基础地理信息系统的空间数据规范
2013-07-09 14:13:59 来源: 测绘论坛 作者：孙红春
1 引言
随着以信息技术为代表的知识经济的不断发展，建设“数字地球”的重要性正日益为人们所认识，为了从全球、国家、区域三个层次上实施这一战略，迫切需要建立多分辨率的、三维的、动态的空间数据基础框架，这一进程使得十多年前开始建立的各种比例尺的数字地形图面临着新的挑战，因为这些数字地形图并不描述空间要素的属性和它们之间的关系，它们仅仅是以输出满足国家制图标准的地形图为目的的。
基础地理信息系统在涵盖内容、数据结构和服务对象上都远远超出了数字地形图，它不仅可以满足各建设单位的用图需要，而且可以满足GIS用户的需要；不仅可以满足GIS用户的共同需要，而且可以满足各专业GIS用户的特殊需要。它的空间性决定了空间数据依然是它的主体，其数据规范和结构的设计是实施基础地理信息系统研究和建立的基础。
空间数据规范和结构是对数据特性和关系的基本描述，其制定的原则为：
●便于实现丰富的数据提取功能，可以按任意的要素关系组合和属性关系组合或取值范围来提取、集合空间数据。
●便于实现强大的可视化输出功能，可以按任意的要素关系组合和属性关系组合或取值范围进行可视化输出。
●为质量控制系统提供控制依据，数据规范中所描述的空间要素之间、空间要素与属性之间的关系是过程和结果质量控制的依据。
●便于数据更新和维护，与单纯的数字地图中点线面毫不相干的特征不同，基础地理数据库中空间数据之间、空间数据与属性数据之间的紧密关系，使它们的维护和更新也是一个联动的过程。
●便于历史数据的保存与重视，记录空间数据及其属性变更的过程，并按任意时段和指定属性取值及关系再现空间数据集合。
●数据规范必须是中性的、逻辑的，不依赖和不针对任何一种GIS和DBMS软件环境。
●数据规范和结构必须是可扩充的。
2 数据规范的对象
基础地理数据库是定向于要素的系统，要素是对某个具体事物或者物理现象的逻辑描述，在基础地理数据库中有两个层次的描述，即基础要素和组合实体，任一要素可以在其中一个层次上得到描述。
2.1 基础要素（Primitive feature）
基础要素是地理要素的一种有意义的描述，是地理要素的低层次的描述。一个基础要素必须与一个具有真实地理含义的具体事物相对应。基础要素具有一个名称和定义描述，以此区别于其他基础要素，例如建筑物的“墙”是一个基础要素，其表示建筑物在地面上的范围线，在系统中，基础要素的每一例都必须具有唯一的识别号ID。
2.2 组合实体（Object feature）
组合实体是由一个或多个基础要素和零个或多个图形元素组成的集合，这种集合分别基于数据维护的需要、GIS用户的需要、制图输出的需要等，组合实体是地理要素的高层描述。例如，建筑物是一个组合实体，它可能由基础要素中的“墙”、“建筑物中心点”、“台阶”、“室外楼梯”以及一些用于满足制图标准的图形元素组成；道路又是另一个组合实体，它可能由基础要素中的“道路边线”、“道路基线”、“道路中心线”、“道路节点”组成。在整个数据库应用范围内，组合实体中的每一例也具有唯一标识号。
除了这两个层次上的要素描述以外，另外还有一概念叫图形元素（graphic elements），图形元素是几何表现地理要素的基础，同时满足测绘制图标准的一些符号也由图形元素组成。如建筑物多边形内部的对角线，表示的只是建筑物的一种类型——简单房屋，这类图形元素与基础要素没有逻辑关系，不属于任何基础要素，而组合实体可以由基础要素和图形元素共同组成。
基于上述思想，对国家现行制图标准的1∶500地形要素进行分解，确立了各基础要素，同时按用户对各种地理要素的兴趣程度、精度要求、更新周期，应用需求的不同，并结合制图、数据库维护更新等要求，构成各组合实体。
3 数据规范内容
