空間數(shù)據(jù)倉庫概念

1、空間數(shù)據(jù)倉庫概念    摘要：首先表述了空間數(shù)據(jù)倉庫的三個核心思想；其次設(shè)計出了空間數(shù)據(jù)倉庫的概念框架，著重描述了空間數(shù)據(jù)倉庫的外部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及各組成模塊的工作流程，設(shè)計出了空間數(shù)據(jù)倉庫認知過程的概念框圖，并對認知的基本概念進行了描述，表述了認知過程14個世界模型和13個轉(zhuǎn)換算子的基本內(nèi)容，并用代數(shù)系統(tǒng)給出了嚴格定義；最后得出的結(jié)論是，研制空間數(shù)據(jù)倉庫十分必要，以支持我國的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；空間數(shù)據(jù)倉庫；數(shù)據(jù)倉庫；認知過程0引言進入21世紀后，對空間數(shù)據(jù)倉庫的研究方興未艾，在許多次的國際學(xué)術(shù)會議上都有相關(guān)論文發(fā)表13。例如

2、在泰國召開的ISPRS第三屆動態(tài)與多維GIS會議暨CPGIS第十屆地理信息年會、北京召開的第20屆國際制圖協(xié)會國際學(xué)術(shù)會議、南非召開的第21屆國際制圖協(xié)會國際學(xué)術(shù)會議等。還有一些ESRI公司的白皮書、全球性用戶大會、SSD國際會議、數(shù)字地球國際會議、GIS國際會議等也開始討論空間數(shù)據(jù)倉庫問題48。將空間數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)引入到我國大概是20世紀90年代末，文獻914的發(fā)表開創(chuàng)了我國空間數(shù)據(jù)倉庫理論與技術(shù)研究的新局面，此后又陸續(xù)出現(xiàn)了一些這方面的論文?？傮w說來，上述工作對空間數(shù)據(jù)倉庫的理論和方法進行了初步研究，在概念、原理、結(jié)構(gòu)、操作與算法等方面進行了初步論述，已取得了卓有成效的成績。但是到目前為止，

3、空間數(shù)據(jù)倉庫的概念框架和認知過程等方面還是缺乏系統(tǒng)的論述，沒有形成一套比較完整的空間數(shù)據(jù)倉庫概念框架體系和認知過程體系。1概念框架空間數(shù)據(jù)倉庫是GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其定義很多，但中心思想包含三方面內(nèi)容：空間數(shù)據(jù)倉庫是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，實現(xiàn)對異地、異質(zhì)、異構(gòu)不同源數(shù)據(jù)庫中地理空間數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)及時間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、整合、集成處理，形成用戶獲取數(shù)據(jù)的共享操作模式；空間數(shù)據(jù)倉庫可根據(jù)需求對這些數(shù)據(jù)再進行測繪專業(yè)處理，提供多種空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品，滿足用戶更高層次對數(shù)據(jù)產(chǎn)品的需求；基于空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間數(shù)據(jù)倉庫可從多維的角度進行空間數(shù)據(jù)立方體分析和空間數(shù)據(jù)挖掘分析，提供綜合的、多維的、面向分析的空間

4、輔助決策支持信息，滿足用戶空間決策分析的需求?？臻g數(shù)據(jù)倉庫的概念框架分為外部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)。外部結(jié)構(gòu)主要描述空間數(shù)據(jù)倉庫與外部系統(tǒng)的關(guān)系；內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要描述空間數(shù)據(jù)倉庫的內(nèi)部功能模塊組成。11外部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)處于空間數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)的最底層，管理著若干種不同的地理空間數(shù)據(jù)庫和專題數(shù)據(jù)庫，它們各自獨立，形成了各式各樣的異地異質(zhì)異構(gòu)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它們主要為空間數(shù)據(jù)倉庫提供數(shù)據(jù)源。應(yīng)用系統(tǒng)處于空間數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)的最上層，它通過一個標準的接口從空間數(shù)據(jù)倉庫中提取地理空間數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品和空間輔助決策分析信息，為應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)。其具體外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。12內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間數(shù)據(jù)倉庫的內(nèi)部組成應(yīng)由八個獨立功能模塊構(gòu)

