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，分析了特征對象與傳統(tǒng)幾何對象之間的關(guān)系，相信對從事相關(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:TP2文獻標識碼:A文章編號: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)在兩個方面:(1)基本的矢量和柵格模型把重點放在地理現(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)造實體而提供的豐富的分析能力。(2)層疊方法不提供對成對或成組的基本幾何對象執(zhí)行空間分析的能力。

第一個局限性主要是由于地理實體在矢量系統(tǒng)中被構(gòu)造為數(shù)學上的點、線、面，而在柵格系統(tǒng)中則構(gòu)造為網(wǎng)格單元。因為公路不是數(shù)學上的線，城市也不是數(shù)學上的點，而且網(wǎng)格單元結(jié)構(gòu)是對應(yīng)于不確定地理實體的任意的空間分割，因而這兩個模型在地理現(xiàn)實中均不存在。第二個限制要求開發(fā)新的模型來充分支持空間分析。如果我們給一個觀眾提供一個地理場景并詢問他看到了什么，就會很容易地發(fā)現(xiàn)基于特征模式的必要性。回答不會是點、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體。

基于地理圖層的傳統(tǒng)地圖框架在處理復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體，還是通過復雜的數(shù)據(jù)處理，使得這些實體能用傳統(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體和對這些實體進行空間分析。

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現(xiàn)實地理系統(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)用實踐中，其中最重要的應(yīng)用領(lǐng)域有兩個:一個是GIS標準化研究及標準制定;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)換標準、ISO和OGIS等組織的標準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FBGIS環(huán)境中，地理特征的表示以地理位置以及地理實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知力的一個復雜過程。

基于特征方法在計算機化的地理數(shù)據(jù)庫框架中的實現(xiàn)方式之一，是開發(fā)運用面向?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地理現(xiàn)實的人為概念化、幾何對象之間的空間關(guān)系以及非空間對象之間的特征一特征關(guān)系。

對現(xiàn)實地理系統(tǒng)的觀察使我們認識到，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)實體組成的。我們將這種具體的事物稱為地理實體。進一步的觀察得出，以某種屬性集作為分類標準，可以將地理實體分類為具有該種屬性集的實體集合，那么這一類地理實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)模型對實體和特征的定義如下:

實體:是真實世界的現(xiàn)象，它不能再被進一步細分為同一類現(xiàn)象。如:橋梁、湖等。

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

特征實例:是特征類型的具體化。如青海湖是湖的一個實例，長江大橋是橋梁的一個實例等。

特征對象:是特征實例的表現(xiàn)。河流是一個實體，在地圖上一般符號化為蘭線，蘭線為特征對象。

E.L ynn Usery等首先對特征的構(gòu)成進行了深入研究。一個特征是一個實體集中的一個實例，在這個實體集合里每個實體是一個現(xiàn)實世界的現(xiàn)象且不能被再細分為相同種類的現(xiàn)象。定義特征的一個實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)實世界的道路實體實例，它們具有共同的屬性和功能。計算機環(huán)境中，特征的數(shù)字編碼表示被稱為特征對象。一個特征對象包含關(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。對象與對象之間具有拓撲與非拓撲關(guān)系。空間組件，通常為一個坐標集合，表明特征的位置。

位置可以是諸如x、y、z坐標，點，線，面等任何幾何元素或者像素，也可以由集合元素的拓撲關(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撲關(guān)系。

3 特征模型

數(shù)據(jù)模型是對現(xiàn)實的抽象。為了在數(shù)據(jù)模型中使地理現(xiàn)實概念化，需要使定義組成成員和它們之間關(guān)系的規(guī)則形式化。在對數(shù)據(jù)模型的許多定義中，Codd提出，一個數(shù)據(jù)模型包括三個部分：一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型集合、一個用于處理這些數(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)和運算操作。一個空間數(shù)據(jù)模型經(jīng)常需要完整性約束，因為在該數(shù)據(jù)模型中所定義的組成成員通常是針對具體應(yīng)用的。

