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虚拟GIS数据模型的设计及其主动式面向对象数据库系统的实现(1)
2012年4月13日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:谢传节 孟雪莲 万洪涛 姚长青
    单位:中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室

    摘要: 本文首先在分析地学虚拟环境和虚拟地理信息系统的同时, 指出当前虚拟地理信息系统在数据模型上的不足; 然后具体介绍了我们设计的虚拟地理信息系统数据模型, 在该数据模型中通过引入结构对象, 支持地理数据在空间数据库中的管理和在地学虚拟环境中表达; 同时介绍了该数据模型基于主动式面向对象数据库的实现, 并在其支持下的地理对象中引入了对象事件属性; 最后文中给出系统应用示例图。

    1 前言

    随着图形技术和人机接口技术的发展, 改变了人们与计算机信息交互的手段。人们不再是单纯地同枯燥的文字信息打交道, 更多的是可以同图形信息交互, 利用图形图像来分析和表达问题; 人们不但可以在计算机外部简单地利用键盘、鼠标同图形交互, 而且可以利用高级的人机接口设备沉浸到由计算机生成的多种信息源构成的多维信息空间中探索和分析问题。这种高级的人机接口技术就是当前热门的虚拟现实技术, 而把由虚拟现实系统生成的多维信息空间称之为虚拟环境。虚拟环境可以定义为由计算机生成的, 通过视、听、触觉等作用于用户, 使之产生身临其境的交互式视景仿真[1]。虚拟环境已经广泛应用在航空航天、工业制造等领域[2, 3]。

    虚拟环境同地球科学的结合, 产生了一种新的分析地学数据和探索地学问题的虚拟地学多维信息空间, 即地学虚拟环境。可以简单地认为地学虚拟环境是虚拟环境在地球科学相关领域中的应用, 是以地学数据为基础, 由计算机生成的虚拟地理场景, 它具有如下基本特征:

    1) 多维性。因为地学虚拟环境是对客观地理世界较真实的抽象反映, 多维性是它的一个本质属性;

    2) 动态交互性。作为人们分析地学数据的虚拟多维信息空间, 动态交互性是地学虚拟环境的一个基本要求;

    3) 表达地学现象和地学过程。这是人们虚拟地理场景中探索地学问题的必要条件[4]。

    虚拟GIS 系统就是人们创建和体验地学虚拟环境的计算机系统。它不但要管理空间数据, 而且要协调用户在地学虚拟环境中与空间数据库的交互, 同时也是多种地学分析模型的集成环境[5]。为了满足地学虚拟环境的基本要求, 它须具备下列基本功能:

    ·表达不同地理现象的多维数据模型;

    ·在多维空间中能丰富表达地学分析模型;

    ·具有较强的复杂多维空间数据管理功能;

    ·支持用户在地学虚拟环境中, 利用GIS 的分析功能, 特别是空间数据库分析功能。

    为了满足虚拟GIS 基本功能的需要, 要求虚拟GIS 数据模型既能够表达复杂的空间数据, 又能够支持虚拟空间中数据的管理和分析。

    2 当前虚拟GIS 数据模型分析

    当前虚拟GIS 在结构上一般都采用GIS+ VR的方式[6]。通过VR 来创建虚拟信息空间和管理用户与虚拟信息空间的交互, 而GIS 则是用来管理空间数据[6, 7, 8]。VR 采用的数据模型一般都是为了方便数据的图形生成和管理, 普遍采用层次式结构, 数据按空间关系和显示关系组织在一起, 如VRML 结构; 而GIS 中的空间数据一般则是按数据类型, 即不同的专题组织在一起, 采用的结构一般比较简单,如A rc/ Info 的Coverage 结构。GIS 和VR 数据模型的不一致, 造成当前虚拟GIS 系统中GIS 和VR 之间数据共享上的困难和不必要的数据冗余, 同时也由于VR 中使用的数据模型与GIS 中表达模型的差别, 使用户难以在虚拟空间中直接利用GIS 的高级分析功能[7]。

