基于GIS語義的城市專題地理數據模型設計

李靜蘭

(太原市勘察測繪研究院，山西 太原 030002)

1 引 言

隨著城市信息化進程的加速，地理信息的應用領域迅速衍生，城市建設管理各專業領域對專題地理數據的內容、質量與現勢性等方面都提出了更高的要求，專題地理數據資源的建設與維護工作日益繁重。目前，城市測繪地理信息服務部門主要依托具體的服務項目開展專題地理數據庫的建設，每個專題數據庫具有特定的用戶對象。由于缺乏統一的數據模型，專題數據庫之間不存在任何聯系，許多可能通用或相關的地理信息無法共享或再利用，專題數據庫數據的重復采集、整理工作量巨大，更新維護效率較低。

雖然在不同的應用領域中，同一地理對象所反映的特征信息不同，但是，現實世界中的地理現象具有緊密的內在聯系，專題地理信息間存在極大的相關性。本文分析了地理信息分類學在GIS 數據模型設計中的局限性，提出了一種基于GIS 語義關系的專題數據模型設計思路，通過構建統一的數據模型，有效解決數據共享、再利用，為多源矢量數據衍生，專題數據的快速整合、更新奠定基礎。

2 地理信息分類體系在GIS 數據模型設計中的應用局限

由于具有極強的結構化表達能力，地理信息分類學已廣泛應用于GIS 數據組織、數據模型設計中，為GIS 系統對地理數據的有效管理、處理與共享奠定了良好的基礎。然而，隨著GIS 系統應用的不斷增加以及數據共享要求的不斷提高，地理信息分類體系在GIS 數據模型設計中應用的局限性已逐漸顯現。

一個分類體系的誕生，除了其本身所蘊含的內在科學基礎之外，總是具有極強的應用背景，例如根據“綠地特性”和根據“綠地功能”所進行的對“綠地”這一實體的不同分類之間，由于應用目的的不同，會有質的區別(如圖1、圖2所示)。不同的應用觀點下，同一種地理組成往往具有不同的分類體系。不同的分類體系下地理要素關系往往是一種N∶ N 關系(如圖3所示)，如喬木林地、灌木林地、苗圃地分別在林地分類和城市綠地分類中所處的不同位置。

然而，地理信息分類體系所采用的線分類方法是一種層次結構，表達的是不同地理特征之間、不同地理實體之間的繼承和包含關系，只支持1∶ N 關系，不能表達復雜地理空間的全部語義。

圖1 林地系統中的1∶ N 關系

圖2 城市綠地系統中的1∶ N 關系

圖3 不同系統中的N∶ N 關系

3 GIS 語義

語義是指用語言反映人類思維過程和客觀實際的關系，是人們對客觀事物的反映。空間數據的語義信息反映空間信息與現實世界的聯系。語義模型是一種更高層次的數據模型，當數據庫系統具有較完備的語義描述能力時，它就能準確描述現實世界中實體集合及其相互關系。

GIS 語義數據模型的設計一般采用特征－屬性－屬性值的模擬方法，將某一類地理現象定義為地理特征，將地理特征抽象為語義模型中的對象或實體，利用對象之間的屬性關系、繼承關系、聚合和概括等關系，構造關于地理現象的靜態模式，進而實現動態的模擬。

4 基于GIS 語義模型的城市專題數據模型設計

城市專題數據有別于基礎地理信息數據，是滿足特定應用需求的、反映專題信息的地理數據集合。“專題”與“專業”和“部門”的意義相近。

為了提高數據復用率、減少數據冗余，實現專題數據的合理規劃、極大共享，需要圍繞城市建設、管理各專業部門的應用需求，構建具有GIS 語義描述能力的專題數據模型。專題數據模型包含一整套描述和模擬工具或模型部件，具體為:①專題地理數據體的基礎模型(基礎部件)及元數據;②專題信息模型;③專題數據衍生及映射機制。基礎模型與專題信息模型的設計需整合分離各類需求的最大共性和獨特的行業特性，確保兩者間層次合理、關系明確。

(1)基礎模型

該模型是城市專題(屬性)信息承載的基礎，以空間地理要素為主，以地理要素的最基本、最穩定的特征進行分類體系設計。盡可能簡化分類，不必要的分類屬性均納入到專題信息模型中。

(2)城市專題信息模型

該模型反映城市各類專題信息，以屬性及虛擬化的空間信息為主，在各專業應用背景下，對要素屬性項進行分類編碼，利于信息的安全共享;專題屬性信息與基礎模型采用主鍵關聯;強化要素屬性記錄，便于基于主鍵屬性等同原則實現不同分類的映射轉換。

