第03章空間數(shù)據(jù)管理技術

第3章空間數(shù)據(jù)管理技術1主要內(nèi)容空間數(shù)據(jù)管理概述地理信息系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)移動通信定位系統(tǒng)移動商務中物流定位的架構2國際上對地球空間技術的新認識

2004年1月“NATURE”刊登了弗吉尼亞?杰文（VirginiaGewin）的文章指出：美國勞動部從經(jīng)濟社會發(fā)展和就業(yè)的角度出發(fā)，在今年早些時候提出，地學技術（Geotechnology）（確切地說是地球空間技術-GeospatialTechnology）與納米技術和生物技術一起成為當今最為重要的新興和最具發(fā)展前景的三大技術領域?！狽ATURE|VOL427|22JANUARY2004，376-377“Earlierthisyear,theUSDepartmentofLaboridentifiedgeotechnologyasoneofthethreemostimportantemergingandevolvingfields,alongwithnanotechnologyandbiotechnology”.

33.1 空間數(shù)據(jù)管理概述

空間信息是有關空間實體的性質(zhì)、特征和運動狀態(tài)的表征進行描述的數(shù)據(jù)，它是對表達空間特征與空間現(xiàn)象之間關系的空間數(shù)據(jù)的解釋?？臻g位置、屬性及時間是地理空間分析的三大基本要素，如圖3-1所示。41.空間數(shù)據(jù)處理

空間系統(tǒng)中的實體（對象）一般包括三種基本信息：語義信息、度量信息和關系結構信息，如表3-1所示。類型特征語義信息語義信息表明實體的類型度量信息度量信息用于描述實體的形狀和位置等幾何屬性關系結構

描述地理實體之間所有的地理關系，包括空間關系、分類關系、隸屬關系等基本關系的描述，也包括對關系結構信息用于描述一個實體與其它實體的聯(lián)系表3-1空間實體類型5空間數(shù)據(jù)的編碼

關系結構描述地理實體之間所有的地理關系，包括空間關系、分類關系、隸屬關系等基本關系的描述，也包括對關系結構信息用于描述一個實體與其它實體的聯(lián)系空間數(shù)據(jù)的編碼則主要是指語義信息的數(shù)據(jù)化，它是建立在地理特征的分類及其等級組織基礎之上的空間信息數(shù)據(jù)編碼?？臻g數(shù)據(jù)的編碼用于表明實體元素在數(shù)據(jù)分類分級中的層次關系和屬性性質(zhì)。6空間數(shù)據(jù)的描述

空間數(shù)據(jù)描述就是對空間分析的3個基本要素（有關空間位置、空間屬性特征以及時間信息）的符號記錄。描述質(zhì)量則是空間數(shù)據(jù)在表達這三個基本要素時，所能夠達到的準確性、一致性、完整性，以及它們?nèi)咧g統(tǒng)一性的程度。7表3－2空間數(shù)據(jù)描述質(zhì)量有關指標類型指標數(shù)據(jù)情況說明地理數(shù)據(jù)的來源、數(shù)據(jù)內(nèi)容及其處理過程等作出準確、全面和詳盡的說明位置精度或稱定位精度空間實體的坐標數(shù)據(jù)與實體真實位置的接近程度，常表現(xiàn)為空間三維坐標數(shù)據(jù)精度。它包括數(shù)據(jù)基礎精度、平面精度、高程精度、接邊精度、形狀再現(xiàn)精度（形狀保真度）、象元定位精度（圖像分辨率）等。屬性精度指空間實體的屬性與其真值相符的程度。通常取決于地理數(shù)據(jù)的類型，且常常與位置精度有關，包括要素分類與代碼的正確性、要素屬性值的準確性及其名稱的正確性等時間精度可以通過數(shù)據(jù)更新的時間和頻度來表現(xiàn)邏輯一致性指地理數(shù)據(jù)關系上的可靠性，包括數(shù)據(jù)結構、數(shù)據(jù)內(nèi)容（包括空間特征、專題特征和時間特征），以及拓撲性質(zhì)上的內(nèi)在一致性。數(shù)據(jù)完整性指地理數(shù)據(jù)在范圍、內(nèi)容及結構等方面滿足所有要求的完整程度，包括數(shù)據(jù)范圍、空間實體類型、空間關系分類、屬性特征分類等方面的完整性表達形式的合理性指數(shù)據(jù)抽象、數(shù)據(jù)表達與真實地理世界吻合性，包括空間特征、專題特征和時間特征表達的合理性等8空間信息的特征

