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20世纪90年代,互联网技术发展为GIS提供了一个空间信息发布和访问的新平台。面对随着精度不断提高而急剧膨胀的矢量数据量,有限的网络带宽成为了制约高精度矢量数据网络发布和访问的瓶颈。如何在有限的网络带宽下快速高效地访问矢量数据成为了WebGIS面对的一个重要问题。目前客户端需要一次下载全部的数据,这就造成了用户等待时间长和冗余数据的网络传输的问题。这一问题对于网络带宽、内存和CPU都资源受限的PDA、手机等移动终端更为突出。渐进式的矢量数据传输方式为上述问题提供了良好的解决方案。渐进传输以用户需求驱动,通过分层次、分批次的数据传输方式,仅向用户传输能满足需求的数据,从而减小了冗余数据传输,提高网络带宽的利用率,进而提高系统的响应速度和性能。本文的主要研究内容包括:
1)分析了网络环境的特点,探讨了当前矢量数据网络传输所面临的问题。在此基础上讨论了矢量数据渐进传输的基本原理、基本原则和关键问题。提出了矢量数据渐进传输的四个基本问题:如何从单一大比例尺矢量数据上构建多尺度矢量数据:如何表达和管理多尺度矢量数据;如何在网络上传输轮廓数据和增量数据;如何利用增量数据来集成重建以逐步恢复大比例尺的原始高分辨率数据。
2)多尺度数据模型与传统的空间数据模型具有迥异的特点。本文分析了传统矢量数据模型和数据组织方式的优缺点。在此基础上深入探讨并实现了基于特征的矢量数据模型,以此作为多尺度矢量数据模型的基础。并建立了特征对象的消息和事件响应机制。在此基础上讨论并实现了空间特征之间的关系模型。通过关系建立起空间特征之间的有机联系,使空间特征模型具有内在维护其完整性和一致性的能力。
3)地图综合是实现多尺度是矢量数据的基础。矢量数据又以曲线数据为主。本文深入分析了曲线综合算法,即曲线化简算法。目前曲线化简算法的一个缺点在于仅在现象层面对曲线及其化简算法进行研究,缺乏对曲线及其化简在机理上的分析。本文利用分形维研究了曲线的复杂程度,利用分形的无标度区间研究了曲线在保持基本几何形态不变的情况下的可化简程度,并研究了基于分形的曲线化简算法。提出了利用小波对Richardson曲线进行滤波来估算曲线分维和无标度区的算法。
4)探讨了曲线化简过程中拓扑关系不一致问题,分析了引起拓扑关系变化的抽象本质。在此基础上提出了拓扑关系检查和拓扑关系一致性维护的两个约束条件。并讨论了拓扑关系一致性检查和维护的优化算法。
5)论述了多尺度空间数据模型的特点和现有的几种多尺度空间数据模型。
主要针对曲线数据提出了改进的多尺度曲线树模型,并从多尺度曲线树的生成、组织、纵向索引、轮廓数据生成、增量数据生成以及曲线重建等多个方面进行了讨论。并以此为基础建立了基于特征的多尺度曲线模型。
6)分析了当前主要的空间数据组织和管理方法。讨论了空间数据库的基本原理和实现方法。在此基础上论述了基于多尺度曲线树数据模型的空间数据库组织方式,存储格式和索引方式。讨论并设计了多尺度空间数据访问中间件-多尺度空间数据引擎。
7)论述了TCP/IP协议和Socket技术。并在此基础上论述了矢量数据渐进传输的传输策略、传输协议、数据传输格式及其实现方式。
8)讨论了WebGIS的基本概念、体系结构和实现技术。并在WebGIS平台软件-GeoBeans的基础上实现了一个矢量数据渐进传输的原型系统。并对其和传统矢量数据网络传输方法进行了详细的实验比较。
本文的创新点可概括如下:
1)提出了利用小波算法对Richardson曲线滤波,使曲线在无标度区部分变得光滑,可准确估算分形的无标度区和分形维。
2)提出了一种适宜于渐进传输的多尺度曲线模型,支持离散分辨率数据的管理、轮廓数据和增量数据的生成、曲线的集成重建、多尺度曲线的动态编辑,进而有效地支持了矢量数据的渐进传输。
3)设计了矢量数据渐进传输协议,通过两通道传输方法、基于游程编码的传输数据编码,实现了矢量数据渐进传输过程中的用户交互以及轮廓数据和增量数据的网络传输。