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  • 浅析地理数据模型发展
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    2016-01-13 11:48:14

    地理数据模型是对真实世界的抽象,由一系列支持地图显示、查询、编辑和分析的数据对象组成。

    在过去20年中,矢量数据模型是GIS中变化最大的方面,例如ESRI公司所推出的每款新软件都对应一种新的矢量数据模型,Arc/Info对应Coverage,ArcView对应Shapefile,ArcGIS对应Geodatabase。Coverage和Shapefile是地理关系数据模型,它利用分离的系统来存储空间数据和属性数据,而Geodatabase是基于对象数据模型,它把空间数据和属性数据存储在唯一的系统中。

    接下来回顾一下地理数据模型的发展历程:

    第一代:最早的数据模型——CAD数据模型

    CAD数据模型是最早的计算机制图模型,使用阴极射线管的显示线来绘制矢量地图,使用行式打印机上的加印技术绘制栅格地图。以此为起源,19世纪六七十年代出现了精致的绘图硬件工具以及能够使用合理逼真制图技术进行地图符号化的制图软件。

    在那个年代,地图通常用一般的CAD(计算机辅助制图)软件来绘制。CAD数据模型以表示点、线、面的二进制文件格式来存储地理数据。但是属性信息只能通过地图图层和注记标注描述,并不能存储足够多的属性信息

    第二代:地理关系数据模型——Coverage数据模型

    1981年,ESRI推出了第一个商用的GIS软件ArcInfo,其中实现了第二代地理数据模型——Coverage数据模型。最初的目标是为了把GIS从CAD中分离出来。

    Coverage数据模型是一种包含拓扑标准矢量数据格式,支持连接性、面定义、邻接性三种基本拓扑关系。

    在Coverage模型中,空间数据(图形文件)存储在Coverage文件夹中的二进制索引文件中,属性数据存储在Info文件夹的表格中,空间数据与属性数据使用同一ID连接。同时矢量要素之间的拓扑关系也被存储起来,基于拓扑关系的数据结构有利于数据文件的组织,并减少数据冗余。

    但是,Coverage数据模型有一个重大缺陷——要素是以统一的行为聚集而成的点、线、面集合,也就是说,表示道路的线的行为与表示河流线的行为是一模一样的,这显然与现实地理世界不符。

    Coverage 是一个非常成功的早期地理数据模型,二十多年来深受用户欢迎,很多早期的数据都是Coverage 格式的。ESRI 不公开Coverage 的数据格式,但是提供了Coverage 格式转换的一个交换文件(interchange file,即 E00),并公开数据格式,这样就方便了Coverage 数据与其他格式的数据之间的转换。

    第二代:地理关系数据模型——Shapefile数据模型

    在GIS公司把GIS从CAD中分离出来引进拓扑关系之后不到10年的时间里,同样是这些公司,又采用非拓扑数据格式作为非专有数据格式。

    ESRI公司采用的标准非拓扑数据格式成为Shapefile,它是一种用于存储地理要素的几何位置和属性信息的非拓扑简单格式。不同于 Coverage,Shapefile多边形对于共享边界实际上有重复弧段且可彼此重叠,这也是非拓扑的体现;在存储方面,它用几何学性质存储两个基本文件:以.shp为扩展名的文件存储要素几何学特征,以.shx为扩展名的文件保留要素几何特征的空间索引。

    作为非拓扑数据,shapefile有两个优点:首先,非拓扑矢量数据能比拓扑数据更快速地在计算机屏幕上显示出来。对于仅仅是使用而不是生产GIS数据的用户而言,该优点特别重要。其次,非拓扑数据具有非专有性和互操作性,这意味着非拓扑数据可以在不同软件包之间通用(如MapInfo可以使用Shapefile,ArcGIS可以使用MapInfo的交换格式文件)。

    Shapefile以其简单灵活的特点,一直被ArcGIS用户所推崇。而且Shapefile也是ArcGIS对外的交换格式,是一种公开格式。但是随着ArcGIS技术不断发展,ArcGIS用户对复杂地理对象研究需求日益增加,而且组成Shapefile的每个文件有2GB存储的限制要求,Shapefile模型已经不能满足用户的需求。

    第三代:面向对象数据模型——Geodatabase数据模型

    矢量数据模型的最新成员——基于对象数据模型,将地理空间数据作为对象,几乎所有的GIS都可以作为对象表示。

    基于GIS用户来讲,基于对象的数据模型在两个方面不同于地理关系数据模型。首先,基于对象的数据模型把空间数据和属性数据存储在一个系统中。其次基于对象的数据模型允许一个空间要素(对象)与一系列属性和方法相联系。

    ArcInfo 8引入了一种新的面向对象数据模型——Geodatabase数据模型。在这个全新的数据模型中,通过为要素添加更贴切的“自然”行为,从而使GIS数据库中的要素更加智能化,在Geodatabase中,不仅能够存储点、线、面等简单对象,还可以存储描述高级地理现实世界的复杂对象,如城市官网模型、城市交通模型等。而且Geodatabase模型也支持业务工作流的事务模型。

    关于Geodatabase的详细内容,详见下一篇博客。

    参考:
    《地理信息系统导论-第五版》
    《企业级GIS设计管理优化策略》
    http://wenku.baidu.com/link?url=5IKhmo7phaN2kEa6rs6jCFfSE6k3pZQEkeb4vfG73F8lEQAHNsC4BCvCrKMpO7watX3DuGrweh73evXy3Zg5EKd2qWnyEWy1qQyQkptRSi3

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    地理信息系统中常用的空间数据模型有哪些?

