Geodatabase网络模型的研究与应用

摘要：为了合理地管理、存储和显示海量的空间数据，ESRI公司推出了第三代地理数据模型-Geodatabase模型，该模型是一种面向对象的数据库技术。该文详细地介绍了作为Geodatabase基本模型的网络模型的概念、特点和分类，并以路网中的最短路径和供水管网中的爆管分析为例，深入地分析了Geodatabase网络模型在实际中的应用。

关键词：Geodatabase；几何网络模型；逻辑网络模型；最短路径；爆管分析

中图分类号：TP208文献标识码： B文章编号：1009-3044(2011)04-0904-02

Research and Application on Network Model of Geodatabase

YU Bao-kun

(College of Electronic Information and Automation, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300222, China)

Abstract: In order to manage, store and show immense amount of data reasonably, ESRI Company introduced the third generation model of geographical data-Geodatabase. It is an object-oriented database system. This paper introduces conception, characteristics and classification of network model used as a basic model of Geodatabase in detail. And taking the shortest path in the road net as well as the analysis of pipe burst in the water supply network as the example, the research analyzes the network model of Geodatabase in the applications deeply.

Key words: Geodatabase; geometric network model; logical network model; shortest path; analysis of pipe burst

地理信息系统（GIS），是一种采集、存储、管理、分析、显示和应用地理信息的计算机系统，是一种分析和处理海量地理数据的通用技术。由于地理数据的复杂性，传统的数据管理方法难以满足对地理数据的管理要求，因此，作为GIS基础的空间数据库技术，得到了广泛的使用，利用该技术可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理，满足人们的实际需求。网络模型作为空间数据库的基本模型，已在交通运输、城市管理、环境监测等领域发挥了重要的作用，本文将详细介绍网络模型的基本含义，并给出其在实际中的应用。

1 Geodatabase简介

Geodatabase是一种现代的地理信息数据模型，是ESRI公司多年研发，并在先前数据模型的基础上进化而来的。Geodatabase按照一定的模型和规则组合地理要素集，提供对要素类及其拓扑关系、复合网络、要素间关系以及其他面向对象要素的支持。它是一种被所有ArcGIS产品及应用程序所共享的通用框架。作为一种空间数据库，Geodatabase支持在标准的数据库管理系统（DBMS）中存储和管理地理信息。Geodatabase支持多种空间数据模型，包括网络模型、三维矢量模型、栅格结构模型等。其中，网络模型是进行网络分析的基础，是现实世界与理论分析的桥梁。根据实际需求，常见的网络分析包括路径分析、连通分析、流分析等。

2 网络模型概述

所谓网络，是指线状要素相互连接所形成的一个线状模式，是真实世界中网络系统的抽象表示，如道路网、管线网、河流网等。网络的组成很简单，包括两种基本的组成成分：线和交汇点。边线可以是街道、管道、以及河段等。交汇点可以是街道交叉点、阀门、河段的汇合点等。网络的作用就是将资源从网络中的一个节点移动到另外一个节点。在资源移动的工程中，需要遵循一定的数学规则，以达到实际的需求。

Geodatabase定义了两种网络模型：几何网络模型和逻辑网络模型。几何网络模型是组成线性网络系统的要素的集合，是从要素几何的视角来看网络模型。而逻辑网络模型是由线元素和交汇点元素组成的网络图表。一个几何网络模型总是与一个逻辑网络模型相联系。这两种网络模型为存储和分析线性网络系统提供了丰富的工具。

2.1 几何网络模型

几何网络模型是要素的集合，是由边线和交汇点相连组成的系统。一条边线有两个交汇点，而一个交汇点可以与任何数量的边线相连。描述边线和交汇点的要素被称为网络要素，同一类型的网络要素构成了网络要素类，几何网络模型中的拓扑关系正是由一个以上的网络要素类按照一定的连接规则所构成的。

2.2 逻辑网络模型

与几何网络相似，逻辑网络也是相连的边线和交汇点的集合，主要的区别在于逻辑网络没有坐标值。逻辑网络的主要目标是用特定的属性表存储网络的连通性信息。逻辑网络的核心就是连通属性表，此表描述了网络元素之间是如何相连的，如图1所示。在图1中表示了某运输网络的几何网络模型以及与其相对应的逻辑网络模型。在实际应用中，与用户直接接触的就是几何网络，如图1中所示的运输网络，而逻辑网络只是与几何网络相对的连通表，以及节点元素表和边元素表。

3 网络模型的应用

3.1 在交通领域的应用

随着国民经济的高速发展和城市化、现代化进程的加快，城市规模不断扩大，道路网日益复杂，如何找到从起点到目的地的最佳路径，成为驾驶员最为关注的问题，本小节将简要介绍最佳路径的选取方法。

根据道路网的特点，选取道路网中的道路交叉路口作为分析对象，并对道路以交叉路口为节点进行分割，成为路段。这样，可将道路网抽象成基本的网络模型，该模型由交叉路口点和路段组成，其中交叉路口为网络模型中的交汇点元素，路段为网络模型中的线元素。将路段的长度作为线元素的权重，用来表明经过该路段所需要的代价，并与逻辑网络一起存储。

