测、识别或区分信息,更要主动地解译信息,形成对客观世界的整体认识。从地图学者在编制地图时的地理认知,到用图者在读图时的地理认知,这整个过程反映了人对地理客体的认识由浅入深的特点。因为从原始制图资料到地图再到新地图的地理信息传输过程,正是人们对地理事物的认知深度的螺旋式上升过程[1]。制图概括则在地理认知的基础上对上述信息进行抽象和概括,形成对应于特定的制图目的,适合于在一定比例尺下显示的地理要素的分类、分级和空间图形格局。因此,地理认知是制图概括的主客观依据,而制图概括则是在认知过程中对地理客体的科学抽象和概括。
  之所以说地理认知是制图概括的“主客观依据”,一方面是因为制图概括本身就是一个主观与客观相统一的过程,另一方面则在于制图工作者或GIS专家在地理认知中不仅全面、综合地分析和理解地理环境,进而实施制图概括这项“科学的创造性的劳动”[2],而且其认知中还包含了对一些客观的制图标准和规范的接受或认同。
  作为制图概括的主客观依据,地理认知贯穿于制图概括的整个过程。具体来看,它表现在地图设计阶段,对制图概括原则、内容、分类分级指标的“构思”上,以地理认知中所获得的关于地理环境的系统功能、层次结构、各要素的组合关系等的知识为指导。在地图编绘即制图概括实施阶段,对地图要素的选取、数量和质量概括、图形简化等“构图”操作上,一方面在处理符合概括指标的要素或图形时能够进一步体会地理认知的控制和指导作用,做到心中有数,操作正确,不致于误解概括指标和规则;另一方面在遇到概括指标没有详细规定到的要素或图形,或者某地物与多项指标均符合,难以决断时,就要根据自己对制图对象的理解来灵活处理。在校验地图阶段,对于以图形方式呈现在面前的地理客体及其相互关系,能够加深对地理环境的理解。当发现成图所反映的与自己理解的地理规律不一致时,可以深入探究原因,如果属于地图表达错误,返回到设计阶段修改概括指标,重新进行制图概括;如果系自己理解错误,则可从形象、直观的地图上纠正自己的概念。
2.2 对地理客体的空间概括和过滤:GGGEN的信息加工功能
  GGGEN的信息加工功能分为两种:一是对地理客体空间分布格局的概括,二是对复杂地理信息的过滤。
  GGGEN对地理客体空间分布格局的概括表现在两方面:一是对地理客体的地域分异格局的概括,即在综合自然地理学和景观学派[3,4]关于地物的类型和等级体系的划分理论基础上,从地图学和GIS中对于特定的空间尺度和空间等级单元存储和表达的内在要求出发,应用一系列概括手段,从较大比例尺地图或源数据库中提取或派生出包含与新比例尺相适应的2级~3级地理景观单元的地物数据的较小比例尺地图或数据库,反映地物“等级分辨率”体系[3]规律,满足GIS空间分析和信息表达的需要。二是对各种点、线、面状地物在空间上的位置格局和相互间的拓扑关系的概括。其中地物的空间位置格局既指地图上点、线、面状地物所组成的空间分布图形(如岛状、斑状、扇状、环状、带状、层状、交叉状等),也指它们在空间上的距离远近对比、分布密度对比等。而地物间的拓扑关系则指点、线、面三类地物相互间的相交、相切、相割、相邻、包含等关系。在制图概括中,图上或数据库中的某些细节地物可能被删除,地物的形状可能被简化,某些图斑也可能被合并,为了协调地物间的关系还有可能对某些地物实施移位处理,但地物的空间分布图形特征、距离和密度对比以及相互间的拓扑关系必须保持;而且对地物概括的程度越高,对其本质的和核心的空间位置格局特征的抽象程度也越高。
  GGGEN对复杂地理信息的过滤是从信息熵的角度来考察的。即当地理信息通过有噪声信道(与原信息量不相适应的缩小了的地图幅面或新的信息需求)时,制图概括的作用是经过适当的编码,从信源熵(输入信息)中剔除条件熵(失去的信息),最大程度地消除信源信息的不定度,得到相互信息(核心的和必要的信息)。虽然在传输过程中信息有所损失,但复杂而模糊的信息得到过滤,变得脉络清晰,重点突出。GGGEN的信息过滤特征表现在:通过信息编码的归类和按类选择性过滤完成对地理信息的取舍;通过增大类间和级间差距、限制相关信息的扩散和重叠来实现地理信息的质量、数量概括;通过减少不肯定熵(条件熵)、夸大符号之间的区别或它们之间的空间距离,达到协调地物关系的目的。
2.3 对地理数据深加工后的可视化:GGGEN的梯级实施
  制图概括是分阶段实施的,并与地理信息的可视化问题密不可分。这是GIS环境下的制图概括区别于传统制图概括的重要特征,也是近年来人们对制图概括的新认识。
  首先,在GIS环境下存在两种意义上的制图概括,它们分属于以下两个不同的阶段:第一阶段是数据的语义概括过程。即对客观真实世界进行概念层次上的概括性模拟或模型化,用于产生并突出地理目标的结构和相互间的关系。方法是利用GIS数据库作为输入源,采用选取/删除、类型合并和等级合并等处理,产生派生数据库。该阶段不考虑图形显示方面的问题,因此又被称为“模型概括”[6]。第二阶段是数据的图形概括过程。即为了视觉表达而对上述派生后的数据库进行的图形表达和概括处理,主要是表示方法的改变、符号化(或重新符号化),以及符号化过程中的图形概括(简化、移位、合并、夸大等),进而生成符合制图规范和可视化原则的地图。
  其次,在制图概括的梯级实施过程中,可视化原则起着十分重要的规范化指导作用。这是因为可视化的双重功能与制图概括的两个阶段紧密相关,即语义概括阶段体现了可视化的知识探索和信息分析功能,图形概括阶段则体现的是可视化的信息传输功能;制图概括两个阶段的目的都是为了更好地可视化(即更好地分析和表达地理现象的规律)。这种指导作用主要表现在以下三个方面:①科学性指导。即判断地图要素的分类分级方案、符号梯尺的设计和应用、表示方法和符号设计的科学性和合理性;②信息传输效果指导。即判断地制图概括过程中,图上各视觉变量及其组合传输地理信息的有效性;③艺术性指导。要求在制图概括过程中贯穿审美原则,达到色彩既合谐又明快,符号造型形象生动的目的。
  可视化原则的指导作用体现在制图概括的各个阶段:在语义概括阶段,如何对地理要素实施选取/删除、类型合并和等级合并等操作,应遵循可视化的科学性原则,以突出地理目标的结构和相互间的关系为目标。当第一阶段完成后,由于许多地物被删除,制图对象的空间结构虽未发生大的变化,但信息量减少许多,地图所表现的重点由较全面的细节变为带有总览性质的地理规律。这时就有可能在第二阶段重新设计表示方法,以适应新图的特点。而采用何种表示方法为好,就需要根据可视化原则进行全面衡量。同理,如果在第一阶段采用了新的分类和分级方案,关系数据库中的若干个等级较低的地物类型被某一个较高等级的类型代替,地物较详细的数量分级也被较概略的分级所取代。这时就需要进行符号化和重新符号化。而符号设计和运用得当与否,也须有可视化的原则作指导。在图形概括阶段,从表面看,曲线的化简、特征点的夸大、图形合并、移位等项操作是按照事先确定的制图概括原则和指标进行的,但实质上可视化的规范化指导作用渗透于其中。特别是在移位处理中,为了协调要素间的位置关系,要利用对不同要素重要性的理解来解决何者移位、何者保持原位、位移量多大等问题[7]。

3 GGGEN的理论模式
  按照从总体到局部、从概括到具体的顺序,GGGEN的理论模式由以下四个层次构成:
  第一层次是“从数字景观模型到数字制图模型”的数据库模型框架。其中数字景观模型(DLM) 用于描述地理数据库,数字制图模型(DCM) 用于描述地图数据库。前者存贮的数据是以实体(Entities)形式描述地理客体的精确位置、形状和属性,以及实体之间的空间关系(拓扑结构)、变化过程等,而后者则在比例尺的要求下以符号的形式反映上述内容。
  GGGEN实质上是从DLM向DCM转化的过程。其语义概括阶段是在DLM中进行,图形概括阶段则包括从DLM向DCM的转换(即符号化、重新符号化)和由前一个DCM向后一个DCM转换的整个过程(见图1)。
  第二层次是“基于主导数据库的多重表达”的数据库层次结构框架。即以全要素大比例尺的主导数据库为基础,从中派生出一系列不同比例尺或不同分辨率的数据集[9]。这些数据集以一定的联接关系集合成一个整体,组成一个“多重表达数据库”。换而言之,多重表达数据库存贮的是相同地理客体在不同比例尺或分辨率下的不同表现形式。在这种具有层次结构的数据库的生成和维护中,都离不了制图概括。其数据流程见图2。
  第三层次是基于知识和地理目标的过程框架,由结构识别、过程识别、过程模拟、过程执行、数据显示5个步骤组成(见图3),步骤名称前分别用字母a,b,c,d,e标注。详细内容见本文第4部分(图5)。



图1 从数字景观模型到数字地图模型
Fig1 The scheme from DLM to DCM

图2 基于主志数据库的多重表达数据流程框架
Fig2 The scheme of master database multiple representation

图3 基于知识和地理目标的过程框架
Fig3 The scheme of knowledge & object-based procedure

  第四层次是“对象-类”的继承和归并模式,是对地理客体的抽象描述模式。对地物地理特征的科学描述,以及以此为基础而进行的地物类型、等级层次关系的继承和归并(见图4),是面向地理特征的制图概括的一个核心的理论支撑。首先把客观世界分解并描述为一系列地理实体,继而在数据库用点、线、面、属性等数据对象来描述上述地理实体。然后从数据对象中抽取出“地理要素”,接着便对地理要素进行“对象-类”的描述(包括地物定义、地物类别描述、地物等级描述和要素空间关系描述等)。有了地物“对象-类”的描述,就可实施数据库中的语义概括(包括取舍、类型归并和等级合并)。所形成的新数据库既可用于数据分析,也可直接显示成地图形式。这反映了GIS环境下制图概括的灵活性——可以只做数据库中的语义概括,也可以进行从语义概括到图形概括的整个过程。图形表达的第一个步骤是对新数据库进行地理量度描述(包括名义、顺序、分级、比率4种尺度);第二步骤是按照地理量度描述把数据符号化(地图符号表达)。然后就需要对数据实施图形概括(如重新符号化、图形简化、图斑合并、特征点夸大、移位等)。整个过程体现了对地理客体进行抽象描述的模式。其中“地理实体→数据库对象→地理要素→对象-类描述→语义概括”属于对地物“对象-类”的归并过程,“地理量度描述→地图符号表达→图形概括”则属于“对象-类”的继承过程。



图4 地物“对象-类”的继承和归并模式
Fig4 Generalizing model of geo-object and class inheritance and incorporation

4 数学模型与知识法则相结合的GGGEN方法
  在信息机理和理论模式的指导下,本文采取的GGGEN实施方法的核心是将知识推理方法与数学模型方法相结合(见图5)。两种方法各有长处,在GGGEN中是互相补充、紧密配合的。缺少两者之一,制图概括都不会有令人满意的结果。总体来看,数学模型方法主要用于具体的操作过程,例如用方根模型、回归模型、模糊综合评判模型、等比数列模型等完成取舍操作,用Douglas-Peucker模型、分形分维模型、数学形态学方法等完成形状简化操作,用空间聚类模型完成地物分级分类概括,等等;知识推理方法则用于过程判断、过程之间的连接等智能化的操作。



图5 知识推理与数学模型方法相结合的GGGEN流程
Fig5 GGGEN flow-chart of knowledge reasoning conbined with math model operation

