专利名称：基于空间对象类化模型及网格体索引的异构地理空间数据管理技术的制作方法
技术领域：
本发明属于地理信息领域地理空间数据管理技术，是一套用于解决高复杂性、高异构性地理空间数据的集中管理、组织存储、高效索引等问题的技术方法。
背景技术：
地理信息系统(GIS, Geographic Information System)是以采集、存储、管理、分析、描述和应用整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间地理分布有关的数据信息的计算机系统，被广泛地应用于城市规划、市政管理、政府管理、环境、资源、交通、公安、灾害预测、经济咨询、投资评价和军事等与地理信息相关领域。随着应用领域的不断扩展，使用需求的不断升级，GIS系统需要对不同来源的地图数据进行统一的组织、管理和表现，而这些地图数据往往存在各自不同的组织管理形态(空间数据库、地图数据文件、地图服务等)、不同的地图范围、不同的比例尺，如何对这些异构数据进行统一管理，并进行高效索弓丨，是当前急需解决的一大课题。本发明提出了一套高异构条件下，地理空间数据的组织管理和索引检索的技术方法，提高了多源异构地理空间数据管理的效率，降低了数据访问和索引的复杂性，是解决目前GIS所面临现实问题的有效实践。传统的地理空间数据组织存储方式有一是文件系统存储；二是文件系统和数据库混合存储；三是扩展关系数据库存储；四是对象数据库存储；五是对象关系型存储。其中第一种方式数据模型简单，易于使用，但数据的安全性与并发访问控制存在较大不足。其中第五种方式融合了关系型数据库与面向对象模型的优点，是目前较为先进的一种方式。但这些方式一般只关注单个空间数据源，均未考虑多个空间数据源的集中控制、统一组织等问题。空间索引是指为了提高空间数据的查询、操作效率，根据空间要素的地理位置、形状或空间对象之间的某种空间关系，按一定的顺序排列的一种数据结构。目前空间数据一般采用树索引结构，主要有基于二叉树索引，基于R树索引，基于网格划分索引，空间目标排序法，四叉树动态索引等方法。每种索引技术在处理不同空间数据时，在时间效率和空间效率上，均有其各自的优缺点。但如何综合多种索引方法的优点，有效应对多源异构条件下地理空间数据的高效索引，业内并未提出较好的解决方案。为较好地解决多源异构条件下，地理空间数据的有效管理和高效检索，本发明提出了基于空间对象类化及网格体索引的地理空间数据管理技术，有效弥补了传统空间数据组织存储和索引检索技术对多源异构地理空间数据支持的不足。
发明内容
本发明提出了一套基于空间对象类化及网格体索引的地理空间数据管理技术，其目的为解决高异构性多源地理空间数据环境下，对空间数据进行集中管理、组织存储及高效索引等问题。实现本发明目的的技术解决方案为设计异构空间数据统一管理接口，采用“异构空间对象类化方法”，依据空间对象的共性属性将异构多源地理数据进行统一组织管理；采用基于R树索引、网格划分索引的“混合型异构空间数据网格体索引技术”，实现对异构多源空间数据的高效索引。本发明与现有技术相比，其显著优点有(I)更好地支持异构空间数据的组织与管理。有效改善了异构空间数据分散独立管理的现状，大大提高了复杂空间数据组织管理的效率，保证了异构空间数据的一致性和完整性，提升了空间数据的管理安全性。(2)有效提升了异构空间数据的索引时间、空间效率。由于传统空间数据索引技术一般不考虑对异构多源数据进一统一索引的场景，本发明填补了该空白，并在空间数据检索的时空效率上表现出色。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是基于空间对象类化模型及网格体索引的异构地理空间数据管理技术框架图。图2是空间对象类化模型示意图。图3是异构空间对象类化模型示意图。图4是混合型异构空间数据网格体索引技术示意图。
具体实施例方式一、基于空间对象类化模型及网格体索引的异构地理空间数据管理技术框架图1描述了该异构地理空间数据管理技术的基本框架。异构空间数据统一管理接口(下文简称“管理接口”)通过两部分工作来实现对异构空间数据的组织管理和高效索弓I。一方面管理接口通过空间对象统一类化模型，借鉴类的抽象、继承、实例化等思想，将多源地理空间数据(Shape文件，ArcGrid文件，GeoTiff文件，PostGis等空间地图数据库，WMS地图服务等)依据空间对象性质进行类化抽象，并依据其经度、纬度、高程等属性进行对象的关联和归并，以保证多个数据源的地理空间数据的关联和统一，以便对外提供交互的一致接口 ；另一方面管理接口通过异构空间数据网格体索引技术，在纵向上，将已类化的多源空间数据建立多层网格划分索引，形成网格体索引，在横向上，对每一层的空间数据结合R树索引方法进行二次索引，以达到较好的异构多源数据索引时空效率。二、异构空间对象类化模型空间对象类化模型如图2所示。该方法将面向对象程序设计中类的相关概念引入空间数据的描述与组织。不论空间数据的物理存储形式存在差异，从业务层来看，每一个空间数据对象均可以用一个类的对象来表示，每一个空间对象都有一个名称、一些属性和一些相关方法。具有相同属性和方法的空间对象被抽象定义为一个类，具有名字、类型、属性、和方法等要素，这个类主要包含一些基本的非空间属性，以及与空间属性的关联关系。一个空间数据对象类可表示为如下三元组
