摘 要 本文以esri公司的arcinfo8中的geodatabase为例，详细介绍了面向对象技术gis数据建摸中的具体 应用 ，说明了面向对象技术在gis数据建模和数据管理中所起的重要作用，并为面向对象技术在gis中的进一步应用提供借鉴和 参考 。

关键词 geodatabase；数据模型；地理特征；面向对象技术

随随着面向对象技术（object－oriented technology）的不断 发展 成熟并广为流行，将其应用到gis技术中已是一种必然的趋势，并将带来gis技术的重大进步。

1 地理信息系统（gis)及其数据特征

随gis是由 计算 机硬件、软件、地理空间数据和管理人员共同组成的集合，用以有效地获取、存储、更新、管理、 分析 和显示各种与空间有关的信息。现有的gis将地理数据划分为空间数据和属性数据两大类型，这种划分有助于借用已有的数据库技术来管理用户的属性数据，使属性数据得到了高效、强大的数据库技术的管理。与此同时，也使得gis人员在开发应用软件时将重点放在了对空间数据的管理上。但要使gis开发人员能更方便有效地处理空间数据，就必须要有好的数据模型来表示地理数据。

随gis的技术目的是为了更好地利用地球资源和管理人造环境而给用户提供决策支持的空间框架。gis大多用图形和符号表示信息，还能通过交互式影像地图交流信息，例如你可以索引一个特征的所有已知属性，可以通过 网络 建立一个点与其它相关点的事物清单，也可以做如水流、污染扩散等模拟测量，这些信息的显示和分析都依赖于怎样从现实世界中建模地理特征。www.11665.coM

随地理数据模型是对现实世界的一种抽象，并利用一系列数据对象来支持地图的显示、查询、编辑和分析。一个地理数据模型的优劣，取决于其对地理特征的表示是否充分，其自身结构是否简单易读，以及是否能方便地利用具体的编程语言来实现。

2 传统数据模型对地理数据支持的不足

随在面向对象数据模型产生之前，伴随着gis技术的不断发展已经产生了两代gis数据模型，即：cad数据模型和coverage数据模型。

2.1 cad数据模型

随cad数据模型起源于六七十年代，由于受当时软硬件条件所限制，地图制图精度都不很高。在这一时期，地图主要是通过一些通用的cad（计算机辅助设计）软件绘制出来的。 cad数据模型通过点、线、面将地理数据存储在二进制格式的文件中，缺乏属性信息。由于cad数据模型缺乏对属性数据的支持，且空间数据不是存储在数据库中，所以给gis软件开发和gis数据共享都带来了难度。

2.2 coverage数据模型

随 1981年esri公司推出了它的第一个商用gis软件--arcinfo，由此产生了第二代地理数据模型--coverage数据模型（又称地理关系数据模型）。coverage数据模型对gis数据特征的表示有了较大的改进：首先它支持属性数据，将空间数据和属性数据有机地结合在一起；其次它还存储矢量数据的拓朴关系；更重要的是，它支持用户自己定制的特征表，因此coverage数据模型提高了gis的地理分析能力和数据录入的准确性。但也有其不足：在coverage数据模型中，空间数据和特征属性数据是分开存储的。空间数据作为一个整体被存储在二进制文件中，特征属性数据则用关系数据库来存储管理；其次，coverage也是用常用的点、线和多边形（po1ygon）来表示特征，对特征的表示不很充分。比如，用一条线表示道路的行为和用一条线表示河流的行为是一样的。它也不支持水流、道路和其它一些现实世界对象的特殊行为。比如，两条河流文汇后，其文汇点以下的河流流量应该是它们各自流量的总和。

3 解决思路之一——面向对象技术

随面向对象技术（object一oriented technology）的思想萌芽于60年代，到80年代初，以smalltalk一80语言为代表逐渐发展成熟，并在90年代大范围流行开来，在计算机用户界面、人工智能、软件工程等很多领域取得了极大的成功，把面向对象的数据建模 方法 应用于表示gis数据特征是非常有用的。面向对象的数据模型通过定义用户自己的对象类型，定义拓朴的、空间的和全局的联系，以及获取这些对象相互之间的关系等方法使用户能更 自然 的描述特征。结合面向对象 理论 的自身特性，其在gis数据模型中主要有以下几个方面的应用。

3.1 类（class）和对象（object）

随现实世界中都是把很多物体当作整体来看待的，在gis应用中也应该采用这种思想。在 gis数据建模和其他类似的领域中，也应当将对应于现实世界的各种实体抽象成对象，当作整体来处理；对象与对象之间可以交互；具有共同属性的多个对象抽象为类，对象可以保存自己的状态（属性）。由于对象与现实世界的实体对应，从而加强了gis数据模型的易理解性、可读性和可维护性。