    当前虚拟GIS 数据模型的数据表达能力不够。因为虚拟地理环境是对现实地理环境较真实的抽象, 无论是地理空间中的离散地理对象(如具有点、线、面、体等结构的地理对象) , 还是地理空间中的连续变化的地理对象(如具有DEM , T IN , 矢量场结构的地理对象) 都要求能够以比较一致的方式在虚拟地理环境中得到表达。这就要求虚拟GIS 数据模型同时具有表达离散地理对象和连续变化的场地理对象的能力。

    另外, 当前虚拟GIS 数据模型还难以满足地学虚拟环境中高交互性的要求: 包括与空间对象之间的交互, 虚拟空间中地理对象之间的交互。因为在地学虚拟环境中, 每个地理对象都是构成虚拟信息空间的一部分, 某个对象状态的改变, 有可能对它所处的环境产生影响, 改变它周围地理对象的状态。

    本文数据模型中地理对象是通过事件属性来描述交互行为, 具体实现是建立在主动式面向对象空间数据库基础上的。

    通过分析, 针对虚拟GIS 数据模型上存在的不足, 我们设计了一个新的面向对象虚拟GIS 数据模型(OOVRGDM —O b ject2o rien ted V irtual RealityGIS DataModel)。它与一般数据模型的不同点, 是我们引入结构对象, 以支持数据在空间数据库中的管理和在地学虚拟环境中表达, OOVRGDM 能同时支持离散地理对象和场地理对象的表达。在具体实现上, 我们设计了一个主动式面向对象数据库原型系统, 以支撑空间数据的管理。在主动式面向对象空间数据库管理系统的支持下, 我们在地理对象中引入了事件属性, 以支持地理对象交互行为的描述。

    3 OOVRGDM 的基本结构及其地理对象成分

    3.1 OOVRGDM 的基本结构

    OOVRGDM 的基本单元是地理空间对象, 每一个地理空间对象都有一个与其相联系的几何成分, 同时每一个地理对象有零个到多个属性成分。图1 所示的是OOVRGDM 的基本类层次结构图。

虚拟GIS数据模型的设计及其主动式面向对象数据库系统的实现(1)
图1 OOVRGDM 的基本类层次结构
Fig.1 The basic class h ierarch icalst ructure of OOVRGDM

    (1) 基本地理对象

    在OOVRGDM 中, 可以存在3 种类型的地理对象, 即基本地理对象、场地理对象和结构对象。基本地理对象指的是地理空间中具有一定边界, 具有规则几何体结构的离散变化的地理对象, 如具有点、线、面、体等几何结构的地理对象。基本地理对象类层次结构如图2 所示。

基本地理对象类层次结构
图2 基本地理对象类层次结构
Fig.2 The class h ierarch ical st ructure ofbasic geograph ical objects

    (2) 场地理对象

    OOVRGDM 中的场地理对象, 指的是理论上可以没有边界, 在一定空间范围内连续变化的地理对象, 如DEM , T IN , 三维空间中的GR ID, 矢量场等。场地理对象类层次结构图如图3 所示。

虚拟GIS数据模型的设计及其主动式面向对象数据库系统的实现(1)
图3 场地理对象类层次结构
Fig.3 The class h ierarch ical st ructureof geograph ical field objects

    OOVRGDM 中引入结构对象, 是为了让地理对象按空间组织关系、分类关系、时间关系、或是显示属性关系组织到一起, 以利于空间数据库中地理对象数据的管理和在地学虚拟环境中空间地理对象的表达。而且通过允许结构对象之间嵌套, 从而将地理空间对象按其现实世界中的结构组织在空间数据库当中, 可以实现直接从空间数据库中生成地学虚拟环境。OOVRGDM 结构对象类层次结构如图4 所示。

