数字地球”数据模型与数据结构研究

数字地球”数据模型与数据结构研究
李小娟 崔伟宏（中国科学院遥感应用研究所，北京，100101）


摘要： 组织与管理大容量、多维时空数据并进行复杂的时空分析与模拟是新一代GIS的特点和难点，解决问题的基础和关键是设计合理的时空数据模型与数据结构。文章在现有数据模型和数据结构分析的基础上，提出了建立基于特征的时空数据模型和基于超图、基于事件及“3S”数据一体化的时空数据结构。


关键词：数据模型 数据结构


1 问题的提出

时空集成、网络化、虚拟现实是“数字地球”的三个突出特点。GIS作为“数字地球”的重要组成部分[1]，必须在现有基础上得到进一步的发展与完善，才能有力地支持和保证“数字地球”的实施和运行。新一代的GIS具有以下四方面的特点：

数据库中存储地理数据具有多源、多维、时态与大规模数据量的特点。数据的多源是指数据来源多种多样，数据格式不尽相同，可以是遥感、图形、声音、视频和文本数据等。数据的维数可以高达五维，其中空间立体三维，属性一维，时间一维。这种多维的时空数据必然导致数据库中的数据量是大规模和海量的。

新一代的GIS具有组织和管理地理时空数据的能力。对于多维、海量数据，特别是时空数据的组织和管理，目前现有的商业化GIS是无法胜任的。

新一代GIS不仅能表达复杂地理现象，同时能够进行复杂地理现象的时空分析，并进行模拟仿真和虚拟现实。

“数字地球”是基于计算机网络的，因此GIS具有开放性、互操作性的能力。

目前商业GIS基础软件平台（包括国际上著名的GIS软件）大多是静态的、表达两维地理空间数据的GIS，而对于管理多维时空地理数据、进行复杂地理现象的时空分析和模拟、预测是难以胜任的，其根本原因是受系统所采用的数据模型和数据结构的限制。为此，研究适于“虚拟地球”的GIS数据模型和数据结构是实现“虚拟地球”的基础和关键。

2 “虚拟地球”的时空数据模型

GIS空间数据模型是对现实世界的抽象和表达。它被定义为一组由相关关系联系在一起的实体集[2]。不同观察客观世界的方式形成了不同的数据模型，在目前GIS软件中，主要有矢量和栅格两种类型的空间数据模型，许多学者在此基础上提出了快照、时空复合、基状修正等时空数据模型。然而，由于上述时空数据模型均采用简化现实的建模手段和对地理现象简单的表达方式，使理论上本应具备强大分析功能的GIS长期以来一直停留在对地理现象的静态描述或简单的时态描述阶段，不仅难以表达复杂的地理现象，忽略了地理现象间内在的本质联系，同时在很大程度上限制了GIS的分析功能，特别是时空分析的能力，如空间实体的发展过程、预测和反演，而对于基本的时空检索、查询同样也是十分困难的。为此，GIS受到了来自地学界和其他相关领域的众多非议[3]~[9]。近年来，计算机编程中面向对象的思想被引入GIS中，一些学者纷纷提出建立面向对象的数据模型（包括时空数据模型）。然而在地理学中，“对象”一词并没有确切的指代含义，它甚至可以指矢量数据模型中的点、线和多边形[10]，因此“面向对象”的建模思想并没有从根本上解决我们所应采取的认识客观世界的原则和方法。

数据共享是WEBGIS、OPENGIS及IGIS（Interoperability GIS）的基础，也是发展“数字地球”的关键环节。数据共享可以通过数据转换来实现，但其前提条件是需要对地理数据的含义取得一致的理解。为此，ISO /TC211 和Open GIS Abstract Model中都将地理特征（feature）作为其重要的组成部分[11][12][13][14]。特征被用来表达地理现象，在地理实体层次上形成地理数据语义的一致性，成为空间数据转换的基础和标准。

特征具有两方面含义，既是现实世界的地理实体，也是地理实体的数字式表达[11]。特征包括了地理信息的所有方面——空间（Space），主题（Theme）和时间（Time）（图1）。例如桥梁、河流是不同类型的特征，特征实例是客观现实中具体的地理事物，如南京长江大桥是桥梁特征的一个实例。人类认识客观世界正是基于对特征和特征实例的认识。在时态方面，特征可以是移动、变化的，可以消亡、再生[10]。因此，基于特征的建模思想不仅符合人类认识客观世界的规律，同时有利于全面表达地理事物的发生、发展及与其它地理现象的联系。

图 1 特征的表达

fig.1 The representation of feature

建立基于特征的时空数据模型，首先必须研究特征识别和特征表达的问题，建立特征分类的原则、方法和特征表达的模式，特别是关于特征属性、特征时态、特征功能和特征关系的表达。 以土地利用动态变化为例，基于特征的土地利用时空数据模型可以实现以下时空查询或分析：

