李靜蘭

(太原市勘察測繪研究院，山西 太原 030002)

1 引 言

隨著城市信息化進(jìn)程的加速，地理信息的應(yīng)用領(lǐng)域迅速衍生，城市建設(shè)管理各專業(yè)領(lǐng)域?qū)ｎ}地理數(shù)據(jù)的內(nèi)容、質(zhì)量與現(xiàn)勢性等方面都提出了更高的要求，專題地理數(shù)據(jù)資源的建設(shè)與維護(hù)工作日益繁重。目前，城市測繪地理信息服務(wù)部門主要依托具體的服務(wù)項(xiàng)目開展專題地理數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，每個(gè)專題數(shù)據(jù)庫具有特定的用戶對(duì)象。由于缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，專題數(shù)據(jù)庫之間不存在任何聯(lián)系，許多可能通用或相關(guān)的地理信息無法共享或再利用，專題數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的重復(fù)采集、整理工作量巨大，更新維護(hù)效率較低。

雖然在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，同一地理對(duì)象所反映的特征信息不同，但是，現(xiàn)實(shí)世界中的地理現(xiàn)象具有緊密的內(nèi)在聯(lián)系，專題地理信息間存在極大的相關(guān)性。本文分析了地理信息分類學(xué)在GIS 數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)中的局限性，提出了一種基于GIS 語義關(guān)系的專題數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)思路，通過構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，有效解決數(shù)據(jù)共享、再利用，為多源矢量數(shù)據(jù)衍生，專題數(shù)據(jù)的快速整合、更新奠定基礎(chǔ)。

2 地理信息分類體系在GIS 數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用局限

由于具有極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)化表達(dá)能力，地理信息分類學(xué)已廣泛應(yīng)用于GIS 數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)中，為GIS 系統(tǒng)對(duì)地理數(shù)據(jù)的有效管理、處理與共享奠定了良好的基礎(chǔ)。然而，隨著GIS 系統(tǒng)應(yīng)用的不斷增加以及數(shù)據(jù)共享要求的不斷提高，地理信息分類體系在GIS 數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)中應(yīng)用的局限性已逐漸顯現(xiàn)。

一個(gè)分類體系的誕生，除了其本身所蘊(yùn)含的內(nèi)在科學(xué)基礎(chǔ)之外，總是具有極強(qiáng)的應(yīng)用背景，例如根據(jù)“綠地特性”和根據(jù)“綠地功能”所進(jìn)行的對(duì)“綠地”這一實(shí)體的不同分類之間，由于應(yīng)用目的的不同，會(huì)有質(zhì)的區(qū)別(如圖1、圖2所示)。不同的應(yīng)用觀點(diǎn)下，同一種地理組成往往具有不同的分類體系。不同的分類體系下地理要素關(guān)系往往是一種N∶ N 關(guān)系(如圖3所示)，如喬木林地、灌木林地、苗圃地分別在林地分類和城市綠地分類中所處的不同位置。

然而，地理信息分類體系所采用的線分類方法是一種層次結(jié)構(gòu)，表達(dá)的是不同地理特征之間、不同地理實(shí)體之間的繼承和包含關(guān)系，只支持1∶ N 關(guān)系，不能表達(dá)復(fù)雜地理空間的全部語義。

圖1 林地系統(tǒng)中的1∶ N 關(guān)系

圖2 城市綠地系統(tǒng)中的1∶ N 關(guān)系

圖3 不同系統(tǒng)中的N∶ N 關(guān)系

3 GIS 語義

語義是指用語言反映人類思維過程和客觀實(shí)際的關(guān)系，是人們對(duì)客觀事物的反映?？臻g數(shù)據(jù)的語義信息反映空間信息與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系。語義模型是一種更高層次的數(shù)據(jù)模型，當(dāng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有較完備的語義描述能力時(shí)，它就能準(zhǔn)確描述現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)體集合及其相互關(guān)系。

GIS 語義數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)一般采用特征－屬性－屬性值的模擬方法，將某一類地理現(xiàn)象定義為地理特征，將地理特征抽象為語義模型中的對(duì)象或?qū)嶓w，利用對(duì)象之間的屬性關(guān)系、繼承關(guān)系、聚合和概括等關(guān)系，構(gòu)造關(guān)于地理現(xiàn)象的靜態(tài)模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的模擬。