5、成，分層次實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)。其中，第一層次的功能模塊是空間數(shù)據(jù)倉庫的基礎(chǔ)處理模塊，由多源空間數(shù)據(jù)抽取、多源空間數(shù)據(jù)整合、多源空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一、空間數(shù)據(jù)倉庫元數(shù)據(jù)組成；第二層次的功能模塊是空間數(shù)據(jù)倉庫的服務(wù)模塊，由空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)、空間數(shù)據(jù)立方體分析、空間數(shù)據(jù)挖掘分析組成；第三層次的功能模塊是空間數(shù)據(jù)倉庫的對外數(shù)據(jù)接口模塊，由對外數(shù)據(jù)交換格式組成。第一層次的功能模塊為第二層次的功能模塊服務(wù)，第二層次的功能模塊為第三層次的功能模塊服務(wù)。其具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。當應(yīng)用系統(tǒng)提出需求時：多源空間數(shù)據(jù)抽取功能模塊從各源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中抽取出相應(yīng)地理范圍（矩形、多邊形、橢圓）的不同種類的地理空間數(shù)據(jù)、專題數(shù)

6、據(jù)；多源空間數(shù)據(jù)整合功能模塊對這些由圖幅范圍組織的地理空間數(shù)據(jù)進行相應(yīng)地理范圍的裁剪、拼接、接邊、圖形編輯、拓撲重組等整合處理，形成裁剪拼接和接邊好的、具有完整拓撲關(guān)系的、物理上無縫的、按區(qū)域范圍組織的地理空間數(shù)據(jù)；多源空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一功能模塊對這些整合處理好的地理空間數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)精度等方面的統(tǒng)一處理，形成能相互疊加的地理空間數(shù)據(jù)；將經(jīng)抽取、整合、統(tǒng)一處理好的地理空間數(shù)據(jù)提交給空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)功能模塊，經(jīng)過集成、融合、派生和關(guān)聯(lián)等測繪專業(yè)算法處理，生成應(yīng)用系統(tǒng)所需的各種空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品；基于已生成的空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品，進行空間數(shù)據(jù)立方體分析和空間數(shù)據(jù)挖掘分析，得到面向空間輔助決

7、策分析的結(jié)果；將這些空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品和空間輔助決策分析結(jié)果，以對外數(shù)據(jù)交換格式的形式提交給應(yīng)用系統(tǒng)使用。2認知過程21認知過程概念圖空間數(shù)據(jù)倉庫是描述地理現(xiàn)象的一個重要分支，其認知過程應(yīng)與地理空間信息的認知過程基本一致，不同之處在于其描述的內(nèi)容和范圍大小的區(qū)別。因此，建立空間數(shù)據(jù)倉庫的認知過程，實際上是要經(jīng)過一個地理現(xiàn)象認識、抽象、組織、分析和應(yīng)用的過程。其具體的認知過程概念框圖如圖3所示。22認知過程描述這14個世界模型和13個轉(zhuǎn)換算子的組合構(gòu)成了三個層次世界，即實體世界、目標世界和產(chǎn)品世界。其中，現(xiàn)實世界、地理現(xiàn)實世界、地理工程現(xiàn)實世界和地理工程概念世界這四個世界模型，以及命名、選擇、抽象這三

8、個轉(zhuǎn)換算子，共同構(gòu)成實體世界；地理工程尺度世界、地理要素分類世界、地理要素編碼世界、地理要素幾何世界和地理要素集合世界這五個世界模型，以及度量、分層、編碼、測量和聚集這五個轉(zhuǎn)換算子，共同構(gòu)成目標世界；地理空間抽取世界、地理空間整合世界、地理空間統(tǒng)一世界、地理空間產(chǎn)品世界、地理空間決策世界這五個世界模型，以及提取、處理、變換、計算、分析這五個轉(zhuǎn)換算子，共同構(gòu)成產(chǎn)品世界。數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計階段、地理空間數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)階段和空間數(shù)據(jù)倉庫實現(xiàn)階段構(gòu)成了空間數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)實現(xiàn)過程的三個階段，這三個階段分別對應(yīng)著三個層次世界，即實體世界、目標世界和產(chǎn)品世界。其中，前兩個階段是為地理空間數(shù)據(jù)庫的建立服務(wù)的，由它們實現(xiàn)