数据规范除了明确各要素的描述层次分属于基础要素（Primitive feature）或组合实体（Object feature）以外，还定义了要素的名称、含义和要素类型，此外，还有三类描述，第一是要素本身的属性描述，第二是要素与其他要素之间关系的描述，第三是要素的图形表示方式，用于制图输出，下面分别介绍
3.1 属性描述
属性是用来描述要素特征的，其基本内容为：
（1）名称：属性的名称
（2）数据类型：数据的类型，如数值型number，字符型character
（3）长度：字节数
（4）小数点位数
（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
有些属性是为逻辑地定义一个要素所必须的，这些属性称为强制性属性，每一个基础要素和组合实体都必须具有这些属性，这些属性为：
（1）PF-ID（基础要素识别号）：OF-ID（组合实体识别号）：各要素的每一例都必须具有唯一的识别号
（2）PF-NAME（基础要素名）：OF-NAME（组合实体名）：基础要素和组合实体的名称
（3）PF-CODE（基础要素编码）：OF-CODE（组合实体编码）：要素的分类编码，遵循国家有关标准
（4）OWNER（所有者）：数据所有者或采集者，根据概念数据模型，OWNER（所有者）这个属性只为组合实体所需要
（5）STEWARD（督管者）：数据督管者或权威，根据概念数据模型，STEWARD（督管者）这个属性只为组合实体所需要。数据督管者（STEWARD）和数据采集者（OWNER）可以相同，也可以不同，比如自来水管道数据，其数据督管者应该是自来水公司，而数据据的采集却完全可以是另一家单位，象测绘院
（6）SOURCE（数据源）：数据来源（野外数测、内业数字化、航测……）
（7）SOURCE-DATE（建立日期）：数据建立日期
（8）ACCURACY（精度）：数据的精度
（9）DATE-STATE：数据所处状态 是否正在修改
（10）UPDATE-DATE（更新日期）；最近一次更新数据的日期
（11）UPDATE-BY（更新人）：最近一次更新数据的作业员
除了上述强制性属性以外，还有一些属性是由用户的应用需要而设置的，这些属性称为一般属性。一般属性可以是关于要素的物理特征的（例，房屋的结构），或是关于要素的社会应用特征的（如房屋的用途），对于基础要素和组合实体具有广泛意义的一般属性归于组合实体，仅对基础要素有意义的一般属性归于基础要素。
对于一般属性中的每个属性项，都有一个属性取值范围，称为属性域，也就是说它是一系列合法或有效的属性值，比方基础要素“墙”的一般属性“类型”，其属性域为：钢筋混凝土结构、混合结构、砖木结构、简单房屋、建筑中房屋、棚房等。
3.2 要素与其他要素间关系的描述
3.2.1 相关组合实体与基础要素的关系描述
它描述了基础要素与组合实体相互间的逻辑关系，对每一个基础要素，列出由其组成的组合实体名，对每一个组合实体，列出其组成部分——基础要素名。
组合实体是基础要素按GIS用户、制图及地理数据维护等不同应用需要集合定义的，这一集合，使数据的联合操作成为可能。
例如，基础要素“墙“的相关组合实体名为“建筑物”、“构筑物”、“垣栅”，表明“墙”可以分别是这三个组合实体的组成部分。
而组合实体“建筑物”的相关基础要素为“墙”、“悬空墙”、“台阶”、“建筑物中心点”、“支柱、墩”、“垣栅线”，则说明建筑物是由上述基础要素组成的。
在对数据库的组合实体进行操作时，上述基础要素便会一同作为数据提取、数据维护的对象。
3.2.2 要素间关系原则
该项建立了相邻或相连的基础要素间空间关系的原则和制约，它是以基础要素在同一维中的空间关系为基础的，描述关系包括：
●相连：表示基础要素间可以由相同点连接起来，比如“墙”可以与“墙”连接，但不可以与铁路线连接。
