基礎地理信息系統的空間數據規范
2013-07-09 14:13:59 來源: 測繪論壇 作者：孫紅春
1 引言
隨著以信息技術為代表的知識經濟的不斷發展，建設“數字地球”的重要性正日益為人們所認識，為了從全球、國家、區域三個層次上實施這一戰略，迫切需要建立多分辨率的、三維的、動態的空間數據基礎框架，這一進程使得十多年前開始建立的各種比例尺的數字地形圖面臨著新的挑戰，因為這些數字地形圖并不描述空間要素的屬性和它們之間的關系，它們僅僅是以輸出滿足國家制圖標準的地形圖為目的的。
基礎地理信息系統在涵蓋內容、數據結構和服務對象上都遠遠超出了數字地形圖，它不僅可以滿足各建設單位的用圖需要，而且可以滿足GIS用戶的需要；不僅可以滿足GIS用戶的共同需要，而且可以滿足各專業GIS用戶的特殊需要。它的空間性決定了空間數據依然是它的主體，其數據規范和結構的設計是實施基礎地理信息系統研究和建立的基礎。
空間數據規范和結構是對數據特性和關系的基本描述，其制定的原則為：
●便于實現豐富的數據提取功能，可以按任意的要素關系組合和屬性關系組合或取值范圍來提取、集合空間數據。
●便于實現強大的可視化輸出功能，可以按任意的要素關系組合和屬性關系組合或取值范圍進行可視化輸出。
●為質量控制系統提供控制依據，數據規范中所描述的空間要素之間、空間要素與屬性之間的關系是過程和結果質量控制的依據。
●便于數據更新和維護，與單純的數字地圖中點線面毫不相干的特征不同，基礎地理數據庫中空間數據之間、空間數據與屬性數據之間的緊密關系，使它們的維護和更新也是一個聯動的過程。
●便于歷史數據的保存與重視，記錄空間數據及其屬性變更的過程，并按任意時段和指定屬性取值及關系再現空間數據集合。
●數據規范必須是中性的、邏輯的，不依賴和不針對任何一種GIS和DBMS軟件環境。
●數據規范和結構必須是可擴充的。
2 數據規范的對象
基礎地理數據庫是定向于要素的系統，要素是對某個具體事物或者物理現象的邏輯描述，在基礎地理數據庫中有兩個層次的描述，即基礎要素和組合實體，任一要素可以在其中一個層次上得到描述。
2.1 基礎要素（Primitive feature）
基礎要素是地理要素的一種有意義的描述，是地理要素的低層次的描述。一個基礎要素必須與一個具有真實地理含義的具體事物相對應。基礎要素具有一個名稱和定義描述，以此區別于其他基礎要素，例如建筑物的“墻”是一個基礎要素，其表示建筑物在地面上的范圍線，在系統中，基礎要素的每一例都必須具有唯一的識別號ID。
2.2 組合實體（Object feature）
組合實體是由一個或多個基礎要素和零個或多個圖形元素組成的集合，這種集合分別基于數據維護的需要、GIS用戶的需要、制圖輸出的需要等，組合實體是地理要素的高層描述。例如，建筑物是一個組合實體，它可能由基礎要素中的“墻”、“建筑物中心點”、“臺階”、“室外樓梯”以及一些用于滿足制圖標準的圖形元素組成；道路又是另一個組合實體，它可能由基礎要素中的“道路邊線”、“道路基線”、“道路中心線”、“道路節點”組成。在整個數據庫應用范圍內，組合實體中的每一例也具有唯一標識號。
除了這兩個層次上的要素描述以外，另外還有一概念叫圖形元素（graphic elements），圖形元素是幾何表現地理要素的基礎，同時滿足測繪制圖標準的一些符號也由圖形元素組成。如建筑物多邊形內部的對角線，表示的只是建筑物的一種類型——簡單房屋，這類圖形元素與基礎要素沒有邏輯關系，不屬于任何基礎要素，而組合實體可以由基礎要素和圖形元素共同組成。
基于上述思想，對國家現行制圖標準的1∶500地形要素進行分解，確立了各基礎要素，同時按用戶對各種地理要素的興趣程度、精度要求、更新周期，應用需求的不同，并結合制圖、數據庫維護更新等要求，構成各組合實體。
