基础地理信息图文一体化数据模型.pdf

基础地理信息图文一体化数据模型 1 基础地理信息图文一体化数据模型 孙红春 王卫安 上海市测绘院 同济大学测量系 Email hcsun Data Model for Fundamental Geographic Information with Graphic Attributes Integration Sun Hongchun Wang Weian 摘要 本文介绍基础地理信息的数据模型和几种图文一体化解决方案 利用大型关系型数据库管理系 统 Oracle DB2 或 SQL Server 图文一体存储空间图形几何要素及其特征的描述属性 以方 便地提供多个用户同时并发操作 并通过事务处理功能对修改实体对象进行单个封锁 从而不 影响其它用户对相邻实体对象的修改操作 实体的版本管理实现了地理信息系统的历史数据记 录 提供具有时序概念的 GIS 功能 关键词 地理信息系统 关系型数据库 数据模型 数字地球 空间数据结构框架 一 概述 近年来 以信息技术 IT Information Technology 为代表的知识经济不断地影响和冲击着人类的 社会经济生活 建设 数字地球 的重要性正日益为人们所认识 为了从全球 国家 区域三个层 次上实施这一战略 迫切需要建立多分辨率的 动态的空间数据基础框架 基础地理信息是建立城 市 区域 国家空间数据基础框架 NSDI National Spatial Data Infrastructure 的基础 它的主要内 容是各种比例尺地形图所表示的地理地物对象的空间特征和它们的属性特征 基础地理信息系统在 涵盖内容 数据模型和服务对象上都远远超出了原来的数字地图 它不仅可以满足各建设单位的用 图需要 而且可以满足 GIS 用户的需要 不仅可以满足 GIS 用户的共同需要 而且还可以满足各 专业 GIS 用户的特殊需要 本文介绍基础地理信息的数据模型和几种图文一体化解决方案 利用大型关系型数据库管理系 统 Oracle DB2 或 SQL Server 图文一体存储空间图形几何要素及其特征的描述属性 以方便地 提供多个用户同时并发操作 并通过事务处理功能对修改实体对象进行单个封锁 从而不影响其它 用户对相邻实体对象的修改操作 实体的版本管理实现了地理信息系统的历史数据记录 提供具有 时序概念的 GIS 功能 二 基础地理数据模型 基础地理数据库是定向于地形地物要素 F e a t u r e s 的综合数据库系统 地形地物要素是对某个 具体事物或者物理现象的逻辑描述 在基础地理数据库中有两个层次的描述 即实体要素 O b j e c t f e a t u r e s 和基础要素 P r i m i t i v e f e a t u r e s 任何地形地物要素可以在其中一个层次上得到描述 要素的空间描述是由图形元素 G r a p h i c e l e m e n t s 表示的 因此 在基础地理数据库中地理要素可 抽象为三个层次的内容 实体要素 基础要素和图形要素 1 图形元素 graphic elements 图形元素是地理地物要素的几何 Geometry 和制图 Cartography 表示的基础元素 图形元素 包括点 线 面 文字和组合几何元素 图形元素构造的内部数据结构依赖于 GIS 软件 在现有的数字地图中 有一些图形元素是用以满足国家地图制图标准的 例如 建筑物中的交 叉线表示建筑物类型 简单房屋 这些图形元素与基础要素没有逻辑关系 它并不组成基础要素 它们是某些组合地理要素用于制图目的的 符号元素 在基础地理数据模型中 原则上考虑构成 这些 符号 的辅助图形元素 制图软件通过这些辅助图形元素和要素的属性数据即可表示 基础地理信息图文一体化数据模型 2 2 基础要素 primitive features 基础要素是描述组成地理要素有意义的 一个具有真实地理含义的图形元素 基础要素是地理 要素的底层描述 基础要素有一个名字和描述 以区别其他基础要素 例如 建筑物的外围线是一 种基础要素 以表示建筑物的墙基线 3 实体要素 Object features 实体要素是由一个或多个基础要素和零个或多个图形元素组成的集合 这种集合分别基于数据 维护的需要 GIS 用户的需要 制图输出的需要等 实体要素是地理要素的高层描述 例如 建筑 物是一个实体要素 它可能由基础要素中的 墙 建筑物中心点 台阶 室外楼梯 以及一 些用于满足制图标准的辅助图形元素组成 道路又是另一个实体要素 它可能由基础要素中的 道 路边线 道路基线 道路中心线 道路节点 组成 图形元素 graphic elements 基础要素 primitive features 和实体要素 object features 