基于表示的数字城市图形库建模及其实践.doc

密額位论学性畑 , 子名理1士,_ 石士_ 型都集_要無生.丑_擬分英号unc al 文基于 UML表示的数字城市 GIS图形库建模及其实践(:題名和副題名)_建 国兴(作者聞 )糖等鐵师解_ _.王.令言,i教投 王 言,i教投_W, . . 工.程基f_ 始文提交目.期200S. 5油文答辩日期_学位授予単位和F1期 _ _ 南京_理 工 大学 營辩委员会主席评闻人2:)05年5月 日注i注明国际十进分究法 tJDC的美号1南京理工大学工程顧士ie文 基手 wL表示解字城市6!s E形序建模及其实l装摘要人们越来趨多地需要在不同分辨率 不同空间足度上时地理现象进行期察、 理解和描述,即越来超多地需要对多种比例尺的空闻数据湖一r分析、处理和表达a这就导致了对多比例尺特征GIS需求的出現 。数字地图 自动综合的研究是一个非常i良难的課题 。 日.前矢量地图主要是通过人工描图的方式识别道路信息,由于该方式耗时,低数,井且不易及时更新。可以利用已有能基于单一比例尺的aS数据库中的基础地理数据, 通过自动制图综合生成多比例尺数据 显然,这种方法不但可以概大的減少多比例尺数据采集、存惜、管理和更新的投入, 而且可以扩大,GIS基識数据库的服务面, 提高其措在的应用价值。 所以对自动制图综合和cls线状要素的面化研究是目.前数字地图中的关键拉术之一 。本文的日的是利用 uML改进 GIS图形建模,并运用于对自动制图综合和 CIS 线状数据的面化的图形建模过程.。 在目前自动制图综合和 GIs 线状数据的简化成果的基础上,设计了自动制图額合和 Gs线状数据的筒化的算法 改进部分包括:基于不规则曲域特征点分类的样条插值和精度控制,基于人眼分辨率极限的CaS 线状数据的简化,基于线状数据的自然小波基构造;正交周期小.波在路网 河网、等高线等数据的簡化实验a当VW建,解息系结, T2uee f模南京理工大学工程取士论文 基于開L表示的数宇城市 OlS 图形库連模及其实践Abstractp6ople need it irldiffe配nl tes0ll,ltion ratios moreald more, obsefve, understaali and descrihe the geographica1 phenomenon on different spa,ce yardstick, namely need to analyse, dea1 with and expr部s t0 the space data 0f manykincls 0f sciilLaS more and mOe. Thish2ls caused appea配n1ce Ofmult- scdes chal:actefistic CIS demanli.The research of automa1lic 前ographic glinerali:zation is a veryflifficult :sl,lt11ect.Nowreoognizittgther,oad nei;wotk by handtracitlg is used genera1ly in the creatjon ofthe veglor map, ltstimeconsumi:rlg and ineffi,cient bythiS meanS. MOeOVe, jts djffjc成t0 10Lpaatetjmely. Can utilizethe geographieal data OffOundatiOniji e;XiStin9 OIs daabase based on single soale, produce mult-scale data syntheticallyttu1ou9h auto:matl. catogfaphjo generali2ation. bviously, gather, store, managememtand newer jnpul jnreductjoa muff_ s刷関 datathattltiskind of method nOt onlyCan be9eat, andoan expandlhe ser,vice surfaoe of (iliS basicdaiabase, irnprove itSpotantia1 uSiti9 value. solhe reseafch of automatic,cartograplhi,; generalizati(mand G1Slinealinea key element is one ofthekey tellhnoogy ofthe di9ital