  具体而言,知识推理主要用于:①结构识别,即从原数据库中和原地图上对地物的地理特征进行判定,包括识别地物类型、地物等级、空间位置、与其它地物的空间关系以及确定地物的重要性等。在结构识别之前,必须在知识库中对地物的地理特征进行描述,建立基于地理特征的“对象-类”知识。结构识别的结果是确定被处理的对象(地物)。②过程识别,即确定对所选定的对象进行何种概括处理(概括行为判定),概括过程会给(新)目标数据库或地图带来什么样的结果(概括结果预测)。过程识别的标准分为图形显示限制、地物地理特征的保持、地图或数据应用要求、操作过程特征4个方面。根据上述判定和预测,确定应该采用的操作项(过程)。③过程模型化,即分别为知识规则驱动操作和数学模型处理两种概括方法选择具体的操作规则和数学模型,并确定运行时应取的参数。过程模型化的结果是确定了规则、模型和参数。④概括质量的判定,即对概括后的新数据库或新地图的质量进行检验和判定。判别标准包括地物类型和等级体系的一致性、景观特征的保持、地物之间协调关系的保持、几何精确性与地理规律真实性的统一、表达清晰性与内容完整性的统一五项。这一步骤中的知识规则十分复杂,因为五项判定标准都是定性的、模糊性的指标,必须把它们分解成一步步可形式化的逻辑段落。⑤决定下一步概括行为,即通过④得出“满意”或“不满意”的结论后,判断下一步应该采取的概括行为。如对本次概括不满意,则须修改本次方案并重做本次概括;如对本次概括满意,但整个制图概括任务还没完,则选择下一个地物或对本次选定的地物进行另一项操作;如果整个概括任务已经完成,且经概括质量判定达到“满意”结论,则结束整个制图概括任务,产生(新的)目标数据库或目标地图。

5 GGGEN方法的实现与应用
  本文实现GIS环境下面向地理特征的制图概括的方法途径是把GIS工具、数学模型库和专家系统三者集成到一起,形成GIS软件包中的一个模块。图6是该模块的粗略结构图。


图6 GIS中制图概括模块的结构
Fig6 Structure of GGGEN module in GIS

  从图6中可看出,GIS中制图概括模块主体部分由“GIS工具”、“制图概括操作工具/数学模型库”和“制图概括推理机/知识库”三个组份组成。它们各自完成特定的功能,形成一个有机的整体。具体来讲:
  (1) GIS工具的功能:①接收并组织、管理输入的数据;②通过对地物的空间和属性查询来辅助推理机进行推理判断;③通过对地物的空间和属性查询来辅助模型方法的概括,并做补充性操作;④输出处理结果。
  (2) 制图概括推理机/知识库的功能:①根据GIS工具的查询所得出的结果识别地物结构和特征;②经过推理判断,选择操作项和数学模型。
  (3) 制图概括操作工具/模型库的功能:实施制图概括操作并把概括结果返回给GIS系统。
  本实验用MGE作为GIS工具和技术开发平台。建立的知识库包含三类知识和规则,一是地物地理特征“对象-类”知识,二是基础的GGGEN知识规则,包括“结构识别”、“过程识别”、“数学模型选择”等方面,三是专用型知识规则,包括面向地理要素的综合性知识规则、面向我国典型地理区域的制图概括知识规则。建立的数学模型库中除了常用的取舍、形状简化模型外,还采用了一些新的制图概括模型,如图论模型、分形模型、数学形态学模型、滤波模型等。
  作者应用上述制图概括模块进行了两个典型区域的实证性研究,一是以冀北山地及其山前平原基本地理单元和水系图(即延庆幅)为例进行目的综合、比例综合,以及河、渠、水库的概括和相互协调处理,实现GGGEN对区域自然景观特征的多数据层表达和系列图表达;二是以珠江三角洲经济区交通网络为例,进行主导数据库的交通网多重表达实验,实现GGGEN对区域人文景观特征的反映。两个实验均得到了很好的效果。

参考文献(References)

 1 Chen Shupeng. The challenges and chances cartography faced. Acta Geographica Sinica, 1994, 49(1). (In Shinese) [陈述彭. 地图学面临的挑战与机遇. 地理学报, 1994, 49(1).]
 2 Topfer. Generalization. Beijing∶Surveying and Mapping Press, 1982. (In Chinese) [特普费尔.制图综合. 北京∶测绘出版社, 1982.]
 3 Niu Wenyuan. Theoretical geography. Beijing∶Commercial Press, 1992. (In Chinese) [牛文元. 理论地理学. 北京∶商务印书馆, 1992.]
 4 Beglo N C et al. The concept of landscape and general problems of landscape science. Beijing∶Commercial Press, 1964. (In Chinese) [贝格乐 Л С等著. 景观概念和景观学的一般问题. 北京∶商务印书馆, 1964.]
 5 Knelf R. Generalization——communicating reliable information through unreliable channel. Cartography, 1987 (3). (In Chinese) [克讷夫里 R. 制图综合——通过不可靠信道传输可靠信息的一种方法. 地图, 1987 (3).]
 6 Muller J C. Building knowledge tanks for rule-based generalization, ITC Journal, 1991, 3∶138~143.
 7 Qi Qingwen, Liu Yue. An automated solution to the graphic generalization of discontinuous area phenomena. Geographical Research, 1996, 5(1)∶1~10. (In Chinese) [齐清文, 刘岳. 非连续分布面状地理现象的图形自动概括方法. 地理研究, 1996, 5(1)∶1~10.]
 8 Buttenfield, McMaster. Map generalization: making rules for knowledge representation. London: Longman, 1991.
 9 Buttenfield B P. Multiple Representations. NCGIA Research Initiative, 1993, 3.

THE THEORY AND APPROACHES OF GEOGRAPHIC
—FEATURE ORIENTED GENERALIZATION
IN GIS ENVIRONMENT

Qi Qingwen
(“3S” Center of Civil Engineer Department, Tsinghua University, Beijing 100084)
Liu Yue
(Institute of Geography, Chnese Academic of Sciences, Beijing 100101)

  Key words Cartographic generalization, GIS, Geographic-feature oriented generalization

Abstract

  Cartographic Generalization has long been the key problem in cartography, and are becoming one of the most attractive and leading problems in the international realm of GIS. This paper sumarizes the author''s research on the theories and approaches of Geographic-feature oriented Generalization in GIS environment (GGGEN). The paper contains five parts, i.e., the information mechanism, the theoretic models, the method of mathematic models combined with knowledge rules, and the development of integrated module of generalization of GGGEN. The author''s conclusions are as follows: ① Scientific cognition on geographic feature and geographic regularity, i.e., Geographic Cognition, is the subjective and objective basis of generalization for geo-maps or geo-databases, and it goes through each mapping stages, e.g., the designing stage, the map constructing stage, and verifying stage. ② The motives of generalization in GIS environment are no longer for only adapting graphic representation with the decreased scale, and generalization is a kind of method and technology not only for data and graph transformation for geographic data representation, but also for GIS data processing, integration, analysis and database derivation. The functions of GGGEN''s information processing include its generalization on the spatial distributive pattern of geo-objects and its filtering on the complex geographic information. ③ The traditional concept of generalization, i.e., transformation from one paper map to another, is an obstacle of automated generalization, which should be realized in GIS database environment, through two stages as data processing and graphic representation, on the model of “object-classes” inheritance and mergence, using the technology of integrating GIS tool, mathematic model base and expert system. That is to say, GGGEN is a kind of stepped information processing, which starts from geo-data analysis and treatment in database, and ends at geo-data visualization, i.e., graphic representation. The visualization principles have very important guidance to generalization. ④ From concrete view to detailed view, there are four levels of theoretic models for GGGEN, in which the first level is the database model scheme, i.e., the scheme from DLM to DCM, the second level is database hierarchical structure scheme, i.e., the scheme of Master Database Multiple Representation, the third level is the scheme of Knowledge and Object Based Procedure, and fourth level is the Generalizing Model of Geo-Object and Class Inheritance and Incorporation, which is the kernel part of Geographic-feature Oriented Generalization. ⑤ The combination of mathematical models and intelligent rules should be, and really is, a kind of prosperous approach to automatic generalization, in which the former function acts as concrete operations, while the latter, including structure recognition, course recognition, course modeling, assessment of final output, decision of the next operation, deals with the judgment and linkage of various operations. ⑥ By using the GGGEN module in GIS, which includes a generalization operator set with the Math Model-base, a generalization inference engine with the knowledge-base, and a GIS tool set with GIS environment, the author obtain satisfactory results for representing the natural landscape feature of Yanqing County, Beijing Municipality, and the humanistic landscape feature of transportation network in Zhujiang Delta Economic Zone.

作者简介

  齐清文,男,1963年生,1981年~1988年就读于陕西师大地理系,先后获地理专业学士和地图学与遥感专业硕士学位,1988年7月~1993年8月在湖南师大地理系任教(助教、讲师),1996年获中国科学院地理研究所理学博士学位,1996年10月~1998年9月在清华大学土木系“3S”中心进行博士后研究工作。主要从事GIS、遥感和地图学的理论、方法和技术及其在城市建设中的应用性研究。先后在国内外学术刊物和学术会议上发表20余篇论文。