任一时间（年）的土地利用状况

任一时间段（一年或几年）土地利用的变化

任一时间、满足指定条件的某一土地利用特征现状（如分别查询1992年耕地分布）

任一时间段（一年或几年），满足指定条件的某一土地利用特征的变化（如1992-1998年间，新生耕地的分布）

在什么时间发生了满足条件的变化（如查询哪一年耕地减少最多？）

对指定特征实例的过去和发展进行查询

而上述时空查询在时空复合和基状修正等数据模型中是很难实现的，因为这两种模型将一个完整的地理实体不断地碎分，按照变化进行分离存储。

3 “虚拟地球”的空间数据结构

空间数据结构是在空间数据模型的基础上发展起来的，是一种软件常规的内涵，是指“带有结构的数据元素的集合”。数据模型的建立必须通过一定的数据结构[3]。数据结构的基本类型有层次结构、关系结构和网络结构。层次结构适于表达具有严格层次关系的地理现象，如国家-省-市-县-乡等行政区划关系。在关系结构中，用关系表（二维表）的集合表达数据模型，每个数据单元只有一个直接前趋和一个直接后继，这种数据结构适于表达具有简单关系的地理现象。网络结构适于地理实体具有非等级、非层次关系的表达。

在目前GIS中，一般采用属性数据和空间数据分别存储的方法，即属性数据采用关系数据库管理，而几何空间数据采用文件管理方式，两者通过标识号进行连接。这种分离存储的方法和简单的数据结构导致GIS需要进行大量的运算才能完成查询、检索。同时，关系表缺乏完整表达所有关系的能力。

事实上，在复杂的客观世界中地理现象是不断发生与发展的。不同特征类型的特征实例和同一特征类型的不同特征实例都可能同时存在层次与非层次的关系。如图2是土地利用在不同时期的现状和特征实例之间动态变化的关系（其中A、B、C表示分别表示不同特征实例，1：耕地 3：林地 4:草地 5：居民地

表示特征实例内部的联系， 表示不同特征实例之间的联系） 。

（图2A 不同时间土地利用的现状）

（图2B 土地利用动态变化特征实例之间的关系）

由图2B可以看出，土地利用动态变化特征实例之间的关系，既有层次关系，也有网络类型的关系，同时也存在有一个前趋和一个后继的关系。因此，对于这种较为复杂的关系，用上述其中任何一种数据结构都存在着某种程度的缺陷。

从以上的分析可以得出这样的结论，需要采用一种新的数据结构。超图数据结构是以目标定向为基础发展起来的数据结构，避免了上述数据结构的缺陷，开发了崭新的数据结构的新思路。

超图是对图论的扩展，使图论更具广泛性。超图数据结构（HBDS）有六类抽象数据类型（ADT），既实体、类别、实体属性、类别属性、实体间的连接和类别间的连接。HBDS既适合层次结构，也适合于非层次结构。超图数据结构的ADT进行的直接运算有：

(1) 对每一个类别，(2) 能直接运算的有：

被联接的类别集

有关该类别的相关集

被给定相关关系的类型集

上位类别

下位类别

任何关系类别的目标集

任何给定关系类别的目标集

带有给定类别目标、给定相关关系的类别的目标

（2）如果只有两个类型，那么其运算包括

与这两个类型有关的相关关系集

两个类型任何关系的目标集

两个类型给定相关关系目标集

（3）对每一个目标

反映相关关系目标集

反映给定关系目标集

任何目标的目标相关关系集

带有该目标任何关系的目标集

带有给定关系目标的目标集

带有给定关系目标的任何类型的目标集

上位目标

下位目标 （4）对于属性可以运算

包括或不包括他们可能处理的类别（上位类别）、类型属性集

包括或不包括可能有的上位目标的目标属性集

指定类别属性的一个类别的所有目标的属性集

包括或不包括任何层次上的一个类别目标的所有属性集

超图数据结构的上述特点，使其可以实现基于特征的时空数据模型。

在“数字地球”的数据结构中，还应发展其它类型的数据结构。基于事件的时空数据结构是其中的一种，研究基于地理事件的时空数据组织及面向事件的操作。建立基于事件的时空数据结构，旨在实现GIS对突发事变的快速反应、模拟和决策支持。 另外，“3S”集成技术的应用正在逐步发展之中，研究RS、GIS和GPS一体化的时空数据结构对于促进“3S”实现真正的集成系统具有重要的学术价值和现实意义。

数据模型和数据结构是信息系统的基础和关键，它在很大程度上决定了一个信息系统的功能和成功与否。因此，时空数据模型和时空数据结构的研究必须走在“数字地球”建设的前列。

好

不错啊

好啊