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摘要：介绍了GIS空间数据库中几种常见的空间数据模型，并对各自的特点进行了分析和比较；对空间数据模型进行了层次划分；比较了不同层次下的空间数据模型的特点，并展望了空间数据模型的发展方向。
关键词：地理信息系统空间数据模型模型层次
中图分类号：C922 文献标识码：A 文章编号：
地理信息系统（GIS）从诞生以来一直是信息科学中研究与发展最活跃部分，它在空间信息的采集、建模、数据组织、可视化表示和分析等方面取得了大量的研究成果，其中空间信息的数据组织和管理是 GIS研究的核心问题。空间数据类型繁多、异常复杂，组织的好坏和检索的效率是衡量一种空间数据应用系统成败的关键，对空间数据的处理及空间数据模型的研究是GIS 区别于其他系统的特点之一。
1 空间数据模型
数据模型是对现实世界中的数据和信息的抽象、表示和模拟。 空间数据模型就是寻求一种描述地理实体的有效的数据表示方法， 根据应用要求建立实体的数据结构和实体之间的关系以便于应用。目前，在 GIS研究领域中，已提出的空间数据模型有栅格模型、矢量模型、栅格-矢量一体化模型和面向对象的模型等。
1.1 栅格数据模型
栅格数据模型是最简单、最直观的一种空间数据模型，它将地面划分为均匀的网格，每个网格单元由行列号确定它的位置，且具有表示实体属性的类型或值的编码值。在地理信息系统中，扫描数字化数据、遥感数据和数字地面高程数据 （DTM）等都属于栅格数据。 由于栅格结构中的行列阵的形式很容易为计算机存储、操作和显示，给地理空间数据处理带来了极大的方便，受到普遍欢迎。 在栅格结构中，每一地块与一个栅格像元对应。 不难看出，栅格数据是二维表面上地理数据的离散量化值， 而每一个像元大小与它所代表的实地地块大小之比就是栅格数据的比例尺。
栅格数据模型的显著特点是地图输出快， 数据结构比较简单，便于面状数据的处理，可以快速获取大量的数据，数学模拟方便，多种地图叠置分析方便，进行空间分析比较容易，容易描述边界复杂和模糊的地物，特别适合FORTRAN，BASIC等高级语言作文件和矩阵处理， 这也是栅格结构易被多数地理信息系统接受的原因之一。它的缺点是数据存储量大、空间位置的精度低、难于建立网络连接关系、绘图比较粗糙。
1.2 矢量数据模型
矢量模型是用构成现实世界空间目标的边界来表达空间实体，其边界可以划分为点、线、面等几种类型，空间位置用采样点的空间坐标表达，空间实体的集合属性，如线的长度、区域间的距离等，均通过点的空间坐标来计算。 根据空间坐标数据的组织与存储方式的不同，可以划分为拓扑数据模型和非拓扑数据模型（例如面条模型）。
拓扑模型是将实体间的某些拓扑关系和点、线、多边形直接存贮在表中，没有数据冗余。 通过这些表，可以方便地判断线状实体的连通关系和面状实体的邻接关系。 该模型在空间数据的组织、 拓扑空间关系的表达、 数据模型的拓扑一致性检验及图形恢复等方面具有较强的能力， 因此被广泛应用于 GIS 软件， 如Arc/Infor等。 但是采用该方法构建新的拓扑空间关系时，所用的时间量大。
在非拓扑数据模型如面条模型中，地物用一系列坐标串表示， 这种表示记录了空间实体的形状信息，但没有考虑空间实体间的邻域关系，相邻多边形的公共边被重复存储，其拓扑关系信息必须在数据文件中通过搜索所有实体的信息， 并经过大量计算才能得出，因此难以有效地进行空间分析，但比较适用于制图系统。
矢量模型的突出优点是能完全显示和表达点、线、面的空间位置及它们之间的所有关联关系建立拓扑结构，从而提高空间网络分析的能力，空间位置和输出图形的精度高、 数据存储量小、容易定义和操作单个目标，能方便地实行坐标变换、距离计算等。 缺点是缺乏与遥感及数字地面模型（DEM）直接结合的能力，边界复杂和模糊的事物难以描述，数据结构比较复杂，难于处理多种地图的叠置分析操作。
1.3 矢量-栅格一体化数据模型
