论文总字数：15984字

摘 要

自然资源数据的标准与规范方面仍然存在很多问题，坐标系统不统一，分类标准不一致等问题严重阻碍了自然空间数据的分析与融合。需要我们将现有的各类自然资源空间数据通过一系列的流程整合到一起，如土地，测量，地质，林业，草地和水资源，建立统一的自然资源大数据系统，并初步形成自然资源的“一幅图”。进行包括当前状态数据，计划和控制数据，管理数据和社会经济数据在内的自然资源数据分析，并根据标准规范对自然资源空间数据进行分析与融合关键技术研究；设计与构建自然资源一体化数据模型，建立数据库，制定分类标准与规范，进行数据集成是当前的发展方向。本篇论文将结合自然资源数据现存最新的规范要求，开展测绘，土地，规划等数据的分析处理与融合，针对不同数据特点开展数据融合关键技术研究。

关键字：自然资源 数据分析 数据融合

Research on Key Technologies of Spatial Data Fusion and Analysis of Natural Resources

Abstract

The classification standards, time-space benchmarks, and management standards of natural resource data are not uniform, which limits the integration, unified management, and analysis of natural resource data. Therefore, it is urgent for us to establish a series of unified natural resource data standards and specifications.Integrate existing natural resource data such as land, surveying, geology, forestry, grass and water resources, build a unified natural resource big data system, and initially form a “one picture” of natural resources.Carry out natural resource data analysis covering current status data, planning and control data, management data, and socio-economic data, and integrate data according to standard specifications; build and design an integrated natural resource data model, and develop application support service systems Business requirements such as natural resource supervision and decision-making, natural resource investigation, monitoring and evaluation, and natural resource government services are the current development direction .This article combines the data requirements of natural resources, carries out analysis and processing of data such as surveying and mapping, land, planning, and fusion, and conducts key technology research on data fusion for different data characteristics.

Key Words:Natural resources;Data analysis;Data Fusion

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究状况及发展趋势 1

1.2.1目前国外的研究状况 1

1.2.2目前国内的研究状况 2

1.2.3普遍存在的问题 3

1.2.4发展趋势 3

1.3论文研究目标及内容 4

1.3.1研究目标 4

1.3.2研究内容 4

第二章 自然资源“一张图”及数据规范 6

2.1自然资源“一张图”理念 6

2.1.1数据融合概念 6

2.2 本研究采用的数据标准参考 8

2.2.1 国家标准 8

2.2.2 行业标准 10

第三章 空间数据库管理模式及模型分析 12

3.1什么是空间数据 12

3.2空间数据库概述 13

3.2.1空间数据库的定义 13

3.2.2空间数据库管理模式 13

3.3空间数据模型的概念 18

3.3.1常用的空间数据结构 19

3.4面向对象的空间数据模型 22

3.4.1Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ空间数据模型 22

3.4.2ＧｅｏＤａｔａｂａｓｅ的体系结构 24

第四章 数据转换与入库 26

4.1数据转换 26

4.1.1数据格式的转换 26

4.1.2坐标转换 26

4.2矢量数据与影像数据入库方案设计概述 27

4.2.1矢量数据入库方案设计 27

4.3.2影像数据入库方案 27

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

地理信息系统之前都是一个项目对应于一个系统或软件，不同的项目使用不同的地理信息系统，研究另外区域的数据又要建立另外的地理信息系统，增加了许多重复的步骤。目前，科技飞速发展，使得地理信息系统方面的技术水平也越来越先进，已成为政府部门和企业进行管理的一个工具, 这就要求一个GIS系统可以面向多个用户，可以实现各种自然资源的共享使用。但是，一个行业或者政府部门所用的软件可能不尽相同, 此时自然资源空间数据共享则成为一个非常严峻的问题。因此，我们要研究出一个软件，使得用户在这个平台可以同时打开并处理多种不同种类的自然资源数据。大多数国家都已经制定了符合本国现状的空间数据标准；如美国的STDS等^[1]。并在实际应用中遵循此规范。

