基于GIS技术建立土地利用数据库Geodaabase中拓扑关系的应用.doc

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1、基于GIS技术建立土地利用数据库Geodatabase中拓扑关系的应用摘要：Geodatabase中的拓扑关系管理机制,涉及到Geodatabase及其数据存储和建模、拓扑关系的实现、拓扑规则和属性、拓扑关系正确性检查和关系错误处理。以1：10000土地利用现状建库流程为例，突出介绍了拓扑空间关系检查在土地利用现状分析中实际应用。关键字：Geodatabase 拓扑 土地利用0 前言本世纪50年代以来，一场以微电子技术、空间技术、信息技术和现代通讯技术相结合为特征的信息革命浪潮席卷全世界。在这场信息革命过程中，一门集地球科学、空间科学、环境科学、信息科学和管理科学新理论，并综合应用计算机技术、

2、测绘遥感技术、现代地理学和自动制图技术等最新成果的新兴边缘科学地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）应运而生。地理信息系统（GIS）是在计算机硬件软件支持下，运用系统工程和信息科学的理论与方法，综合地、动态地获取、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。又GIS的定义可以看出，在地理信息系统中集中存储了以下共同内容：1）空间分布位置信息；2）属性信息；3）拓扑空间关系信息。由此可见，空间位置、关系与度量的描述在GIS中起着举足轻重的作用。也由于该信息的存在，使得GIS有别于计算机辅助设计（CAD）、数字地

3、图、地理数据库等。“拓扑”一词来自于希腊文，意思是“形状的研究”。拓扑学是几何学分支之一，作为近代数学的一门基础理论科学，拓扑学已经渗透到数学的许多分支以及物理，化学和生物学之中，而且在工程技术中也获得了广泛的应用。由于拓扑学是研究图形在拓扑变化下不变的性质，拓扑学已成为地理信息系统空间关系的理论基础，为空间点、线、面之间的包含、覆盖、相离和相接等空间关系的描述提供直接的理论依据。空间数据的拓扑关系及其处理方法在高级的空间分析处理和空间数据库数据质量保证方面具有相当重要的作用。如果没有相应的高效检查手段和可执行的计算机辅助检查工具，拓扑关系检查势必成为地籍数据库建设工作中的瓶颈环节。本文主要介

4、绍了在土地利用地理信息数据库的构建中空间拓扑关系的应用。本文设计的软件平台是ArcInfo，就其拓扑功能而言，8.0的版本以前采用的都是经典数据格式COVERAGE。在COVERAGE中，拓扑关系被完整地保存，并有一组检查工具（命令和函数）供使用者对空间数据进行拓扑关系检查并给出错误定位标识和相应的统计数据。从ArcGIS8.3开始，Geodatabase中引入了基于规则的拓扑关系管理这一新的概念和技术，使其拓扑关系表达和管理能力有了质的飞跃。为了检查和维护空间数据的拓扑关系正确性,在ArcGIS Desktop 中给出了一组(编辑) 工具,用于对空间数据根据用户指定的拓扑关系规则进行编辑,并

5、帮助用户及时发现可能存在的拓扑关系错误。Geodatabase 中并不实际保存拓扑关系。1实际应用背景新一轮国土资源大调查自1999年启动以来，根据新一轮国土资源大调查纲要和国土资源大调查“十五”规划，采取新机制、新思路，运用新理论、新技术，认真组织实施，“一项计划、五项工程”进展顺利，总体上完成了规划确定的目标任务，取得了丰硕成果。国土资源大调查期间，数字国土工程基本达到了预期目标，为全面推进国土资源信息化建设奠定了重要基础。目前，国家级国土资源数据中心初具规模，初步形成了支撑国土资源管理的地政、矿政两大基础数据库管理体系和地学基础数据库体系。完成土地基础数据库5个，包括国家级、省级和50万

