科学教育专业毕业论文.doc

分类号 密 级 编 号 毕业论文题 目： 面向对象的土地空间数据模型构建 学 院: 生命科学与化学学院 专 业： 科学教育 班 级: 07科学教育一班 作者姓名: 学 号： 指导教师: 提交日期: 2011/5/27 原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的论文是在指导教师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡是引用他人已经发表或未经发表的成果、数据、观点等均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名： 2011年5 月 20 日 论文指导教师签名：天水师范学院指导毕业论文进度表二级学院生命科学与化学学院专业类别科学教育指导教师班 级07级<1>班学生姓名论文题目面向对象的土地空间数据模型构建指导进度资料收集资料来源、资料筛选及其它需要说明的情况2010.11.10 2011.3.5 选定论文题目后指导学生从论文相关网上、CNKI检索等途径搜集查阅相关资料和文献，了解面向对象的理论等相关知识，初步制定论文思路。2011.3.5 2011.3.15 指导学生撰写开题报告。论文提纲初稿撰写指导学生撰写提纲情况、对学生编写提纲有无修改、初稿完成情况第一阶段：相关的文献查阅、整理和阅读（2010.11.10 2011.3.5 ）。第二阶段：撰写开题报告，提交导师审阅(2011.3.52011.3.15 ) 。第三阶段：撰写毕业论文。(2011.3.52011.3.28 )修改定稿学生是否按预定计划完成、对学生初稿有无修改、其他情况2011.3.52011.3.28 安排学生整理相关资料，并修改提交的初稿。2011.3.302011.4.10 指导学生按学院的论文格式要求修改论文格式。2011.4.152011.4.25 对学生论文第二稿的摘要和内容提出修改意见。2011.4.262011.5.5 对学生论文第三稿进行细节方面的修改。2011.5.62011.5.11 对学生论文第四稿进行细节方面的修改2011.5.122011.5.15 对学生论文第五稿进行细节方面的修改2011.5.162011.5.21 对学生论文第六稿进行细节方面的修改定稿并安排 论文答辩的相关事宜。注：1.本表是为配合指导教师按计划指导学生完成论文而制作。2.本表由毕业论文指导教师认真填写。3.本表由各二级学院按照样表制作。天水师范学院本科生毕业论文评定表作者姓名性别男学号二级学院生命科学与化学学院专业科学教育论文题目面向对象的土地空间数据模型构建英文名称Object-oriented model of land spatial data论文字数5845关键词中文面向对象 土地空间数据模型 土地信息系统外文Object-Oriented; Praedial-Spatial Data Model; Land Information System摘要中文运用面向对象的分析技术，对GIS中点、线、面基本对象类和复杂对象类的描述与分析，结合空间数据描述，总结出了一个面向对象的土地GIS空间数据模型，阐述了在土地资源空间数据建模中面向对象理论思想的重要性。外文Object-oriented technique is widely used in GIS data modeling. Point-object class, time class, object class, polygon-object class and complex-object class are extracted from geo-objects, which combines with spatio-temporal topology forms an object-oriented GIS spatio- temporal data model. 指导教师评定  该同学在撰写论文过程中阅读大量的相关文献，并且逐渐形成自己独特的论文观点。论文结构合理，主题鲜明，论据充分，研究的可行性强，修改认真仔细。达到学校规定的要求，是一片合格的学士学位论文。