4 基于GIS 語義模型的城市專題數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

城市專題數(shù)據(jù)有別于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，是滿足特定應(yīng)用需求的、反映專題信息的地理數(shù)據(jù)集合?！皩ｎ}”與“專業(yè)”和“部門”的意義相近。

為了提高數(shù)據(jù)復(fù)用率、減少數(shù)據(jù)冗余，實(shí)現(xiàn)專題數(shù)據(jù)的合理規(guī)劃、極大共享，需要圍繞城市建設(shè)、管理各專業(yè)部門的應(yīng)用需求，構(gòu)建具有GIS 語義描述能力的專題數(shù)據(jù)模型。專題數(shù)據(jù)模型包含一整套描述和模擬工具或模型部件，具體為:①專題地理數(shù)據(jù)體的基礎(chǔ)模型(基礎(chǔ)部件)及元數(shù)據(jù);②專題信息模型;③專題數(shù)據(jù)衍生及映射機(jī)制?；A(chǔ)模型與專題信息模型的設(shè)計(jì)需整合分離各類需求的最大共性和獨(dú)特的行業(yè)特性，確保兩者間層次合理、關(guān)系明確。

(1)基礎(chǔ)模型

該模型是城市專題(屬性)信息承載的基礎(chǔ)，以空間地理要素為主，以地理要素的最基本、最穩(wěn)定的特征進(jìn)行分類體系設(shè)計(jì)。盡可能簡化分類，不必要的分類屬性均納入到專題信息模型中。

(2)城市專題信息模型

該模型反映城市各類專題信息，以屬性及虛擬化的空間信息為主，在各專業(yè)應(yīng)用背景下，對(duì)要素屬性項(xiàng)進(jìn)行分類編碼，利于信息的安全共享;專題屬性信息與基礎(chǔ)模型采用主鍵關(guān)聯(lián);強(qiáng)化要素屬性記錄，便于基于主鍵屬性等同原則實(shí)現(xiàn)不同分類的映射轉(zhuǎn)換。

(3)專題數(shù)據(jù)衍生及映射機(jī)制

該機(jī)制用于實(shí)現(xiàn)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型和專題信息模型向?qū)ｎ}應(yīng)用的轉(zhuǎn)換，主要包括城市專題信息建模圖(UML)、資源目錄和一套數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換、加載工具(Extract、Transform、Load，ETL)。

城市專題信息建模圖是對(duì)專題數(shù)據(jù)模型的全面反映，包括基礎(chǔ)模型(部件)內(nèi)部、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型與專題信息模型、專題信息模型內(nèi)部的關(guān)系。關(guān)系包括要素之間的繼承、概括、聯(lián)合和聚合。

資源目錄是對(duì)專題數(shù)據(jù)庫已有數(shù)據(jù)資源的細(xì)致說明，包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)生產(chǎn)方法、時(shí)態(tài)信息、空間參考、數(shù)據(jù)質(zhì)量等。

5 專題數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用服務(wù)的關(guān)系

基于GIS 語義的城市專題數(shù)據(jù)模型是城市專題數(shù)據(jù)資源的高效組織、管理與應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。在地理信息服務(wù)部門的數(shù)據(jù)資源體系中，專題數(shù)據(jù)庫是建立在基礎(chǔ)地理信息資源基礎(chǔ)之上，面向應(yīng)用服務(wù)的專題數(shù)據(jù)倉庫?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫是專題數(shù)據(jù)庫的重要基礎(chǔ)資源，專題數(shù)據(jù)庫是服務(wù)實(shí)際應(yīng)用的基本資源，但并不直接滿足具體服務(wù)需求，而是通過應(yīng)用模式快速轉(zhuǎn)換滿足服務(wù)。專題數(shù)據(jù)庫與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、專題應(yīng)用服務(wù)的關(guān)系如圖4所示。

圖4 專題數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用服務(wù)的關(guān)系

6 應(yīng)用案例

基于上述設(shè)計(jì)原則，本文以城市綠地專題數(shù)據(jù)庫為例進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)踐。

6.1 分類體系重建信息分析與總體設(shè)計(jì)

