基于面向?qū)ο蟮腉IS空間數(shù)據(jù)特征模型研究

摘 要:基于特征(Feature)的建模方法是在七、八十年代出現(xiàn)的、相對(duì)于空間數(shù)據(jù)的圖層(Layer)組織方法而提出的新方法，并在近年來取得了迅速的發(fā)展。本文基于筆者從事GIS數(shù)據(jù)模型的相關(guān)研究心得，以基于面向?qū)ο蟮奶卣鱃IS空間數(shù)據(jù)模型研究對(duì)象，深度探討了基于特征的空間數(shù)據(jù)模型構(gòu)建構(gòu)成的相關(guān)思路，分析了特征對(duì)象與傳統(tǒng)幾何對(duì)象之間的關(guān)系，相信對(duì)從事相關(guān)研究的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞:特征空間數(shù)據(jù)模型概念GIS

中圖分類號(hào):TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)07(b)-0101-02

1 前言

目前組織地理現(xiàn)象的方法的局限性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:(1)基本的矢量和柵格模型把重點(diǎn)放在地理現(xiàn)象的空間位置上，而犧牲了通過在分類屬性和相互關(guān)系的基礎(chǔ)上構(gòu)造實(shí)體而提供的豐富的分析能力。(2)層疊方法不提供對(duì)成對(duì)或成組的基本幾何對(duì)象執(zhí)行空間分析的能力。

第一個(gè)局限性主要是由于地理實(shí)體在矢量系統(tǒng)中被構(gòu)造為數(shù)學(xué)上的點(diǎn)、線、面，而在柵格系統(tǒng)中則構(gòu)造為網(wǎng)格單元。因?yàn)楣凡皇菙?shù)學(xué)上的線，城市也不是數(shù)學(xué)上的點(diǎn)，而且網(wǎng)格單元結(jié)構(gòu)是對(duì)應(yīng)于不確定地理實(shí)體的任意的空間分割，因而這兩個(gè)模型在地理現(xiàn)實(shí)中均不存在。第二個(gè)限制要求開發(fā)新的模型來充分支持空間分析。如果我們給一個(gè)觀眾提供一個(gè)地理場景并詢問他看到了什么，就會(huì)很容易地發(fā)現(xiàn)基于特征模式的必要性。回答不會(huì)是點(diǎn)、線、面和網(wǎng)格單元，而是諸如河流、湖泊、公路和森林等地理實(shí)體。

基于地理圖層的傳統(tǒng)地圖框架在處理復(fù)雜的地理過程模擬和空間分析手段方面表現(xiàn)得不夠充足。困難出在作為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)模型是否需要直接反映地理實(shí)體，還是通過復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，使得這些實(shí)體能用傳統(tǒng)的圖層模型提供給用戶，從而使用戶能在其中命名地理實(shí)體和對(duì)這些實(shí)體進(jìn)行空間分析。

2 特征概念

基于特征的建模方法是在七、八十年代出現(xiàn)的、相對(duì)于空間數(shù)據(jù)的圖層(Layer)組織方法而提出的新方法，并在近年來取得了迅速的發(fā)展。特征建模技術(shù)克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)建模不完整的不足，為集成環(huán)境中全局模型的實(shí)現(xiàn)提供了完備的手段。由于基于特征的建模方法更適合于人們對(duì)現(xiàn)實(shí)地理系統(tǒng)的理解方式，因此，它一出現(xiàn)便立即引起GIS界的極大關(guān)注，并立即被應(yīng)用于GIS技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用實(shí)踐中，其中最重要的應(yīng)用領(lǐng)域有兩個(gè):一個(gè)是GIS標(biāo)準(zhǔn)化研究及標(biāo)準(zhǔn)制定;例如，美國DLG-E是基于地理特征方法的典型應(yīng)用范例，SDTS等一大批空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)、ISO和OGIS等組織的標(biāo)準(zhǔn)化工作均不同程度的受到這一思想方法的影響。第二是基于特征的GIS數(shù)據(jù)庫的開發(fā)工作，例如E.lynn Usery等所描述的工作。

基于特征的方法模擬的是地理特征，而基于圖層的方法模擬的是一張地圖或一組專題地圖。在一個(gè)FBGIS環(huán)境中，地理特征的表示以地理位置以及地理實(shí)體的自然屬性和相互關(guān)系為基礎(chǔ)。地理特征的確定是涉及人類洞察力和認(rèn)知力的一個(gè)復(fù)雜過程。

