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6.2. 数据模型

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6.4. 基于关系型数据库空间数据管理


6.3. 图形数据与属性数据组织

地图数据是一个基于空间参考的数据,它以定点、定线或定面的方式与地球表面建立位置联系。图象数据如遥感数据等,图形数据如普遍地图、专题地图等,地理统计数据以及环境监测数据等,均是地图数据的重要代表。

6.3.1. 地图数据的基本组成

空间物体是地图数据的首要组成部分,此外,地图数据还要包括发生在不同时间与地点的地理事物与现象。因此,地图数据包括三个主要信息范畴:空间数据、非空间数据和时间因素。

1.空间数据

根据空间数据的几何特点,地图数据可分为点数据、线数据、面数据和混合性数据四种类型。其中混合性数据由点状、线状与面状物体组成的更为复杂的地理实体或地理单元。 空间数据的一个重要特点是它含有拓扑关系,即网结构元素中结点、弧段和面域之间的邻接,关联与包括等关系。这是地理实体之间的重要空间关系,它从质的方面或从总体方面反映了地理实体之间的结构关系。

    综上所述,空间数据的主要内容包括:

    (1) 空间定位——能确定在什么地方有什么事物或发生什么事情;

    (2) 空间量度——能计算诸如物体的长度、面积、物体之间的距离和相对方位等;

    (3) 空间结构——能获得物体之间的相互关系,对于空间数据处理来说,物体本身的信息固然重要,而物体之间的关系信息(如分布关系、拓扑关系等)都是空间数据处理中所特别关心的事情,因为它涉及全面问题的解决;

   (4) 空间聚合——空间数据与各种专题信息相结合,实现多介质的图、数和文字信息的集成处理,为应用部门、区域规划和决策部门提供综合性的依据。

2.非空间数据

非空间数据又叫做非图形数据,主要包括专题属性数据和质量描述数据等,它表示地理实体的本质特性,是地理实体相互区别的质量准绳,如土地利用、土壤类型等专题数据和地物要素分类信息等。

地图数据中的空间数据表示地理物体位于何处和与其它物体之间的空间关系;而地图数据中的非空间数据,则对地理物体进行语义定义,表明该物体“是什么”。除了这两方面的主要信息外,地图数据中还可包含一些补充性的质量、数量等描述信息,有些物体还有地理名称信息。这些信息的总和,能从本质上对地理物体作相当全面的描述,可看作是地理物体多元信息的抽象,是地理物体的静态信息模型。

3.时间因素

地理要素的空间与规律是地理信息系统的中心研究内容,但是空间和时间是客观事物存在的形式,两者之间是互相联系而不能分割的。因此,往往要分析地理要素的时序变化,阐明地理现象发展的过程和规律。时间因素为地理信息增加了动态性质。在物体所处的二维平面上定义第三维专题属性,得到的是在给定时刻的地理信息。在不同时刻,按照同一信息采集模型,得到不同时刻的地理信息序列。

    若把时间看作是第四维信息,可对地理现象作如下划分:

    超短期的:如地震、台风、森林火灾等;

    短期的:如江河洪水、作物长势等;

    中期的:如土地利用、作物估产等;

    长期的:如水土流失、城市化等;

    超长期的:如火山爆发、地壳形变等。

地理信息的这种动态变化特征,一方面要求信息及时获取并定期更新,另一方面要重视自然历史过程的积累和对未来的预测和预报,以免使用过时的信息导致决策的失误,或者缺乏可靠的动态数据而不能对变化中的地理事件或现象作出合乎逻辑的预测预报和科学论证。

6.3.2. 图形数据的构模

1.矢量数据模型

在矢量数据中,单个地理实体是基本逻辑数据单位。根据在数据模型中所反映的实体间联系的程度,可有两种基本实施方案:无结构的面条模型和反映实体间空间关系的拓扑模型。

(1). 面条模型

在面条模型中,仅仅把实体的空间信息定义成坐标串,不存贮任何空间关系。因此,这种模型仅适用于简单的图形再现,不能用于空间分析,对共位物体还会产生数据冗余,从而难以保持有关数据的一致性。从这个意义上讲,这种模型只能用于彼此分离(不共位)的图形或作为空间数据输入的预备结构。

(2). 拓扑模型

拓扑模型在空间数据模型中得到了广泛的承认,不少著名的数据模型都是围绕着这个概念建立起来的。因为拓扑模型不仅能保证共位物体的无冗余存贮,还可利用结构法则检索物体间的空间关系异常。例如,我们可以为河流网、交通网、电力网、给水网、排水网等建立拓扑关系,这样,就可以根据网线的关系来达到跟踪、检索、分析等目的。