评定成绩合格指导教师签名答辩委员会意见本论文结构合理，思路清晰，主题鲜明，分析论述较透澈，能准确表达论文主题思想，在论文答辩过程中思路清晰，应变能力强。 该论文论题新颖，立意明确，研究具有可行性，构建模型完整，论述合理，已经达到了学士学位论文水平，建议授予学士学位。答辩委员会主任签字：教务处审核：注：本表由各二级学院按照样表制作，为论文装订第二页。目 录摘 要1关键词11.面向对象的理论基础12. 面向对象的土地空间数据模型的构建过程33. 面向对象的土地空间数据建模方法44. 面向对象的土地空间数据模型化过程65. 面向对象的土地空间数据模型的体系结构75.1对象的类型75.2 几何对象和语义对象86. 结论9参考文献9面向对象的土地空间数据模型构建作者：车顺民 指导老师：王新民（天水师范学院生命科学与化学学院 甘肃 天水 741001）摘 要：运用面向对象的分析技术，对GIS中点、线、面基本对象类和复杂对象类的描述与分析，结合空间数据描述，总结出了一个面向对象的土地GIS空间数据模型，阐述了在土地资源空间数据建模中面向对象理论思想的重要性。关键词: 面向对象 土地空间数据模型 土地信息系统数据模型是各类土地空间数据有效组织、存储和管理的基础，也是有效传输、交换和应用土地空间数据的基础。不同的数据模型用不同的数据抽象和表示方式来反映客观事物，对数据之间相互联系的处理方式也不尽相同。数据模型是数据库管理系统的实现基础，也可以说数据库系统的核心是数据模型1。需要选用合理的空间数据模型进行开发来管理土地空间数据，传统的GIS软件常采用矢量模型、栅格模型、矢量栅格一体化模型等。这些模型人为地割裂了空间对象在土地空间上的连续性，将土地空间对象看成是孤立存在的个体，难以描述关联对象之间的相互关系，增加了管理和分析土地空间数据的复杂性，导致了对现实世界描述的不完整性，无法实现面向问题处理和挖掘地理空间数据等更深层次的应用2。本文采用面向对象数据模型来模拟和描述现实世界，有效克服了传统空间数据模型在数据组织、存储、管理等方面的弊端。1 面向对象的理论基础面向对象方法(Object-Oriented Method)是一种把面向对象的思想应用于软件开发过程中，指导开发活动的系统方法，简称OO方法，它属于软件工程的范畴，是建立在“对象”概念基础上的方法学，也称为面向对象的开发方法。面向对象方法的出发点和基本思想是：以对象作为基本元素，尽可能地运用适合人类思维模式的方法来建立问题空间的模型，它所追求的是对现实世界的直接模拟。我们在设计和实现一个客观系统时，应按照人们在现实世界中对客观事物的思维方式构造尽可能直观、自然地表达求解方法的软件系统。现实世界的问题是由客观实体和实体之间的联系构成的，对象就是客观实体的抽象。面向对象方法将数据和操作放在一起，作为一个相互依存、不可分割的整体来处理，它强调模拟现实世界中的概念而不强调算法。面向对象方法的出发点和基本原则就是使分析、设计和实现一个软件系统的方法和过程，尽可能接近人们认识世界解决问题的方法和过程。2 面向对象的土地空间数据模型的构建过程空间数据建模是将客观世界中的土地空间信息转换成能在计算机中存储的土地空间数据的过程，通过空间数据建模可以使土地空间数据能客观、真实地反映现实世界中土地空间对象及其分布特征和相互关系3。它的基本任务是，针对所研究的地理空间问题或现象，组织 GIS空间数据并设计GIS空间数据库模式。具体内容包括：定义土地空间对象及其相互关系，确定土地空间对象的组成结构，设计土地空间对象在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构等。空间数据模型则是空间数据关系的逻辑组织形式的表示，是有效地组织、存储、管理各类数据的基础，也是数据有效传输、交换和应用的基础。空间数据模型应尽可能真实地反映客观世界，使之接近人们对客观世界的理解与观察，为描述空间数据组织和设计空间数据库模式提供基本方法。由现实世界到数据世界的抽象过程要经过两级抽象，三个层次来进行，如图1所示4。选择、综合、简化和抽象数据结构对数据进行组织中间层最高层次最底层次 数据世界 （计算机）编码、表达、建立空间关系物理模型空间数据库逻辑模型概念模型概念世界现实世界空间事物或现象信息观察和认知图1 土地空间实体抽象的三个层次 (1)概念数据模型概念数据模型是对现实世界中客观实体与现象的认知、抽象与概念模型化，是地理空间中实体的抽象概念集，是对土地空间数据的语义解释，侧重研究土地空间数据的类型及其联系和约束。