空间数据仓库概念框架

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摘要：首先表述了空间数据仓库的三个核心思想；其次设计出了空间数据仓库的概念框架，着重描述了空间数据仓库的外部结构、内部结构以及各组成模块的工作流程，设计出了空间数据仓库认知过程的概念框图，并对认知的基本概念进行了描述，表述了认知过程14个世界模型和13个转换算子的基本内容，并用代数系统给出了严格定义；最后得出的结论是，研制空间数据仓库十分必要，以支持我国的空间数据基础设施建设。

关键词：地理信息系统；空间数据仓库；数据仓库；认知过程

0引言

进入21世纪后，对空间数据仓库的研究方兴未艾，在许多次的国际学术会议上都有相关[1~3]。例如在泰国召开的ISPRS第三届动态与多维GIS会议暨CPGIS第十届地理信息年会、北京召开的第20届国际制图协会国际学术会议、南非召开的第21届国际制图协会国际学术会议等。还有一些ESRI公司的白皮书、全球性用户大会、SSD国际会议、数字地球国际会议、GIS国际会议等也开始讨论空间数据仓库问题[4~8]。将空间数据仓库技术引入到我国大概是20世纪90年代末，文献[9~14]的发表开创了我国空间数据仓库理论与技术研究的新局面，此后又陆续出现了一些这方面的论文。

总体说来，上述工作对空间数据仓库的理论和方法进行了初步研究，在概念、原理、结构、操作与算法等方面进行了初步论述，已取得了卓有成效的成绩。但是到目前为止，空间数据仓库的概念框架和认知过程等方面还是缺乏系统的论述，没有形成一套比较完整的空间数据仓库概念框架体系和认知过程体系。

1概念框架

空间数据仓库是GIS技术和数据仓库技术相结合的产物，其定义很多，但中心思想包含三方面内容：①空间数据仓库是在网络环境下，实现对异地、异质、异构不同源数据库中地理空间数据、专题数据及时间数据的统一、整合、集成处理，形成用户获取数据的共享操作模式；②空间数据仓库可根据需求对这些数据再进行测绘专业处理，提供多种空间数据产品，满足用户更高层次——对数据产品的需求；③基于空间数据产品，空间数据仓库可从多维的角度进行空间数据立方体分析和空间数据挖掘分析，提供综合的、多维的、面向分析的空间辅助决策支持信息，满足用户空间决策分析的需求。

空间数据仓库的概念框架分为外部结构、内部结构。外部结构主要描述空间数据仓库与外部系统的关系；内部结构主要描述空间数据仓库的内部功能模块组成。

1．1外部结构

数据库系统处于空间数据仓库系统的最底层，管理着若干种不同的地理空间数据库和专题数据库，它们各自独立，形成了各式各样的异地异质异构的数据库系统，它们主要为空间数据仓库提供数据源。应用系统处于空间数据仓库系统的最上层，它通过一个标准的接口从空间数据仓库中提取地理空间数据、空间数据产品和空间辅助决策分析信息，为应用系统服务。其具体外部结构如图1所示。

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1．2内部结构

空间数据仓库的内部组成应由八个独立功能模块构成，分层次实现空间数据仓库系统。其中，第一层次的功能模块是空间数据仓库的基础处理模块，由多源空间数据抽取、多源空间数据整合、多源空间数据统一、空间数据仓库元数据组成；第二层次的功能模块是空间数据仓库的服务模块，由空间数据产品服务、空间数据立方体分析、空间数据挖掘分析组成；第三层次的功能模块是空间数据仓库的对外数据接口模块，由对外数据交换格式组成。第一层次的功能模块为第二层次的功能模块服务，第二层次的功能模块为第三层次的功能模块服务。其具体内部结构图如图2所示。

当应用系统提出需求时：①多源空间数据抽取功能模块从各源数据库系统中抽取出相应地理范围（矩形、多边形、椭圆）的不同种类的地理空间数据、专题数据；②多源空间数据整合功能模块对这些由图幅范围组织的地理空间数据进行相应地理范围的裁剪、拼接、接边、图形编辑、拓扑重组等整合处理，形成裁剪拼接和接边好的、具有完整拓扑关系的、物理上无缝的、按区域范围组织的地理空间数据；③多源空间数据统一功能模块对这些整合处理好的地理空间数据进行数学基础、数据编码、数据格式、数据精度等方面的统一处理，形成能相互叠加的地理空间数据；④将经抽取、整合、统一处理好的地理空间数据提交给空间数据产品服务功能模块，经过集成、融合、派生和关联等测绘专业算法处理，生成应用系统所需的各种空间数据产品；⑤基于已生成的空间数据产品，进行空间数据立方体分析和空间数据挖掘分析，得到面向空间辅助决策分析的结果；⑥将这些空间数据产品和空间辅助决策分析结果，以对外数据交换格式的形式提交给应用系统使用。