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GIS数学模型

GIS数学模型
http://user.7host.com/codemaster ; 2003-10-17  vbman  

提要  本篇根据GIS具体应用实例,详细阐述了GIS的基本数学模型,深入分析了非地理属*数据的本质特*及组织方法,并提出了绘图即编码的新观点。
关键词  GIS 非地理属*数据 图形编码
  0. 引言
  近年来,GIS数据处理技术正以前所未有的速度,渗透到社会的各个部门。各行各业的GIS开发应用急剧增加,专业GIS平台种类繁多,新技术、新理念层出不穷,给人以目不暇接的感觉。作为一名业余GIS从业人员,根据行业应用具体例子,阐述GIS数据处理技术的基本原理及其应用方法。所述观点有偏薄之处,还请GIS行家斧正。
  1. 现行GIS数学模型
  GIS处理的数据对象不仅仅局限于地理测绘部门,基于地理信息基础上的规划、市政、土管、电力、电讯、自来水等相关行业,同样适用于GIS数据处理技术,这是无庸置疑的客观事实。值得探讨的是:各相关部门该如何利用测绘部门提供的基础地理信息?他们又该如何组织各自的专业数据?
  现行的GIS数据处理模型,都是在海量级数字地理背景图上,叠加各自专业图符布置图,然后利用内置或外挂的关系型数据库,查询统计图形符号所属的参数记录。这样的数学模型,实际应用效果并不理想:操作人员在图形、表格之间煞费苦心,但始终不得要领;应用单位除了承担昂贵的专业GIS平台外,还得承担同样昂贵的关系型数据库平台。笔者以为,现行GIS数学模型的基本原理有待探讨。
  2. GIS数据的基本结构
  海量级数字地图本来是按一定比例尺度、一定投影带度(地理坐标系),分幅保存在地理测绘部门。以前都是以图纸形式,现在通行数字地图格式。大概是计算机图形处理技术太易于拼接叠加,程序设计人员很容易将数量众多的地理分幅图,拼接成海量级数字地图,作为各GIS相关行业的地理背景。这样的系统设计方法,违背了模块化设计这一信息处理技术的基本原则。
  就单纯的地理信息而言,最小的、能够独立使用的基本数据模块,就是每张一定比例、一定投影带度的地理分幅图。单张地理分幅图的信息数据量相当有限,数量众多的地理分幅图叠加起来,才形成海量级地理背景图。在很小的电脑屏幕上,调集海量级图形数据,显示效果如同印象派画家的杰作,不知所云。实际应用当中,操作人员为了保持画面的清晰,常常关闭地理背景图层。早知今日,何必当初。
  GIS相关行业在数据初始化阶段,确实应该尽可能搜集所有地理分幅图,包括不同坐标体系的地理图,这样可以在图纸或电子地图上,转录各自行业图符布置图,不必花费大量的人力、物力,到现场进行实地勘测,系统开发周期可以大大缩短。转录过程是必不可少的,因为测绘部门的图符规范与各行业规范不尽相同,图符之间的逻辑关系更是隔行如隔山。关于这一点,各相关行业部门并无异议,实际应用也是这样操作的。但无论从数据处理的基本原理,还是实际应用角度,都没有理由叠加海量级地理图作为基础背景。
  也许有人要问,转录后的行业图符地理布置图,仍常常需要基本地理信息作为参考背景,那该如何处置?实际上这很容易解决,你只需将所有地理分幅图保存在指定的硬盘目录,需要时逐一调入叠加。很显然,这样的应用模式,更符合数据处理的基本原理,计算机系统资源也可大大节约。
  这里想强调一点,无论是基础地理信息图,或是行业图符布置图,必须遵循测绘部门的地理坐标系。地理坐标系不仅具有严密的数学投影公式,而且是法定的标准规范。常常碰到一些非地理专业的设计人员,任意假定自己的地理坐标。这样的设计方法,能够应用一时,但给日后的数据维护运行带来无穷的后患。你的所有数据将成为“信息孤岛”:无法被别人共享,也无法共享别人信息。“地图永远跟不上建设”,你搜集到的最新版式的地图,很可能是五年甚至是十年前的地形地貌。动态变化的地理信息,是按照固定的坐标体系不断修测更新。地理坐标体系实际上是地理信息数据的基本编码字典,设计人员怎能凭自己的意愿,各自假定编码字典。笔者并非地理专业人员,认识地理坐标的重要*,完全是经验之谈。
  3. 非地理属*数据的组织方法
  笔者认同这样的观点:从内部结构上讲,计算机数据处理技术可以概括为逻辑上的关系型数据库处理模型;所有信息数据,无论是文本、数字、图形、图象、声音等等,都是以抽象的表格记录形式存贮在计算机内部。这是专业级系统开发商探讨的技术问题,笔者根本没有能力深入剖析。从具体应用角度出发,抽象的或者说是逻辑上的关系型表格数据库,是否都得影射成外观的表格数据记录,这就值得应用开发人员仔细推敲。就最常用的DXF格式的图形交换文件(数据)而言,其内部形式就是标准ASCII码表格数据,但它们的外部表现形式,则是具体形象的几何实体。对应用开发人员犹其是应用操作人员来讲,表格记录与图形数据是完全不同的数据类型,它们的组织方法、查询手段也是完全不同的。
  单纯的图形数据组织方法与单纯的表格数据组织方法,谁也不会混淆。现行GIS相关行业的非地理属*数据的组织方法,笔者不敢苟同。绝大多数应用开发人员,都将它们整合成结构严谨的表格记录,并在表格数据库中进行相关的查询、统计。表面看来,似乎符合这些属*数据的管理模式。在未有计算机图形处理技术以前,这些属*数据无一例外地集中存贮在表格簿册之中。但这是不得已而为之。它们本该分散标注在图形符号的背后,只是在手工绘图阶段,根本无法实现。在计算机图形技术日臻完善的今天,可以利用隐含显示、透明叠加等计算机图形处理技术,方便准确地将属*记录标注在图形符号背后,直观形象地进行查询统计,应用效果如同“看图识字”。那只是还非地理属*数据以本来面目,从本质上讲,它们本来就属于图形数据,并非一般意义上的表格数据。它们的组织方法如同绘图一样,必须将一条条属*记录(类似于几何实体),分散标注在它们本该出现的位置。方便灵活的分散标注过程只是人机对话的表面形式,集中存贮仍是属*数据计算机内部结构。对编程人员来讲,面对的仍是整齐划一的DXF格式的数据表格,这与普通表格数据没有两样(实际上DXF格式数据只是应用开发人员的数据组码,低层的数据代码更为整齐划一,但这是专业级开发商面对的数据格式)。对具体应用人员来讲,直观形象地进行查询统计,是他们最大的愿望。
  4. 图形编码法
  普通表格数据库中的数字编码,我们已经运用得驾轻就熟,对图形编码[1]可能还比较陌生。但“信息技术工作者,逐步意识到用地理位置来检索数据,是组织和使用数字式数据的基本方法”[2]。讲得通俗点,使用图形编码是组织和运用图形数据(包括非地理属*数据)的基本方法。所谓图形编码法,就是以图形符号为基本工程语言,依照行业设计规范,绘制或标注图符、属*的全过程,就是图形编码法。简而言之,绘图即编码。
  图形编码在未有计算机图形处理技术以前就已存在,手工绘图的全过程,运用的就是图形编码法,但使用范围局限于狭义的图形符号。随着计算机技术的迅猛发展,图形编码的使用范围早已超出狭义的制图设计过程。司空见惯的条形码技术,就是典型的图形编码在表格数据库中的具体应用。DOS操作系统与Windows操作系统最本质的区别,前者采用的是数字编码命令体系,后者采用是图形编码命令体系。
  遗憾的是,由于不了解非地理属*数据的实质就是图形数据,没有认识到绘图标注过程就是编码过程,也可能是关系型数据库技术过于流行,GIS相关行业的程序设计人员,都将非地理属*数据分门别类,集中存贮在内置或外挂的关系型数据库中,并人为添加一条编码字段,进行日常的查询统计。这从数学原理上讲是不成立的,简单的图形符号,比如条形码,尚能用一串数码来描述;复杂的图形符号及其相互间的逻辑关系,根本无法用数码来表示,否则就不存在各行业的工程设计语言。实际应用当中,非地理属*数据在关系型数据库中的查询统计效果,差强人意,操作人员始终处在云里雾里。更为烦恼的是,管理人员为了维护程序设计人员外加的编码体系,费尽心机,但始终不得要领。非地理属*数据的编码字典,就是管理人员熟知的行业设计规范。程序设计人员必须首先掌握GIS及相关行业的工程设计规范,然后才能进行应用系统的组织、设计。
  非地理属*数据采用图形编码法,才能满足数据模块化设计的原则。GIS相关行业的基本数据模块,就是每张专业图符(属*)地理布置图,它们是由不同类型的图符实体,依据各自的行业规范,准确连接而成的、可以独立使用的基本数据模块。这在关系型表格数据库中是无法实现的,表格数据库采用的是分门别类方法,不同类型的属*数据无法整合在同一表格簿册中。这既是它的优点,也是它的不足。数据处理技术并非只有关系型数据库一种,程序设计人员首先考虑的就是根据不同行业数据特*,选择不同的数据处理技术。
  5. GIS应用实例
  图例是笔者利用最普通的ACAD(R14)作为GIS平台(Autodesk公司提供专业GIS平台,如AutoCAD Map、MapGuide等系列),引用当地最常用的宁波独立坐标系,依据图形编码法,准确绘制的配网地理接线图。没有任何地理背景,需要时可以随时叠加任何已有的或者今后再版的地理分幅图。没有外挂任何关系型数据库(ACAD支持多种关系型数据库),你用鼠标就可直接点取任一电气设备的全部属*参数。为了保持画面的清晰,只显示一、二项属*参数,其余均被隐含在图形符号的背后。你当然可以根据不同的统计口径,编制小段管理程序,汇总统计各种参数,编程过程并不复杂。应用人员几乎可以不经任何培训,就能上机查询,真正体现“所见即所得”设计目标。
  根据模块化设计原则,剥离了海量级地理背景图,配网地理接线图也是按馈线分别存贮在指定的硬盘目录,需要时逐一调用,这样的GIS应用模型可以在P/100/40M普通微机上流畅运行。采用更高档的系统机型,选择更专业的GIS平台,应该根据系统的综合*能价格比,由用户作出最终抉择。作为程序设计人员,必须确保信息处理的数学模型科学规范,维护运行的人机界面简单明了。