从计算机系统的观点来看，概念数据模型是数据抽象的最高层，可以形成一个满足GIS语义共享的表达体系5。构造概念模型要遵循如下基本原则：语义表达能力强、易于理解、独立于计算机实现。(2)逻辑数据模型逻辑数据模型由概念数据模型转换而来，是GIS对地理空间数据的结构、内容、操作和数据完整性的描述。逻辑数据模型通过对土地空间数据库中的记录和数据之间关系的表达来描述地理空间对象及其关系，是数据抽象的中间层。根据逻辑数据模型的实现方法不同可将其划分为结构化模型、面向操作地模型和面向对象模型三大类：典型的结构化模型有层次数据模型和网络数据模型，它通过树形结构来表达地理空间对象之间关系，能直接反映地理空间对象之间的联系；面向操作的逻辑数据模型主要是指关系数据模型，利用二维表格来表达地理空间对象之间的关系，而对关系的提取和查询则通过关系操作来进行；面向对象数据模型以面向对象分析方法和程序设计方法为基础，可以很好地描述和模拟现实土地空间世界中的复杂对象，有效地克服了传统土地数据模型的局限性6。 (3)物理数据模型 物理数据模型是概念数据模型在计算机内部的具体存储、组织形式和操作机制，通过地理空间数据的组织、存储、优化等来描述其在计算机中的物理组织结构、存储路径和数据库总体存储结构等，是数据抽象的最低层。6实质上，物理数据模型的目的是设计逻辑数据模型在计算机上的实现形式，在物理数据模型中需要考虑地理空间数据的存取时间和系统开销等方面的操作效率。3 面向对象的土地空间数据建模方法面向对象模型是基于面向对象方法之上的7，面向对象方法为面向对象模型的建立提供了分类、概括、联合、聚集四种语义抽象技术(如图2所示)和继承与传播两种抽象工具8。这四种抽象技术和两种抽象工具涉及到对象和类的定义。定义对象为：Object=ID，S，M，其中S= GDAD，GD=GDi，i=1,2,3n，AD=ADi，i=1,2,3n，M=Mi，i=1,2,3n，而具有相同属性和操作的一组对象的集合是类(class)，所以在此也做一个形式化的定义给类：即class=(CID,CS,CM), 其中对象类数据的集合是CS= CSi，i=1,2,3n，对象类操作方法的集合是CM =CMi，i=1,2,3n。(1)分类分类是把一组具有相同属性和操作的对象(Object)进行归纳(Generalization)的过程，属于同一类(class)的所有对象共享相同的属性项和操作方法，每个对象都是这个类的一个实例，对象与类的关系表现为Is-instance-of的关系。(2)概括概括是将若干种类中某些具有公共特征的部分抽象出来，形成一种更高层次、更具一般性的超类的过程。设Class1=(CID1,CS1,CS2,CM1.CM2)、Class2=( CID2,CS1,CS3,CM1.CM3),它们中都带有相同的数据子集CS1和操作子集CM1，因此将它们抽象出来就形成一种父类：Superclass=(SID,CS1,CM1)，子类与父类的关系表现为Is-a的关系。(3)联合在定义对象时，通常会将同一类对象中的几个具有相同数据值的对象组合起来，联合即是为了避免重复而设立的一个更高水平的对象以表示那些相同的属性值。设有两个对象：Object1=(ID1,S1,S2,M)、Object2=(ID2,S1,S3,M),其中，这两个对象具有一部分相同的几何数据或属性数据，则可设立新对象：Object3=(ID3,S1, Object1, Object2,M), Object1和Object2称为“分子对象”，它们的联合所得到的对象称为“组合对象”，分子对象和组合对象之间的关系表现为Is-member-of的关系。林地实例草地耕地河流类池塘类湖泊类水系类b 概括类土地a 分类道路景点附属设施公园d 聚集街坊n街坊2街坊1街道c 联合 图2 面向对象的几种抽象技术概括分类联合聚集 (4)聚集聚集与联合类似，但它是将不同特征的对象组合成一个更高水平的对象。