虚拟GIS数据模型的设计及其主动式面向对象数据库系统的实现(1)
图4 结构对象类层次结构
Fig.4 The class h ierarch ical st ructureof the st ructural objects

    下面对结构对象作一个简要说明:

    (1) 空间组织关系结构对象: 空间组织关系结构对象指该对象中的子对象, 都是以该对象所描述的结构组织在该对象中。空间组织关系结构对象有四叉树结构对象, 八叉树结构对象和空间索引结构对象和模型对象。这里要特别说明的是模型对象, 模型对象指的是其中子对象在空间上组成一个整体,对它的移动和旋转等空间操作, 也是对结构中每个子对象的操作。

    (2) LOD 结构对象: LOD (L evel of Detail) 是一种显示关系。该结构中的子对象按照一定的显示规则组织在一起, 当前采取的是按照视点到对象的距离来组织, 在具体显示时根据这个距离自动采用不同的子对象。

    (3) 时间结构对象: 由于虚拟空间可以是在不断变化, 在不同的时间段或不同的时刻会有不同的地理对象存在于地学虚拟环境中, 时间结构对象就是将处在不同时刻或不同时间段的对象组织到一起。

    (4) 分类结构对象: 通过分类结构对象, 虚拟GIS 可以把相同类别的空间数据组织在一起, 以利于分析和查询。

    3.2 OOVRGDM 中地理对象的基本成分

    地学虚拟环境是对现实环境较真实的抽象, 不同地理空间对象在虚拟空间中可以具有不同的颜色, 也可以具有不同的材质或是纹理。我们把地理空间对象的颜色、材质或是纹理统称为对象的外观属性。在OOVRGDM 中对象的外观属性是对象的固有属性之一。

    地学虚拟环境是一个动态的虚拟信息空间, 其变化不但体现随时间变化, 而且体现在由于地理对象之间交互而产生变化。如要修改某个地理对象的属性时, 这个地理对象可能会对它所处的环境产生影响, 改变与它存在特定关系的其他对象的状态, 从而改变整个虚拟信息空间的面貌。OOVRGDM 中对象之间的交互是用事件属性描述的。即当对象的事件属性的属性值发生改变时, 会自动触发事先定义在该属性上的事件。事件按照ECA (Even t2Condi2t ion2A ct ion) 范式来定义, 表示在一定的条件下执行一定的过程。事件属性定义方式为: Even tA t t ribu te< Type, Even t> , 在主动式面向对象数据库系统支持下, 事件属性由数据库自动维护。

    地学虚拟环境中既要表达地学现象, 又需要表达地学过程。为了表达地学过程, 我们定义了时间标识属性T im eStampA t t ribu te< Type> , 表示属性带有时间戳, 用来描述地学对象的随时间变化成分。

    不过这里要强调的时间标识属性不是独立的属性,而是指在不同时刻会有不同值的属性。时间标识属性可以是地理对象的空间属性或是其它属性。时间标识属性的逻辑是由用户应用程序维护的, 对于地学虚拟环境时间维的表达这里不予赘述。

    OOVRGDM 中, 地理对象可以有下图5 所示的几种基本成分: 对象标识、空间属性、关系属性、外观属性、事件属性和一般属性。其中对象标识ID是识别该地理对象和数据库用来管理对象的唯一标识符; 空间属性为对象在地理空间中的空间位置和几何形状; 关系属性可以是指对象的拓扑关系等; 一般属性为用户应用程序所扩展的不带有时间标识的非事件属性, 这一类属性不要求数据库或是应用程序进行特别处理, 如一直保持不变地虚拟GIS 空间对象名称。

虚拟GIS 空间数据库中地理空间对象的基本成分
图5 虚拟GIS 空间数据库中地理空间对象的基本成分
Fig.5 The basic components of geographyicalobjects in the database of the V irtual GIS

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标签:GIS数据库
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