空間信息除了具有信息的一般特性，如共享性、客觀性等外，還具有以下獨特特性：

(1)空間定位

(2)數(shù)據(jù)量大

(3)信息載體的多樣性92.空間信息系統(tǒng)

信息系統(tǒng)按照是否含空間信息分為非空間信息系統(tǒng)（一般指管理信息系統(tǒng)）和空間信息系統(tǒng)，如圖3-2所示?？臻g信息系統(tǒng)分為非GIS（一般CAD/CAM）和GIS。柵格1011空間信息系統(tǒng)特征

與一般的管理信息系統(tǒng)相比，空間信息系統(tǒng)具有以下特征：（1）空間信息系統(tǒng)使用了空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)，并通過DBMS將兩者聯(lián)系在一起共同管理、分析和應用；而MIS只有非空間數(shù)據(jù)庫的管理，即使存貯了圖形，也往往以文件形式等機械形式存貯，不能進行有關空間數(shù)據(jù)的操作，如空間查詢、檢索、相鄰分析等，不能進行復雜的空間分析。（2）通過利用空間解析式模型來分析空間數(shù)據(jù)，空間信息系統(tǒng)的成功應用依賴于空間分析模型的研究與設計。12空間信息系統(tǒng)的基本功能下面主要描述基本功能：13空間信息系統(tǒng)在物流中的應用

物流企業(yè)通過無線通信、GIS/GPS能夠精確地獲取運輸車輛的信息，再通過Internet讓企業(yè)內(nèi)部和客戶訪問，從而把整個企業(yè)的操作業(yè)務變得透明，為協(xié)同商務打下基礎。143.2地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem，GIS）是管理和研究空間數(shù)據(jù)的由計算機系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)和用戶組成的人機信息系統(tǒng)。它可以對空間數(shù)據(jù)按地理坐標或空間位置進行各種處理、對數(shù)據(jù)的有效管理、研究各種空間實體及相互關系。15WhatIsaGIS?Computersystemforcapturingstoringqueryinganalyzingdisplayinggeographicallyreferenceddata.位置、條件、趨勢、模式、模擬16GIS-RelatedDisciplines與GIS相關的領域16

GISGeography地理學Cartography

制圖學RemoteSensing遙感Photogrammetry/Surveying攝影測量/測量Mathematics/Statistics數(shù)學/統(tǒng)計學DatabaseManagement數(shù)據(jù)庫管理ComputerScience計算機科學171.GIS概述——GIS的基本處理模式GIS是有關空間數(shù)據(jù)管理和空間信息分析的計算機系統(tǒng)，如圖3-5所示說明地理信息系統(tǒng)的基本處理模式。圖3-5地理信息系統(tǒng)的基本處理模式18

地理信息系統(tǒng)特征

地理信息系統(tǒng)具有以下三個方面的特征：（1）具有采集、管理、分析和輸出多種地理空間信息的能力，具有空間性和動態(tài)性；（2）以地理研究和地理決策為目的，以地理模型方法為手段，具有區(qū)域空間分析、多要素綜合分析和動態(tài)預測能力，產(chǎn)生高層次的地理信息；（3）由計算機系統(tǒng)支持進行空間地理數(shù)據(jù)管理，并由計算機程序模擬常規(guī)的或?qū)ｉT的地理分析方法，作用于空間數(shù)據(jù)，產(chǎn)生有用信息，完成人類難以完成的任務。19GIS應包括三個基本部分：計算機系統(tǒng)（硬件、軟件）、地理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、應用人員與組織機構。（1）計算機系統(tǒng)可分為硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和GIS的開發(fā)工具和硬件/網(wǎng)絡平臺的選擇標準。（2）地理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫和地理數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)組成。地理DBMS主要用于數(shù)據(jù)維護、操作和查詢檢索。（3）GIS的人員配置有系統(tǒng)項目經(jīng)理/技術組、數(shù)據(jù)庫經(jīng)理、數(shù)字化操作員、系統(tǒng)操作員、應用分析軟件經(jīng)理和程序編寫員。GIS的組成202.GIS的運行機理

在GIS中，對空間實體的數(shù)據(jù)描述分為空間特征和屬性特征，屬性特征是對于空間特征的描述，屬性值包括數(shù)字值和非數(shù)值兩種，例如描述道路實體的屬性特征包括：道路類型：1表示高速公路，2表示主干道，3表示居民街道，5表示其他；路面物質(zhì)構成：1表示水泥，2表示柏油，3表示碎石。21GIS的地理信息構成和信息結構