参考文献
[1]《配网设备的图形编码法》 “《供用电》2000年第三期”
[2]《开放GIS标准》 “ http://china.gischina.com

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GIS 与Oracle 数据库空间数据格式的转换

GIS 与Oracle 数据库空间数据格式的转换
           李景文 陈大克 唐群(桂林工学院土木工程系, 广西桂林541004)
[摘要] MAPGIS 软件支持多种GIS 数据交换,且其明码数据格式较全面、清晰,易于读写。本文以MAPGIS 明码数据格式和Oracle 数据库为例,研究通过编程实现ASCII 码格式的空间数据上载Oracle Spatial 数据库的方法,探讨各类GIS 软件与Oracle Spatial 进行空间数据交换的基本过程。
[关键词] GIS; 空间数据库; Oracle; MAPGIS
[中图分类号]P208 [文献标识码] B [文章编号]1001-8379(2003)04-0178-03
STUDY ON TRANSFORMATION OF SPATIAL DATA BETWEEN GIS AND ORACLE
LI Jing-wen CHEN Da-ke TANG Qun(Department of civil Engineering, Guilin Institute of Technology, Guilin 541004 China)
Abstract: The software, MAPGIS, supports many kinds of GIS data format. It’s public data format is comprehensive,clear and easy to be understood. The article, based on the MAPGIS’s public data format and Oracle Spatial Data
format, describes how to upload spatial data with ASCII into Oracle Database, and studies the basic procedure of every other kind of GIS software exchanging spatial data with Oracle Spatial.
Key words: GIS; Spatial Database; Oracle; MAPGIS
1 概述
    近几十年来,由于社会应用需求的增长和多年研究工作的积累,地理信息系统(GIS)技术有了明显的进步,正朝着跨平台运行、分布式处理、开放式开发、网络化集成的方向发展。从空间数据管理角度看,GIS 已经从纯文件方式管理图形数据和属性数据向图形数据文件方式管理和属性数据关系型数据库管理方式发展。然而由于GIS 的图形数据格式多样,图形数据用文件来管理的模式给信息共享带来了极大不便,特别是随着GIS 应用领域的不断拓宽,数据量的快速增大,在实现数据共享、网络通信、并发控制及数据安全恢复机制等方面呈现出明显局限,出现了诸多难以解决的问题。
   目前,大多数GIS 软件都逐渐倾向于采用空间数据与属性数据一体化的管理方式,而且选用Oracle 数据库作为存储空间数据和属性数据的数据库管理系统,特别是Oracle 推出Spatial 之后,基于Oracle Spatial 的空间数据管理方式逐渐被认同[1]。然而,由于各个不同的GIS 软件的数据存储结构是封闭的,各自采用不同的数据格式,在数据上载Oracle Spatial 中存在数据语义表达的不一致性,彼此之间难以实现数据互访,并且用户又难以控制,本文针对这一问题以MAPGIS 平台和Oracle 数据库为例探讨GIS 软件与Oracle 数据库数据交换的方法。
2 MAPGIS 明码格式
    MAPGIS 的明码格式数据接口是一个开放式的软件数据接口,用户用其他软件获取的数据只要按照明码格式写成图形文件,就可以由MAPGIS 系统读取。其明码数据格式是ASCII 码的文件,较全面、清晰,且以点、线、面分开的方式存储空间实体,易于读写。下面以线文件为例,分析其明码数据格式的构成。线文件结构如下:
逻辑结构:文件头 线数 1 号线 2 号线......
具体为:
文件头, 8 个字节WMAP9021
线数n
1号线线型号辅助线型号颜色
线宽x系数y系数辅助色
图层透明输出
线点数m1
x x1y1; x2y2;…; xm1ym1
ID 线长度
2号线线型号辅助线型号颜色
线宽x系数y系数辅助色
图层透明输出
线点数m2
x x1 y1; x2y2; …; xm2 ym2
ID 线长度
……
n号线线型号辅助线型号颜色
线宽x系数y系数辅助色
图层透明输出
线点数mn
x1 y1; x2y2; …; xmn ymn
ID 线长度
3 Oracle Spatial 数据结构
   在Oracle Spatial 的对象—关系模型中,一个空间实体的空间信息是存储在字段类型为SDO_EOMETRY 的对象类型记录中。SDO_ GEOMETRY 在
Oracle 中的定义如下:
CREATE TYPE SDO_GEOMETRY AS OBJECT(
SDO_GTYPE NUMBER,
SDO_SRID NUMBER,
SDO_POINT SDO_POINT_TYPE,
SDO_ELEM_INFO
MDSYS.SDO_ELEM_INFO_ARRAY,
SDO_ORDINATES
MDSYS.SDO_ORDINATE_ARRAY);
在MAPGIS 明码数据上载Oracle Spatial 之前,先在Oracle 中建立与MAPGIS 明码格式相一致的空间类型信息和图形属性信息库结构,见表1 所示:
                   表1 线信息数据库结构
名称数据类型含义名称数据类型含义
Line_ID GUID 线对象代码Line_WD int 线宽
Line_xy GEOMETRY 坐标序列Line_X float x 系数
Line_TID Int 线型号Line_Y float y 系数
Line_TFID Int 辅助线型号Line_CLR int 辅助色
Line_CL Int 颜色Line_OUT log 透明输出
Line_LAY char 图层Line_LEG float 周长
4 空间数据引擎实现方法
4.1 基本过程
    目前,各类专题空间数据库建立的过程包括技术设计、资料准备、数据获取和数据入库等内容。数据的获取常可利用现有的GIS 软件如GeoStar、MAPGIS、SUPERMAP、ARCGIS 等来实现,获得的数据通过某一空间数据引擎(如Easyloader)上载到Oracle 数据库中,实现利用Oracle Spatial 存储、管理空间数据。MAPORA 引擎是把MAPGIS 的明码格式通过编程实现空间数据上载Oracle Spatial 的一种方法,其具体过程如图1 所示[2]:
4.2 实现程序代码
    1)利用Oracle JDBC 驱动程序连接Oracle 数据库。其java 程序段如下:
myconnection=DriverManager.getConnection(
“jdbcracle:thinlocalhost:1521rcl”,
“scott”
“tiger”);
    2)使用CREATE 语句创建数据库表单:
CREATE TABLE F001B (
Point_id INTEGER CONSTRAINT PRIMARY
KEY,
Point_xy MDSYS.SDO_GEOMETRY,
file://坐标对字段的定义
Point_TID INTEGER,
file://线型号字段的定义
Point_TFID INTEGER,
file://辅助线型号字段的定义
......);
    3)读取MAPGIS 明码格式后,写入Oracle 数据库中:
INSERT INFO F001B valueS(
1,
MDSYS.SDO_GEOMETRY(
SDO_GTYPE = 2001
SDO_SRID= NULL
SDO_POINT = (1,1,NULL)
SDO_ELEM_INFO = NULL
SDO_ORDINATES = NULL)
12,
20,
......);
5 数据应用
    目前,虽然GIS 软件产品较多,但由于GIS 应用于各行各业,不可能解决所有的专业问题,还必须根据用户的实际需要进行开发,例如MapInfo 公司提供的MapBasic、MapX,ESRI 公司提供的AVENUE、ArcObjects 等语言和开发组件都方便用户进行二次开发。
    MapX 是一个基于Windows 操作系统的标准控件,不仅支持Visual Basic、Delphi、Visual C++等面向对象语言,而且支持Oracle Spatial。本文利用Oracle 数据库存储空间数据,利用MapX 控件和Visual Basic 语言实现空间数据的交换及应用开发,其过程如图2 所示。
6 结论
    1)采用Oracle Spatial 存储、管理空间数据,易于解决数据共享、分布式处理、网络通信、开放式开发、并发控制、网络化集成、跨平台运行及数据安全恢复机制等方面的难题。
    2)MAPORA 数据引擎为用户提供了ASCII 码格式的空间数据上载Oracle Spatial 的一种便利方法,用户可以把通过野外测量或其他途径获取的数据较方便的上载到Oracle 数据库中,同时用户又可以通过SQL 语言操作数据库,实现远程数据的应用。
                                  参考文献
[1] 张大争,何建国,董恒,等. 基于Oracle Spatial 的异构空间数据应用研究[J]. 国土资源信息化,2002,33(3):33-36.
[2] 李景文.国土资源信息集成及数据库建立研究[D]. 桂林:桂林工学院出版社, 2003, 31-39

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GIS基本概念集锦

1、地理信息系统(geographic information system ,即gis )——一门集计算机科学、信息学、地理学等多门科学为一体的新兴学科,它是在计算机软件和硬件支持下,运用系统工程和信息科学的理论,科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据,以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。

    2、比较gis与cad、cac间的异同。
        cad——计算机辅助设计,规则图形的生成、编辑与显示系统,与外部描述数据无关。
        cac——计算机辅助制图,适合地图制图的专用软件,缺乏空间分析能力。
        gis——地理信息系统,集规则图形与地图制图于一身,且有较强的空间分析能力。

    3、图层:将空间信息按其几何特征及属性划分成的专题。

    4、地理数据采集——实地调查、采样;传统的测量方法,如三角测量法、三边测量法;全球定位系统(gps);现代遥感技术;生物遥测学;数字摄影技术;人口普查。

    5、信息范例——传统的制图方法,称为信息范例,即假定地图本身是一个最终产品,通过使用符号、分类限制的选择等方式交换空间信息的模式。这个范例是传统的透视图方法,由于原始而受到很多限制,地图用户不能轻易获得预分类数据。也就是说,用户只限于处理最终产品,而无法将数据重组为更有效的形式以适应环境或需求的变化。

    6、分析范例(整体范例)——存储保存原始数据的属性数据,可根据用户的需求进行数据的显示、重组和分类。整体范例是一种真正的用于制图学和地理学的整体方法。

    7、栅格——栅格结构是最简单最直接的空间数据结构,是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列,每个网格作为一个象元或象素由行、列定义,并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值,或仅仅包括指向其属性记录的指针。因此,栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织,组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。特点:属性明显,定位隐含,即数据直接记录属性本身,而所在的位置则根据行列号转换为相应的坐标,即定位是根据数据在数据集中的位置得到的,在栅格结构中,点用一个栅格单元表示;线状地物用沿线走向的一组相邻栅格单元表示,每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上;面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示,每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。

    8、矢量——它假定地理空间是连续,通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体,坐标空间设为连续,允许任意位置、长度和面积的精确定义。对于点实体,矢量结构中只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码;对于线实体,用一系列坐标对的连线表示;多边形是指边界完全闭合的空间区域,用一系列坐标对的连线表示。

    9、“拓扑”(topology)一词来源于希腊文,它的原意是“形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支,它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性——拓扑属性(拓扑属性:一个点在一个弧段的端点,一个点在一个区域的边界上;非拓扑属性:两点之间的距离,弧段的长度,区域的周长、面积)。这种结构应包括:唯一标识,多边形标识,外包多边形指针,邻接多边形指针,边界链接,范围(最大和最小x、y坐标值)。地理空间研究中三个重要的拓扑概念(1)连接性:弧段在结点处的相互联接关系;(2)多边形区域定义:多个弧段首尾相连构成了多边形的内部区域;(3)邻接性:通过定义弧段的左右边及其方向性来判断弧段左右多边形的邻接性。

    10、矢量的实体错误——伪节点:即需要假节点进行识别的节点,发生在线和自身相连接的地方(如岛状伪结点——显示存在一个岛状多边形,这个多边形处于另一个更大的多边形内部),或发生在两条线沿着平行路径而不是交叉路径相交的地方(节点——表示线与线间连接的特殊点)。摇摆结点:有时称为摇摆,来源于3种可能的错误类型:闭合失败的多边形;欠头线,即结点延伸程度不够,未与应当连接的目标相连;过头线,结点的线超出想与之连接的实体。碎多边形:起因于沿共同边界线进行的不良数字化过程,在边界线位置,线一定是不只一次地被数字化。高度不规则的国家边境线,例如中美洲,特别容易出现这样的数字变形。标注错误:丢失标注和重复标注。异常多边形:具有丢失节点的多边形。丢失的弧。

    11、空间分析方法——1、空间信息的测量:线与多边形的测量、距离测量、形状测量;2、空间信息分类:范围分级分类、邻域功能、漫游窗口、缓冲区;3、叠加分析:多边形叠加、点与多边形、线与多边形;4、网络分析:路径分析、地址匹配、资源匹配; 5、空间统计分析:插值、趋势分析、结构分析;6、表面分析:坡度分析、坡向分析、可见度和相互可见度分析。

    12、欧拉数——最通常的空间完整性,即空洞区域内空洞数量的度量,测量法称为欧拉函数,它只用一个单一的数描述这些函数,称为欧拉数。数量上,欧拉数=(空洞数)-(碎片数-1),这里空洞数是外部多边形自身包含的多边形空洞数量,碎片数是碎片区域内多边形的数量。有时欧拉数是不确定的。

    13、函数距离——描述两点间距离的一种函数关系,如时间、摩擦、消耗等,将这些用于距离测量的方法集中起来,称为函数距离。

    14、曼哈顿距离——两点在南北方向上的距离加上在东西方向上的距离,即d(i,j)=|xi-xj|+|yi-yj|。对于一个具有正南正北、正东正西方向规则布局的城镇街道,从一点到达另一点的距离正是在南北方向上旅行的距离加上在东西方向上旅行的距离因此曼哈顿距离又称为出租车距离,曼哈顿距离不是距离不变量,当坐标轴变动时,点间的距离就会不同。

    15、邻域功能——所谓邻域是指具有统一属性的实体区域或者焦点集中在整个地区的较小部分实体空间。邻域功能就是在特定的实体空间中发现其属性的一致性。它包括直接邻域和扩展邻域。

    16、缓冲区分析——是指根据数据库的点、线、面实体基础,自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形实体,从而实现空间数据在水平方向得以扩展的空间分析方法。缓冲区在某种程度上受控于目前存在的摩擦表面、地形、障碍物等,也就是说,尽管缓冲区建立在位置的基础上,但是还有其他实质性的成分。确定缓冲区距离的四种基本方法:随机缓冲区、成因缓冲区、可测量缓冲区、合法授权缓冲区。

    17、统计表面——表面是含有z值的形貌,z值又称为高度值,它的位置被一系列x和y坐标对定义且在区域范围内分布。z值也常被认为是高程值,但是不必局限于这一种度量。实际上,在可定义的区域内出现的任意可测量的数值(例如,序数、间隔和比率数据)都可以认为组成了表面。一般使用的术语是统计表面,因为在考虑的范围内z值构成了许多要素的统计学的表述(robinson et al., 1995)。

    18、dem——数字高程模型(digital elevation model)。地形模型不仅包含高程属性,还包含其它的地表形态属性,如坡度、坡向等。dem通常用地表规则网格单元构成的高程矩阵表示,广义的dem还包括等高线、三角网等所有表达地面高程的数字表示。在地理信息系统中,dem是建立数字地形模型(digital terrain model)的基础数据,其它的地形要素可由dem直接或间接导出,称为“派生数据”,如坡度、坡向。

    19、空间插值——空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面,以便与其它空间现象的分布模式进行比较,它包括了空间内插和外推两种算法。空间内插算法:通过已知点的数据推求同一区域未知点数据。空间外推算法:通过已知区域的数据,推求其它区域数据。20、泰森多边形——通过数学方法定义、平分点间的空间并以直线相连结,在点状物体间生成多边形的方法。