自然资源数据的标准与规范方面仍然存在很多问题，坐标系统不统一，分类标准不一致等问题严重阻碍了自然空间数据的分析与融合。因此，我将就这一关键问题展开研究，将现有的各类自然资源空间数据通过一系列的流程整合到一起，如土地，测量，地质，林业，草地和水资源，建立统一的自然资源大数据系统，并初步形成自然资源的“一幅图”。进行包括当前状态数据，计划和控制数据，管理数据和社会经济数据在内的自然资源数据分析，并按照标准规范对数据进行整合；设计与构建自然资源一体化数据模型，建立数据库，制定分类标准与规范，进行数据集成是当前的发展方向。

1.2国内外研究状况及发展趋势

1.2.1目前国外的研究状况

国外对于空间数据分析与融合的研究起步较早，最先研究的是地图合并，之后对于矢量数据的融合开展了深入的研究。Cobb等讨论了美国矢量数据标准格式文件之间的合并技术^[2]；Walter和Fritsch研究了欧洲地理数据文件GDF和德国地形图空间数据库的合并技术，侧重讨论了两类图中道路实体的匹配问题^[3]；FiLin和Doytsher研究了线状地形要素的合并技术^[4]。

在1980年代，空间数据管理应用程序的技术开始走向成熟阶段。 1980年代GIS的发展也经历了巨大飞跃，很大程度上是由于引进个人计算机所促进的，如IBM PC机和微软视窗的图形用户界面。空间管理应用程序的应用领域随着GIS 的发展不断地扩展。

在1990年代后空间数据管理进入了全面发展时期，一方面，空间数据对于政府决策部门日益重要，这些部门需要共享空间数据以便更好地进行决策分析，制定更加合理的实施方案。另一方面，社会对空间数据管理的认识总体上得到了提高，需求也大大增加，这导致空间数据应用的扩展和深化。

迄今为止， 美国，西班牙，希腊和其他国家进行了广泛的土壤调查。 结合农学大学课程，它指导学生如何使用空间数据管理和数字土壤调查作为土地使用决策的工具。ＴｅｄＫＢｒａｄｓｈａｗ等在２０１０年，将土地利用模型与空间数据结合起来，可以预测美国中部加利福尼亚州农村地区2020年转换为城市土地的农村土地面积以及与此相关的农村人口增长。

1.2.2目前国内的研究状况

我国对空间数据融合和集成方面的研究起步虽然相对于国外来说晚一点，但是目前为止也已经发展的比较成熟，并且还在不断地快速发展。宋关福等人阐述了多源空间数据无缝集成（ＳＩＭＳ）技术体系结构^[5]，实现了在GIS系统中存取不同数据格式的能力。２００１年，史军等提出运用ＡＲＣ／ＩＮＦＯ地理信息系统进行数据格式转换，使得C A D软件上的d w g等格式的数据可以转换到地理信息系统上来显示。２００２年，马照亭等提出了基于通用空间数据引擎（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｐａｔｉａｌＤａｔａＥｎｇｉｎｅ，ＵＳＤE）的空间数据共享与集成模式。２００３年宋杨、陈爱军等在分析了ＯｐｎｅＧＩＳ规范和ＧＭＬＩ．０规范之后，开展了基于ＧＭＬＸＭＬ的多源异构空间数据互操作引擎研巧等研究，将数据分为空间尺度和时间尺度。肖计划等人对各类多源多尺度的自然资源空间数据进行融合与集成处理，对数据的组织，分析，管理，储存等过程进行分析讨论，将不同类型，不同分辨率，不同坐标系统的空间数据进行数据融合处理，并在单一数据库中对这些不同类型的数据进行管理，进而实现了数据集成这一目的。仲佳等利用ＦＭＥ转换工具结合自行开发的程序，打破了传统的数据转换模式，用自己根据数据情况编写的表格来进行数据转换，进而实现了数据集成这一目的。朗圣武等人提出了用地理要素编码的方法来实现数据融合，这就需要一套新的编码方法来实现。这种方法最关键的步骤是要对地理对象或者要素进行图像识别与分类，并且考虑到过去两种编码方案的优点，开发了一种新的元素编码方案。

