第3章电子地图的数据模型.

电子地图设计ElectronicMapDesign赵卫锋长安大学地测学院1第三章电子地图的数据模型课程主要内容第一章绪论第二章电子地图的理论基础第三章电子地图的数据模型第四章电子地图的结构设计第五章电子地图的软件系统第六章嵌入式电子地图第七章网络电子地图第八章三维电子地图第九章电子地图研究热点2第三章电子地图的数据模型第三章数据模型3.1基本概念3.2现实世界的抽象3.3空间数据概念模型3.4空间数据逻辑模型3.5空间数据结构3.6空间数据库模型3.7电子地图数据模型3第三章电子地图的数据模型3.1基本概念一、信息1、定义信息是现实世界在人们头脑中的反映。它以文字、数据、符号、声音、图像等形式记录下来，进行传递和处理，为人们的生产，建设，管理等提供依据。4第三章电子地图的数据模型3.1基本概念2、特性1）客观性：任何信息都是与客观事实相联系的，这是信息的正确性和精确度的保证。2）适用性：问题不同，影响因素不同，需要的信息种类是不同的。3）传输性：信息可在信息发送者和接受者之间进行传输,信息的传输网络，被形象地称为“信息高速公路”。4）共享性：信息与实物不同，信息可传输给多个用户，为用户共享，而其本身并无损失，这为信息的并发应用提供可能性。第三章电子地图的数据模型53.1基本概念二、数据指输入到计算机并能被计算机进行处理的数字、文字、符号、声音、图像等符号。数据是对客观现象的表示，数据本身并没有意义。数据的格式往往和具体的计算机系统有关，随载荷它的物理设备的形式而改变。6第三章电子地图的数据模型3.1基本概念三、数据与数据的关系信息与数据是不可分离的。信息由与物理介质有关的数据表达，数据中所包含的意义就是信息。数据是记录下来的某种可以识别的符号，具有多种多样的形式，也可以由一种数据形式转换为其他数据形式，但其中包含的信息的内容不会改变。数据是信息的载体，信息是数据的内涵。7第三章电子地图的数据模型3.1基本概念第三章电子地图的数据模型3.1基本概念四、地理信息1、定义地理信息是指与研究对象的空间地理分布有关的信息，它表示地理系统诸要素的数量、质量、分布特征，相互联系和变化规律的图、文、声、像等的总称。9第三章电子地图的数据模型2、特性1）地域性：地理信息属于空间信息，位置的识别与数据相联系。2）多维结构：在二维空间编码基础上，实现多专题的第三维信息结构的组合，为地理系统多层次的分析和信息的传输与筛选提供方便。3）时序特征：时空的动态变化引起地理信息的属性数据或空间数据的变化。第三章电子地图的数据模型103.1基本概念五、地理数据地理特征和现象间关系的符号化描述，包含空间位置、属性特征、时态特征三个属性。第三章电子地图的数据模型113.1基本概念3.1基本概念六、地理空间实体1、定义依附于地理空间存在的各种事物或者现象，它们可能是物质的，也可能是非物质的，它们的一个典型特征是与一定的地理空间位置有关，都具有一定的几何形态。12第三章电子地图的数据模型第三章电子地图的数据模型133.1基本概念3.1基本概念2、特征1）空间特征空间位置：表示地理空间实体在一定的坐标参考系中的空间位置，通常用地理坐标系、平面直角坐标系来表示。也称几何特征，包括空间实体的位置、大小、形状、分布状况等。空间关系：指地理空间实体之间存在的一些具有空间特性的关系拓扑关系：拓扑变化下的拓扑不变量，如邻接关系、关联关系和包含关系等方位关系：实体在地理空间中的某种顺序，如左右、东南西北等度量关系：用地理空间中的度量来描述的实体之间的关系，实体之间的距离14第三章电子地图的数据模型3.1基本概念2）属性特征是与地理空间实体相联系的、具有地理意义的数据或变量。属性通常分定性和定量两种，定性属性包括名称、类型、特征等；定量属性包括数量、等级等。