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GIS空间概念模型的研究
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来源： 作者：国学 发布时间：1970-01-01
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肖乐斌①② 钟耳顺① 刘纪远 ③ 宋关福①
（①中国科学院地理信息产业发展中心，北京，100101） （②中国科学院遥感应用研究所，北京，100101） （③中国科学院地理科学与资源研究所，北京，100101） [摘要]
GIS的概念数据模型直接反映了人们对于客观世界的理解，本文分析和总结了早期和近期几种GIS数据模型的特点，并对GIS表达的地理空间进行了重新理解，在此基础上提出了整体GIS数据模型设计的几个要点。 [关键词] 拓扑关系 分层 地理空间 整体数据模型
1.引言 GIS作为一种信息系统，是以现实世界为研究目标，以计算机内部的二进制数字世界作为存储载体的。它将人们对于客观世界的理解，经过一系列处理后变成数字形式存于计算机中。现实世界极其复杂，一方面人们希望GIS包含充足的数据，另一方面又期望从中能方便地选择所需要的相关数据而撇开其它兴趣不大的数据（Freksa and Barkowsky, 1996）。
这就要求人们以一种高效的数据组织方式，将两方面的要求兼顾，既尽可能地包含信息（包括对未来潜在有用的信息），又要能方便快速选取。在这其中，人们对于客观世界的理解及其表达——GIS的数据模型（概念、逻辑和物理模型）起着至关重要的作用。从现实世界到计算机系统，人们首先要做的是概念模型的建立。概念模型反映了人们对现实世界的认知与理解，是从现实世界到人们大脑世界的映射，对后期GIS的建设起着先导性的作用。 中国地理网
为了建立尽可能准确地反映现实世界的概念模型，本文首先回顾与分析传统GIS在模拟地理空间时采用的概念模型的弊端，然后重新理解什么是地理空间，分析地理空间的各种本质特征，最后提出了新型GIS数据模型应该重视的几个具体执行要点。
2.两种典型的GIS数据模型
2.1拓扑关系数据模型 早期的商品化GIS软件大都采用了以“结点---弧段---多边形”拓扑关系为基础的数据模型，我们称这种数据模型为拓扑关系数据模型。在拓扑数据模型的基础上，一些软件将空间数据和属性数据分开存放，如8.0版以前的Arc/Info将位置坐标数据存放在文件系统中，而将拓扑属性和其它属性存放在关系数据库系统的二维表格中；另一些软件将坐标数据和属性数据统一存放在关系数据库的各种表格中，一条记录对应一个点、线或面类型的几何要素（不一定为完整独立的地理要素）。
拓扑关系数据模型以拓扑关系为基础组织和存储各个几何要素，其特点是以点、线、面间的拓扑连接关系为中心。该模型的主要优点是数据结构紧凑，拓扑关系明晰，系统中预先存储的拓扑关系可以有效提高系统在拓扑查询和网络分析方面的效率，但也有不足：
(1) 对单个地理实体的操作效率不高。由于拓扑数据模型面向的是整个空间区域，强调的是各几何要素之间的连接关系，在另一方面对具有完整、独立意义的地理实体作为个体存在的事实没有足够的重视，因此增加、删除、修改某一地理实体时，将会牵涉到一系列文件和关系数据库表格，这样不仅使程序管理工作变得复杂，而且会降低系统的执行效率。 中国地理网
(2) 难以表达复杂的地理实体。复杂地理实体由多个简单实体组合而成，拓扑数据模型的整体组织特性注定了它不可能有效地表达这一由多个独立实体构成的有机集合体。
(3) 难以实现快速查询和复杂的空间分析。由于在拓扑数据模型中，地理实体被分解为点、线、面基本几何要素存储在不同的文件和关系表中，因而凡涉及到独立地理实体的操作、查询和分析都将花费较多的CPU时间，在大区域的复杂空间分析方面表现尤为明显。
(4) 局部更新困难，系统难于维护与扩充。由于地理空间的数据组织和存储是以基本几何要素（点、弧段和多边形）为单元进行的，系统中存储的复杂拓扑关系是GIS工作的数据基础，当局部一些实体发生变动时，整层拓扑关系将不得不随之重建，因而这样的系统在维护和扩充方面需要更多的精力，并且容易出错。
2.2 面向实体的数据模型 之所以不叫面向对象的数据模型是因为笔者认为面向对象的数据模型具有很广泛的意义，这里称为“面向实体”，是为了强调这种数据模型是以单个空间地理实体为数据组织和存储的基本单位的。
与上述拓扑模型相反，该模型以独立、完整、具有地理意义的实体为基本单位对地理空间进行表达。在具体组织和存储时，可将实体的坐标数据和属性数据（如建立了部分拓扑，拓扑关系也放在表中保存）分别存放在文件系统和关系数据库中，也可以将二者统一存放在关系数据库中（可以将坐标数据和属性数据放在同一个表中，也可以将二者分成两个表，ESRI公司SDE的存贮模式是分成四个表格，它还增加了一个Layers表和一个空间索引表。Layers表位于服务器端，用于层（数据集）的管理和维护；空间索引表（服务器端）采用网格索引，用于实体的快速搜索）。 面向实体的数据模型在具体实现时采用的是完全面向对象的软件开发方法，每个对象（独立的地理实体）不仅具有自己的各种属性（含坐标数据），而且具有自己的行为（操作），能够自己完成一些操作。该模型能够很好地克服拓扑关系数据模型的几个缺点，具有实体管理、修改方便，查询检索、空间分析容易的优点，更重要的是它能够方便地构造用户需要的任何复杂地理实体，而且这种模式符合人们看待客观世界的思维习惯，便于用户理解和接受。同时，面向实体的数据模型自然地具有系统维护和扩充方便的优点。 这种模型是当今流行GIS软件采用的最新数据模型，但也有一些缺点： 中国地理网
(1) 拓扑关系需临时构建。由于面向实体的数据模型是以地理实体为中心的，并未以拓扑关系为基础组织、存储地理实体，表达地理空间，因此拓扑关系并不是一开始就存在，而是在需要时才临时导出各种拓扑关系，这需要消耗一定的系统资源和时间。
(2) 动态分段、网络分析效率降低。在结点---弧段---多边形拓扑关系链中，显式的拓扑表有四个：结点---弧段表，弧段---结点表，弧段---多边形表和多边形---弧段表。有了这四个关系表，我们就能直接查找任意结点、弧段和多边形的拓扑属性，便于进行动态分段和网络分析等其它与拓扑关系有关的拓扑分析，基于拓扑数据模型的GIS可以很方便地做到这一点。但由于将四个拓扑表全部存贮会使系统的空间开销成倍增大，因此一些软件只存贮其中2个（System 9）或3个（Arc/Info8以前版本）关系表，其它被隐含的表可由显示存在的表导出。即便这样，基于拓扑数据模型的GIS在涉及拓扑关系的查询和分析上仍然有较高的效率，而面向实体的数据模型由于要根据需要临时构建拓扑关系，自然会使拓扑查询和分析的效率降低。
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