当前的国内外形势面临重大机遇和挑战，我国的国家土地空间数据管理目标更加明确，任务更加紧迫。工作必须集中在关键点上，并随着进展而协调建设与发展。

1.2.3普遍存在的问题

尽管在国内外空间数据管理领域已经取得了一些成就，但是由于诸如应用概念，技术，资金和数据标准不一致等因素，在空间数据管理中出现了很多问题。主要包括：

1. 由于业内没有形成统一的技术标准，导致各种业务系统使用的数据格式各不相同，不同系统之间对于数据的存储分析比较独立，数据格式和使用的坐标系统很难一致，这就要求技术人员需要在对数据进行分析之前进行数据格式转换和坐标系转换，无疑增加了技术人员维护数据的难度和工作量。这样一来，很难为

自然资源基础数据的更新，处理，存储提供一个即时高效的强大工具。

（２）空间数据管理应用程序级别比较低，缺乏一个数据管理系统。 已建立的数据资源难以聚合在一起，并且难以基于多种数据类型提供全面的索引，分析与查询等功能。

（３）业内还没有建立统一的数据标准。国家有关部门已经制定了一些相关的数据标准与规范，但是部门和行业内部由于历史原因很难执行，而且用户对于数据标准理解可能不一致，导致统一的数据标准仍然没能建立起来。

（４）由于技术水平的限制，信息共享和共建机制目前并不健全，需要政府部门参与制定。我们国家的自然资源信息目前只是为自己行业或部门服务，除自己之外的行业难以使用本行业的数据和平台，就会自己另外找资源，建平台，这样就会使得资源重复使用，还会造成人力物力的额外消耗，给国家增添了负担。

1.2.4发展趋势

核心数据库的建设始终是发展的首位，自然资源数据一体化管理是政府部门以及各个企业所迫切需要的；因此，研究数据库建设的关键技术，优化其运行模式，改进不同数据难以集成的问题，从基本的知识入手，搭建一个可以实现多源数据管理的数据库系统，为自然资源一体化工作推进提供技术支撑。

过去，空间数据管理缺乏精确而严格的底图协调，因此误差因子非常大。 这些差距不仅降低了数据的准确性，而且给管理人员带来了很大的困难。因此，建立了空间数据管理系统来为土地和资源图提供数据支持，该管理系统可以将无数的“信息岛”整合到“信息大陆”并发挥信息的整体效果。将对所有土地和空间结果数据进行集中和统一管理，以实现结果应用，更新和维护，数据交换等，并为空间数据管理提供“一幅图”服务。

1.3论文研究目标及内容

1.3.1研究目标

若是想要对自然资源空间数据分析与融合的关键技术研究，首先要梳理自然资源空间数据的相关技术标准与规范。通过这项研究提高空间数据分析与融合的效率，并提出需要根据空间数据分析与融合的需求进行改进和扩展。通过算法的改进和创新，提高空间数据分析与融合的效率和精确性，将多源多尺度空间数据整合到“一张图”中。结合多源空间数据融合与分析的目的和重点，根据分析与融合需求，按照统一的技术标准和规范，形成空间数据分析与融合的新的思路和研究方法，形成更加高效有效的空间数据分析与融合机制。

自然资源空间数据分析与融合的研究是基于统一的基本地理空间参考也就是同一个坐标系统，以高分辨率正射影像遥感图像作为统一的数据背景，将各种不同资源如林业，水资源，耕地等的影像进行整合，关联和分层土地类型基本地质和矿产数据的多源空间数据系统。本研究还要构建一个空间数据库，必须在多源空间数据中心的统一软硬件环境支持的统一数据库标准规范下创建它。多种多样的自然资源空间数据均应能在该数据库中进行操作与维护。 按照一类数据一个源头的原则，加强对多源空间数据中心中各种自然资源数据的协调，分类和集成，确保各种自然资源空间数据的唯一性。