基于特征方法在計(jì)算機(jī)化的地理數(shù)據(jù)庫框架中的實(shí)現(xiàn)方式之一，是開發(fā)運(yùn)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的數(shù)據(jù)模型。由此產(chǎn)生的特征模型包括對(duì)地理現(xiàn)實(shí)的人為概念化、幾何對(duì)象之間的空間關(guān)系以及非空間對(duì)象之間的特征一特征關(guān)系。

對(duì)現(xiàn)實(shí)地理系統(tǒng)的觀察使我們認(rèn)識(shí)到，我們生活的地球表面，是由公路、河流、建筑物、植被、土地等物質(zhì)實(shí)體組成的。我們將這種具體的事物稱為地理實(shí)體。進(jìn)一步的觀察得出，以某種屬性集作為分類標(biāo)準(zhǔn)，可以將地理實(shí)體分類為具有該種屬性集的實(shí)體集合，那么這一類地理實(shí)體就夠成了地理特征。在基于特征GIS中，特征是地理現(xiàn)象的基本表示。美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的DLG-E數(shù)據(jù)模型對(duì)實(shí)體和特征的定義如下:

實(shí)體:是真實(shí)世界的現(xiàn)象，它不能再被進(jìn)一步細(xì)分為同一類現(xiàn)象。如:橋梁、湖等。

特征 (類型):具有相同屬性及關(guān)系的一類實(shí)體，特征的概念既包含實(shí)體集，也包含對(duì)實(shí)體集的數(shù)字描述。如:河流、道路、泉和橋梁等。

特征實(shí)例:是特征類型的具體化。如青海湖是湖的一個(gè)實(shí)例，長江大橋是橋梁的一個(gè)實(shí)例等。

特征對(duì)象:是特征實(shí)例的表現(xiàn)。河流是一個(gè)實(shí)體，在地圖上一般符號(hào)化為蘭線，蘭線為特征對(duì)象。

E.L ynn Usery等首先對(duì)特征的構(gòu)成進(jìn)行了深入研究。一個(gè)特征是一個(gè)實(shí)體集中的一個(gè)實(shí)例，在這個(gè)實(shí)體集合里每個(gè)實(shí)體是一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界的現(xiàn)象且不能被再細(xì)分為相同種類的現(xiàn)象。定義特征的一個(gè)實(shí)體集共享共同的屬性和關(guān)系。例如，道路特征作為一類，包括一組現(xiàn)實(shí)世界的道路實(shí)體實(shí)例，它們具有共同的屬性和功能。計(jì)算機(jī)環(huán)境中，特征的數(shù)字編碼表示被稱為特征對(duì)象。一個(gè)特征對(duì)象包含關(guān)于該特征的空間(位置)組件與非空間組件的屬性和關(guān)系。屬性被定義為空間的或非空間的特性。對(duì)象與對(duì)象之間具有拓?fù)渑c非拓?fù)潢P(guān)系。空間組件，通常為一個(gè)坐標(biāo)集合，表明特征的位置。

位置可以是諸如x、y、z坐標(biāo)，點(diǎn)，線，面等任何幾何元素或者像素，也可以由集合元素的拓?fù)潢P(guān)系來定義。特征的非空間組件可以由屬性來描述，例如建筑物特征的類型、材料、占地面積、戶主等屬性。關(guān)鍵詞組，諸如is a ，a kind of， above， part of ，可以用來描述特征之間的非拓?fù)潢P(guān)系。

3 特征模型

數(shù)據(jù)模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)的抽象。為了在數(shù)據(jù)模型中使地理現(xiàn)實(shí)概念化，需要使定義組成成員和它們之間關(guān)系的規(guī)則形式化。在對(duì)數(shù)據(jù)模型的許多定義中，Codd提出，一個(gè)數(shù)據(jù)模型包括三個(gè)部分：一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型集合、一個(gè)用于處理這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型的算子(操作符)集合和一個(gè)控制數(shù)據(jù)庫性能的完整性規(guī)則集合。完整性規(guī)則包含一組完整性約束，這些約束能夠控制在不同應(yīng)用中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和運(yùn)算操作。一個(gè)空間數(shù)據(jù)模型經(jīng)常需要完整性約束，因?yàn)樵谠摂?shù)據(jù)模型中所定義的組成成員通常是針對(duì)具體應(yīng)用的。

