C++博客-Welcome to 陈俊峰's ---BeetleHeaded Man Blog !-随笔分类-GIS

GIS数学模型

Jeff-Chen — Sun, 07 May 2006 12:58:00 GMT

提要　本篇根据GIS具体应用实例，详细阐述了GIS的基本数学模型，深入分析了非地理属性数据的本质特性及组织方法，并提出了绘图即编码的新观点。

关键词　 GIS 非地理属性数据图形编码

　　0．引言
　　近年来，GIS数据处理技术正以前所未有的速度，渗透到社会的各个部门。各行各业的GIS开发应用急剧增加，专业GIS平台种类繁多，新技术、新理念层出不穷，给人以目不暇接的感觉。作为一名业余GIS从业人员，根据行业应用具体例子，阐述GIS数据处理技术的基本原理及其应用方法。所述观点有偏薄之处，还请GIS行家斧正。

　　1．现行GIS数学模型
　　GIS处理的数据对象不仅仅局限于地理测绘部门，基于地理信息基础上的规划、市政、土管、电力、电讯、自来水等相关行业，同样适用于GIS数据处理技术，这是无庸置疑的客观事实。值得探讨的是：各相关部门该如何利用测绘部门提供的基础地理信息？他们又该如何组织各自的专业数据？
　　现行的GIS数据处理模型，都是在海量级数字地理背景图上，叠加各自专业图符布置图，然后利用内置或外挂的关系型数据库，查询统计图形符号所属的参数记录。这样的数学模型，实际应用效果并不理想：操作人员在图形、表格之间煞费苦心，但始终不得要领；应用单位除了承担昂贵的专业GIS平台外，还得承担同样昂贵的关系型数据库平台。笔者以为，现行GIS数学模型的基本原理有待探讨。

　　2． GIS数据的基本结构
　　海量级数字地图本来是按一定比例尺度、一定投影带度（地理坐标系），分幅保存在地理测绘部门。以前都是以图纸形式，现在通行数字地图格式。大概是计算机图形处理技术太易于拼接叠加，程序设计人员很容易将数量众多的地理分幅图，拼接成海量级数字地图，作为各GIS相关行业的地理背景。这样的系统设计方法，违背了模块化设计这一信息处理技术的基本原则。
　　就单纯的地理信息而言，最小的、能够独立使用的基本数据模块，就是每张一定比例、一定投影带度的地理分幅图。单张地理分幅图的信息数据量相当有限，数量众多的地理分幅图叠加起来，才形成海量级地理背景图。在很小的电脑屏幕上，调集海量级图形数据，显示效果如同印象派画家的杰作，不知所云。实际应用当中，操作人员为了保持画面的清晰，常常关闭地理背景图层。早知今日，何必当初。
　　GIS相关行业在数据初始化阶段，确实应该尽可能搜集所有地理分幅图，包括不同坐标体系的地理图，这样可以在图纸或电子地图上，转录各自行业图符布置图，不必花费大量的人力、物力，到现场进行实地勘测，系统开发周期可以大大缩短。转录过程是必不可少的，因为测绘部门的图符规范与各行业规范不尽相同，图符之间的逻辑关系更是隔行如隔山。关于这一点，各相关行业部门并无异议，实际应用也是这样操作的。但无论从数据处理的基本原理，还是实际应用角度，都没有理由叠加海量级地理图作为基础背景。
　　也许有人要问，转录后的行业图符地理布置图，仍常常需要基本地理信息作为参考背景，那该如何处置？实际上这很容易解决，你只需将所有地理分幅图保存在指定的硬盘目录，需要时逐一调入叠加。很显然，这样的应用模式，更符合数据处理的基本原理，计算机系统资源也可大大节约。
　　这里想强调一点，无论是基础地理信息图，或是行业图符布置图，必须遵循测绘部门的地理坐标系。地理坐标系不仅具有严密的数学投影公式，而且是法定的标准规范。常常碰到一些非地理专业的设计人员，任意假定自己的地理坐标。这样的设计方法，能够应用一时，但给日后的数据维护运行带来无穷的后患。你的所有数据将成为“信息孤岛”：无法被别人共享，也无法共享别人信息。“地图永远跟不上建设”，你搜集到的最新版式的地图，很可能是五年甚至是十年前的地形地貌。动态变化的地理信息，是按照固定的坐标体系不断修测更新。地理坐标体系实际上是地理信息数据的基本编码字典，设计人员怎能凭自己的意愿，各自假定编码字典。笔者并非地理专业人员，认识地理坐标的重要性，完全是经验之谈。