1.3.2研究内容

1. 通过整合组织多源多尺度的自然资源空间数据，建立多源空间数据分析与融合方法。根据各类不同来源的自然资源数据，进行充分的调查研究，分析他们的相同与不同之处，找到联系，充分认识各类数据的背景。在此基础上，对自然资源空间数据进行完整性检查和标准化。
2. 根据多空间数据管理方法，建立了多源空间数据分析和融合体系。通过提出更好的解决方案，使得空间数据管理的一系列关键技术得到优化和提高，例如多源自然资源空间数据的分析和融合，数据存储，数据索引，数据压缩，数据提取，数据缓存和显示，并提高数据处理的速度。通过查询和浏览庞大的自然资源空间数据，深入研究和开发数据管理数据库和应用服务模型，积极探索可以容纳庞大空间数据的管理模型，实现对多源多尺度海量空间数据的统一化管理。
3. 建立较为完整的数据库系统。建立包含各种数据类型的且功能比较完善的数据库管理系统。使得在需要某种数据时可以很方便的在该数据库中查询到，拿出来就可以被用户所使用，提高数据库的广度和深度。
4. 设计一个功能全面的空间数据管理系统，以完成自然资源数据的存储，管理和维护工作。

第二章 自然资源“一张图”及数据规范

2.1自然资源“一张图”理念

2.1.1数据融合概念

W a l d[1998]对数据融合的定义是，“数据融合是一个形式上的框架，在此框架下表达了融合的方式和工具，通过这些方式和工具将来自不同的源数据进行联合，其目的在于获取质量更好的信息，而质量的改善取决于应用^[6]。”这一定义告诉了我们两个问题，一是它说明了数据融合其实是一个框架，它包含多种不同的方法，我们可以通过此框架中的一些方式与工具对各类自然资源空间数据进行分析与融合; 二是这个定义告诉我们空间数据融合之后的结果质量是很重要的。

由此，数据融合应该是整体上的一个结构框架，理解了数据融合的目的所在，数据融合就是通过整合多种类型和空间参考的自然资源空间数据来使得信息更加全面准确，使得融合之后的数据质量比融合之前更高，这样，在对融合之后的数据进行分析会得到更加精确的结果。

多源多尺度的自然资源空间信息集合与自然资源的开发，利用，监管，规划，管理等行政监管系统相互叠加，就可以构建起一个强大的综合系统，使得政府部门只需在此系统中进行操作就可以完成对自然资源的监管。

所谓的“图”离不开数据，而“一张图”就是要对数据进行融合。 因此，数据融合就是多张图融合为一张图，对融合之后的一张图进行管理分析与维护使得工作效率更高。一张图的自然资源数据和测绘基础数据的组成如图１所示。

图 1

2.2 本研究采用的数据标准参考

2.2.1 国家标准

表 1

表 2

2.2.2 行业标准

表 3

表 4

第三章 空间数据库管理模式及模型分析

3.1什么是空间数据

空间数据（ＳｐａｔｉａｌＤａｔａ）指的是与参考空间（二维或三维）位置有关的、表达与客观世界中各种实体和过程状态属性的数据^[7]。现实世界空间实体的一些重要特征可以借助于空间数据表达出来，从而有利于决策分析，是信息化时代非常重要的数据资源。

数字线划数据(DLG, Digital Line Graphic)简单来说就是一个矢量数据集，可以清楚的表示地物的几何数据信息和属性数据信息。

影像数据是指记录各种地物电磁波大小的胶片或照片，分为遥感影像和航空影像两种，可以是彩色影像，也可以是灰度影像。目前，影像数据对我们越来越重要，通过卫星，航天飞机，无人机等工具，我们可以快速的获取很大数量集的遥感图像数据，尤其是在如何从海量数据中提取对我们有用的信息方面需要我们去探讨。

数字高程模型（Digital Elevation Model)实际上反映的是地面上各类地物的高程信息。它通过在野外用全站仪等测量工具测量的地形高程数据和计算机技术实现对地面上丘陵，山地，河流等地形的数字化模拟（即地形表面形态的数字化表达）。最终我们可以得到一个可以在显示器上显示出来的一个很逼真的模型图，便于演示和可视化分析。数字高程模型是数字地形模型的一部分，它属于数字地形模型。

属性数据是地理信息系统中不可或缺的一部分。属性数据一般分为定性即名称、类型、特性等，如土地利用现状、元数据、行政区划、某些土壤性状等；定量即数量和等级，如面积、长度、土地等级等。地理信息系统中的属性数据存储在某一表格中，这个表格由行和列组成，称为属性表。矢量数据有两种类型的属性表，一个是要素属性表，另一个是非空间数据表。属性数据的分类可以通过数据类型和测量范围进行。