maP,The pujpose of thethesi:s is to ualize UMLto irnp的ve GISfi9u配 mo由1ia9aa(iapp1y to fLgure jnodeling oourse wiih ,GIS linear data slimplifyin9 and autOmatio cartographic generaiiLzatiot1.B的1ng on 出e前ent pmdu的0n of mtomfc cmo寧aphiC 9前e兩mdOn ?d GISl1near dalasimplifymg, IdesignlheaIitIm9ticatmiagtoPrO9reS:SitTheameliOatedpm lnc1ude: B_spl加e jnsngd pr“iSon cm-ing b総d on CbSSin9 fea加e POint of the l能gu1arcurve charac前stlo, Thesimplifying of GISlinea data baSed onlimitOf resolutlon raljo of hurnan eye, Based onlineardata ofGIS the llatltla11y WaVeletS baSeiS l;.onstruole,d., Hand jn the expeament of simpiifyingin such data aS oad letWOk, network of waterways,的ntour,e梅. 0f()rthogona1 cycle waVeletS-Ke;fwords: UML, Datasimplifying, Wavelet analysis, Geo寧aPhiCa1 ilafOmatiOnsystem, il-regularcurvelines, Ft1atMepoint, Fi9uemOdelin9,lly -1i63627声 明本学位论文是我在导師的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本学位论文中, 除了加以标注和致谢的部分外, 不包含其他人已经发表或公布过的研究成果, 也不包含我为获得任何教育机掏的学位或学历而使用过的材料 。.与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明 。研究生签名,4、la美_.zoi年5月,i 日学位论文使用授权声明w,、am南京理工大学有被標存本学位邊文的电子和绩质文档, 管i或上网公布本学位论文的全部或部分内容,可以向有关部门或机相選.交并投权其保存、借開或上网公布本学位论文的全部或部分内容a对子保密论文,按保密的有关规定和程序处理。研究生签名2005年 i月 i 日南京理工大学工程项士论文 基手UM. 表示的数字規市 (iEs 国形庫建模及其实践l.引言本章首先分期面向 GIS数字化地形图的特点、 mL、 GIS地理信息系统的基本概愈,以及当前国内外发展的现状和它们在(城市交通) GIS的应用,并由此指出线状数据简化和自动综合制图系统研究的重大意义 。 由此构成本论文进题的时代背景与技;术:背最。 1.1面向 GIS 数字化地形国的特点、 uML、 GIS系義荷介1.1.l面向GIS数字化解圈的特点由于计算机技术的迅通发展,各地的测维 部ll制作数字地形图的技术已达到了生产化水平。 当前有的软件十分注重生产满足国家制囲标准及各行业制图标准的地形图, 在数据的采集精度、 速度、 图形实体的特号和文字注记的美弧合理方面有了很大的进步, 非常重视绘图的成图质量, 但是, 对于这些團形实体之间的关系以及它们与实体属性之同的联系却不被重視。 其目的是續括地说, 这些软件是为病足机助制图(CAD)的目的而制作数字地图, 并不是按照 GIS的要求制作地理信息系统的空间数据库。这样按不同行业的要求, 就必须生产不同的专题图, 同一种信息, 在不同专題图上表;i方式(符号)可能不同 。 这种满足制图要求的数字化制图方法, 就无法建立统一 的基础图形库,无法满足 GIS对数字化地形图的要求。因此要制定能满足不同的 Gis 需求的数字地国的标推,这样我们生产的数字地图,不板节省费用,而且实現了不同GIS之问信息的交流。那么 CAD的图与 (ilS的图有什么不同呢i为什么要提f昌面向 GIS 的数字地图?我们不妨筒单作一比較a GIS(地理信息系统)与 CAD(;tfi助成图)有很多不同之处,正是这些不同, CAn图已越来越不适应GIS应用的发展,下面我if从不同角度来分析El :(l)日的GiS以管理与空1可对象有关的各种信息为1目的。 