(3)專題數據衍生及映射機制

該機制用于實現由基礎數據模型和專題信息模型向專題應用的轉換，主要包括城市專題信息建模圖(UML)、資源目錄和一套數據抽取、轉換、加載工具(Extract、Transform、Load，ETL)。

城市專題信息建模圖是對專題數據模型的全面反映，包括基礎模型(部件)內部、基礎數據模型與專題信息模型、專題信息模型內部的關系。關系包括要素之間的繼承、概括、聯合和聚合。

資源目錄是對專題數據庫已有數據資源的細致說明，包括數據標準、數據來源、數據生產方法、時態信息、空間參考、數據質量等。

5 專題數據庫與應用服務的關系

基于GIS 語義的城市專題數據模型是城市專題數據資源的高效組織、管理與應用的重要基礎。在地理信息服務部門的數據資源體系中，專題數據庫是建立在基礎地理信息資源基礎之上，面向應用服務的專題數據倉庫。基礎地理信息數據庫是專題數據庫的重要基礎資源，專題數據庫是服務實際應用的基本資源，但并不直接滿足具體服務需求，而是通過應用模式快速轉換滿足服務。專題數據庫與基礎地理信息數據庫、專題應用服務的關系如圖4所示。

圖4 專題數據庫與應用服務的關系

6 應用案例

基于上述設計原則，本文以城市綠地專題數據庫為例進行相關設計及應用實踐。

6.1 分類體系重建信息分析與總體設計

分類體系重建信息分析(如圖5所示)主要包含兩方面的工作，一是收集整理園林局、林業局、規劃局、市政等部門對城市綠地數據的分類及屬性要求，整合分離需求的共性與特性，建立不同領域中同一地理現象的內在聯系，選擇最穩定的分類原則，建立基礎模型與專題模型的聯系和區分，基礎模型及專題信息模型的高層分類滿足《GB/T 25529 －2010 地理信息分類與編碼規則》要求;二是分析基礎地理信息分類體系與前述分類原則的同異之處，建立基礎地理信息(植被與土質部分)與城市綠地的聯系。

圖5 城市綠地分類體系重建

6.2 城市綠地基礎模型設計

根據城市綠地分布特點，按照城市綠地建設管理兩大部門園林局及林業局的管理區域劃分，城市建設區域內采用城市綠地分類(大類)，城市建設區域范圍外、總規范圍內采用林地分類(中類)，該原則與《GB50137 －2011 城市用地分類與規劃建設用地標準》中城鄉用地分類標準一致。基礎模型的分類原則直接影響地理空間位置的界定原則。城市綠地各要素一般為人工建設，以構筑物為界，如花池、柵欄、道路等，因此以構筑物邊界確定要素范圍。林地各要素一般為自然形成，采用喬灌種類、栽植密度及地形地貌等特征確定要素范圍。

表1 城市綠地分類表

6.3 城市綠地專題模型設計

專題模型以專業屬性為主，應緊密圍繞各專業領域的分類標準及管理條例梳理形成。城市綠地專題模型專題分類及參照的規范標準和管理條例如表2所示。

表2 城市綠地分類表

6.4 城市綠地專題數據的應用

根據基礎模型與專題模型的設計原則，創建建模圖(如圖6所示)，綠地專題數據模型中所有綠地類繼承基礎類(空間位置)和專題類(專題屬性)，基礎類由城市綠地類與農林綠地類構成，專題類由土地資源類、森林資源類、基礎設施布局與評價類、綠地管理要素類構成。數據資源目錄在建模圖的基礎上進一步細致描述各種對象類的定義、特征屬性以及當前取值、數據采集時間等，為數據再利用提供更翔實的信息。ETL 工具是對轉換原則及過程的實現，可以直接采用常見空間數據處理工具，如FME 或利用ArcGIS 桌面軟件等，或以它們為基礎進行一定開發形成工具，提高處理效率。

圖6 綠地專題數據模型(UML 圖)

在利用綠地專題數據進行林地資源分布及土地利用現狀(公園與綠地)應用服務時，按照圖7所示，以應用服務的分類原則為目標，過對要素特征屬性閥值進行重置、重組、重分類、轉換數據。圖8為某街區綠地分布圖及林地資源分布圖。

圖7 基于綠地專題數據的應用服務過程

圖8 某街區綠地分布及林地資源分布

7 小 結

基于GIS 語義的城市專題地理數據模型具備對地理要素相關關系的描述能力，同時利用規范齊全的建模圖、數據資源目錄和ETL 工具，形成多源空間數據衍生的良好環境，實現了不同語義體系之間的數據共享及再利用。在該模型基礎上進行城市專題數據建設及服務，可以極大提高專題信息服務效率、充分發揮數據生態系統的最大價值。

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