设有两种不同特征的分子对象:Object1=(ID1,S1,M1) 和Object2=(ID2,S2,M2)，用它们组成一个新的复合对象Object3=(ID3,S3,Object1(Sm), Object2(Sn), M3)，其中，SmS1，SnS2，从式中可见，复合对象Object3拥有自己的属性值和操作，它仅是从分子对象中提取部分属性值，且一般不继承子对象的操作，子对象与组合对象的关系表现为Is-part-of的关系。(5)继承层次结构中子类与父类之间的一种相互关系是继承，子类继承了父类的属性和行为，它依赖于父类并进行扩展，为有效减少信息冗余引入了继承。继承有单一继承和多方继承2种。仅有一个直接的父类是指子类的单一继承，而允许多于一个直接父类是多方继承。多个父类的属性和操作的综合是多方继承的现实意义。经常会遇到多方继承的问题在地理空间实体表达中。以水和交通系为例，如图3所示，“人工交通线”、“自然交通线”是交通线分类得到的，“河流”、“湖泊”等子类是水系经分类得到的。“运河”作为“人工交通线”和“河流”的子类，将同时继承“交通线”、“水系”的属性和方法。 (6)传播 传播是用来描述属性值间的依赖性和获得服务的过程，其基本原理就是子对象的相关属性只存储一次，然后再将这些属性值传给组合对象，这样当子对象的属性值改变后，组合对象的属性值无须修改，因此极大的减少了信息冗余并保证了信息的一致性。交通线水系人工交通线自然交通线河流湖泊公路运河可通航运河不可通航运河图3 对象的多方继承4 面向对象的土地空间数据模型化过程建立合理的数据模型，是为了精确的描述土地空间数据之间的关系、数据语义以及数据完整性约束条件等的需要。本文采用面向对象的方法对土地空间数据进行建模，其模型化过程如图4所示。图4 基于面向对象的现实空间模型化的过程逻辑数据模型语义数据模型地理认知模型概念数据模型实现现实地理空间对象模型认知、抽象基于地理要素的概念模式模型概念化面向对象数据模型设计面向对象数据库由 高 层 到 低 层物理数据模型 在面向对象模型化过程中，通过对对象模型对地理空间的不断认知和抽象，得到一种认知对象的模型，然后对对象模型进行概念化处理，可以抽象出基于地理要素的概念模式，它是实现地理信息语义共享的基础，并在此基础上建立面向对象数据模型，最后通过物理数据模型按照一定的存储形式和操作机制将土地空间数据存储到计算机之中。5 面向对象的土地空间数据模型的体系结构依据土地空间对象的数据组织和表达方法，本文在面向对象技术的基础上设计了基于面向对象技术的面向对象数据模型10，如图5所示。该模型的核心是按面向对象思想，以层次结构来组织土地空间世界，每个对象都是独立封装了空间、属性和关系特性的地理概念实体，且具有唯一标识。面向对象数据模型中的土地空间对象由几何数据和属性数据两部分构成，其中几何数据包含了两方面的信息：一方面是土地空间对象的大小、方向和位置等表示几何元素度量关系和性质的几何信息，另一方面是土地空间对象间点与面、边与面等表示几何元素间拓扑关系的拓扑信息11；属性数据是人们通过对客观世界中空间实体的认识、理解和抽象，在头脑中形成对土地空间对象进行描述、定义和说明的相应数据12。几何对象 图5 面向对象的空间数据模型体系结构边界终点起点体元边界弧段类多边形类结点类属性属性属性属性简单点对象简单线对象简单面对象体元对象简单对象组合对象地理空间对象对象要素层相关对象要素关系面向对象数据库语义对象5.1 对象的类型从地理空间实体的特征来看，所有实体都基于点、线、面、体四种基本类型，由此构成简单对象(包括简单点对象、简单线对象、简单面对象和体元对象)和组合对象，简单对象和组合对象既能存储在同一数据库中也能储存在不同数据库中。(1)点对象：表示地理空间中的点状要素，可以是具体的也可以是抽象的。 (2)线对象：表示地理空间对象的边界或地理空间中的线状要素，如道路边界、道路中心线、管线、电力线等。 (3)面对象：表示在地理空间中由一组闭合弧段所包围的呈面状的要素或区域，如湖泊、行政区等。 (4)体对象：描述地理空间中呈现体状的物体，由一组或多组闭合曲面所包围的空间实体，如建筑物、山体等。(5)组合对象：由多个简单对象组合而成，包括单纯型组合对象和混合型组合对象，多个组合对象又可以进一步组合成新的组合对象。单纯型组合对象：由多个同类型的简单对象组合而成的集合，整个集合是一个对象，包括组合点对象、组合线对象、组合面对象和组合体对象四类。