CAD以出图为最终目的。(2)精度要求CA)的目的是成圈,只要能保证最终产晶的图面精度即可。所以其精度要求与成图比例尺有关。比例尺越大对数据的要求就越高。 GIS的目的是管理实体,其精度要求由管理的目的所決定, 而与成图比例尺无关。(3)功能(ilS的功能有输入、存構、査询、空l间分析、输出等a査i句有属性査询、图形査询、按图査询属性、技属性査询图形等,空11il分析有统计分析、网第分析i1.引 言南京理工大事工程硕士论文(最佳臨径选择等)、叠置分析、缓冲分析、地形分析等等。众多的功能就要求其结柏应该是拓朴结构。 CAD的主要功能是制图,对数据结构要求不高。(4)处理对象GIS 处理的対象是空l司实体, 每个实体都有空i可信息和属性信息 。 图形只是表达信息的一种方式。信息还可以用数字、文字、国象、表格等方式表达。 CAD处理的对象是團形及数据 。它关心的是国形的美现 , 注记的合理, 结合取合的适当等图面质量 。(5)动态更新GIS是一个动态系统,存储的信息要求特合现状。因此,空间備息也要求及时更新。由于它是面向实体,实体图形只存f请其主点主线,比较简单,所以修改tl较方便。 CA 只要求以符号来存储, 修改麻频 。(6)数据存権CAD只要求存储一个个图元,并不关心图元问的关系,因此,井不强求:来用面向实体的结构 。GIs是以实体为单元存錯。点、线、面之電有联系,在此基础上能够构成实体之l间的拓朴结构的空闻数据库, 能够方便地与属性库联接, 是地理现状的提館, 特合现状。 它不是以符号表示不同地物, 而是以单线加相应属性描述(通过分层、 颜色等) 来表示,如果要进行结图时,将CIS图再进行符号化,修饰和综合化等处理,才能形成 CAi) 图。随者现代社会对地理信息系统(GI S)需求规模的不断扩大和需求层次的日益提高, 人们越来越多地需要在不同分辨率, 不同空间尺度上对地理现象进行观察、 理解和描述,即越来越多地需要对多种比镇t尺的空问数据进行分新、处理和義达a这就导致了对多比例尺特征 (iIs需求的出现。因此,基于单一比例尺的 liIS已越来越难以精足实际应用的需要。 自80年代末,人们开始不ltFr地寻求解決这一问題的途径目前通常采用的方法是重复数字化, 即通过重复建库来满足对多比例尺数据的需要。 錯而, 这种方法从多比例尺数据产生的数率等方面看还存在一些不足。 如耗资巨大.数据采集与建庫的工作繁重,容易出现数据不禮定等情况。GIs系统与矢量图形系统(VGS)相结合,可大大提高系统的直观性,同时还可实現平面、空间信.息的统计与计算。虽然不同领域GIS系统所需矢量图形系统的功能有差別,而一个基本的矢量国形系统应具有以下功能:较为完善的基本图元以及处理点、直线、连续直线、国、圆弧、多边形区域、文本及相互位置美系的能力。利用lM, 工具可以对这些图形对象实体进行建模, 其方案在后面章节中翻述, 并用于对 GIS 不期则曲线(矢量地囲、等高线、河网等)的数据情化模型的验证实验中南京理工大学工程硕士性文 基子uML表示的数字城市GIs图形库建横及其实践;l.1.2 uML同介软件工程试图从規范软件生产的各个环节入手, 改普软件生产的 成量,提高软件生产的数率 a軟件工程方法通常采用某种特殊的语言或图形的表达方法及一套质量保证标准,来描述較件开发生命周期的各个阶段。 uML 就是用一些图形标记来模拟对象和记录对象设计的一种通用的模拟语言 a uML的最大特点是表达能力丰富 。为了整合面向对象方法论, 1995年由Rationa1公司的 RL11n baugh、 Booch、Jacobson三位面向对象大师提出第三代面向対象的建模语言 统一建模语言COnifyModelingLanguage, luML),为软件系统的设计与开发提供了丰富的、功能强大的模型a事实上,近年来在世界范围, IML已;逐渐成为面向对象技术领域内占主导地位的标准建模语言21 。(1) 标推建接语言UMLr 的出現众所周知,公认的面向对象建模语言出现于7o年代中期 从1989年到1994年, 其数量从不到十种增加到了五十多种 。 在众多的建模活言中, 语言的创造者努力推崇自己的产品,并在实践中不斯完善。但是, 00方法的用户并不了解不同建模语言的优缺点及相互之闻的差异,因兩很难根据应用特点选擇合适的建模语言, uM;L对系统模型的表达能力超出了以往任何一种00A&j) 方法。Eooch是面向对象方法最早的倡导者之一, 他提出了面向对象软件工程的概念。 199l年,他将以前面向Ada的工作扩展到整个面向对象设计領域。 Boooh1993比较适合f系统的设计和袖造。 IRl国baugh等人提出了面向对象的建模技术(0MT)方法 采用了面向对象的概念, 并引入各种独立于语言的表示符 。 