摘要：本文基于筆者多年從事地理信息系統(tǒng)的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以地理信息系統(tǒng)矢柵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)組織管理為研究對(duì)象，探討了地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)組織與管理方法。

　　關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng);數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);數(shù)據(jù)組織管理

　　現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)的普遍的發(fā)展趨勢(shì)是以數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)形式構(gòu)筑一個(gè)規(guī)模龐大的并行數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，具有海量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理能力，數(shù)據(jù)庫(kù)的主體是地理實(shí)體的各種時(shí)態(tài)下的屬性信息數(shù)據(jù)，而地理實(shí)體的空間位置數(shù)據(jù)雖然是地理信息處理的基礎(chǔ)，但是相對(duì)而言，空間數(shù)據(jù)庫(kù)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中所占份額并不大。

　　與一般的地理信息系統(tǒng)不同的是，我們開發(fā)的電信線路網(wǎng)絡(luò)GIS系統(tǒng)采用的就是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)(Oracle)和GIS軟件相結(jié)合的方式。

　　由于最常用的系統(tǒng)功能是顯示當(dāng)前電信設(shè)備，因此有效的組織電信要素?cái)?shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)是比較重要的。由于GIS的數(shù)據(jù)是海量的，系統(tǒng)在圖形處理速度上的快慢是一個(gè)GIS系統(tǒng)成功與否的重要標(biāo)志。因此，我們采用了背景圖和電信設(shè)備、線路分開組織、統(tǒng)一管理的方式。背景圖存儲(chǔ)地形圖的空間和屬性數(shù)據(jù);而關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)電信設(shè)備及線路的空間和屬性數(shù)據(jù)。

　　由于地理信息庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是地理信息處理技術(shù)的基礎(chǔ)，地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵所在。合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能提高整個(gè)系統(tǒng)信息處理的效率，簡(jiǎn)化系統(tǒng)編程，增強(qiáng)地理信息庫(kù)對(duì)異常情況的容錯(cuò)能力，從而達(dá)到提高整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性的目的。

　　設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)有兩方面的意義：其一是提高對(duì)操作的響應(yīng)速度，其二是縮小系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的體積，使之能存儲(chǔ)在容量有限的設(shè)備中。圖形數(shù)據(jù)采用矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　一、GIS空間數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)所采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，GIS數(shù)據(jù)模型可分為矢量型、柵格型以及柵格與矢量混合型。一般來說，柵格型GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)面域數(shù)據(jù)的處理，如求面域的面積、周長(zhǎng)，作面域的擴(kuò)張、收縮、疊加，以及求弧段的交點(diǎn)等。但它不便于作面向?qū)嶓w的處理，不便于記錄特征之間的相互關(guān)系，且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需占較大空間;而矢量型GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則較為復(fù)雜，但它擅于表達(dá)特征之間的相互關(guān)系，如面域的相鄰關(guān)系，弧段的相交關(guān)系，以及點(diǎn)對(duì)線的歸屬關(guān)系，線對(duì)面的歸屬關(guān)系等，并且易于以實(shí)體為單位對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，它的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也只需較小的空間。只是對(duì)于柵格型GIS所擅長(zhǎng)的面域方面的處理，用矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)時(shí)，則需要較復(fù)雜的處理過程和較多的處理時(shí)間。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，處理速度的飛速提高，數(shù)據(jù)的處理時(shí)間問題變得不再那么突出，而人們對(duì)數(shù)據(jù)所能表達(dá)的內(nèi)容的要求卻越來越高，因而更多的地理信息系統(tǒng)采用了矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為其主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　矢量數(shù)據(jù)易于實(shí)現(xiàn)面向?qū)嶓w的操作，這里的實(shí)體是現(xiàn)實(shí)世界中的個(gè)體在數(shù)據(jù)世界中的映射。在二維數(shù)據(jù)世界里，面狀實(shí)體用來表達(dá)平面投影為面狀的物體，如居民地、林地、水域等;線狀實(shí)體則表達(dá)平面投影長(zhǎng)寬相差非常顯著，并且對(duì)其面積不作為重點(diǎn)考察的物體，如各種管線、道路，以及小比例尺地圖上的河流、通路等;點(diǎn)狀實(shí)體用來表達(dá)投影面積可忽略不計(jì)的物體或示意點(diǎn)，如小比例尺地圖上的居民點(diǎn)、港口、機(jī)場(chǎng)等。

