测绘工作中甚大规模对称矩阵管理的理论和方法研究
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摘要
测绘对称矩阵是人们经长期而艰辛的努力建立起来的重要基础信息之一,它在基础信息分析处理、空间大地测量、摄影测量与遥感、大地形变监测与大型结构物实时动态变形监测等领域和国家重大科技决策上发挥着重要作用。因此,在管理一般性测绘数据的同时,应高效地存储、管理和共享这些甚大规模的对称矩阵,以充分发挥这种基础信息在信息化测绘中的重要作用。近年来,空间大地测量、摄影测量与遥感、大地形变监测与大型结构物实时动态变形监测技术的运用和发展,每时每刻都在生成对称矩阵,且其规模急剧膨胀而形成多种甚大规模测绘对称矩阵,基于文件系统的对称矩阵的传统管理方法面临极大挑战,甚大规模对称矩阵的存储、管理和网上发布已经成为测绘数据管理的重要研究课题。目前的数据库技术还没有考虑用数据库表文件存储和管理对称矩阵。对此,本文建立了对称-关系数据库理论,并依据此理论研究了测绘工作中甚大规模对称矩阵的管理理论和方法。即先建立对称-关系数据模型,再以此扩展关系数据库管理系统RDBMS,形成对称-关系数据库管理系统SR_DBMS,以便在管理一般性关系型表的测绘数据的同时,高效地管理甚大规模的测绘对称矩阵,这在发展数据库理论和解决测绘工作的甚大规模对称矩阵的管理问题等方面有着重要的理论和实际意义。本文的主要研究工作有:
1)系统地分析了测绘对称矩阵的规模膨胀特征,经分析得出:对称矩阵具有列数不固定,行列数同步增减的半结构化数据特征,不宜直接用关系数据库管理系统管理。
2)在前人给出对称矩阵行(列)压缩的下标变换公式的基础上,推导和证明了相应的下标逆变换公式,并系统地形成了对称矩阵下标变换定理。结果表明,这些定理完整地揭示了对称矩阵的结构信息,奠定了对称-关系数据模型的数学基础。
3)分析了ITRF的SINEX格式存在着两个冗余字段的特点,提出了SINEX格式的初步改进建议。提出了不同算法间的相对运行效率和测时显微镜算法等概念,由此探索了算法效率的后期测试方法,建立了ITRF对称矩阵的新查询算法,对新、旧两种算法进行了相对效率分析。结果表明,初步改进的SINEX格式及查询算法虽提高效率明显,但仍属于文本文件系统管理模式。
4)提出了一种新的研究思路,即先用下标变换公式将半结构化的对称矩阵转换成完全结构化的表,用RDBMS来管理之,再用下标逆变换公式将管理结果还原成对称矩阵形式交给用户使用。
5)提出了对称-关系数据模型,建立了对称-关系数据库理论,这包括:①定义了对称-关系数据模型和对称-关系数据库的概念体系,提出和建立了对称-关系数据结构、对称-关系构造器和析构器、对称-关系数据操作与完整性约束等对称-关系数据模型的组成要素;②提出和建立了对称-关系数据库的结构化查询语言SR_SQL、对称-视图,并分析了其特点;③构建了对称-关系的数据提取、查询和更新技术及关键算法。
6)初步建立了对称-关系功能扩展模块,即SR模块。在Windows Vista和Visual FoxPro环境下,以ITRF数据集为数据对象,进行了实验研究,按软件工程原理用测试用例对SR模块进行了功能测试和效率测试。研究表明:用SR模块扩展RDBMS,来管理对称矩阵,既不损失一般关系型表数据的管理效率,与传统的ASCII文件系统相比,又可节约对称矩阵的存储空间65.8%,还可成百倍地提高管理对称矩阵的时间效率。ITRF成果数据,其90%以上是对称矩阵,是典型的附甚大规模对称矩阵的数据集,宜采用对称-关系数据库系统来管理。
A symmetrical matrix in Geomatics is one of the important fundamental information which has been set up for many years,and it has played an important role in such fields as the analysis of the fundamental information,spatial geodesy,photogrammetry & remote sensing,the real-time deformation monitoring on crust or large structure and a nation's major scientific decision-making.When managing the general geomatic information,the very large-scale symmetrical matrices in geomatics must be effectively stored, managed and shared in order to make full use of its important role in the informationized geomatics.The symmetrical matrices have been generated every day in such fields as geodesy,photogrammetry & remote sensing and the real-time deformation monitoring on crust or large structure.And their scale has been increasingly and rapidly expanded.The data management of symmetrical matrices based on the ASCⅡtext file management system has been increasingly faced with some great difficulties and challenges.This thesis aims to research the geomatics data management based on the symmetry-relationship model(SR_Model).The SR_Model is employed in the thesis to extend the relationship database management system(RDBMS),and the symmetry-relationship database management system(SR_DBMS) is constructed to manage efficiently the very large scale symmetrical matrices in geomatics when the relationship tables are managed.The main research finished is listed as follows:
1) The scale-expanding features of the geomatics symmetrical matrices are analyzed.The results show that the symmetrical matrices have not been directly and conveniently managed by the RDBMS due to their half-structural properties-there are no fixed fields and the column number varies with the row number at the same time.