9、實體世界向目標世界的轉(zhuǎn)換；后一個階段是為空間數(shù)據(jù)倉庫的建立服務(wù)的，由它們實現(xiàn)目標世界向產(chǎn)品世界的轉(zhuǎn)換。由此可見，空間數(shù)據(jù)倉庫的認知過程主要就是這14個世界模型通過這13個轉(zhuǎn)換算子的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)三個層次世界的過程。這個認知過程指導(dǎo)了空間數(shù)據(jù)倉庫的實現(xiàn)。3認知的概念定義31世界模型實際上，這些世界模型主要是依靠具體的實體模型或數(shù)據(jù)模型描述來實現(xiàn)的。每個世界模型均有其描述的地理空間對象，因此這些世界模型描述的內(nèi)容大不相同，必須定義出這些世界模型。311現(xiàn)實世界模型現(xiàn)實世界中，人們能看到一系列物質(zhì)和現(xiàn)象，對于這些物質(zhì)和現(xiàn)象，不管是否能叫上名字，它們都是客觀存在的，并且相互之間通過它們的關(guān)系組成了自然界的千

10、差萬別。由此可見，能將現(xiàn)實世界中所有物質(zhì)和現(xiàn)象集合以及它們之間的相互關(guān)系用一定的形式進行描述就是現(xiàn)實世界模型?，F(xiàn)實世界的物質(zhì)和現(xiàn)象集合中，隱含著許多不同的地理現(xiàn)象類，如地質(zhì)、礦產(chǎn)、石油、自然地理等地理現(xiàn)象類。地理現(xiàn)象類是現(xiàn)實世界的一個子集。由此可見，能將現(xiàn)實世界中所有地理現(xiàn)象類集合以及它們之間的相互關(guān)系用一定的形式進行描述就是地理現(xiàn)實世界模型。本文原文313地理工程現(xiàn)實世界模型地理現(xiàn)實世界的地理現(xiàn)象類集合中，特指一個或若干個地理現(xiàn)象就是地理工程現(xiàn)實世界，如自然地理等。地理工程現(xiàn)實世界是地理現(xiàn)實世界的一個子集。由此可見，能將地理現(xiàn)實世界中特指的地理現(xiàn)象以及它們之間的相互關(guān)系用一定的形式進行描述就

11、是地理工程現(xiàn)實世界模型。314地理工程概念世界模型要用計算機來描述地理工程現(xiàn)實世界中的地理現(xiàn)象，就必須對它們進行抽象描述，形成地理現(xiàn)象在人們頭腦中的反映，生成概念模型。由此可見，能將地理工程現(xiàn)實世界中特指的地理現(xiàn)象以及它們的內(nèi)部關(guān)系用一定的形式進行抽象的概念描述就是地理工程概念世界模型。315地理工程尺度世界模型將地理現(xiàn)象抽象成概念模型，僅有這些還遠遠不夠，因為現(xiàn)實世界中的所有地理現(xiàn)象均是有度量的，所以用計算機描述這些地理現(xiàn)象時，也必須是可度量的。度量主要包括描述地理現(xiàn)象的歐幾里德幾何坐標系和數(shù)學(xué)單位尺度。由此可見，對地理工程概念世界中的抽象地理現(xiàn)象進行歐幾里德幾何坐標系和數(shù)學(xué)單位尺度描述就是

