基于GIS语义的城市专题地理数据模型设计
2014-06-26李静兰
李静兰
(太原市勘察测绘研究院，山西 太原 030002)
1 引 言
随着城市信息化进程的加速，地理信息的应用领域迅速衍生，城市建设管理各专业领域对专题地理数据的内容、质量与现势性等方面都提出了更高的要求，专题地理数据资源的建设与维护工作日益繁重。目前，城市测绘地理信息服务部门主要依托具体的服务项目开展专题地理数据库的建设，每个专题数据库具有特定的用户对象。由于缺乏统一的数据模型，专题数据库之间不存在任何联系，许多可能通用或相关的地理信息无法共享或再利用，专题数据库数据的重复采集、整理工作量巨大，更新维护效率较低。
虽然在不同的应用领域中，同一地理对象所反映的特征信息不同，但是，现实世界中的地理现象具有紧密的内在联系，专题地理信息间存在极大的相关性。本文分析了地理信息分类学在GIS 数据模型设计中的局限性，提出了一种基于GIS 语义关系的专题数据模型设计思路，通过构建统一的数据模型，有效解决数据共享、再利用，为多源矢量数据衍生，专题数据的快速整合、更新奠定基础。
2 地理信息分类体系在GIS 数据模型设计中的应用局限
由于具有极强的结构化表达能力，地理信息分类学已广泛应用于GIS 数据组织、数据模型设计中，为GIS 系统对地理数据的有效管理、处理与共享奠定了良好的基础。然而，随着GIS 系统应用的不断增加以及数据共享要求的不断提高，地理信息分类体系在GIS 数据模型设计中应用的局限性已逐渐显现。
一个分类体系的诞生，除了其本身所蕴含的内在科学基础之外，总是具有极强的应用背景，例如根据“绿地特性”和根据“绿地功能”所进行的对“绿地”这一实体的不同分类之间，由于应用目的的不同，会有质的区别(如图1、图2所示)。不同的应用观点下，同一种地理组成往往具有不同的分类体系。不同的分类体系下地理要素关系往往是一种N∶ N 关系(如图3所示)，如乔木林地、灌木林地、苗圃地分别在林地分类和城市绿地分类中所处的不同位置。
然而，地理信息分类体系所采用的线分类方法是一种层次结构，表达的是不同地理特征之间、不同地理实体之间的继承和包含关系，只支持1∶ N 关系，不能表达复杂地理空间的全部语义。
图1 林地系统中的1∶ N 关系
图2 城市绿地系统中的1∶ N 关系
图3 不同系统中的N∶ N 关系
3 GIS 语义
语义是指用语言反映人类思维过程和客观实际的关系，是人们对客观事物的反映。空间数据的语义信息反映空间信息与现实世界的联系。语义模型是一种更高层次的数据模型，当数据库系统具有较完备的语义描述能力时，它就能准确描述现实世界中实体集合及其相互关系。
GIS 语义数据模型的设计一般采用特征－属性－属性值的模拟方法，将某一类地理现象定义为地理特征，将地理特征抽象为语义模型中的对象或实体，利用对象之间的属性关系、继承关系、聚合和概括等关系，构造关于地理现象的静态模式，进而实现动态的模拟。
4 基于GIS 语义模型的城市专题数据模型设计
城市专题数据有别于基础地理信息数据，是满足特定应用需求的、反映专题信息的地理数据集合。“专题”与“专业”和“部门”的意义相近。
为了提高数据复用率、减少数据冗余，实现专题数据的合理规划、极大共享，需要围绕城市建设、管理各专业部门的应用需求，构建具有GIS 语义描述能力的专题数据模型。专题数据模型包含一整套描述和模拟工具或模型部件，具体为:①专题地理数据体的基础模型(基础部件)及元数据;②专题信息模型;③专题数据衍生及映射机制。基础模型与专题信息模型的设计需整合分离各类需求的最大共性和独特的行业特性，确保两者间层次合理、关系明确。
(1)基础模型
该模型是城市专题(属性)信息承载的基础，以空间地理要素为主，以地理要素的最基本、最稳定的特征进行分类体系设计。尽可能简化分类，不必要的分类属性均纳入到专题信息模型中。
(2)城市专题信息模型
该模型反映城市各类专题信息，以属性及虚拟化的空间信息为主，在各专业应用背景下，对要素属性项进行分类编码，利于信息的安全共享;专题属性信息与基础模型采用主键关联;强化要素属性记录，便于基于主键属性等同原则实现不同分类的映射转换。
(3)专题数据衍生及映射机制
该机制用于实现由基础数据模型和专题信息模型向专题应用的转换，主要包括城市专题信息建模图(UML)、资源目录和一套数据抽取、转换、加载工具(Extract、Transform、Load，ETL)。
城市专题信息建模图是对专题数据模型的全面反映，包括基础模型(部件)内部、基础数据模型与专题信息模型、专题信息模型内部的关系。关系包括要素之间的继承、概括、联合和聚合。
资源目录是对专题数据库已有数据资源的细致说明，包括数据标准、数据来源、数据生产方法、时态信息、空间参考、数据质量等。
5 专题数据库与应用服务的关系