从几何意义上说，空间目标通常有三种表达方式：（1）基本参数表达。一个集合目标可由一组固定参数表示，如长方形由长和宽两参数描述；（2）元件空间填充表达。 一个几何目标可以认为是由各种不同形状和大小的简单元件组合而成， 例如一栋房子可以由一个长方形的方体和四面体的房顶组成；（3）边界表达。一个目标由几种基本的边界元素即点、线、面组成。矢量数据结构和栅格数据结构各有优缺点， 矢量-栅格一体化数据模型具有矢量和栅格两种结构的优点。
在基于矢量的GIS系统中， 使用的是邊界表达方法。 这种矢量结构用一组取样点坐标表达一条弧线段或一个多边形， 这是人们使用地图引申出来的习惯概念，用这种数据结构，人们可以方便的得到长度、面积等。在基于栅格的GIS系统中，人们已经用元件空间充填表达面状地物。对于线状地物，以往人们仅使用矢量方法表示。事实上，如果采用元件空间充填表达方法表示线性目标，就可以将矢量和栅格的概念统一起来，进而形成成矢量-栅格一体化的数据结构。
设在对一个线性目标数字化采样时， 恰好在所经过的栅格内部获得了取样点，这样的取样数据，具有矢量栅格双重性质。一方面，它保留了矢量数据的全部特性， 一个目标跟随了所有的位置信息并能建立拓扑关系；另一方面，它建立了路径栅格与地物的关系，即路径上的任意一点都与目标直接建立了联系。这样，每个线性目标除记录原始取样点外，还记录所通过的栅格，每个面状地物除记录它的多边形周边以外，还包括中间的面状栅格。无论是点状地物、线性地物、面状地物，均采用面向目标的描述方法，即直接跟随位置描述信息并进行拓扑关系说明，因此它完全保持矢量的特性，而元件空间填充表达建立了位置与地物的关系， 使其具有栅格的性质。 这样的数据结构就是矢量-栅格一体化的数据结构，基本上具有两种数据模型的优点。
1.4 面向对象的数据模型
面向对象的方法起源于面向对象的编程语言。他以对象为最基本的元素来分析问题、解决问题。 客观世界由许多具体的事物、抽象的概念、规则等组成的，可以将任何感兴趣的事物、概念都统称为“对象”， 面向对象方法的基本出发点就是尽可能按照人们认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题。计算机实现的对象与真实世界具有一对一的对应关系，不需作任何转换，这样使面向对象方法更易于为人们所理解、接受和掌握。 所以，面向对象方法有着广泛的应用前景。
面向对象的定义是指无论怎样复杂的事例都可以准确地由一个对象表示，这个对象是一个包含了数据集和操作集的实体。除数据与操作的封装性以外，面向对象数据模型还涉及到四个抽象概念：分类、概括、聚集、关联、以及继承和传播两个语义模型工具。一些学者在这一领域开展了多方面的研究，利用面向对象的技术，即把 GIS 要处理的地理目标，抽象为不同的对象，建立各类对象的联系图，并将各类对象的属性与操作封装在一起。 一般是将地理空间目标抽象为结点、弧段上的内点、弧段、点状地物、线状地物、面状地物、复杂地物、无拓扑关系的面状地物、地物类、专题层、工作区、工程等一系列对象。利用面向对象的数据模型可完成三维空间数据模型、时态空间数据模型等的初步定义和实现基于 Internet结构的分布式空间数据模型。
面向对象的技术是当今信息技术领域流行的模型和系统构造方法，也是当前 GIS 研究领域的热点问题，它具有如下的优点：
一体化的存储体系。 所有对象 、空间和非空间。均存储于同一个数据库。
数据的录入和编辑质量更加准确， 有有效的智能规则约束。
用户与数据对象的关系更贴近实际。 逻辑模型与存储模型的差别缩小， 用户的注意力将更多地放在数据表达方面。
特征之间存在丰富的上下文约束关系， 如拓扑、空间和普通关系。在编辑时不会出现违背常理的事发生。
具有更优越和灵活的图形显示， 用户可有效控制显示行为。
动态过滤方式显示图形。
具有丰富的图形定义和功能，能精确美化图形。
能管理特大型数据集合，不需要空间分区。