    21、线密度——用所有区域内的线的总长度除以区域的面积。

    22、连通性——连通性是衡量网络复杂性的量度,常用γ指数和α指数计算它。其中,γ指数等于给定空间网络体节点连线数与可能存在的所有连线数之比;α指数用于衡量环路,节点被交替路径连接的程度称为α指数,等于当前存在的环路数与可能存在的最大环路数之比。

    23、图形叠加——将一个被选主题的图形所表示的专题信息放在另一个被选主题的图形所表示的专题信息之上。

    24、栅格自动叠加——基于网格单元的多边形叠加是一个简单的过程,因为区域是由网格单元组成的不规则的块,它共享相同的一套数值和相关的标注。毫无疑问,网格单元为基础的多边形叠加缺乏空间准确性,因为网格单元很大,但是类似于简单的点与多边形和线与多边形叠加的相同部分,由于它的简单性,因此可以获得较高的灵活程度和处理速度。

    25、拓扑矢量叠加——如何决定实体间功能上的关系,如定义由特殊线相连的左右多边形,定义线段间的关系去检查交通流量,或依据个别实体或相关属性搜索已选择实体。它也为叠加多个多边形图层建立了一种方法,从而确保连结着每个实体的属性能够被考虑,并且因此使多个属性相结合的合成多边形能够被支持。这种拓扑结果称作最小公共地理单元(lcgu)。

    26、矢量多边形叠加——点与多边形和线与多边形叠加使用的主要问题是,线并不总是出现在整个区域内。解决该问题的最强有力的办法是让软件测定每组线的交叉点,这就是所谓的结点。进行矢量多边形的叠加,其任务是基本相同的,除了必须计算重叠交叉点外,还要定义与之相联系的多边形线的属性。

    27、布尔叠加——一种以布尔代数为基础的叠加操作。

    28、制图建模——用以指明应用命令组合来回答有关空间现象问题的处理。制图模型是针对原始数据也包括导出数据和中间地图数据进行一系列交互有序的地图操作来模拟空间决策的处理。

    29、地理模型的类型——类似统计同类的描述性模型和与推理统计技术相关的规则性模型。

    30、常见模型——1、注重样式与处理的问题长时间以来用于解释类似农业活动与运输成本间的关系——独立状态模型。2、最初为预测工业位置点的空间分布的样式而设计的weber模型,进行改进后可使参与者寻找最佳商业和服务位置——位置-分配模型。3、建立在吸引力与到潜在市场的距离呈反比这一基础上的经济地理模型——重力模型。4、通过空间验证思想如今广泛用于生态群落,通过地理空间跟踪动植物运动——改进扩散模型。

    31、专题地图——以表现某单一属性的位置或若干选定属性之间关系为主要目的的地图。专题图形设计的一般程序包括合适的符号和图形对象的选择、生成和放置,以明确突出研究主题的重要属性和空间关系,同时还要考虑参考系统。gis专题地图输出的规则:不但要有精美的图形,最重要的是去读图、分析地图和理解地图。

    32、元数据——关于数据的数据,对数据库内容的全面描述,其目的是促进数据集的高效利用和充分共享。使用元数据的理由:性能上,完整性、可扩展性、特殊性、安全性;功能上,差错功能、浏览功能、程序生成。

    33、聚合——将单个数据元素进行分类的大量数字处理过程。

    34、克立金法——依靠地球自然表面随距离的变化概率而确定高程的一种精确内插方法。

    35、四叉树——一种压缩数据结构,它把地理空间定量划分为可变大小的网格,每个网格具有相同性质的属性。

    36、比较工具型地理信息系统和应用型地理信息系统的异同。
        工具型地理信息系统:是一种通用型gis,具有一般的功能和特点,向用户提供一个统一的操作平台。一般没有地理空间实体,而是由用户自己定义。具有很好的二次开发功能。如:arcinfo、genamap、mapinfo、mapgis、geostar。
        应用型地理信息系统:在较成熟的工具型gis软件基础上,根据用户的需求和应用目的而设计的用于解决一类或多类实际问题的地理信息系统,它具有地理空间实体和解决特殊地理空间分布的模型。如lis、cgis、ugis。

    37、详细描述应用型地理信息系统的开发过程
        1、 系统总体设计:需求和可行性分析、数据模型设计、数据库设计、方法设计
        2、 系统软件设计:开发语言、用户界面、流程、交互
        3、 程序代码编写:投影、数据库、输入、编辑
        4、 系统的调试与运行:α调试、β调试
        5、 系统的评价与维护:功能评价、费用评价、效益评价

    38、空间信息系统:以多媒体技术为依托,以空间数据为基础,以虚拟现实为手段的集空间数据的输入、编辑、存储、分析和显示于一体的巨系统,体由若干个子系统组成。

    39、地理数据测量标准——命名(对数据命名,允许我们对把对象叫什么做出声明,但不允许对两个命名的对象进行直接比较)、序数(提供对空间对象进行逻辑对比的结果,但这种对比仅限于所谈论问题的范围内)、间隔(可以对待测项逐个赋值,能够更为精确地估计对比物的不同点)、比率(用途最广的测量数据标准,它是允许直接比较空间变量的惟一标准)。

    40、根据样本进行推理的取样原则——未取样位置的数据可以从已取样位置的数据中推测出来;区域边界内的数据可以合并计算;一组空间单元中的数据能够转换成具有不同空间配置的另外一组空间单元数据。常用的方法:内插法:当有数值边界或知道缺失部分两端数值;外推法:当缺失的数据一侧有数值,而另一侧每一数值。

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GIS空间数据的误差校正

摘 要 主要介绍了图形输入过程中引起误差的原因、误差校正的原理及一些常用的误差校正方法,特别是在MAPGIS中应用的分块误差校正方法,实践表明效果很好,最后还简要地介绍了图形精度的评价.
    关键词 数字化,控制点,误差校正,数据精度.
现代计算机技术和自动控制技术的发展,使机助制图技术发展很快.机助制图主要可分为编辑准备阶段、数字化阶段、计算机编辑处理和分析实用阶段、图形输出阶段等.在各个阶段中,图形数据始终是机助制图数据处理的对象,它用来描述来自现实世界的目标,具有定位、定性、时间和空间关系(包含、联结、邻接)的特征.其中定位是指在一个已知的坐标系里,空间实体都具有唯一的空间位置.但在图件数字化输入的过程中,通常由于图纸变形等因素,使输入后的图形与实际图形所在的位置往往有偏差,即存在误差.本文主要介绍数字化过程中产生的误差和误差校正的方法以及对误差精度的评价.

1 图形数据误差
  
  图形数据误差可分为源误差、处理误差和应用误差3种类型.源误差是指数据采集和录入过程中产生的误差,如制图过程中展绘控制点、编绘或清绘地图、制印和套色等引入的误差,数字化过程中因纸张变形、变换比例尺、数字化仪的精度(定点误差、重复误差和分辨率)、操作员的技能和采样点的密度等引起的误差.处理误差是指数据录入后进行数据处理过程中产生的误差,包括几何变换、数据编辑、图形化简、数据格式转换、计算机截断误差等.应用误差是指空间数据在使用过程中出现的误差[1].其中数据处理误差远远小于数据源的误差,应用误差不属于数据本身的误差,因此本文着重介绍数据源误差及其校正方法.
  在图件数字化输入过程中,通常的输入方法有扫描矢量化、数字化仪跟踪数字化、标准数据输入法等.通常将一幅地图按一定的数据结构数字化得到的数据一般存在如下误差:(1)由于地图纸张变形所产生的误差;(2)由于数字化时地图定向所产生的误差;(3)由于数字化读数所产生的误差;(4)数字化操作产生的各种粗差.这些误差的性质有系统误差、偶然误差和粗差.由于各种误差的存在,使地图各要素的数字化数据转换成图形时不能套合,使不同时间数字化的成果不能精确联结,使相邻图幅不能拼接;所以数字化的地图数据必须经过编辑处理和数据校正,消除输入图形的变形,才能使之满足实际要求,进行应用或入库.
  一般情况下,数据编辑处理只能消除或减少在数字化过程中因操作产生的局部误差或明显误差,但图纸变形和数字化过程产生的随机误差,必须经过几何校正,才能消除.由于造成数据变形的因素很多,对于不同因素引起的误差,其校正方法也不同,具体采用何种方法应根据实际情况而定,因此,在设计系统时,应针对不同的情况,应用不同的方法来实施校正.

2 误差校正方法
  
  输入到计算机中的图形,实际上都是通过其位置坐标(x,y)来表示,因此校正过程实质上是找一种数学关系(或函数关系),描述变换前图形坐标(x,y)与变换后图形坐标(x′,y′)之间的换算,其数学关系一般描述为



  这个数学关系常表示为二元多项式一次、二次或三次及更高次表达式.



  为了求得上式的未知系数,首先寻找图形中已知坐标的位置点,称为控制点.这里所说的图形控制点,实际上是指能代表图形某块位置坐标的变形情况,其实际值和理论值都已知或为可求得的点.如图形中经纬网交点,它可指示一幅图的位置情况,其周围点的位置坐标往往是以其为依据的.在一幅图中,具体经纬网点的理论坐标可以经计算或根据标准经纬网求得,为此,经纬网点往往作为校正用的控制点.其他如三角点、水准点、方里网的交点等都可以通过坐标表查得或通过实际的数学公式计算而得其真值,因此这些点也可以作为控制点.其次是如何选择控制点的问题,控制点的多少决定了其位置计算关系式中的最高次数.为了使校正后的图形各处校正效果都比较好,必须使控制点选取在图形各处且分布比较均匀,特别是边界、四角要有控制点,以避免图形校正不能满幅.增加控制点数目和增加多项式次数可以提高精度,现在一般采用的方案为:控制点在4至7个时,用双线性变换公式,即
  X=a1+a2x+a3y+a4xy,
  Y=b1+b2x+b3y+b4xy.
控制点为8至19个时用二次多项式;控制点为20至49个时用三次多项式;控制点为50个以上时,用四次多项式并不再增加次数,因再继续增加控制点和增加次数,位置精度增加很少而计算量增加很多,浪费了机时.实际上采用不同次数的多项式,分别适用于不同的变形校正.一次多项式变换,即仿射变换是一种比较简单的一次变换,在进行直线变换和平行线变换时效果相当好,但不同方向上的长度比发生变化.二次变换是一种含二次项的变换,高次变换同二次变换相比,只是它含有常数项.这两种变换的实质是:制图资料上的直线经变换后可能为二次曲线或高次曲线,它适用于原图有非线性变形的情况.在实际校正过程中,具体选哪一种,要看具体的变形而定:若满足线性,如平移、缩放等最好用仿射变换;若满足二次型或高次型最好用二次变换或高次变换.
  对于给定的控制点,将每个控制点理论值和实际值代入所选公式进行对比,求出公式中的校正系数,根据校正系数,即可对图形进行校正变换.那么,如何选择数学关系并进行校正计算呢?下面介绍几种方法.
2.1 几何变换
  在数字化过程中,由于地图定向,即数字化仪坐标系与地图投影坐标系不一致所产生的误差,可以通过坐标旋转得到校正.
  设XOY系为数字化仪坐标系,xoy系为经平移旋转后的地图投影坐标系,其坐标变换公式为
  x=Xcosα-Ysinα,
  y=Ysinα+Ycosα.
式中α可通过共同点在两系中的坐标求得,即
  tanα=(yX-xY)/(xX+yY).
如发生平移或比例变化,则选择平移或比例变换进行校正即可.
  为了校正由于纸张伸缩和地图定向引起的系统误差,可采用同素变换进行数据校正.同素变换是一种比较简单的一次变换,设数字化的坐标为(X,Y),经同素变换后的坐标为(x,y),则同素变换的公式为
    x=(A1X+A2Y+A3)/(C1X+C2Y+1),
    y=(B1X+B2Y+B3)/(C1X+C2Y+1).

