Geodatabase網(wǎng)絡(luò)模型的研究與應(yīng)用

摘要：為了合理地管理、存儲和顯示海量的空間數(shù)據(jù)，ESRI公司推出了第三代地理數(shù)據(jù)模型-Geodatabase模型，該模型是一種面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫技術(shù)。該文詳細(xì)地介紹了作為Geodatabase基本模型的網(wǎng)絡(luò)模型的概念、特點(diǎn)和分類，并以路網(wǎng)中的最短路徑和供水管網(wǎng)中的爆管分析為例，深入地分析了Geodatabase網(wǎng)絡(luò)模型在實際中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Geodatabase；幾何網(wǎng)絡(luò)模型；邏輯網(wǎng)絡(luò)模型；最短路徑；爆管分析

中圖分類號：TP208文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B文章編號：1009-3044(2011)04-0904-02

Research and Application on Network Model of Geodatabase

YU Bao-kun

(College of Electronic Information and Automation， Tianjin University of Science Technology， Tianjin 300222， China)

Abstract: In order to manage， store and show immense amount of data reasonably， ESRI Company introduced the third generation model of geographical data-Geodatabase. It is an object-oriented database system. This paper introduces conception， characteristics and classification of network model used as a basic model of Geodatabase in detail. And taking the shortest path in the road net as well as the analysis of pipe burst in the water supply network as the example， the research analyzes the network model of Geodatabase in the applications deeply.

Key words: Geodatabase; geometric network model; logical network model; shortest path; analysis of pipe burst

地理信息系統(tǒng)（GIS），是一種采集、存儲、管理、分析、顯示和應(yīng)用地理信息的計算機(jī)系統(tǒng)，是一種分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)。由于地理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方法難以滿足對地理數(shù)據(jù)的管理要求，因此，作為GIS基礎(chǔ)的空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)，得到了廣泛的使用，利用該技術(shù)可以對空間數(shù)據(jù)按地理坐標(biāo)或空間位置進(jìn)行各種處理，滿足人們的實際需求。網(wǎng)絡(luò)模型作為空間數(shù)據(jù)庫的基本模型，已在交通運(yùn)輸、城市管理、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，本文將詳細(xì)介紹網(wǎng)絡(luò)模型的基本含義，并給出其在實際中的應(yīng)用。

1 Geodatabase簡介

Geodatabase是一種現(xiàn)代的地理信息數(shù)據(jù)模型，是ESRI公司多年研發(fā)，并在先前數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)化而來的。Geodatabase按照一定的模型和規(guī)則組合地理要素集，提供對要素類及其拓?fù)潢P(guān)系、復(fù)合網(wǎng)絡(luò)、要素間關(guān)系以及其他面向?qū)ο笠氐闹С帧Ｋ且环N被所有ArcGIS產(chǎn)品及應(yīng)用程序所共享的通用框架。作為一種空間數(shù)據(jù)庫，Geodatabase支持在標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）中存儲和管理地理信息。Geodatabase支持多種空間數(shù)據(jù)模型，包括網(wǎng)絡(luò)模型、三維矢量模型、柵格結(jié)構(gòu)模型等。其中，網(wǎng)絡(luò)模型是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)，是現(xiàn)實世界與理論分析的橋梁。根據(jù)實際需求，常見的網(wǎng)絡(luò)分析包括路徑分析、連通分析、流分析等。

2 網(wǎng)絡(luò)模型概述

所謂網(wǎng)絡(luò)，是指線狀要素相互連接所形成的一個線狀模式，是真實世界中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抽象表示，如道路網(wǎng)、管線網(wǎng)、河流網(wǎng)等。網(wǎng)絡(luò)的組成很簡單，包括兩種基本的組成成分：線和交匯點(diǎn)。邊線可以是街道、管道、以及河段等。交匯點(diǎn)可以是街道交叉點(diǎn)、閥門、河段的匯合點(diǎn)等。網(wǎng)絡(luò)的作用就是將資源從網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)移動到另外一個節(jié)點(diǎn)。在資源移動的工程中，需要遵循一定的數(shù)學(xué)規(guī)則，以達(dá)到實際的需求。

Geodatabase定義了兩種網(wǎng)絡(luò)模型：幾何網(wǎng)絡(luò)模型和邏輯網(wǎng)絡(luò)模型。幾何網(wǎng)絡(luò)模型是組成線性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要素的集合，是從要素幾何的視角來看網(wǎng)絡(luò)模型。而邏輯網(wǎng)絡(luò)模型是由線元素和交匯點(diǎn)元素組成的網(wǎng)絡(luò)圖表。一個幾何網(wǎng)絡(luò)模型總是與一個邏輯網(wǎng)絡(luò)模型相聯(lián)系。這兩種網(wǎng)絡(luò)模型為存儲和分析線性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供了豐富的工具。