2认知过程

2．1认知过程概念图

空间数据仓库是描述地理现象的一个重要分支，其认知过程应与地理空间信息的认知过程基本一致，不同之处在于其描述的内容和范围大小的区别。因此，建立空间数据仓库的认知过程，实际上是要经过一个地理现象认识、抽象、组织、分析和应用的过程。其具体的认知过程概念框图如图3所示。

2．2认知过程描述

这14个世界模型和13个转换算子的组合构成了三个层次世界，即实体世界、目标世界和产品世界。其中，现实世界、地理现实世界、地理工程现实世界和地理工程概念世界这四个世界模型，以及命名、选择、抽象这三个转换算子，共同构成实体世界；地理工程尺度世界、地理要素分类世界、地理要素编码世界、地理要素几何世界和地理要素集合世界这五个世界模型，以及度量、分层、编码、测量和聚集这五个转换算子，共同构成目标世界；地理空间抽取世界、地理空间整合世界、地理空间统一世界、地理空间产品世界、地理空间决策世界这五个世界模型，以及提取、处理、变换、计算、分析这五个转换算子，共同构成产品世界。

数据库概念设计阶段、地理空间数据库实现阶段和空间数据仓库实现阶段构成了空间数据仓库系统实现过程的三个阶段，这三个阶段分别对应着三个层次世界，即实体世界、目标世界和产品世界。其中，前两个阶段是为地理空间数据库的建立服务的，由它们实现实体世界向目标世界的转换；后一个阶段是为空间数据仓库的建立服务的，由它们实现目标世界向产品世界的转换。

由此可见，空间数据仓库的认知过程主要就是这14个世界模型通过这13个转换算子的转换实现三个层次世界的过程。这个认知过程指导了空间数据仓库的实现。

3认知的概念定义

3．1世界模型

实际上，这些世界模型主要是依靠具体的实体模型或数据模型描述来实现的。每个世界模型均有其描述的地理空间对象，因此这些世界模型描述的内容大不相同，必须定义出这些世界模型。

3．1．1现实世界模型

现实世界中，人们能看到一系列物质和现象，对于这些物质和现象，不管是否能叫上名字，它们都是客观存在的，并且相互之间通过它们的关系组成了自然界的千差万别。由此可见，能将现实世界中所有物质和现象集合以及它们之间的相互关系用一定的形式进行描述就是现实世界模型。

现实世界的物质和现象集合中，隐含着许多不同的地理现象类，如地质、矿产、石油、自然地理等地理现象类。地理现象类是现实世界的一个子集。由此可见，能将现实世界中所有地理现象类集合以及它们之间的相互关系用一定的形式进行描述就是地理现实世界模型。

本文原文

3．1．3地理工程现实世界模型

地理现实世界的地理现象类集合中，特指一个或若干个地理现象就是地理工程现实世界，如自然地理等。地理工程现实世界是地理现实世界的一个子集。由此可见，能将地理现实世界中特指的地理现象以及它们之间的相互关系用一定的形式进行描述就是地理工程现实世界模型。

3．1．4地理工程概念世界模型

要用计算机来描述地理工程现实世界中的地理现象，就必须对它们进行抽象描述，形成地理现象在人们头脑中的反映，生成概念模型。由此可见，能将地理工程现实世界中特指的地理现象以及它们的内部关系用一定的形式进行抽象的概念描述就是地理工程概念世界模型。

3．1．5地理工程尺度世界模型

将地理现象抽象成概念模型，仅有这些还远远不够，因为现实世界中的所有地理现象均是有度量的，所以用计算机描述这些地理现象时，也必须是可度量的。度量主要包括描述地理现象的欧几里德几何坐标系和数学单位尺度。由此可见，对地理工程概念世界中的抽象地理现象进行欧几里德几何坐标系和数学单位尺度描述就是地理工程尺度世界模型。3．1．6地理要素分类世界模型

按照GIS理论，概念中的地理现象最终都是通过多种地理要素来表达的，因此如何对地理要素进行合理的设计和划分就显得十分重要。根据ARC/INFO的分层理论，只有将这些地理要素进行分类分级，才能高效地处理它们。由此可见，对地理工程尺度世界中具有尺度度量的地理现象进行地理要素的分类分级描述就是地理要素分类世界模型。

3．1．7地理要素编码世界模型

要使计算机能识别和处理地理要素，就必须给这些地理要素进行分类分级编码，即用一串数字来表示它们，该分类分级编码就成为该地理要素在计算机中的唯一标志符，以便计算机能识别和处理。由此可见，对地理要素分类世界中具有明确分类分级定义的地理要素进行分类分级编码描述就是地理要素编码世界模型。

3．1．8地理要素几何世界模型

为了便于计算机的存储和管理，必须将地理要素细分为几何目标。地理要素几何目标包括基本目标和复合目标。基本目标按地理要素的空间特征划分为点状目标、线状目标、面状目标、体状目标和表面状目标等五种；复合目标由基本目标集合嵌套构成。由此可见，对地理要素编码世界中具有明确分类分级编码的地理要素进行几何目标的划分和描述就是地理要素几何世界模型。