空間目標(biāo)的復(fù)雜性需要多種方法來定義和使用合適的數(shù)據(jù)類型和運(yùn)算操作。大部分GIS軟件均考慮到對(duì)點(diǎn)一線一面關(guān)系表中空間目標(biāo)之間諸如鄰接和包含等拓?fù)潢P(guān)系的編碼。然而，許多應(yīng)用領(lǐng)域需要處理與非空間關(guān)系接合在一起的復(fù)雜目標(biāo)。在尋求一個(gè)更豐富的數(shù)據(jù)模型對(duì)復(fù)雜的地理實(shí)體進(jìn)行編碼的研究方面，許多研究者把焦點(diǎn)集中在面向?qū)ο蠓椒ㄉ希瑢⑵渥鳛橐哉w的方式體現(xiàn)地理特征和關(guān)系的一種可采用的方法。

在面向?qū)ο蟮幕谔卣鞯腉IS系統(tǒng)中，用戶談到的是對(duì)象而不是一個(gè)關(guān)系的記錄和字段。

特征模型所依據(jù)的概念來自于地理學(xué)中的區(qū)域理論和認(rèn)知心理學(xué)中的分類理論。用一個(gè)特征來表示一個(gè)地理現(xiàn)象是必不可少的，因?yàn)樗馨P(guān)于地理現(xiàn)象的信息的所有方面。在基于特征GIS中，屬性和關(guān)系直接連接在特征的標(biāo)識(shí)符上，這能有效地描述特征的特性。另外，在基于特征的GIS中，特征能被聚集或聯(lián)合而形成一個(gè)復(fù)合特征，而這種復(fù)合特征在通常的基于圖層的GIS中是不能有效獲得的。例如，一個(gè)城市是一個(gè)包括公路、建筑物以及諸如公園等其他土地利用的復(fù)合特征。基于特征的GIS為復(fù)雜地理抽象產(chǎn)物的表示提供了一種手段。

4 特征空間數(shù)據(jù)模型的構(gòu)成

數(shù)據(jù)模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)的抽象。為了在數(shù)據(jù)模型中使地理現(xiàn)實(shí)概念化，需要使定義組成成員和它們之間關(guān)系的規(guī)則形式化。在對(duì)數(shù)據(jù)模型的許多定義中，Codd提出，一個(gè)數(shù)據(jù)模型包括三個(gè)部分:一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型集合、一個(gè)用于處理這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型的算子(操作符)集合和一個(gè)控制數(shù)據(jù)庫性能的完整性規(guī)則集合。完整性規(guī)則包含一組完整性約束，這些約束能夠控制在不同應(yīng)用中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和運(yùn)算操作。一個(gè)空間數(shù)據(jù)模型經(jīng)常需要完整性約束，因?yàn)樵谠摂?shù)據(jù)模型中所定義的組成成員通常是針對(duì)具體應(yīng)用的。

空間目標(biāo)的復(fù)雜性需要多種方法來定義和使用合適的數(shù)據(jù)類型和運(yùn)算操作。大部分GIS軟件均考慮到對(duì)點(diǎn)一線一面關(guān)系表中空間目標(biāo)之間諸如鄰接和包含等拓?fù)潢P(guān)系的編碼。然而，許多應(yīng)用領(lǐng)域需要處理與非空間關(guān)系接合在一起的復(fù)雜目標(biāo)。在尋求一個(gè)更豐富的數(shù)據(jù)模型對(duì)復(fù)雜的地理實(shí)體進(jìn)行編碼的研究方面，許多研究者把焦點(diǎn)集中在面向?qū)ο蠓椒ㄉ希瑢⑵渥鳛橐哉w的方式體現(xiàn)地理特征和關(guān)系的一種可采用的方法。在面向?qū)ο蟮幕谔卣鞯腉IS系統(tǒng)中，用戶談到的是對(duì)象而不是一個(gè)關(guān)系的記錄和字段。