混合型组合对象：由多个不同类型对象合并而成的一个新对象。5.2 几何对象和语义对象依据地理空间实体的存在性和人们对它管理利用的不同，能将其抽象成几何对象和语义对象两类。其中，几何对象主要针对客观存在的地理空间对象，如客观存在的房屋建筑的几何信息；语义对象则是指根据实际需要定义的非客观存在的地理空间对象，如对一个公司进行管理，公司就作为语义对象。几何对象封装了地理空间实体的几何属性和几何操作，主要存储空间位置和空间关系等体现地理空间实体几何域的信息；语义对象则封装了地理空间实体的语义属性和语义操作，主要存储语义属性、语义操作、类别关系和组分关系等反映地理空间实体语义域的信息，如表1所示。表1 几何对象和语义对象的结构 几何对象 语义对象 几何对象ID 语义对象ID 几何属性 坐标、点、线、面、体 语义属性类别、值域、编码、度量单位几何关系 拓扑关系、非拓扑关系空间关系 语义关系类层次、对象组分、几何操作 旋转、平移、碰撞 语义操作 语义传播、语义概括、语义聚合6 结论空间数据模型是空间数据组织和数据库设计的核心和关键，本文采用面向对象思想构建数据模型，通过研究面向对象的建模理论和模型化过程建立了面向对象模型，探讨了面向对象空间数据模型的核心思想，阐述了其几何对象和语义对象的结构和组织方式，总结了面向对象数据模型的特性，并归纳了该数据模型在数据组织和建模中的优势。参考文献：1 龚健雅.规范化空间对象模型与实现技术.测绘学报J.1996, 25 (4): 309314.2 崔伟宏.空间数据结构研究M.北京:中国科学技术出版社,1995.3 边馥苓等.地理信息系统原理和方法M.北京:测绘出版社,1996.4 唐策善,李龙澎,黄刘生.数据结构用C语言描述M.北京:高等教育出版社,1995:6-.8.5 陈常松.地理信息共享的理论与政策研究M,科学出版社,2003.6 殷红梅.面向对象的基础地理信息矢量数据库建模研究:硕士学位论文.北京:中国测绘科学研究院, 2006:6.7 杨伯钢,冯学兵.城市地理空间框架建设技术体系研究J.测绘科学,2007,32(1):36-37.8 谢礼天.面向对象GIS数据库构建思想及其在城市水灾信息系统中的应用:硕士学位论文.汕头:汕头大学,2004:1.9 宋玮,王家耀,郭金华.面向对象时空数据模型的研究.测绘科学技术学J.2006,23(4):235238.10 崔铁军,董延春.地图数据的空间关系与数据模型J.测绘学院学报,2000,17(3):194-196.11 张新长,马林兵,张青年.地理信息系统数据库M,科学出版社,2005.12 李景文,刘军锋,董星星.基于实体的地理空间数据模型描述与表达J.测绘与空间地理信息,2008,31(6):1-3.Object-oriented model of land spatial dataAuthor: Che Shunmin Guidance teacher: Wang Xinmin (School of Life -Science and Chemical，Tianshui Normal College，Tianshui，Gansu，741001)Abstract: Object-oriented technique is widely used in GIS data modeling. Point-object class, time class, object class, polygon-object class and complex-object class are extracted from geo-objects, which combines with spatio-temporal topology forms an object-oriented GIS spatio- temporal data model. Key words: Object-Oriented; Praedial-Spatial Data Model; Land Information System致 谢 时光如梭，转眼间大学四年生活即将结束，回想四年来的大学生活，是那么的丰富多彩，而我却要和它说再见，开始人生新的一段旅程。在此，我要向所有爱我、支持我、授我知识、关心我的人表示真诚的感谢。