6、以上人口城市的土地利用规划、1999-2002年50万人口以上城市的全国土地利用遥感监测、建设项目用地等数据库。全国土地利用现状数据库建设进展顺利，已完成近700个市县的建库工作。完成矿产资源与地质环境基础数据库5个，包括国家级和省级矿产资源规划、矿产资源储量、矿业权、全国7000个大中型及部分小型矿产资源储量空间数据库。完成基础地学数据库24个，包括中小比例尺区域地质图（全国1:20万、全国1:250万、全国1:500万）、区域水文地质图系列、全国地质工作程度、矿产地、区域重力、地球化学、全国地质资料目录等数据库。图文地质资料数据库建设进展顺利，完成了8000种重要图文地质资料的数字化。基础

7、数据库的建立和信息资源的开发利用，为各级国土资源政务管理信息系统运行提供了有力的数据支撑。在国土资源建库的过程中，ArcInfo中的Geodatabase无疑将提供相应的前沿技术。拓扑分析在整个技术流程中也必将占有一席之地。深入的了解拓扑分析不但可以缩短数据库建库的时间，也将提高日后维护数据库的效率。2拓扑空间关系分析2.1拓扑学和拓扑属性拓扑学是数学的一个分支，有人说是“橡皮几何学”，它研究的是点、线和面等图形，但是所讨论的图形可以改变大小和形状。拓扑学就是研究图形经过拓扑变换后的不变性质的学科。形象地说，这里的拓扑变换是一种既不撕破也不黏合、但容许将图形伸缩和弯曲的变换。通俗地结实，橡皮筋

8、或橡皮膜的伸缩变形就是一种拓扑变换。拓扑关系是一种对空间结构关系进行明确定义的数学方法。是指图形在保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。可以假设图形绘在一张高质量的橡皮平面上，将橡皮任意拉伸和压缩，但不能扭转或折叠，这时原来图形的有些属性保留，有些属性发生改变，前者称为拓扑属性，后者称为非拓扑属性或几何属性。这种变换称为拓扑变换或橡皮变换。下表列出了包含在欧氏平面中的对象的拓扑和非拓扑属性。表欧氏平面上实体对象所具有的拓扑和非拓扑属性拓扑属性一个点在一个弧段的端点一个弧段是一个简单弧段（弧段自身不相交）一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的外部一个点在一个环的外部

9、一个点在一个环的内部一个面是一个简单面（面上没有“岛”）一个面的连续性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）非拓扑属性两点之间的距离一个点指向另一个点的方向弧段的长度一个区域的周长一个区域的面积2.2空间关系描述的数学基础点集拓扑学拓扑学是几何学分支之一，作为近代数学的一门基础理论学科，拓扑学已经渗透到数学的许多分支以及物理、化学和生物学之中，而且在工程技术中也取得了广泛的应用。由于拓扑学是研究图形在同胚变化下不变的性质，拓扑学已成为地理信息系统空间关系的理论基础，为空间点、线、面之间的包含、覆盖、相离和相接等空间关系的描述提供直接的理论依据。定义1设X为一非空集合

10、，：XXR为一映射，如果对于任意的x，y，zX，有：(1)(x，y)0，并且(x，y)=0当且仅当x=y；(2)(x，y)=(y，x)；(3)(x，z)(x，y)+(y，z)(三角不等式)；则称为X的度量，偶对(X，)称为度量空间。定义2设A为度量空间X的子集，如果A的每一点都有一个球形邻域包含于A，则称A为的开集。定义3设X为非空集合，A为X的子集族，如果满足下列条件：(1)X，空集属于A；(2)若A1，A2属于A，则A1与A2的交集属于A；(3)A中任意两个元素的并仍为A中的元素；则称A为X的拓扑。如果A为集合X的拓扑，则称偶对(X，A)为拓扑空间。定义4设A为拓扑空间X的子集。如果点x属

11、于X的每一邻域U中都有A中异于x的点，即U(Ax)，则称x为A的聚点或极限点。A的聚点可以属于A也可以不属于A。定义5设A为拓扑空间X的子集，集合A的所有聚点构成的集合称为A的导集，记作dX(A)或d(A)。定义6设A为拓扑空间X的子集，如果A的每一聚点都属于A，即d(A)为A的子集，则称A为闭集。定义7设X为拓扑空间，X的子集A与A的导集d(A)的并集Ad(A)称为A的闭包，记作C(A)。定义8设A为拓扑空间X的子集，如果A是点x属于X的邻域，即存在X的开集U使得x属于U，U为A的子集，则称点x为集合A的内点。集合A的所有内点构成的集合，称为A的内部，记作I(A)。定义9设A为拓扑空间X的子

