浅谈GIS空间数据模型.doc

浅谈GIS空间数据模型

姓名：蒲罗曼
学号：2014612124

摘要：空间数据模型是以计算机能够接受和处理的数据形式，为了反映空间实体的某些结构特性和行为功能，按一定的方案建立起来的数据逻辑组织方式，是对现实世界的抽象表达，反映了现实世界空间实体及其相互关系。国际GIS学术界和产业界对空间数据模型的研究一直十分重视和关注。本文将首先介绍GIS空间数据模型研究的重要性和意义,然后分别论述GIS的空间概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型的基本概念和基本问题,继而介绍和讨论GIS空间数据模型的国际学术前沿和当前在这方面的研究工作。
关键词：空间数据模型；GIS；空间实体；空间关系
1 前言
地理信息系统（GIS）有时又称为“地学信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。空间数据模型是关于GIS中空间数据组织的概念,反映现实世界中空间实体及其相互之间的联系,为空间数据组织设计提供基本的概念和方法。实践表明,对现有空间数据模型认识和理解的正确与否在很大的程度上决定着GIS空间数据管理系统研制或应用空间数据库设计的成败而对空间数据模型的深入研究又直接影响着新一代GIS系统的发展。
２ GIS空间数据模型简介
GIS空间数据模型包括概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型。概念数据模型是关于实体及实体间联系的抽象概念集,逻辑数据模型表达概念数据模型中数据实体及其间关系,而物理数据模型则是描述数据在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构。
2.1 概念数据模型
GIS空间数据模型的概念模型的基本任务是,确定所感兴趣的现象和基本特性,描述实体间的相互联系,从而确定空间数据库的信息内容。目前广为采用的是基于平面图的点、线、面数据模型和基于连续铺盖的栅格数据模型。
基于平面图的点、线、面数据模型是一种面向空间实体的模型,其把现实世界的空间实体抽象地看作是由平面上的点、线、面空间目标组成的。这些点、线、面空间目标之间存在着一些空间关系，如点、线、面目标与其组成弧段、结点、坐标之间的相交、连接、连通和包容等拓扑空间关系。基于平面图的点、线、面数据模型的一个核心问题是描述和表达点、线、面空间目标及其相互间的拓扑空间关系。基于连续铺盖的栅格数据模型是将连续空间离散化。即用二维铺盖或面片覆盖整个连续空间;铺盖可分为规则和不规则的，后者可当做拓扑多边形处理,如社会经济分区、城市街区；铺盖的特征参数有尺寸、形状、方位和间距。同一现象,也可能有若干不同尺度、不同聚分性的铺盖。