3 數據規范內容
數據規范除了明確各要素的描述層次分屬于基礎要素（Primitive feature）或組合實體（Object feature）以外，還定義了要素的名稱、含義和要素類型，此外，還有三類描述，第一是要素本身的屬性描述，第二是要素與其他要素之間關系的描述，第三是要素的圖形表示方式，用于制圖輸出，下面分別介紹
3.1 屬性描述
屬性是用來描述要素特征的，其基本內容為：
（1）名稱：屬性的名稱
（2）數據類型：數據的類型，如數值型number，字符型character
（3）長度：字節數
（4）小數點位數
（5）空值性：指值是否可以空缺
（6）唯一性：指取值是否具有唯一性
有些屬性是為邏輯地定義一個要素所必須的，這些屬性稱為強制性屬性，每一個基礎要素和組合實體都必須具有這些屬性，這些屬性為：
（1）PF-ID（基礎要素識別號）：OF-ID（組合實體識別號）：各要素的每一例都必須具有唯一的識別號
（2）PF-NAME（基礎要素名）：OF-NAME（組合實體名）：基礎要素和組合實體的名稱
（3）PF-CODE（基礎要素編碼）：OF-CODE（組合實體編碼）：要素的分類編碼，遵循國家有關標準
（4）OWNER（所有者）：數據所有者或采集者，根據概念數據模型，OWNER（所有者）這個屬性只為組合實體所需要
（5）STEWARD（督管者）：數據督管者或權威，根據概念數據模型，STEWARD（督管者）這個屬性只為組合實體所需要。數據督管者（STEWARD）和數據采集者（OWNER）可以相同，也可以不同，比如自來水管道數據，其數據督管者應該是自來水公司，而數據據的采集卻完全可以是另一家單位，象測繪院
（6）SOURCE（數據源）：數據來源（野外數測、內業數字化、航測……）
（7）SOURCE-DATE（建立日期）：數據建立日期
（8）ACCURACY（精度）：數據的精度
（9）DATE-STATE：數據所處狀態 是否正在修改
（10）UPDATE-DATE（更新日期）；最近一次更新數據的日期
（11）UPDATE-BY（更新人）：最近一次更新數據的作業員
除了上述強制性屬性以外，還有一些屬性是由用戶的應用需要而設置的，這些屬性稱為一般屬性。一般屬性可以是關于要素的物理特征的（例，房屋的結構），或是關于要素的社會應用特征的（如房屋的用途），對于基礎要素和組合實體具有廣泛意義的一般屬性歸于組合實體，僅對基礎要素有意義的一般屬性歸于基礎要素。
對于一般屬性中的每個屬性項，都有一個屬性取值范圍，稱為屬性域，也就是說它是一系列合法或有效的屬性值，比方基礎要素“墻”的一般屬性“類型”，其屬性域為：鋼筋混凝土結構、混合結構、磚木結構、簡單房屋、建筑中房屋、棚房等。
3.2 要素與其他要素間關系的描述
3.2.1 相關組合實體與基礎要素的關系描述
它描述了基礎要素與組合實體相互間的邏輯關系，對每一個基礎要素，列出由其組成的組合實體名，對每一個組合實體，列出其組成部分——基礎要素名。
組合實體是基礎要素按GIS用戶、制圖及地理數據維護等不同應用需要集合定義的，這一集合，使數據的聯合操作成為可能。
例如，基礎要素“墻“的相關組合實體名為“建筑物”、“構筑物”、“垣柵”，表明“墻”可以分別是這三個組合實體的組成部分。
而組合實體“建筑物”的相關基礎要素為“墻”、“懸空墻”、“臺階”、“建筑物中心點”、“支柱、墩”、“垣柵線”，則說明建筑物是由上述基礎要素組成的。
在對數據庫的組合實體進行操作時，上述基礎要素便會一同作為數據提取、數據維護的對象。
3.2.2 要素間關系原則
該項建立了相鄰或相連的基礎要素間空間關系的原則和制約，它是以基礎要素在同一維中的空間關系為基礎的，描述關系包括：
●相連：表示基礎要素間可以由相同點連接起來，比如“墻”可以與“墻”連接，但不可以與鐵路線連接。