4.1 一個(gè)基于特征GIS目標(biāo)的組成成員

在面向?qū)ο笙到y(tǒng)中，一個(gè)特征的每一個(gè)元素可以被看作一個(gè)對(duì)象。要建立一個(gè)基于特征的GIS系統(tǒng)，對(duì)象被嵌入在實(shí)例變量和方法中，必須包含充足的信息、關(guān)系、功能函數(shù)以支持空間分析和查詢。

AgathaY Tang，Teresa MAdams等認(rèn)為，按照面向?qū)ο蠹夹g(shù)，一個(gè)描述地理特征的對(duì)象應(yīng)包含六個(gè)方面的內(nèi)容:永久性、 外存管理、數(shù)據(jù)共享(并發(fā))、數(shù)據(jù)可靠性(事務(wù)管理和恢復(fù))、實(shí)時(shí)查詢工具和模式修改。對(duì)基于特征的對(duì)象的這六個(gè)元素的概括能夠增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界現(xiàn)象表達(dá)的整體性。唯一的對(duì)象標(biāo)識(shí)符是數(shù)據(jù)庫中系統(tǒng)為每個(gè)對(duì)象產(chǎn)生的。依據(jù)特征和應(yīng)用的類型，定位或幾何信息通常是地面坐標(biāo)或地表高程。非空間屬性數(shù)據(jù)指的是特征的特性，例如一條公路或一個(gè)水體的名子，或是屬性值，例如一個(gè)縣的人口等。拓?fù)潢P(guān)系是幾何目標(biāo)之間的關(guān)系，諸如鄰接、關(guān)聯(lián)、包含關(guān)系。非拓?fù)潢P(guān)系是指特征之間的非幾何聯(lián)系，例如is a，a kind of，above和part of關(guān)系。例如，一條公路在一條河上通過;一條河是縣界的一部分。嵌于每個(gè)對(duì)象內(nèi)的方法用來執(zhí)行諸如新對(duì)象實(shí)例的創(chuàng)建、查詢、計(jì)算和顯示等操作。

4.2 特征對(duì)象和幾何對(duì)象之間的關(guān)系

一個(gè)地理特征能被特征對(duì)象和幾何對(duì)象數(shù)字化表示。在基于特征系統(tǒng)中，特征對(duì)象是基本元素。特征對(duì)象封裝幾何對(duì)象，因?yàn)閹缀螌?duì)象存儲(chǔ)特征對(duì)象的位置信息。幾何對(duì)象包含一個(gè)標(biāo)識(shí)符，另外還有特征的位置和拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

兩個(gè)或兩個(gè)以上對(duì)象之間的關(guān)系被定義為對(duì)象之間的聯(lián)系。根據(jù)用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)的解釋，特征對(duì)象可以被分解為一個(gè)子對(duì)象的集合。例如，一個(gè)城市能被解釋為一個(gè)由人口、建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施組成的對(duì)象。對(duì)象類實(shí)例之間的關(guān)系依賴于應(yīng)用領(lǐng)域和比例尺。可以用一些關(guān)鍵短語可以用來描述基于特征GIS對(duì)象類之間的許多聯(lián)系。它們不但能被用來描述幾何對(duì)象之間的聯(lián)系，而且也能描述特征對(duì)象和幾何對(duì)象之間的聯(lián)系以及特征對(duì)象之間的聯(lián)系。

例如，一個(gè)特征可以是由任何其它空間或非空間對(duì)象組成(composedof)，或是其一部分(part-of)。例如一個(gè)飛機(jī)場是由跑道和建筑物組成;跑道是飛機(jī)場的一部分。‘垂直關(guān)聯(lián)關(guān)系’(vertically related to)用來顯示兩個(gè)特征之間的‘在頂部’或‘在底部’的關(guān)系。例如，一座橋與一條河在垂直方向上是相關(guān)聯(lián)的。特征與特征之間、點(diǎn)與多邊形之間以及線與多邊形之間的聯(lián)系也能用‘以為界’(bounded by)，‘作為邊界’(bounds)，‘位于之內(nèi)’(within)和‘包含’關(guān)系(contains)來描繪。

例如，一個(gè)湖以能用一個(gè)環(huán)來表示的湖岸線為邊界。內(nèi)部面積與邊界環(huán)共同構(gòu)成一個(gè)多邊形。內(nèi)部環(huán)位于多邊形之內(nèi)，形成復(fù)雜多邊形。

參考文獻(xiàn)

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