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1、第第3 3章章 空间数据管理技术空间数据管理技术主讲人：夏火松博士主讲人：夏火松博士/教授教授主要内容空间数据管理概述地理信息系统全球定位系统移动通信定位系统移动商务中物流定位的架构3.1 空间数据管理概述 空间信息是有关空间实体的性质、特征和运动状态的表征进行描述的数据，它是对表达空间特征与空间现象之间关系的空间数据的解释。空间位置、属性及时间是地理空间分析的三大基本要素，如图3-1所示。1.空间数据处理 空间系统中的实体（对象）一般包括三种基本信息：语义信息、度量信息和关系结构信息，如表3-1所示。类型特征语义信息语义信息表明实体的类型度量信息度量信息用于描述实体的形状和位置等几何属性关系
2、结构描述地理实体之间所有的地理关系，包括空间关系、分类关系、隶属关系等基本关系的描述，也包括对关系结构信息用于描述一个实体与其它实体的联系表3-1 空间实体类型空间数据的编码 关系结构描述地理实体之间所有的地理关系，包括空间关系、分类关系、隶属关系等基本关系的描述，也包括对关系结构信息用于描述一个实体与其它实体的联系 空间数据的编码则主要是指语义信息的数据化，它是建立在地理特征的分类及其等级组织基础之上的空间信息数据编码。空间数据的编码用于表明实体元素在数据分类分级中的层次关系和属性性质。空间数据的描述 空间数据描述就是对空间分析的3个基本要素（有关空间位置、空间属性特征以及时间信息）的符号记
3、录。描述质量则是空间数据在表达这三个基本要素时，所能够达到的准确性、一致性、完整性，以及它们三者之间统一性的程度。表32空间数据描述质量有关指标类型指标数据情况说明地理数据的来源、数据内容及其处理过程等作出准确、全面和详尽的说明位置精度或称定位精度空间实体的坐标数据与实体真实位置的接近程度，常表现为空间三维坐标数据精度。它包括数据基础精度、平面精度、高程精度、接边精度、形状再现精度（形状保真度）、象元定位精度（图像分辨率）等。属性精度指空间实体的属性与其真值相符的程度。通常取决于地理数据的类型，且常常与位置精度有关，包括要素分类与代码的正确性、要素属性值的准确性及其名称的正确性等时间精度可以通
4、过数据更新的时间和频度来表现逻辑一致性指地理数据关系上的可靠性，包括数据结构、数据内容（包括空间特征、专题特征和时间特征），以及拓扑性质上的内在一致性。数据完整性指地理数据在范围、内容及结构等方面满足所有要求的完整程度，包括数据范围、空间实体类型、空间关系分类、属性特征分类等方面的完整性表达形式的合理性指数据抽象、数据表达与真实地理世界吻合性，包括空间特征、专题特征和时间特征表达的合理性等空间信息的特征 空间信息除了具有信息的一般特性，如共享性、客观性等外，还具有以下独特特性：(1)空间定位 (2)数据量大 (3)信息载体的多样性2.空间信息系统 信息系统按照是否含空间信息分为非空间信息系统（
5、一般指管理信息系统）和空间信息系统，如图3-2所示。空间信息系统分为非GIS（一般CAD/CAM）和GIS。空间信息系统特征空间信息系统特征 与一般的管理信息系统相比，空间信息系统具有以下特征：（1）空间信息系统使用了空间数据与非空间数据，并通过DBMS将两者联系在一起共同管理、分析和应用；而MIS只有非空间数据库的管理，即使存贮了图形，也往往以文件形式等机械形式存贮，不能进行有关空间数据的操作，如空间查询、检索、相邻分析等，不能进行复杂的空间分析。（2）通过利用空间解析式模型来分析空间数据，空间信息系统的成功应用依赖于空间分析模型的研究与设计。空间信息系统的基本功能下面主要描述基本功能：空间
6、信息系统在物流中的应用 物流企业通过无线通信、GIS/GPS能够精确地获取运输车辆的信息，再通过Internet让企业内部和客户访问，从而把整个企业的操作业务变得透明，为协同商务打下基础。3.2 地理信息系统 地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是管理和研究空间数据的由计算机系统、地理数据和用户组成的人机信息系统。它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、研究各种空间实体及相互关系。1.GIS概述GIS的基本处理模式 GIS是有关空间数据管理和空间信息分析的计算机系统，如图3-5所示说明地理信息系统的基本处理模式。图3-5