12、集，对于点x属于X，如果在x的任一邻域U中既有A的点又有A的点，即：UA并且U(A)，则称x为集合A的边界点。集合A的所有边界点的集合称为集合A的边界，记作B(A)。定理1设A为拓扑空间X的任意子集，则：C(A)=I(A)=I(A)B(A)I(A)=C(A)=C(A)B(A)B(A)=C(A)C(A)=(I(A)I(A)=B(A)2.3拓扑空间关系描述Egenhofer and Franzosa(1991)以点集拓扑学理论为工具，对空间物体的拓扑关系进行了描述。对于全集X中的点集A和B，这2个点集表示2个空间实体，A表示的边界，A0表示A的内域，空间实体A和B的空间关系就由集合A和B的边界和内

13、域来确定。这些关系可以用4元组来表示：A0B0，A0B，AB0，AB。4个元组中每个元素的取值为空()或(！)，表明它们是相交还是相离。这个4元组的方法称为“四交模型(4-intersection)”。可以计算出A，B的一切可能的拓扑关系为24=16种(郭仁忠，2001)。在这些关系中有些是没有实际意义的，有些有用的关系没有能够充分的表达。孙玉国(1993)和Egenhofer and Franzosa(1991)针对“四交模型”的弱点，采用相同的思路对其进行了扩展，将集合的余引入关系的描述，集合x的子集A的余记为A，这样2个物体之间的关系用33的9元组来描述：AB0，A0B0，AB0，AB，

14、A0B，AB，AB，A0B，AB。这一模型就是“九交模型”。无论是“四交模型”还是“九交模型”，能够反映的都是几何体的位置关系，集合本身是不能反映几何体的形状的。在实际的应用中，往往需要反映出不同几何形状之间的拓扑关系，具有实际意义的拓扑关系有19种，包括：点对点的相离、共位、相邻、包含；点对线的相离、相邻、相交、包含；点对区的相离、相邻、包含；线对线的相离、相邻、相交、共位；线对区的相离、相邻、相交、包含；区对区的相离、相邻、相交、包含(韩鹏等，2005)。3 Geodatabase中基于规则的拓扑关系管理3.1 Geodatabase及其数据存储和建模Geodatabase采用一种开放的结

15、构将空间数据（矢量、栅格、影像、三维地形等）及其相关的属性数据统一存放在工业标准的数据库管理系统DBMS中。空间要素类（Feature Class）,如河流、国界、宗地、房屋等，对应于DBMS中的表，而具体的一个要素（Feature）则是表中的一条记录。具有共同空间参考的一组空间要素类又可以组成更大的结构，称为要素数据集合（Feature Data Set）。除了空间要素类以外，Geodatabase中还可以建立关系类、几何网络、定义要素子类型、值域及规则等。Geodatabase的逻辑结果如下图所示。3.2 Geodatabase中拓扑关系的实现拓扑关系规则可作用于同一要素数据集中的不同要素

16、类或者同一要素集中的不同要素。用户可以指定空间数据必须满足的拓扑关系约束，譬如，地块之间的相邻关系、覆盖关系、重叠关系等。所有这些关系都对应相应的规则。例如，在以河流作为国界时，河流（线状）与国界线必须一致，可用规则“线必须被多边形覆盖”。因此用户通过选择若干规则的组合构成对空间数据必须满足的拓扑关系的灵活指定。为了检查和维护空间数据的拓扑关系的正确性，在ArcGIS Desktop中给出了一组编辑工具，用于对空间数据根据用户指定的拓扑关系规则进行编辑，并帮助用户及时发现可能存在的拓扑关系错误。Geodatabase中并不实际保存拓扑关系。不同要素之间的公共点、公共边等要素是在拓扑编辑过程中动