2) During the past few decades,for the compression of a symmetrical matrix,the derived index transform formulae have been used to calculate the post-compression indices from the original indices.The inverse index transform formulae that used to calculate the original indices from the post-compression indices are derived in this thesis.These formulae are systematized as the index transform theorems of a symmetrical matrix.These theorems fully reveal the structural information of a given symmetrical matrix and make up the mathematic foundation of the SR Model.
3) The SINEX format in the International Terrestrial Reference Frame(ITRF) data sets is analyzed by using the index transform theorems,and two redundant fields are found in the SINEX file's covariance matrix.Therefore,an elementary suggestion to improve the SINEX format is put forward.Based on those formulae,two new concepts such as the relative running efficiency and the timing microscope function are proposed to explore the post-test of algorithm efficiency.The results show that the improved SINEX format suggested yet belongs to the text file management system.
4) A new researching idea is therefore raised in this thesis.First, the half-structural symmetrical matrices without fixed fields are converted into the full-structural relationship tables with fixed fields using the index transform formulae.Then,the symmetry-relationship databases are set up in accordance with extended relationship principles to manage the converted symmetrical matrices.Finally,the managing results by SR_DBMS are converted into the original form of the symmetrical matrices to be conveniently used by the users.
5) The theory based on the SR_DBMS is tentatively developed, which includes:symmetry-relationship data model(SR_Model),the conception and theory system on SR_DBMS,the symmetry-relationship structural query language(SR_SQL), symmetry-relationship view(SR_V),and so on.
6) The symmetry-relationship module(SR_Module) is initially developed in the software environment of the Windows Vista and Visual FoxPro 9.0,with the example of some datasets in ITRF2000 and ITRF2005,the experiments of the function tests and the efficiency tests are performed according to the principle of the software engineering.
This research shows that the SR_DBMS with no loss of efficiency or convenience of management of relationship tables can save the memory size of disks by 65.8%and can improve the time efficiency by more than a hundred times when managing very large scale symmetrical matrices,compared with the traditional ASCⅡfile management system.The datasets of ITRF,whose symmetrical matrices always occupy more than 90%of the space,are typical geomatics datasets with very large scale of symmetrical matrices,and can be fully managed with the SR_DBMS.
1)系统地分析了测绘对称矩阵的规模膨胀特征,经分析得出:对称矩阵具有列数不固定,行列数同步增减的半结构化数据特征,不宜直接用关系数据库管理系统管理。
2)在前人给出对称矩阵行(列)压缩的下标变换公式的基础上,推导和证明了相应的下标逆变换公式,并系统地形成了对称矩阵下标变换定理。结果表明,这些定理完整地揭示了对称矩阵的结构信息,奠定了对称-关系数据模型的数学基础。
3)分析了ITRF的SINEX格式存在着两个冗余字段的特点,提出了SINEX格式的初步改进建议。提出了不同算法间的相对运行效率和测时显微镜算法等概念,由此探索了算法效率的后期测试方法,建立了ITRF对称矩阵的新查询算法,对新、旧两种算法进行了相对效率分析。结果表明,初步改进的SINEX格式及查询算法虽提高效率明显,但仍属于文本文件系统管理模式。
4)提出了一种新的研究思路,即先用下标变换公式将半结构化的对称矩阵转换成完全结构化的表,用RDBMS来管理之,再用下标逆变换公式将管理结果还原成对称矩阵形式交给用户使用。
5)提出了对称-关系数据模型,建立了对称-关系数据库理论,这包括:①定义了对称-关系数据模型和对称-关系数据库的概念体系,提出和建立了对称-关系数据结构、对称-关系构造器和析构器、对称-关系数据操作与完整性约束等对称-关系数据模型的组成要素;②提出和建立了对称-关系数据库的结构化查询语言SR_SQL、对称-视图,并分析了其特点;③构建了对称-关系的数据提取、查询和更新技术及关键算法。
6)初步建立了对称-关系功能扩展模块,即SR模块。在Windows Vista和Visual FoxPro环境下,以ITRF数据集为数据对象,进行了实验研究,按软件工程原理用测试用例对SR模块进行了功能测试和效率测试。研究表明:用SR模块扩展RDBMS,来管理对称矩阵,既不损失一般关系型表数据的管理效率,与传统的ASCII文件系统相比,又可节约对称矩阵的存储空间65.8%,还可成百倍地提高管理对称矩阵的时间效率。ITRF成果数据,其90%以上是对称矩阵,是典型的附甚大规模对称矩阵的数据集,宜采用对称-关系数据库系统来管理。