7、 地理信息系统的基本处理模式 地理信息系统特征 地理信息系统具有以下三个方面的特征：（1）具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态性；（2）以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息；（3）由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务。GIS应包括三个基本部分：计算机系统（硬件、软件）、地理数据库系统、应用人员与组织机构。（1）计算机系统可分为硬件系统、软件系统和GIS的开发工具和硬件/网络平台的选择标
8、准。（2）地理数据库系统由数据库和地理数据库管理系统组成。地理DBMS主要用于数据维护、操作和查询检索。（3）GIS的人员配置有系统项目经理/技术组、数据库经理、数字化操作员、系统操作员、应用分析软件经理和程序编写员。GIS的组成2.GIS的运行机理 在GIS中，对空间实体的数据描述分为空间特征和属性特征，属性特征是对于空间特征的描述，属性值包括数字值和非数值两种，例如描述道路实体的属性特征包括：道路类型：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；路面物质构成：1表示水泥，2表示柏油，3表示碎石。GIS的地理信息构成和信息结构 地理信息是对地理实体特征的描述，地理实体特征分类表
9、，如表33所示：类型特征空间特征描述地理实体空间位置、空间分布及空间相对位置关系属性特征描述地理实体的物理属性和地理意义关系特征描述地理实体之间所有的地理关系，包括空间关系、分类关系、隶属关系等基本关系的描述，也包括对由基本地理关系所构成的复杂地理关系的描述动态特征描述地理实体的动态变化特征。地理信息对这些特征的描述，是以一定信息结构为基础的。GIS信息共享（1）空间数据转换（2）GIS互操作及其层次（3）GIS互操作的层次（4）基于公共接口的GIS互操作3.GIS的应用 GPS在物流领域的应用可以实时监控车辆等移动目标的位置，根据道路交通状况向移动目标发出实时调度指令。GIS、GPS和无线通
10、信技术的有效结合，再辅以车辆路线模型、最短路径模型、网络物流模型、分配集合模型和设施定位模型等，能够建立功能强大的物流信息系统，使物流变得实时并且成本最优。图3-6物流系统道路网络图3.3 全球定位系统 全球定位系统（GPS：Global Positioning System）是利用卫星星座（通信卫星）、地面控制部分和信号接收机对对象进行动态定位的系统。GPS能对静态、动态对象进行动态空间信息的获取，快速、精度均匀、不受天气和时间的限制反馈空间信息。1.全球定位系统的基本原理 GPS系统包括三大部分：空间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机。GPS卫星星座
11、GPS信号接收机地面监控系统图37 GPS的组成 GPS接收机的分类可按不同得维度有多种分类方法，如表3-4所示：维度类别按接收机的用途分导航型接收机、测地型接收机和授时型接收机按接收机的载波频率分类单频接收机和双频接收机按接收机通道数分类多能道接收机、序贯通道接收机、多路多用通道接收机按接收机工作原理分类码相关型接收机、平方型接收机、混合型接收机和干涉型接收机表3-4 GPS的接收机按不同维度分类表2.全球定位系统的应用 移动数据库技术配合GPS技术，可以用于智能交通管理、大宗货物运输管理。安装在车辆上的GPS定位仪可以实时获取车辆的位置信息，包括经纬度、速度、方向等。通过车辆无线数据通信系
12、统，将车辆的定位信息以短消息方式传送到指挥监控中心，并显示在电子地图上。在运输方面，利用移动计算机与GPS/GIS车辆信息系统相连，使得整个运输车队的运行受到中央调度系统的控制。3.GIS系统方案的选择选择原则：1）GPS 系统阶段发展相适应2）成本效益原则3）性能与服务水平适度原则4）功能完善原则3.4 移动通信定位系统 移动定位系统（location based system，LBS）是利用移动通信网络提供给用户定位功能的服务。无线定位技术融入移动互连网领域，实现更加方便和智能化的通信服务。移动通信网络基本发展：第一代移动通信（1G）第二代移动通信系统（2G）第三代移动通信系统（3G）1.
