GIS的技術(shù)特點及數(shù)據(jù)組織與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

鄧韜 鄭貴華

摘 要:敘述了GIS(地理信息系統(tǒng))的功能及其技術(shù)特點、數(shù)據(jù)分層,并分析了地理數(shù)據(jù)的組織與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞:GIS數(shù)據(jù)組織數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)GIS技術(shù)特點

中圖分類號:P208 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(b)-0115-02

GIS(地理信息系統(tǒng))是基于計算機(jī)軟硬件的、用于處理和管理與空間地理位置有關(guān)的綜合空間信息系統(tǒng),它是計算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是集計算機(jī)科學(xué)、測繪遙感學(xué)、地理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、空間科學(xué)、信息和管理科學(xué)于一體的新興邊緣學(xué)科。

1 GIS的功能及其技術(shù)特點

GIS可用來管理和分析一切與地理空間分布有關(guān)的環(huán)境、地質(zhì)勘查、礦產(chǎn)資源管理、測繪、土地管理、公安、消防、電訊、國防、交通、教育等各個領(lǐng)域。GIS可定義為一個具有空間地理信息輸入、存儲、分析、輸出功能的系統(tǒng),是一個支持空間決策的系統(tǒng)。GIS按一定的空間拓?fù)潢P(guān)系,描述和存儲各種空間要素,利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的成熟技術(shù),將地理屬性數(shù)據(jù)管理和空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系相結(jié)合,使系統(tǒng)變得實用、靈活。GIS的功能大致可劃分為數(shù)據(jù)輸入、編輯,地圖繪制,圖形、數(shù)據(jù)輸出,地圖管理,空間數(shù)據(jù)拼接和提取等空間分析、計算,投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,網(wǎng)絡(luò)功能,數(shù)字地面模型等。

GIS的顯著特點,就是在合理的空間拓?fù)潢P(guān)系上實現(xiàn)了地理的描述性屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的有機(jī)連接,在屬性數(shù)據(jù)管理上,運(yùn)用了流行的關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù),使得GIS與外部關(guān)系數(shù)據(jù)庫的連接十分容易。

2 GIS的空間數(shù)據(jù)組織與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

GIS主要包括空間數(shù)據(jù)和與之相關(guān)聯(lián)的屬性數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)主要是指構(gòu)成地圖對象的幾何圖形,它主要由點、線、面等目標(biāo)構(gòu)成。屬性數(shù)據(jù)主要由與地圖對象相關(guān)聯(lián)的文字信息、圖像、聲音、視頻等構(gòu)成。

在地理信息系統(tǒng)中,一般對地圖進(jìn)行分層組織。不同的圖層,一般包含不同類型的地圖對象。例如在一幅城市建設(shè)的地圖上,可以將交通道路專門放在一個圖層中,而將主要建筑物放在另外一個圖層中。這樣做,便于對同一類地圖對象進(jìn)行信息處理,而不受其它類型的對象干擾。例如,當(dāng)用戶只關(guān)心城市的交通狀況時,就可以關(guān)閉建筑物等其它圖層,只顯示和查詢處理交通層。當(dāng)然,也可以將多個圖層結(jié)合起來進(jìn)行較復(fù)雜的信息處理。

地圖圖層由地圖目標(biāo)對象構(gòu)成,而地圖目標(biāo)對象主要由點、線、面等基本目標(biāo)組成,這些點、線、面都有它們的幾何屬性。這些幾何屬性描述了地圖對象的坐標(biāo)信息、顏色、線型、填充模式等特征。此外,地圖對象還具有與之相關(guān)聯(lián)的文字、圖像、聲音、視頻等屬性信息。由于這些屬性信息都是與具體的地圖目標(biāo)對象相關(guān)聯(lián)的,所以根據(jù)地理信息的這一特征,我們可以應(yīng)用面向?qū)ο蟮姆椒▉斫M織地理數(shù)據(jù)。

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系,即數(shù)據(jù)的組織形式,它是描述地理實體數(shù)據(jù)本身的組織方法,稱之為內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。GIS內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要有柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)兩大類。其兩類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均可用來描述地理實體的點、線、面三種基本類型。

1)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通過空間點的密集而規(guī)則的排列表示整體的空間現(xiàn)象的,其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單,定位存取性能好,可以與影像和DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合空間分析,數(shù)據(jù)共享容易實現(xiàn),是地理信息系統(tǒng)重要的一種空間數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)。