17、态地检测到的。例如，我们选择一地块并对其进行编辑，此时Geodatabase将自动检测到与此地块具有公共几何元素的所有其他要素，当我们修改该地块时，系统自动对所有的公共边和公共点进行维护，以保持其应有的拓扑关系。这种实现方式的好处在于，可以局部、有选择的维护拓扑关系，效率很高。Geodatabase中新引入的拓扑关系类（topology class），可以在ArcCatalog中轻松地创建。拓扑关系类与feature Dataset 和Feature Class之间的关系如右图所示。从图中我们能够看出：一个feature dataset可以定义若干个拓扑关系类，而一个要素类则最多可以对应一个拓

18、扑关系类。多个要素类可以对应同一个拓扑关系类。3.3 拓扑规则在Geodatabase中建立拓扑关系，主要的工作之一是指定空间要素必须遵守的拓扑规则。比较典型的拓扑规则有：多边形不能重叠；点必须被多边形边线覆盖；不能有悬挂结点；两个线层不能相交，等等。在ArcGIS 9.1版中，给出了25条可供选择的拓扑规则。对于一个要素数据集，我们可以定义一个拓扑关系类，在拓扑关系类中，指定若干我们希望数据满足的拓扑关系规则。3.4 拓扑属性通过定义拓扑关系类，我们就能按特定的要求规定要素本身及其间必须遵守的空间拓扑约束。在拓扑关系类中，除了拓扑关系规则外，还要指定参与拓扑约束的各要素类、容限值（clust

19、er tolerance）、精度等级（coordinate accuracy rank）。其中容限值指落在以此为半径的圆形区域内的梭鱼点被看成是一致的，会被捕捉（snap）到一起。精度级别：每个参与拓扑约束的要素类都可以人为地赋予一个精度级别，精度级别越高，在容限值范围内需要移动时就越稳定，即：级别低的要向级别高的靠拢。当不同的要素类数据精度不一致时，通常应将精度高者设定为较高级别（最高级别Rank=1）。3.5 拓扑关系正确性检查在ArcGIS Desktop中提供了一组工具用于对空间数据的拓扑关系正确性检查。检查结果会作为一个特殊的图层加载到地图文档中供显示，所有存在拓扑关系错误的地方都会

20、在该层中以特定（可自定义）的颜色和符号明显地显示出来。同时，我们还可以打开错误查看器（Error Inspector）以列表方式查看所有拓扑关系出错记录。在ArcMap中，错误查看器中的错误记录与地图上的要素是相关联的，点取任一记录都可在地图上看到其所在位置被高亮显示。3.6 拓扑关系错误处理对于被检查出来的拓扑关系错误，用户可有三种选择：1）用编辑工具改正这个错误。2）对该错误暂不处理3）将该错误置为例外。当我们将错误置为例外时，就等于指定该处为一个特殊情况，可以不受我们定义的拓扑关系规则的约束，不再将其视为错误。其实，在实际应用中，我们常常会遇到需要视为“例外”的情形。这一点ArcGIS考

21、虑得相当周到。3.7 Geodatabase基于规则的拓扑关系方法的优势相对于COVERAGE数据模型的拓扑关系处理，Geodatabase中的拓扑管理机制的优势表现在如下几个方面：1）用户可自行定义哪些要素类受拓扑关系规则约束。2）多个点、线、面要素类（层）可以同时受同一组拓扑关系规则约束。3）提供了大量的拓扑关系规则（9.1版提供25个，以后将提供更多）。4）用户为自己的数据可以自行指定必要的拓扑关系规则。5）拓扑关系及规则在工业标准的DBMS中进行管理，可支持多用户并发处理。6）用户可以局部建立或检查拓扑关系以提高效率。4 应用流程11万土地利用数据库建设是“数字国土”工程的重要内容,也

22、是国土资源信息化建设的基础和重要组成部分,对于提高土地变更调查数据的准确性、及时性,加快实现国土资源信息化、规范化、科学化具有重要意义。本部分内容以1：1万土地利用数据库建立为例，着重阐述拓扑纠错的重要性。4.1 基础数据的准备11万现状图必须清晰、完整,图与表格、台帐一致,公里网和内图廓线既要满足土地利用现状调查技术规程要求,还要与进行面积量算时的状况相一致,以便在进行系统误差纠正时,真正将详查手工量算的误差消除。11万现状图的属性资料,特别是土地权属非常关键,应在台帐中正确体现,并进行检核。4.2 建库软件平台11万土地利用现状建库软件,选用ESRI公司开发的ArcGIS软件,开发平台是A