支持多用户环境。
但是在应用面向对象的方法构造 GIS 模型和计算时，也存在一些问题，表现为：
经典的 GIS 空间模型缺乏对 GIS 关系和空间计算的总体指导，已有的模型有局限性，思想方法与面向对象的思想差距较大。
面向对象技术的数据抽象技术提供了实现纵向空间关系的解算能力，但对横向的空间关系的解算能力较差， 所以即使利用面向对象的方法完成了GIS的空间对象定义，并实现了对象的分类、联合、概括和聚合、类的继承、封装、聚集等，在空间关系的构造和空间计算的模式确定方面仍然缺乏全面指导的面向对象GIS空间模型的理论。
基于点、弧段、线、多边形、复杂对象等对象的定义只能抽取GIS空间现象的一般特征，不能满足空间现象多变、突变、关系蕴涵复杂的要求，实现的空间解算功能有限。
尽管仅有面向对象的方法是不够的，当前，它还不能完全应用于GIS中，面向对象的空间数据模型只是GIS空间数据模型的一部分。 但需要强调的是，面向对象的空间数据模型给GIS系统的设计和功能实现带来了前所未有的方便与快捷，面向对象设计方法是实现GIS系统开发和计算的重要思想，很多GIS软件正努力发展自己的面向对象数据模型。
2 空间数据模型的层次
一般而言GIS空间数据模型由概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型三个不同的层次组成，如图1。所示。 其中，概念数据模型是关于实体和实体间联系的抽象概念集，逻辑数据模型表达概念模型中实体及其关系，而物理数据模型则描述数据在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构，三者间的相互关系如图1所示。
2.1 概念数据模型
概念数据模型是人们对客观事实或现象的一种认识，有时也称为语义数据模型。不同的用户由于在关心的问题、研究对象、期望的结果等方面存在着差异，对同一客观现象的抽象和描绘会形成不同的用户视图，称为外模式。GIS概念数据模型是考虑用户需求的内容，用统一的语言描述、综合、集成的用户视图。目前存在的概念数据模型主要有矢量数据模型、 栅格数据模型和矢量-栅格一体化数据模型。
2.2 逻辑数据模型
逻辑数据模型将概念数据模型确定的空间数据库信息内容，具体地表达为数据项、记录等之间的关系，这种表达有多种不同的实现方法。常用的逻辑数据模型包括层次模型、网络模型、关系模型以及最近興起的面向目标或称为面向对象模型。
2.3 物理数据模型
逻辑数据模型不涉及底层的物理实现细节，而计算机处理的是二进制数据，必须将逻辑数据模型转换为物理数据模型，转换要涉及空间数据的物理组织、空间存取方法、数据库总体存储结构等。其中，空间数据存取和查询及查询优化是目前国际GIS研究的一个重要课题。人们目前将空间定位数据及其属性看作多维空间中的点，采用栅格文件系统、KD树、四叉树、R树等多维点索引结构进行索引，但是由于最小边界局限往往重叠嵌套及空间数据具有的复杂性等，还需要研究在空间数据模型和数据结构的基础上提高GIS空间数据管理的效率。因而，物理数据模型是GIS空间数据的具体物理实现过程，负责对空间数据进行组织、存取、优化等。
3 结 语
综上所述，空间数据的组织和管理是GIS领域研究的核心问题之一，由于各种空间数据库在数据模型、数据结构上的差异， 如何实现不同空间数据库之间的互操作，实现数据共享，已成为当前构建大型GIS软件过程中的瓶颈问题。
随着计算机软硬件技术的发展， 地理空间数据的新应用，空间数据量的庞大及空间对象、空间查询的复杂性， 地理信息系统对空间数据模型提出了较高的要求，近来一些学者在探索对象-关系空间数据模型和面向对象的矢量-栅格一体化空间数据管理模式方面取得了较大的进展，并在逐步走向实用。
参考文献
[1] 戴上平，黄革新.空间数据模型研究[J].武汉冶金科技大学学报（自然科学版），1999
[2] 龚健雅.地理信息系统基础[M].北京：科学出版社，2001
