空間數(shù)據(jù)倉庫的概念框架和認知過程

1、空間數(shù)據(jù)倉庫的概念框架和認知過程        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)

2、倉庫的研究方興未艾，在許多次的國際學術(shù)會議上都有相關(guān)發(fā)表13。例如在泰國召開的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)會國際學術(shù)會議、南非召開的第21屆國際制圖協(xié)會國際學術(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，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。 總體說來，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

3、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，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)

4、立方體分析和空間數(shù)據(jù)挖掘分析，提供綜合的、多維的、面向分析的空間輔助決策支持信息，滿足用戶空間決策分析的需求。 空間數(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，為應用系統(tǒng)服務(wù)。其具體外部結(jié)

5、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)部組成應由八個獨立功能模塊構(gòu)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

6、統(tǒng)中抽取出相應地理范圍（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)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，生成應用系統(tǒng)所需的各種空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品；基于已生成

7、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

8、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、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著三個層次世界，即實體世界

9、、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)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

10、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)系組成了界的千差萬別。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。 現(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。 31