通常情况下，最佳路径是指从起点到目的地的最短距离，即最短路径。Dijkstra算法是求解带权网络最短路径的常用算法，该算法的基本思想是将道路网中的交叉路口分为两组集合S和U，并按最短路径长度的递增次序依次把集合U中的交叉路口加入到S中，在加入的过程中，总保持从出发点v到S中交叉路口的最短路径长度不大于从出发点v到U中任何交叉路口的最短路径长度，直至找到从出发点到目的地的最短路径。

3.2 在供水网中的应用

城市管网爆管事故极为普遍，传统的手工管理方式已不能满足爆管事故处理的要求，如何及时准确地找到需要关闭的阀门成为地理信息系统中重要的一项网络功能。本小节将以供水网为例，详细介绍网络模型在爆管分析中的应用。

城市供水管线的布置有两种基本形式：环状管网和树状管网。从数据结构的观点来看，管线可看作由结点和线构成，由于面就管线本身而言相对较少，基本不存在线与面的关系，只包含线与结点之间的拓扑关系，且一旦建成，管线拓扑结构的变化相对来说较小。

根据供水网的这一结构特点，可将供水管网定义为几何上的“网”，供水管线可以定义为网络的“线”，连通交点、用户节点、阀门、消防栓等可以定义为网络的“交汇点”。这样就把现实世界中的客观对象抽象成GIS中的网络、线、交汇点之间的关系。

为了便于爆管分析以及与物理上管线的概念有所区别，在逻辑网络模型上引入“管段”这一概念。在同一个管段中水流方向和连通性不会改变，而供水管网在逻辑网络模型上就可以看成是由成千上万条管段连接而成的，管段的端点对应的实物可以是水源、阀门、连通交点、盲板或者用户节点，因为水流经过这些点要素后，其方向或连通性可能会发生改变。一般情况下，通过消防栓、排泥井等结点的管线在水流方向和连通性上不会发生变化，在逻辑网络模型中，可忽略这些结点，以便提高爆管分析的效率。

根据逻辑网络模型的数据描述方案，我们就可以建立逻辑网络模型。主要是要把物理上的管线转换为逻辑上的管段，建立对管段的描述，由于管段只是逻辑上的概念，是为了爆管分析的需要而虚拟出来的，所以它只存在于逻辑网络模型的描述表中。同时，还需要忽略消防栓等结点，以简化对该模型的描述。图2中的虚拟供水管网图看用来表示逻辑网络模型的基本结构。逻辑网络模型的描述表主要由两个表所构成。一个是描述管线与管段的关系，另一个文件就是记录管段起始点和终点的编号。

一般来说，网络在数学和计算机领域中是被抽象为图这个概念的，所以其基础是图的存储表示。图论知识与管网拓扑结构图之间有着一种很自然的联系，因而图论是分析供水管网模型的一种有力的工具。为了便于爆管分析，需将逻辑网络模型的拓扑关系抽象成无向图，从而生成管网中参与进行爆管分析的所有点状要素之间的拓扑邻接关系。因此，可将供水管网记为G=(V，E)，其中V为管网中的参与进行爆管分析的所有点状要素，称为顶点集，如连通交点、阀门、水源等，E为管网中的所有管段，称为边集。

当供水管网中的某一管线发生爆管时，首先要定位发生故障的点属于逻辑网络模型中的哪条管段，并根据供水管网的逻辑网络模型拓扑关系，利用图的广度优先搜索方法寻找需要关闭的阀门，下面以图2中的虚拟供水管网为例，详细介绍搜索阀门的过程。

1）若发生事故管段的 2个端点都是阀门，则直接关闭这2个阀门即可。在虚拟供水网中，若不考虑阀门本身故障，假设事故发生在①处，则应关闭阀门 VE7和 VE8。

2）若事故点所在管段上，一侧端点是阀门，一侧不是阀门，则一侧的阀门是应该关闭，而另一侧则应作为起点进行上述的图的广度搜索，图 2中，若不考虑阀门本身故障，假设事故发生在②处，则应关闭阀门 VE2、VE1、VE3。

3）若事故点所在管段上，两侧都不是阀门，则分别以该管段两端的结点为起点，对事故点两侧均进行的搜索。如图2，若不考虑阀门本身故障，假设事故发生在③处，则应关闭阀门 VE4、VE6、VE8、VE10。

4 结束语

随着计算机技术的飞速发展、空间技术的日新月异及计算机图形学理论的日渐完善，GIS技术也日趋成熟，并且逐渐被人们所认识和接受。Geodatabase网络模型作为GIS技术的一种基本模型，将现实世界中的道路、管道、传输线路、十字路口、基站等抽象成网络中的线元素和点元素，使得复杂的系统能够更直观地展现在人们的面前。基于Geodatabase网络模型的系统已被广泛应用到交通、军事、通信、地下管线管理等多个领域，极大地满足了人们在生产和生活中的需求。

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