这种方法用对象模型、 动态模型、功能模型和用例模型,共同完載对整个系统的建模,所定又的概念和符号可用于軟件开发的分析、 设计和实現的全过程, 软件开发人员不必在开发过程的不同阶段进行概金和特号的转換。 ow-2特别适用于分析和描述以数据为中心的信息系统。Jacobson于1994年提出了 00SIE方法,其最大特点是面向用例(us,e-Case),并在用例的描述中引入了外部角色的概念。 用例的概念是精确描述需求的重要武器, 但用例贯穿于整个开发过程,包括对系统的测试和验证。 00SE比較适合支持商业工程和需求分析。此外,还有Coad/Yourdoti方法,即著名的00A/00D,它是最早的面向对象的分析和设计方法之一 。1994年l0月, l3rady Bool:;1-l和 Jim R,ml:augh开始致力于这一工作。他们首先特Booch9 3和0MT-2统一起来,并于1995年l0月发布了第一f、公开版本,称之为统一方法uM 0.S(Un itie(i Method)a1995年秋, 00SE的割始人Ival:- JacobsonL加盟到这一工作。经过 Eooch、 Rmbaugh和 J出obso1l三人的共同努力.于l996年6月和1.引 言南京理工大学工程1頭士论文10月分别发布了两个新的版本, 即 IM, 0. 9和 llML 0. 9l,并将 m 重新命名为lllla.,(Urlified Modeling Lal:Lgtlage)。1996年, 一些机构将 M作为其商业策略已日趋明显e mL的开发者得到了来自公众的正面反应, 井倡议成立了 uML 成员协会, 以完善、加强和促进1JML的定又工作 当时的成员有DEC、 HP、;-Logi)、 ItelLico中. IEM、 ICONCo:Eaputing、 通CI Systemhouse、 Mi,crosoft、 Oralile、 RationalSoftware.、TI以及Unisys。这一机构对uML1,0(1997年l月)及JMLl.1(1997年11月17目) 的定又和发布起了重要的促进作用 aML是一种定又良好、易于表达、功能强大且普遍适用的建模语言。它溶入了軟件工程領域的新思想、新方法和新技术。它的作用域不限于支持面向对象的分析与设计, :a;支持从帶求分析开始的软件开发的金过程 。(2) 标准配语言UML 的内客lM是一种语言,它是一种可视化的语言,它是一组图形特号。它可用于详组描述 它又是一种构造语言, 可以直接生成代码 。作为一种建模语言, uML的定又有两个主要组成部分:语又和表示法. M的j毒义用自然语言描述,表示法定又了 IM,的可视化标准表示特号,这决定了LML 是一种可视化的建模语言 。 这些图形符号和文字用于建立应用级的模型 , 在语义上, 模型是元模型的实例。 此外 M的定又还给出了语法结构能精确规多电 。标准建模语言 UML的重要内容可以由下列五类图(共9种图形)来定又3 :第一类是用例图,从用户角度描述系统功能,并指出各功能的操作者。第二美是静态图(Static diag的ln) ,包括类图、对象图和包图。其中类图描述系统中类的静态结构不仅定又系统中的类J 表示装之间的联系如关联、依赖、聚合等, 也包括类的内部结构(类的属性和操作) a类图描述的是一种静态关系, 在系统的整个生命周期部是有效的。 对象图是类国的实例, 几乎使用与类图完全相同的标识。 他们的不同点在于对象图显示类的多个对象实例, 而不是实际的类。 一个对象图設图的一个实例 。 由于对象存在生命周期, 因此对象图只能在系统某一时问段存在 。 包由包或类组成, 表示包与包之闻的关系 包图用于描述系统的分层结构 。第三类是行为图(Behavior diagram) ,描述系统的动态棋型和组成对象间的交互关系 其中状态图描述类的对象所有可能的状态以及事件发生时状态的转移条件 通常, 状态图是对类图的补充。 在实用上并不需要为所有能类画状态圈, 便为那些有多个状态其行为受外界环境的影响并且发生改变的类画状态囲 。而活动图描述满足用例要求所要进行的活动以及活动问的约束关系, 有利于识别并行活动 a第四类是交互图(Inte:raGtive diagram),描述对象闻的交互美系。其中J项序團显示对象之间的动态合作关系,它强调对象之间消息发送的J顿序,同时显示对象之闻4 s南京理工大_学工程硕士进文 基子uM.表示的数字城市,cils題形障建解其实设的交互, 合作囲描述对象问的协作关系, 合作国跟顺序圈相似, 显示对象间的动态合作关系 。 除显示信息交換外, 合作图还显示对象以及它们之间的关系。 