地理信息系統數據模型探討范文

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摘要:數據模型是地理信息系統(GIS)的核心。目前，人們提出了許多GIS數據模型，出現很多容易混淆的概念。本文對地理信息系統領域數據模型的基本概念和理論進行梳理、歸納與總結，并對數據模型及一些相關概念進行了比較和分析。對數據建模的概念進行了討論，分析了其包含的3種含義。對數據模型的3個抽象層次進行了說明和分析，按照不同的劃分規則對地理信息系統數據模型進行了分類，并對空間數據模型進行了分析。

關鍵詞:地理信息系統;數據模型;分析;分類

0引言

地理信息系統(GIS)是以計算機技術為基礎，對與地理空間位置有關的數據進行采集、存儲、管理、分析、應用、輸出的技術系統。要發揮GIS的作用，就要對現實世界進行表達和抽象，把它變成計算機能夠處理的0和1。以計算機能接受的形式表達、存儲地理信息是用計算機做地理信息自動化分析和處理的前提。把客觀世界中受關注的事物和現象用數據描述出來，進行數字化表達，就涉及數據建模和數據模型問題［1］。數據模型以及空間數據模型是地理信息系統的理論基礎和核心理論，因此，對地理信息系統數據模型的認識和研究在設計GIS和發展GIS系統的過程中起著重要作用。目前，GIS界對于地理信息系統數據模型的概念認識并不統一，分類不明確，出現很多容易混淆的概念，本文對地理信息系統中數據模型相關概念進行了梳理。

1幾個數據模型相關概念的辨析

要對現實世界進行研究和分析，就要對現實世界進行科學的認知和表達。表達可采用各種方式，模型是其中一種。表達和模型是有重疊的，表達用于描述概念和事物，而模型則多用在實踐和數據庫環境下［1］。

1．1模型與模式模型是對現實世界的簡化表達或描述，是對現實世界的模擬，是現實世界本質的反映或科學的抽象。模型這個術語因為用在許多不同的學科描述許多不同的事物，所以可以做多種解釋。模型不一定都是數字形式的，抽象方法不同就構成了不同的模型，如語言模型、數學模型、實物模型等。在GIS中，模型是經常出現的技術術語，它具有不同的含義，這里主要討論基于計算機的模型。一幅地圖就是一個模型，表示空間要素的矢量和柵格數據模型與表示數據庫系統的關系數據庫模型也都是模型。模式是事物的標準樣式，經過檢驗有效的模型如果被廣泛接受，便成為一個模式。模型與模式這兩個概念既有聯系又有區別，首先加以必要的區分，然后在不引起混亂的情況下等價的使用。

1．2數據模型———通用數據模型與專用數據模型在數字化表達中，我們通過數據模型、數據結構和規則來形式化各種概念，這些概念和數據模型一起構成了我們的認知。數據模型也是一種模型，它是現實世界數據特征的抽象［2］，是用來描述數據的一組概念和定義。它是數據集的特殊結構，例如GIS把空間數據集組織成層的集合，數據庫把數據集組織成表的集合。利用數據模型便于一些特性的早期分析，如存儲費用、查詢能力、冗余、一致性、存儲空間要求等，便于在多個應用中共享數據的再使用，跨組織的數據交換，向新軟件或環境進行數據轉換等。數據模型可分為通用數據模型與專用數據模型，通用數據模型為商業數據處理而開發，支持簡單抽象數據類型，不便于特殊領域的應用;專用數據模型為特殊應用領域開發，如空間數據模型開發地理信息科學中的概念集，適于不同GIS應用的共同的空間抽象數據類型。數據庫領域主要研究通用數據模型，如關系模型、層次模型、網狀模型，其是數據庫系統的理論基礎。在這里，數據模型是一個嚴格定義的概念的集合。這些概念精確地描述了系統的靜態特性、動態特性和完整性約束條件。因此，數據模型通常由數據結構、數據操作和完整性約束3部分組成［2］，這指的是傳統意義上的數據庫的數據模型，有時簡稱數據庫模型，GIS中討論空間數據管理時會涉及。隨著計算機技術的不斷發展，應用領域不斷擴展，數據模型的應用領域也在拓展。廣義的講，數據模型是對象的表達和管理方法，是按一定方案建立的數據邏輯組織方式。在GIS領域，數據模型是一條或一組用于標識和表示空間參照對象的規則。它是一個模板，是一個用來存儲與地表相關的特定信息的框架，是計算機中描述和表達現實世界的一組結構集合，如柵格數據模型是將地球表面的信息，以屬性的方式表示在規則格網單元中。

