GIS图形质量可视化与时空拓扑模型构建
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摘要
GIS已经发展成为一种产业。与其它工业产品一样，GIS产品也必须有质量管理和质量控制，使未来的GIS在向用户提供产品的同时，附带提供该产品的质量指标。在GIS图形中，质量信息的封装存储是质量分析、研究和表达的基础，只有将质量信息与图形的各种信息有机结合在一起，才能对图形质量做进一步的分析、表达。本文从独立封装、实时查询分析入手，探讨了GIS环境下面向地理特征的图形信息封装、查询分析方法，使位置信息与属性信息，定位信息与定位精度信息，信息存储与信息可视化有机结合在了一起。
随着GIS的普及与应用，GIS的可视化问题日益突出，现有的方法已不能满足要求，需要从可视化的理论基础、理论模型等方面进行改进，才能使可视化技术得以根本提高。可视化涉及多学科，多门类的知识。拓扑关系(空间、时间拓扑)是制约可视化的关键技术之一，设计一个适合于GIS可视化要求的空间、时间拓扑模型关系到GIS可视化的更进一步发展。为此，本文设计了基于空间坐标的N4I空间拓扑模型，并给出了模型矩阵构建算法。同时，为了促进时空GIS(TGIS)的发展，提出了时间拓扑模型—时段拓扑模型的设想，并进行了模型的构建，模型矩阵特征的证明等，在最后还将模型应用到了TGIS系统分析中。
GIS has already developed into a kind of industry. Like other industrial products, GIS products must have quality management and quality control, which make GIS can offer user quality index while offering its products in the future. In GIS, quality information encapsulation is the foundation of the quality analysis, study, and express. We could make a future analysis of the quality only through the organic combination of the quality information with various other information of a map object. From the independent encapsulation, real-time query, and dynamic analysis, the paper describes the information encapsulation, information query, and error analysis facing the geographic feature under GIS environment. So the position information, attribute information, and accuracy information will be combined together. That is called the organic combination of information store and information visualization.
With the popularization and application of GIS, the visualization problems in GIS are outstanding day by day. Because existing approaches of visualization can't meet the demands of user, we need to improve our visualization technology from its theoretical foundation and theoretical model, etc. Only by this way, could we improve our visualization technology at all. Visualization in GIS relates to kinds of disciplines and much knowledge. Topological model is one of the key technologies in GIS visualization. It is favorable to GIS visualization to design a topological model of space and a topological model of time that could meet the demands of GIS visualization. For this reason, the paper describes a N4I topological model of space based on spatial coordinates, at the same time, proposes an Algorithm to form the model Matrix. For the development of temporal-spatial GIS, the paper proposes a temporal-subsection topological model, and completes the identification of its characteristic. Finally, the paper applies the temporal-subsection topological model to the temporal analysis of TGIS.
随着GIS的普及与应用，GIS的可视化问题日益突出，现有的方法已不能满足要求，需要从可视化的理论基础、理论模型等方面进行改进，才能使可视化技术得以根本提高。可视化涉及多学科，多门类的知识。拓扑关系(空间、时间拓扑)是制约可视化的关键技术之一，设计一个适合于GIS可视化要求的空间、时间拓扑模型关系到GIS可视化的更进一步发展。为此，本文设计了基于空间坐标的N4I空间拓扑模型，并给出了模型矩阵构建算法。同时，为了促进时空GIS(TGIS)的发展，提出了时间拓扑模型—时段拓扑模型的设想，并进行了模型的构建，模型矩阵特征的证明等，在最后还将模型应用到了TGIS系统分析中。
GIS has already developed into a kind of industry. Like other industrial products, GIS products must have quality management and quality control, which make GIS can offer user quality index while offering its products in the future. In GIS, quality information encapsulation is the foundation of the quality analysis, study, and express. We could make a future analysis of the quality only through the organic combination of the quality information with various other information of a map object. From the independent encapsulation, real-time query, and dynamic analysis, the paper describes the information encapsulation, information query, and error analysis facing the geographic feature under GIS environment. So the position information, attribute information, and accuracy information will be combined together. That is called the organic combination of information store and information visualization.
With the popularization and application of GIS, the visualization problems in GIS are outstanding day by day. Because existing approaches of visualization can't meet the demands of user, we need to improve our visualization technology from its theoretical foundation and theoretical model, etc. Only by this way, could we improve our visualization technology at all. Visualization in GIS relates to kinds of disciplines and much knowledge. Topological model is one of the key technologies in GIS visualization. It is favorable to GIS visualization to design a topological model of space and a topological model of time that could meet the demands of GIS visualization. For this reason, the paper describes a N4I topological model of space based on spatial coordinates, at the same time, proposes an Algorithm to form the model Matrix. For the development of temporal-spatial GIS, the paper proposes a temporal-subsection topological model, and completes the identification of its characteristic. Finally, the paper applies the temporal-subsection topological model to the temporal analysis of TGIS.