如果强调时间和J项序,则使用J员序图,如果强调上下级关系,则选話合作理。这两种国合称为交互图。第五类是实现图( ialpleme;ntation diagram ) 。其中构件图描述代码部件的物理结构及各部件之问的依数美系 。 一个部件可能是一个資源代码部件、 一个二进制部件或一个可我行部件 。 它包含選辑装或实现类的有关信息 。 部件图有助于分析和理解部件之间的相互影响程度 a配置图定又系统中软硬件的物理体系结构 。 它可以显示实f的计算机和设各(用节点表示)以及它们之间的速接关系, 也可显示连接的类型及部件之同的依赖性。在节点内部, 放置可执行部件和对象以显示节点跟可执行软件单元的对应关系 。从应用的角度看, 当采用面向对象技术设计系统时, 首先是描述需求, 其次根据需求建立系统的静态模型,以构造系统的结构:第三步是描述系统的行为。其中在第一步与第二步中所建立的模型都是静态的,包括用例图、类图(包含包)、对象图、组件图和配置图等五个囲形,是标准建模语言 luML的静态建模机制。其中第三步中所建立的模型或者可以执行,或者最示执行时的时序状态或交互关系。它包括状态图、活动l图、顺序图和合作囲等四个图形,是标准建模语言mL的动态建模机制。因此,标准建模语言11JML 的主要内容也可以归纳为静态建模机制和动态建模机制两大类。(3) 标推重機话育uML 的主要特点标准建模语言UML的主要特点可以归结为三点,(1)UML统一了Boooh、 0財 和 00SE等方法中的基本概念。(2) trML还吸取了面向对象技术领域中其他流派的长处, 其中也包括非 00方法的影响。 uML特号表示考虑了各种方法的图形表示, 田掉了大量易引起温乱的、多余的和扱少使用的特号, 也添加了一些新符号。因此, 在 n 中汇入了面向对象领域中很多人的思想。 这些思想并不是 M的开发者们发明的,而是开发者们依据最优秀的0o 方法和丰富的计算机科学实践经验综合提炼而成的 。(3) M在演变过程中述提出了一些新的概念。在 M标准中新加了模板(Ste:reotype:s)、职责(Responsibiliti,es)、扩展机制(政tensilbilitymechanis;ns)、线程(Thread s)、 过程(Processes)、 分布式(DistribLltion)、并发(Concurrenoy)、模式(patterns)、合作(Co1laborations)、活动團(Activity diagraln)等新概念, 并清晰地区1分类型(Type)、 类(class)和实例(I!1stanl:e)、 期化(lRefi1aement)、 接口(InLterfaees)和组件(Conl po:nents)等概念。6l,引 言南京理工大学工程硕 士论文(4) 标聞语言UML 的聞報域M的目标是以面向对象图的方式来描述任何类型的系统, 具有很宽的应用领域。 uML是一个通用的标准建模语言, 可以对任何具有静态结构和动态行为的系统进行建模. IJML1置用于系统开发过程中从需求规格描述到系统完成后测试的不同阶段 。1.需求分析。 IML 的用例图可以表示客户的需求e通过用例建模,描述对系统感兴超的外部角色和他们対系统的功能要求(用例) 。2,分析。分析阶段主要考虑所要解決的问题,可用 UML美图描述系统的静态结构, 协作图、状态图、順序图和活动图描述系统的动态特征。3.设计。在设计阶段,把分析阶段的结果扩展成技术解决方案。分析阶段的领域问题类被般入在这个技术峯础结构中 。 设计阶段的结果是构造阶段的详细的観格说明。4,构造a在构造阶段(或程序设计阶段) ,記设计阶段的类转换成某种编程语言的代码 。5.测试。 M模型还是测试阶段的依据。不同的测试小组使用不同的M图作为测试依据: 单元测试使用类图和类規格说明, 集成测试使用部件图和合作圈, 系统测试使用用例图来验证系统的行为 a许多人认为面向对象概念和关系型数据库相互不一致, 井.且不能结合a 事实上完全相反1 经过灵活的使用, 一一个关系型数据痒能够为面向对象(oo)搜型提供一一一套优秀的实现. 同样的模型能够用来开发编程代码和畫立关系型数据库结构 。 关系型数据库技术是意又探远的、 强大的, 但它比许多开发商使你相信的要熊得多 。 单个表是簡单易懂的、直观的,但是要物底了解由数以百計的表组成(这是常見的)的应用是相当困难的。这正是00 模型有用之处。 ,00模型使你探入地、连贯地思考间题。 00模型提供一种问题的超结构 ( superstruotu:re) 的思考方式, 然后该方式能够用关系型数据庫的更低层的组成块来实現。用美系型数据库实现uML 模型有两个方面:映射结掏和映射功能同 。