2.2 最小二乘法线性校正
  在实际校正过程中,由于造成变形的因素很多,有机械的、也有人工的,如数字化后的图是放大了,还是缩小了,放大或缩小了多少倍,是局部变形还是整体变形,是某些图元与实际不符,还是整个图形都发生了畸变等,实际参数很难估算;因此很少通过几何变换即可完全校正图形.为此,一般采用上述介绍的一次或高次多项式进行校正.
  从理论上讲,控制点越多,分布越均匀,校正的效果越好.当方程次数与控制点的个数相同时,这样总可以使控制点满足精度要求.但当方程次数增高时,控制点外的其他位置点将按照曲面拟合路径进行变换,而图形输入过程中产生的误差很少满足这种关系,因此控制点外其他点的误差反而会增大,离控制点越远,变化越大;所以在实际使用中很少用高次变换,一般用得较多的是一次变换,即仿射变换和双线性变换,也称双一次变换.
  当选定一数学关系时,如一次多项式或二次多项式,按照解方程组未知数与方程个数必须相同的原则,一次多项式选取3个控制点即可求出未知系数,二次多项式选取6个,双线性多项式选取4个控制点即可.如果所给控制点数多于方程所要求的个数,为了使其尽量满足各个控制点,可运用最小二乘法求解其校正系数.由于最小二乘法只能使各个控制点的真值与图形输入值的平方差达到最小,当控制点很多时,往往很难达到地图精度的要求[2].
2.3 分块校正
  图形控制点实际上是分布在图形中的一系列坐标位置点,校正的目的是通过这些已知的控制点,来校正整幅图形,使其满足精度要求.一般情况下,由于数据的相关性,图形中某一点的位置误差与其附近控制点的误差最接近,受这些控制点的影响最大;距离越远,影响越小.为此,可以将这些控制点形成一个个小区域,使该区域内的点仅受相应区域上的控制点控制.最简单的方法是将这些控制点形成一个个三角形,所有的三角形组成了一个三角网,每个三角形内的点用该三角形上的3个控制点来进行校正.故可用仿射变换,即



  通过这种计算,所得的结果图件中,控制点可以完全达到所给定的值.每个三角形内部的点,都使用该三角形的校正系数来进行校正变换.相邻的两个三角形由于共边,所以在公共边上的点,用两边的校正系数进行校正都可以,跨接相邻三角形的曲线不会出现跳跃现象.但对于三角形外的点需作特殊处理,为避免这种情况,在被校正图形的边缘处,要想办法选取控制点,用外推的方法一般会产生较大的误差.
  那么如何构成三角形网呢?这实际上是一个三角剖分的问题.自动生成三角剖分的基本问题,是如何将有界平面上所有n个互不重合的参考点(在此为控制点)结成一张满足下列条件的三角形格网:(1)三角形格网中的所有网格(剖分)都是三角形;(2)全部n个参考点都是三角形格网的结点,三角形格网共有n个结点.可利用一步法、分步法或应用数学形态学等方法来生成三角形网[3].
  合并相邻的三角形,可以形成四边形网,对于每个四边形,可选用双线性变换关系式.利用四边形的4个顶点,即可求出每个四边形内数据的校正系数.每个四边形内的数据都通过双线性变换关系式,根据所得的校正系数进行校正,则校正结果图件中的控制点也可完全达到真值.特别是对于小比例尺区域图来说,图中都有经纬网,通常一个经纬网格就是一个四边形,可作为一个校正单元,并对经纬网格进行统一编号.为了建立四边形格网,计算校正多项式系数,应按一定的顺序数字化所有经纬网的交点,将它们作为校正控制点,而经纬网交点的理论值可由坐标表查取或根据投影坐标公式求得.根据控制点的值,求得校正多项式的校正系数,从而可对网格内图形元素的数字化点进行校正.
  在MAPGIS中,就是采用这种校正方法,实际应用表明,效果很好.值得注意的是,由于是分块进行校正,任一条具有行政意义的边,可能隶属于不同的校正单元,所以必须进行接边处理.

3 图形精度的评价
  
  由于引起误差的因素比较多,因此评价起来也有困难,本文介绍一种对比方法.所谓对比方法就是将数字化后的数据通过绘图机输出产生回放图件,将此输出图件(一般是透明片基)套合在数字化原图上,选择明显的地物点、格网点、图框交点等量测其目标位移的误差,分别统计并计算出单位产品平面或高程中误差.地物点的平面误差计算为



高精度检测



等精度检测



其中:Xi,Yi为检测值;xi,yi为数字地图中点的坐标值;Mx,My分别表示地物点的X方向、Y方向的点位误差;n为平面检测点数.
  相邻地物点间距中误差或点状目标位移中误差、线状目标位移误差按下式计算



式中:Δs为数字地图的回放图与数字化原图套合后经量测的点状或线状目标的位移差;n为量测边的条数或点状/线状目标的个数[1].


4 误差校正的应用  
  MAPGIS软件有很强的编图制图能力,其中提供了误差校正功能模块,由于最小二乘法只能使各个控制点的真值与图形输入值的平方差达到最小,当控制点很多时,往往很难达到地图精度的要求.因此MAPGIS软件使用了分块校正方法,其校正过程如下.(1)原图数字化.即从地图编稿图或地理底图上采集数据数字化,包括扫描矢量化、数字化仪数字化,形成图形数据文件.(2)图形编辑处理.对于由于操作员跟踪线迹和线划时,出现重叠、漏采、输入差错等个别错误,借助编辑系统的功能,进行交互式编辑修改.对于由于纸张变形、定点误差、设备精度等引起整幅图形出现偏差,进行误差校正.(3)为了对输入的图元文件进行校正,首先得确定图形的控制点,通过采集控制点功能输入校正图形所用的控制点.控制点的采集要均匀,而且采集的控制点越多,控制越精确.(4)装入图形文件,键盘输入或直接在图上采集图形中控制点的实际值.(5)直接从键盘输入理论值或从标准数据文件中采集理论值.(6)根据采集的控制点构造格网,并计算每个格网的校正参数,然后进行相应文件校正.(7)显示校正后的图元文件,检查校正效果,若仍未达到要求的精度,继续前述步骤.
  实践表明,用这种方法校正输入的图件,可以完全达到图件输出精度的要求.实际上这种方法对控制点校正效果很好.为了进一步减小源误差,避免误差传播,可在数字化图件开始就控制数据误差.如提高数字化仪和扫描仪的精度,提高操作员的实际操作能力和应用水平;在采集过程中,通过回归统计、自动推演等方法求出采集点数据误差的纠正关系式,这样在开始输入点过程中,就可以进行数据校正.

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GIS软件何时脱掉生涩的行业标签

地理信息系统 (Geographic Information System,简称 GIS)是一种以采集、贮存、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间地理分布有关数据的空间信息系统,已经成为目前国内外地学领域研究课题的热门。
  中国的GIS软件从无到有,也已走过了10多个年头。目前,我国已经形成了从大型基础平台软件到各类应用软件的全系列GIS软件产品,从事GIS软件和应用开发的企业也超过1000家,国内GIS市场已达近50亿元人民币。GIS已不仅仅用于资源调查、环境评估等方面,更深入到区域规划,公共设施管理、交通、电信、城市建设、能源、电力、农业等国民经济的重要部门,在国家宏观决策、国家安全等领域起着重要的作用。

  但是,对比“十五”期间国家重点推广的两大高新技术领域,GIS在我国的发展远远不如CAD/CIMS快速而深入。GIS在以上这些行业的应用也远没有达到普及的水平,大部分人还不知道何为GIS软件,整个市场还没有成熟,GIS仍然穿着生涩而浓重的行业标签。

  市场潜力巨大但仍应培育

  曾有专家指出:世界上75%到80%的信息都与地理空间位置有关。作为“数字地球”的骨架支撑技术之一,地理信息系统关系到国民经济建设、社会发展和国家安全。随着目前中国经济发展的深层推进,GIS已经成功地运用到城市规划、建设与管理,交通导航与物流配送,灾害防治与生态保护,精准农业与作物估产等领域,数字城市、数字省区、数字流域等概念也应运而生。我国的GIS得到了政府的重视、支持和政策倾斜。政府投资开展的数字城市、数字省区、数字流域计划,分别占到投资总数的30%、50%和20%。因此,GIS国内市场需求很大。

  也正因为如此,GIS企业可能认为这样的市场没有必要进行市场的教育,只需要上面的政策支持公文下达就可以实现市场业务的推进,所以往往忽视了市场经济体系下必要的市场教育。这样只是依靠国家规划中的政策干预的市场显然是不成熟的,成熟的市场应该是用户的需求是自发的,并会主动去寻找相关的产品以满足需求。此外,还有一些厂商认为GIS软件的专业性很强,认为这样的软件一般就只是在专业领域应用,而专业领域其根本用不上宣传。这从GIS软件的相关信息很少出现在大众类的媒体上就可窥一斑。

  当然,在大部分GIS软件企业仍然专注自身的领域时,也有一些企业意识到了这一点,最近在一些省级大众媒体和网络媒体上也看到了有关中国GIS市场的诸多新闻。据某GIS公司市场宣传负责人介绍,不久前他们举办了新品发布并在各地相续举行产品推介会,并进行相关的媒体传播。GIS企业一般都很少做企业宣传,甚至有些城市建设中和百姓生活紧密相关的GIS应用案例也很少宣传,使得市场需求没有完全被激发。同时,这也正是GIS软件不为大众所知、感到生涩的原因之一。

  在中国,GIS软件市场还是缺乏相关的市场培育和教育,还没有使得更多的相关行业和相应行业更深入和明晰地了解GIS带来的应用,也说明中国GIS市场还没有掀起最高的浪潮。

  增强核心竞争力技术为先

  目前,中国的GIS企业经济类型以民营企业、股份制为主体,以中小型企业为主流。国内GIS企业注册资金最大的企业为几千万元,这是少数,多数是50-200万元。最早出现在92年、93年,大量的企业在1998-2000年成立。总体来看,中国GIS市场企业多、规模小,竞争压力大。

  所以面对良好市场前景和激烈的竞争压力,中国的GIS企业除了资金、规模等外,技术实力程度是其是否具有竞争力的重要一项。对于一个软件产品来说,技术的好与坏,直接影响到使用者的感受,也直接影响产品在市场中的地位。随着中国市场的规范和成熟,以前那种靠关系维系的市场将逐渐被打破,所将面临的更多的是公平的实力竞争,因此,产品技术带来的竞争力将逐渐显现其强大的威力。

  目前国内的科研院所在GIS技术研发上占有一定优势,比如研发资金和人才等,其产业化企业在市场竞争中就必定占据技术优势。例如武大吉奥,杭州天夏;此外,象北京超图、武汉中地等企业也具备很强的GIS技术实力。

  随着GIS市场的成熟,市场竞争的加剧,GIS市场将主要依靠技术比拼和市场比拼来重新分配市场份额,相信这些具备科研实力的企业必将在未来的市场中占据主要地位。同时,这些具有核心竞争力的企业也将在与国际GIS企业竞争过程中显现很大作用。

  GIS企业品牌建设任重道远

  当然,中国的GIS厂商在良好的市场教育后形成的良好市场氛围中,除了技术实力外,资金、人才等也制约着其发展。有消息称,由于国产GIS软件的崛起,国外同行正在采取一系列措施,意在牢牢掌握住中国市场的主动权,甚至想再现当年一统中国天下的局面。