引文
1 孙家广、杨长贵，计算机图形学．北京：清华大学出版社，1995．
2 郭仁忠，空间分析，武汉测绘科技大学出版社．1997
3 边馥苓，《地理信息系统原理和方法》．测绘出版社，1996
4 南开大学数学系，空间解析几何引论，上册．北京：人民出版社，1978
5 於宗俦，鲁林成，测理平差基础，第2版．北京：测绘出版社，1983
6 张超，陈丙咸，邬伦，地理信息系统．北京：高等教育出版社．1995
7 舒红，概念、形式和逻辑时空建模原理初探．博士论文，武汉测绘科技大学，1998
8 李德仁，模型误差理论及其应用．武测科技，1980，(4)
9 崔伟宏，空间数据结构研究，中国科学技术出版社，1992
10 黄杏元，汤勤，地理信息系统概论，高等教育出版社，1989
11 邬伦等，地理信息系统教程，北京大学出版社，1994
12 王桥，毋河海，地图信息的分形描述与自动综合研究，武汉测绘科技大学出版社，1998
13 王正明，测量数据建模与参数估计，国防科技大学出版社，1996．毋河海，地图数据库系统，测绘出版社，1996．
14 吴信才，地理信息系统的基本技术与发展趋势，1998．7，地球科学
15 张祖勋、黄明智，时态GIS数据结构的研讨，1996，1，测绘通报
16 刘文宝，GIS空间数据的不确定理论．武汉：武汉测绘科技大学，1995．
17 戴洪磊，矢量GIS中位置不确定性度量与传播的理论和方法．武汉：武汉测绘科技大学，2000．
18 刘大杰，史文中，童小华等，GIS空间数据的精度分折与质量控制．上海：上海科学技术文献出版社，1999．
19 黄幼才，刘文宝，肖道纲等，GIS空间数据误差分析和处理．武汉：中国地质大学出版社，1995．
20 李德仁，当前国际GIS的研究和引用状况，《RS、GIS、GPS的集成与应用》，测绘出版社1995．
21 舒红，陈军，史文中，时空数据模型研究综述．计算机科学，Vol．25 No．6，70-74，1998．
22 乐燕芬、陈军，顾及时态地块的土地划拨时空数据组织，1996，4，地理信息世界
23 乔彦友，用时间GIS建立地籍信息系统的研究，1996，9，地理学报
24 龚健雅，GIS中面向对象时空数据模型，1997，11，测绘学报
25 谢传节、王金庄等，用历史数据库实现对GIS时态属性的管理，1997，9，测绘工程
26 朱英浩、张祖勋等，1998，顾及地形的城市三维可视化方法研究，武汉测绘科技大学学报，Vol．23，No．3，p258-266
27 陈军、郭薇，1998，基于剖分的三维拓朴ER模型研究，测绘学报，vol．27，No．4，p308-317
28 张祖勋、黄明智，时态GIS的概念、功能和应用，1995，2，测绘通报
29 龚健雅，夏宗国，地理信息系统的发展趋势与前景．《地理信息世界》．1996，3：1-7
30 赵仁亮，地图信息的分形描述与自动综合研究，武汉测绘科技大学出版社，1998
31 赵仁亮，基于V91的空间关系操作与实现．地理信息系统论文集，62-68，1999
32 陈军，赵仁亮，GIS空间关系的基本问题与研究进展．测绘学报，Vol．28，No．2，95-102，1999
33 李德仁，关泽群，将GIS数据直接纳入图象处理．《武测学报》
34 袁相儒等，Internte GIS的部件化结构，《测绘学报》
35 武晓莉，高小力，面向对象技术及其在GIS中的应用，《测绘科技通讯》
36 李满春，黄杏元，徐寿成，试论GIS设计，《地理信息世界》
37 Martin Erwig, Rahlf Hartmut Guting, Markus Schneider, Michalis Vazirgiannis. Abstract and Discrete Modeling of Spatio-Temporal Data Types. 6th ACM Symp On Geographic Information Sytims, 131-136, 1998.
38 Guting, R. H.. An Introduction to Spatial Database Systems. VLDB Journal 4, 357-399, 1994.
39 Tansel, A. U., J. Clifford, S. Gadia, S. Jajodia, A. Segev, and R. Snodgrass(eds.). Temporal Dtabases : Theory, Design, and Implementation. Benjamin/Cummings Publishing Company, 1993.