     

          之前在百度知道上看到了这个问题——“地理信息系统中常用的空间数据模型有哪些?”今天就针对这个问题做了一些整理,看看能不能帮到大家。

          空间数据模型是指利用特定的数据结构来表达空间对象的空间位置、空间关系和属性信息;是对空间对象的数据描述。空间数据模型是地理信息系统的基础,它不仅决定了系统数据管理的有效性,而且是系统灵活性的关键。

      目前,与GIS设计有关的空间数据模型主要有矢量模型,栅格模型,数字高程模型,面向对象模型,矢量和栅格的混合数据模型等。前面四种模型属于定向性模型,在模型设计时只包括与应用目标有关的实体及其相互关系,而混合模型的设计则包括所有能够指出的实体及其相互关系。就目前的应用现状而言,矢量模型、栅格模型、数字高程模型相当成熟(目前成熟的商业化GIS主要采用这三类模型),而其它模型,特别是混合模型则处于大力发展之中。

    一、矢量模型(vector model)
        矢量模型是利用边界或表面来表达空间目标对象的面或体要素,通过记录目标的边界,同时采用标识符(Identifier)表达它的属性来描述空间对象实体。矢量模型能够方便地进行比例尺变换、投影变换以及图形的输入和输出。矢量模型处理的空间图形实体是点(point)、线(line)、面(area)。矢量模型的基本类型起源于“Spaghetti”模型。在Spaghetti模型中,点用空间坐标对表示,线由一串坐标对表示,面是由线形成的闭合多边形。CAD等绘图系统大多采用Spaghetti模型。
         GIS的矢量数据模型与Spaghetti模型的主要区别是,前者通过拓扑结构数据来描述空间目标之间的空间关系,而后者则没有。在矢量模型中,拓扑关系是进行空间分析的关键。

         在GIS的拓扑数据模型中,与点、线、面相对应的空间图形实体主要有结点(node)、弧段(arc)、多边形(polygon),多边形的边界被分割成一系列的弧和结点,结点、弧、多边形间的空间关系在数据结构或属性表中加以定义。GIS的矢量数据模型具有如下特点:
         1. 通过对结点、弧、多边形拓扑关系的描述,相邻弧段的公用结点,相邻多边形的公用弧段在计算机中只需记录一次,而在Spaghetti模型中的记录次数则大于1。
         2.空间图形实体的拓扑关系,如拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含不会随着诸如移动、缩放、旋转等变换而变化,而空间坐标及一些几何属性(如面积、周长、方向等)会受到影响。
         3.一般情况下,通过矢量模型所表达的空间图形实体数据文件占用的存储空间比栅格模型小。
         4.能够精确地表达图形目标,精确地计算空间目标的参数(如周长、面积)。
    二、栅格模型(raster model)
      栅格模型直接采用面域或空域枚举来直接描述空间目标对象)。在栅格模型中,点(点状符号)是由一个或多个像元,线是由一串彼此相连的像元构成。在栅格模型中,每一像元的大小是一致的(一般是正方形),而且每一个栅格像元层记录着不同的属性(如植被类型等)。像元的位置由纵横坐标(行列)决定。所以,每个像元的空间坐标不一定要直接记录,因为像元记录的顺序已经隐含了空间坐标。
        栅格模型具有如下几个特点:
      1.栅格的空间分辨率指一个像元在地面所代表的实际面积大小(一个正方形的面积);
         2.对于同一幅图形或图象来说,随着分辨率的增大,存储空间也随之增大。例如,如果每一像元占用一个字节,而且分辨率为100m,那么,一个面积为10km*10km=100km 的区域就有1000*1000=1000000个像元,所占存储空间为1000000个字节;如果分辨率为10m,那么,同样面积的区域就有10000*10000=1亿个像元,所占存储空间近100MB;
      3.表达空间目标、计算空间实体相关参数的精度与分辨率密切相关,分辨率越高,精度越高;
      4.非常适合进行空间分析。例如,同一地区多幅遥感图象的叠加操作等;
      5.不适合进行比例尺变化,投影变换等。
    三、数字高程模型(DEM,Digital Elevation Model)
      数字高程模型是采用规则或不规则多边形拟合面状空间对象的表面,主要是对数字高程表面的描述。根据多边形的形状,我们可以把数字高程模型分为两种,即格网模型和不规则三角网模型。