●跨越（或交叉）：表示基礎要素間可以相互交叉或跨越，而不是連接，比如“道路邊線”可以和“鐵路線”相交。
●共享：這一關系的描述，便得具有共同邊界的基礎要素，只需存儲一次，比如基礎要素“垣柵”可能同時又是“墻”，而“道路中心線”可能又同時是“行政邊界”。
●落于：如建筑物中心點應落于墻內。
●包含：如墻可包含建筑物的中心點。
落于和包含原則描述了要素的封閉性和包含性。
要素間關系原則描述了基礎要素空間關系，為數據的空間分析和操作提供了可能，也為系統的質量控制奠定了基礎。
3.2.3 圖形表示
地形圖是按照一定數學法則，運用符號系統和地圖制圖的綜合原則，表示地圖上各種自然現象和社會經濟現象的一種地圖，為了使地形圖提供的信息不僅內容豐富，而且重點突出，清晰易讀，需要進行綜合取舍處理，綜合取舍的依據就是地形圖圖式，地形圖圖式是測繪、出版地形圖的基本依據之一，是識別和使用地形圖的重要工具，它是地形圖上表示各種地物、地貌要素的符號、注記和顏色的標準，按統一圖式標準制作的地形圖，沿用幾十年，早已為廣大建設單位所熟悉、接受和應用，并將在城市建設中繼續發揮著它的作用。必須明確地理數據庫的輸出產品與其庫中的內容并不相等，在充分考慮其庫中的結構滿足數據存儲、提取、更新及GIS應用需要的同時，必須考慮其輸出產品的圖形表示，在這里圖形表示有兩種方式：
●系統缺省符號
系統缺省符號是按照國家制圖標準，并結合上海市特點定義的統一標準。
●用戶定義符號
用戶定義符號是指某一用戶為某個特定應用提出的符號，同一地理要素在不同用戶和不同應用中可以用用戶定義的符號，以不同方式表示。
4 結束語
上述空間數據規范和結構不僅描述了空間要素本身的名稱、類型、定義、屬性、取值范圍、圖形表示方式，還描述了要素間的連接、相交、包含、共享等關系，它是數據庫概念設計、邏輯設計、物理設計的基礎，也是數據提取、數據維護和全過程質量控制的依據。為此，空間數據規范和結構對基礎地理數據庫的合理存儲、維護、運行、應用來說，空間數據的規范和結構設計舉足輕重，必須精心考慮。
參考文獻
1 《數字地球百問》 陳述彭主編
基礎地理信息系統在涵蓋內容、數據結構和服務對象上都遠遠超出了數字地形圖，它不僅可以滿足各建設單位的用圖需要，而且可以滿足GIS用戶的需要；不僅可以滿足GIS用戶的共同需要，而且可以滿足各專業GIS用戶的特殊需要。它的空間性決定了空間數據依然是它的主體，其數據規范和結構的設計是實施基礎地理信息系統研究和建立的基礎。
空間數據規范和結構是對數據特性和關系的基本描述，其制定的原則為：
●便于實現豐富的數據提取功能，可以按任意的要素關系組合和屬性關系組合或取值范圍來提取、集合空間數據。
●便于實現強大的可視化輸出功能，可以按任意的要素關系組合和屬性關系組合或取值范圍進行可視化輸出。
●為質量控制系統提供控制依據，數據規范中所描述的空間要素之間、空間要素與屬性之間的關系是過程和結果質量控制的依據。
●便于數據更新和維護，與單純的數字地圖中點線面毫不相干的特征不同，基礎地理數據庫中空間數據之間、空間數據與屬性數據之間的緊密關系，使它們的維護和更新也是一個聯動的過程。
●便于歷史數據的保存與重視，記錄空間數據及其屬性變更的過程，并按任意時段和指定屬性取值及關系再現空間數據集合。
●數據規范必須是中性的、邏輯的，不依賴和不針對任何一種GIS和DBMS軟件環境。
●數據規范和結構必須是可擴充的。
2 數據規范的對象
基礎地理數據庫是定向于要素的系統，要素是對某個具體事物或者物理現象的邏輯描述，在基礎地理數據庫中有兩個層次的描述，即基礎要素和組合實體，任一要素可以在其中一個層次上得到描述。
2.1 基礎要素（Primitive feature）
