面向對象整體GIS數據模型的設計與實現

領測軟件測試網 [摘要]本文在前期GIS概念數據模型研究的基礎上，提出了面向對象整體GIS數據模型，并針對整體GIS軟件的實現在系統數據組織、存儲結構與訪問機制方面進行了較為深入的探討，最后簡單介紹了基于整體GIS數據模型的商品化軟件---SuperMap Deskpro的實現情況。

　　[關鍵詞]　面向對象 整體數據模型 系統數據組織 存儲與訪問

1.引言

　　經過幾十年的發展，今天的GIS系統已經具備了較強的數據存貯、管理和輸入輸出功能，但目前大多數的GIS仍然是以數據為中心的，在完整表達客觀地理世界、進行高層次的空間分析和直接提出決策方案的能力方面還遠遠不夠，導致這種情況的根本原因在于現有GIS的數據模型不能準確地表達客觀地理世界。為此，作者為現有GIS軟件總結了兩種典型的數據模型[1]：拓撲關系數據模型和面向實體的數據模型，并分析了它們各自的優缺點，指出應該在整體論的基礎上為地理空間建立一個能夠直接反映人們認知的整體數據模型。

2.面向對象的整體數據模型

　　GIS本質上是對客觀地理世界的近似模擬，其理想狀態應該是盡可能準確地反映地理世界，同時做到數據量最小，又便于人們從中獲取所需要的信息和規律。要達到這種理想狀態，我們需要做好兩步工作：1）準確理解地理空間；2）為地理空間建立面向對象的整體數據模型---一個基于地理空間整體論、完全以面向對象方式組織的GIS數據模型。

　　地理空間的理解可以簡單概括為[1]：地理空間是一個目標組合排列集，每個目標或說對象都具有位置、屬性和時間信息，及與其它對象的拓撲關系、語義關系等�；�于這一認識，我們可以得到，表達地理空間的整體GIS數據模型有如下特征：

　　■　將地理空間按照人的思維方式理解為基于目標的空間和定義在地球表層目標集上的關系。除了要研究對象的幾何位置及拓撲關系外，還要重視研究對象間的語義關系。

　　■　整體數據模型雖然要求我們將客觀世界作為整體看待，但在執行具體的數據組織時也需要對眾多的地理實體進行分層。分層是基本的和必要的，但由于為一種目的進行的分層很難滿足另外的需求，因此重要的不是提供一種通用的分層，而是對方便地加入、刪除對象等維護層的操作予以足夠的支持。復合圖層含有不按對象維數分層的含義，能夠很好地體現客觀 世界的整體特征，為不同層中的關聯對象或用戶感興趣的不同類型對象提供了一個集中存貯與交互的獨立空間，整體數據模型尤其應該增強復合圖層的功能，使用戶能夠自由地加入、刪除、修改、查詢任意類型（點、線、面和復雜實體）的地理實體，同時能夠進行強大的空間分析；

　　■　雖然傳統的GIS數據模型常將基于對象的模型用矢量結構表達，而將基于場的模型用柵格結構表達[2][3]，其實可將對象和連續場這兩種看似對立的模型統一在面向對象的整體數據模型中，因為面向對象的方法作為一種框架不僅可以描述基于對象的模型，也可以描述基于場的模型[3][4]。

　　■　空間對象是處在三維空間中的，并具有多尺度特征。

　　■　整個數據模型完全以面向對象的方式組織。

由上可見，在整體數據模型中，地理空間被表達為一個具有相互關系的對象集。每個對象不僅具有自己的幾何信息、屬性信息和時間信息，而且與其它對象之間具有拓撲關系和語義關系。所有這些信息在整體數據模型中都處于同等重要的地位，其中起著連接作用的是對象本身。根據對象的形狀特點，同時為了方便計算機實現與管理，我們可以將地理空間中的對象分為5種基本對象：點、線、面、注記和復雜對象。其中，前面四種對象比較簡單，統稱為簡單對象，這里只介紹第5種對象---復雜對象。

　　復雜對象是由簡單對象組合派生的，可以劃分為如下兩種類型：

1）單純型復雜對象

　　多個同樣類型的對象合并成為一個單純型復雜對象。·復雜點：點群，由多個點狀對象構成的集合，整個集合是一個對象，如聚集在一起的多個水文站等；?復雜線：線群，由多個線狀對象構成的集合，整個集合是一個對象，如一線狀水系，一徑流網絡等；·復雜面：面群，由多個面狀對象構成的集合，整個集合是一個對象，如一湖泊群，一海洋群島等。

2）混合型復雜對象

　　點、線、面共存的復雜對象�；旌闲蛷碗s對象的混合種類包括：點與線混合，點與面混合、線與面混合及點、線、面同時存在的混合，多個不同類型對象合并成一個就構成了混合型復雜對象，因此混合型復雜對象不屬于點、線、面中的某一基本類型，在屬性上也就不具備這些基本類型對象的一些特有信息，如線對象的長度，面對象的面積和周長等，這在數據庫表結構的設計中要予以必要的考慮。

　　單純型復雜對象可以在相應類型的簡單對象集中存貯和在相應圖層中顯示，也可以在復合對象集中存貯和在復合圖層中顯示；混合型復雜對象只能在復合對象集中存貯和在復合圖層中顯示，它們不適合存入簡單對象集，也不宜在點、線、面簡單圖層中顯示，因為它們的加入會破壞簡單對象集和簡單圖層的專題特性，也不便于管理。

