對地理信息系統數據結構與數據組織管理之分析

胡金朋 寧柯

摘要：本文基于筆者多年從事地理信息系統的相關工作經驗，以地理信息系統矢柵數據結構及數據組織管理為研究對象，探討了地理信息系統數據模型、數據結構、數據組織與管理方法。

關鍵詞：地理信息系統；數據結構；數據組織管理

現代地理信息系統的普遍的發展趨勢是以數據倉庫形式構筑一個規模龐大的并行數據庫系統，具有海量的數據存儲與管理能力，數據庫的主體是地理實體的各種時態下的屬性信息數據，而地理實體的空間位置數據雖然是地理信息處理的基礎，但是相對而言，空間數據庫在系統數據庫中所占份額并不大。

與一般的地理信息系統不同的是，我們開發的電信線路網絡GIS系統采用的就是關系型數據庫（Oracle)和GIS軟件相結合的方式。

由于最常用的系統功能是顯示當前電信設備，因此有效的組織電信要素數據數據庫是比較重要的。由于GIS的數據是海量的，系統在圖形處理速度上的快慢是一個GIS系統成功與否的重要標志。因此，我們采用了背景圖和電信設備、線路分開組織、統一管理的方式。背景圖存儲地形圖的空間和屬性數據；而關系數據庫存儲電信設備及線路的空間和屬性數據。

由于地理信息庫數據結構是地理信息處理技術的基礎，地理信息數據庫結構設計是整個系統設計成敗的關鍵所在。合理的數據結構能提高整個系統信息處理的效率，簡化系統編程，增強地理信息庫對異常情況的容錯能力，從而達到提高整個系統實時性、可靠性的目的。

設計合理的系統空間數據庫的結構有兩方面的意義：其一是提高對操作的響應速度，其二是縮小系統數據庫的體積，使之能存儲在容量有限的設備中。圖形數據采用矢量數據結構。

一、GIS空間數據模型與數據結構

根據所采用的數據結構的不同，GIS數據模型可分為矢量型、柵格型以及柵格與矢量混合型。一般來說，柵格型GIS的數據結構簡單，易于實現面域數據的處理，如求面域的面積、周長，作面域的擴張、收縮、疊加，以及求弧段的交點等。但它不便于作面向實體的處理，不便于記錄特征之間的相互關系，且數據存儲需占較大空間；而矢量型GIS的數據結構則較為復雜，但它擅于表達特征之間的相互關系，如面域的相鄰關系，弧段的相交關系，以及點對線的歸屬關系，線對面的歸屬關系等，并且易于以實體為單位對數據進行處理，它的數據存儲也只需較小的空間。只是對于柵格型GIS所擅長的面域方面的處理，用矢量數據結構來實現時，則需要較復雜的處理過程和較多的處理時間。隨著計算機的發展，處理速度的飛速提高，數據的處理時間問題變得不再那么突出，而人們對數據所能表達的內容的要求卻越來越高，因而更多的地理信息系統采用了矢量數據結構作為其主要數據結構。

矢量數據易于實現面向實體的操作，這里的實體是現實世界中的個體在數據世界中的映射。在二維數據世界里，面狀實體用來表達平面投影為面狀的物體，如居民地、林地、水域等；線狀實體則表達平面投影長寬相差非常顯著，并且對其面積不作為重點考察的物體，如各種管線、道路，以及小比例尺地圖上的河流、通路等；點狀實體用來表達投影面積可忽略不計的物體或示意點，如小比例尺地圖上的居民點、港口、機場等。

1.柵格數據結構

在柵格數據結構中，空間被規則地劃分為柵格（通常為正方形)。地理實體的位置和狀態是用它們占據的柵格行、列以及取什么值來定義的。實體的空間位置就是用其在柵格中的行號、列號來表示；實體的屬性就用單元的取值來表示，這樣輸入、輸出、儲存、處理都比較方便。在靠近事物邊界的位置，按四舍五入原則決定單元取值。基本單元的大小代表了柵格型地圖（空間)數據庫的分辨率。一般地圖是用點、線，面來表達空間事物，點在網格中占據一個基本單元，線由一系列單元連接成鋸齒狀折線，面的邊界也是鋸齒狀的。

用柵格結構表示的地表特征是不連續的，在柵格結構中，地表被分成相互鄰接、規則排列的矩形方塊（有時也可以是三角形或菱形、六邊形等），每個地塊與一個柵格單元相對應，柵格數據的比例尺就是柵格大小與地表相應單元大小之比。

2.矢量數據結構

空間數據一般由點、線、面組成，在矢量數據結構中，所有這些空間要素都是以點的形式表示的，最常用的是二維笛卡爾平面直角坐標系，折合平面解析幾何對物體的描述十分相似。一個點有一對坐標（x，y)表示，沒有形狀也沒有大小。簡單的線用一串有次序的坐標表示，對精度要求高的曲線可用多條很短的直線來擬合，也可用圓弧或更復雜的數學函數和直線混合起來表示。面是用線圍起來的封閉的不規則多邊形。雖然矢量坐標點的分辨率比柵格模型中的最小基本單元的分辨率要高得多，但實際使用時也要受存儲量的限制。如小比例尺地圖數據庫中的河流不能表現出實際的寬度變化；大比例尺地圖數據庫中的房屋邊界，也往往略去一些小的轉折。另外坐標點用什么做基本單位，保留小數點后幾位，也是有限制的。

在矢量型的GIS軟件中，定義多邊形比定義點、線要復雜。早期的GIS軟件或計算機地圖制圖系統常把多邊形的邊界看作是線的簡單閉合，這種方法可稱為“環”狀多邊形編碼或數據結構，這種結構比較簡單，但不能表達邊界和多邊形之間的關系，以及相鄰多邊形之間的關系，而且公共邊界要定義兩遍，制圖是容易產生重復繪制的問題，且數據冗余度較大。

二、 GIS數據的組織與管理

1.空間數據的組織

目前，通常的方法是用“層”的概念來分別存儲不同專題的空間信息。即每一層存放一種專題或一類信息，并有一組對應的數據文件。在具體的數據庫設計時，分得粗好，還是分得細好，必須根據應用上的要求、計算機硬件的存儲量，處理速度以及軟件的限制來決定。一般來說，分得過細不便于操作人員記憶，處理上比較麻煩；分得過粗不利于某些特殊要求的分析、查詢。例如，把不同性質的地下管線合在同一層上，當需要單獨查詢、顯示其中一種管線時，只能根據管線的屬性來區分，這比單獨用一層存放一種管線要花費更多的處理時間，數據更新也是分開方便。但是，若經常要同時顯示幾種管線時，若用分開存放的方式，需要同時對幾個層操作，這時又可能是合起來方便。

2.空間數據的管理

一般的事物管理用的DBMS不適合直接管理空間數據，常見的原因有以下幾點。

2.1不提供有關空間位置的查詢功能。如要查詢某幢房子有哪些公共設施

管線通道它附近，這幢房子在土地使用規劃圖上允許做什么用等等，一般的OBMS很難做到，再復雜的分析更難。

2.2沒有復雜的圖形顯示功能。空間查詢、分析的結果不只是文字報告圖形顯示更重要，一般的DBMS不具備這一能力。

2.3存儲、處理空間數據不夠經濟。空間數據模型的內部結構比較特殊，而一般的事物管理用的OBMS大都是表狀的關系型數據結構。