  面对中国进入WTO之后越来越开放的市场,国际巨头进入中国将更无阻挡,所以中国厂商面对国际厂商,缺乏真正的具有竞争实力,高抗风险的品牌厂商则正是中国GIS市场最大的问题所在。目前,在中国GIS市场尚未完全被开发时,全国大大小小的1000多家GIS厂商就意味着其间不少的重复研究和重复生产。这也正是中国软件开发过程中的通病。有关方面已经呼吁,国内GIS软件产业界要大力加强联合与合作,形成强势品牌,共同应对新形势。如何控制中国GIS软件开发中的重复性和如何打造中国GIS软件大品牌,应该是目前急需解决的问题。

  在不久前,第十届软博会组委会召开的新闻发布会上,信息产业部产品司张琪司长在谈到如何走自主创新、软件强国之路时不禁潸然泪下。她表示,尽管中国软件市场规模已达3900亿元,出口达36亿美元,从业人员90万人,以及市场营业额超过亿元的企业达257家,但全球范围内,我国软件产业最大的弱势在于缺乏能够参与国际竞争、具有抗风险能力的大公司。中国GIS软件一样存在大品牌缺失的问题。

  现在,几乎所有的中国GIS企业在曝光率上都明显不够,少部分象武大吉奥和杭州天夏这样具有市场前瞻的GIS企业虽然已经开始运用一些公关宣传、市场活动等手段着手品牌规划和建设,但是其力度仍显不够。在当前这个信息量爆炸的时代,如何运用媒体和公众的注意力提升品牌知名度和美誉度,如何和其他企业强强联合并用活动推动企业的发展,已经是中国本土企业应该迫切需要考虑的问题,因为那些进入中国的国际企业在这些方面向来是有所长的。

  无论如何,我们都希望中国的GIS软件企业能够在未来的发展中占据优势,甚至在国际市场中立于不败之地,其时,希望中国的GIS企业运用的不只是老套的价格手段,而是品牌的力量,那么现时的中国GIS软件生涩的行业标签又是否应该早日脱下呢?

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GIS在CRM中的应用

摘要:GIS产业的发展决定于GIS技术的广泛应用,GIS技术的应用关键在于寻找应用切入点,本文探讨了GIS在CRM(Customer Relationship Management)在应用,以期促进GIS在企业管理与决策及电子商务中的应用。   

关键词: CRM GIS 物流 电子商务
GIS技术作为一种空间信息处理与分析技术,是在信息空间(Cyberspace)中构建与现实地理空间相对应的虚拟地理信息空间(数字地球、数字城市)并在管理与决策中应用的核心技术,具有广泛的应用前景。近年来,GIS技术应用已从主要为政府部门提供管理和决策服务,逐步拓展到为企业和社会提供服务。GIS技术融入信息技术的主流并进入千家万户已成为一个豢赡孀某绷鳌?

随着信息技术的发展及其应用的深入,GIS技术应用领域将更加开阔,为GIS服务商提供了更多的商机。GIS应用领域的扩展,为GIS技术及其产业的发展提供了新的机遇。尽快寻找GIS技术在企业与社会中应用的切入点是下一步GIS产业发展的关键。

本文主要探讨GIS在CRM(客户关系管理)中的应用,为GIS技术应用于企业的管理与决策及电子商务的实施提供一个切入点。

1.1 客户关系管理系统
企业存在的目的在于为客户(消费者)提供服务,这种服务主要是有形和无形的产品的生产和售前、销售(含产品的运送)、售后服务,通过服务获得的利润促进企业的发展,使投资者得到回报。




图1 企业与客户关系示意图


企业作为服务提供者通过一定的沟通渠道(广告、电话、信件、传真、电子邮件、网站)与客户进行单向或双向沟通,建立对客户的服务(售前、销售、售后)关系。在市场经济条件下,一个企业不可能成为服务的唯一提供者,它要面对竞争对手激烈的市场竞争,只有建立良好的客户关系才能在市场竞争中立于不败之地。这就需要采用技术手段和建立一定的管理机制,完善企业与客户的沟通渠道,了解用户需求,改善服务,提高客户对企业的满意度和忠诚度,以争取更多的客户和更大的市场占有率。这种需求导致了CRM的产生,同时也是企业“以产品为中心模式”向“以客户为中心模式”转移的必然结果。

--CRM的实质是实现与销售、市场营销、客户服务和支持等领域的客户关系有关的商业流程自动化并对商业流程加以改善。CRM既是一套原则制度,也是一套软件和技术。它涉及客户与服务提供者沟通渠道的建立,商业流程、客户、客户服务、服务提供者等信息的管理与使用,更为重要的是CRM能够提取用户需求、服务质量和效果、市场情况的信息,为管理与决策服务,具有商业智能和分析能力。CRM构成了企业的信息门户(Enterprise Information Portal, EIP)。与面向企业内部商业流程(财务、制造、库存、销售、营销和人力资源管理)的自动化和优化的ERP(企业资源规划系统)相比,CRM专注于销售、营销、客户服务和支持等方面,在这些方面比ERP更进一步。ERP的运用可带来企业运作效率的提高,CRM通过管理与客户间的互动,努力减少销售环节,降低销售成本,发现新市场和渠道,提高客户价值、客户满意度、客户利润贡献度(profitability)、客户忠诚度,实现最终效果的提高。实际上,CRM的价值在于突出了销售管理、营销管理、客户服务与支持等方面的重要性,可以看成广义的ERP的一部分,二者应该能够形成无缝的闭环系统。

CRM系统的应用可以分为操作和分析决策两个层面。

1、 操作层面

主要是通过一定的沟通渠道获取客户的信息,并由系统的用户按照一定的工作流程,处理这些信息,并将信息的处理结果返回用户并向用户提交所需的服务。

操作层面应用要求建立单向或双向的沟通渠道,这种沟通渠道可以是传统的广告、邮件、传真、电话,也可以是现代化的基于Internet的沟通渠道,如电子邮件、BBS及应用服务系统。这些渠道所获得的信息都应该以电子数据的形式进入系统,在管理中使用。沟通渠道的建立核心是呼叫中心(Call Center)的建立。

在信息处理、反馈和服务的提供方面,工作流(Work flow)技术将应用于业务流程的管理和多用户协同工作的管理。

在信息处理和服务提供方面,系统要提供客户和对客户服务的有关信息的录入、修改、查询和检索功能。对于,需要提供有形产品运送服务的CRM系统,还要把物流管理纳入系统中。

2、分析决策层面

主要对CRM系统中的客户和服务信息进行数据挖掘,提取企业管理与决策所需的信息。在提取的信息中,有一个很重要的方面是客户的空间分布规律和影响客户空间分布的内在因素。

基于Internet和CTI的CRM系统实际是电子商务(E-Business)系统不可缺少的重要组成部分。

1.2 GIS在客户关系管理系统中的应用
GIS作为一种空间信息输入、处理、存贮、管理、分析和输出的技术,其应用的核心在于空间现象、过程和规律的可视化分析。表面上GIS与CRM是风牛马不相及的,但实际上,GIS技术是可以用于CRM系统中的。

首先,企业对客户提供的各种服务是发生在地球表面的,具有空间分布特性和空间尺度,尤其是需要通过运输的方式提供有形产品服务的企业,其产品的运输是一种典型的空间现象和过程,即所谓的物流。另外,企业作为服务提供者,其自身、分支机构及合作伙伴具有空间分布特性。




将GIS应用于CRM中,实现了CRM中服务提供者、客户和服务等信息的空间化(Spatial Enable),可以挖掘CRM系统的信息中所隐含的空间现象、过程和规律,为企业的管理与决策服务。另外,GIS的网络分析功能可以用于企业为客户服务的物流管理。GIS在CRM中的应用,实质上是商业地理分析的一个具体应用。

组件式GIS软件,使GIS应用可以直接嵌入到CRM系统中,实现GIS应用与CRM一体化无缝集成;采用关系数据库存贮和管理空间数据使GIS数据与CRM数据可以统一存贮和管理。这些因素,使GIS技术在CRM中的应用成为可能。

Internet GIS技术的发展为GIS在CRM中的应用开拓更广阔的空间,用户可以把自身所在位址的空间信息通过Internet提交给服务企业,企业可以通过这一信息为用户提供服务,尤其是有形产品配送和物流管理,这将促进电子商务的发展。目前,北京超图公司开发Internet GIS软件的SuperMap IS已经实现了这种用户地址信息的Internet传输功能。

GIS技术在企业的应用不仅仅局限于CRM系统,还可以用于企业的设施管理(AM/FM)乃至ERP。

目前,GIS在CRM乃至电子商务中应用的制约因素,主要是所需的空间数据的获取问题,中国科学院地理信息产业发展中心与中科越秀信息产业发展有限公司联合开发的“中国之窗”多媒体地理信息系统光盘及即将建立的GIS网站将有助于问题的解决。另外,高空间分辨率小卫星遥感影像的面市也将有利于CRM所需空间数据的获取。

1.3 应用实例
北京超图地理信息技术有限公司为加强对自主开发的SuperMap系列软件的市场营销、销售及技术支持的管理,开发了一套客户关系管理软件,其中把GIS应用于客户空间分布的分析和市场决策。

该系统采用SQL Server和SuperMap 2000全组件式GIS软件进行开发,开发语言采用Visual Basic 6.0。系统实现了客户管理的主要功能,并增加了GIS的功能,实现了由图形查询所在区域的客户、由客户显示客户所在区域的图形、制作客户分布专题图的功能,为SuperMap系列软件的市场销售管理和决策提供了空间分析功能。




图4 区域内客户查询



图5 客户空间分布



1.4 小结
本文探讨了GIS在CRM应用可行性,其目的不仅仅局限于GIS在CRM的应用,更为重要的是为GIS在企业与社会的应用寻找切入点,通过这些切入点,促进GIS应用领域的拓宽,使空间信息资源能得到充分合理的利用,并推动GIS产业的发展。

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基于SCADA 和GIS技术的供水管网调度系统

摘要:

监测监控及数据采集系统(Supervisory Control and Data Acquisition-SCADA)能够远程控制、监测、收集设备数据并把它传送到监控中心。地理信息系统(Geographical Information System-GIS)具有捕获、管理、操作、分析与空间数据相关的数据能力, 在各种空间数据的基础上建立分析模型并将SCADA系统输出的实时数据导入到模型中可以增加模型的准确度和实时性,GIS强大的图形显示能力大大增强了模型可视化分析能力。本文就建立基于GIS和SCADA系统集成的供水管网调度系统并给出系统原型。  

一、前言

    随着近年来我国城市发展建设速度的加快,即有和新建供水管网也越来越庞大、分散。供水管网作为城市极为重要的基础设施和经济与社会发展的源泉,加强对供水管网调度的信息化建设具有相当重要意义。利用计算机信息技术、通信技术和自动控制技术对整个供水管网运行过程的主要参数、管网信息、设备运状况进行动态监测、实时调度和自动化控制,实现自动化信息管理,并将监测点信息与管网空间位置相结合,以地形图为基础,直观表达管网运行状况和监控点状态,结合预测、统计、数学模型、空间分析等手段,根据经济、技术指标和实际情况,进行优化控制反馈,完成对供水管网调度各个环节的合理配置,即供水管网调度与辅助决策问题,成为保障供水管网经济、可靠运行关键所在。尤其体现在对管网的快速、准确监控、安全维护、管网合理设计、抢修施工等方面.本文将讨论如何利用GIS和SCADA系统技术实现对供水管网调度的有效管理,这将极大提高有关部门的管理水平和工作效率。

二、SCADA与GIS 系统介绍

2.1 SCADA 系统[1,2]

    SCADA是用于现场监测和自动化管理技术。以该技术建立的系统能够收集现场数据并通过有线或者无线信道传输到监控中心,由控制中心根据预先设定的程序控制远程的设备。在需要监控的地点或者控制范围很大的场合下使用该系统是非常经济有效的。国内从20世纪 80年代开始,SCADA系统在供水行业得到了广泛的应用。它可以实时采集现场数据,对现场进行本地或远程的自动控制,对供水过程进行全面、实时监视,并为生产、调度和管理提供必要的参考数据。

