coverage 中地理数据库拓扑的发展（二）

Shapefile 和简单几何存储

    在 20 世纪 80 年代早期，Coverage 被看作是对较早的多边形和基于线的系统（其中，多边形保存为完整的闭合线）的主要改进。在这些较早的系统中，要素的所有坐标都存储在每个要素的几何中。在 Coverage 和 ArcInfo Workstation 出现之前，使用的是这些简单多边形和线结构。这些数据结构简单，但缺点是边界需要经过两次数字化。也就是说，具有共享边的相邻多边形部分的两个坐标副本应包含在各个多边形的几何中。主要缺点是当时的 GIS 软件不能保持共享边的完整性。而且，存储成本巨大，每个字节的存储空间都意味着高昂的成本。20 世纪 80 年代早期，300 MB 的磁盘驱动器的体积与一台洗衣机相当，价格高达 30,000 美元。保存两个或多个坐标的制图表达代价不菲，并且计算过程会耗费相当长的时间。因此，Coverage 拓扑的使用具有较高的优势。

    在 20 世纪 90 年代中期，人们对于简单几何结构的兴趣日益浓厚，因为这时磁盘存储和硬件的总体成本不断降低，计算速度也在不断提高。与此同时，可以更容易地获取现成的 GIS 数据集，而 GIS 用户的工作也从最初的数据编译演进到数据的使用、分析和共享。

    用户需要更快的数据使用性能（例如，需要多边形几何时不花费计算机时间来生成它们。而是以最快速度提供 1,200 个多边形的要素坐标）。使现成的完整要素几何更具效率。当时正在使用的地理信息系统有数千个，并且可以方便地获得大量数据集。

    正是在这一时期，Esri 开发并发布了其 shapefile 格式。Shapefile 使用非常简单的存储模型来存储要素坐标。每个 shapefile 都表示一个简单要素类（点、线或面）并使用要素坐标的简单存储模型。可通过 Coverage 以及许多其他的地理信息系统轻松地创建 Shapefile。它们作为一个实际标准被广泛采用，并且至今仍被大量使用和部署。

    几年后，ArcSDE 率先在关系数据库表中开发出了一种类似的简单存储模型。要素表可以每行保存一个要素并在表的任意一列及其他要素属性列中保存几何。

    下面是州面要素的示例要素表。每一行表示一个州。shape 列保存每个州的多边形几何。

    这种简单要素模型非常适合 SQL 处理引擎。通过使用关系数据库，GIS 数据的规模以及用户的数量都扩展到了一个前所未有的程度，同时并未降低任何性能。至此，我们进入了使用 RDBMS 来管理 GIS 数据的时代。

    Shapefile 变得无处不在，并且通过 ArcSDE，这一简单要素机制成为了 RDBMS 中基本的要素存储模型。（为了支持互操作性，Esri 率先编写了 OGC 和 ISO 简单要素规范）。

    简单要素存储具有明显的优势：

• 每个要素的完整几何保存在一个记录中。不需要组合。
• 数据结构（物理方案）非常简单、稳固且可伸缩。
• 便于程序员编写接口。
• 具有互操作性。许多人都能编写简单的转换程序将各种其他格式的数据从这些简单几何中移进和移出。作为一种数据使用和交换格式，Shapefile 得到广泛应用。

    其缺点是：保持由拓扑所提供的数据完整性对于简单要素来说不是那么容易实现。因此，用户需要使用一个数据模型（如 Coverage）进行编辑和维护，而使用另一个数据模型（如 shapefile 或 ArcSDE 图层）进行部署。

    用户开始使用这种混合的方法进行编辑和数据部署。例如，用户需要编辑 coverage、CAD 文件或其他格式的数据。然后将数据转换为 shapefile，从而进行部署和使用。因此，虽然简单要素结构是一种极佳的直接使用格式，但它不支持共享几何的拓扑编辑和数据管理。直接使用数据库将使用简单结构，但使用另一种拓扑形式来进行编辑。这样做在部署方面具有优势。但缺点是数据可能会过期，因而需要刷新。刷新虽然是一种有效方式，但信息的更新有一段滞后时间。总之，这样做会丢失拓扑。

    GIS 所要求的以及地理数据库拓扑模型实现的是一种使用简单要素几何存储要素的机制，但允许对这种简单的、开放式数据结构使用拓扑。这就意味着用户可结合两者的优点，即事务数据模型允许拓扑查询、编辑共享几何、丰富数据建模并保持数据完整性，但也允许使用基于开放式、简单的要素几何的简单、高伸缩性的数据存储机制。

    这种直接使用数据模型快速、简单且有效。也可由任意数量的并发用户直接编辑和维护。