3.2 封装（encapsulatico）

随对象的所有信息被隐藏封装起来；对象提供的一些服务，由外界通过向它发送消息来实现。gis在使用数据对象时隐藏了数据对象内部的细节，只提供了一个标准的程序接口。通过对对象状态的隐藏，增强了gis数据模型的稳固性和可维护性。

3．3 继承（inheritance）

随继承是指在定义一个对象类时能包含别的对象类的行为，并具有自己的扩增行为。对象可以继承父类的方法，亦即服务。在gis数据应用中，你能够在创建自己定义的特征类型时继承到标准特征的行为。例如，一个转换对象可以从一个标准的gis数据特征类中扩展得到。

3．4 多态（po1ymorphism）

随多态是指同一行为（方法或函数）可应用于许多不同的类，而每一类则以其独有的方式来执行此方法。例如，gis数据特征的核心行为如绘图、增加或删除等操作，不管是在geodatabase中还是在coverage中，或是在形状文件（shapefile）中，它们都几乎是相同的。但在具体实现时，各自的类须作相应的必要改变以进行具体的绘图、增加或删除等操作。通过继承和多态，大大增强了gis数据模型的可重用性，进而增加了gis数据的可交互性和可共享性。

4 面向对象技术在gis中的应用实例——geodatabase

随geodatabase数据模型是esri公司在arcinfo中推出的一种新型面向对象数据模型，即第三代数据模型。具目的是为了让用户能更容易、更自然地表示gis数据特征和更易建立特征之间的各种关系。geodatabase给用户提供了大量的实体对象模型（如河流、道路、建筑等），让用户摆脱了抽象的点、线、面模型：使用户的操作更加简便和接近现实世界。geodatabase除支持地理特征的一般行为外，还支持一些象cad数据模型和coverage数据模型所不能支持的特殊行为。例如，两条河流交汇，河水流量相加的行为（如图1所示）;在一定范围内对某些行为的约束 问题 ，如学校附近建酒店在 法律 上是不允许的（如图2所示）。

4．1 geodatabase数据模型便于gis数据处理

随1）、数据录入和编辑更加精确由于对数据的录入和编辑大多数能被智能的检测行为所保护，所以差错甚少。

随2)、用户用更直党的数据对象工作通过适当的设计，一个geodatabase包含有符合用户数据模型的数据对象。用户用他们感兴趣的对象进行工作，例如电线、道路和湖泊，从而替代了通用的点、线、面。

随3）、特征具有了一个更字富的上下文由于有拓朴关联、空间表示和一般关系等原因，不但要定义特征的特性，而且还要有与其他特征相关的上下文。这样，当其中一个特征彼移动、修改或删除时，有助于说明整个特征集到底发生了什么。也可惜助这个上下文找出或检查与之相关联的另外一个特征。

随4)、能制作更好的地图能更多地控制绘制特征，也能增加智能的绘图行为。能把复杂的绘图方法直接应用到arclnfo的绘图应用程序中。通过编写软件代码还能执行高度专业化的绘图方法。

随5）、在地图上显示的特征是动态的当你在arcinfo中对特征进行处理时，这些特征能对邻接特征的改变做出相应的反应。你也能使特征与定制的查询或分析工具发生联系。

随6）、定义了更好的特征外形 geodatabase数据模型用直线、圆弧、椭圆弧和贝齐而（bezier）曲线来定义特征的外形。

随 7）、特征组是连续的通过设计，gerdatabase数据模型能容纳非常巨大的特征组而不需要其他的空间分区或块(tiles）。

随8）、许多用户能同时编辑地理数据geodatabase数据模型支持许多人能在本地区域编辑特征，然后将出现的任何差异处理成一致。

4.2 geodatabase对gis信息存储的具体实现

随一个geodatabase能容纳四种地理数据表示：表示特征的矢量数据，表示图像、栅格主题数据和表面的栅格数据，表示表面的tin（三角形不规则 网络 ），从一个地址中找到一个地理位置的定位器和地址。geodatabase将所有的这些地理数据表示存储在一个商业的关系数据库中。这就便于专业信息技术人员集中管理地理数据，也让arclnfo保持与数据库技术的 发展 同步。

随1）、用矢量表示特征世界上的许多特征都已经有了很好的外形定义。矢量数据用一组带有关联属性的有序坐标精确简洁地表示了这些特征外形。这种表示支持几何运算，例如： 计算 长度和面积，识别重叠和交叉，找到相邻的或附近的其他的特征等。