在 实体关系模型中被定义为实体 图形元素 实体在整个数据库中包含点 线 面 组合元素和文 字注记 模型要求每一个图形元素有一唯一标识 并且与下属的点 线 面 组合元素和文字注记 等的几何结构无关 这使得在任何 GIS 软件实施过程中更自由 基础要素 实体包含整个数据库 中的所有基础要素实例 实体要素 实体则包含了所有的实体要素实例 4 图形元素及其实体关系 基础地理信息 中的图形元素可以 用一种包含所有空 间几何信息的几何 实体来表示 它的 组成关系见图 1 几何实体是几何 图形对象的一种抽 象描述 它处于图 形 对 象 的 最 高 层 次 在二维坐标空 间 2 中 具体几 何图形对象可定义 成 0 元 1 元 2 元几何实体以及它们的组合 其中 0 元几何实体具体表现为单点状的实体 1 元几何实体具体表现 为线状的实体 可为曲线或折线 2 元几何实体具体表现为某个被封闭的线状所包围的整个区域 也就是面状实体 组合实体是由 1 个以上的基本几何图形实体集合而成 点状实体是一个 0 元的几何实体 它在欧几里德坐标空间中表示一个位置 点状实体用来描述 空间点状地物 如大地水准点 电线杆等被视为点状实体 也可以用三维坐标来确定它在三维空间 中的位置 线状实体是一种 1 元的几何实体 通常由一系列的点及点之间的某种内插方式表示 如果点之 间采用线性的方式内插 这类实体就成为下面的线串 如果线状实体没有两次或两次以上地通过某 个点 该线状实体被称为是简单的 起点和终点重合的线状实体被称为是封闭的 线状实体用来表 几何实体 点状实体线状实体面状实体组合实体 多点实体多线实体多面实体多边形 多个多边形 线串 多个线串 1 2 1 1 1 图1 几何实体的组成及关系 基础地理信息图文一体化数据模型 3 示现实世界中的线状地物 如单线河 道路 等高线等 面状实体是一种 2 元的几何实体 面状实体用来描述现实世界中的面状地物 如行政区域 房 屋 湖泊 宗地等 面状实体的边界描述为封闭的线状实体 面状实体容许由多个封闭的线状实体 组成内部带洞的区域状实体 三 关系型数据库存储几何图形数据 数据库管理系统的数据模型有关系模型 对象关系模型 面向对象数据模型三大类 关系模型 是通过关系表管理实体数据 具有结构统一 面向记录 字段为原子等特点 对象关系模型是对关 系模型的扩展 具有面向对象的更加丰富的类型系统 允许用户定义结构类型的复杂字段类型 面 向对象数据模型利用了面向对象程序设计的基本思想 进一步扩充了前两种数据模型的字段类型 提供了用户化的对象结构定义方法 全面封装了对象的属性 消息和方法 大大丰富了数据类型 提高了数据库的可靠性 下面介绍几何图形数据的关系模型和对象关系模型解决方法 图形数据的关系型数据库存储方案由关系模型 R e l a t i o n a l M o d e l 和对象关系模型 O b j e c t R e l a t i o n a l M o d e l 两种 关系模型的具体存储又分为普通几何方式和二进制编码方式两种 在 E S R I 的S D E 和I n t e r g r a p h 的G e o M e d i a 中 采用了关系模型的解决方法 在O r a c l e 数据库的S p a t i a l C a r t r i d g e中也提供了关系模型的解决方案 并在 O r a c l e 8 i以后版本的 S p a t i a l O p t i o n中还提 供了对象关系模型的解决方案 关系模型的普通几何方式 实体标识 属性 1 几何标识 几何标识 属性 1 1 X 1 Y n X n Y FID GID GID 要素实体表 几何图形表 关系模型的二进制编码方式 实体标识 属性 1 几何标识 几何标识 min X min Y max X max Y 几何字段 FID GID GID WKBG 要素实体表 几何图形表 对象关系模型方式 实体标识 属性 1 属性 2 属性 n 几何字段 FID SDO GEOMETRY 块关系 索引块 实体关系 实体 编号 PEANO 编码 PEANO 编码 实体编号 1013 4 5 6 7 0 501 7 13 1 1243 12 4 6 2 1243 1 3 4 6 3 1243 61 9 11 4 1243 12 1013 5 1013 6 1013 7 1013 501 8 9 61 10 11 61 12 13 501 14 15 图2 空间索引格网与实体关系 基础地理信息图文一体化数据模型 4 1 空间索引方法 空间图形数据库的操作有空间实体的查询 合理性的检查 空间分析等 而图形实体的查询可 分为由实体标识的查询和空间位置关系查询两种 为了提高数据库的查询访问效率 