1.1.3GiS(地理値息系统)1間介GIS地理信息系统(Geographica1 Infomation Syste!B)是集计算机科学、地理地质学、测结科学、环境科学、空间科学、信息科学和管理科学等为一体的多学科结合的新兴地结科学31。它是在计算机硬件、软件系统的支持下f来集、存惜、管理、分析和描述整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空同和地理分布有关的数据的空间信息系统 。 它是融合计算机图形和数据库与一体, 用来存備和处理空可信息的高新技来,它把地理位置和相关属性有关地结合起来,根据用户地需要将空间信息及其南京理工大学:l:1程硕士论文 基手M表示的数字;的iliOiS图形庫建模及真实践属性信息准确真实、图文并茂地输出给用户,满足城市建设、企业管理 居民生活对空 可信富、的变化,借動其独有的空间分析功能和可视化表达功能,进行各种辅助決策。地理信患系统具有一下三个方面的特征61 :1)具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力,具有空问性和动态性.2)以地理研究和地理决策为国的, 以地理模型方法为手段, 具有区載空司分析、多要素综合分析和动态预测能力, 产生高层次的地理信息:3)由计算机系统支持:进行空间地理数据管理,并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法,作用于空间数1癌,产生有用信息,完成人类难以完成的任务。地理信息系线是从20世纪60年代开始逐渐发展起来的新技术。由于地球是人们赖以生存和发展的基石出,所以 GIS是与人类的生存、发展和进步密切美联的一门信息科学技术,受到人们愈来愈多的重视,其应用已涉及到各行各业。特别是i5:几年来, 由于全球信息化的速发展、信息高速公路、 “数字地球、 “数字城市、 “虚組社区理论的提出5, (iIs产业受到了空前的关注,越来越多的人投身到 GIS的学习浪潮中 ,20世纪80年代是 CIS普及和推广应用的阶段。由于计算机的发展,推出了图形工作站和 Pl;微机等性价比大为提高的新一代计算机, 计算机和空问信息系统在许多部l广泛应用,计算机网络技术的应用, 使地理信息数据的长距离传输时效得到概大的提高。 GIS系统软件和应用软件的发展,使得 GIS的应用从解决基础设施的规划(如道時、输电线)转向更复杂的区域开.发和规划,例如i地的表业利用、城市化发展、人口規划与布局等,地理因素成为投費决策中不可缺少的依据。许多国家把 ,GIs作为有关部门的必各工具設入日常通转。 与一:i星:超感技术想结合, (irS开始用于全球性问题研究,例如全球沙模化、全球可居住区的评价、 J9尔尼诺现象及酸兩、;該1i散及核廣料以及金球变化与金球监测。 美国军方制作了全球 u00万空间数据库 1ocw, 原苏联制作了全球数字调和模型和数字正摄影像。20世纪80年代, GIs软件的;研制和开发也取得了很大的成绩,仅1989年市场上有銀i1介的软件就达70多个,井且競現出了一些具有代表性的GIS商用软件,如Arc/Info, Mic:roStation, MGElntergraph, Auto C的/Aro CAI)等。我国 (ilS的发展量然较晩,但发展势头迅猛,大体上经历 了4个阶段,即起步( 1970 -1980年)、准备(19,80-1935年)、发展(1985-1995年)、产业化(1995,年以后)阶段。 GIS已在很多部门和领域得到应用,并号l起了政府部l、1納高度重視。从应用方面看,地理信息系统已在资源开发、环境保护、城市规划建设、土地管理、农作物调査、交通、能源.地图测量、林业、房地产开发、自然灾審的监测和评估、金融、保险、石油与天然气、军事、犯罪分析、違输与导航、llo报警系统、公共汽车调度等方面得到了具体应用 a国内 i有城市测结地理信息系统或测_结数据库正在适行或建78i.引 宫高京理工大学工1展l硬;i论文设中 。一批地理信息系统软件已研制开发成功(如 GeoSTAR, CityStar, MapGis等) , 一批高等院校已设立了一些与 (;IS有关的专业或学科,一批专门从事 GIS产业活动的高新技术企;业相继成立。此外,还成立了“中国 ,iIS协会和中国 (iPS 技术应用协会 等组织。进入2l世纪, 随者地理信息产业的建立和数字化产品的普及, GIS技术已深入到各行各业,成为政府部进行科学管理、快速决策及人们生活、生产、学习和工作中不可缺少的工具。 l.2最字地国自动常合研究的童用现状1.2.l GIS目形建a数字地图自动综合的研究2J是一个非常艰难的课题 。 