40 Papadis and Theodorids. Spatial relations, minimum bounding rectangles, and spatial data structures. INT. J. GISs, vol. 11, No. 2. 1997. pp111-138.
41 Jun CHEN, Jie JIANG, 1999 "Event-based spatio-temporal database design", Proceedings of International Symposium of ISPRS Com Ⅳ on GIS-Between visions and Applications, Stuttgart, Germany, Sept., 1998, pp. 105-109.
42 N. H. Gehani, H. V. Jagadish and O. Shmueli, 1992, Composite event specification in active databases: model & implementation, Proceedings of 18th VLDB Conference, Vancouver, British Columbia, Canada, 1992, pp327-338.
43 Caspary, W. andScheuring, R. Position accuracy in spatial databases: Comput, Environ, and Urban system. Vol. 17, pp. 103-110, 1993.
44 Tong Xiaohua, Shi Wenzhong, Liu Dajie, Developing of error model for transition: The Hongkong Polytechnic University, 1999, 23-32.
45 Mathieu Koehl, 1996, The Modelling of Urban Landscapes, International Archives of photogrammetry and Remote Sensing. Vol. ⅩⅩⅪ, Part B4, Vienna, p460-464.
46 AI-Taha, K. K. A., and Frank, A. U., 1995. What a Temporal GIS Can Do for Cadastral Systems, Temporal Data in Geographic Information Systems, pp. 1-16, Frank, A. U., Kuhn, W. and Haunold, p. (eds), Technical University Vienns, 1995.
47 Armstrong, M. P., 1998. Temporality in Spatial Databases, Proceedings of GIS/LIS' 88, pp. 880-889.
48 Egenhofer, M. J., 1994. Deriving the Composition of Binary Topological Relations, Journal of Visual Languages and Computing5: 133-149.
49 Egenhofer, M. J. and Herring, J. R., 1990. A Mathematical Framework for the Definition of Topological Relationships, in Brassel, K. and Kishimoto, H. (eds), Proceeding of the 4th International Symposium on Spatial Data Handling, pp. 803-813, Zurich, Columbus, OH, International Geographical Union.
50 Hornsby, K., and Egenhofer, M. J., 1997. Qualitative Representation of Change, Spatial Ir formation Theory, A theoretical Basis for GIS, COSIT' 97, Lecture Notes in Computer Science 1327, pp: 17-33. Springer-Verlag.
2 郭仁忠，空间分析，武汉测绘科技大学出版社．1997
3 边馥苓，《地理信息系统原理和方法》．测绘出版社，1996
4 南开大学数学系，空间解析几何引论，上册．北京：人民出版社，1978
5 於宗俦，鲁林成，测理平差基础，第2版．北京：测绘出版社，1983
6 张超，陈丙咸，邬伦，地理信息系统．北京：高等教育出版社．1995
7 舒红，概念、形式和逻辑时空建模原理初探．博士论文，武汉测绘科技大学，1998
8 李德仁，模型误差理论及其应用．武测科技，1980，(4)
9 崔伟宏，空间数据结构研究，中国科学技术出版社，1992
10 黄杏元，汤勤，地理信息系统概论，高等教育出版社，1989
11 邬伦等，地理信息系统教程，北京大学出版社，1994
12 王桥，毋河海，地图信息的分形描述与自动综合研究，武汉测绘科技大学出版社，1998
13 王正明，测量数据建模与参数估计，国防科技大学出版社，1996．毋河海，地图数据库系统，测绘出版社，1996．
14 吴信才，地理信息系统的基本技术与发展趋势，1998．7，地球科学
15 张祖勋、黄明智，时态GIS数据结构的研讨，1996，1，测绘通报
16 刘文宝，GIS空间数据的不确定理论．武汉：武汉测绘科技大学，1995．
17 戴洪磊，矢量GIS中位置不确定性度量与传播的理论和方法．武汉：武汉测绘科技大学，2000．
18 刘大杰，史文中，童小华等，GIS空间数据的精度分折与质量控制．上海：上海科学技术文献出版社，1999．
19 黄幼才，刘文宝，肖道纲等，GIS空间数据误差分析和处理．武汉：中国地质大学出版社，1995．
20 李德仁，当前国际GIS的研究和引用状况，《RS、GIS、GPS的集成与应用》，测绘出版社1995．
21 舒红，陈军，史文中，时空数据模型研究综述．计算机科学，Vol．25 No．6，70-74，1998．
22 乐燕芬、陈军，顾及时态地块的土地划拨时空数据组织，1996，4，地理信息世界
23 乔彦友，用时间GIS建立地籍信息系统的研究，1996，9，地理学报
24 龚健雅，GIS中面向对象时空数据模型，1997，11，测绘学报
25 谢传节、王金庄等，用历史数据库实现对GIS时态属性的管理，1997，9，测绘工程