3.2空间数据库概述

3.2.1空间数据库的定义

空间数据库就是存储各类空间数据，并且可以对里面的空间数据进行管理，满足用户存储需求和管理需求的数据库。顾名思义，空间数据库是空间数据的存储场所，里面可以存储各类自然资源数据，用户只有通过空间数据库才能获得数据，然后才能进行数据分析，管理和决策，最后用户再将分析后的结果数据存储到空间数据库中。因此，一个好的空间数据库应该能够方便，灵活地查询用户所需的空间数据。如果在空间数据库中获取自然资源空间数据很困难，那么就会耽误用户的时间，以至于不能很好的分析数据，得到一个满意的结果。由此可见，一个良好的数据库对于GIS来说是非常重要的。

3.2.2空间数据库管理模式

想要研究好空间数据管理方法，必须把空间数据作为我们研究的出发点与基础。空间数据的管理方式总是在随着数据库的发展而发展，因此，空间数据管理方法在很大程度上依赖于空间数据库。在研究的早期阶段，科学家们首先使用的是基于文件管理的模式来管理空间数据。随着技术的发展，一些空间数据管理开始采用文件和关系数据库混合管理模型，另一些则使用全关系空间数据库管理模型。计算机技术的不断发展使得面向对象的空间数据模型慢慢的从无到有发展起来。但是，由于面向对象的数据库管理模型开发困难，技术复杂，导致价格比其他管理模式昂贵并且技术尚不算成熟，因此用户很少，人们多数不会选择面向对象的数据模型。空间数据库的发展主流还是基于对象-关系的空间数据管理模式，本文将对各种数据管理模式进行比较分析。

1. 基于文件管理的模式

事实上，基于文件管理的模式是人们最早使用的一种空间数据存储模式，这种方式将所有的数据都放在文件当中，即把空间数据存放在空间数据文件中，把属性数据放在属性数据文件中，这样就能保证两者互不干扰，独自存在，最后通过标识码将两者联系起来，这样，就使得空间数据和属性数据一一对应。这种管理空间数据的模式缺点很大：

1. 该程序的结构取决于数据文件的存储结构。每当用户修改数据后，数据文件会发生变化，这种变化会影响程序的可行性。此时GIS的技术人员就要对该应用程序做出相应改变，这无疑增大了不必要的工作量。
2. 以文件形式共享。在实际工作中，多个程序共享同一个数据文件是不可避免的情况，会经常发生，使用某个程序的用户修改文件时，需要所有应用程序的许可。这样就无法实现真正意义上的数据共享，还会带来很多麻烦。

2.文件与关系数据库混合管理模式

众所周知，空间数据具有特殊性和复杂性，一般情况下，简单的数据结构难以满足大众用户的需求，国内的学者又研究出了一种新的数据管理模式，即采用数据库技术与文件管理混合的方式来管理空间数据，这样的结合方式使得该混合管理模式也能存放空间数据，用关系数据库存放属性数据，但是用文件存放几何图形数据，目标标识码ＯＩＤ或内部连接码可以将二者连接起来，达到一一对应的目的，目前绝大多数地理信息系统软件为了实现数据共享，都倾向于采用文件与关系数据库混合模式。在前期的数据库系统中图形用户界面和属性用户界面仅通过内部代码连接。如图 2 所示。

图 2

无论采用哪种编程语言与关系型数据库建立联系，使用对象-关系型数据库混合管理模式，可以使用户在一个界面上对属性数据和空间几何图形数据进行分析与融合。如图3所示。

图 3

3.全关系型空间数据库分析

与文件管理模式不同，这种数据库将空间数据与属性数据统一用现有的关系型数据库进行管理，不再使用文件进行管理数据，避免了修改文件的麻烦，这种管理模式使得空间数据的分析与操作更加简便。但是标准的关系型数据库有一点缺陷，就是它不能够处理空间数据，因此科学家们对标准的关系型数据模型做出了改进，在原来标准关系型数据库的基础上又开发了一个新的功能，使得该关系型数据模型可以对空间数据进行处理与存储，同时属性数据本来就可以放在关系型数据库中，进而就可以将空间数据和属性数据均放在关系型数据库中一起进行管理。利用全关系型数据库在管理空间数据时有两种方式：