1．3空間數據模型與地理信息系統數據模型空間數據模型是整個GIS理論中最為核心的內容［3］。空間數據模型是人們對現實世界地理空間實體、現象，以及它們之間相互關系的認識和理解，及其在計算機中的抽象與表達。空間數據模型的目的是提供正式的方法或手段，用來描述和操作空間參照信息，它是一種抽象的和良好定義的概念系統，定義了對地理對象進行描述和推理的術語，也定義其自身的一組概念和關系，這些概念和關系與在一個計算機系統中如何表示地理信息有關。地理信息系統的數據模型與空間數據模型這兩個概念有什么區別和聯系呢，在GIS領域，廣義的空間數據模型就是指地理信息系統的各種數據模型，涉及GIS數據采集、存儲、管理、分析、輸出各個階段，以及空間數據表達的各個抽象層次，從地理空間認知模型、數字化表達模型到空間數據管理的數據庫模型和空間索引等。狹義的空間數據模型特指地理空間認知和表達的場模型、對象模型以及對應的數字化表達的柵格數據模型和矢量數據模型，和相應實現該模型的空間數據結構和編碼等，不同的語境下涵蓋的內容不同。

1．4數據模型與數據結構數據模型與數據結構是什么關系呢，數據模型處于數據表達的概念層次，數據結構是數據表達的具體實現，前者是基礎，后者是實現［4］。從數據庫領域來分析，數據結構是數據模型的組成部分，是所研究的對象類型的集合，是對系統靜態特性的描述。數據結構是刻畫一個數據模型性質的最重要的方面［2］。從現實世界的地理空間現象或事物到計算機世界，一般也要有概念模型、數據模型、數據結構和文件格式幾個層次。這個過程有時統稱為地理空間數據建模，在這個過程中，數據模型和文件格式之間需要中間媒介，這個媒介就是數據結構。

1．5空間數據模型與空間數據結構從地理信息系統領域來分析，有空間數據模型和空間數據結構的概念。這里所說的空間數據結構是指適合于計算機系統存儲、管理和處理的地學圖形的邏輯結構。空間數據模型和空間數據結構研究地理空間數據組織和管理，是關于空間數據建模不同層次的概念。前者是對現實世界的抽象與表達，后者是對前者的一種有效的內部數據表示。空間數據結構是指空間數據模型描述的數據的組織方法、編排方式和相互關系。兩者之間的關系，與一般的數據模型和數據結構的關系有相似之處。其一，空間數據模型涉及到空間數據表達的概念層次，而空間數據結構所作的數據組織工作比空間數據模型更底層些，它偏重數據表達的物理實現。比如，對象模型可以采用矢量數據結構將其映射到計算機中，場模型用柵格數據結構來實現，具體又有很多編碼方法。其二，同普通數據的數據模型一樣，空間數據模型的命名通常與相應的空間數據結構相同，所以很多時候矢量數據模型和矢量數據結構，柵格數據模型和柵格數據結構混用，并不嚴格區分。這里討論的數據結構與計算機專業課程“數據結構”是什么關系呢，后者是抽象的、是基礎，前者是具體的、是應用，后者為前者提供支撐。

1．6數據模型與數據模式數據模型和數據模式不應混淆，正像不應把程序設計語言和用程序設計語言所寫的一段程序混為一談一樣。數據模型是描述數據的方法，數據模式則是用給定數據模型對特定數據集合的描述［5］。也就是說，數據模式是基于選定的數據模型對數據進行的“型”的方面的刻畫。另外要注意的是，在進行GIS應用時，利用GIS進行空間建模或地理建模，建立空間模型或地理模型，以進行各種空間分析或表達一系列地理過程，它們都是計算模型，模型的操作在計算機中完成，并以0和1的計算機語言表達。這些模型和數據模型是有區別的，本文不做討論。