柵格結(jié)構(gòu)是最簡單、最直接的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),也稱之為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(raster)或像元結(jié)構(gòu)(Pixel),它是將地球表面劃分為大小均勻緊密相鄰的網(wǎng)格陣列,每個網(wǎng)格作為像元或者像素,由行、列號定義,并包含一個代碼,表示該像素的屬性類型和量值。因此,柵格結(jié)構(gòu)是以規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織,組織中的每個數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。

柵格結(jié)構(gòu)中,點用一個柵格單元表示,線狀地物則用沿線走向的一組相鄰柵格單元表示,每個柵格單元最多只有兩個相鄰單元在線上,面或區(qū)域用記錄有區(qū)域?qū)傩缘南噜彇鸥駟卧募媳硎?每個柵格單元可有多余兩個的相鄰單元同屬一個區(qū)域。任何以面狀分布的對象都可以用柵格數(shù)據(jù)逼近。遙感影像就屬典型的柵格結(jié)構(gòu),每個像元的數(shù)字表示影像的灰度等級。

柵格結(jié)構(gòu)表示的地表是不連續(xù)的,是量化和近似離散的數(shù)據(jù)。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)

矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通過記錄坐標(biāo)的方式,盡可能地將點、線、面地理實體表現(xiàn)得精確無誤。其坐標(biāo)空間假定為連續(xù)空間,不必像柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)那樣進(jìn)行量化處理。因此矢量數(shù)據(jù)能更精確地定義位置、長度和大小。矢量結(jié)構(gòu)的特點是定位明顯、屬性隱含。

點實體,矢量結(jié)構(gòu)中只記錄其在特定坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和屬性代碼;線實體,就是用一系列足夠短的直線首尾相接表示一條曲線,當(dāng)曲線被分割成多而短的線段后,這些小線段可以近似地看成直線段,而這條曲線也可以足夠精確地由這些小直線段序列表示,矢量結(jié)構(gòu)中只記錄這些小線段的端點坐標(biāo),將曲線表示為一個坐標(biāo)序列,坐標(biāo)之間認(rèn)為是以直線段相連,在一定精度范圍內(nèi)可以逼真的表示各種形狀的線狀地物;“多邊形”在地理信息系統(tǒng)中是指一個任意形狀、邊界完全閉合的空間區(qū)域。其邊界將整個空間劃分為兩個部分:包含無窮遠(yuǎn)點的部分稱為外部,另一部分稱為多邊形內(nèi)部。區(qū)域的邊界線,可被看作是由一系列多而短的直線段組成,每個小線段作為這個區(qū)域的一條邊,因此這種區(qū)域就可以看作是由這些邊組成的多邊形了。

2.2 數(shù)據(jù)組織

數(shù)據(jù)是現(xiàn)實世界中信息的載體,是信息的具體表達(dá)形式,為了表達(dá)有意義的信息內(nèi)容,數(shù)據(jù)必須按照一定的方式進(jìn)行組織和存儲。數(shù)據(jù)庫是為一定目的服務(wù),是以特定的數(shù)據(jù)存儲的相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合,是數(shù)據(jù)按照一定的格式存放的倉庫。GIS的數(shù)據(jù)庫是某一區(qū)域內(nèi)關(guān)于一定地理要素特征的數(shù)據(jù)集合。空間數(shù)據(jù)庫與一般數(shù)據(jù)庫相比,具有數(shù)據(jù)量特別大,不僅有地理要素的屬性數(shù)據(jù),還有大量的空間數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)應(yīng)用廣泛。

數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織一般可分?jǐn)?shù)據(jù)項、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫四級。數(shù)據(jù)間的邏輯關(guān)系為一對一的關(guān)系,一對多的關(guān)系,多對多的關(guān)系。

數(shù)據(jù)項是定義數(shù)據(jù)的最小單位,也叫元素、基本項、字段等,數(shù)據(jù)項與現(xiàn)實世界實體的屬性相對應(yīng),數(shù)據(jù)項有一定的取值范圍,稱為域。

記錄是由若干相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)項組成,是處理和存儲信息的基本單位,是關(guān)于一個實體的數(shù)據(jù)總和,構(gòu)成該記錄的數(shù)據(jù)項表示實體的若干屬性。為了標(biāo)識每條記錄,都必須有記錄的標(biāo)識符,也叫“關(guān)鍵字”。