基礎要素是地理要素的一種有意義的描述，是地理要素的低層次的描述。一個基礎要素必須與一個具有真實地理含義的具體事物相對應。基礎要素具有一個名稱和定義描述，以此區別于其他基礎要素，例如建筑物的“墻”是一個基礎要素，其表示建筑物在地面上的范圍線，在系統中，基礎要素的每一例都必須具有唯一的識別號ID。
2.2 組合實體（Object feature）
組合實體是由一個或多個基礎要素和零個或多個圖形元素組成的集合，這種集合分別基于數據維護的需要、GIS用戶的需要、制圖輸出的需要等，組合實體是地理要素的高層描述。例如，建筑物是一個組合實體，它可能由基礎要素中的“墻”、“建筑物中心點”、“臺階”、“室外樓梯”以及一些用于滿足制圖標準的圖形元素組成；道路又是另一個組合實體，它可能由基礎要素中的“道路邊線”、“道路基線”、“道路中心線”、“道路節點”組成。在整個數據庫應用范圍內，組合實體中的每一例也具有唯一標識號。
除了這兩個層次上的要素描述以外，另外還有一概念叫圖形元素（graphic elements），圖形元素是幾何表現地理要素的基礎，同時滿足測繪制圖標準的一些符號也由圖形元素組成。如建筑物多邊形內部的對角線，表示的只是建筑物的一種類型——簡單房屋，這類圖形元素與基礎要素沒有邏輯關系，不屬于任何基礎要素，而組合實體可以由基礎要素和圖形元素共同組成。
基于上述思想，對國家現行制圖標準的1∶500地形要素進行分解，確立了各基礎要素，同時按用戶對各種地理要素的興趣程度、精度要求、更新周期，應用需求的不同，并結合制圖、數據庫維護更新等要求，構成各組合實體。
3 數據規范內容
數據規范除了明確各要素的描述層次分屬于基礎要素（Primitive feature）或組合實體（Object feature）以外，還定義了要素的名稱、含義和要素類型，此外，還有三類描述，第一是要素本身的屬性描述，第二是要素與其他要素之間關系的描述，第三是要素的圖形表示方式，用于制圖輸出，下面分別介紹
3.1 屬性描述
屬性是用來描述要素特征的，其基本內容為：
（1）名稱：屬性的名稱
（2）數據類型：數據的類型，如數值型number，字符型character
（3）長度：字節數
（4）小數點位數
（5）空值性：指值是否可以空缺
（6）唯一性：指取值是否具有唯一性
有些屬性是為邏輯地定義一個要素所必須的，這些屬性稱為強制性屬性，每一個基礎要素和組合實體都必須具有這些屬性，這些屬性為：
（1）PF-ID（基礎要素識別號）：OF-ID（組合實體識別號）：各要素的每一例都必須具有唯一的識別號
（2）PF-NAME（基礎要素名）：OF-NAME（組合實體名）：基礎要素和組合實體的名稱
（3）PF-CODE（基礎要素編碼）：OF-CODE（組合實體編碼）：要素的分類編碼，遵循國家有關標準
（4）OWNER（所有者）：數據所有者或采集者，根據概念數據模型，OWNER（所有者）這個屬性只為組合實體所需要
（5）STEWARD（督管者）：數據督管者或權威，根據概念數據模型，STEWARD（督管者）這個屬性只為組合實體所需要。數據督管者（STEWARD）和數據采集者（OWNER）可以相同，也可以不同，比如自來水管道數據，其數據督管者應該是自來水公司，而數據據的采集卻完全可以是另一家單位，象測繪院
（6）SOURCE（數據源）：數據來源（野外數測、內業數字化、航測……）
（7）SOURCE-DATE（建立日期）：數據建立日期
（8）ACCURACY（精度）：數據的精度
（9）DATE-STATE：數據所處狀態 是否正在修改
（10）UPDATE-DATE（更新日期）；最近一次更新數據的日期
（11）UPDATE-BY（更新人）：最近一次更新數據的作業員