13、手机定位系统 手机定位是指通过无线终端（手机）和无线网络的配合，确定移动用户的实际位置信息（经纬度坐标数据，包括三维数据），通过短消息服务（short message service，SMS）、多媒体消息（minerals management service，MMS）、语音发给用户或以此为基础提供某种增值服务。手机定位类型 根据定位方法和定位过程的不同，手机定位主要有以下几种类型：（1）起源蜂窝定位（2）到达时间定位（3）到达角度定位（4）到达时间差定位手机定位基本原理 手机定位是利用GSM移动通信网的蜂窝技术来实现位置信息的查询，GSM无线通信网是由许多像蜜蜂蜂窝一样的小区构建而成的，每个
14、小区都有自己的编号，通过手机所在小区的识别号就可以知道手机所在区域。图38手机定位示意图手机定位技术 GSM手机定位方式通常可分为基于网络方式和基于终端方式两种。从技术上可分为到达时间（time of arrival，TOA）、增强测量时间差（EOTD）和GPS辅助（AGPS）3种方式。1）到达时间定位技术 2）增强测量时间差定位技术手机定位系统的应用（1）手机定位系统在物流中的应用:个性化的监控和查询功能 报警和求助功能 与智能运输系统结合的调度和管理 （2）手机定位系统在其他领域的应用:信息查询个人定位服务 增强移动网络性能 2.小灵通定位系统 小灵通无线市话是一种新型的个人无线接入系统，
15、它采用先进的微蜂窝技术和高质量语音数字化技术，将用户终端以无线接入方式接入市话网，使传统意义上的有线市话能在无线网络覆盖范围内随身携带使用，随时随地进行通信。图 310 LSC的定位计算流程图 小灵通的概念 无线市话（personal access phone system，PAS）又名小灵通，是一种新型的个人无线接入系统，它采用先进的微蜂窝技术，以无线方式接入固定电话网，使电话在无线网络覆盖的范围内可随身携带使用，随时随地接听、拔打市内、本地网和国内、国际电话，也可方便地拔打寻呼和移动电话，是固定电话网的延伸和补充。小灵通的工作方式 “小灵通”手机通过空中无线信号首先与城市中蜂窝状星罗棋布的
16、基站取得联系，再通过基站与电信的业务平台沟通。通过朗讯业务平台与其他通信网络的联接，用户可以在网络覆盖范围内自由拨打接听电话。小灵通的使用技术 小灵通的核心技术是采用微蜂窝和信道动态分配技术，从而大大地提高了频率的使用率和系统的容量。小灵通小区基站与手机之间采用了时分双工模式TDD，其无线信道基于时分多址TDMA结构，语音编码采用32kbit/s AD PCM方式，无线接口采用数据V5接口技术，因而加强了系统的抗干扰能力，提高了话音通信质量，增强了系统的保密性。小灵通的特点 移动通信 经济适用 绿色环保 功能完备 超长待机和通话时长 语音能满足要求小灵通定位系统的应用（1）基本定位业务短信定位
17、C-MODE定位业务应用（2）增值定位业务逛大街业务 逛大街业务是一个定义为基于位置的信息查询应用，其核心功能是在已知位置的基础上为用户提供与他距离较近的资讯信息。公交定位业务3.5 移动商务中物流定位的架构 随着移动通信技术在中国的迅猛发展，超过四亿用户的手机通讯网络不仅让中国成为了世界上第一大移动通讯市场，更让中国四分之一强的人口提前步入了移动信息社会。“不用再为遍布全国各地的零售点配备电脑，每天的销售数据可以通过手机发回，并直接进入企业的ERP系统；越来越多的用户正通过移动商务解决以前一直困扰企业的难题。1.移动商务中的物流定位的体系结构 移动商务是与商务活动参与主体最贴近的一类电子商务模式，其商务活动中以应用移动通讯技术使用移动信息终端为特征。与以往商务模式相类似，可以讲移动商务 是电子商务即互联网时代后社会进行移动信息时代的进化产物，更是适应现实环境与需求的产物。图3-11 移动物流的体系结构2.移动商务中的物流定位的模式 企业移动商务的物流定位模式是多种多样的，一般包括GPS定位、射频技术定位、移动通信定位和混合定位模式。成本最低的目前可能是通过短信定位描述位置信息。目前企业短信市场上的产品大致可分为三个层次：第一层是以纯粹的短信群发为主的，为企业提供促销、广告等消息群发的服务；第二层是把企业短信应用上升到具体的解决方案；第三层是把企业短信应用与企业管理相联系。