[3] 陈军.GIS空间数据模型的基本问题和前沿[J].浙江工程学报，1999
[4] 李军，景宁.集成型空间数据库技术分析[J].国防科技大学学报，2000
关键词：地理信息系统空间数据模型模型层次
中图分类号：C922 文献标识码：A 文章编号：
地理信息系统（GIS）从诞生以来一直是信息科学中研究与发展最活跃部分，它在空间信息的采集、建模、数据组织、可视化表示和分析等方面取得了大量的研究成果，其中空间信息的数据组织和管理是 GIS研究的核心问题。空间数据类型繁多、异常复杂，组织的好坏和检索的效率是衡量一种空间数据应用系统成败的关键，对空间数据的处理及空间数据模型的研究是GIS 区别于其他系统的特点之一。
1 空间数据模型
数据模型是对现实世界中的数据和信息的抽象、表示和模拟。 空间数据模型就是寻求一种描述地理实体的有效的数据表示方法， 根据应用要求建立实体的数据结构和实体之间的关系以便于应用。目前，在 GIS研究领域中，已提出的空间数据模型有栅格模型、矢量模型、栅格-矢量一体化模型和面向对象的模型等。
1.1 栅格数据模型
栅格数据模型是最简单、最直观的一种空间数据模型，它将地面划分为均匀的网格，每个网格单元由行列号确定它的位置，且具有表示实体属性的类型或值的编码值。在地理信息系统中，扫描数字化数据、遥感数据和数字地面高程数据 （DTM）等都属于栅格数据。 由于栅格结构中的行列阵的形式很容易为计算机存储、操作和显示，给地理空间数据处理带来了极大的方便，受到普遍欢迎。 在栅格结构中，每一地块与一个栅格像元对应。 不难看出，栅格数据是二维表面上地理数据的离散量化值， 而每一个像元大小与它所代表的实地地块大小之比就是栅格数据的比例尺。
栅格数据模型的显著特点是地图输出快， 数据结构比较简单，便于面状数据的处理，可以快速获取大量的数据，数学模拟方便，多种地图叠置分析方便，进行空间分析比较容易，容易描述边界复杂和模糊的地物，特别适合FORTRAN，BASIC等高级语言作文件和矩阵处理， 这也是栅格结构易被多数地理信息系统接受的原因之一。它的缺点是数据存储量大、空间位置的精度低、难于建立网络连接关系、绘图比较粗糙。
1.2 矢量数据模型
矢量模型是用构成现实世界空间目标的边界来表达空间实体，其边界可以划分为点、线、面等几种类型，空间位置用采样点的空间坐标表达，空间实体的集合属性，如线的长度、区域间的距离等，均通过点的空间坐标来计算。 根据空间坐标数据的组织与存储方式的不同，可以划分为拓扑数据模型和非拓扑数据模型（例如面条模型）。
拓扑模型是将实体间的某些拓扑关系和点、线、多边形直接存贮在表中，没有数据冗余。 通过这些表，可以方便地判断线状实体的连通关系和面状实体的邻接关系。 该模型在空间数据的组织、 拓扑空间关系的表达、 数据模型的拓扑一致性检验及图形恢复等方面具有较强的能力， 因此被广泛应用于 GIS 软件， 如Arc/Infor等。 但是采用该方法构建新的拓扑空间关系时，所用的时间量大。
在非拓扑数据模型如面条模型中，地物用一系列坐标串表示， 这种表示记录了空间实体的形状信息，但没有考虑空间实体间的邻域关系，相邻多边形的公共边被重复存储，其拓扑关系信息必须在数据文件中通过搜索所有实体的信息， 并经过大量计算才能得出，因此难以有效地进行空间分析，但比较适用于制图系统。
矢量模型的突出优点是能完全显示和表达点、线、面的空间位置及它们之间的所有关联关系建立拓扑结构，从而提高空间网络分析的能力，空间位置和输出图形的精度高、 数据存储量小、容易定义和操作单个目标，能方便地实行坐标变换、距离计算等。 缺点是缺乏与遥感及数字地面模型（DEM）直接结合的能力，边界复杂和模糊的事物难以描述，数据结构比较复杂，难于处理多种地图的叠置分析操作。
1.3 矢量-栅格一体化数据模型