除了上述強制性屬性以外，還有一些屬性是由用戶的應用需要而設置的，這些屬性稱為一般屬性。一般屬性可以是關于要素的物理特征的（例，房屋的結構），或是關于要素的社會應用特征的（如房屋的用途），對于基礎要素和組合實體具有廣泛意義的一般屬性歸于組合實體，僅對基礎要素有意義的一般屬性歸于基礎要素。
對于一般屬性中的每個屬性項，都有一個屬性取值范圍，稱為屬性域，也就是說它是一系列合法或有效的屬性值，比方基礎要素“墻”的一般屬性“類型”，其屬性域為：鋼筋混凝土結構、混合結構、磚木結構、簡單房屋、建筑中房屋、棚房等。
3.2 要素與其他要素間關系的描述
3.2.1 相關組合實體與基礎要素的關系描述
它描述了基礎要素與組合實體相互間的邏輯關系，對每一個基礎要素，列出由其組成的組合實體名，對每一個組合實體，列出其組成部分——基礎要素名。
組合實體是基礎要素按GIS用戶、制圖及地理數據維護等不同應用需要集合定義的，這一集合，使數據的聯合操作成為可能。
例如，基礎要素“墻“的相關組合實體名為“建筑物”、“構筑物”、“垣柵”，表明“墻”可以分別是這三個組合實體的組成部分。
而組合實體“建筑物”的相關基礎要素為“墻”、“懸空墻”、“臺階”、“建筑物中心點”、“支柱、墩”、“垣柵線”，則說明建筑物是由上述基礎要素組成的。
在對數據庫的組合實體進行操作時，上述基礎要素便會一同作為數據提取、數據維護的對象。
3.2.2 要素間關系原則
該項建立了相鄰或相連的基礎要素間空間關系的原則和制約，它是以基礎要素在同一維中的空間關系為基礎的，描述關系包括：
●相連：表示基礎要素間可以由相同點連接起來，比如“墻”可以與“墻”連接，但不可以與鐵路線連接。
●跨越（或交叉）：表示基礎要素間可以相互交叉或跨越，而不是連接，比如“道路邊線”可以和“鐵路線”相交。
●共享：這一關系的描述，便得具有共同邊界的基礎要素，只需存儲一次，比如基礎要素“垣柵”可能同時又是“墻”，而“道路中心線”可能又同時是“行政邊界”。
●落于：如建筑物中心點應落于墻內。
●包含：如墻可包含建筑物的中心點。
落于和包含原則描述了要素的封閉性和包含性。
要素間關系原則描述了基礎要素空間關系，為數據的空間分析和操作提供了可能，也為系統的質量控制奠定了基礎。
3.2.3 圖形表示
地形圖是按照一定數學法則，運用符號系統和地圖制圖的綜合原則，表示地圖上各種自然現象和社會經濟現象的一種地圖，為了使地形圖提供的信息不僅內容豐富，而且重點突出，清晰易讀，需要進行綜合取舍處理，綜合取舍的依據就是地形圖圖式，地形圖圖式是測繪、出版地形圖的基本依據之一，是識別和使用地形圖的重要工具，它是地形圖上表示各種地物、地貌要素的符號、注記和顏色的標準，按統一圖式標準制作的地形圖，沿用幾十年，早已為廣大建設單位所熟悉、接受和應用，并將在城市建設中繼續發揮著它的作用。必須明確地理數據庫的輸出產品與其庫中的內容并不相等，在充分考慮其庫中的結構滿足數據存儲、提取、更新及GIS應用需要的同時，必須考慮其輸出產品的圖形表示，在這里圖形表示有兩種方式：
●系統缺省符號
系統缺省符號是按照國家制圖標準，并結合上海市特點定義的統一標準。
●用戶定義符號
用戶定義符號是指某一用戶為某個特定應用提出的符號，同一地理要素在不同用戶和不同應用中可以用用戶定義的符號，以不同方式表示。
4 結束語
上述空間數據規范和結構不僅描述了空間要素本身的名稱、類型、定義、屬性、取值范圍、圖形表示方式，還描述了要素間的連接、相交、包含、共享等關系，它是數據庫概念設計、邏輯設計、物理設計的基礎，也是數據提取、數據維護和全過程質量控制的依據。為此，空間數據規范和結構對基礎地理數據庫的合理存儲、維護、運行、應用來說，空間數據的規范和結構設計舉足輕重，必須精心考慮。
參考文獻
1 《數字地球百問》 陳述彭主編
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