26 朱英浩、张祖勋等，1998，顾及地形的城市三维可视化方法研究，武汉测绘科技大学学报，Vol．23，No．3，p258-266
27 陈军、郭薇，1998，基于剖分的三维拓朴ER模型研究，测绘学报，vol．27，No．4，p308-317
28 张祖勋、黄明智，时态GIS的概念、功能和应用，1995，2，测绘通报
29 龚健雅，夏宗国，地理信息系统的发展趋势与前景．《地理信息世界》．1996，3：1-7
30 赵仁亮，地图信息的分形描述与自动综合研究，武汉测绘科技大学出版社，1998
31 赵仁亮，基于V91的空间关系操作与实现．地理信息系统论文集，62-68，1999
32 陈军，赵仁亮，GIS空间关系的基本问题与研究进展．测绘学报，Vol．28，No．2，95-102，1999
33 李德仁，关泽群，将GIS数据直接纳入图象处理．《武测学报》
34 袁相儒等，Internte GIS的部件化结构，《测绘学报》
35 武晓莉，高小力，面向对象技术及其在GIS中的应用，《测绘科技通讯》
36 李满春，黄杏元，徐寿成，试论GIS设计，《地理信息世界》
37 Martin Erwig, Rahlf Hartmut Guting, Markus Schneider, Michalis Vazirgiannis. Abstract and Discrete Modeling of Spatio-Temporal Data Types. 6th ACM Symp On Geographic Information Sytims, 131-136, 1998.
38 Guting, R. H.. An Introduction to Spatial Database Systems. VLDB Journal 4, 357-399, 1994.
39 Tansel, A. U., J. Clifford, S. Gadia, S. Jajodia, A. Segev, and R. Snodgrass(eds.). Temporal Dtabases : Theory, Design, and Implementation. Benjamin/Cummings Publishing Company, 1993.
40 Papadis and Theodorids. Spatial relations, minimum bounding rectangles, and spatial data structures. INT. J. GISs, vol. 11, No. 2. 1997. pp111-138.
41 Jun CHEN, Jie JIANG, 1999 "Event-based spatio-temporal database design", Proceedings of International Symposium of ISPRS Com Ⅳ on GIS-Between visions and Applications, Stuttgart, Germany, Sept., 1998, pp. 105-109.
42 N. H. Gehani, H. V. Jagadish and O. Shmueli, 1992, Composite event specification in active databases: model & implementation, Proceedings of 18th VLDB Conference, Vancouver, British Columbia, Canada, 1992, pp327-338.
43 Caspary, W. andScheuring, R. Position accuracy in spatial databases: Comput, Environ, and Urban system. Vol. 17, pp. 103-110, 1993.
44 Tong Xiaohua, Shi Wenzhong, Liu Dajie, Developing of error model for transition: The Hongkong Polytechnic University, 1999, 23-32.
45 Mathieu Koehl, 1996, The Modelling of Urban Landscapes, International Archives of photogrammetry and Remote Sensing. Vol. ⅩⅩⅪ, Part B4, Vienna, p460-464.
46 AI-Taha, K. K. A., and Frank, A. U., 1995. What a Temporal GIS Can Do for Cadastral Systems, Temporal Data in Geographic Information Systems, pp. 1-16, Frank, A. U., Kuhn, W. and Haunold, p. (eds), Technical University Vienns, 1995.
47 Armstrong, M. P., 1998. Temporality in Spatial Databases, Proceedings of GIS/LIS' 88, pp. 880-889.
48 Egenhofer, M. J., 1994. Deriving the Composition of Binary Topological Relations, Journal of Visual Languages and Computing5: 133-149.
49 Egenhofer, M. J. and Herring, J. R., 1990. A Mathematical Framework for the Definition of Topological Relationships, in Brassel, K. and Kishimoto, H. (eds), Proceeding of the 4th International Symposium on Spatial Data Handling, pp. 803-813, Zurich, Columbus, OH, International Geographical Union.
50 Hornsby, K., and Egenhofer, M. J., 1997. Qualitative Representation of Change, Spatial Ir formation Theory, A theoretical Basis for GIS, COSIT' 97, Lecture Notes in Computer Science 1327, pp: 17-33. Springer-Verlag.