GIS空间数据层次表达的方法探讨

GeomaticsandInformationScienceofWuhanUniversityVol.34No.7

July2009

文章编号:167128860(2009)0720859205文献标志码:A

GIS空间数据层次表达的方法探讨

赵彬彬1,2　邓　敏1　李志林3

(1　中南大学测绘与国土信息工程系,长沙市麓山南路932号,410083)(2　长沙理工大学交通运输工程学院,长沙市万家丽南路二段960号,410004)

(3　理工大学土地测量与地理资讯学系,九龙红磡)

摘　要:研究了层次理论在地理信息科学中的应用。从GIS空间表达的角度,较为系统地分析了空间目标位置、语义以及空间目标间关系的层次表达方法。给出了一个应用实例对层次方法加以分析验证。关键词:层次;空间表达;空间划分;空间关系;语义中图法分类号:P208

　　层次最早由文献[1]提出,文献[1]基于“层次”的思想来表达系统的树状结构。文献[2]则将“层次”扩展为“一种半序特殊树”。在此基础上,文献[3]将其上升到理论的高度,提出了有关“层次”的一套系统、完备的理论,并称之为层次理论。

文献[1]提出的“层次”概念在很大程度上可理解为“划分”和“等次”,例如,将树状结构的系统划分为较小的子系统,且子系统又可以进一步划分为更小的子系统。而文献[2]提出的“层次”概念则很大程度上可理解为“分等级或次序”,例如,将“层次”扩展为“一种具有半序特征的特殊树”。在GIS中,一个经典的数据结构———四叉树具有层次特征。

针对不同应用目的,层次理论已在众多领域得到广泛应用。在地理信息科学中,文献[4]深入分析了复杂系统的“等级”结构和遥感图像的尺度推绎问题,但在GIS空间数据层次表达方面还鲜有系统的研究。一些国外学者已将其应用于地理空间划分、地理空间数据层次存储、表达和显示等方面。例如,在地理空间的层次结构及其划分过程方面,影响力最大的当属文献[5]中进行的具有里程碑意义的研究工作,完整地完成了对中心地的等级和职能等零星研究的系统化与理论化,并形成理论体系。在空间数据存储方面,文献[6]基于层次思想发展了四叉树数据结构;文献[7]发展

收稿日期:2009205218。

了层次不规则三角网结构;文献[8]则提出了四元三角格网结构。在空间数据显示方面,文献[9]提出了“智能缩放”概念,并利用层次结构分层表达和存储不同尺度地形图,以及显示不同详细程度的空间实体。为了更好地发展层次理论在地理信息科学中的应用,本文系统地探讨了层次方法在GIS空间表达中的应用。

1　GIS空间数据表达的层次方法

层次方法已渗透于GIS领域的各个研究主题,包括空间数据模型、空间数据组织、空间查询、分析以及空间推理,甚至延伸于算法设计等。本文主要从GIS空间表达的角度,包括位置表达、关系表达和语义表达,来探讨层次理论的应用。1.1　空间位置的层次表达1.1.1　基于格网的层次表达

综合信息元是地理信息系统空间数据采集、存储、管理和进行空间模型分析的基本单元。针对不同研究和应用目的,综合信息元具有相对稳定的大小。不同空间尺度的综合信息元中起主导作用的因子会有所变化,因此,通常需要根据不同尺度对信息单元进行划分。在栅格数据结构中,基于格网的层次划分多为四叉树结构[1]。图1即为一个典型的四叉树结构。

项目来源:国家973计划资助项目(2006CB701304);国家自然科学基金资助项目(40871180);湖南省自然科学基金资助项目

(07JJ6075);湖南省教育厅科研基金资助项目(07C101);国家教育部留学回国人员科研启动基金资助项目。

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原理建立的,是一种层次型数据结构。同时,由图1(b)不难看出,从根节点开始,随着节点层次的深入,对区域的划分也更细密、更精确。1.1.2　基于空间实体的层次表达

基于空间实体的划分是一种自然划分,由此形成的格网可称之为自然格网。进行层次划分的空间实体主要包括水系(如河流)、交通(如道路)等地形要素,不同层次划分单元的形成取决于不同等级的地形要素[10]。图2(a)中列出了4种等级的道路,分别为街道、市内道路、环线和城际高速,在图2(b)～2(d)中依次列出了不同等级形成的自然格网。这种划分具有重要的实际意义,例如,在空间目标查询时,可以根据这种划分建立层次索引,以便快捷地定位所查找的空间目标。

