基于面向对象的GIS空间数据特征模型研究

摘 要:本文基于笔者从事GIS数据模型的相关研究心得,以基于面向对象的特征GIS空间数据模型研究对象,深度探讨了基于特征的空间数据模型构建构成的相关思路,分析了特征对象与传统几何对象之间的关系,相信对从事相关研究的同行能有所裨益。

关键词:特征 空间数据模型 概念 GIS

中图分类号:P2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)05(a)-0062-01

目前组织地理现象的方法的局限性主要体现在两个方面:(1)基本的矢量和栅格模型把重点放在地理现象的空间位置上,而牺牲了通过在分类属性和相互关系的基础上构造实体而提供的丰富的分析能力。(2)层叠方法不提供对成对或成组的基本几何对象执行空间分析的能力。

第一个局限性主要是由于地理实体在矢量系统中被构造为数学上的点、线、面,而在栅格系统中则构造为网格单元。因为公路不是数学上的线,城市也不是数学上的点,而且网格单元结构是对应于不确定地理实体的任意的空间分割,因而这两个模型在地理现实中均不存在。第二个限制要求开发新的模型来充分支持空间分析。如果我们给一个观众提供一个地理场景并询问他看到了什么,就会很容易地发现基于特征模式的必要性。回答不会是点、线、面和网格单元,而是诸如河流、湖泊、公路和森林等地理实体。

1特征概念

基于特征的方法模拟的是地理特征,而基于图层的方法模拟的是一张地图或一组专题地图。在一个FBGIS环境中,地理特征的表示以地理位置以及地理实体的自然属性和相互关系为基础。地理特征的确定是涉及人类洞察力和认知力的一个复杂过程。

基于特征方法在计算机化的地理数据库框架中的实现方式之一,是开发运用面向对象技术的数据模型。由此产生的特征模型包括对地理现实的人为概念化、几何对象之间的空间关系以及非空间对象之间的特征一特征关系。

对现实地理系统的观察使我们认识到,我们生活的地球表面,是由公路、河流、建筑物、植被、土地等物质实体组成的。我们将这种具体的事物称为地理实体。进一步的观察得出,以某种属性集作为分类标准,可以将地理实体分类为具有该种属性集的实体集合,那么这一类地理实体就够成了地理特征。在基于特征GIS中,特征是地理现象的基本表示。美国地质调查局开发的DLG-E数据模型对实体和特征的定义如下。

实体:是真实世界的现象,它不能再被进一步细分为同一类现象。如:桥梁、湖等。

特征(类型):具有相同属性及关系的一类实体,特征的概念既包含实体集,也包含对实体集的数字描述。如:河流、道路、泉和桥梁等。

特征实例:是特征类型的具体化。如东湖是湖的一个实例,长江大桥是桥梁的一个实例等。

特征对象:是特征实例的表现。河流是一个实体,在地图上一般符号化为兰线,兰线为特征对象。

2特征模型

在面向对象的基于特征的GIS系统中,用户谈到的是对象而不是一个关系的记录和字段。

与传统的基于图层的地理关系模型相比,面向对象的特征GIS建模方法是一种在较高抽象层次上的建模方法,具有较好的地理信息认知观,同时亦很好地解决了利用面向对象的原理与方法来定义和建立空间关系与非空间关系。特征GIS空间数据模型对地理现象的数字表示和空间描述更完备、更具有整体性,除了表达空间几何目标之间的拓扑关系,还表达了特征之间的非拓扑和属性语义关系,而这些关系在传统的基于图层的GIS模型中被遗漏掉。同时,面向对象方法及其抽象机制的应用,使特征GIS模型的语义更加丰富,从而能够很好地表示复杂地理现象和实体。

3特征空间数据模型的构成

数据模型是对现实的抽象。为了在数据模型中使地理现实概念化,需要使定义组成成员和它们之间关系的规则形式化。在对数据模型的许多定义中,Codd提出,一个数据模型包括三个部分:一个数据结构类型集合、一个用于处理这些数据结构类型的算子(操作符)集合和一个控制数据库性能的完整性规则集合。完整性规则包含一组完整性约束,这些约束能够控制在不同应用中的数据结构和运算操作。一个空间数据模型经常需要完整性约束,因为在该数据模型中所定义的组成成员通常是针对具体应用的。

空间目标的复杂性需要多种方法来定义和使用合适的数据类型和运算操作。大部分GIS软件均考虑到对点一线一面关系表中空间目标之间诸如邻接和包含等拓扑关系的编码。然而,许多应用领域需要处理与非空间关系接合在一起的复杂目标。在寻求一个更丰富的数据模型对复杂的地理实体进行编码的研究方面,许多研究者把焦点集中在面向对象方法上,将其作为以整体的方式体现地理特征和关系的一种可采用的方法。在面向对象的基于特征的GIS系统中,用户谈到的是对象而不是一个关系的记录和字段。

3.1 一个基于特征GIS目标的组成成员

在面向对象系统中,一个特征的每一个元素可以被看作一个对象。要建立一个基于特征的GIS系统,对象被嵌入在实例变量和方法中,必须包含充足的信息、关系、功能函数以支持空间分析和查询。

依据特征对象的这些部件和上文特征表示法的概念,可以给面向对象的GIS系统创建两种对象类型,即特征对象和几何对象类型。不管表示的形式如何,一个特征对象用来描述一个地理特征的非空间特性。一个几何对象存储有关地理特征空间位置的信息。例如:存储一口井(X,Y)坐标的点是一个几何对象。

3.2 特征对象和几何对象之间的关系

一个地理特征能被特征对象和几何对象数字化表示。在基于特征系统中,特征对象是基本元素。特征对象封装几何对象,因为几何对象存储特征对象的位置信息。几何对象包含一个标识符,另外还有特征的位置和拓扑信息。

两个或两个以上对象之间的关系被定义为对象之间的联系。根据用户对现实的解释,特征对象可以被分解为一个子对象的集合。例如:一个城市能被解释为一个由人口、建筑物和基础设施组成的对象。对象类实例之间的关系依赖于应用领域和比例尺。可以用一些关键短语可以用来描述基于特征GIS对象类之间的许多联系。它们不但能被用来描述几何对象之间的联系,而且也能描述特征对象和几何对象之间的联系以及特征对象之间的联系。

例如:一个特征可以是由任何其它空间或非空间对象组成(composedof),或是其一部分(part-of)。例如一个飞机场是由跑道和建筑物组成；跑道是飞机场的一部分。“垂直关联关系”(vertically related to)用来显示两个特征之间的“在顶部”或“在底部”的关系。例如：一座桥与一条河在垂直方向上是相关联的。特征与特征之间、点与多边形之间以及线与多边形之间的联系也能用“以为界”(bounded by),“作为的边界”(bounds),“位于之内”(within)和“包含”关系(contains)来描绘。

参考文献

[1] 白玲.空间数据的拓扑关系及其自动生成[J].解放军测绘学院学报,1993(4):57～63.

[2] 边馥苓,朱国宾,余洁，等.地理信息系统原理和方法[M].北京:测绘出版社,1996.

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