地理信息是對地理實體特征的描述，地理實體特征分類表，如表3－3所示：類型特征空間特征描述地理實體空間位置、空間分布及空間相對位置關系屬性特征描述地理實體的物理屬性和地理意義關系特征

描述地理實體之間所有的地理關系，包括空間關系、分類關系、隸屬關系等基本關系的描述，也包括對由基本地理關系所構成的復雜地理關系的描述動態(tài)特征描述地理實體的動態(tài)變化特征。地理信息對這些特征的描述，是以一定信息結構為基礎的。22GIS信息共享（1）空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（2）GIS互操作及其層次（3）GIS互操作的層次（4）基于公共接口的GIS互操作233.GIS的應用GPS在物流領域的應用可以實時監(jiān)控車輛等移動目標的位置，根據(jù)道路交通狀況向移動目標發(fā)出實時調(diào)度指令。GIS、GPS和無線通信技術的有效結合，再輔以車輛路線模型、最短路徑模型、網(wǎng)絡物流模型、分配集合模型和設施定位模型等，能夠建立功能強大的物流信息系統(tǒng)，使物流變得實時并且成本最優(yōu)。圖3-6物流系統(tǒng)道路網(wǎng)絡圖24GISApplications一開始，主要在自然資源管理領域：土地利用規(guī)劃、自然災害評估、野生生物棲息地分析、河濱帶監(jiān)控和木材管理等。近年來,GIS已被用于犯罪分析、編制救急計劃、地籍管理、市場分析和交通應用。GIS與全球定位系統(tǒng)（GPS）、無線技術和互聯(lián)網(wǎng)的結合已導致新的可喜的應用。25城市規(guī)劃管理.hk數(shù)字化基礎地形數(shù)據(jù)的采集、建庫及管理；規(guī)劃、用地、選址、市政管理、管線等專題數(shù)據(jù)的建庫及管理；規(guī)劃方案設計輔助決策；規(guī)劃用地管理及劃撥；規(guī)劃選址分析；市政道路規(guī)劃與管理；市政管線規(guī)劃與管理；建筑規(guī)劃管理；城市設計輔助方案；25

26數(shù)字城市概念模型城市實體城市信息虛擬城市27eCitySoftware/Paris/Hotels28香港運輸署TISSystem.hk28

293031SARSWebSite31

豬流感？/z/zhuliugan/wmap/index.html/internet/h1n1_on_google_map.html3233TheNationalInstituteofJusticecrimemapping入室行竊熱點分布兇殺案分布3434

精準農(nóng)業(yè)車載導航3535

精準農(nóng)業(yè)農(nóng)田作業(yè)系統(tǒng)收割機

土壤采樣車

翻耕機

噴藥機

施肥機

播種機

噴藥機

衛(wèi)星

GPS

衛(wèi)星

衛(wèi)星

GPS

GPS

GPS

GPS

GPS

作物生長信息

3636

沒有受到影響的

須要清理

已受破壞但還穩(wěn)定的

受較大的破壞

已受破壞的

有倒塌危險地圖制作

紐約(911)

37廣泛的GIS應用37

電力電訊運輸及

物流管理土地管理石油,

燃氣及管道林業(yè)環(huán)保商務及行銷水及廢物處理地圖繪制38GIS概述地理信息系統(tǒng)作用 采集、貯存、管理、處理、分析和描述整個或部分地球表面（包括大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布有關的空間信息。例如：房地產(chǎn)經(jīng)紀人想用GIS在一定的區(qū)域內(nèi)尋找滿足下列條件的所有房屋：瓦蓋的屋頂、五個房間，并可列出它們的所有特點。392.7.2GIS概述GIS系統(tǒng)的應用車輛路線模型解決一個起始點、多個終點的貨物運輸中，如何降低物流作業(yè)費用，保證服務質(zhì)量的問題。402.7.2GIS概述GIS系統(tǒng)的應用網(wǎng)絡物流模型解決尋求最有效的分配貨物路徑問題。如將貨物從N個倉庫運往到M個商店時，需確定由哪個倉庫提貨送給哪個商店，使總運輸代價最小。412.7.2GIS概述GIS系統(tǒng)的應用分配集合模型可以根據(jù)各個要素的相似點把同一層上的所有或部分要素分為幾個組，用以解決確定服務范圍和銷售市場范圍等問題。422.7.2GIS概述GIS系統(tǒng)的應用設施定位模型用于確定一個或多個設施位置。在物流系統(tǒng)中，倉庫和運輸線共同組成了物流網(wǎng)絡，倉庫處于網(wǎng)絡的節(jié)點上，節(jié)點決定著線路。432.7.2GIS概述GIS系統(tǒng)的應用空間查詢模型如可以查詢以某一網(wǎng)點為圓心某半徑內(nèi)配送點的數(shù)目，以此判斷哪一個配送中心距離最近，為安排配送作準備。44454647TrasnCaddemo最短路徑：Shortestpath212多最短路徑：M_path218：FLORIDA.netTSP262網(wǎng)絡分割：net_part.map267網(wǎng)絡影響帶：net_part.map271尋找最短路徑：transit.map155運輸od矩陣173483.3全球定位系統(tǒng)