图1　基于格网的层次表达

Fig.1　HierarchicalRepresentationBasedonGrids

图1(b)中根节点A对应于图1(a)中整个研

究区域,每个非叶节点都有4个子节点,叶节点无子节点。非叶节点亦称为灰节点;叶节点中若无数据,则称为白节点;有数据则称为黑节点。四叉树是基于空间区域的均质性判别准则和递归分解

图2　道路等级划分以及层次自然格网

Fig.2　LevelDivisionofRoadsandHierarchicalNaturalGrids

1.2　空间关系的层次表达1.2.1　层次空间推理

层次空间推理实质上是一个利用层次方法将任务或地理空间划分为更小的子任务或子空间的

推理过程。此过程中对问题空间进行的层次化划分就是对问题相关知识的一种结构化组织方法。该方法可有效剔除与问题不相关的因素,从而大大地减小问题复杂度。正因为仅仅对与研究对象相关的数据进行处理,所以在利用层次划分法对问题求解时,有望获得更高的执行效率和更好的经济效益。本文以两个面目标(记为A和B)间的拓扑关系推理为例,为了更快捷地判断它们的关系,需要一个层次推理(决策),如图3。这种层次推理过程既符合人的空间认知,又能满足实际应用中对空间关系信息的不同需要。1.2.2　层次空间查询

空间查询是GIS系统的一个重要功能,可分为位置查询、属性查询和空间关系查询。本文以位置查询为例,分析空间查询的层次性。例如,外国游客计划到现场观看2008年北京奥运游泳比赛,游泳比赛地点为“(中国北京朝阳区)国家游泳

图3　简单面目标间基本拓扑关系的层次推理

Fig.3　HierarchicalReasoningofBasicTopological

RelationsBetweenSimpleAreaObjects

中心”。这个查询过程将需要不同尺度的地图支持,以获取不同详细程度的地理空间信息。如图

4,首先需要从世界地图上查找到“中国”(图4(a)),然后从中国地图上查找到“北京”(图(图4(b)),进而在北京地图上查找到“朝阳区”4(c)),最后在朝阳区范围内搜索“国家游泳中心”(图4(d))。利用层次方法实现空间查询(亦称层次

空间查询)能避免很多不相关区域的搜索,从而可

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以大大提高查询速度。

从以上分析可以看出,在空间关系的层次表

达中,划分的依据更多地偏向于各层次之间目标的相互关系,如包含、隶属、等级。

图4　层次空间查询的一个实例

Fig.4　AnExampleofHierarchicalSpatialQuery

1.3　语义的层次表达

意义的地理现象(如植被、道路等)为研究对象,用具有较低层次、更为具体的地理特征或地理实体来描述这一研究对象,所描述的是1∶n的继承或包含关系。根据层次分类依据可知,图5表达的是一个综合层次。由此可知,在对地理实体语义进行层次表达时,划分的依据更多地倾向于地理特征或地理实体属性之间的相同或相似性。

地理空间数据的语义划分是以地理特征为基本实体进行的[11]。在不同应用中,采用的语义分类体系可能不同[12]。一般地,在大尺度研究区域,地理实体语义的分类较为粗糙,而在小尺度研究区域,地理实体语义的分类较为精细。基于地理实体语义划分的层次结构表达的是一定地理空间中不同地理特征之间、不同地理实体之间的继承和包含关系。一般以一种具有较高级别或概括图5　实体语义的层次划分

Fig.5　LevelDivisionofEntitySemantics

2　GIS空间数据层次表达的应用

2.1　层次空间数据模型的构建

从面向对象的角度来看,空间对象可以分为点状、线状、面状和复杂对象4种[13],空间对象模

型对这4种空间对象进行定义和描述。文献[14]以大学校区数字化管理为例,详细探讨了不同层次的面状对象描述方法。本文在此基础上构建了层次数据模型(如图6),进而实现对GIS数据(包括图形数据、属性数据)的层次管理。例如,图6

),中在“市区”层构建了多个对象(记为A、B、C…其中每个对象对应一个校区(如校区C);在“校

),在这个层次区”层,构建若干对象(记为a、b…

上每个对象对应一栋建筑楼(如建筑楼b);对于“建筑楼”层,一栋建筑楼对应多个楼层(如4楼),并且每个楼层中又构建多个对象,而每个对象对应一个房间(如401)。

图6　层次数据模型的一个实例

Fig.6　ACaseofHierarchicalDataModel

2.2　实　例

如图7,通过构建GIS面状对象的层次数据

模型,实现了由整体到局部、由抽象到具体、由粗糙到精细,层层深入地对预期目标进行管理,这也很好地体现了层次理论的思想,从而有效地提高了GIS空间检索、空间查询以及空间分析的速度和效率。