随矢量数据可以用维数进行分类：a. 点是零维的，它表示大小而不能用线或面来描述的地理特征，用单个调x,y坐标值来存储；b线是一维的，它表示太狭窄而不能用面来描述的地理特征，用一组有序的调x，y坐标值来存储。其形态可以是直的、圆的、椭圆的或曲线；c.面是二维的，它表示宽阔的地理特征。面用一组围绕面的线段来存储，这些线段构成一个封闭的面。另外一种矢量数据类型是标注，它用于显示相关特征的名字和属性的描述性符号。

随在geodatabase中，特征数据集（datasets）是矢量数据利用维数和关系直接存储特征的结构。一个特征数据集是存储空间实体（特征）、非空间实体（对象）和它们之间的关系的容器。拓朴关系用几何网络和平面图表示。geodatabase也存储一些有效的规则和域，当特征被创建或更新时用来确保它们的属性在与它们相关联的特征和对象的上下文中继续有效。

随2）、用栅格（raster）表示网格化（gridded）数据 收集在geodatabase中的许多数据都是栅格型的、这是因为摄影机和成象系统是以象素值的形式将数据记录在二维的网格（grid）或光棚中的。象素是组成栅格的基本单元，它的值能描述多种数据。象素能够为一部分光谱存储光的反射，为图象存储颜色值，以及存储主要属性，比如：植物类型，或表面值，或海拔高度等。

随3）、用tin表示表面一个tin就是一个表面模型。geodatabase在存储tin时将其作为一个带有高程值的节点和带有边的三角形的整体来对待。tin支持表面 分析 ，如：分水岭 研究 。在一个观测点看表面的可见性、表面特征的描述（如：山脉、河流和山峰）。tin还能描述 自然 地形的起伏。

随 4)、用定位器（locator)查找地址 geodatabase能存储定位器和地址。定位器是一种利用全国邮政协定将一个地址转换成位置的 方法 。你可以找到任意点在地图上相对应的点特征。

4．3 geodatabase对gis关系数据库的完善

随与标准的关系数据库相比，geodatabase简化了地理数据建模的工作，因为它包含有用于地理信息的通用模型。geodatabase用下列方式扩展数据库：

随1）、用四种方式表示地理数据：用矢量特征建模离散对象：用栅格特征建模连续对象；用tin建模表面：用定位器和地址建模位置索引。

随2）、存储特征外形，arclnfo还提供了执行空间操作的函数，如：查我对象之间是问隔的、接触的或交叉的。为定义和管理一套数据的地理坐标系统提供了一个框架。

随3）、能拓朴地建模一套完整的特征，例如运输或公用网络，以及基于自然资源或土地所有权的土地划分。除了清楚的拓朴关系和固有的空间关系外，geodatabase还能定义对象和特征之间的常规的和任意的关系。

随4）、通过域和检查规则，强制实现对象属性的整体约束性。

随5）、将自然的特征行为绑定在存储特征的表里。

随6）、能支持多种版本，以便众多用户编辑和索引同样的数据。

随 此外，geodatabase还同时支持对象视图和关系视图，能综合两者的优点。对象视图在geodabase中占据主导地位，其目的是提供一个接近于逻辑数据模型的数据模型、因而更接近于现实。关系视图则用于一些geodatabase数据的常规处理，它表示的是一些简单地理对象的特征。对象视图和关系视图的具体对应关系如图3所示。

4．4 geodatabase的设计步骤

随设计geodatabase与设计关系数据库之间的差别并不很大，主要的区别是考虑怎样将逻辑数据模型组件匹配到geodatabaee组件中。由于geodatabase具有特征数据集、特征类、拓朴组合、关系及其它组件，所以设计地理数据库时更接近于它们的逻辑数据模型。geodatabase设计的具体步骤如下（如图4）：

随（1）建立用户数据视图模型确定用户界面，弄清组织结构和分析商业需求。

随（2）定义对象和关系用一组对象建立逻辑数据模型和它们与其它模型之间的相互关系。

随（3）选择地理表示在矢量、栅格、表面或定位器等表示中找出一种对有关数据的最佳表示。

随（4）匹配geodatabase组件 将逻辑数据模型的对象匹配到geodatabase组件中。

随（5）组织geodatabase的结构在考虑几何组织、拓朴关系和数据职能等情况下建立geodatabase的结构。

参考 文献

[1] esri公司 arclnfo8 文档《modeling our world》 1998

[2] 徐建春、赵英时等基于组件对象模型的gis校园地理信息系统国土资源遥感 1999（1）

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[4]王 东、林冬梅等面向对象 应用 数据模型的上载大庆石油学院学报1999（2）-（5）

[5]柏延臣、李 新、冯学智 空间数据分析与空间模型地理研究：1999（2）-（11）