从理论和1技术的角度讲, 建立制图综合的数学模型(数量一定额模型、结构模型、过程模型)是其必须解决的一个难题。目前这方面的研究虽然不少,但所取得的实际成果高实用要求还相差較通。近年来, 空间信息多比例尺表达的自动制图综合方法开始引起人们的重视。此方法基于这样一种观点, 即 认为所需的各种中小比例尺数据信息应该包含在相应的大比例尺数据之中,因此,可以利用已有的基于单一比例尺的 GIS数据库中的基础地理数据, 通过自动制图结合生成多比例尺数据a 显然, 这种方法不但可以极大的減少多比例尺数据采集、存構,管理和更新的投入,而且可以扩大GIS基:f出数据库的服务面, 提高其措在的应用价值。在过去 , 从地图中获取地理信息是非常昂贵的井且是高时耗的一項工作, 因为整幅地国的惰患输入借助于数字化仪由人工手动操作, 虽然它具有很高的数字压缩比以及较低的硬件损耗而且操作比较简单, 但是在当今这个信息録炸对聞要求较快的时代,它的制图周期太长,更新太慢,信息更換不及时的缺点暴露无疑,所以;l强为需要一个地图自动输入系_统a 近些年来, 已经出现从_纸质地图中提取地理信息的自动或是半自动的系统。但是,自动制图综合方法的发展却不容乐观,在所面临的大量挑战中,自动化问題, 即如何在 GIs环境下自动地实现制图综合,是一个核心的定点。自动化的前提是模型化, 所以问题的关體是 (i,lS环境下自动制图综合模型的建立。 而大多数情形下, Gls图形数据信息都可用线状图形来表达,速就使得研究能焦点主要集中到线状要素自动,制图综合摸型的建立方面。对此,国内外学者进行了不少研究,并先后提出了十余个应用模型 。但经过探入分析不难发现,现有模型不少都是基于直;现而不是机理的, 操作性而不是分析性的 。它们很难解決综合程度的客观化控制, 1調值的自适应性选取, 地理特征的自动保持等一系列问题, 也很难从理论上保证综合结果的稳定性和收載9南京理工大学工程1iiil士i合:文 基子UML 表不的数字城市 Ci1S 图形库連操及其实法性. 究其原因, 一个带有根本性的问题是没有从数学机制上建立能够反映图形形状结构特征随比例尺变化的一般重現律的分析模型 。小波理论是目前国际上公认的最新空间(时问)频率分析工具, 由于其“自适应性 和“数学显微镜性质”而成为许多学科共同关注的焦点 。特别是小波理论中的多分辨率分析(MRA) , 因其可提供在不同分辨率下分析表达信息的有效途径, 尤其受到地学领域学者的高度重视.但是,在 GIs图形数据多比例尺表达研究方面,尽管多分辦率分析与制图综合具有天然的联系, 目前还没有人真正把它应用到数据的多比例尺分析和自动制图综合研究中来。本课题将针对 (IS图形建模的自动制图综合模型研究,从理论上探索多分辨分析在自动制图综合模型建立及其地理信息系统多比例尺数据表达中应用的新途径, 以及由此带来的 GIs数据误差处理的方法进行讨论, 从而为自动综合的滤波功能添加新的算法l2l 。 本文实验研究了基于人眼分辨率极限结合 B样条小波分析的等高线数据葡化,利用基于 B样条小波的变換可以保留原曲线的总体形态的特点,研究了地貌形态自动综合中等高线数据的簡化,理论和实验结果表明,基子 B样条小波分析的数据简化方法能保留原等高线的形状结构特征, 具有良好的效果。 对地貌形态自动综合是可行的。 对于等高线、西网等线状等不规则曲线, 提出了基于特征点数据的自然基小波和正交周期小波的数据简化以及相美的自动综合模型 a1 .2.2 小波分新对eIS平面不规1il 曲线的義報解当前 GIs数据库,为了满足人们测览和利用空间数据集的不同需求,不得不存储多种来源、多种版本、多种空间分辨率或比例尺、多种详组程度的空间数据,构成多尺度的异构空问数据库(HeterogeneousSpatialDatabases) (E9enhOfe, 1998) 。 同_空间实体的多种表示,共存于同一数据库中, 不仅产生大量的数据冗余和数据矛盾, 而且由于同一空间实体在多个尺度上的不同表示之问毫无联系, 给数据的维护和及时更新带来了很大困难。因此有必要建立起 (iIS数据的多尺度表达。利用小波的分辨率性质使用户能快速连续地通过一种紧致的表示,来获得 GIS数据的多尺度表达模型,不仅可保证图像(形)质量,且不同尺度模型之间无须建立几何形状过渡(geomorphs) ?,具有很好的视觉主观感受。本文实验研究了基于 B样条小波分析的等高线数据简化,利用基于 B样条小波的变换可以保留原曲线的总体形态的特点和结合基于人眼分辨率极跟,研究了地组形态自动综合中等高线数据的简化。 在后面的文章中我们将重点叙述。 i0l.