　　3．非地理属性数据的组织方法
　　笔者认同这样的观点：从内部结构上讲，计算机数据处理技术可以概括为逻辑上的关系型数据库处理模型；所有信息数据，无论是文本、数字、图形、图象、声音等等，都是以抽象的表格记录形式存贮在计算机内部。这是专业级系统开发商探讨的技术问题，笔者根本没有能力深入剖析。从具体应用角度出发，抽象的或者说是逻辑上的关系型表格数据库，是否都得影射成外观的表格数据记录，这就值得应用开发人员仔细推敲。就最常用的DXF格式的图形交换文件（数据）而言，其内部形式就是标准ASCII码表格数据，但它们的外部表现形式，则是具体形象的几何实体。对应用开发人员犹其是应用操作人员来讲，表格记录与图形数据是完全不同的数据类型，它们的组织方法、查询手段也是完全不同的。
　　单纯的图形数据组织方法与单纯的表格数据组织方法，谁也不会混淆。现行GIS相关行业的非地理属性数据的组织方法，笔者不敢苟同。绝大多数应用开发人员，都将它们整合成结构严谨的表格记录，并在表格数据库中进行相关的查询、统计。表面看来，似乎符合这些属性数据的管理模式。在未有计算机图形处理技术以前，这些属性数据无一例外地集中存贮在表格簿册之中。但这是不得已而为之。它们本该分散标注在图形符号的背后，只是在手工绘图阶段，根本无法实现。在计算机图形技术日臻完善的今天，可以利用隐含显示、透明叠加等计算机图形处理技术，方便准确地将属性记录标注在图形符号背后，直观形象地进行查询统计，应用效果如同“看图识字”。那只是还非地理属性数据以本来面目，从本质上讲，它们本来就属于图形数据，并非一般意义上的表格数据。它们的组织方法如同绘图一样，必须将一条条属性记录（类似于几何实体），分散标注在它们本该出现的位置。方便灵活的分散标注过程只是人机对话的表面形式，集中存贮仍是属性数据计算机内部结构。对编程人员来讲，面对的仍是整齐划一的DXF格式的数据表格，这与普通表格数据没有两样（实际上DXF格式数据只是应用开发人员的数据组码，低层的数据代码更为整齐划一，但这是专业级开发商面对的数据格式）。对具体应用人员来讲，直观形象地进行查询统计，是他们最大的愿望。

　　4．图形编码法
　　普通表格数据库中的数字编码，我们已经运用得驾轻就熟，对图形编码[1]可能还比较陌生。但“信息技术工作者，逐步意识到用地理位置来检索数据，是组织和使用数字式数据的基本方法”[2]。讲得通俗点，使用图形编码是组织和运用图形数据（包括非地理属性数据）的基本方法。所谓图形编码法，就是以图形符号为基本工程语言，依照行业设计规范，绘制或标注图符、属性的全过程，就是图形编码法。简而言之，绘图即编码。
　　图形编码在未有计算机图形处理技术以前就已存在，手工绘图的全过程，运用的就是图形编码法，但使用范围局限于狭义的图形符号。随着计算机技术的迅猛发展，图形编码的使用范围早已超出狭义的制图设计过程。司空见惯的条形码技术，就是典型的图形编码在表格数据库中的具体应用。DOS操作系统与Windows操作系统最本质的区别，前者采用的是数字编码命令体系，后者采用是图形编码命令体系。
　　遗憾的是，由于不了解非地理属性数据的实质就是图形数据，没有认识到绘图标注过程就是编码过程，也可能是关系型数据库技术过于流行，GIS相关行业的程序设计人员，都将非地理属性数据分门别类，集中存贮在内置或外挂的关系型数据库中，并人为添加一条编码字段，进行日常的查询统计。这从数学原理上讲是不成立的，简单的图形符号，比如条形码，尚能用一串数码来描述；复杂的图形符号及其相互间的逻辑关系，根本无法用数码来表示，否则就不存在各行业的工程设计语言。实际应用当中，非地理属性数据在关系型数据库中的查询统计效果，差强人意，操作人员始终处在云里雾里。更为烦恼的是，管理人员为了维护程序设计人员外加的编码体系，费尽心机，但始终不得要领。非地理属性数据的编码字典，就是管理人员熟知的行业设计规范。程序设计人员必须首先掌握GIS及相关行业的工程设计规范，然后才能进行应用系统的组织、设计。
　　非地理属性数据采用图形编码法，才能满足数据模块化设计的原则。GIS相关行业的基本数据模块，就是每张专业图符（属性）地理布置图，它们是由不同类型的图符实体，依据各自的行业规范，准确连接而成的、可以独立使用的基本数据模块。这在关系型表格数据库中是无法实现的，表格数据库采用的是分门别类方法，不同类型的属性数据无法整合在同一表格簿册中。这既是它的优点，也是它的不足。数据处理技术并非只有关系型数据库一种，程序设计人员首先考虑的就是根据不同行业数据特性，选择不同的数据处理技术。

