【摘 要】對GIS中幾種常見的空間數(shù)據(jù)模型進行了簡單總結(jié)，分別介紹了二維空間數(shù)據(jù)模型和三維空間數(shù)據(jù)模型，并對空間數(shù)據(jù)模型的分類和組成以及各自的優(yōu)缺點進行了分析和比較；對空間數(shù)據(jù)模型算法進行了簡單介紹。并展望了空間數(shù)據(jù)模型的發(fā)展方向。

【關鍵詞】GIS 空間數(shù)據(jù)模型 空間數(shù)據(jù)模型算法

一、研究現(xiàn)狀

（一）二維空間數(shù)據(jù)模型

目前，在GIS研究領域中，已提出的空間數(shù)據(jù)模型有柵格模型、矢量模型、柵格-矢量一體化模型和面向?qū)ο蟮哪Ｐ偷取?/p>

1.柵格數(shù)據(jù)模型

柵格數(shù)據(jù)模型是最簡單、最直觀的一種空間數(shù)據(jù)模型，它將地面劃分為均勻的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格單元由行列號確定它的位置，且具有表示實體屬性的類型或值的編碼值。

2.矢量數(shù)據(jù)模型

矢量模型是用構(gòu)成現(xiàn)實世界空間目標的邊界來表達空間實體，其邊界可以劃分為點、線、面等幾種類型，空間位置用采樣點的空間坐標表達，空間實體的集合屬性，如線的長度、區(qū)域間的距離等，均通過點的空間坐標來計算。

3.矢量-柵格一體化數(shù)據(jù)模型

在基于矢量的GIS系統(tǒng)中，使用的是邊界表達方法。這種矢量結(jié)構(gòu)用一組取樣點坐標表達一條弧線段或一個多邊形，這是人們使用地圖引申出來的習慣概念，用這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，人們可以方便的得到長度、面積等。在基于柵格的GIS系統(tǒng)中，人們已經(jīng)用元件空間充填表達面狀地物。對于線狀地物，以往人們僅使用矢量方法表示。事實上，如果采用元件空間充填表達方法表示線性目標，就可以將矢量和柵格的概念統(tǒng)一起來，進而形成成矢量-柵格一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

4.面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型

面向?qū)ο蟮亩x是指無論怎樣復雜的事例都可以準確地由一個對象表示，這個對象是一個包含了數(shù)據(jù)集和操作集的實體。除數(shù)據(jù)與操作的封裝性以外，面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型還涉及到四個抽象概念：分類（Classification）、概括（Generalization）、聚集（aggregation）、關聯(lián)（Association）以及繼承（Inheritance）和傳播（propagation）兩個語義模型工具。

（二）三維空間數(shù)據(jù)模型

三維空間數(shù)據(jù)模型包括基于面的模型、基于體的模型和基于混合構(gòu)模的數(shù)據(jù)模型。

基于面模型的構(gòu)模方法側(cè)重于三維空間實體的表面表示，如地形表面、地質(zhì)層面、構(gòu)筑物(建筑物)及地下工程的輪廓與空間框架。所模擬的表面可能是封閉的，也可能是非封閉的。

體模型是基于三維空間的體元分割和真三維實體表達，體元的屬性可以獨立描述和存儲，因而可以進行三維空間操作和分析。體元模型可以按體元的面數(shù)分為四面體(Tetrahedral)、六面體(Hexahedral)、棱柱體(Prismatie)和多面體(Polyhedral)共4種類型，也可以根據(jù)體元的規(guī)整性分為規(guī)則體元和非規(guī)則體元兩個大類。規(guī)則體元包括CSG一tree、Voxel、Oetree、Needle和RegularBI。ek共5種模型。規(guī)則體元通常用于水體、污染和環(huán)境問題構(gòu)模，其中Voxel和Octree模型是一種無采樣約束的連續(xù)空間的標準分割方法，Needle和RegularBlock可用于簡單地質(zhì)構(gòu)模。