对数据表建立 索引是常用的技术 对于一般文字数据的索引方法 由于其数据的 1 维性而显得简单并使用相当普 遍 空间图形数据的位置关系具有 2 维或更高维数的空间特征 因此 在空间图形数据库中 对空 间图形实体按某种方式进行索引显得复杂而又重要 常用的空间数据库索引方法有格网分割法 Space filling Curves 和四叉树法1 Quadtree 格 网分割法的基本方法是把涉及的整个空间区域构成 2N行 2N列的矩形格网 对每个格网或称之为 索引块 tile 赋予一个与其位置有关的编码标识 一般采用 Peano 键码或 Hilbert 键码 其中 N 被称 为层数 格网分割法把整个区域按均匀的原则进行分割 而四叉树法顾及所处地域的空间实体大小 和空间实体密度来确定分割的深度 有时也可称作可变大小的索引块法 空间图形数据的存取 分析 以及拓扑运算等 都需要利用空间索引信息 如图 2 所示的图形 数据库索引表记录的情况如右表 2 关系模型的普通几何方式 关系模型 Relational Model 的普通方法把有关一类地物要素组织在如下的数据表中 LAYER 记录有关该层要素的记录方式 索引层次 坐标系统等信息 以及有关 GEOM 数据表中几何实体记录方式的信息 DIM 记录该层要素的坐标轴信息 坐标值范围 容差 表示精度 GEOM 记录几何实体的几何信息 实体标识 实体类型 坐标数据 INDEX 记录该要素层的空间索引信息 3 关系模型的二进制几何方式 WKBGeometry The Well known Binary Representation for Geometry 著名的几何图形二进 制表示法 是一种几何图形的二进制表示方法 它被OpenGIS协会指定为图形数据的存储方法 它把几何实体的图形信息编码成连续的二进制数据流 能以二进制 或Raw 或图像类型字段存储 在SQL数据库中 并能通过SQL语句或ODBC客户程序读取 ERSI公司的SDE Spatial Database Engine 和Intergraph的GeoMedia Professional就是采用这种方式在关系型数据库中存储几何图形 实体数据 WKBGeometry把几何实体的图形数据用一定的编码方式予以编码成一串二进制字节数据流 bytes stream 来代替表 G E O M 中有关坐标值的字段内容 下面是一个带内岛的多边 形实体的W K B G e o m e t r y 表示 该图形的外边界为四边形 内部带一个三角形的小岛 其中T 3 表示图 形实体的类型为面状多边形 N R 2 说明该实体带有两个独立的图形元素 图4 W K B G e o m e t r y 多边形实体的存储例子 最外层的多边形 内部的多边形 T 3 NR 2 NP 4 X1 Y1 X2 Y2 X3 Y3 X1 Y1 NP 4 X4 Y4 X5 Y5 X6 Y6 X4 Y4 WKBG 的多边形图形实体表示 基础地理信息图文一体化数据模型 5 4 对象关系模型 Object Relational Model 对象关系模型是图形数据的最新解决方案 O R A C L E 在S p a t i a l C a r t r i d g e 的基础上推出了 S p a t i a l O p t i o n 选件 同时支持关系模型和对象关系模型 在空间数据的对象关系模型里 一个单 个字段类型对象S D O G E O M E T R Y 代替了在关系模型中的行列几何表 G E O M 在O R A C L E 8 i 版本中的对象类型字段S D O G E O M E T R Y 被定义为 CREATE TYPE SDO GEOMETRY AS OBJECT SDO GTYPE NUMBER SDO SRID NUMBER SDO POINT SDO POINT TYPE SDO ELEM INFO MDSYS SDO ELEM INFO ARRAY SDO ORDINATES MDSYS SDO ORDINATE ARRAY 其中 S D O G T Y P E 指明该对象的几何类型 合法的几何类型符合O p e n G I S 对简单实体的S Q L 语言 规程 G e o m e t r y O b j e c t M o d e l f o r t h e O G I S S i m p l e F e a t u r e s f o r S Q L 它的字段类型是数值型的 S D O S R I D 该字段记录有关空间参照系统 S p a t i a l R e f e r e n c e S y s t e m 系统的关联信 息 S D O P O I N T 如果当前实体仅仅是一个点状实体 其