硕士研究生学位论文
基于 Voronoi Diagram的空间最近邻近查询 Spatial Nearest-neighbor Query Based on Voronoi Diagram
硕士 研究生胡 勇
声纳网指 导 教 师陈 军教授、唐治锋讲师
专 业 名 称摄影测量与遥感
研 究 方 向地理信息系统
完成日期一九九六年四月
武汉测绘科技大学
一九九六年
摘要
本文以 GIS 邻近操作的局部化为突破点和指导思想，在 Gold 教授实现的VORDLL 基础上对基于 V.D. 的空间最近邻近查询的理论和方法进行了研究和实验，初步推出了一个特定于空间最近邻近查询操作的工具箱原型。其主要研究和实验内容有： ⑴ 按 Voronoi 准则分析相关 GIS 典型应用事例（包括立即邻近、侧向邻近和穿越邻近三个原型），收集有关 NNQ 数据库所需的元数据信息。在此基础上，初步建立起 Voronoi 空间数据模型；
⑵ 严格定义 Voronoi 邻域和立即邻近两个基本概念，提出用 V.D. 方法形式化表达立即邻近、侧向邻近和穿越邻近三种空间最近邻近关系，将 VORDLL 描述的点、半线级的最近邻近关系扩展到简单点、线、面空间数据类型。为简化空间目标最近邻近操作符的设计，对空间目标所拥有的点、半线集的分类性质进行讨论；
⑶ 以点、线、面状地理目标空间最近邻近关系的形式定义和诸性质为实现规则，经 Voronoi 邻域查询和立即邻近查询规定出一个最近邻近查询操作符集（支持空间、属性联合查询），体现了操作局部化的特。使应用趋向理论化；
⑷ 实验程序基本能展示基于 Voronoi 图进行空间最近邻近查询的基本概念。具有空间、属性双向查询能力。路网
主题词：地理信息系统、Voronoi 空间数据模型、
Voronoi 图、最近邻近关系、最近邻近查询
武汉测绘科技大学 硕士学位论文
Spatial Nearest-neighbor Query
Based on Voronoi Diagram
Abstract
Geographic Information System has a nearest-neighbor operation set, and this operation set is used to be the tool relevant to spatial nearest-neighbor analyses. In this paper, we establish two fundamental concepts -- nearest-neighbor and Voronoi neighborhood, and discuss a set of technical routes, theories and methods which are applicable to spatial nearest-neighbor queries. The following is our main works:
1. Following the sketching technique of designing database schema and defining data structures, we analyze several related typical instances and collect meta-data for NNQ database;
2. Establish Voronoi spatial data model that regards Point, Line and Area as its entities;
3. Formally express three fundamental nearest-neighbor relations among simple Point, Line and Area-like objects, and reveal a series of properties between Point, Half line model and simple Point, Line, Area model, and extend Point, Half line-level nearest neighbor relations to spatial data types;
4. Based on above properties and formal definitions of nearest-neighbor relations, we develop nine nearest-neighbor query operators that fully support union queries including both spatial and attribute conditions. They form a nearest-neighbor operating set with purely local meanings;
5. At last, we work out a prototyping system that shows fundamental concepts about spatial nearest-neighbor query based on Voronoi diagram.
In a word, we explore a new idea of realizing spatial nearest-neighbor operations under the uniform framework of Voronoi concepts.
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Key Words:Geographic Information System (GIS),
Voronoi Spatial Data Model, Voronoi Diagram,
Nearest-neighbor Relation, Nearest-neighbor Query
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目录
第一章 绪论 (1)
尺寸检测§1－1问题的提出 (1)
§1－2空间邻近问题研究概况 (3)
§1－3研究目标和内容 (6)
第二章 Voronoi 图与最近邻近的概念 (8)
荧光增白剂ob§2－1Voronoi 图与 Delaunay 三角网 (8)
§2－2VORDLL 介绍 (9)
§2－3邻域与最近邻近 (13)
第三章 V.D. 用于空间最近邻近查询的理论和方法 (17)
§3－1典型事例分析 (17)
§3－2NNQ 空间数据模型 (20)
§3－3基于 V.D. 的空间最近邻近关系表达 (24)
§3－4基于 V.D. 的空间最近邻近查询 (27)
§3－5用 V.D. 方法进行简单推理 (33)
第四章 实验研究 (36)
§4－1实验系统 (36)
§4－2若干研究实例——以武测校园总平面图为例 (40)
第五章 结论与问题探讨 (48)
§5－1结论 (48)
§5－2问题探讨 (49)
附录一 VORDLL 功能一览 (51)
附录二 对照表示例 (53)
参考文献 (54)
致谢 (56)
第一章 绪论
人类自产生以来就进行着各种各样的活动。其中最基本的活动是经济活动，这是人类赖以生存并不断
进化发展的物质基础，以满足人类的物质和文化生活需要。显然，一切经济活动都是以一定的地域空间为场所的。当代人类活动的影响已遍及地球上几乎每一个角落，甚至地球以外的宇宙空间。人类经济活动的规模、内容、空间结构及其演变发展都已达到了空前的水平。从八十年代起人类社会步入信息时代，同时人口、资源与环境等问题与社会进步的巨轮时时发生激烈的碰撞。为使环境与经济社会协调、有序发展，最大限度地合理利用资源，人类能动地对自身活动和环境做出时间和空间的合理安排。这就要求充分了解、掌握和分析人类活动在地域空间上的形成、发展和运动规律以及自然的、社会的、经济的地域系统内部各单元之间和地域系统与外部环境之间存在的物质流、能量流、信息流等等（当然，所有这些都无不打上自然的烙印）。这要求至少从以下几方面描述自然界的物体：（一定坐标系中的）位置；与位置无关的属性；相互之间的空间关系[23]。
§1－1问题的提出
一、引言
地理信息系统 (Geographic Information System, GIS) 正是专注于地球表面物体的空间分布，进行资源与环境信息处理分析和表示、模拟现实空间世界的工具。GIS 将空间信息和属性信息的处理完美地结合起来，进行分析、变换，将地理数据按一定模式处理后得出用户需要的结果或者得到用户提出的问题和询问的答案。使人们不仅知道存在什么样 (What) 的信息，而且知道其发生的时间 (When)、地点
(Where) 和性状 (Property)，并能研究地理事物的时空 (Spatio-temperal) 变化和预测其发展趋势。目前，GIS 在研究利用资源与环境、进行城市规划与建设、公用事业设施维护、空间决策支持、自然灾害监测等方面发挥着巨大作用，因而日益成为人们用于解决空间问题的强有力的工具。
GIS 主要包含四部分：输入、存储、分析和输出[29]。近年来，遥感、计算机、制图等技术快速发展，有关输入、存储和输出的 GIS 技术其进展很显著。然而，与这种进展相比较，空间分析的进展则远远落后[29]。GIS 作为空间数据库系统最重要的应用之一，分析地理数据正是它的主要目标[29]。因此，Goodchild[87] 等强调，用于空间分析的操作工具对很复杂的 GIS 是必不可少的，而且对它的发展应该投入更多的研究努力[29]。文献 [23,25,29] 中讨论了几种可能的研究方向。Star & Estes 认为，一个有前途的方向是开发用于空间分析的工具箱，它包括各种各样的基本空间操作[29]。在本论文中，作者就提出了一个特定于空间最近邻近查询的操作工具箱原型，可作为空间最近邻近分析的基础。
二、空间分析与空间关系
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