3）时态特征指地理实体随着时间而变化的特征。地理空间实体的位置属性和属性相对于时间来说，常常呈现相互独立的变化。15第三章电子地图的数据模型地理信息流与地理信息科学三个领域3.2现实世界的抽象第三章电子地图的数据模型第三章电子地图的数据模型3.2现实世界的抽象第三章电子地图的数据模型18维度世界：度量语言项目世界：信息团体地理空间世界：GIS语言概念世界：自然语言现实世界：基本语言要素集合世界：要素集合要素世界：要素几何世界：WKT点世界：坐标几何对现实世界的抽象（OpenGIS的九层模型）3.2现实世界的抽象第三章电子地图的数据模型19现实世界是所有事物（Fact）的集合，无论人们是否知道这些事物。3.2现实世界的抽象第三章电子地图的数据模型20概念世界是人类自然语言的世界，人类了解且认识其所命名的事物，因此这些事物构成了“语言的世界”。3.2现实世界的抽象第三章电子地图的数据模型21地理空间世界是概念世界中一个简化的子集，其中的要素通常被看作抽象的、几乎是具有卡通特性的世界。3.2现实世界的抽象第三章电子地图的数据模型22维度世界是地理世界的一个抽象，其中的要素具有固定的维度和尺度特征，可以通过在欧氏空间中进行工具测量获取。在此水平上认识到的事实包括一元关系（如一个弧段的长度）和二元关系（如两点之间的距离）。3.2现实世界的抽象第三章电子地图的数据模型23项目世界是根据研究区域的范围和被测量的特定的现象，对维度世界中的一个子集的具体实现。项目世界通过定义参考系统确定维度世界中要素的每个“角点”的坐标。3.2现实世界的抽象第三章电子地图的数据模型24在计算机中，现实世界是以各种符号形式来表达和记录的，计算机在对数字和符号这些符号进行操作时，又将它们表示为二进制形式（比特世界）。现实世界的信息数学的分析、预报、决策或控制现实世界的分析、预报、决策或控制数学模型翻译、归纳解译检验演绎推断3.2现实世界的抽象第三章电子地图的数据模型253.2现实世界的抽象GIS空间数据建模：针对所研究的空间现象或问题，描述GIS的空间数据组织，设计GIS空间数据库模式，这包括定义空间实体及其相互间关系，确定数据实体或目标及其关系，设计在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构等。3.2现实世界的抽象GIS的三个抽象层次现实世界地理实体或者现象概念数据模型(地理空间认知模型)逻辑数据模型（地理数据模型）物理数据模型概念世界数据世界设计实现26第三章电子地图的数据模型3.3空间数据概念模型27第三章电子地图的数据模型概念数据模型是地理空间中地理事物与现象的抽象概念集，是地理数据的语义解释。现实世界选择对象它在哪里数据选择位置那里怎么样离散连续对象模型场模型第三章电子地图的数据模型283.3空间数据概念模型一、对象模型对象模型也称实体模型或要素模型，强调地理空间的离散性，用来描述分离的空间实体，如房屋、道路、湖泊、绿地等。按照其空间特征分为点、线、面、体四种基本对象，每个对象对应着一组相关的属性以区分各个不同的对象；对象也可能由其他对象构成复杂对象，并且与其他分离的对象保持特定的关系，如点、线、面、体之间的拓扑关系。第三章电子地图的数据模型293.3空间数据概念模型第三章电子地图的数据模型30对象模型把地理现象当作空间要素（Feature）或空间实体（Entity）,一个空间要素必须同时符合三个条件：1)可被标识；2)与问题相关；3)有明确的特征且可被描述。传统的地图是以对象模型进行地理空间抽象和建模的实例。