基于GIS 语义的城市专题数据模型是城市专题数据资源的高效组织、管理与应用的重要基础。在地理信息服务部门的数据资源体系中，专题数据库是建立在基础地理信息资源基础之上，面向应用服务的专题数据仓库。基础地理信息数据库是专题数据库的重要基础资源，专题数据库是服务实际应用的基本资源，但并不直接满足具体服务需求，而是通过应用模式快速转换满足服务。专题数据库与基础地理信息数据库、专题应用服务的关系如图4所示。
图4 专题数据库与应用服务的关系
6 应用案例
基于上述设计原则，本文以城市绿地专题数据库为例进行相关设计及应用实践。
6.1 分类体系重建信息分析与总体设计
分类体系重建信息分析(如图5所示)主要包含两方面的工作，一是收集整理园林局、林业局、规划局、市政等部门对城市绿地数据的分类及属性要求，整合分离需求的共性与特性，建立不同领域中同一地理现象的内在联系，选择最稳定的分类原则，建立基础模型与专题模型的联系和区分，基础模型及专题信息模型的高层分类满足《GB/T 25529 －2010 地理信息分类与编码规则》要求;二是分析基础地理信息分类体系与前述分类原则的同异之处，建立基础地理信息(植被与土质部分)与城市绿地的联系。
图5 城市绿地分类体系重建
6.2 城市绿地基础模型设计
根据城市绿地分布特点，按照城市绿地建设管理两大部门园林局及林业局的管理区域划分，城市建设区域内采用城市绿地分类(大类)，城市建设区域范围外、总规范围内采用林地分类(中类)，该原则与《GB50137 －2011 城市用地分类与规划建设用地标准》中城乡用地分类标准一致。基础模型的分类原则直接影响地理空间位置的界定原则。城市绿地各要素一般为人工建设，以构筑物为界，如花池、栅栏、道路等，因此以构筑物边界确定要素范围。林地各要素一般为自然形成，采用乔灌种类、栽植密度及地形地貌等特征确定要素范围。
表1 城市绿地分类表
6.3 城市绿地专题模型设计
专题模型以专业属性为主，应紧密围绕各专业领域的分类标准及管理条例梳理形成。城市绿地专题模型专题分类及参照的规范标准和管理条例如表2所示。
表2 城市绿地分类表
6.4 城市绿地专题数据的应用
根据基础模型与专题模型的设计原则，创建建模图(如图6所示)，绿地专题数据模型中所有绿地类继承基础类(空间位置)和专题类(专题属性)，基础类由城市绿地类与农林绿地类构成，专题类由土地资源类、森林资源类、基础设施布局与评价类、绿地管理要素类构成。数据资源目录在建模图的基础上进一步细致描述各种对象类的定义、特征属性以及当前取值、数据采集时间等，为数据再利用提供更翔实的信息。ETL 工具是对转换原则及过程的实现，可以直接采用常见空间数据处理工具，如FME 或利用ArcGIS 桌面软件等，或以它们为基础进行一定开发形成工具，提高处理效率。
图6 绿地专题数据模型(UML 图)
在利用绿地专题数据进行林地资源分布及土地利用现状(公园与绿地)应用服务时，按照图7所示，以应用服务的分类原则为目标，过对要素特征属性阀值进行重置、重组、重分类、转换数据。图8为某街区绿地分布图及林地资源分布图。
图7 基于绿地专题数据的应用服务过程
图8 某街区绿地分布及林地资源分布
7 小 结
基于GIS 语义的城市专题地理数据模型具备对地理要素相关关系的描述能力，同时利用规范齐全的建模图、数据资源目录和ETL 工具，形成多源空间数据衍生的良好环境，实现了不同语义体系之间的数据共享及再利用。在该模型基础上进行城市专题数据建设及服务，可以极大提高专题信息服务效率、充分发挥数据生态系统的最大价值。
［1］曾澜．我国地理空间信息共享的分类方法和地理编码规则研究［J］．地理信息世界，2006(12):21 ～27．
［2］陈常松，何健邦．基于地理要素的资源与环境数据的组织方法［J］．地理学报，1999(7):374 ～379．
［3］刘若梅，蒋景瞳．地理信息的分类原则与方法研究［J］．测绘科学，2004(12):84 ～87．
［4］何健邦．面向GIS 数据共享的概念模型设计研究［J］．遥感学报，1999(8):230 ～235．
［5］陈常松．地理信息分类体系在GIS 语义数据模型设计中的作用［J］．测绘通报，1998(8):17 ～20．
［6］何健邦，李新通．对地理信息分类编码的认识与思考［J］．地理学与国土研究，2002(8):1 ～7．
［7］陈常松，何健邦．面向数据共享目的的GIS 语义数据模型［J］．中国图像图形学报，1999(1):13 ～17．
［8］黄裕霞，柯正谊，何建邦等．面向GIS 语义共享的地理单元及其模型［J］．计算机工程与应用，2002(11):118 ～122．
［9］胡圣武，张卷美，王新洲等．空间数据融合的基本框架［J］．测绘科学，2007(5):175 ～177．
［10］郭黎．空间矢量数据融合问题的研究［D］．中国人人民解放军信息工程大学，2003．