12、地理工程尺度世界模型。316地理要素分類世界模型按照GIS理論，概念中的地理現(xiàn)象最終都是通過多種地理要素來表達的，因此如何對地理要素進行合理的設(shè)計和劃分就顯得十分重要。根據(jù)ARC/INFO的分層理論，只有將這些地理要素進行分類分級，才能高效地處理它們。由此可見，對地理工程尺度世界中具有尺度度量的地理現(xiàn)象進行地理要素的分類分級描述就是地理要素分類世界模型。317地理要素編碼世界模型要使計算機能識別和處理地理要素，就必須給這些地理要素進行分類分級編碼，即用一串數(shù)字來表示它們，該分類分級編碼就成為該地理要素在計算機中的唯一標志符，以便計算機能識別和處理。由此可見，對地理要素分類世界中具有明確分類分級

13、定義的地理要素進行分類分級編碼描述就是地理要素編碼世界模型。318地理要素幾何世界模型為了便于計算機的存儲和管理，必須將地理要素細分為幾何目標。地理要素幾何目標包括基本目標和復(fù)合目標?；灸繕税吹乩硪氐目臻g特征劃分為點狀目標、線狀目標、面狀目標、體狀目標和表面狀目標等五種；復(fù)合目標由基本目標集合嵌套構(gòu)成。由此可見，對地理要素編碼世界中具有明確分類分級編碼的地理要素進行幾何目標的劃分和描述就是地理要素幾何世界模型。319地理要素集合世界模型因為地理要素在一定的條件下由相同或不同的點、線、面、表面和體等五類空間目標組合而成，所以在實際使用中，必須通過計算機系統(tǒng)把數(shù)據(jù)庫中存儲的基本目標、復(fù)合目標還

14、原成地理要素。由此可見，對地理要素幾何世界中具有基本目標、復(fù)合目標描述的地理要素進行數(shù)據(jù)庫的幾何目標集合操作就是地理要素集合世界模型。定義9地理要素集合世界模型。設(shè)Con中地理要素點狀目標、線狀目標、面狀目標、體狀目標、表面目標集合分別表示為Po、Lo、Ao、To、So，Atr為地理要素的某一地理特征集合，則地理要素集合世界模型為Ent=e|(Po，Lo，Ao，To，So)Atr。3110地理空間抽取世界模型地理空間抽取的主要功能就是從源數(shù)據(jù)庫中按地理區(qū)域范圍（矩形、橢圓、多邊形等）抽取出滿足一定條件的不同種類的地理空間數(shù)據(jù)。由此可見，對地理要素集合世界中的地理空間數(shù)據(jù)按一定地理區(qū)域范圍和地理

15、特征進行抽取的操作描述就是地理空間抽取世界模型。3111地理空間整合世界模型數(shù)據(jù)庫中存儲的地理空間數(shù)據(jù)是以圖幅為單位組織的，但應(yīng)用系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)是無圖幅概念的，是以地理區(qū)域范圍為組織的。由此可見，對地理空間抽取世界中抽取出的地理空間數(shù)據(jù)進行圖形裁剪、圖形拼接、圖形接邊、圖形編輯和拓撲重組等整合處理，形成以地理區(qū)域范圍為組織的無縫數(shù)據(jù)集合操作就是地理空間整合世界模型。定義11地理空間整合世界模型。設(shè)Con中圖形裁剪、圖形拼接、圖形編輯、圖形接邊、拓撲重組功能分別表示為Cut、Stitch、Meet、Edit和Topology，整合功能集合表示為Fun=Cut,Stitch,Meet,Edit,To

16、pology，則地理空間整合世界模型Pro=e|(eExt,eFun)。3112地理空間統(tǒng)一世界模型實現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)整合后，必須對來自不同源數(shù)據(jù)庫中的地理空間數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一，因為地理空間數(shù)據(jù)存在著差異。這些差異表現(xiàn)在如下方面，即數(shù)學(xué)基礎(chǔ)差異、數(shù)據(jù)編碼差異和數(shù)據(jù)格式差異、數(shù)據(jù)精度差異。由此可見，對地理空間整合世界中的地理空間數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)精度的統(tǒng)一操作和描述就是地理空間統(tǒng)一世界模型。3113地理空間產(chǎn)品世界模型隨著應(yīng)用的深入，單純的地理空間數(shù)據(jù)已越來越不能滿足用戶的需求，用戶更加希望使用的是經(jīng)過測繪專業(yè)處理的、經(jīng)過二次加工處理的地理空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品，后者在實際中具有更大的應(yīng)