A symmetrical matrix in Geomatics is one of the important fundamental information which has been set up for many years,and it has played an important role in such fields as the analysis of the fundamental information,spatial geodesy,photogrammetry & remote sensing,the real-time deformation monitoring on crust or large structure and a nation's major scientific decision-making.When managing the general geomatic information,the very large-scale symmetrical matrices in geomatics must be effectively stored, managed and shared in order to make full use of its important role in the informationized geomatics.The symmetrical matrices have been generated every day in such fields as geodesy,photogrammetry & remote sensing and the real-time deformation monitoring on crust or large structure.And their scale has been increasingly and rapidly expanded.The data management of symmetrical matrices based on the ASCⅡtext file management system has been increasingly faced with some great difficulties and challenges.This thesis aims to research the geomatics data management based on the symmetry-relationship model(SR_Model).The SR_Model is employed in the thesis to extend the relationship database management system(RDBMS),and the symmetry-relationship database management system(SR_DBMS) is constructed to manage efficiently the very large scale symmetrical matrices in geomatics when the relationship tables are managed.The main research finished is listed as follows:
1) The scale-expanding features of the geomatics symmetrical matrices are analyzed.The results show that the symmetrical matrices have not been directly and conveniently managed by the RDBMS due to their half-structural properties-there are no fixed fields and the column number varies with the row number at the same time.
2) During the past few decades,for the compression of a symmetrical matrix,the derived index transform formulae have been used to calculate the post-compression indices from the original indices.The inverse index transform formulae that used to calculate the original indices from the post-compression indices are derived in this thesis.These formulae are systematized as the index transform theorems of a symmetrical matrix.These theorems fully reveal the structural information of a given symmetrical matrix and make up the mathematic foundation of the SR Model.
3) The SINEX format in the International Terrestrial Reference Frame(ITRF) data sets is analyzed by using the index transform theorems,and two redundant fields are found in the SINEX file's covariance matrix.Therefore,an elementary suggestion to improve the SINEX format is put forward.Based on those formulae,two new concepts such as the relative running efficiency and the timing microscope function are proposed to explore the post-test of algorithm efficiency.The results show that the improved SINEX format suggested yet belongs to the text file management system.
4) A new researching idea is therefore raised in this thesis.First, the half-structural symmetrical matrices without fixed fields are converted into the full-structural relationship tables with fixed fields using the index transform formulae.Then,the symmetry-relationship databases are set up in accordance with extended relationship principles to manage the converted symmetrical matrices.Finally,the managing results by SR_DBMS are converted into the original form of the symmetrical matrices to be conveniently used by the users.
5) The theory based on the SR_DBMS is tentatively developed, which includes:symmetry-relationship data model(SR_Model),the conception and theory system on SR_DBMS,the symmetry-relationship structural query language(SR_SQL), symmetry-relationship view(SR_V),and so on.
6) The symmetry-relationship module(SR_Module) is initially developed in the software environment of the Windows Vista and Visual FoxPro 9.0,with the example of some datasets in ITRF2000 and ITRF2005,the experiments of the function tests and the efficiency tests are performed according to the principle of the software engineering.
This research shows that the SR_DBMS with no loss of efficiency or convenience of management of relationship tables can save the memory size of disks by 65.8%and can improve the time efficiency by more than a hundred times when managing very large scale symmetrical matrices,compared with the traditional ASCⅡfile management system.The datasets of ITRF,whose symmetrical matrices always occupy more than 90%of the space,are typical geomatics datasets with very large scale of symmetrical matrices,and can be fully managed with the SR_DBMS.
引文
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