分類體系重建信息分析(如圖5所示)主要包含兩方面的工作，一是收集整理園林局、林業(yè)局、規(guī)劃局、市政等部門對(duì)城市綠地?cái)?shù)據(jù)的分類及屬性要求，整合分離需求的共性與特性，建立不同領(lǐng)域中同一地理現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，選擇最穩(wěn)定的分類原則，建立基礎(chǔ)模型與專題模型的聯(lián)系和區(qū)分，基礎(chǔ)模型及專題信息模型的高層分類滿足《GB/T 25529 －2010 地理信息分類與編碼規(guī)則》要求;二是分析基礎(chǔ)地理信息分類體系與前述分類原則的同異之處，建立基礎(chǔ)地理信息(植被與土質(zhì)部分)與城市綠地的聯(lián)系。

圖5 城市綠地分類體系重建

6.2 城市綠地基礎(chǔ)模型設(shè)計(jì)

根據(jù)城市綠地分布特點(diǎn)，按照城市綠地建設(shè)管理兩大部門園林局及林業(yè)局的管理區(qū)域劃分，城市建設(shè)區(qū)域內(nèi)采用城市綠地分類(大類)，城市建設(shè)區(qū)域范圍外、總規(guī)范圍內(nèi)采用林地分類(中類)，該原則與《GB50137 －2011 城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》中城鄉(xiāng)用地分類標(biāo)準(zhǔn)一致?；A(chǔ)模型的分類原則直接影響地理空間位置的界定原則。城市綠地各要素一般為人工建設(shè)，以構(gòu)筑物為界，如花池、柵欄、道路等，因此以構(gòu)筑物邊界確定要素范圍。林地各要素一般為自然形成，采用喬灌種類、栽植密度及地形地貌等特征確定要素范圍。

表1 城市綠地分類表

6.3 城市綠地專題模型設(shè)計(jì)

專題模型以專業(yè)屬性為主，應(yīng)緊密圍繞各專業(yè)領(lǐng)域的分類標(biāo)準(zhǔn)及管理?xiàng)l例梳理形成。城市綠地專題模型專題分類及參照的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和管理?xiàng)l例如表2所示。

表2 城市綠地分類表

6.4 城市綠地專題數(shù)據(jù)的應(yīng)用

根據(jù)基礎(chǔ)模型與專題模型的設(shè)計(jì)原則，創(chuàng)建建模圖(如圖6所示)，綠地專題數(shù)據(jù)模型中所有綠地類繼承基礎(chǔ)類(空間位置)和專題類(專題屬性)，基礎(chǔ)類由城市綠地類與農(nóng)林綠地類構(gòu)成，專題類由土地資源類、森林資源類、基礎(chǔ)設(shè)施布局與評(píng)價(jià)類、綠地管理要素類構(gòu)成。數(shù)據(jù)資源目錄在建模圖的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)致描述各種對(duì)象類的定義、特征屬性以及當(dāng)前取值、數(shù)據(jù)采集時(shí)間等，為數(shù)據(jù)再利用提供更翔實(shí)的信息。ETL 工具是對(duì)轉(zhuǎn)換原則及過程的實(shí)現(xiàn)，可以直接采用常見空間數(shù)據(jù)處理工具，如FME 或利用ArcGIS 桌面軟件等，或以它們?yōu)榛A(chǔ)進(jìn)行一定開發(fā)形成工具，提高處理效率。

圖6 綠地專題數(shù)據(jù)模型(UML 圖)

在利用綠地專題數(shù)據(jù)進(jìn)行林地資源分布及土地利用現(xiàn)狀(公園與綠地)應(yīng)用服務(wù)時(shí)，按照?qǐng)D7所示，以應(yīng)用服務(wù)的分類原則為目標(biāo)，過對(duì)要素特征屬性閥值進(jìn)行重置、重組、重分類、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。圖8為某街區(qū)綠地分布圖及林地資源分布圖。

圖7 基于綠地專題數(shù)據(jù)的應(yīng)用服務(wù)過程

圖8 某街區(qū)綠地分布及林地資源分布

7 小 結(jié)

基于GIS 語義的城市專題地理數(shù)據(jù)模型具備對(duì)地理要素相關(guān)關(guān)系的描述能力，同時(shí)利用規(guī)范齊全的建模圖、數(shù)據(jù)資源目錄和ETL 工具，形成多源空間數(shù)據(jù)衍生的良好環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了不同語義體系之間的數(shù)據(jù)共享及再利用。在該模型基礎(chǔ)上進(jìn)行城市專題數(shù)據(jù)建設(shè)及服務(wù)，可以極大提高專題信息服務(wù)效率、充分發(fā)揮數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的最大價(jià)值。

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