    1、格网模型(Grid model)
      与栅格模型相似,同样是直接采用面域或空域枚举来描述空间目标对象。一般情况下,栅格模型的每一像元或像元的中心点代表一定面积范围内空间对象或实体的各种空间几何特征和属性几何特征,而格网模型通常以行列的交点特征值代表交点附近空间对象或实体的各种空间几何特征和属性几何特征。栅格模型主要用于图象分析和处理,而格网模型主要进行等值线的自动生成,坡度、坡向的分析等。栅格模型处理的数据主要来源于航空、航天摄影以及视频图象等,而格网模型则主要来源于原始空间数据的插值。

    2、TIN模型(三角网数据模型)
      TIN模型是利用不规则三角形来描述数字高程表面。在TIN模型中,同样可以建立三角形顶点(数据点)、三角形边、三角形个体间的拓扑关系。如果建立了TIN模型图形实体(三角形顶点、三角形边、三角形)的拓扑关系,将大大加快处理三角形的速度。

        归纳起来,数字高程模型的主要优点是能够方便地进行空间分析和计算,如对地表坡度、坡向的计算等。

    四、面向对象的数据模型(Object-Oriented Data Model)  

        面向对象表示方法的最大优点是便于表达复杂的目标。面向对象的方法为数据模型的建立提供了分类、概括、联合和聚集等四种数据处理技术,这些技术对复杂空间数据的表达较为理想。在概括、联合、聚集等技术的运用中,都要涉及到对象或类型的属性值或属性结构在不同级或层之间的传递或继承。为此,面向对象的方法提供了继承和传播两种工具。
      在类型的层次结构中,子类的属性结构或操作方法可以部分地从超类中获取,这就而继承。继承可以减少数据冗余,并有助于保持数据的完整性。
      无论是联合还是聚集,它们都有一个共同之处,那就是将一组对象合并成为一个更加复杂的对象,这一类复杂对象的属性值来源于两个方面:
         1.一部分属性值由该复杂对象本身定义,与构成它的成员对象(组件对象)无关;
         2.另一部分属性值依赖于这些成员对象。
      为此,复杂对象必须具备获取成员对象属性值的能力。传播正是一种用来描述复杂对象的依赖性并获取成员对象属性值的工具,这种工具所基于的最基本的原理就是成员对象的相关属性只能存储一次,然后再将这些属性值传给复杂对象,这样当成员对象的属性值被改变后,复杂对象的属性值无需修改。显然,这种工具的使用大大减少了数据冗余量并保证了数据的一致性。

      通过采用继承和传播两种工具,将使得原本十分复杂的描述变得自然和简单。例如,一个城市由若干个区组成,因此,城市的人口应为各区人口的总和。对于城市这样一个复杂对象,它的人口数由它的成员对象即各区的人口数求和派生而成。
      分类、概括、联合和聚集等四种数据处理技术和继承及传播工具为面向对象数据模型的建立奠定了坚实的基础。空间对象是指空间地物的超类,点(point)、线(line)、面(surface)、复杂地物类(comolex),三角形表示 is-a关系(继承关系),而菱形表示member-of关系。

        复杂地物与其它简单地物和复杂地物的关系可能是一对多的关系,即复杂地物可能是由点、线、面甚至其它复杂地物组成,而某个特定的点、线、面或复杂地物只能用于参与构造一个复杂地物。

    五、混合数据模型(Hybrid Model)

      由于矢量模型、栅格模型、数字高程模型在处理空间对象时都有各自的优缺点。所以,能否在一个统一模型的基础上充分利用相关模型的优点就是目前GIS界研究的方向之一。到目前为止,有代表性的研究成果主要有TIN与矢量的一体化模型,栅格与矢量一体化的多级格网模型。下面将介绍这方面的内容。

    1、矢量与TIN的一体化的数据模型

      发展矢量与TIN一体化数据模型的主要原因为:它既能发挥TIN的空间分析和计算功能,又能方便地查询属性信息。因为TIN的三角形顶点和边(如测量点,河流走向线,陆上径流路径,封闭洼地边界线等)可能为矢量图形的特征点和线的一部分,所以它们的系统代码或内部码是完全一致的。

      TIN与矢量之间存在着部分(part of)或包含的关系,实际上也是通过这种关系实现一体化的。由于TIN是以矢量系统的矢量图形为基础生成的,所以,单个三角形顶点、边、三角形本身包含的空间区域可能是矢量系统点、线、面状图形目标的一部分。如果在TIN和矢量数据结构中保持点和顶点、线和边、面和三角形
    有关标识号的统一,那么,就能实现TIN和矢量的一体化。

    2、多级格网模型

      多级格网模型的本质是在基本格网的基础上细分为256*256或16*16个格网,然后基本格网和细分格网都采用四叉树的编码方法去表达点、线、面的有关参数。具体地讲,就是要遵循如下三点约定:
      (1)点状地物是仅有空间位置没有形状和面积,在计算机内仅有一个位置数据;
      (2)线性地物是有形状,没有面积,在计算机内由一组原子填满路径;
      (3)面状地物是有形状和面积,在计算机内由一组填满路径的原子表达的边界线。
    这样,就把矢量转换为栅格的形式,实现了栅格和矢量的统一。

    转载于:https://www.cnblogs.com/eileenli/p/3641987.html

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