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图7　GIS空间对象的层次管理

Fig.7　HierarchicalManagementforGISSpatialObjects

[7]　deLeilaF,PuppoE.AHierarchicalTriangle2Based

3　结　语

层次理论发展至今已有近半个世纪的历史,现已广泛应用于生物、医学、物理、电子学、社会学等诸多领域,并主要用来揭示和表达复杂系统(如生态系统)的结构及其构成元素之间复杂的关系,这在很大程度上减少了问题的复杂度,有效地缩短了系统处理时间。本文基于层次理论的核心思想,探讨GIS空间目标、位置、语义及其相互关系的层次表达方法,这种表达方法可以很好地剔除与研究目标明显不相关的区域,提高GIS空间检索、空间查询以及空间分析的效率。

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第一作者简介:赵彬彬,讲师,博士生,主要从事空间关系理论及在空间数据库更新中的应用研究。

E2mail:zbbsir@163.com

　第34卷第7期赵彬彬等:GIS空间数据层次表达的方法探讨

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SomeInvestigationsonHierarchicalRepresentation

ofGeo2SpatialDatainGIS

ZHAOBinbin

1,2

3

　DENGMin1　LIZhilin

(1　DepartmentofSurveyingandGeo2informatics,CentralSouthUniversity,932SouthLushanRoad,Changsha410083,China)

(2　SchoolofCommunicationandTransportationEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,

960SecondSection,SouthWanjialiRoad,Changsha410004,China)

(3　DepartmentofLandSurveyingandGeo2informatics,TheHongKongPolytechnicUniversity,Kowloon,HongKong,China)

Abstract:Atpresent,hierarchicalmethodhasfounditswideapplicationsinmanyfields,suchasbiology,medical,physics,electronics,sociology,andgeographicalinformationsciences.Severalapplicationsofhierarchytheoryingeographicalinformationscienceswereinvestigatedfromtheviewofspatialrepresentation,includinglocations,semantics,andspatialrelationsbetweenspatialobjects.Specifically,theconcepts,classifications,andcharacteristicsofhierarchywerede2scribedindetail.Thenhierarchicalrepresentationforspatialobjects,i.e.hierarchicalloca2tion,hierarchicalsemanticsandhierarchicalspatialrelations,wasanalyzed.Apracticalap2plicationwasgiventoillustratetheusabilityofhierarchytheoryinGIS.

Keywords:hierarchy;spatialrepresentation;spacepartition;spatialrelations;semantics

Aboutthefirstauthor:ZHAOBinbin,lecturer,Ph.Dcandidate,majorsinspatialrelationstheoryanditsapplicationinspatialdatabaseupda2ting.

E2mail:zbbsir@163.com

(上接第858页)

CQR2Tree:ConcurrentStrategyforSpatialIndexStructureinSpatialDatabase

ZHOUQin

1,2

　ZHONGErshun1　HUANGYaohuan3　GUOHui1,2

(1　InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,11ADatunRoad,Beijing100101,China)

(2　GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,19AYuquanRoad,Beijing100039,China)

(3　ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,20WestChegongzhuangRoad,Beijing100044,China)

Abstract:R2treeisincapableofmanagingspatialobjectsinconcurrentenvironment.Wepro2posestheCQR2tree(concurrentquad2tree&R2tree)tosatisfythissituation,whichiseasytointegratewithexistingR2treesystems.Firstly,wepointoutthelimitationofR2treeinconcurrentenvironmentandthelimitationoftheR2linktreeinthespecialsystem.Secondly,weintroducetheCQR2treetosolvetheproblem.Thirdly,welistthealgorithmsoftheCQR2tree,includinginsert,add,anddeleteoperators,andthequerystrategy.Then,someexperimentalresultsconfirmthattheproposedCQR2treeperformswellinconcurrentenvi2ronment.

Keywords:spatialdatabase;spatialindex;concurrentcontrol;R2tree;quad2tree

Aboutthefirstauthor:ZHOUQin,Ph.Dcandidate,majorsinGISsoftwaretechnical,spatialdatabaseengineandspatialindex.E2mail:zhouq.06b@igsnrr.ac.cn