2數據建模的含義

為了利用計算機系統來描述現實世界，并分析和解決其中的問題，必須對現實世界進行建模。建模就是建立模型的意思。由于模型可以有多種解釋，所以建立模型也可以有多種解釋，可以是建立語言模型、數學模型、實物模型或數字模型等。這里主要是討論基于計算機的數據建模，它也具有多種含義，可以是建立數據模型、建立數據模式、建立數字模型等。GIS數據建模也就是空間數據建模，從以上論述看，實際上空間數據建模也可以包含多層含義。一種含義是建立空間數據模型。在此理解為，將我們對客觀世界中的空間現象和事物的模型化認知，以一定的形式描述出來，以便把數據按照這種形式組織起來，由計算機存儲、管理。實際就是進行數據模型的研究，設計、提出新的數據模型，涉及概念數據模型、邏輯數據模型、物理數據模型。一種含義是設計GIS空間數據庫模式。這項工作是以空間數據模型的理論為指導，針對所研究的空間現象或問題，以了解用戶需求開始，包括概念建模、邏輯建模、物理建模，對應數據庫概念設計、邏輯設計、物理設計。這包括定義空間實體及其相互間關系，描述GIS的空間數據組織和數據庫結構，設計在計算機中的物理組織、存儲路徑等，所以可以看作是建立數據模式。還有一種含義是建立數字化模型，就是把現實世界中想要表達的事物或現象，用數據描述出來，并把數據組織為有用，且能反映真實信息的數據集的過程，實際就是把數據按數據模型組織起來的過程，這是很多定義里主要表達的含義。

3數據模型抽象的不同層次

數據模型的抽象要經歷從現實世界到人為理解，再從人為理解到計算機實現的過程，也就是數據模型應盡可能反映人對現實世界的認知。但從另一方面來看，數據模型應便于計算機實現，可以采用多級抽象的辦法來解決這個問題。根據抽象階段的不同，數據模型可分為概念數據模型、邏輯數據模型和物理數據模型［6］，有時會被簡稱為概念模型、邏輯模型和物理模型。現在遇到的問題是不同的領域都有這樣的層次劃分，但各個層次的模型對應的內容會有不同，比如GIS領域與數據庫領域。而且即使是相同的領域，不同學者劃分的3個層次模型也有不同，有的是討論GIS的3個抽象層次，或是討論空間實體抽象的3個層次，還有的是討論GIS數據模型的3個抽象層次，或是空間數據模型的3個層次。這里面有的是提法不同內容相同，有的是提法相同內容不同，感覺有些混亂。在數據庫領域中，概念數據模型面向現實世界、面向用戶，用于信息世界的建模，是數據庫設計的有力工具，例如E－R模型。邏輯數據模型是用戶從數據庫所看到的數據模型，通常所指的數據模型就是這類模型。它與數據庫管理系統(DBMS)的設計有關，數據庫管理系統的分類一般按照其所用的邏輯數據模型。關系數據模型是目前最常用的邏輯數據模型，物理數據模型反映數據的存儲結構，如物理塊、索引等，物理數據模型不但與DBMS有關，還與操作系統和硬件有關。在GIS中有一種觀點，當利用計算機對現實世界進行表達時，分別采用4種不同的抽象層次來觀察現實世界［1］。首先，現實世界是各種事物組成的;其次，概念模型是面向人類認知的模型，建模對象是與某個特定領域相關的對象和過程;第三，邏輯模型是一種能夠實現的關于現實世界的表達，通常是以圖表和目錄的形式存在;最后，物理模型描繪了GIS中實際使用的模型，通常由存儲在文件或數據庫中的數據表組成。從上面的描述可以看出，從GIS的角度和從數據庫的角度都有這樣的層次劃分，但各層次對應的內容有不同，實際上這是兩個概念體系。在計算機中對具有持久性的數據進行存儲和管理，有兩種基本方式，文件方式和數據庫方式。空間數據管理如果用數據庫方式管理時，就是要研究怎么“調和”這兩個概念體系。如果從地理表達，到空間數據表達、空間數據的數據庫管理以及空間數據在硬件上的存儲方式和存取方法，這一GIS的數據抽象過程來分析，我們認為，GIS數據模型可由概念模型、概念數據模型、邏輯數據模型和物理數據模型多個有機聯系的層次組成。概念模型這個層次討論的模型是面向人類認知的模型，用不同的方法或從不同的角度對地理空間進行認知和抽象，可能產生不同的地理空間認知模型［7］，所以很多時候這個層次的模型就稱為是概念模型。在GIS中，概念模型層可分為基于場的模型和基于對象的模型。對應的這些概念模型又可采用不同的模型進行數字化表達，就形成了概念數據模型，如這兩種模型通常分別用柵格和矢量數據模型來實現。邏輯數據模型是GIS描述概念數據模型中實體及其關系的邏輯結構，主要指空間數據用數據庫方式管理時采用的數據模型，如對象關系數據模型。物理數據模型則是描述數據在計算機中的存儲路徑、物理組織，即在物理磁盤上如何存放和存取。