3．1．9地理要素集合世界模型

因为地理要素在一定的条件下由相同或不同的点、线、面、表面和体等五类空间目标组合而成，所以在实际使用中，必须通过计算机系统把数据库中存储的基本目标、复合目标还原成地理要素。由此可见，对地理要素几何世界中具有基本目标、复合目标描述的地理要素进行数据库的几何目标集合操作就是地理要素集合世界模型。

定义9地理要素集合世界模型。设Con中地理要素点状目标、线状目标、面状目标、体状目标、表面目标集合分别表示为Po、Lo、Ao、To、So，Atr为地理要素的某一地理特征集合，则地理要素集合世界模型为Ent={e|(Po，Lo，Ao，To，So)∈Atr}。

3．1．10地理空间抽取世界模型

地理空间抽取的主要功能就是从源数据库中按地理区域范围（矩形、椭圆、多边形等）抽取出满足一定条件的不同种类的地理空间数据。由此可见，对地理要素集合世界中的地理空间数据按一定地理区域范围和地理特征进行抽取的操作描述就是地理空间抽取世界模型。

3．1．11地理空间整合世界模型

数据库中存储的地理空间数据是以图幅为单位组织的，但应用系统使用数据是无图幅概念的，是以地理区域范围为组织的。由此可见，对地理空间抽取世界中抽取出的地理空间数据进行图形裁剪、图形拼接、图形接边、图形编辑和拓扑重组等整合处理，形成以地理区域范围为组织的无缝数据集合操作就是地理空间整合世界模型。定义11地理空间整合世界模型。设Con中图形裁剪、图形拼接、图形编辑、图形接边、拓扑重组功能分别表示为Cut、Stitch、Meet、Edit和Topology，整合功能集合表示为Fun={Cut,Stitch,Meet,Edit,Topology}，则地理空间整合世界模型Pro={e|(e∈Ext,e∈Fun)}。

3．1．12地理空间统一世界模型

实现地理空间数据整合后，必须对来自不同源数据库中的地理空间数据进行统一，因为地理空间数据存在着差异。这些差异表现在如下方面，即数学基础差异、数据编码差异和数据格式差异、数据精度差异。由此可见，对地理空间整合世界中的地理空间数据进行数学基础、数据编码、数据格式、数据精度的统一操作和描述就是地理空间统一世界模型。

3．1．13地理空间产品世界模型

随着应用的深入，单纯的地理空间数据已越来越不能满足用户的需求，用户更加希望使用的是经过测绘专业处理的、经过二次加工处理的地理空间数据产品，后者在实际中具有更大的应用价值。由此可见，对地理空间统一世界中的地理空间数据进行测绘专业处理生成空间数据产品的操作就是地理空间产品世界模型。

定义13地理空间产品世界模型。设Con中单一、集成、融合、派生和关联的功能分别表示为Single、Integrate、Fuse、Derive和Relate，测绘专业处理算法集合为Fru={Single,Integrate,Fuse,Derive,Relate}，则地理空间产品世界模型Pdu={e|(e∈Uni,e∈Fru}。

3．1．14地理空间决策世界模型

建立空间数据仓库的最终目的是为空间决策支持服务，为用户提供大量的具有空间决策支持的信息，这可通过空间数据仓库中的空间数据立方体分析和空间数据挖掘分析来实现。由此可见，对地理空间产品世界中的空间数据产品进行空间数据立方体分析和空间数据挖掘分析，生成空间决策支持信息的操作和描述就是地理空间决策世界模型。

定义14地理空间决策世界模型。设Con中的空间数据立方体分析和空间数据挖掘分析分别表示为Scube、Smine，空间决策分析算法集合为Sdss={Scube,Smine}，则地理空间决策世界模型Dss={e|(e∈Pdu,e∈Sdss)}。

3．2转换算子

在空间数据仓库的认知过程中，14个世界模型的变换离不开13个转换算子，即命名、选择、抽象、度量、分层、编码、测量、聚集、提取、处理、变换、计算和分析，由它们实现每两个世界模型的转换。这些转换算子主要是依靠元数据来实现的，因为每个世界模型均有描述它的元数据，要实现两个世界模型的转换，通晓这两个世界的元数据是转换的前提。虽然这些转换算子的具体定义不同，但它们都是实现每两个世界模型的转换，从数学的定义上说就是由某个世界模型通过函数转换到另一个世界模型上，因此这些转换算子的宏观数学定义是一致的。

4结束语

目前，空间数据仓库理论和技术研究才刚刚起步,其目标是支持数字地球发展、空间数据集成、空间决策支持发展的需求。因此应该抓住这个千载难逢的好机会，将我国的空间数据仓库研究与建立迈上一个新台阶，以支持我国的空间数据基础设施建设。本文对空间数据仓库的概念框架和认知过程体系进行了一定程度的技术探讨，希望能起到抛砖引玉的作用。

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