全球定位系統(tǒng)（GPS：GlobalPositioningSystem）是利用衛(wèi)星星座（通信衛(wèi)星）、地面控制部分和信號接收機對對象進行動態(tài)定位的系統(tǒng)。

GPS能對靜態(tài)、動態(tài)對象進行動態(tài)空間信息的獲取，快速、精度均勻、不受天氣和時間的限制反饋空間信息。491.全球定位系統(tǒng)的基本原理GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分—GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設備部分—GPS信號接收機。50ControlSegment51GPS接收機的分類可按不同得維度有多種分類方法，如表3-4所示：維度類別按接收機的用途分導航型接收機、測地型接收機和授時型接收機按接收機的載波頻率分類單頻接收機和雙頻接收機按接收機通道數(shù)分類多能道接收機、序貫通道接收機、多路多用通道接收機按接收機工作原理分類碼相關型接收機、平方型接收機、混合型接收機和干涉型接收機表3-4GPS的接收機按不同維度分類表52GPSSatelliteSolarpowered,backupbatteries53GPSUsers54HowdoesGPSwork552.全球定位系統(tǒng)的應用

移動數(shù)據(jù)庫技術配合GPS技術，可以用于智能交通管理、大宗貨物運輸管理。安裝在車輛上的GPS定位儀可以實時獲取車輛的位置信息，包括經(jīng)緯度、速度、方向等。通過車輛無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，將車輛的定位信息以短消息方式傳送到指揮監(jiān)控中心，并顯示在電子地圖上。在運輸方面，利用移動計算機與GPS/GIS車輛信息系統(tǒng)相連，使得整個運輸車隊的運行受到中央調(diào)度系統(tǒng)的控制。563.GIS系統(tǒng)方案的選擇選擇原則：1）GPS系統(tǒng)階段發(fā)展相適應2）成本效益原則3）性能與服務水平適度原則 4）功能完善原則57要實施有效的供應鏈管理首先必須改善供應鏈的業(yè)務流程，然后再以較低的成本使這些流程自動化，以進一步降低供應鏈的成本，縮短供應鏈的時間。具體地講，需要將條碼、EDI、EOS、GPS、GIS、RF等技術集成起來，在供應鏈上建立一個高效的供應鏈集成系統(tǒng)，以確保產(chǎn)品能不間斷的由供應商流向最終用戶。與此同時，信息流能在開放的供應鏈中循環(huán)流動。這樣才能真正滿足客戶對產(chǎn)品和信息的需求，即給客戶提供最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和適時準確的信息。58基于GSM網(wǎng)絡的GPS監(jiān)控調(diào)度管理系統(tǒng)---BLD-2003系統(tǒng)構成

智能移動終端智能移動終端設備包括：控制單元（CPU）、顯示單元（可選）、GPS接收模塊、GPS天線、GSM通信卡（或其他通信模塊）、防盜報警器（可選）。無線數(shù)據(jù)鏈路無線數(shù)據(jù)傳輸設備作為基站與各移動目標進行信息交換的樞紐，是整個車調(diào)中的重要組成部分，其可選擇方案包括以下幾種：-公網(wǎng)設備：GSM、CDMA、CDPD（無線數(shù)據(jù)公網(wǎng)）

-集群通信：如公安上用的350M、800M集群系統(tǒng)

-常規(guī)電臺：采用專用信道和無線MODEM監(jiān)控中心監(jiān)控中心的設備組成包括：數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控終端/GIS終端、業(yè)務處理終端、前端接入設備等。數(shù)據(jù)庫是采用ORACLE數(shù)據(jù)庫，存儲車輛基本信息、用戶信息、日志等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫管理：提供車載終端信息管理、用戶管理、工作站日志管理、車輛軌跡信息管理、計費管理等功能，為系統(tǒng)正常運行提供保障。工作人員可通過監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控所有入網(wǎng)移動目標的運動。其關鍵是相應業(yè)務內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫建設、電子地圖、以及和業(yè)務內(nèi)容密切相關的應用軟件-MIS，以實現(xiàn)主要功能。59系統(tǒng)組成示意圖