基于面模型的構(gòu)模方法側(cè)重于三維空間實體的表面表示，如地形表面、地質(zhì)層面等，通過表面表示形成三維目標的空間輪廓，其優(yōu)點是便于顯示和數(shù)據(jù)更新，不足之處是難以進行空間分析。基于體模型的構(gòu)模方法側(cè)重于三維空間實體的邊界與內(nèi)部的整體表示，如地層、礦體、建筑物等，通過對體的描述實現(xiàn)三維目標的空間表示，優(yōu)點是易于進行空間操作和分析，但存儲空間大，模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜，計算速度慢?；旌夏Ｐ偷哪康膭t是綜合面模型和體模型的優(yōu)點，以及綜合規(guī)則體元與非規(guī)則體元的優(yōu)點，取長補短。目前對混合模型的研究尚局限于理論和概念的探討，還沒有成熟的模型算法出現(xiàn)。

二、空間數(shù)據(jù)模型的算法

（一）空間數(shù)據(jù)的壓縮算法

在數(shù)據(jù)采樣過程中，不可避免產(chǎn)生一些數(shù)據(jù)冗余：大比例尺、高精度數(shù)據(jù)做小比例尺、低精度應用時，更會存在不必要的數(shù)據(jù)冗余。為了節(jié)約存儲空間，如何對采樣數(shù)據(jù)進行合理的刪減，以及如何根據(jù)向題的需要消除冗余數(shù)據(jù)，是GIS空間數(shù)據(jù)處理過程中的一項首要任務。

1.基于矢量的壓縮算法

GIS中矢量數(shù)據(jù)的獲取主要有多種途徑，包括野外數(shù)字化測量、解析測圖、數(shù)字化儀采集、掃描矢量化等。在解析測圖儀的連續(xù)方式采樣和數(shù)字化儀的流方式采樣過程中，存在數(shù)據(jù)密集的問題;在掃描矢量化時，直接由柵格矢量化得到的點也比較密集，可以做合理的刪減處理。因此，基于矢量的空間數(shù)據(jù)壓縮的核心是在不擾亂拓撲關系的前提下，對采祥點進行合理的刪減。

基于矢量的壓縮算法主要有：曲線的數(shù)據(jù)壓縮算法、面域的數(shù)據(jù)壓縮算法等。

2.基于柵格的壓縮算法

柵格數(shù)據(jù)文件記錄有3基本方式：基于像元，基于層和基于面域。這3種方式都離不開對像元坐標和屬性的記錄。因此基于柵格的空間數(shù)據(jù)壓縮的核心是盡量減少像元數(shù)量的存儲，其方法有三大類，即從減少記錄像元的數(shù)量入手，或從減少像元的記錄信息量入手，以及兩者的結(jié)合。實用方法有游程長度壓縮、差分映射壓縮、常規(guī)四叉樹壓縮、線性四叉樹壓縮和二維行程壓縮等。

基于矢量的壓縮算法主要有：游程長度壓縮算法、差分映射算法、常規(guī)四叉樹壓縮算法等。

（二）空間數(shù)據(jù)內(nèi)插算法

空間數(shù)據(jù)內(nèi)插是GIS數(shù)據(jù)處理的另一項重要任務，可以從內(nèi)插時使用已知采樣點的范圍分為兩大類：整體擬合和局部擬合；也可以從內(nèi)插的具體內(nèi)容分為兩大類：點的內(nèi)插和區(qū)域內(nèi)插。所謂整體擬合，是指內(nèi)插模型是基于研究區(qū)域內(nèi)的所有采樣點的特征觀測值建立的，如趨勢面分析、傅立葉級數(shù)等。所謂局部擬合，是指僅用鄰近于未知點的少數(shù)已知采樣點的特征值來估算該未知點的特征值，如樣條函數(shù)法、移動平均法等。局部擬合的特點是可以提供內(nèi)插區(qū)域的局部特性，且不受其他區(qū)域的內(nèi)插影響。所以局部擬合通常用于如地下溶洞推測、金屬礦品位估計、陷落柱預測、污染源搜索等，內(nèi)插結(jié)果一般具有精確性特點。

（三）空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法

空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換既是GIS數(shù)據(jù)處理的一項重要任務，也是GIS的技術(shù)難題之一。有時候，為了方便分析和應用，需要將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，或者將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為欠量數(shù)據(jù)。因為轉(zhuǎn)換程序通常占用較多的內(nèi)存，涉及復雜的計算，過去一直難以在微機環(huán)境下進行。近年，隨著計算機處理能力的不斷提高，已經(jīng)發(fā)展了許多高效的轉(zhuǎn)換算法。