2.1 幾何網(wǎng)絡(luò)模型

幾何網(wǎng)絡(luò)模型是要素的集合，是由邊線和交匯點(diǎn)相連組成的系統(tǒng)。一條邊線有兩個交匯點(diǎn)，而一個交匯點(diǎn)可以與任何數(shù)量的邊線相連。描述邊線和交匯點(diǎn)的要素被稱為網(wǎng)絡(luò)要素，同一類型的網(wǎng)絡(luò)要素構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)要素類，幾何網(wǎng)絡(luò)模型中的拓?fù)潢P(guān)系正是由一個以上的網(wǎng)絡(luò)要素類按照一定的連接規(guī)則所構(gòu)成的。

2.2 邏輯網(wǎng)絡(luò)模型

與幾何網(wǎng)絡(luò)相似，邏輯網(wǎng)絡(luò)也是相連的邊線和交匯點(diǎn)的集合，主要的區(qū)別在于邏輯網(wǎng)絡(luò)沒有坐標(biāo)值。邏輯網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)是用特定的屬性表存儲網(wǎng)絡(luò)的連通性信息。邏輯網(wǎng)絡(luò)的核心就是連通屬性表，此表描述了網(wǎng)絡(luò)元素之間是如何相連的，如圖1所示。在圖1中表示了某運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的幾何網(wǎng)絡(luò)模型以及與其相對應(yīng)的邏輯網(wǎng)絡(luò)模型。在實際應(yīng)用中，與用戶直接接觸的就是幾何網(wǎng)絡(luò)，如圖1中所示的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，而邏輯網(wǎng)絡(luò)只是與幾何網(wǎng)絡(luò)相對的連通表，以及節(jié)點(diǎn)元素表和邊元素表。

3 網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用

3.1 在交通領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化、現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，道路網(wǎng)日益復(fù)雜，如何找到從起點(diǎn)到目的地的最佳路徑，成為駕駛員最為關(guān)注的問題，本小節(jié)將簡要介紹最佳路徑的選取方法。

根據(jù)道路網(wǎng)的特點(diǎn)，選取道路網(wǎng)中的道路交叉路口作為分析對象，并對道路以交叉路口為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分割，成為路段。這樣，可將道路網(wǎng)抽象成基本的網(wǎng)絡(luò)模型，該模型由交叉路口點(diǎn)和路段組成，其中交叉路口為網(wǎng)絡(luò)模型中的交匯點(diǎn)元素，路段為網(wǎng)絡(luò)模型中的線元素。將路段的長度作為線元素的權(quán)重，用來表明經(jīng)過該路段所需要的代價，并與邏輯網(wǎng)絡(luò)一起存儲。

通常情況下，最佳路徑是指從起點(diǎn)到目的地的最短距離，即最短路徑。Dijkstra算法是求解帶權(quán)網(wǎng)絡(luò)最短路徑的常用算法，該算法的基本思想是將道路網(wǎng)中的交叉路口分為兩組集合S和U，并按最短路徑長度的遞增次序依次把集合U中的交叉路口加入到S中，在加入的過程中，總保持從出發(fā)點(diǎn)v到S中交叉路口的最短路徑長度不大于從出發(fā)點(diǎn)v到U中任何交叉路口的最短路徑長度，直至找到從出發(fā)點(diǎn)到目的地的最短路徑。

3.2 在供水網(wǎng)中的應(yīng)用

城市管網(wǎng)爆管事故極為普遍，傳統(tǒng)的手工管理方式已不能滿足爆管事故處理的要求，如何及時準(zhǔn)確地找到需要關(guān)閉的閥門成為地理信息系統(tǒng)中重要的一項網(wǎng)絡(luò)功能。本小節(jié)將以供水網(wǎng)為例，詳細(xì)介紹網(wǎng)絡(luò)模型在爆管分析中的應(yīng)用。

城市供水管線的布置有兩種基本形式：環(huán)狀管網(wǎng)和樹狀管網(wǎng)。從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來看，管線可看作由結(jié)點(diǎn)和線構(gòu)成，由于面就管線本身而言相對較少，基本不存在線與面的關(guān)系，只包含線與結(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系，且一旦建成，管線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化相對來說較小。

根據(jù)供水網(wǎng)的這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將供水管網(wǎng)定義為幾何上的“網(wǎng)”，供水管線可以定義為網(wǎng)絡(luò)的“線”，連通交點(diǎn)、用戶節(jié)點(diǎn)、閥門、消防栓等可以定義為網(wǎng)絡(luò)的“交匯點(diǎn)”。這樣就把現(xiàn)實世界中的客觀對象抽象成GIS中的網(wǎng)絡(luò)、線、交匯點(diǎn)之間的關(guān)系。

