浅析地理数据模型发展

地理数据模型是对真实世界的抽象，由一系列支持地图显示、查询、编辑和分析的数据对象组成。

在过去20年中，矢量数据模型是GIS中变化最大的方面，例如ESRI公司所推出的每款新软件都对应一种新的矢量数据模型，Arc/Info对应Coverage，ArcView对应Shapefile，ArcGIS对应Geodatabase。Coverage和Shapefile是地理关系数据模型，它利用分离的系统来存储空间数据和属性数据，而Geodatabase是基于对象数据模型，它把空间数据和属性数据存储在唯一的系统中。

接下来回顾一下地理数据模型的发展历程：

第一代：最早的数据模型——CAD数据模型

CAD数据模型是最早的计算机制图模型，使用阴极射线管的显示线来绘制矢量地图，使用行式打印机上的加印技术绘制栅格地图。以此为起源，19世纪六七十年代出现了精致的绘图硬件工具以及能够使用合理逼真制图技术进行地图符号化的制图软件。

在那个年代，地图通常用一般的CAD（计算机辅助制图）软件来绘制。CAD数据模型以表示点、线、面的二进制文件格式来存储地理数据。但是属性信息只能通过地图图层和注记标注描述，并不能存储足够多的属性信息。

第二代：地理关系数据模型——Coverage数据模型

1981年，ESRI推出了第一个商用的GIS软件ArcInfo，其中实现了第二代地理数据模型——Coverage数据模型。最初的目标是为了把GIS从CAD中分离出来。

Coverage数据模型是一种包含拓扑的标准矢量数据格式，支持连接性、面定义、邻接性三种基本拓扑关系。

在Coverage模型中，空间数据（图形文件）存储在Coverage文件夹中的二进制索引文件中，属性数据存储在Info文件夹的表格中，空间数据与属性数据使用同一ID连接。同时矢量要素之间的拓扑关系也被存储起来，基于拓扑关系的数据结构有利于数据文件的组织，并减少数据冗余。

但是，Coverage数据模型有一个重大缺陷——要素是以统一的行为聚集而成的点、线、面集合，也就是说，表示道路的线的行为与表示河流线的行为是一模一样的，这显然与现实地理世界不符。

Coverage 是一个非常成功的早期地理数据模型，二十多年来深受用户欢迎，很多早期的数据都是Coverage 格式的。ESRI 不公开Coverage 的数据格式，但是提供了Coverage 格式转换的一个交换文件（interchange file，即 E00），并公开数据格式，这样就方便了Coverage 数据与其他格式的数据之间的转换。

第二代：地理关系数据模型——Shapefile数据模型

在GIS公司把GIS从CAD中分离出来引进拓扑关系之后不到10年的时间里，同样是这些公司，又采用非拓扑数据格式作为非专有数据格式。

ESRI公司采用的标准非拓扑数据格式成为Shapefile，它是一种用于存储地理要素的几何位置和属性信息的非拓扑简单格式。不同于 Coverage，Shapefile多边形对于共享边界实际上有重复弧段且可彼此重叠，这也是非拓扑的体现；在存储方面，它用几何学性质存储两个基本文件：以.shp为扩展名的文件存储要素几何学特征，以.shx为扩展名的文件保留要素几何特征的空间索引。

作为非拓扑数据，shapefile有两个优点：首先，非拓扑矢量数据能比拓扑数据更快速地在计算机屏幕上显示出来。对于仅仅是使用而不是生产GIS数据的用户而言，该优点特别重要。其次，非拓扑数据具有非专有性和互操作性，这意味着非拓扑数据可以在不同软件包之间通用（如MapInfo可以使用Shapefile，ArcGIS可以使用MapInfo的交换格式文件）。

Shapefile以其简单灵活的特点，一直被ArcGIS用户所推崇。而且Shapefile也是ArcGIS对外的交换格式，是一种公开格式。但是随着ArcGIS技术不断发展，ArcGIS用户对复杂地理对象研究需求日益增加，而且组成Shapefile的每个文件有2GB存储的限制要求，Shapefile模型已经不能满足用户的需求。

第三代：面向对象数据模型——Geodatabase数据模型

矢量数据模型的最新成员——基于对象数据模型，将地理空间数据作为对象，几乎所有的GIS都可以作为对象表示。

基于GIS用户来讲，基于对象的数据模型在两个方面不同于地理关系数据模型。首先，基于对象的数据模型把空间数据和属性数据存储在一个系统中。其次基于对象的数据模型允许一个空间要素（对象）与一系列属性和方法相联系。

ArcInfo 8引入了一种新的面向对象数据模型——Geodatabase数据模型。在这个全新的数据模型中，通过为要素添加更贴切的“自然”行为，从而使GIS数据库中的要素更加智能化，在Geodatabase中，不仅能够存储点、线、面等简单对象，还可以存储描述高级地理现实世界的复杂对象，如城市官网模型、城市交通模型等。而且Geodatabase模型也支持业务工作流的事务模型。

关于Geodatabase的详细内容，详见下一篇博客。

参考：
《地理信息系统导论-第五版》
《企业级GIS设计管理优化策略》
http://wenku.baidu.com/link?url=5IKhmo7phaN2kEa6rs6jCFfSE6k3pZQEkeb4vfG73F8lEQAHNsC4BCvCrKMpO7watX3DuGrweh73evXy3Zg5EKd2qWnyEWy1qQyQkptRSi3