2.面片数据模型

在这类模型中,基本数据元素是基于一个空间单元的。实体信息是按照这种空间单元进行采集的。面片数据模型主要表现为以下两种形式:网格系统和多边形系统。

(1). 网格系统

网络系统是用规则的小面块集合来逼近自然界不规则的地理单元。数据采集与图象处理中普遍采用正方形,这就意味着正方形砌块是分割二维空间的实用形式。

(2). 多边形系统

多边形系统借助任意形状的弧段集合来精确表达地理单元的自然轮廓。它是表达面状地理要素的重要手段。多边形系统不象网格系统那样使用简单的二维阵列结构,各个面域单元之间的关系不是系统所有的,而是需要专门地建立,即要建立多边形网结构元素之间的拓扑关系。

6.3.3. 专题属性数据构模

各种地理信息系统,除了管理图形数据系统,还在不同程度上管理和处理与图形数据相关联的专题数据。在层次、网状和关系模型中,最常用的专题属性数据构模是关系数据模型。

6.3.4. 图形数据与专题属性数据的连接

在空间数据库系统中,图形数据与专题属性数据一般采用分离组织存贮的方法存贮,以增强整个系统数据处理的灵活性,尽可能减少不必要的机时与空间上的开销。然而,地理数据处理又要求对区域数据进行综合性处理,其中包括图形数据与专题属性数据的综合性处理。因此,图形数据与专题属性数据的连接也是很重要的。图形数据与专题属性数据的连接基本上有4种方式:

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图 6-7 图形数据与属性数据的连接

1.图形数据与专题属性数据分别管理

这种方式没有集中控制的数据库管理系统,它有两种管理形式:(1)属性数据是作为图形数据记录的一部分进行存贮的。这种方案只有当属性数据量不大的个别情况下才是有用的。大量的属性数据加载于图形记录上会导致系统响应时间的普遍延长。当然,主要的缺点在于属性数据的存取必须经由图形记录才能进行。(2)用单向指针指向属性数据,此方法的优点在于属性数据多少不受限制,且对图形数据没有什么坏影响。缺点是仅有从图形到属性的单向指针,因此,互相参照是非常麻烦的,并且容易出错。如图6-7(a)。

2.对通用DBMS扩展以增加空间数据的管理能力

对通用DBMS进行必要的扩充,以增加空间数据的管理能力,使空间数据和属性数据在同一个DBMS管理之下。这种方法使空间和属性数据之间的联系比较密切,还便于利用某些DBMS产品的现成功能(如:多用户的控制,客户机/服务器的运行模式等),但为了使空间数据适应关系模型,需牺牲软件运行的效率。如图6-7(b)。

3.属性数据与图形数据具有统一的结构

此结构中有双向指针参照,且由一个数据库管理系统来控制,使灵活性和应用范围均大为提高。这一方案能满足许多部门在建立信息系统时的要求。如图6-7(c)。

4.图形数据与属性数据自成体系

此方案为图形数据和属性数据彼此独立地实现系统优化提供了充分的可能性,以进一步适合于不同部门的数据处理方法。这里属性数据有其专用的数据库系统,很多情况下是用于事务管理的商业数据库,并且在它基础上建立了能够从属性到图形的反向参照功能。如图6-7(d)。

当然,在许多GIS系统中,图形数据和属性数据并不是使用单一的连接方式,而是根据具体情况使用多种方式。例如,MAPGIS以第三种方式为主,但也包含第四种方式。

6.3.5. 地理实体信息框架

有关地理实体的各种信息内容,可表示为描述实体记录数据项的集合,这样便形成一种信息框架,表示实体信息的逻辑构成。例如,一个地理实体的信息结构可表示为如图6-8所示的两种形式。

其中,图形信息用来描述实体的图形特征,如实体为一条线,则其图形信息描述的是

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图 6-8 地理实体的信息框架

该线的线型、线宽、线色等信息。专题属性信息表明该实体属于哪一类物体,即表明该目标“是什么”,如为水系、道路、居民点、境界、地貌及土壤植被等类型,而在各个类型中又根据其它特征进一步细分,此外还可包括表示其质量、数量、强度等属性信息。空间信息描述物体的位置与形状,这种信息可通过一系列直角坐标对来描述。关系信息描述该目标与其他物体的联系,这可用存贮与该物体有关系的那些物体的关键字来实现,比如,组成一个面域的若干个弧段号;一个弧段的左、右面域号等。

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