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基于均匀空间离散域对象的空间数据库关键技术研究

朱铁稳  
【摘要】: 本文的研究以三维空间几何体为研究对象,空间对象的定义符合OpenGIS规范的要求。OpenGIS规范是国际非营利性组织——开放地理数据互操作规范联合会(The Open GIS Consortium,Inc.,简称OGC)——制定的非强制性规范,它的目标旨在解决地理数据共享和地理处理互操作问题,为地理信息系统的应用提供相应的数据共享和地理信息服务。 论文的研究涉及地理信息系统中的空间数据库关键技术,研究的主要思路着眼于利用现有的关系对象数据库技术处理三维空间对象。研究中,我们把三维空间中的0维对象、1维对象、2维对象和3维对象纳入了统一的处理框架,为利用现有的数据库技术处理复杂的地理数据探索出一条可行的途径。 在三维空间中,空间对象的定义基础是欧几里得几何,服从欧几里得公理,但利用计算机系统处理严格服从欧几里得公理的空间对象必定会带来一些问题。例如,如果两条直线有交点,在欧几里得空间中,这个交点是能够被精确地计算出来的,然而,计算机系统是以有限数位工作的,它只能表示有限位的数字,也就是说,计算机中交点的表示通常是近似的,需要进行四舍五入处理,即把精确交点移动到最近的“栅格”点,这样处理必定会带来一些错误,或许利用计算机计算出来的这个交点并不位于这两条直线的任何一条上,这与欧几里得公理是相违背的;由此引发的问题在GIS的实现层面上也往往带来一些错误,例如判定两简单空间对象的交叠(Overlap)时都会产生不正确的结果。为了克服这些问题,本文的研究首先引入了均匀空间离散域RSDD(Regularly Spatial Discrete Domains)的概念,并定义了基于RSDD的基本对象RPOs(RSDD-based Primary Objects)和基于RSDD的对象ROs(RSDD-based Objects)。这些对象的最大特点是它的端点或顶点的坐标都是整数,便于利用计算机对它进行处理,这是因为,计算机对整数的运算和表示不会产生错误。正是由于计算机整数运算和表示的特殊性,用计算机处理均匀空间离散域对象,能保证相关对象的几何一致性和空间数据类型的计算封闭性。 为了保证基于RSDD对象ROs在进行几何运算时的封闭性,论文研究了对均匀空间离散域基本对象相交情形的调整算法(重画一条线、重构一个面和重构一个体)以及对均匀空间离散域对象的操作算法(插入一个RPO-point的算法、插入一条RPO-line的算法、插入一个RPO-plane的算法和插入一个RPO-solid的算法)。 利用Egenhofer的9-交集模型,论文全面地研究了三维空间对象之间的拓扑关系。通过综合与列举一般空间对象拓扑关系的判定规则,得到了从全部512种可能关系中剔除不可能拓扑关系的条件,并利用这些规则和条件得到了三维空间中线与线之间的可能关系数为33种、线与面之间的可能关系数为31种、线与体之间的可能关系数为19种、面与面之间的可能关系数为38种、面与体之间的可能关系数为19种、体与体之间的可能关系数为8种、点与点之间的可能关系数为2种、点与其它对象之间的可能关系为3种,并给出了这些关系各自对应的9-交集矩阵。应 国防科学技术大学研究生院学位论文 用这些结论于RSDD空间对象,得到了RSDD空间对象之间的拓扑关系,以及关于 它们的度量计算。 对象关系数据库是较为成熟的数据库技术,我们在第四章中研究了利用对象关 系数据库处理空间对象的技术,给出了在关系模式中处理空间对象的一般思路和方 法,为地理信息系统的有效应用提出了一种切实可行的办法。 为了在关系模式下有效地对空间数据进行处理,论文提出了八分树的索引结 构,并利用空间填充z一曲线把RSDD空间映射到一维空间,从而建立起了空间对象 的索引顺序。通过把均匀空间离散域RSDD的空间八分分层所得到的子空间作为空 间对象的MBB,加速了空间对象的查询处理效率,可以得到任意的逼近精度。 论文的第六章介绍了我们开发的RO对象处理实验系统,RO对象处理实验系 统旨在验证我们的研究成果。系统采用三层结构,它的底层是利用对象关系数据库 Oraclesi的关系模式存储的空间对象。中间层包括三个处理模块:RSDD空间数据 的处理;RSDD空间数据查询;RSDD空间数据显示。RSDD空间数据的处理主要 处理数据库中空间数据的更新、修改、添加和删除操作,包括对RSDD空间对象的 重构;RSDD空间数据查询主要管理空间数据的查询并给出相应的查询处理结果; RSDD空间数据显示主要管理结果数据的文本显示以及三维可视化显示等。最上层 是用户与系统的交互界面。


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