从几何意义上说，空间目标通常有三种表达方式：（1）基本参数表达。一个集合目标可由一组固定参数表示，如长方形由长和宽两参数描述；（2）元件空间填充表达。 一个几何目标可以认为是由各种不同形状和大小的简单元件组合而成， 例如一栋房子可以由一个长方形的方体和四面体的房顶组成；（3）边界表达。一个目标由几种基本的边界元素即点、线、面组成。矢量数据结构和栅格数据结构各有优缺点， 矢量-栅格一体化数据模型具有矢量和栅格两种结构的优点。
在基于矢量的GIS系统中， 使用的是邊界表达方法。 这种矢量结构用一组取样点坐标表达一条弧线段或一个多边形， 这是人们使用地图引申出来的习惯概念，用这种数据结构，人们可以方便的得到长度、面积等。在基于栅格的GIS系统中，人们已经用元件空间充填表达面状地物。对于线状地物，以往人们仅使用矢量方法表示。事实上，如果采用元件空间充填表达方法表示线性目标，就可以将矢量和栅格的概念统一起来，进而形成成矢量-栅格一体化的数据结构。
设在对一个线性目标数字化采样时， 恰好在所经过的栅格内部获得了取样点，这样的取样数据，具有矢量栅格双重性质。一方面，它保留了矢量数据的全部特性， 一个目标跟随了所有的位置信息并能建立拓扑关系；另一方面，它建立了路径栅格与地物的关系，即路径上的任意一点都与目标直接建立了联系。这样，每个线性目标除记录原始取样点外，还记录所通过的栅格，每个面状地物除记录它的多边形周边以外，还包括中间的面状栅格。无论是点状地物、线性地物、面状地物，均采用面向目标的描述方法，即直接跟随位置描述信息并进行拓扑关系说明，因此它完全保持矢量的特性，而元件空间填充表达建立了位置与地物的关系， 使其具有栅格的性质。 这样的数据结构就是矢量-栅格一体化的数据结构，基本上具有两种数据模型的优点。
1.4 面向对象的数据模型
面向对象的方法起源于面向对象的编程语言。他以对象为最基本的元素来分析问题、解决问题。 客观世界由许多具体的事物、抽象的概念、规则等组成的，可以将任何感兴趣的事物、概念都统称为“对象”， 面向对象方法的基本出发点就是尽可能按照人们认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题。计算机实现的对象与真实世界具有一对一的对应关系，不需作任何转换，这样使面向对象方法更易于为人们所理解、接受和掌握。 所以，面向对象方法有着广泛的应用前景。
面向对象的定义是指无论怎样复杂的事例都可以准确地由一个对象表示，这个对象是一个包含了数据集和操作集的实体。除数据与操作的封装性以外，面向对象数据模型还涉及到四个抽象概念：分类、概括、聚集、关联、以及继承和传播两个语义模型工具。一些学者在这一领域开展了多方面的研究，利用面向对象的技术，即把 GIS 要处理的地理目标，抽象为不同的对象，建立各类对象的联系图，并将各类对象的属性与操作封装在一起。 一般是将地理空间目标抽象为结点、弧段上的内点、弧段、点状地物、线状地物、面状地物、复杂地物、无拓扑关系的面状地物、地物类、专题层、工作区、工程等一系列对象。利用面向对象的数据模型可完成三维空间数据模型、时态空间数据模型等的初步定义和实现基于 Internet结构的分布式空间数据模型。
面向对象的技术是当今信息技术领域流行的模型和系统构造方法，也是当前 GIS 研究领域的热点问题，它具有如下的优点：
一体化的存储体系。 所有对象 、空间和非空间。均存储于同一个数据库。
数据的录入和编辑质量更加准确， 有有效的智能规则约束。
用户与数据对象的关系更贴近实际。 逻辑模型与存储模型的差别缩小， 用户的注意力将更多地放在数据表达方面。
特征之间存在丰富的上下文约束关系， 如拓扑、空间和普通关系。在编辑时不会出现违背常理的事发生。
具有更优越和灵活的图形显示， 用户可有效控制显示行为。
动态过滤方式显示图形。
具有丰富的图形定义和功能，能精确美化图形。
能管理特大型数据集合，不需要空间分区。
支持多用户环境。
但是在应用面向对象的方法构造 GIS 模型和计算时，也存在一些问题，表现为：