图1 概念数据模型

2.2 逻辑数据模型
逻辑数据模型是根据前述概念数据模型确定的空间数据库信息内容(空间实体及相互关系)，具体地表达数据项、记录等之间的关系，因而可以有若干不同的实现方法。一般说来，可将空间逻辑数据模型分为结构化模型和面向操作的模型两大类。
2.3 物理数据模型
逻辑数据模型并不涉及最低层的物理实现细节,但计算机处理的是二进制数据,必须将逻辑数据模型转换为物理数据模型,即要设计空间数据的物理组织、空间存取方法、数据库总体存储结构等。其中空间数据存取及查询优化仍是目前国际GSI研究的一个重要课题。这是因为人们目前将空间定位数据及其属性看作是多维空间中的点,,采用栅格文件系统、KD树、四叉树、R树等多维点索引结构进行索引。但由于最小矩框往往重叠嵌套,致使包括R树在内的索引方法失去了应有效率,需研究基于空间目标分解的空间索引结构,以提高查询速度。
3 空间数据模型的学术前沿
时空数据模型、三维数据模型、动态空间数据结构、分布式空间数据管理、空间存取方法、GIS设计的CASE工具等是目前国际上GIS空间数据模型研究的学术前沿。
3.1 时空数据模型
时空数据模型的核心问题是研究如何有效地表达、记录和管理现实世界的实体及其相互关系随时间不断发生的变化。这种时空变化表现为三种可能的形式，一是属性变化，其空间坐标或位置不变；二是空间坐标或位置变化，而属性不变，这里空间的坐标或位置变化既可以是单一实体的位置、方向、尺寸、形状等发生变化，也可以是两个或两个以上的空间实体之间的关系发生变化；三是空间实体或现象的坐标和属性都发生变化。当前时态GIS研究的主要问题有：表达时空变化的数据模型、时空数据组织与存取方法、时空数据库的版本问题、时空数据库的质量控制、时空数据的可视化问题等。
3.2 三维空间数据模型
国际上关于三维空间数据模型的研究大体上可分为两个方向：一是三维矢量模型，其是用一些基元及其组合去表示三维空间目标，这些基元本身是可以用简单数学解析函数描述的。二是体模型，以体元模型为代表，这种体元模型的特点是易于表达三维空间属性的非均衡变化，其缺点是所占存储空间大、处理时间长。
3.3 分布式空间数据模型
分布式空间数据库管理系统和联邦空间数据库是国际上关于分布式空间数据模型的两个主要研究方向。
1）分布式空间数据库管理系统
分布式空间数据库管理系统是将空间数据库技术与计算机网络技术相结合，利用计算机网络对通过通讯线路相关联的空间数据库进行数据和程序的分布处理，以实现集中与分布的统一，即分布式空间数据库管理系统是将分散的空间数据库连成一体。其主要问题包括空间数据的分割、分布式查询、分布式并发控制。
2）联邦空间数据库
联邦空间数据库则是在不改变不同来源的各空间数据库管理系统的前提下，将非均质的空间数据库系统联成一体，形成联邦式的空间数据库管理体系，并向用户提供统一的视图。
4 栅格数据模型和矢量数据模型
4.1 栅格数据模型
基于栅格的空间模型把空间看作像元的划分，每个像元都与分类或者标识所包含的现象的一个记录有关。像元与“栅格”两者都是来自图像处理的内容，其中单个的图像可以通过扫描每个栅格产生。GIS中栅格数据经常是来自人工和卫星遥感扫描设备中，以及用于数字化文件的设备中。采用栅格模型的信息系统，通常应用了前面所述的分层的方法，在每个图层中栅格像元记录了特殊的现象的存在。每个像元的值表明了在已知类中现象的分类情况。

图2 栅格数据模型

4.2 矢量数据模型
矢量方法强调了离散现象的存在，由边界线（点、线、面）来确定边界，因此可以看成是基于要素的。然而，在一些基于矢量的GIS中，表现表面的便利，带给它模拟二维场的可能性，最常见的例子就是地表高程。栅格技术将重点放置在了空间格网像元位置的内容上，因此经常被描述为基于位置的。栅格数据模型似乎与上面所描述的场的观点相似，但是所储存的空间信息模型并不是对一个连续变量的描述，而它是格网——像元值的一个集合，这些值当然可以被看成抽样一个场模型，但是同样可以被抽样成一个基于对象的模型。

图3 矢量数据模型
矢量数据模型将现象看作原形实体的集合，且组成空间实体。在二维模型内，原型实体是点、线和面；而在三维中，原型也包括表面和体。观察的尺度或者概括的程度，决定了使用的原型的种类。在一个小比例尺表现中，诸如城镇这一现象可以由个别的点所组成，而路和河流由线来表示。当表现的比例尺增大时，必然要考虑到现象的尺度；在一个中等比例尺上，一个城镇可以由特定的原型，如线，来表示用以记录其边界。在较大的比例尺中，城镇将被表现为特定的原型的复杂的集合，包括建筑物的边界、道路、公园以及所包含的其它的自然与管理现象。
矢量模型的表达源于原型空间实体本身，通常以坐标来定义。一个点的位置可以二维或者三维中的坐标的单一集合来描述。一条线通常由有序的两个或者多个坐标对集合来表示。特定坐标之间线的路径可以是一个线性函数或者一个较高次的数学函数，而线本身可以由中间点的集合来确定。一个面通常由一个边界来定义，而边界是由形成一个封闭的环状的一条或多条线所组成。如果区域有个洞在其中，那么可以采用多个环以描述它。
5 结语
空间数据模型研究是人类认识和解释客观世界的桥梁,它是以信息理论和计算机技术为依据,来解释、反映和分析客观世界的理论基础。它是任何一个GIS和DATA BASE设计的核心,制约着系统的功能、系统的有效性和实用性;它是推动信息系统、数据库向新的目标发展的动力,具有国际前沿性质。

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