4地理信息系統數據模型分類

要把客觀事物抽象成計算機可以表示的形式就涉及數據模型問題，但由于現實世界紛繁復雜、千變萬化，地理事物和現象也有其復雜性，用一種數據模型反映現實世界的所有方面是不可能的。而且，對于同樣的地理現象，不同的用戶基于不同的應用需求，會設計出不同的數據模型，所以在GIS領域存在種類繁多的數據模型。數據模型大體有兩種類型。一種是通用的數據模型，支持簡單抽象數據類型，如numbers，strings，date，不適合空間抽象數據類型，如polygons，要支持空間數據需用空間概念來擴展，這類模型為便于計算機上實現，有嚴格的形式化定義，也就是前面討論的邏輯數據模型，如當前主流的關系數據模型等。另一種是特殊應用領域的數據模型，如空間數據模型。空間數據模型指的是空間數據從源域到目標域的映射方式，而通用的數據模型(如關系數據模型)指的是映射到目標域的數據以哪種結構進行組織［8］。采用空間數據模型的做法是從數據建模所涉及的空間領域本質的概念角度來說明的。傳統的數據建模方法是從數據庫設計的角度來說明的［9］，空間數據庫研究的一個主要目標是“調和”這兩個概念體系。地理空間認知模型可以分為對象模型、場模型和網絡模型等，連續場和離散對象定義了兩種看待地理現象的觀點，但還沒有解決其數字化表達的問題。柵格和矢量是計算機用以表達地理數據的兩種方法。理論上，這兩種方法都可以用于進行場和離散對象的編碼，但是，在實際操作中，一般用柵格表示場，用矢量表示離散對象，形成了柵格數據模型、矢量數據模型。這兩種模型各有優缺點，有學者進行了矢量柵格一體化模型的研究［10］。按空間數據的管理方式有:混合數據模型，它用文件系統管理幾何圖形數據，利用關系數據庫管理系統來管理屬性數據;全關系數據模型，其圖形和屬性數據都用關系數據庫管理系統進行管理，圖形數據要么按關系數據模型進行組織，或利用二進制大對象字段實現存儲與管理;對象關系數據模型，把面向對象技術與關系數據模型相結合，提供對空間數據類型、空間數據函數和空間索引等的支持;面向對象數據模型支持變長記錄，支持對象的嵌套、信息的繼承和聚集，可以將所有空間地物以對象的形式封裝，可以用一系列簡單對象構成復雜對象，但還不成熟。

5結束語

數據模型作為GIS的理論基礎和核心，其理論、方法和技術的研究已經取得了很多成果，推動了GIS的發展。但也還存在一些問題，如地理空間認知、復雜空間對象的表達能力、動態多維地理現象的建模等都需進一步完善和提高。隨著計算機硬件和軟件技術的不斷進步，GIS應用層次不斷深入，GIS對空間數據模型提出了更高的要求，空間數據模型的設計越來越復雜。但要認清一點，任何一個問題都可以用多種不同的數據模型來表達，解決某問題最優的數據模型，可能對于其他問題而言則是次優的。

參考文獻

［2］薩師煊，王珊．數據庫系統概論［M］．第三版．北京:高等教育出版社，2000.

作者：張山山1；2 單位：1．中南大學地球科學與信息物理學院，2．中南大學有色金屬成礦預測教育部重點實驗室