　　5． GIS应用实例
　　图例是笔者利用最普通的ACAD（R14）作为GIS平台（Autodesk公司提供专业GIS平台，如AutoCAD Map、MapGuide等系列），引用当地最常用的宁波独立坐标系，依据图形编码法，准确绘制的配网地理接线图。没有任何地理背景，需要时可以随时叠加任何已有的或者今后再版的地理分幅图。没有外挂任何关系型数据库（ACAD支持多种关系型数据库），你用鼠标就可直接点取任一电气设备的全部属性参数。为了保持画面的清晰，只显示一、二项属性参数，其余均被隐含在图形符号的背后。你当然可以根据不同的统计口径，编制小段管理程序，汇总统计各种参数，编程过程并不复杂。应用人员几乎可以不经任何培训，就能上机查询，真正体现“所见即所得”设计目标。
　　根据模块化设计原则，剥离了海量级地理背景图，配网地理接线图也是按馈线分别存贮在指定的硬盘目录，需要时逐一调用，这样的GIS应用模型可以在P/100/40M普通微机上流畅运行。采用更高档的系统机型，选择更专业的GIS平台，应该根据系统的综合性能价格比，由用户作出最终抉择。作为程序设计人员，必须确保信息处理的数学模型科学规范，维护运行的人机界面简单明了。

Jeff-Chen 2006-05-07 20:58 发表评论

什么是SVG

Jeff-Chen — Thu, 27 Apr 2006 08:48:00 GMT

SVG是基于XML的专门为网络而设计的图像格式。本文给出了SVG的几个简单例子，并与其它矢量图形格式VML、PDF、SWF进行比较，展示了 SVG的优点和美好前景。

什么是SVG

SVG(Scable Vector Graphics，可升级矢量图像)是一种基于XML的开放的矢量图形描述语言。SVG图像是与XML1.0兼容的文档，SVG元素是指示如何绘制图像的一些指令，阅读器(Viewer)解释这些指令，把SVG图像在指定设备上显示出来。使用SVG可以在网页上显示出各种各样的高质量的矢量图形，支持很多您想象得出的功能：几何图形、动画、渐变色、滤镜效果等。最关键的是，它是完全用普通文本来描述的！也就是说，这是一种专门为网络而设计的基于文本的图像格式。

1999年2月，SVG草案出台，经过不断地修改更新，最终形成了第一份实验性的实现规范。2001年7月，W3C正式发布了SVG图像格式建议书，这就是SVG1.0规范。目前，该规范是被提议的推荐标准，到8月底将成为W3C的正式推荐标准。W3C对SVG的解释是：SVG是一种使用XML来描述二维图像的语言。它允许3种形式的图像对象存在，分别是矢量图形、点阵图像和文本。各种图像对象能够组合、变换，并且能修改其样式，也能够定义成预处理对象。文本是XML名字空间中的有效字符，这些字符能被作为SVG图像的关键字而存留在搜索引擎中。SVG的功能包括嵌套变换、路径剪裁、透明度处理、滤镜效果以及其他扩展，同时，SVG支持动画和交互，也支持完整的XML的DOM接口。任何一种SVG图像元素都能使用脚本来处理类似于鼠标单击、双击以及键盘输入等事件。因为同Web标准兼容的缘故，SVG还能够在同一个Web页面里凭着继承自XML的名字空间等特性来完成一系列交互操作。