　　上面介紹的這5種對象在地理空間中都是以三維形態存在的，但由于三維GIS建設的成本較高，在技術實現上也有相當的難度，而目前二維GIS能夠滿足大部分實際需求，因此我們在表達三維客觀地理世界、實現整體GIS數據模型時以開發二維GIS為主，而在某些需要查看具體三維細節的地方提供機制以表現其三維結構，例如可以另開辟一個小的三維地圖窗口來表現對象的三維形狀、結構和拓撲關系等。

　　時間問題[5]-[8]、語義關系和拓撲關系[9]-[11]一直是GIS界長期研究的熱點，雖然它們在整體數據模型里面占有很重要的位置，但是本文的重點在于確定整個數據模型和系統的總體組織，對它們的具體討論將在以后逐步展開。

3 系統數據組織

3.1 對象集

　　對象集是指由眾多對象構成的集合。劃分對象集的目的在于存儲和管理對象的方便，它可以是由同種幾何類型的對象構成的集合，也可以是由不同類型對象組成的集合。在整體GIS數據模型中，有如下三類對象集：

　　■　簡單對象集：包括簡單點對象集、線對象集、面對象集和注記對象集四類；點對象集是由簡單點對象或單純型復雜點對象組成的集合，線對象集是由簡單線對象或單純型復雜線對象組成的集合，面對象集是由簡單面對象或單純型復雜面對象組成的集合。簡單對象集也可稱為專題對象集。

　　■　復合對象集：由簡單點、線、面對象、注記對象、單純型復雜對象或混合型復雜對象等不同類型對象組成的集合。在這種對象集合中，可以包含任意類型的對象元素；

　　■　場：場是由有機關聯的對象構成的集合，其中的元素在幾何上不再相互獨立，而是緊密相關，這一點與以上兩種對象集不同。如TIN、GRID、影像和網絡等。場中的元素對象一般較多，場本身就是一個對象集，因此我們在概念上不再另設場對象和場對象集。

　　由上可見，對象類型與對象集類型并不是完全一一對應的，例如：單純型復雜線對象與簡單線對象一樣分別存貯與顯示在簡單線對象集和簡單線圖層中，不必要專門的單純型復雜線對象集和單純型復雜線圖層來存貯和顯示。

　　除了點、線、面三種單純型復雜對象外，其它各種對象（點、線、面簡單對象、注記對象和混合型復雜對象）與對象集類型都是一一對應的。另外，場是一種對象集，不過由于其中的元素并不是場對象（沒有場對象概念），因而場與場中的元素也不存在一一對應的關系，但在實現時開發者完全可以設計一個場類來管理各種各樣的場。

　　值得指出的是，整體GIS數據模型認為人們感知的客觀世界是一個由眾多類型不同的地理實體組成的整體世界，而不是人為分割的、僵化的對象層，但由于分層能夠為GIS管理和顯示地理對象提供極大的方便，因此我們在基本分層（在本文中是對象集）的基礎上，特別提出并強調復合對象集的概念，以此來表達和實現整體GIS數據模型的整體思想。復合對象集打破了GIS中傳統分層的框架，為不同對象集中的關聯對象或用戶感興趣的不同類型對象提供了一個集中存貯與交互的獨立空間，但同時也為系統開發和管理帶來了一定難度。比如，單純型對象集的顯示、修改、存貯、管理、分析和輸出都可采用統一的方法進行，而復合對象集的這些操作則必須在內部進行分別處理（按對象類型）。雖然如此，但單純型對象集與復合對象集都是為了滿足不同的用戶需求而設計的，二者在對象組織、系統實現和空間分析上各有優缺點，一個功能強大的GIS應該同時支持它們。

3.2 圖層

　　對象集加上自己特有的顯示屬性即是圖層，因此對象集類型與圖層類型是一一對應的。由于對象集包括點、線、面、注記對象集、復合對象集和場6種基本類型，因此圖層也有相應的點、線、面、注記圖層、復合圖層和場圖層6種基本類型。對象集用來存貯對象的空間與屬性數據，而圖層則用來設置對象集的顯示風格并控制對象集的顯示范圍、顯示比例和操作特性（如可顯示、可選擇、可編輯和可捕捉等），二者各司其職又相互聯系。在對應關系上，一個圖層只對應一個對象集，而一個對象集卻可顯示在不同的地圖窗口中對應多個圖層，因此對象集與圖層之間的關系是一對多的關系。

3.3 數據庫

　　我們這里所說的數據庫是指廣義的數據庫，其定義為“存貯對象的集合”。物理上不管是以文件形式還是以商業數據庫形式存在，只要存貯有對象，我們都稱為數據庫。就綜合性能而言，一般是文件系統在小量數據方面有自己的長處，而商業數據庫則對大量數據的支持有著文件系統無法替代的優勢。

3.4 地圖或地圖窗口

　　對象集是用來存貯地理對象的，圖層是用來控制對象的顯示的，兩者都不等同于地圖或地圖窗口。我們的地圖或地圖窗口是一種框架，是顯示對象的實際載體，也是控制圖層并對之進行操作和分析的主體。

3.5 工作空間

　　工作空間是為系統管理方便而設計的，相當于一個大的倉庫，里面存貯有數據的基本信息，如數據庫的名字與尺寸、地圖和其它資源（如點、線、面型符號）。系統運行時可調入數據庫對之進行管理控制。

延伸閱讀

文章來源于領測軟件測試網 http://www.kjueaiud.com/