GeoClass =〈{GeoObj}, {GeoType:GeoAttribute}, {GeoMethod:{GeoType:GeoAttribute}>其中(I) {GeoObj}表示符合此共性的这一类地理空间数据。(2) {GeoType:GeoAttribute}表示空间数据的名称、用途等对象特性以及经维度、投影坐标系统、几何数值等地理空间属性。(3) {GeoMethod: {GeoType:GeoAttribute}:表示该类空间数据上的一些函数操作,如求几何体中第一条线点的个数，求几何集合体中几何体的个数，判断几何体起点与终
点是否重合等。通过对空间数据进行抽象提取，使用GeoClass法加以描述，并依照类的继承派生等特性进行组织，形成地理空间对象类树(森林)。如图2所示，任一地图数据来源读入内存后，均可理解为一组空间对象实例，如济南市第一医院、济南省军区总医院、济南市儿童医院等，构成空间对象实例层。若对这些空间对象实例进行抽象，可得到空间对象类“医院”，另对其他空间对象实例还可以抽象出“学校”、“车站”等，构成“空间对象第二继承类层”。以此类推,最终将其抽象成空间对象类“建筑”,构成“空间对象虚类层”。其中空间对象继承类层可以有多层，由空间对象的特性决定。在空间对象类化模型的基础上，进一步提出了异构空间对象类化模型，用于解决多源异构数据的统一组织管理问题，如图3所示，异构空间对象类化模型的基本思想是首先将来自不同物理组织管理方式的地图数据读入内存，构建成多个“空间对象实例层”，随后依据空间对象的经纬度等地理空间属性对不同空间对象实例层内的对象进行关联统一，构建“空间关联对象实例层”，例如图3中的A1、A2、A3均代表济南市第一医院，且具有相同的经纬度，则将其关联为济南市第一医院A，然后再依据上文介绍的空间对象类化方法进行抽象类化。本技术的关键创新点为依据地理空间属性将异构空间对象实例进行关联，形成空间关联对象实例，并对进行类化抽象，从而实现了空间对象的统一访问接口，隐藏了异构空间数据的差异性。对外提供地图服务时，管理接口在需要获取某地理空间对象的属性时，只需查找对应类的实例化对象的属性值；管理接口在需要对某地理空间对象进行操作时，只需调用对应类的函数方法。通过空间对象统一类化模型隐藏了异构空间数据的物理存储差异性，以面向对象的思路，将多源空间数据进行类化、统一，保证了异构空间数据的统一接口 ；另一方面，通过类化抽象，降低了复杂空间数据的耦合性和冗余度，提升了空间数据管理的效率。 三、混合型异构空间数据网格体索引技术混合型异构空间数据网格体索引技术的基本思想是首先对每个地理数据空间进行“网格索引面”划分，随后基于异构空间对象类化模型，以经纬度及高程等地理空间属性为基准，将各层地理数据空间的索引面进行关联，构成“网格索引体”。如图4所示。对于每个地理数据空间，网格索引面的建造方法为第一级网格划分将整个空间划分成X行、Y列的网格块，每个块又可进行第二级划分，其中每个块都可划分成任意行和列的下一级块，划分块数可以不同。每个块是否进行下一级划分根据实际检索性能要求和空间限制的平衡而定。各层地理数据空间建立完各自的“网格索引面”后，依据经纬度对各层的“网格索引面”进行关联，如图示的A、A1及A2，最终构成一个“网格索引体”。同时，为提高索引效率，对每个“网格索引体”的各层“网格索引面”进一步采用R树进行索引。混合型异构空间数据网格体索引建立方法通过综合运用异构空间对象“网格索引体”划分及R树索引技术，有效保持了异构空间数据的索引一致性，减少了 R树索引空间的重叠，降低了 R树的平均深度，提高检索性能。混合型异构空间数据网格体检索机制用伪代码表示如下。首先约定，多源异构地理数据空间共包含M个地图数据源，第i个地图数据源表示为Map (i)，第i个地图数据源上共建立了 N个网格索引，其中第j个网格表示为Map(i).Grid(j)，该网格索引上建立的R树索引表示为Map (i). Grid(j). RTree,该网格上的跨格索引表示为Map (i). Grid(j).BeyondGrid。某数据对象A包含于另一数据对象B,表示为A e B。(I)点对象 ObjPoint 检索。
权利要求
1.一种基于空间对象类化及网格体索引的地理空间数据管理技术，设计实现了异构空间数据统ー管理接ロ，采用“异构空间对象类化方法”，依据空间对象的共性属性将异构多源地理数据进行统ー组织管理；采用基于R树索引、网格划分索引的“混合型异构空间数据网格体索引技木”，实现对异构多源空间数据的高效索引。