回页首

SVG都有哪些优点

基于XML标准
　　XML是公认的下一代网络标记语言，拥有无穷的生命力。SVG在最开始设计的时候就基于XML，这使得它具有一种先天的优势，并且同HTML、CSS、DOM、XSL、JavaScript、CGI一样，成为新的标准。
高质量的图像
　　由于基于矢量，使得SVG图像的质量得到大大的提高。放大、缩小以及各种特效都比位图的表现要好，在打印的时候，完全可以以印刷质量输出图片。SVG图像在客户端动态绘制，用户可以随意调整图像的一些参数而不会导致图像模糊。SVG图像的大小只与图形的复杂程度有关，而与图形的具体尺寸无关。
灵活易用的文件格式
　　SVG主要由３个部分组成：矢量图形、位图和文字。由于SVG文件是以文本的形式（XML）存放的，更改起来是非常方便的。也就是说，可以不用任何图像处理工具，仅仅用记事本就可以生成一个SVG图像！在页面运行的过程中，我们也可以对很多部分做修改。而其中的图形描述又可以被任何人重复的使用。
支持交互和动画
　　SVG支持SMIL（synchronized multimedia integration language），使得用户可以自由的同SVG中的元素完成一些交互的动作，从而完成既定的目标，这一点在目前单独依靠图片是完成不了的，需要由网页中的Script语句来实现。
支持字符查找
　　查找"图片"中的字符，在SVG中成为可能。而这在其它格式的图片文件中则是不可思议的？！
支持Xlink 和Xpointer
这意味着我们可以在SVG文档之间制作超链接，这使我们拥有一种能力，可以制作一个完全由SVG构成的WEB站点！这个站点可以包含图片、文本以及拥有与用户进行交互的能力。Andrew Watt就制作了世界上第一个这样的全SVG站点( http://www.svgspider.com) .当然你首先得要安装一个SVG的阅读器，推荐使用Adobe公司的 Adobe SVG Viewer 2.0,但它只能用在MS Windows和MacOS上。使用一个合适的Java虚拟，Apache的 Batik viewer可以运行在任何平台上。

看到这么多优点，是不是觉得不可思议？好，下面我们从几个小例子着手，揭开SVG的神秘面纱。

回页首

SVG的几个简单例子

任何人可以利用一个记事本来创建和编辑SVG图像，但有时这样做会很复杂。现在有越来越多的工具开始支持SVG编码，可以减轻我们的工作。比如：从Adobe Illustrator 9.0和CorelDraw9开始就可以制作极度复杂的SVG图形。虽然SVG的语法和格式仍是XML规范的一部分，但SVG有其自己的一些基本概念、SVG的渲染模型、SVG数据类型与坐标系设置等，详细内容请参照参考资料。

一个最简单的例子：

例1 一个SVG的基本图形例子

SVG文档(通常以后缀.svg存放)总是以根元素开始。和标记内是SVG的图像描述语句。我们可以定义一个视口坐标系和用户坐标系，缺省的情况下两者是一致的，度量单位也相同，如果属性值没有带单位，则使用用户坐标系的长度单位-像素（px）。大多数情况下，用户坐标系的原点处在视口的左上角，X轴的正向朝右，Y轴的正向朝下，即如果不进行坐标变换，一切渲染都是以初始坐标系为准。例1中的SVG首先画了一个矩形，然后写了一段文字，接着利用路径元素画了一个三角形，最后显示效果如图1所示：

图1 在浏览器中显示例1的结果

SVG提供了一种通用的路径式元素（path），可以用来创建庞大复杂的图像对象，像电子设计、流程图、统计绘画等领域有大量固定的符号，SVG不可能全部囊括。SVG规范允许用户定义自己的符号，可以将自定义的符号创建、重用、发布而不需要其他额外的手段，更不需要一个什么委员会来批准注册，这种自由灵活的风格更加扩展了SVG的功能。

SVG提供的另一个很重要的功能是超级链接。在HTML网页中，图像和链接是分离的，图像作为外部文件而存在，链接则在HTML中说明，这样虽然有灵活和可重用的优点，却不易管理。而Flash的SWF矢量格式则相反，图像中内嵌链接，两者成为一个整体，虽然方便，但却不能重用。SVG则综合了两者的优点，其超级链接以明文的形式内嵌于文档内部，在形式上是一个整体，而且也有利于修改。由于SVG是基于XML的，象"xlink" 和 "xpointer"等都是XML特有的，所以SVG就自然而然获得了XML所定义的链接的好处和功能。

把例1稍做修改，对那个黑三角加上一个超级链接，如例2所示：

例2 超级链接的例子

												
														......



......

当鼠标指针移到黑三角上时就变成了手的形状，状态栏上也显示了此链接所指向的URL。例2只是一种常见的情况，实际上SVG中超级链接标志符的定义格式有3种：

通过SVG元素的"id"属性对元素进行链接与标识。如somfile.svg#someplace。
使用与XML兼容的"xpointer"。如somefile.svg#xpointer(id("someplace"))。
使用SVG的"viewBox"说明。

SVG作为一种适用于网络的图像格式，不仅仅在于它的体积小、易修改、可缩放等与普通矢量图形一样的优点，还在于它添加有针对网络的交互功能。SVG图像可以内嵌交互定义。单独的一个SVG文件和一个客户端的SVG解释器便可以完成网页中链接、动画、交互等大部分功能。与Flash的SWF格式基于"帧"的二进制数据流不同，SVG是完全基于ASCII字符的文本。例3是一个交互的例子。

例3 SVG利用