23、RCINFO。4.3 1：10000土地利用现状建库流程431将遥感影像扫描到计算机中。432影像数字化包括：投影坐标转换，图形矢量化，删除矢量化的图层上不必要的图形和文字，建立道路，境界线和土地利用类型的shapfile文件。对各个图层进行编辑（连接不闭合的线，删除不必要的图形，线层土地利用类型转化成面层要素，在地理数据库中建立拓扑关系并校验，并录入属性等。）433分幅地图的整饰，包括制作图例，插入比例尺，指北针，制图单位，图例等。434各小组将整饰好的地图打印输出。435 将各小组的图件收集并进行拼接。4.4建立拓扑利用ArcGIS桌面应用程序实现4.4.1面状对象的检查，即面状图层中不存

24、在裂缝和叠加现象。利用ArcGIS桌面应用程序ArcCatalog通过下列步骤,建立检查面状对象是否符合剖分要求的拓扑:1）面状对象的拓扑检查建立流程建立Geodatabase。打开ArcCatalog，在Contents选项卡的空白处单击右键，选择“New”“Personal Geodatabase”。 建立数据集。进入建好的Geodatabase，在Contents选项卡的空白处单击右键，选择“New”“Feature Dataset”。 数据建立。一般情况下我们是将矢量化后的Shapefile转化为Geodatabase中使用的数据。在已经处理好的Shapefile文件上单击右键，选择“

25、Export”“To Geodatabase (single)”。在接下来出现的Feature Class To Feature Class对话框中设置转化后文件存放的数据集的路径以及新文件名。建立拓扑。进入建好的数据集，在Contents选项卡的空白处单击右键，选择“New”“Topology”。在弹出的对话框中,输入拓扑名称和检查容限值;选择参与拓扑的要素类( FeatureClass) 添加不能重叠(Must not overlap )和不能裂缝(Must nothave gap s) 2个拓扑规则;完成建立拓扑2）需要注意的地方在录入土地利用类型层的属性前，请先打开属性表，也许会发现一

26、些区域的面积十分小，这时你可以通过属性表找到这个区域，它很有可能是某两个相邻区域之间的缝隙。 指定区域体现在原图上，我们通常称其为“双眼皮”，如下图：类似的区域经常出现制图过程中，增添一而再的繁琐工作，工作人员需要有足够的耐心去修改。除了查看属性表，你也可以通过查询的方法，把全图大略的点一遍，你可能会发现一些理论上应该独立的区域，却连在一起。如下图（右图是局部放大）： 通过局部放大，我们找出了症结所在，就是两个相邻的面，没有共享一条边，即使两边靠的再近，也存在缝隙。4.4.2对线状对象数据检查利用ArcGIS桌面应用程序ArcCatalog通过下列步骤,建立检查线状对象是否符合剖分要求的拓扑，

27、过程如针对面状对象建立拓扑。在土地利用现状数据库管理过程中, 对线状对象(例如线状地物) 有以下要求:1）不能重叠(Must not self overlap) 。2）不能自相交(Must not self intersect) 。3）不能自重叠(Must not self overlap) 。4）必须为单部分(Must be single part) 。4.5修改拓扑检查后发现的错误。在ArcMap中的灰色工具条上单击右键，选择“Topology”，拓扑的工具条就会显示在工作区中。从左至右的功能依次是：Choose Topology；Map Topology；Construct Featur

28、es；Planarize Lines；Topology Edit Tool；Show Shared Features；Validate Topology In Specified Area；Validate Topology In Current Extent；Validate Entire Topology；Fix Topology Error Tool；Error Inspector。拓扑检查出来的错误在图中以显著的颜色显示出来，此时可以用一般的编辑工具或者拓扑工具进行修改。显示错误editor工具条修改的过程中会经常用到错误查看器（Error Inspector），在这里可以搜索相应拓扑