一种是基于关系模型的管理方法。几何数据根据空间关系的情况进行组织，进行一系列的关系运算操作，只是通常要素之间的关系都比较复杂，很难在短时间得到结果；

二是将图形数据的变长部分处理为二进制块（ＢｉｎａｒｙＢｌｏｃｋ）字段，为适用于多媒体或变长文本的需求，科学家们开发了二进制块字段的存储方式，使用二进制块字段就降低了数据处理的复杂性，提高了效率。

1. 对象-关系数据库管理模式

数据管理模式的技术一直在发展，由于关系型数据库在功能上具有一定的缺陷，若是直接使用关系型数据库处理非结构化的空间数据，处理起来效率比较低，由此软件商们就在关系型数据库的基础上进行了功能的开发与拓展，引进了面向对象的技术；如Ｉｎｆｏｒｍｉｘ和Ｏｒａｃｌｅ等推出空间数据管理的专用模块，定义了操控点、线、面、圆等空间对象的ＡＰＩ函数，这些函数可以将各种空间对象进行预先定义，用户使用时必须满足其数据结构要求，不能根据管理体系要求再定义^[8]。此管理模式中涉及的空间对象通常不具有邻接，关联，包含等拓扑关系，对地理实体无法建立拓扑规则，不能进行拓扑检查，就不能确定一个地理目标相对于另一个地理目标的空间位置关系，用户无法利用这种拓扑关系进行要素查询，用户无法使用此模型存储设计的拓扑数据结构。

这种对象-关系型数据库的管理模式确实解决了空间数据变长时的管理问题，而且效率更高，但是这种管理模式仍然不能解决数据嵌套的问题。无法根据管理需要定义空间数据，使用仍然受到某些限制。对象-关系型数据库的管理模式如图4所示。

图 4

1. 面向对象的数据库管理系统

与其他数据管理系统相比，面向对象数据库管理模式在用户眼中看来是一种高效的数据库管理模式，它用对象来组织空间数据，将要素看成对象，它的优点是将空间数据和属性数据储存在同一个数据库系统中，两者可以是一对一或一对多的关系，即它允许一个空间要素与一系列属性和方法相联系。一个空间要素如公路，林区等可以表示为一个对象，一个公路图层或基于公路图层的坐标系统也可以表示为一个对象。与以上几种数据管理模式相比，面向对象数据库管理模式在技术原理上是最适合于空间数据的表达与存储，但是这种管理模式目前发展还不算太成熟，价格又比较昂贵，现在人们还是使用对象-关系型数据库管理模式更普遍一些。

面向对象的数据库管理系统如图5所示。

图 5

与其他管理模式相比，面向对象的数据库管理模式具有很多优点，最重要的就是使得语义的差距变得很小。

为保证海量空间数据存储、变更管理的稳定性和可操作性，我将采用面向对象的数据库管理模式来建立数据库。

3.3空间数据模型的概念

它是将某一具体的地理实体进行抽象化表达，它通过使用要素集合来对空间数据进行显示、查询、编辑和分析等操作。这样便于我们将现实世界在计算机系统上进行可视化表达，为我们更好的对自然资源空间数据进行分析与融合打下基础。OGC地理信息的九层抽象模型如图6所示。

图 6

研发人员会通过观察现实世界，选择自己需要的事物信息，对它们进行抽象处理，使得能够在计算机系统内进行表达，使得用户能够在GIS系统中根据空间数据进行建模，分析，融合与应用。地理信息对现实世界的抽象过程如图7所示。

图 7

地理空间认知模型（概念模型）、地理空间数据模型（逻辑模型）、地理空间数据结构（物理模型），是地表目标从现实事物到计算机数字化产品抽象过程中所要经历的三个阶段，只有经过这三个阶段，地理空间信息才算真正的成为能被存储在计算机中的数字信息。抽象过程的三个层次关系如图8所示。

图 8

3.3.1常用的空间数据结构

1、矢量数据结构

2、栅格数据结构

点、线、面的栅格数据结构表示如图9所示。

请支付后下载全文，论文总字数：15984字