经典的 GIS 空间模型缺乏对 GIS 关系和空间计算的总体指导，已有的模型有局限性，思想方法与面向对象的思想差距较大。
面向对象技术的数据抽象技术提供了实现纵向空间关系的解算能力，但对横向的空间关系的解算能力较差， 所以即使利用面向对象的方法完成了GIS的空间对象定义，并实现了对象的分类、联合、概括和聚合、类的继承、封装、聚集等，在空间关系的构造和空间计算的模式确定方面仍然缺乏全面指导的面向对象GIS空间模型的理论。
基于点、弧段、线、多边形、复杂对象等对象的定义只能抽取GIS空间现象的一般特征，不能满足空间现象多变、突变、关系蕴涵复杂的要求，实现的空间解算功能有限。
尽管仅有面向对象的方法是不够的，当前，它还不能完全应用于GIS中，面向对象的空间数据模型只是GIS空间数据模型的一部分。 但需要强调的是，面向对象的空间数据模型给GIS系统的设计和功能实现带来了前所未有的方便与快捷，面向对象设计方法是实现GIS系统开发和计算的重要思想，很多GIS软件正努力发展自己的面向对象数据模型。
2 空间数据模型的层次
一般而言GIS空间数据模型由概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型三个不同的层次组成，如图1。所示。 其中，概念数据模型是关于实体和实体间联系的抽象概念集，逻辑数据模型表达概念模型中实体及其关系，而物理数据模型则描述数据在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构，三者间的相互关系如图1所示。
2.1 概念数据模型
概念数据模型是人们对客观事实或现象的一种认识，有时也称为语义数据模型。不同的用户由于在关心的问题、研究对象、期望的结果等方面存在着差异，对同一客观现象的抽象和描绘会形成不同的用户视图，称为外模式。GIS概念数据模型是考虑用户需求的内容，用统一的语言描述、综合、集成的用户视图。目前存在的概念数据模型主要有矢量数据模型、 栅格数据模型和矢量-栅格一体化数据模型。
2.2 逻辑数据模型
逻辑数据模型将概念数据模型确定的空间数据库信息内容，具体地表达为数据项、记录等之间的关系，这种表达有多种不同的实现方法。常用的逻辑数据模型包括层次模型、网络模型、关系模型以及最近興起的面向目标或称为面向对象模型。
2.3 物理数据模型
逻辑数据模型不涉及底层的物理实现细节，而计算机处理的是二进制数据，必须将逻辑数据模型转换为物理数据模型，转换要涉及空间数据的物理组织、空间存取方法、数据库总体存储结构等。其中，空间数据存取和查询及查询优化是目前国际GIS研究的一个重要课题。人们目前将空间定位数据及其属性看作多维空间中的点，采用栅格文件系统、KD树、四叉树、R树等多维点索引结构进行索引，但是由于最小边界局限往往重叠嵌套及空间数据具有的复杂性等，还需要研究在空间数据模型和数据结构的基础上提高GIS空间数据管理的效率。因而，物理数据模型是GIS空间数据的具体物理实现过程，负责对空间数据进行组织、存取、优化等。
3 结 语
综上所述，空间数据的组织和管理是GIS领域研究的核心问题之一，由于各种空间数据库在数据模型、数据结构上的差异， 如何实现不同空间数据库之间的互操作，实现数据共享，已成为当前构建大型GIS软件过程中的瓶颈问题。
随着计算机软硬件技术的发展， 地理空间数据的新应用，空间数据量的庞大及空间对象、空间查询的复杂性， 地理信息系统对空间数据模型提出了较高的要求，近来一些学者在探索对象-关系空间数据模型和面向对象的矢量-栅格一体化空间数据管理模式方面取得了较大的进展，并在逐步走向实用。
参考文献
[1] 戴上平，黄革新.空间数据模型研究[J].武汉冶金科技大学学报（自然科学版），1999
[2] 龚健雅.地理信息系统基础[M].北京：科学出版社，2001
[3] 陈军.GIS空间数据模型的基本问题和前沿[J].浙江工程学报，1999
[4] 李军，景宁.集成型空间数据库技术分析[J].国防科技大学学报，2000