    SCADA系统由远程终端(RTU),一级或数级控制站点以及相应的通讯设备和外部设备所组成。RTU是整个SCADA系统的重要部分,担负者监控设备本地数据读取、检测,并接受远程遥测命令等重要任务。RTU的作用是对监控设备本地的数据采集及发送,接受并完成来自远程控制命令,完成本地的控制。RTU主要配置有CPU模块、模拟量I/O模块、数字量I/O模块、通信模块、电源、通信设备、机箱、测量仪表及相应物理执行机构。控制中心站点是系统的控制中心,通过控制中心安装的相关软件,工作人员可以对SCADA系统进行各种直观的操作。控制中心站的作用是实时采集RTU运行参数,从而进行负荷分析、优化调度、状态评估、故障预报与分析、综合管理,向RTU下达遥控指令,并完成统计报表等功能。其主要配置有中心控制计算机(服务器)、通信机、工作站、大屏幕投影仪、打印机等输出设备。复杂的SCADA系统中可以设置多级控制中心站点。目前SCADA系统的通讯方式主要有两种 :有线和无线。无线方式主要通过无线电台构成专用通信网,但存在着电台设备的更新和传输协议中数据传输检错、纠错能力等问题,其可靠性和有效性有待提高。而有线网通讯技术的研究目前有了突破性进展,特别是互联网技术的发展使有线网的应用走向更深层次,可利用率更高,发展前景较好。

2.2 GIS系统[3,4]

    计算机管理作为信息管理的重要硬件工具,它的优越性已经取得了业界广泛的认同,在计算机管理的模式中,管网信息和与管网相关的设备、地形、环境信息从根本上讲是地理信息,传统的数据库管理技术不能很好地管理这些信息,而GIS作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学和管理科学及相关学科等为一体的新兴学科,将与地理信息相关的空间位置、属性特征及时域特征进行统一的管理,按一种新的方式组织和使用地理信息,以便更有效地分析和生产新的地理信息。GIS并非仅仅在所管理的数据内容方面与众不同,在理论和方法上也有很多特色,相应地许多新的重要功能也是传统方法无法提供的。地理信息系统能够对海量空间数据、拓扑结构、拓扑关系进行有效管理,能够进行与空间相关的查询统计、空间分析(多边形迭置、缓冲分析、网络分析等)和三维模型分析,提供多种空间数据录入和输出手段,等等。而这些功能正是一个完备的供水管网调度信息系统所应具备的基础平台。GIS系统已经在全球建立起来,并且很多已经建立起来的数据集合都是可用的。

2.3 SCADA和GIS系统的技术互补

    总体上说,SCADA系统记录的数据是随时间变化的,系统接受和显示实时监测数据并根据事先的制定的规则决定是否报警. SCADA系统只能给出网络中正在发生的事件,无法预测接下了来将发生事情,因此不能告诉操作人员在不同的运行参数下网络运行的情况,没有分析和辅助决策功能。RTU单元只可能安装在监测网络上一些关键地位置上,不可能不经济地安装在网络上的所有位置上。在上个世纪90年代,国内外的GIS软件厂商都在它们的GIS系统内集成了进了SCADA系统功能模块。但这样系统强迫GIS系统改变原来系统设计特性, GIS的设计目标从来就不是实时处理工具,GIS平台不能保证不间断的稳定运行。开发这样的系统的难度要比较想象的高,系统处理动态的数据是困难的。另一方面,在SCADA系统集成GIS功能的尝试也是不成功的。空间数据的显示需要考虑不同的因素而不是像SCADA系统简单的曲线图。这样的系统只能是具有中等规模的数据库和具有非常高速的数据事件处理能力,但这是以简化网络模型与图形显示功能为代价的。

    SCADA系统最大的局限性在于它缺乏显示空间数据能力,而GIS具有显示复杂空间数据能力确不能很好管理实时数据的问题。SCADA与GIS系统集成可以增加现场实时监测数据的可视化能力。本文在综合分析SCADA和GIS系统特点的基础上,详细讨论了供水管网调度系统的设计与实现。

第三、基于SCADA和GIS技术管网调度系统[5]

3.1系统设计目的与结构框图

    目前,国内已开发完成的供水管网调度系统大多数都是依赖某个特定的SCADA和GIS系统平台,限制了系统之间的可操作性能. 针对国内应用现状,本文提出的基于SCADA与GIS 集成的供水管网调度系统,它首先是一个现代化的分布式供水管网调度管理系统平台,SCADA和GIS数据的处理在统一的平台上完成,即系统同时支持空间和实时数据的处理,且保证必要的效率;系统不依赖于特定的GIS和SCADA系统的,用户最终通过统一接口访问空间和实时的数据,并在在此之上执行供水管网调度与分析工作。除此之外系统还要提供与客户服务投诉、事故抢修等系统的接口. 系统框图如图(1)所示。

    最底层的是数据处理模块。完成与GIS和SCADA系统的接口转换工作,本系统使用通用接口从外界获取所需要的数据,系统采用了新的数据抽取和校验技术,在数据提取子模块中的数据甄别和校验等功能可以大大提高数据提取速度和正确性并维护数据集成。从外部传入的GIS空间数据和SCADA实时数据通过数据提取模块处理后被规则化以系统内部格式保存在实时网络数据库中。实时网络数据库保存了供水管网的静态网络数据,也存储了SCADA的实时数据,实时网络空间数据库管理模块将是整个系统分析模块的数据基础。这样为系统上层屏蔽了下层的数据交换细节。

     系统中层是模型分析模块。它接受用户提出的分析要求,寻找适当的分析模型,在找到适当的分析模型后,调用建模模块从实时网络数据库中提取数据完成分析并给出分析结论,分析结果以多种形式返回给用户。对于报警、事故等需要操作人员立刻干预的情况,系统中的监控模块直接接受由SCADA系统的数据。在需要进行趋势分析情况下也调用系统的模型分析模块完成辅助决策功能。

    系统最上层是与用户交互的接口模块。系统提供各种标准的界面便于用户完成供水管网调度的任务。下面就系统中核心模块功能予以详细介绍。



3.2实时网络数据库:[1]

本系统的实时网络数据库中的管网空间静态网络数据与来自SCADA系统的实时数据在物理上是分开存放的,但在它们之间建立特殊的索引,通过索引可以很快在静态的管网空间数据中找到对应的实时数据列表,反之亦然。数据提取模块可以从各种GIS系统读取空间数据库中的数据,然后转换成系统专有的格式供整个系统使用。系统提取数据处理方法是:首先直接从交换文件把静态的空间数据导入系统,然后对导入的数据进行校验和检查完整性以纠正源数据中的错误。大部分的数据检查工作是系统自动完成的.例如如果缺少管径的信息,可以通过设立默认的缺省值去除错误;解决供水管网的网络连接错误,额外管线被加入数据库当中以保证整个管网的连通(大口径主干管的情况下);自动移去在网络边缘上小口径的管线,去除没有跟系统主干连接的小管线。当然系统也提供人机交互方式进行其它需要人工干预的数据检查工作。SCADA系统传过来的数据首先保存在数据库中,然后根据实时数据中的实体ID与管网静态数据中的对应的实体建立双向索引关系,便于系统对二种数据互查[6]。经过上述处理“实时网络数据库”克服了GIS和SCADA在数据存储的各种弊端并发挥各自的长处。为上层的模型分析模块提供良好的数据基础。

3.3模型分析[6,7]

    作为一个分析工具模型会经常根据关键性评估指标把复杂系统的简化使得我们很好的理解系统、检查系统在不同的参数下运行地效果。通常建立分析模型的主要工作集中在模型建立阶段,花费大量时间和资源,而没有足够的时间为校准模型和模型分析留够时间。这种情况现在本系统改变了很多,专业建模模块和数据处理模块使得模型建立时间可以大大的减少,给模型分析留足的充分的时间,这提高了模型分析能力和实用性。必须要保证模型的数据的正确性和经过检验才能确保模型的模拟效果。

本系统中分析模型可以通过模拟泵站动态的操作、阀门的开启度来预测在供水网络中各种不同的水流和压力条件。计算机模拟供水系统提供有效的设计新系统的方式以及调查和优化已经存在的系统而不需要扰乱真实系统的运行。基于实时网络数据库分析模型,加快建立模型的速度和减少模型数据输入的工作量,满足了供水调度的迫切管理需求。供水管网优化调度的重要环节就是建立调度模型,用以确定优化运行的决策变量值,其目的就是在满足系统约束的前提下,使运行费用最小。各类优化调度模型的正确是建立供水管网调度系统的关键,是实现系统优化调度工程的基础。

3.5供水管网调度系统特色

基于GIS与SCADA系统的供水管网调度系统有以下优点:

l         统一的数据管理。将各种图形数据(矢量、栅格)和非图形数据(图片、文档、多媒体)集中统一的存放在关系数据库中。地物图形资料仅是系统中一种背景辅助资料,没有地物图形资料时,在系统图形资料的支持下,系统应用功能仍能照常运行,通常地物图形不经常变动,

l         查询统计。提供多种手段对图形、属性数据进行交互查询,同时能对所选元素的某个字段按用户指定的统计分类数与分类段的范围,统计图元总数、最大、最小、平均值等。并可用直方图、饼图、折线图等多种形式显示。

l         管网编辑。系统提供完备的编辑工具,用户可以按自己的要求对管网空间和属性数据进行添加、修改、删除等操作。在编辑时有完备的设备关系规则库系统,确保编辑好的数据正确、完备,同时支持版本管理和长事务处理。

l         实时反映管网的运行状态.通过从SCADA中导入的数据,在每一条供水管网线路上可显示实时水压、水流、水质信息。

l         方案模拟.可在供水方案实施前确定前,在系统上进行模拟操作,系统从SCADA读入的运行参数进行水流模拟分配,并根据管径大小规格对水流进行校核,发现水压超过管径允许的范围时,便会报警,避免管道爆管。

l         故障定位.当用水用户出现停水时,只要报出用户名,就可在系统中上查出该用户的供水信息,以及阀门在地图上的位置。同时列出该阀门,为快速找到故障点,及时隔离故障创造条件。

l         发布停水信息.在关闭阀门时候,用户接口模块的地图上由该阀门控制的线路的颜色由红色转为黑色,并列出所有停电的用户。调度员可据此向电视台、传呼台发送停水范围和用户名称。

l         管网可靠性统计管理.在系统中每台泵站,阀门、线路有与用户明确的连接关系,因此,系统可以根据运行方式中断泵站、阀门起闭,确定线路的停水范围,自动统计并列出所有特殊用户的清单;并根据状态量的改变时间,确定该停水范围内的时间,确定停水户数。

l         老化计算。根据管线的材料、埋设环境、年限,维修次数等条件为参数,通过分析模型得出需要维修的管线的紧迫级别,并计算相应工时。

l         设备设施管理。 管理管网在运行过程中的设备维修、管网改扩建、设备运行等业务,主要包括巡道管理、听漏管理、报修管理,维修派工、停水关闸管理等,还有管网设备质量评估(为水司改扩建管网提供决策依据)和维修员工考核等。

四、结束语。

基于GIS及SCADA技术集成的供水管网调度提高系统中信息的质量,也增加辅助决策的理论基础。纵观整个系统,切实的提高供水企业的经济利益,具有良好的应用的前景。它使城市供水系统管理工作向科学化、现代化迈进了一大步,大大提高了工作效率并提高了调度水平,增加了供水管网运行的安全性,并使供水企业的生产费用下降。

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