●跨越（或交叉）：表示基础要素间可以相互交叉或跨越，而不是连接，比如“道路边线”可以和“铁路线”相交。
●共享：这一关系的描述，便得具有共同边界的基础要素，只需存储一次，比如基础要素“垣栅”可能同时又是“墙”，而“道路中心线”可能又同时是“行政边界”。
●落于：如建筑物中心点应落于墙内。
●包含：如墙可包含建筑物的中心点。
落于和包含原则描述了要素的封闭性和包含性。
要素间关系原则描述了基础要素空间关系，为数据的空间分析和操作提供了可能，也为系统的质量控制奠定了基础。
3.2.3 图形表示
地形图是按照一定数学法则，运用符号系统和地图制图的综合原则，表示地图上各种自然现象和社会经济现象的一种地图，为了使地形图提供的信息不仅内容丰富，而且重点突出，清晰易读，需要进行综合取舍处理，综合取舍的依据就是地形图图式，地形图图式是测绘、出版地形图的基本依据之一，是识别和使用地形图的重要工具，它是地形图上表示各种地物、地貌要素的符号、注记和颜色的标准，按统一图式标准制作的地形图，沿用几十年，早已为广大建设单位所熟悉、接受和应用，并将在城市建设中继续发挥着它的作用。必须明确地理数据库的输出产品与其库中的内容并不相等，在充分考虑其库中的结构满足数据存储、提取、更新及GIS应用需要的同时，必须考虑其输出产品的图形表示，在这里图形表示有两种方式：
●系统缺省符号
系统缺省符号是按照国家制图标准，并结合上海市特点定义的统一标准。
●用户定义符号
用户定义符号是指某一用户为某个特定应用提出的符号，同一地理要素在不同用户和不同应用中可以用用户定义的符号，以不同方式表示。
4 结束语
上述空间数据规范和结构不仅描述了空间要素本身的名称、类型、定义、属性、取值范围、图形表示方式，还描述了要素间的连接、相交、包含、共享等关系，它是数据库概念设计、逻辑设计、物理设计的基础，也是数据提取、数据维护和全过程质量控制的依据。为此，空间数据规范和结构对基础地理数据库的合理存储、维护、运行、应用来说，空间数据的规范和结构设计举足轻重，必须精心考虑。
参考文献
1 《数字地球百问》 陈述彭主编
基础地理信息系统在涵盖内容、数据结构和服务对象上都远远超出了数字地形图，它不仅可以满足各建设单位的用图需要，而且可以满足GIS用户的需要；不仅可以满足GIS用户的共同需要，而且可以满足各专业GIS用户的特殊需要。它的空间性决定了空间数据依然是它的主体，其数据规范和结构的设计是实施基础地理信息系统研究和建立的基础。
空间数据规范和结构是对数据特性和关系的基本描述，其制定的原则为：
●便于实现丰富的数据提取功能，可以按任意的要素关系组合和属性关系组合或取值范围来提取、集合空间数据。
●便于实现强大的可视化输出功能，可以按任意的要素关系组合和属性关系组合或取值范围进行可视化输出。
●为质量控制系统提供控制依据，数据规范中所描述的空间要素之间、空间要素与属性之间的关系是过程和结果质量控制的依据。
●便于数据更新和维护，与单纯的数字地图中点线面毫不相干的特征不同，基础地理数据库中空间数据之间、空间数据与属性数据之间的紧密关系，使它们的维护和更新也是一个联动的过程。
●便于历史数据的保存与重视，记录空间数据及其属性变更的过程，并按任意时段和指定属性取值及关系再现空间数据集合。
●数据规范必须是中性的、逻辑的，不依赖和不针对任何一种GIS和DBMS软件环境。
●数据规范和结构必须是可扩充的。
2 数据规范的对象
基础地理数据库是定向于要素的系统，要素是对某个具体事物或者物理现象的逻辑描述，在基础地理数据库中有两个层次的描述，即基础要素和组合实体，任一要素可以在其中一个层次上得到描述。
2.1 基础要素（Primitive feature）