60系統(tǒng)功能

1、顯示功能2、定位跟蹤功能3、調(diào)度監(jiān)控功能4、防盜報警功能5、防范搶劫功能6、救助、維護和信息等服務功能7、存檔查詢功能8、越界報警61系統(tǒng)功能

9、盲區(qū)補償功能10、超速報警11、GIS地理信息支持12、交通事故報警13、軌跡存儲和回放功能14、打印功能15、查詢車輛信息16、日志管理車輛調(diào)度系統(tǒng)的應用公交車監(jiān)控和調(diào)度系統(tǒng)出租車監(jiān)控和調(diào)度系統(tǒng)運鈔車監(jiān)控系統(tǒng)長途運輸車監(jiān)控系統(tǒng)62633.4移動通信定位系統(tǒng)

移動定位系統(tǒng)（locationbasedsystem，LBS）是利用移動通信網(wǎng)絡提供給用戶定位功能的服務。無線定位技術融入移動互連網(wǎng)領域，實現(xiàn)更加方便和智能化的通信服務。移動通信網(wǎng)絡基本發(fā)展：第一代移動通信（1G）第二代移動通信系統(tǒng)（2G）第三代移動通信系統(tǒng)（3G）641.手機定位系統(tǒng)

手機定位是指通過無線終端（手機）和無線網(wǎng)絡的配合，確定移動用戶的實際位置信息（經(jīng)緯度坐標數(shù)據(jù)，包括三維數(shù)據(jù)），通過短消息服務（shortmessageservice，SMS）、多媒體消息（mineralsmanagementservice，MMS）、語音發(fā)給用戶或以此為基礎提供某種增值服務。

65手機定位類型

根據(jù)定位方法和定位過程的不同，手機定位主要有以下幾種類型：（1）起源蜂窩定位（2）到達時間定位（3）到達角度定位（4）到達時間差定位66手機定位基本原理

手機定位是利用GSM移動通信網(wǎng)的蜂窩技術來實現(xiàn)位置信息的查詢，GSM無線通信網(wǎng)是由許多像蜜蜂蜂窩一樣的小區(qū)構建而成的，每個小區(qū)都有自己的編號，通過手機所在小區(qū)的識別號就可以知道手機所在區(qū)域。圖3－8手機定位示意圖67手機定位技術GSM手機定位方式通?？煞譃榛诰W(wǎng)絡方式和基于終端方式兩種。從技術上可分為到達時間（timeofarrival，TOA）、增強測量時間差（E－OTD）和GPS輔助（A－GPS）3種方式。

1）到達時間定位技術

2）增強測量時間差定位技術手機定位服務的市場情況手機位置定位服務場所顯示路線導航服務特殊定位服務6869手機定位系統(tǒng)的應用（1）手機定位系統(tǒng)在物流中的應用:個性化的監(jiān)控和查詢功能報警和求助功能與智能運輸系統(tǒng)結合的調(diào)度和管理

（2）手機定位系統(tǒng)在其他領域的應用:信息查詢個人定位服務增強移動網(wǎng)絡性能

702.小靈通定位系統(tǒng)

小靈通無線市話是一種新型的個人無線接入系統(tǒng)，它采用先進的微蜂窩技術和高質(zhì)量語音數(shù)字化技術，將用戶終端以無線接入方式接入市話網(wǎng)，使傳統(tǒng)意義上的有線市話能在無線網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)隨身攜帶使用，隨時隨地進行通信。

圖3－10LSC的定位計算流程圖

71小靈通的概念

無線市話（personalaccessphonesystem，PAS）又名小靈通，是一種新型的個人無線接入系統(tǒng)，它采用先進的微蜂窩技術，以無線方式接入固定電話網(wǎng)，使電話在無線網(wǎng)絡覆蓋的范圍內(nèi)可隨身攜帶使用，隨時隨地接聽、拔打市內(nèi)、本地網(wǎng)和國內(nèi)、國際電話，也可方便地拔打?qū)ず艉鸵苿与娫?，是固定電話網(wǎng)的延伸和補充。72小靈通的工作方式

“小靈通”手機通過空中無線信號首先與城市中蜂窩狀星羅棋布的基站取得聯(lián)系，再通過基站與電信的業(yè)務平臺溝通。通過朗訊業(yè)務平臺與其他通信網(wǎng)絡的聯(lián)接，