矢栅数据一体化存储技术研究

2023-01-08

随着人们对空间信息的需求越来越多, 海量空间数据库管理成为GIS进一步发展的关键。一个好的空间数据库应该是:逻辑上和物理上的地理数据无缝组织、数据存取效率高、便于数据库完整性和一致性维护、数据库易于扩充。基于这一目标, 本章着重探讨海量空间数据库管理中若干关键技术: (1) 海量空间数据集成管理。 (2) 矢栅一体化技术。 (3) 多源空间数据无缝集成。 (4) 空间数据库引擎。 (5) 空间数据的多重表达。

目前海量空间数据集成的基础研究主要集中在以下几个方面。

(1) 数据集成机理研究。数据集成机理是对集成各环节中各类问题处理的理论、方法及规则的研究。它是以地学认知为前导, 以地学规律、推理为主体内容。 (2) 误差传递研究及数据质量评价与控制。关于误差传递、消减方法及不确定性己有大量研究, 并有了适于某些应用领域的方法, 但海量空间数据集成中的误差与地学过程本身有一定的联系。 (3) 数据多尺度。在数据中尺度概念往往用数据精度表示, 但基于数据自身的精度与尺度的描述则没有明确的标准, 虽然许多学者己对该问题进行了深入的研究。 (4) 空间数据表达。计算机表达地理客观世界的等级、层次特征及多种性质的地学过程和现象的关键问题是计算机如何识别、处理不同层次数据之间的联系, 所以, 数据表达也是数据多尺度处理的内容, 其表达的难点是模糊边界的描述、空间数据分类、组织、数据结构等。

1 矢量数据结构

采用一系列的线段或形状描述图像是矢量表示法, 也可使用实心或有等级深浅或色彩填充的一些区域来表征。矢量数据结构是通过记录坐标的方式, 尽可能精确地表示点线多边形等地理实体, 自然地理实体的位置是用其在坐标参考系中的空间位置来定义的, 坐标空间设为连续, 允许任意位置长度和面积的精确定义, 其特点是定位明显, 属性隐含。GIS采用的矢量数据结构模型, 是将空间地质实体抽象成点、线、面三种几何要素, 矢量数据结构通过优化拓扑结构表达空间实体的相关关系, 为空间数据库建立基本框架。

基于矢量的图形软件一般具有如下特点。

(1) 编辑能力强。矢量图是由曲线、坐标、节点、轮廓、填涂色以及决定物体外形的控制点等特性元素所组成, 这些元素是很容易被控制和编辑修改的。 (2) 屏幕显示和打印速度快。矢量图关心的是物体的整体特性而不是孤立的像素点, 它送给屏幕和打印机的信息量要比栅格图少。 (3) 打印输出的精度高。矢量图进行打印时, 图中的物体都可以有尽可能高的输出分辨率输出, 矢量图实际上是让打印机按图形的特性元素和数学模型来打印图形, 并把元素点排列得尽可能紧密一些。 (4) 图形易于与文本结合。在矢量图中文字也作为一种元素, 与点线等元素同等对待, 所以图形与文本的结合很方便。 (5) 其不足之处在于物体缺乏真实感。由于图形是由特性元素和数学模型来生成, 所以看上去没有栅格图那么真实和生动。

2 栅格数据结构

栅格图也叫点阵图 (Bitmap) 、位图, 是Windows中常见的图形格式。一个图形在屏幕上显示时是由很小的点即像素组成的, 因此, 目前从整体上看栅格图是由组成图形的大量像素点来确定。一个图形的程序只知道画面上每个像素点的特性, 而不管图形的整体是什么。

栅格数据结构是最简单最直观的空间数据结构, 又称为网格数据结构 (grid cell) , 是将平面划分为m×n个正方形小方格, 每个小方格用 (x, y) 坐标标识, 即自然地理实体的位置和形状用它们所占据的栅格行列号来定义。栅格数据模型对地图数据的表示可以用每个栅格的属性值表示, 也就是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织, 组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征, 栅格结构表示的是不连续的, 离散的数据, 其最明显的特点是属性明显, 定位隐含。例如可以通过编程对栅格图像素点的颜色进行分析, 从而计算出各种颜色像素点所占的百分比。

栅格结构数据的获取途径主要有目读法、扫描数字化方法、数字化跟踪仪或数字化地图方法, 以及从遥感或摄像机中获取。基于栅格数据结构的图形软件往往具有如下特征。

(1) 真实感较强。如对图形像素点进行精心的编辑修改就能得到真实生动的效果图。 (2) 可以编辑像素。在位图中可以对任意像素点进行编辑。 (3) 打印输出的精度有限。栅格图中像素点的大小和间距是固定的, 不可能既让它在一激光打印机上以30d Pi的由二进制位来表示, 所以图形要占较大的硬盘空间、内存、显示器及存储器。显示器的分辨率越离, 像素点越多, 色彩越丰富系统的资源占用也越多。 (5) 不易与文本结合。栅格图是面向元素的, 文本不易结合进来, 除非采用图形文字方式画出文字。

3 矢量栅格一体化技术

为了充分利用以上两种数据结构的优点, 克服各自的不足之处, 近年来出现了矢量栅格一体化技术。

所谓矢量栅格一体化技术, 是将GIS中的矢量与栅格数据结合、统一起来, 进行同步查询、显示、分析 (杨树强等, 1998) 。矢栅一体化结构能同时具有栅格与矢量数据模型的优点, 克服其缺点, 力求矢量栅格形成统一整体的同时, 又考虑栅格数据可以和矢量数据相对独立存在, 又可作为矢量数据的属性以满足不同需要。同时还考虑两种结构的相互匹配。

矢量和栅格数据由于数据结构的差异, 在表示不同形式的地理信息方面各有千秋, 将他们结合起来, 将有诸多方面的优点:在信息表达方面, 使用户对地理信息的了解不再受数据结构、数据组织形式的限制, 从而对整个地区的地理信息有整体认识和了解:在检索分析方面, 将矢量与栅格数据结合起来能够使一些统计分析结果更为准确、可信;在数据更新方面, 根据栅格数据 (尤其是遥感数据) 现势性强的特点, 以它作为矢量数据更新的信息源可以大大缩短数据更新周期, 是未来GIS数据更新的发展方向。

矢量栅格一体化系统的实现, 通常以表示地表形态的栅格数据 (DEM、遥感图像及土地利用数据) 为背景, 叠加上矢量和其它空间、专题信息, 二者同步漫游显示、查询、检索、分析, 使用户在查看所关心区域的基本信息的同时, 又对该区域的地形或地理背景有总体感性认识。

统一的空间定位为矢量, 栅格提供共同的定位基础。这个定位基础包括投影, 比例尺和坐标。当数据来源不同时, 必须将它们统一到共同的基础上来, 使两者比例尺和坐标匹配, 以实现一体化操作。

摘要：本文基于笔者多年从事国土信息化及空间数据库建设方面的工作经验, 以海量空间数据库管理为研究对象, 深度探讨了其中涉及的两大关键技术的理论技术框架, 从实践的角度对海量空间数据集成管理和矢栅一体化存储两个概念进行了新的诠释, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：海量空间数据,矢量栅格一体化,集成管理