引 言1;3论文的主要工作和论;!t的结构l31论文的主要工作及研究方法商京理工大学工程顯士论文在 cls环境下自動地实现制国综合,是一个核心的难点a白动化的前提是模型化, 所以间题的美键是 (iIs环境下自动制图综合模型的建立具有以下技术难点:l) 基于 IEi样条小波変换的失量地圈数据压缩模型的地界处理简化后能数据在迪界处将出现变形其原因是由于数据自身在地界開,近的相关性造成的(其原理与二进制小渡变换相似) 。实,际应用中截据是有限的,但是在簡化模型中,都是假定数据是取向无限的,在迪界的通的相关性较弱(数据边界的相关性越弱,边界解i近的失真越大) ,所以変换后的点不能完全如实地反映原数据点的特性和規律性a因此,有必要对其进行边界預处理。2)根据不期则曲线特延点,信息量義失精确的数量描述(ilS不规则曲线l1的误差模型的建立, 适合的数値分析并满足指度要求。3)j重合 GIS数据分折的小波基构造aGIS数据有其自身的特点,如何根据这些特点构造小波基函数,实现数据简化和数字化精度评定方法。地理信息系一统(Geographiclnforaatioa System, GIS)是计算机技术与地理专业知i只相结合产生的交又技求,随着计算机技术和较件技术的不断发展, 它的应用领域也扩展到社会的各个方面。但是,由于地理信息存在着空司信息和属性信息,而且有基础数据数量巨大、整理困难等特点,系统研制开发的难度较大,我们在开发镇江市交通功能区划信息系统的过程中,通用了基于uML的建模技术, 收数显著。对接触到的大量线状要素(公路网,lii网,等高线) ,研究了 GIs不规则l曲线的特征点分装及基于特征点的误差估计。定义了基于 GIS不规则曲线数据的自然小波基和具有(周期)正交小被基并送用于 GIS不规则曲线数据简化。在使用 B样条小波分新时结合人眼分辨率极限对 CIS不規则曲线数据简化实验1)果用的研究方接采用理论推导、 算法進取与实验验证相结合的方法。2)技术路线在 Mi,irosoft Visua1 C+6.0(VB16. 0)开发平合下, 利用实验室现有的软件包, 根据小波分析的思想,结合现有算法实現与改进,最终实现对图形数据输出优化,得到理想的结果 。3):实验方集的可行性分新i高京理工大事工;S願士i金文 義于tfML表示的数事報市 (iIS国形障達標及其实l2本文通通镇江市、.合肥、廈门等6个城市的交通地图的矢量量化后的失量地图数据的存在大量线状数据出发,在小波分析的数据压缩的理论基1i出上,提出了基于小波分析的数据简化和自动综合模型的建立a利用成熱的UML建模工具实现集量地理数据库的建模以及小波分析的计算类建模,发現对CIS图形建模是高数和可行。l.:2ie文的结約1)从矢量地图中存在的大量线状囲形建禮出发,构建出本论文提出的问題,利用算法实现论文提出的总想, 并对实验结果作出客理评价, 撰写相关学术论文 。2)解决当前 GIS领域中国形建模方法选挥和线状数据简化以及自动综合的数学模型难以建立的问题 。本文的内容安排如下:第一章概述第二章 从船格地图和矢量地图的基本概念出发, :外组了 集量地理同栅格地图相比具有的一些优势,失量地囲的生成,矢量地圈的輪辑等,同时 对失量地图中道路的拓fS结柏和矢量地图库的组成分析,对基于11;lM1, 的图形子系统建模给出了清晰的阐述。第三章主要以小波分析的理论,对矢量地图等进行数据爾化,对等高线和河网数据的简化和自动综合的模型,. 给出了程序实現小波if算英之问的aML 表示,第四章 主要讨论 GIs 图形数細ii1能后的精度模型以及实现的,责法flW、_,配2.基手M:表示的图影対a実体建環 南意理工大学工程硕士ial文2.基于uML表示的图形对象实体建模在上一章中从不同的角度强调 (ilS系统的重要性和日前存在的困难,那a数宇地图作为 GS系统的基础,它的地位无疑是至关重要的。首先来了解一下数字地图的統以及 CIS中矢量图形的结构。2.l面向对象的教据操型随者面向对象思想的出现和面向对象方法学的应用,人们开始用面向对象的患想来进行空间数据模型的设计, 其中每种地物都可以被抽象为菜一类具有公共属性的对象,如“点“线”“面”等,具体的地物则是该对象的一个实例,它还具有自已的属性, 各种対象分层管理, 这样就解决了空闻数据与属性数据的一体化管理采用面向对象的数据模護可以最自然地描述现实世界, 将实体抽象为对象, 用对象中的数据成员和成员函数地客观世界及其运动, 面向対象的数据模型有很强的扩充性,根据面向構的数据组织方式, 用面向对象的方法设计了一个稳键的, 易于扩充和修改的数据库模型a如图:2.1. 1所示,W、,l l- i l1r.i- - l t-li.-l l ll ll l基時古電i大学程重士性文 塞子lM.表:iii的最前市GllS 国形庫W其实途W、ll、 、- -i- 一整事4一話 領,.體:,- l園2a地