2.根据权利要求1所述的“异构空间对象类化方法”，其特征在于将面向对象程序设计中类的相关概念引入空间数据的描述与组织。不论空间数据的物理存储形式存在差异，从业务层来看，每ー个空间数据对象均可以用ー个类的对象来表示，每ー个空间对象都有一个名称、ー些属性和一些相关方法。具有相同属性和方法的空间对象被抽象定义为一个类，具有名字、类型、属性、和方法等要素，这个类主要包含ー些基本的非空间属性，以及与空间属性的关联关系。
一个空间数据对象类可表示为如下三元组GeoClass =〈{GeoObj}, {GeoType:GeoAttribute}, {GeoMethod:{GeoType:GeoAttribute} > 其中 (1){GeoObj}表示符合此共性的这ー类地理空间数据。
(2){GeoType:GeoAttribute}表示空间数据的名称、用途等对象特性以及经维度、投影坐标系统、几何数值等地理空间属性。
(3){GeoMethod: {GeoType:GeoAttribute}:表示该类空间数据上的一些函数操作，如求几何体中第一条线点的个数，求几何集合体中几何体的个数，判断几何体起点与终点是否重合等。
通过对空间数据进行抽象提取，使用GeoClass法加以描述，并依照类的继承派生等特性进行组织，形成地理空间对象类树(森林)。任一地图数据来源读入内存后，均可理解为一组空间对象实例，如济南市第一医院、济南省军区总医院、济南市儿童医院等，构成空间对象实例层。若对这些空间对象实例进行抽象，可得到空间对象类“医院”，另对其他空间对象实例还可以抽象出“学校”、“车站”等，构成“空间对象第二继承类层”。以此类推，最终将其抽象成空间对象类“建筑”，构成“空间对象虚类层”。其中空间对象继承类层可以有多层，由空间对象的特性決定。
在空间对象类化模型的基础上，进ー步提出了异构空间对象类化模型，用于解决多源异构数据的统ー组织管理问题，异构空间对象类化模型的基本思想是首先将来自不同物理组织管理方式的地图数据读入内存，构建成多个“空间对象实例层”，随后依据空间对象的经纬度等地理空间属性对不同空间对象实例层内的对象进行关联统一，构建“空间关联对象实例层”。
3.根据权利要求1所述的“混合型异构空间数据网格体索引技木”，其特征在于首先对每个地理数据空间进行“网格索引面”划分，随后基于异构空间对象类化模型，以经纬度及高程等地理空间属性为基准，将各层地理数据空间的索引面进行关联，构成“网格索引体”。
对于每个地理数据空间，网格索引面的建造方法为第一级网格划分将整个空间划分成X行、Y列的网格块，每个块又可进行第二级划分，其中每个块都可划分成任意行和列的下一级块，划分块数可以不同。每个块是否进行下一级划分根据实际检索性能要求和空间限制的平衡而定。各层地理数据空间建立完各自的“网格索引面”后，依据经纬度对各层的“网格索引面”进行关联。同时，为提高索引效率，对每个“网格索引体”的各层“网格索引面”进ー步采用R树进行索引。
混合型异构空间数据网格体索引建立方法通过综合运用异构空间对象“网格索引体”划分及R树索引技术，有效保持了异构空间数据的索引一致性，減少了 R树索引空间的重叠，降低了 R树的平均深度，提高检索性能。
混合型异构空间数据网格体检索机制用伪代码表示如下。首先约定，多源异构地理数据空间共包含M个地图数据源，第i个地图数据源表示为Map (i)，第i个地图数据源上共建立了 N个网格索弓丨，其中第j个网格表示为Map(i).Grid(j)，该网格索引上建立的R树索引表示为Map(i). Grid(j). RTree，该网格上的跨格索引表示为Map (i). Grid (j).BeyondGrid。某数据对象A包含于另ー数据对象B,表示为A G B。
(1)点对象ObjPoint检索。
全文摘要
为较好地解决多源异构条件下，地理空间数据的有效管理和高效检索，本发明提出了基于空间对象类化及网格体索引的地理空间数据管理技术，设计实现了异构空间数据统一管理接口，采用“异构空间对象类化方法”，依据空间对象的共性属性将异构多源地理数据进行统一组织管理；采用基于R树索引、网格划分索引的“混合型异构空间数据网格体索引技术”，实现对异构多源空间数据的高效索引。本发明有效提高了多源异构地理空间数据管理的效率，降低了数据访问和索引的复杂性，是解决目前GIS所面临现实问题的有效实践。
文档编号G06F17/30GK103049464SQ20121008954
公开日2013年4月17日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者蒋亚群, 张昱, 梅彦铮, 徐永生, 刘星, 邓宝松 申请人:北京峰盛博远科技有限公司