29、规则下的错误，也可以通过选择高亮显示某一个错误，并且可以在实际状况要求下将某些错误设为“特例”，从此不再追究。46 成果图的展示5 拓扑关系出现的问题5.1与坐标精度有关的拓扑问题在表达真实世界的坐标时，Arcgis采用了凑整的形式。坐标精度取决于每个坐标系统中可能的有效数字。GIS软件通常采用三种数据类型：长整形、短精度或双精度实数。长整形储存9位有效数字，单精度储存7位有效数字，双精度储存13位有效数字。但是，无论用哪种储存空间数据的储存形式，当储存坐标时还是需要进行取整。说这个问题的目的在于强调在进行编辑过程中所出现的拓扑问题有一部分来源于坐标精度。例如，假设使用长整形储存数据，根据凑整

30、规则，以下数据储存如下：123456.7891 被储存为 123456.789 ；123456.7899 被储存为 123456.789 。因此，所有可能的坐标都能很好的以栅格的形式储存。但是，若一个点（point）的坐标计算恰在两个栅格点之间，这个点就会轻微移动并自动对齐网格。如下图所示：黑色的线为原始数据，进行人工矢量化时，需沿原始的图象通过插入节点的方法画出线；但如左图所示，当插入的节点不在网格时，节点会自动对齐网格。这个移动非常小，不会影响到空间数据的精度。但果使用的编辑工具没有考虑到被编辑的对象及其相邻对象之间的空间关系，那么将会导致相邻对象关系上的错误。例如：为已存在的多边形插入新

31、节点。不同于coverage数据结构， 多边形polygon使用Shapefiles格式或使用地理空间数据库Geodatabases存储，其有着唯一的边界。 如果这里有两个临接的多边形它们共用的边界就将被储存两次，即每一个多边形都各自分开储存。如果我们在其中的一个多边形中插入节点，新的坐标将会被计算、划整并对齐网格，然后储存在数据集dataset中。 结果，二者相同的边界不再相同了。会产生一个极小的裂口或重叠并储存置数据集dataset中。这些拓扑问题由于太小，即使是放大最初也并不能被察觉。但它们确实是存在的，随着编辑工作的进行，它们所产生的影响将越来越大。因此，必须通过建立拓扑对其进行纠正。

32、5.2使用ArcMap工具导致的拓扑错误使用ArcMap工具同样也会导致相应的拓扑错误,主要分别是由于使用修改对象(Modify Feature), 分割多边形(Cut Polygon Features)和裁减工具(Clip Tool)这三种工具导致的。其中有关使用修改对象(Modify Feature)工具而导致的错误以上已经给予了讨论，下面分别介绍其余的两种。1）分割多边形工具(Cut Polygon Features task)选中两个被分割的多边形使用Cut Polygon features task 进行分割没有节点到达临接多边形，不能被分割放大该区域，会发现存在交迭2）裁减工具(C

33、lip Tool)将较大的多边形裁去蓝色的部分新的节点标注被裁减的多边形没有结点被标注到要裁减的多边形中放大该区域，会发现存在交迭5.3使用拓扑编辑工具产生的拓扑错误1）使用拓扑编辑工具移动线数据集polyline dataset上的公共节点会导致重新调整后的polyline与它们的临接polyline之间产生拓扑错误。粉色的节点是需要使用拓扑编辑工具进行移动的；绿色的节点显示了多边形之间正确的拓扑关系在移动节点后，红点表示节点产生了摆动放大该区域，可以看见被破坏的拓扑关系2）使用拓扑编辑工具移动多边形数据集polygon dataset上的公共节点会导致重新调整后的polyline与它们的临

34、接polygon之间产生拓扑错误。粉色的节点是需要使用拓扑编辑工具进行移动的移动节点后放大该区域，可以看见裂口6结论本文从理论和实践两方面介绍了土地利用数据库中拓扑空间分析的重要性和应用过程。近年来，空间关系的理论与时间研究在国内外都非常多。究其原因，一方面是它为地理信息系统数据库的有效建立、空间查询、空间分析、辅助决策等提供了最基础的关系；另一方面是将空间关系理论应用于地理信息系统查询语言，形成一个标准的SQL空间查询语言，以通过API进行空间特征的存储、提取、查询、更新等。所以，我们有理由相信在GIS未来的发展中，空间拓扑分析定会占有它的一席之地参考文献：1 华建源，拓扑在检查土地利用现状

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