基础要素是地理要素的一种有意义的描述，是地理要素的低层次的描述。一个基础要素必须与一个具有真实地理含义的具体事物相对应。基础要素具有一个名称和定义描述，以此区别于其他基础要素，例如建筑物的“墙”是一个基础要素，其表示建筑物在地面上的范围线，在系统中，基础要素的每一例都必须具有唯一的识别号ID。
2.2 组合实体（Object feature）
组合实体是由一个或多个基础要素和零个或多个图形元素组成的集合，这种集合分别基于数据维护的需要、GIS用户的需要、制图输出的需要等，组合实体是地理要素的高层描述。例如，建筑物是一个组合实体，它可能由基础要素中的“墙”、“建筑物中心点”、“台阶”、“室外楼梯”以及一些用于满足制图标准的图形元素组成；道路又是另一个组合实体，它可能由基础要素中的“道路边线”、“道路基线”、“道路中心线”、“道路节点”组成。在整个数据库应用范围内，组合实体中的每一例也具有唯一标识号。
除了这两个层次上的要素描述以外，另外还有一概念叫图形元素（graphic elements），图形元素是几何表现地理要素的基础，同时满足测绘制图标准的一些符号也由图形元素组成。如建筑物多边形内部的对角线，表示的只是建筑物的一种类型——简单房屋，这类图形元素与基础要素没有逻辑关系，不属于任何基础要素，而组合实体可以由基础要素和图形元素共同组成。
基于上述思想，对国家现行制图标准的1∶500地形要素进行分解，确立了各基础要素，同时按用户对各种地理要素的兴趣程度、精度要求、更新周期，应用需求的不同，并结合制图、数据库维护更新等要求，构成各组合实体。
3 数据规范内容
数据规范除了明确各要素的描述层次分属于基础要素（Primitive feature）或组合实体（Object feature）以外，还定义了要素的名称、含义和要素类型，此外，还有三类描述，第一是要素本身的属性描述，第二是要素与其他要素之间关系的描述，第三是要素的图形表示方式，用于制图输出，下面分别介绍
3.1 属性描述
属性是用来描述要素特征的，其基本内容为：
（1）名称：属性的名称
（2）数据类型：数据的类型，如数值型number，字符型character
（3）长度：字节数
（4）小数点位数
（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
有些属性是为逻辑地定义一个要素所必须的，这些属性称为强制性属性，每一个基础要素和组合实体都必须具有这些属性，这些属性为：
（1）PF-ID（基础要素识别号）：OF-ID（组合实体识别号）：各要素的每一例都必须具有唯一的识别号
（2）PF-NAME（基础要素名）：OF-NAME（组合实体名）：基础要素和组合实体的名称
（3）PF-CODE（基础要素编码）：OF-CODE（组合实体编码）：要素的分类编码，遵循国家有关标准
（4）OWNER（所有者）：数据所有者或采集者，根据概念数据模型，OWNER（所有者）这个属性只为组合实体所需要
（5）STEWARD（督管者）：数据督管者或权威，根据概念数据模型，STEWARD（督管者）这个属性只为组合实体所需要。数据督管者（STEWARD）和数据采集者（OWNER）可以相同，也可以不同，比如自来水管道数据，其数据督管者应该是自来水公司，而数据据的采集却完全可以是另一家单位，象测绘院
（6）SOURCE（数据源）：数据来源（野外数测、内业数字化、航测……）
（7）SOURCE-DATE（建立日期）：数据建立日期
（8）ACCURACY（精度）：数据的精度
（9）DATE-STATE：数据所处状态 是否正在修改
（10）UPDATE-DATE（更新日期）；最近一次更新数据的日期
（11）UPDATE-BY（更新人）：最近一次更新数据的作业员