為了便于爆管分析以及與物理上管線的概念有所區(qū)別，在邏輯網(wǎng)絡(luò)模型上引入“管段”這一概念。在同一個管段中水流方向和連通性不會改變，而供水管網(wǎng)在邏輯網(wǎng)絡(luò)模型上就可以看成是由成千上萬條管段連接而成的，管段的端點(diǎn)對應(yīng)的實物可以是水源、閥門、連通交點(diǎn)、盲板或者用戶節(jié)點(diǎn)，因為水流經(jīng)過這些點(diǎn)要素后，其方向或連通性可能會發(fā)生改變。一般情況下，通過消防栓、排泥井等結(jié)點(diǎn)的管線在水流方向和連通性上不會發(fā)生變化，在邏輯網(wǎng)絡(luò)模型中，可忽略這些結(jié)點(diǎn)，以便提高爆管分析的效率。

根據(jù)邏輯網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)描述方案，我們就可以建立邏輯網(wǎng)絡(luò)模型。主要是要把物理上的管線轉(zhuǎn)換為邏輯上的管段，建立對管段的描述，由于管段只是邏輯上的概念，是為了爆管分析的需要而虛擬出來的，所以它只存在于邏輯網(wǎng)絡(luò)模型的描述表中。同時，還需要忽略消防栓等結(jié)點(diǎn)，以簡化對該模型的描述。圖2中的虛擬供水管網(wǎng)圖看用來表示邏輯網(wǎng)絡(luò)模型的基本結(jié)構(gòu)。邏輯網(wǎng)絡(luò)模型的描述表主要由兩個表所構(gòu)成。一個是描述管線與管段的關(guān)系，另一個文件就是記錄管段起始點(diǎn)和終點(diǎn)的編號。

一般來說，網(wǎng)絡(luò)在數(shù)學(xué)和計算機(jī)領(lǐng)域中是被抽象為圖這個概念的，所以其基礎(chǔ)是圖的存儲表示。圖論知識與管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖之間有著一種很自然的聯(lián)系，因而圖論是分析供水管網(wǎng)模型的一種有力的工具。為了便于爆管分析，需將邏輯網(wǎng)絡(luò)模型的拓?fù)潢P(guān)系抽象成無向圖，從而生成管網(wǎng)中參與進(jìn)行爆管分析的所有點(diǎn)狀要素之間的拓?fù)溧徑雨P(guān)系。因此，可將供水管網(wǎng)記為G=(V，E)，其中V為管網(wǎng)中的參與進(jìn)行爆管分析的所有點(diǎn)狀要素，稱為頂點(diǎn)集，如連通交點(diǎn)、閥門、水源等，E為管網(wǎng)中的所有管段，稱為邊集。

當(dāng)供水管網(wǎng)中的某一管線發(fā)生爆管時，首先要定位發(fā)生故障的點(diǎn)屬于邏輯網(wǎng)絡(luò)模型中的哪條管段，并根據(jù)供水管網(wǎng)的邏輯網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)潢P(guān)系，利用圖的廣度優(yōu)先搜索方法尋找需要關(guān)閉的閥門，下面以圖2中的虛擬供水管網(wǎng)為例，詳細(xì)介紹搜索閥門的過程。

1）若發(fā)生事故管段的 2個端點(diǎn)都是閥門，則直接關(guān)閉這2個閥門即可。在虛擬供水網(wǎng)中，若不考慮閥門本身故障，假設(shè)事故發(fā)生在①處，則應(yīng)關(guān)閉閥門 VE7和 VE8。

2）若事故點(diǎn)所在管段上，一側(cè)端點(diǎn)是閥門，一側(cè)不是閥門，則一側(cè)的閥門是應(yīng)該關(guān)閉，而另一側(cè)則應(yīng)作為起點(diǎn)進(jìn)行上述的圖的廣度搜索，圖 2中，若不考慮閥門本身故障，假設(shè)事故發(fā)生在②處，則應(yīng)關(guān)閉閥門 VE2、VE1、VE3。

3）若事故點(diǎn)所在管段上，兩側(cè)都不是閥門，則分別以該管段兩端的結(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)，對事故點(diǎn)兩側(cè)均進(jìn)行的搜索。如圖2，若不考慮閥門本身故障，假設(shè)事故發(fā)生在③處，則應(yīng)關(guān)閉閥門 VE4、VE6、VE8、VE10。

4 結(jié)束語

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展、空間技術(shù)的日新月異及計算機(jī)圖形學(xué)理論的日漸完善，GIS技術(shù)也日趨成熟，并且逐漸被人們所認(rèn)識和接受。Geodatabase網(wǎng)絡(luò)模型作為GIS技術(shù)的一種基本模型，將現(xiàn)實世界中的道路、管道、傳輸線路、十字路口、基站等抽象成網(wǎng)絡(luò)中的線元素和點(diǎn)元素，使得復(fù)雜的系統(tǒng)能夠更直觀地展現(xiàn)在人們的面前。基于Geodatabase網(wǎng)絡(luò)模型的系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用到交通、軍事、通信、地下管線管理等多個領(lǐng)域，極大地滿足了人們在生產(chǎn)和生活中的需求。

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