面向对象的公交数据模型发展历程

不同空间数据模型用不同的数据抽象与逻辑描述来反映客观事物。近年来，随着信息技术的不断发展，GIS经历了三代空间数据模型，即CAD数据模型、Coverage数据模型和GeoDatabase数据模型（肖鸣，2005）。

（一）第一代CAD数据模型

CAD数据模型源于20世纪六七年代通用的CAD软件。就其本质而言是地理信息计算机化的图形表示。CAD数据模型用二进制文件存储地理数据：用点、线、面描述空间实体，几何要素与相关的颜色、形状等属性存放在一起，而图层和注记号则是它对属性的主要表达方式。可见，CAD存储格式不能完全表达空间要素的属性信息，空间数据之间当然也不可能建立拓扑关系或实现空间分析。存储结构的局限使CAD数据模型随地理信息系统的发展而逐步被淘汰。

（二）第二代Coverage数据模型

Coverage数据模型源自ESRI于1981年推出的其第一个商业化GIS软件——Arc/Info。Coverage数据模型是基于地理关联的矢量数据模型，也被称为地理相关数据模型（Georelational Data Model）。由于当时计算机硬件性能和数据库软件技术的局限，关系数据库尚不能直接存储和管理空间数据，Coverage数据模型则采取一种折中的方式把空间数据与属性数据分开管理。尽管如此，出于以下两方面优势，Coverage数据模型在其出现后的近20年时间里一直处于GIS数据模型领域的标准地位。首先，空间数据与属性数据相互关联。空间数据存储于具有索引表的二进制文件中，这些文件经过优化处理便可以空间显示和存取。属性数据是以数据表形式存储，数据表中存储的记录数等于存于二进制文件中的空间图形要素的数目，每一条记录与相应的图形要素之间通过相同的标识ID关联。其次，矢量要素之间连通性、邻接性和面域定义等拓扑关系也得以保存。此外，用户可以拓展甚至是定义特征表，也可以与外部动态或静态数据库建立关联。由于Coverage数据模型强调几何特征和空间要素的拓扑关系，并兼顾了空间数据和非空间数据两种不同性质数据的特点，有效地实现了两类数据的联介操作和管理，使得高性能GIS成为可能。尤其是属性数据得到了高效RDBMS的支持，使地理空间数据模型得以进一步发展。在1985年，ESRI分别推出了不规则三角网TIN和面向多用户的基于Coverage要素的格网级图库ArcInfo LIBRARIAN；1991年，又分别推出了基于图像和格网组织结构的Image Catalog，以及基于地理关联的栅格数据模型Grid。Grid数据模型的产生可谓是地理空间数据模型发展道路上的里程碑。它使复杂的空间分析成为可能。1994年，ESRI在空间数据存储结构的解决方案中，出台了面向多用户、基于Coverage要素的要素级图库ArcStorm，和基于地理关联的矢量数据格式Shapefile。

总体上讲，在以Coverage为代表的第二代数据模型中，空间数据是作为一个整体单独储存在二进制文件中，GIS软件在操作空间数据时就迫不得已地直接与一个个独立的二进制文件进行对话。这样不仅增加了数据转换成本，也限制了海量数据的存储与管理，对日益趋向企业级甚至社会级的GIS应用而言，这种空间存储方案已很难适用。随着数据库技术的性能和功能的不断提高，将所有的空间数据和属性数据直接存储在同一个数据库中已成为可能。1996年，ESRI提出了一种基于多用户的、以数据库中的二维表为基础的关系数据库管理系统——空间数据引擎（ArcSDE）。从空间数据管理的角度来看，ArcSDE可谓是一个连续的空间数据模型。它依托关系数据库环境，扩展了几种符合工业标准的RDBMS的功能，并采用高效目标模型对空间实体进行完整化组织，实现了属性信息与图形信息国际意义上的一体化，提高地理数据的可共享性和地理信息的可交换性。

（三）第三代GeoDatabase数据模型(www.xing528.com)

随着空间技术的发展及GIS应用要求的提高，第二代空间数据模型的缺陷日益突出：特征聚集在类似的空间要素集合中，但不具有特殊的特征行为。因此，模型在描述丰富、复杂地理对象时很局限。虽通过ARC宏语言aml或VBA宏，可以有限地设计某些要素模型及其相关行为，但是外部代码对要素及其特征之间连接较为松散，而且编写复杂，易犯错误。

针对以往数据模型存在的问题，1999年，ESRI在ArcGIS 8中，将混合数据模型扩展到允许用户为它们的数据添加行为、属性和关系的面向对象的空间数据模型——GeoDatabase。

GeoDatabase利用面向对象技术，将现实世界抽象为若干对象类（Object Class），对象类本身没有空间特征，但是，每个对象类都有其属性、行为和规则；相同属性集、行为和规则的空间对象集合体现为要素类（Feature Class）；而要素数据集（Feature Dataset）反映了具有相同空间参照特征的要素类集合；在GeoDatabase中，通过定义关系类（Relationship Class）来描述要素类或对象类之间的关联关系。同时，要考虑到要素类平面拓扑的一致性、属性有效范围的域（Domains）的定义及要素类行为取值的约束规则（Rule）等（图3-3）。

由此可见，GeoDatabase数据模型中融入了面向对象核心技术。Geo Database将所有空间实体，以对象的形式封装，并将对象的外部行为语义和内部执行之间显著分离，根据操作行为来定义封装；GeoDatabase数据格式类型的体系结构有很强的继承性和多态性，子类可以继承父类的大部分特性，进而修改获得自己的专有特性；而面向对象的可扩充性使得GeoDatabase数据模型的预定义类型无须明显改变即可成为用户类型。GeoDatabase实现了特征与行为的紧密关联，空间数据不再是无意义的点、线、面，而是面向实际应用领域的复杂的客观实体，空间要素之间的相互关系可以以符合人们思维习惯的方式进行清楚地表达。

图3-3　GeoDatabase的构成