17、用價值。由此可見，對地理空間統(tǒng)一世界中的地理空間數(shù)據(jù)進行測繪專業(yè)處理生成空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品的操作就是地理空間產(chǎn)品世界模型。定義13地理空間產(chǎn)品世界模型。設(shè)Con中單一、集成、融合、派生和關(guān)聯(lián)的功能分別表示為Single、Integrate、Fuse、Derive和Relate，測繪專業(yè)處理算法集合為Fru=Single,Integrate,Fuse,Derive,Relate，則地理空間產(chǎn)品世界模型Pdu=e|(eUni,eFru。3114地理空間決策世界模型建立空間數(shù)據(jù)倉庫的最終目的是為空間決策支持服務(wù)，為用戶提供大量的具有空間決策支持的信息，這可通過空間數(shù)據(jù)倉庫中的空間數(shù)據(jù)立方體分析和空間數(shù)據(jù)挖

18、掘分析來實現(xiàn)。由此可見，對地理空間產(chǎn)品世界中的空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行空間數(shù)據(jù)立方體分析和空間數(shù)據(jù)挖掘分析，生成空間決策支持信息的操作和描述就是地理空間決策世界模型。定義14地理空間決策世界模型。設(shè)Con中的空間數(shù)據(jù)立方體分析和空間數(shù)據(jù)挖掘分析分別表示為Scube、Smine，空間決策分析算法集合為Sdss=Scube,Smine，則地理空間決策世界模型Dss=e|(ePdu,eSdss)。32轉(zhuǎn)換算子在空間數(shù)據(jù)倉庫的認知過程中，14個世界模型的變換離不開13個轉(zhuǎn)換算子，即命名、選擇、抽象、度量、分層、編碼、測量、聚集、提取、處理、變換、計算和分析，由它們實現(xiàn)每兩個世界模型的轉(zhuǎn)換。這些轉(zhuǎn)換算子主要是依

19、靠元數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，因為每個世界模型均有描述它的元數(shù)據(jù)，要實現(xiàn)兩個世界模型的轉(zhuǎn)換，通曉這兩個世界的元數(shù)據(jù)是轉(zhuǎn)換的前提。雖然這些轉(zhuǎn)換算子的具體定義不同，但它們都是實現(xiàn)每兩個世界模型的轉(zhuǎn)換，從數(shù)學(xué)的定義上說就是由某個世界模型通過函數(shù)轉(zhuǎn)換到另一個世界模型上，因此這些轉(zhuǎn)換算子的宏觀數(shù)學(xué)定義是一致的。4結(jié)束語目前，空間數(shù)據(jù)倉庫理論和技術(shù)研究才剛剛起步,其目標是支持數(shù)字地球發(fā)展、空間數(shù)據(jù)集成、空間決策支持發(fā)展的需求。因此應(yīng)該抓住這個千載難逢的好機會，將我國的空間數(shù)據(jù)倉庫研究與建立邁上一個新臺階，以支持我國的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。本文對空間數(shù)據(jù)倉庫的概念框架和認知過程體系進行了一定程度的技術(shù)探討，希望能起到拋

20、磚引玉的作用。參考文獻：1ZOUYijiang.TheconceptualframeworkonthemultiscaleandspatiotemporaldatawarehouseC.Beijing：20thICCAcademicPress，2001：28232831.2ZOUYijiang.ThedesignofspatlatldatawarehouseC.Bangkok：GeoInformatics&DMGIS2001AcademicPress，2001：421426.3ZOUYijiang.TheresearchofmetadataonspatialdatawarehouseC.Durban：21thICCAcademicPress，2003：225226.4ESRI.ESRIopenstrategywhitepapersonSDE/CADclient&spatialdatawarehousingEB/OL.（1998）.http:/www.Esri/com/base/compay/opengis.5ESRI.AnESRIwhitepapers，mappingforthedatawarehouseEBOL.（2002）.http:/www.Esri/com/b