首先，我要感谢我的父母，是父母的支持，关爱，辛勤的劳动给了我上大学的机会。每年为了上学的学费和生活费，父母舍不得花一分钱，几年来，一直就穿着那么几件旧衣服，默默的付出.是父母的期望给了我无穷的动力，我真诚的感谢你们。其次，我要感谢授我知识的老师，是他们渊博的知识，严谨的治学态度，让我学到了很多东西。第三，我要感谢我所有的同学，是他们的帮助和信任让我的学业顺利完成。 本论文是在王新民老师的悉心指导下完成的，王老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求情的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标，掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在王老师的指导下完成的，倾注了王老师大量的心血。在此，谨向王老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！ 本论文的顺利完成，离不开各位老师、尤其是王新民、尤晓妮、白洁、于志远、王学恭王莉霞等各位老师的支持和帮助。在此感谢各位老师；感谢各位同学的关心、支持和帮助！没有他们的帮助和支持是没办法完成学位论文的。 由于本人水平有限，论文中的有些观点以及对土地空间数据模型构建过程归纳和阐述难免有疏漏和不足的地方，欢迎各位老师和专家批评指正。 车顺民 07科学教育<1>班 1 William Wordsworth. Preface to Lyrical Ballads M. 18002 Arnold Matthew. Selected Prose M. Ed. P.J.Keating. Hammondsport: Penguin Books Ltd, 19703 Abrams, M. H. Natural Supernatural: Tradition and Revolution in Romantic Literature M. New York &London: W. W. Norton &Company, 19734 Wordsworth Selected Poetry. Ed. Welford Davis M. London: J. M. Debt& Sons Limited, 1975.5 Holes, H. Autonomy in Foreign Language Learning M. Oxford: Paragon, 19816 Richard John Lynn. Guide to Chinese Poetry and DramaC. Boston: MASS, 19847 Letters of William Wordsworth: A New Selection. Ed. Alan G. Hill. Oxford: Clarendon Press, 1984.8 Wordsworth Selected prose. Ed. John O. Hayden. London: Penguin Books, 19889 Philip Hobs Baum. William Wordsworth Selected Poetry and Prose M. London: Rutledge, 198910 Wordsworth. A Life in Letters. Ed. Juliet Barker. London: Penguin Books, 200711 杜景华. 陶渊明传J. 天津：百花文艺出版社，200512. 苏文菁. 华兹华斯诗学J. 北京：社会科学文献出版社，200013 狄兆俊. 中英比较诗学J. 上海：上海外语教育出版社，199614 汪榕培. 英译陶诗（The Complete Poetic Works of Tao Yuanming）M. 北京：外语教学与研究出版社， 200015 王佐良. 英国浪漫主义诗歌史M. 北京：人民文学出版社，199116 朱光潜. 诗论 M. 上海：上海古籍出版社，200117 方 重. 陶渊明诗文选译（Gleanings from Tao Yuanming）M.上海： 上海外语教育出版社，1984