面向GIS的大比例尺数字地形图空间数据结构
及数据模型设计中的问题探讨

韦世俱
（广西航空遥感测绘院 广西南宁 530023）

【摘　要】　阐述面向GIS的大比例尺数字地形图数据结构原理、特点、要求，以应用系统中地理空间数据组织的原理和方法进行数据模型的分析，从规范化标准化方案和应用系统的设计、实施，以数据的生产、管理和应用等实际工作中反映的问题和需求出发，对空间数据结构及数据模型设计中的问题进行了探讨，以满足制图和GIS的数据要求。
【关键词】　数字线划地形图 空间数据结构 GIS 数据模型

　　1 前言
　　随着信息技术的越来越广泛应用，地理信息系统（GIS）已广泛应用于各行各业，大比例尺的数字地图是GIS最主要的底层图形数据之一，它反映的地形信息最多，地形信息的精度最高。
　　目前大比例尺数字地形测量的成图标准是数字线划地形图（DLG）。DLG要求“全面地描述地表目标”明确地说就是要求每个点、线、面都反映空间三维的位置、方向，并附带上属性信息，这种空间数据结构是完美的。因此利用DLG可以建立数字地面模型（DTM），对地球表面的形状及属性进行高精度的管理，进而可以制作专题数据集，如数字高程模型（DEM）。
　　目前各种商业测绘软件平台很多，发展也很快，应用这些软件生产数字地形图的详细技术操作规范还不完善，本文对数字地形图的空间数据结构进行探讨。
　　2 大比例尺数字地形图数据结构的现状
　　目前生产大比例尺数字地形图的目的是借助制图（CAD）的手段，制作符合规范要求的标准地图；其次是GIS提供基础图数据，或为其他应用目的提供基础图数据；传统上前者是它的主要目的，这使得目前大部分数字地形图的成图质量还不能完全达到DLG的标准，它主要表现在：①点状要素不是每个点都有高程；②线状要素无方向，有不连续现象；③面状要素不闭合，面之间拓扑关系不全，面上的点间空间关系不齐；④属性注记与地物之间并没有空间对应关系。
　　为什么很多的测绘软件还声称可以完整地进入GIS呢？当然，理论上它有很多补救措施与方法，可以用某些智能化程度较高的手段对其进行转化，例如4个角的房子，其地基只有一个点有正确的高程，如何识别这个面的空间形状呢？编制专用程序进行辩别，认为其余3个点的高程是一样的，并进行高程匹配。若得到完全的DTM，则还有人工判别，属性挂靠等大量工作要做，实践证明，由于判别人员不一定是测绘人员，或不是测绘过程的经历者，要完全保证质量难度很大，它的检查过程是复杂和繁琐的，金钱和时间成本是昂贵的，这种判别可称为二次补充判别，这些情况与目前国内的数字地图产品还处于一个发展阶段的状况有关。
　　3 数据结构探讨
　　3.1 数据结构的要求
　　①点状独立地物用带编码的空间点来表示，这个点是可见的，其符号如污水箅子、路牌等为这个点附带的一种属性，符号的方向性由二级属性即符号的属性决定。点与地物符号都可以单独设置开关，有必要时才会显示出来或输出。
　　②完整的线状地物一定要连续，用空间带编码的折线来表示，其符号如水管、小路等是一种属性，符号的方向性由二级属性即符号的属性决定。每一段折线与地物符号都可以单独设置开关，有必要时才显示出来或输出。
　　③数字地形图的面状地物要封闭，用带编码的空间的封闭折线来表示，如斜坝房子、花圃等面状符号通过编码附着在折线上，每一段折线与地物符号都可以单独设置开关，有必要时才显示出来或输出。
　　④全部注记都为另一种属性，附着在地物上，也有显示开关。
　　3.2 采集编辑的要求
　　要达到以上的要求，在数据采集编辑的过程中要做到：
　　①分层细到每个编码，图式上的每个地物都有自己的编码，甚至可以根据地方的要求增加更细的编码，每个编码就是一层，编码就是属性标识符，当有需要时还可以把几个层集合成一层。
　　②按图块来保存成果，图块是指以自然界线如道路、河流、空地等为分界的一个区域的地形图，图块的大小不定，可能只有几幅图，也可能有几十幅图，测绘时以图块为单位分任务进行测绘，效率最高，由于图块间的关联关系少，图块中线、面状、地物的完整性得到了保障，成果的接合及使用最容易。当然，当所使用管理图块的软件无需直接输出CAD要求的单幅图时，可以另外制作标准分幅的单幅图作为成果。
　　③每个空间点都有三维空间坐标，野外采集数据时没必要每个点现场测量其高程，但这些没高程的点应该有特殊的标记，在内业编辑时要强制操作者判别后补入；需要画等高线的区域进行高程点内插法加密，加密的程度参照不规则三角形法生成DEM的实际需要，这时等高线表征的地形精度与不规则三角网角点表征地形的精度是一致的，是否显示一点的高程注记由开关控制。