除了上述强制性属性以外，还有一些属性是由用户的应用需要而设置的，这些属性称为一般属性。一般属性可以是关于要素的物理特征的（例，房屋的结构），或是关于要素的社会应用特征的（如房屋的用途），对于基础要素和组合实体具有广泛意义的一般属性归于组合实体，仅对基础要素有意义的一般属性归于基础要素。
对于一般属性中的每个属性项，都有一个属性取值范围，称为属性域，也就是说它是一系列合法或有效的属性值，比方基础要素“墙”的一般属性“类型”，其属性域为：钢筋混凝土结构、混合结构、砖木结构、简单房屋、建筑中房屋、棚房等。
3.2 要素与其他要素间关系的描述
3.2.1 相关组合实体与基础要素的关系描述
它描述了基础要素与组合实体相互间的逻辑关系，对每一个基础要素，列出由其组成的组合实体名，对每一个组合实体，列出其组成部分——基础要素名。
组合实体是基础要素按GIS用户、制图及地理数据维护等不同应用需要集合定义的，这一集合，使数据的联合操作成为可能。
例如，基础要素“墙“的相关组合实体名为“建筑物”、“构筑物”、“垣栅”，表明“墙”可以分别是这三个组合实体的组成部分。
而组合实体“建筑物”的相关基础要素为“墙”、“悬空墙”、“台阶”、“建筑物中心点”、“支柱、墩”、“垣栅线”，则说明建筑物是由上述基础要素组成的。
在对数据库的组合实体进行操作时，上述基础要素便会一同作为数据提取、数据维护的对象。
3.2.2 要素间关系原则
该项建立了相邻或相连的基础要素间空间关系的原则和制约，它是以基础要素在同一维中的空间关系为基础的，描述关系包括：
●相连：表示基础要素间可以由相同点连接起来，比如“墙”可以与“墙”连接，但不可以与铁路线连接。
●跨越（或交叉）：表示基础要素间可以相互交叉或跨越，而不是连接，比如“道路边线”可以和“铁路线”相交。
●共享：这一关系的描述，便得具有共同边界的基础要素，只需存储一次，比如基础要素“垣栅”可能同时又是“墙”，而“道路中心线”可能又同时是“行政边界”。
●落于：如建筑物中心点应落于墙内。
●包含：如墙可包含建筑物的中心点。
落于和包含原则描述了要素的封闭性和包含性。
要素间关系原则描述了基础要素空间关系，为数据的空间分析和操作提供了可能，也为系统的质量控制奠定了基础。
3.2.3 图形表示
地形图是按照一定数学法则，运用符号系统和地图制图的综合原则，表示地图上各种自然现象和社会经济现象的一种地图，为了使地形图提供的信息不仅内容丰富，而且重点突出，清晰易读，需要进行综合取舍处理，综合取舍的依据就是地形图图式，地形图图式是测绘、出版地形图的基本依据之一，是识别和使用地形图的重要工具，它是地形图上表示各种地物、地貌要素的符号、注记和颜色的标准，按统一图式标准制作的地形图，沿用几十年，早已为广大建设单位所熟悉、接受和应用，并将在城市建设中继续发挥着它的作用。必须明确地理数据库的输出产品与其库中的内容并不相等，在充分考虑其库中的结构满足数据存储、提取、更新及GIS应用需要的同时，必须考虑其输出产品的图形表示，在这里图形表示有两种方式：
●系统缺省符号
系统缺省符号是按照国家制图标准，并结合上海市特点定义的统一标准。
●用户定义符号
用户定义符号是指某一用户为某个特定应用提出的符号，同一地理要素在不同用户和不同应用中可以用用户定义的符号，以不同方式表示。
4 结束语
上述空间数据规范和结构不仅描述了空间要素本身的名称、类型、定义、属性、取值范围、图形表示方式，还描述了要素间的连接、相交、包含、共享等关系，它是数据库概念设计、逻辑设计、物理设计的基础，也是数据提取、数据维护和全过程质量控制的依据。为此，空间数据规范和结构对基础地理数据库的合理存储、维护、运行、应用来说，空间数据的规范和结构设计举足轻重，必须精心考虑。
参考文献
1 《数字地球百问》 陈述彭主编
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