對于點狀實體而言，每個實體僅由一個坐標對表示，其矢量結(jié)構(gòu)和柵格結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)換基本上只是坐標精度轉(zhuǎn)換的問題。線實體的矢量結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)時，除了要把矢量坐標轉(zhuǎn)換為柵格行列坐標外，還要根據(jù)轉(zhuǎn)換精度要求，在坐標點之間進行柵格內(nèi)插，這可以由兩點式直線方程得到。反之，線實體的柵格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為矢量結(jié)構(gòu)時，與將柵格面域多邊形轉(zhuǎn)換為矢量多邊形的方法相似。本章將討論基于弧段和基于面域多邊形的矢量結(jié)構(gòu)與柵格結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)換問題。

三、目前存在的問題

柵格數(shù)據(jù)模型的缺點是數(shù)據(jù)存儲量大、空間位置的精度低、難于建立網(wǎng)絡連接關系、繪圖比較粗糙。矢量模型的缺點是缺乏與遙感及數(shù)字地面模型（DTM）直接結(jié)合的能力，邊界復雜和模糊的事物難以描述，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較復雜，難于處理多種地圖的疊置分析操作。在應用面向?qū)ο蟮姆椒?gòu)造GIS模型和計算時，也存在一些問題，表現(xiàn)為：經(jīng)典的GIS空間模型缺乏對GIS關系和空間計算的總體指導，已有的模型有局限性，思想方法與面向?qū)ο蟮乃枷氩罹噍^大。面向?qū)ο蠹夹g(shù)的數(shù)據(jù)抽象技術(shù)提供了實現(xiàn)縱向空間關系的解算能力，但對橫向的空間關系的解算能力較差，所以即使利用面向?qū)ο蟮姆椒ㄍ瓿闪薌IS的空間對象定義，并實現(xiàn)了對象的分類、聯(lián)合、概括和聚合、類的繼承、封裝、聚集等，在空間關系的構(gòu)造和空間計算的模式確定方面仍然缺乏全面指導的面向?qū)ο驡IS空間模型的理論。

基于點、弧段、線、多邊形、復雜對象等對象的定義只能抽取GIS空間現(xiàn)象的一般特征，不能滿足空間現(xiàn)象多變、突變、關系蘊涵復雜的要求，實現(xiàn)的空間解算功能有限。

四、研究趨勢

動態(tài)時空數(shù)據(jù)模型研究是 GIS研究的新熱點。蘇奮振等以海洋地理信息系統(tǒng)研究為例，提出以過程處理為核心來發(fā)展 GIS對時空信息處理的能力，試圖利用多維信息可視化和組件化技術(shù)來構(gòu)建三層體系結(jié)構(gòu)的大吞吐量的、開放式的海洋信息系統(tǒng)平臺 Maxplore，進而介紹了該系統(tǒng)開發(fā)的關鍵技術(shù)與特色模塊。沈大勇等提出以 GIS流素與柔性體元作為動態(tài)柔性地物的基本模擬單元；當忽略體積時，稱為 GIS流素;當強調(diào)體積時，則稱為GIS柔性體元。認為 GIS流素與柔性體元與不規(guī)則三角網(wǎng)格網(wǎng)、四面體、八叉樹等傳統(tǒng)建模方法相結(jié)合，可實現(xiàn)對于地學對象固、液、氣三相的完整表達。

科技計劃項目：河北省高等學?？茖W研究計劃項目（項目編號：Z2012134）

參考文獻：

[1]吳立新等.論三維地學空間構(gòu)模[J]，地理與地理信息科學，2005，21(1)，1-4.

[2]吳慧欣.三維GIS空間數(shù)據(jù)模型及可視化技術(shù)研究[D]，西北工業(yè)大學博士學位論文，2007.

[3]郭利川等.淺談地理信息系統(tǒng)中的空間數(shù)據(jù)模型[J]，地理空間信息，2005，3(1)，37-39.

作者簡介：

周慶平，（1977—），男，河北遷安人，講師，碩士，唐山師范學院招生就業(yè)處，研究方向：應用數(shù)學。