　　④线状地物的连续性检查，确保每条线是完整的；面状地物进行封闭性检查确保每个面状地物都是封闭的，当面状地物涉及共用线、面中套面等较复杂的问题时，统一的处理办法是让每个面都独立封闭一次，共用线部分关闭相应的开关，把不该显示的范围线关闭。
　　⑤注记等所有的属性可统一悬挂在地物的某一点上，与地物建立关联关系，如悬挂在纵坐标与横坐标最大的点上，其显示的位置、大小、方向已经按制图要求设好。
　　4 数字地形图与地图图库的建立
　　数字地形图制图数据建立的目的，主要是考虑用户将来需要整幅的地形图以作设计之用。用户只需通过图面的各种制图要素，就能明确地图所需表达的信息，用户对该数据也没有分析、查询统计的要求，简单的说，用户需要的是简单的图纸或数字地形图，在这种情况下，对数据的要求主要有：
　　1、能够达到相应的比例尺的精度
　　2、完全符合相应比例尺的图式或规范，以便相关专业人员能够识别和使用；
　　3、要素完整准确，不遗漏、不重复；
　　4、能够与其他CAD平台进行数据交换；
　　而地形图图库的建立不仅仅是满足制图的要求，还要从其它角度即GIS的要求来对数据模型进行考虑，这可以从下面几点来进行：
　　1、图库中图形数据的存储按标准图幅来组织；
　　2、图库的重点就是要考虑数据的各种方式的检索功能；
　　3、图库中的数据能进行GIS分析、查询、统计、数据维护等；
　　4、能对此数据进行其他应用，如专题图的提取操作；
　　5、考虑到图幅的接边问题；
　　6、考虑到数据的规范性，为数据共享提供方便；
　　7、能够方便地满足数据更新。
　　5 数据模型设计中的关键问题
　　5.1 要素的确认
　　要素的确认是指明确系统需要管理哪些地理要素，或者说应当把现实世界中的哪些对象模型化为地理要素并加以区分。
　　在以应用为导向的系统中，要素可以根据应用的目的和机制来确定，这样的系统中既可以把这些要素生成地图，又可以使用各种非要素化的图件作为背景或参考。
　　在以建立规范完善的GIS数据源为主要目的的基础地理信息系统中，这个问题就要复杂一些，因为确认要素的原则是系统的外部应用需求，而不是系统本身可以明确的需求。即使是较为全面的描述现实世界，也只能是在一定的对象范围内和一定的表达力度（划分的详细程度）范围内。我们只能根据GIS设计的一般原则，分析主要的可能发生的应用需求，来明确系统中需要组织和管理的要素和专题，例如规划设计需要道路、房屋等要素；同时应当提供手段来适应可能发生的需求变化。
　　地形图的制图规范、应用目标等本身不是按照GIS的要求规定的，地形图体现的是制图的理论和方法。数字化的地形图必须先满足地形图本身的制图规范、应用目标、同时考虑GIS的要求，图式能够帮助我们确定描述对象，但不能完全依据图式来划分要素。
　　因此，在系统设计中和要素规格表的设计中应当考虑区分图形元素和地理要素，区分制图的要求（体现在图形的组织上）和GIS需求（体现在要素的组织上）。
　　5.2 要素的编码
　　在确认对哪些要素建立模型后，就可以进行编码的工作了，主要考虑：
　　①要符合国家标准；
　　②要素的归类和相互之间的关系，一般要形成层次化的分类体系；
　　③分类体系和编码要尽量科学、实用、符合当地的实际情况；
　　④分类体系和编码要和己有的规范一致；
　　⑤要考虑可扩充性；
　　5.3 要素的图形规格
　　保证符合制图要求的基本条件有：
　　①分类：按点、线、面进行划分；
　　②图形：确定使用哪些图形元素；
　　③分层：按GIS平台的要求并结合实际情况进行数据分层。
　　单元、线型、字体、颜色等制图规范，图形规格应做到标准化，即每一种要素都使用规定的图层、颜色、单元、线型、线宽、字体、字大小等。
　　分层区分要素是通常的要求，但是一些GIS软件平台或图形平台所提供的图层有限，无法区分所有的要素。从图形规格的设计标准来讲，可以组织使用图层和颜色来区分每一种要素。
　　使用线型，单元也不是总能区分要素，因为有一些是被多种要素共用的。只有要素标识才从根本上区分要素。
　　5.4 要素的属性表
　　属性表的设计同样体现应用系统的需求和设计特点。分析工作可以从两方面着手：系统应用需要哪些数据、系统应该提供哪些数据，以便做到有的放矢。
　　5.5 要素的归类和分层
　　这里所要考虑的要素归类与编码阶段的归类是不同的，这里侧重于数据的存储和组织。