空間目標的復雜性需要多種方法來定義和使用合適的數(shù)據(jù)類型和運算操作。大部分GIS軟件均考慮到對點一線一面關(guān)系表中空間目標之間諸如鄰接和包含等拓撲關(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)系接合在一起的復雜目標。在尋求一個更豐富的數(shù)據(jù)模型對復雜的地理實體進行編碼的研究方面，許多研究者把焦點集中在面向?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，用戶談到的是對象而不是一個關(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中的區(qū)域理論和認知心理學中的分類理論。用一個特征來表示一個地理現(xiàn)象是必不可少的，因為它能包含關(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識符上，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)合而形成一個復合特征，而這種復合特征在通常的基于圖層的GIS中是不能有效獲得的。例如，一個城市是一個包括公路、建筑物以及諸如公園等其他土地利用的復合特征。基于特征的GIS為復雜地理抽象產(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)模型是對現(xiàn)實的抽象。為了在數(shù)據(jù)模型中使地理現(xiàn)實概念化，需要使定義組成成員和它們之間關(guān)系的規(guī)則形式化。在對數(shù)據(jù)模型的許多定義中，Codd提出，一個數(shù)據(jù)模型包括三個部分:一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型集合、一個用于處理這些數(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)和運算操作。一個空間數(shù)據(jù)模型經(jīng)常需要完整性約束，因為在該數(shù)據(jù)模型中所定義的組成成員通常是針對具體應(yīng)用的。

空間目標的復雜性需要多種方法來定義和使用合適的數(shù)據(jù)類型和運算操作。大部分GIS軟件均考慮到對點一線一面關(guān)系表中空間目標之間諸如鄰接和包含等拓撲關(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)系接合在一起的復雜目標。在尋求一個更豐富的數(shù)據(jù)模型對復雜的地理實體進行編碼的研究方面，許多研究者把焦點集中在面向?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，用戶談到的是對象而不是一個關(guān)系的記錄和字段。

4.1 一個基于特征GIS目標的組成成員

在面向?qū)ο笙到y(tǒng)中，一個特征的每一個元素可以被看作一個對象。要建立一個基于特征的GIS系統(tǒng)，對象被嵌入在實例變量和方法中，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等認為，按照面向?qū)ο蠹夹g(shù)，一個描述地理特征的對象應(yīng)包含六個方面的內(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)、實時查詢工具和模式修改。對基于特征的對象的這六個元素的概括能夠增強對現(xiàn)實世界現(xiàn)象表達的整體性。唯一的對象標識符是數(shù)據(jù)庫中系統(tǒng)為每個對象產(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水體的名子，或是屬性值，例如一個縣的人口等。拓撲關(guān)系是幾何目標之間的關(guān)系，諸如鄰接、關(guān)聯(lián)、包含關(guān)系。非拓撲關(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。嵌于每個對象內(nèi)的方法用來執(zhí)行諸如新對象實例的創(chuàng)建、查詢、計算和顯示等操作。

4.2 特征對象和幾何對象之間的關(guān)系

一個地理特征能被特征對象和幾何對象數(shù)字化表示。在基于特征系統(tǒng)中，特征對象是基本元素。特征對象封裝幾何對象，因為幾何對象存儲特征對象的位置信息。幾何對象包含一個標識符，另外還有特征的位置和拓撲信息。

兩個或兩個以上對象之間的關(guān)系被定義為對象之間的聯(lián)系。根據(jù)用戶對現(xiàn)實的解釋，特征對象可以被分解為一個子對象的集合。例如，一個城市能被解釋為一個由人口、建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施組成的對象。對象類實例之間的關(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對象類之間的許多聯(lián)系。它們不但能被用來描述幾何對象之間的聯(lián)系，而且也能描述特征對象和幾何對象之間的聯(lián)系以及特征對象之間的聯(lián)系。

例如，一個特征可以是由任何其它空間或非空間對象組成(composedof)，或是其一部分(part-of)。例如一個飛機場是由跑道和建筑物組成;跑道是飛機場的一部分。‘垂直關(guān)聯(lián)關(guān)系’(vertically related to)用來顯示兩個特征之間的‘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，一個湖以能用一個環(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)成一個多邊形。內(nèi)部環(huán)位于多邊形之內(nèi)，形成復雜多邊形。

參考文獻

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