文件是一給定類型記錄的全部具體值的集合,文件用文件名稱標(biāo)識。常用的數(shù)據(jù)文件有順序文件、索引文件、直接文件和倒排文件。

順序文件:是最簡單的文件組織形式,對記錄按照主關(guān)鍵字的順序進(jìn)行組織。當(dāng)主關(guān)鍵字是數(shù)字型時,以其數(shù)值的大小為序;若主關(guān)鍵字是文字型的,則以字母的排列為序。

索引文件:除了存儲記錄本身(主文件)以外,還建立了若干索引表,這種帶有索引表的文件叫索引文件。索引表中列出記錄關(guān)鍵字和記錄在文件中的位置(地址)。讀取記錄時,只要提供記錄的關(guān)鍵字值,系統(tǒng)通過查找索引表獲得記錄的位置,然后取出該記錄。

直接文件:又稱隨機(jī)文件,其存儲是根據(jù)記錄關(guān)鍵字的值,通過某種轉(zhuǎn)換方法得到一個物理存儲位置,然后把記錄存儲在該位置上。查找時,通過同樣的轉(zhuǎn)換方法,可以直接得到所需要的記錄。

倒排文件:是帶有輔索引的文件,其中輔索引是按照一些輔關(guān)鍵字來組織索引的。倒排文件是一種多關(guān)鍵字的索引文件,其中的索不能唯一標(biāo)識記錄,往往同一索引指向若干記錄。因而,索引往往帶有一個指針表,指向所有該索引標(biāo)識的記錄。通過輔索引不能直接讀取記錄,而要通過主關(guān)鍵字才能查到記錄的位置。

由于地理信息具有多維結(jié)構(gòu),而柵格結(jié)構(gòu)中賦予每一個柵格的屬性值是唯一的,這就要用多個柵格層數(shù)據(jù)來存儲同一個地理區(qū)域的不同側(cè)面信息。那么,如何在計算機(jī)中合理地組織這些柵格層數(shù)據(jù)以達(dá)到最優(yōu)存儲,空間最小,存取效率最高,如果每層像元的位置一一對應(yīng),則有三種可能的組織方式。

方法一:以像元為記錄序列,不同層上同一像元位置上的各屬性值表示為一個列數(shù)組。N層中只記錄一層的像元位置,節(jié)約大量存儲空間,因為柵格個數(shù)很多。

方法二:以層為基礎(chǔ),每層每個像元的位置、屬性一一記錄,結(jié)構(gòu)最簡單,但需要存貯空間最大,浪費(fèi)存儲。

方法三:以層為基礎(chǔ),每層內(nèi)以多邊形為序記錄多邊形的屬性值和多邊形內(nèi)容像元的坐標(biāo)。將同一層屬性的制圖單元的N個像元的屬性只記錄一次,便于地圖分析和制圖處理。

3 結(jié)語

矢量結(jié)構(gòu)精度高,存儲量小,易于建立拓?fù)潢P(guān)系,擅長管理線狀物和拓?fù)渌阉?易于網(wǎng)絡(luò)分析,空間位置表達(dá)明顯,屬性隱含,圖形顯示質(zhì)量好。但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,疊加操作困難,空間分析能力差、數(shù)學(xué)模擬困難、技術(shù)復(fù)雜(特別是軟硬件)。

柵格結(jié)構(gòu)精度稍低,圖形數(shù)據(jù)量大,難于建立拓?fù)?屬性表達(dá)明顯,位置隱含,圖形顯示的可視性不如適量結(jié)構(gòu)。但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單,易于遙感,空間操作分析容易和便于地表模擬,數(shù)學(xué)模擬方便,有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

地理信息系統(tǒng)的主要任務(wù)是處理大量的空間數(shù)據(jù)以獲得支持管理決策所需要的信息,就必然要存儲和利用大量的、各種類型的數(shù)據(jù)。建立一個良好的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和文件組織形式,使其能夠迅速、準(zhǔn)確的進(jìn)行空間分析、計算處理和查找所需要的數(shù)據(jù),是衡量一個系統(tǒng)的主要標(biāo)志之一。

因此,在設(shè)計數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和組織文件形式時,應(yīng)根據(jù)不同用途,使用要求、數(shù)據(jù)量、設(shè)備、技術(shù)水平等方面的條件來確定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織形式、文件結(jié)構(gòu)、文件類型、文件載體、文件維護(hù)等一系列要求,使系統(tǒng)具有處理速度快、占用存貯空間少,操作處理過程簡單、查找容易、系統(tǒng)開銷和費(fèi)用低等特點。

參考文獻(xiàn)

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