　　1.柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　在柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，空間被規(guī)則地劃分為柵格(通常為正方形)。地理實(shí)體的位置和狀態(tài)是用它們占據(jù)的柵格行、列以及取什么值來定義的。實(shí)體的空間位置就是用其在柵格中的行號(hào)、列號(hào)來表示;實(shí)體的屬性就用單元的取值來表示，這樣輸入、輸出、儲(chǔ)存、處理都比較方便。在靠近事物邊界的位置，按四舍五入原則決定單元取值。基本單元的大小代表了柵格型地圖(空間)數(shù)據(jù)庫(kù)的分辨率。一般地圖是用點(diǎn)、線，面來表達(dá)空間事物，點(diǎn)在網(wǎng)格中占據(jù)一個(gè)基本單元，線由一系列單元連接成鋸齒狀折線，面的邊界也是鋸齒狀的。

　　用柵格結(jié)構(gòu)表示的地表特征是不連續(xù)的，在柵格結(jié)構(gòu)中，地表被分成相互鄰接、規(guī)則排列的矩形方塊(有時(shí)也可以是三角形或菱形、六邊形等)，每個(gè)地塊與一個(gè)柵格單元相對(duì)應(yīng)，柵格數(shù)據(jù)的比例尺就是柵格大小與地表相應(yīng)單元大小之比。

　　2.矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　空間數(shù)據(jù)一般由點(diǎn)、線、面組成，在矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，所有這些空間要素都是以點(diǎn)的形式表示的，最常用的是二維笛卡爾平面直角坐標(biāo)系，折合平面解析幾何對(duì)物體的描述十分相似。一個(gè)點(diǎn)有一對(duì)坐標(biāo)(x，y)表示，沒有形狀也沒有大小。簡(jiǎn)單的線用一串有次序的坐標(biāo)表示，對(duì)精度要求高的曲線可用多條很短的直線來擬合，也可用圓弧或更復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)和直線混合起來表示。面是用線圍起來的封閉的不規(guī)則多邊形。雖然矢量坐標(biāo)點(diǎn)的分辨率比柵格模型中的最小基本單元的分辨率要高得多，但實(shí)際使用時(shí)也要受存儲(chǔ)量的限制。如小比例尺地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的河流不能表現(xiàn)出實(shí)際的寬度變化;大比例尺地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的房屋邊界，也往往略去一些小的轉(zhuǎn)折。另外坐標(biāo)點(diǎn)用什么做基本單位，保留小數(shù)點(diǎn)后幾位，也是有限制的。

　　在矢量型的GIS軟件中，定義多邊形比定義點(diǎn)、線要復(fù)雜。早期的GIS軟件或計(jì)算機(jī)地圖制圖系統(tǒng)常把多邊形的邊界看作是線的簡(jiǎn)單閉合，這種方法可稱為“環(huán)”狀多邊形編碼或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但不能表達(dá)邊界和多邊形之間的關(guān)系，以及相鄰多邊形之間的關(guān)系，而且公共邊界要定義兩遍，制圖是容易產(chǎn)生重復(fù)繪制的問題，且數(shù)據(jù)冗余度較大。

　　二、 GIS數(shù)據(jù)的組織與管理

　　1.空間數(shù)據(jù)的組織

　　目前，通常的方法是用“層”的概念來分別存儲(chǔ)不同專題的空間信息。即每一層存放一種專題或一類信息，并有一組對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。在具體的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，分得粗好，還是分得細(xì)好，必須根據(jù)應(yīng)用上的要求、計(jì)算機(jī)硬件的存儲(chǔ)量，處理速度以及軟件的限制來決定。一般來說，分得過細(xì)不便于操作人員記憶，處理上比較麻煩;分得過粗不利于某些特殊要求的分析、查詢。例如，把不同性質(zhì)的地下管線合在同一層上，當(dāng)需要單獨(dú)查詢、顯示其中一種管線時(shí)，只能根據(jù)管線的屬性來區(qū)分，這比單獨(dú)用一層存放一種管線要花費(fèi)更多的處理時(shí)間，數(shù)據(jù)更新也是分開方便。但是，若經(jīng)常要同時(shí)顯示幾種管線時(shí)，若用分開存放的方式，需要同時(shí)對(duì)幾個(gè)層操作，這時(shí)又可能是合起來方便。

　　2.空間數(shù)據(jù)的管理

　　一般的事物管理用的DBMS不適合直接管理空間數(shù)據(jù)，常見的原因有以下幾點(diǎn)。

　　2.1不提供有關(guān)空間位置的查詢功能。如要查詢某幢房子有哪些公共設(shè)施

　　管線通道它附近，這幢房子在土地使用規(guī)劃圖上允許做什么用等等，一般的OBMS很難做到，再?gòu)?fù)雜的分析更難。

　　2.2沒有復(fù)雜的圖形顯示功能。空間查詢、分析的結(jié)果不只是文字報(bào)告圖形顯示更重要，一般的DBMS不具備這一能力。

　　2.3存儲(chǔ)、處理空間數(shù)據(jù)不夠經(jīng)濟(jì)。空間數(shù)據(jù)模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較特殊，而一般的事物管理用的OBMS大都是表狀的關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。