　　我们知道，有大量的地理要素在空间分布上是重合或交叉的，这是一个非常重要的特点，因为这特点直接影响到空间关系的分析和各种空间的操作，据此我们就可以理解GIS中分层存储、叠置分析等的意义。
　　这里的分层和前面图形规格中的分层概念也不同，是指一般GIS中的分层存储概念，例如：在Mierostation图形平台中，图形的分层是一种图形属性，可以用于图形的区分，一个元素只能在一个图层中。
　　归类和分层都涉及要素的存储，例如：如果房屋和道路分开存储，就不可能出现它们之间共用图形元素的问题，而只是相应图形元素的空间重叠，它们实际上也就是相互独立的。
　　数字地形图至少在采集阶段不应分层存储，从制图的要求来看，对区分空间重叠要素的需求也并不强烈。
　　地理要素图则不然，在各种分析和表达中经常需要使用专题数据，必须有手段得到独立而完整的要求，例如显示房屋层时，应当得到所有的房屋符号，不论是点状、线状还是面状，没有人希望看到的是缺了一条边的房屋轮廓或者画成陡坎符号的房屋轮廓。
　　除了分层存储外，重叠要素还可以用图形元素的多重要素定义来实现。
　　5.6 面状地物的要素设置
　　为了减少要素的设置，系统的编码方案中将大量面状要素边界线综合成了“地上轮廓线”、“地类界”等少数几种要素，而主要依靠面心点来标识面状要素。在入库之后，再利用complexer操作将面心点和包围它的面边界组织起来，实现面状要素的构成，这种设置比较适合于必须或经常带有符合或标注的面状地物，如“依比例尺的烟囱”，“球场”等。
　　5.7 高程与数字地面模型
　　大比例尺数据采集还有一个很重要的考虑是建立三维数字地面模型，从现在的数据中仅能提出高程点、控制点、等高线的高程，其他类型的要素如房屋等缺少平面高程、河流等高程连续的要素每点都缺少高程，这样建立的数字地面模型与实际有一定的偏差。
　　5.8 多比例尺数据的组织
　　在分开考虑各种比例尺的数据采集与数据管理时，各比例尺的设计方案基本上是相同的思路和方法。
　　如果要混合使用不比同比例尺的数据，则应当考虑：
　　①各比例尺应区分编码标准还是统一编码标准；
　　②是否可以在编码中加上比例尺代号；
　　③坐标体系的设置应当保证数据叠加后的位置和比例关系正确；
　　④符号体系要不至于混乱。
　　由于叠加是在地面坐标系而非图纸坐标中进行，不同比例尺数据的符号在图纸上的大小可能相同或相近，叠加后尺寸就会相差好几倍了，而且不同比例尺的图式规格也不一样，因此必须使用不同的单元和线型资源，而这就是要求资源的名称也要能相互区分，基本办法仍然是采用比例尺代号。
　　比例尺的概念实际上是反映了前面提到的对现实世界的模型化程度，以及相应的符号体系，比例尺本身在GIS中意义倒是不大，混合使用时，同样是房屋，就需要区分为各种比例尺的房屋了。
　　6 总结
　　为地形图数字化定义合理的数据规范化标准方案，应当满足测绘制图要求，并且尽量提高数据的可操作性，减少后期加工的难度和工作量。在此基础上，再根据不同系统，不同应用的需要进行数据操作使之符合GIS数据标准。
　　基础数据应当是分屋次的，数字化的直接成果首先构成第一级数据库，它是最底层的基础，由于数字化操作一般不直接在数据库上进行，因此存在“入库”的操作，入库只应当转换有关的数据格式，如要素标识、属性关联等，而不应当改变或损失信息，如线型、要素标识等。当然，独立注记从没有要素标识改为有要素标识是允许的，也是符合要求的。在第一级数据库的基础上，构筑侧重于专题要素的第二级数据库，这时候可能要重新设计数据模型，数据由一个文件分成几个文件，提取专题层后要特别注意专题要素的完整性、连续性和一致性，因为在一级库中多重要素不一定具有完善的多重要素标识，即使有，也必然导致同种要素具有不同的图层或颜色，这两个面的处理是建立二级库的主要编辑工作。在二级的基础上，应当可以比较方便地进行各种GIS操作，并且能够根据各种专题应用的需要构筑三级库。
　　大比例尺的GIS数据库是很有必要的，随着GIS的易用性、集成性提高，勘察设计部门也会朝着GIS的方向发展，需要利用大比例尺GIS数据将成为必然，因此对GIS的数据模型进行优化和规范显得尤其必要和现实。

【参考文献】
[1] GB1794.1—2000，数字测绘产品质量要求[S]
[2] 杨德麟，等.大比例尺数字测图和原理方法与应用[M]. 北京，清华大学出版社，1997
[3] 标准化工程原则——信息分类编码的基本原则和方法（GB 702—86）