3.3空间数据概念模型第三章电子地图的数据模型313.3空间数据概念模型第三章电子地图的数据模型32二、场模型场模型又称域模型，强调地理空间的连续性，用来描述连续分布的空间实体或地理现象（如大气污染程度、地表温度、土壤湿度、地形高度等）。一些自然现象如大气污染的空间分布本质上是三维的，但为了便于表达和分析，往往采用二维空间来表示，即建立映射函数A＝f(x,y)。场在原理上是空间连续的，然而在数字世界中完全地表示连续空间是不可能的。在实际应用中，我们可以通过在有限的时空范围内获取足够高精度的样点观测值来表征场的变化。3.3空间数据概念模型第三章电子地图的数据模型333.3空间数据概念模型3.3空间数据概念模型34第三章电子地图的数据模型规则抽样的场模型第三章电子地图的数据模型35三、网络模型网络是由一系列节点和环链组成的。在本质上，网络模型可看成对象模型的一个特例，它是由点对象和线对象之间的拓扑空间关系构成的。网络模型将数据组织成有向图结构。结构中顶点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的关系。有向图（Digraph）的形式化定义为：Digraph=(Vertex,{Relation})其中Vertex为图中数据元素（顶点）的有限非空集合；Relation是两个顶点（Vertex）之间的关系的集合。3.3空间数据概念模型第三章电子地图的数据模型36四、概念模型的选择许多地理现象既可采用对象模型也可采用场模型来建模。3.3空间数据概念模型第三章电子地图的数据模型373.4空间数据逻辑模型逻辑模型是对概念模型中数据实体及其相互关系的逻辑结构的描述。通常所称的空间数据模型其实是空间数据的逻辑模型。针对对象模型和场模型两类概念模型，常见的逻辑模型有：矢量数据模型、栅格数据模型、矢量—栅格一体化数据模型、镶嵌数据模型、面向对象数据模型等。另外，还有三维空间数据模型、时空数据模型等。第三章电子地图的数据模型38一、矢量数据模型表示方法：利用欧氏几何中的点、线、面对象及其组合体来表示空间实体及其分布特征。3.4空间数据逻辑模型第三章电子地图的数据模型39二、栅格数据模型1、表示方法将分析空间划分成多个规则的格网单元，并给各个格网单元赋以相应空间对象的属性值。3.4空间数据逻辑模型第三章电子地图的数据模型403.4空间数据逻辑模型第三章电子地图的数据模型412、栅格的定义一个完整的栅格模型需要以下几个参数：栅格形状；栅格单元尺寸大小/分辨率；栅格原点；栅格的倾角。3.4空间数据逻辑模型第三章电子地图的数据模型423、栅格的大小栅格的大小应能有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度。SL21L3.4空间数据逻辑模型第三章电子地图的数据模型434、栅格的取值当一个栅格单元内有多个可选属性值时，按一定方法来确定栅格属性值。3.4空间数据逻辑模型第三章电子地图的数据模型445、栅格的分层若需要描述统一地理空间的不同属性，则按不同的属性将数据分层，每层描述一种属性。3.4空间数据逻辑模型第三章电子地图的数据模型45三、矢量—栅格一体化数据模型在矢量－栅格数据模型中，对地理空间实体同时按矢量数据模型和栅格数据模型来表述：1)面状实体的边界采用矢量数据模型描述，而其内部采用栅格数据模型表达；2)线状实体一般采用矢量数据模型表达，同时将线所经过位置以栅格单元进行充填；3)点实体则同时描述其空间坐标以及栅格单元位置，这样则将矢量数据模型和栅格数据模型的特点有机地结合在一起。3.4空间数据逻辑模型第三章电子地图的数据模型46四、镶嵌数据模型镶嵌（Tessellation）数据模型采用规则或不规则的小面块集合来逼近自然界不规则的地理单元，通过描述小面块的几何形态、相邻关系及面块内属性特征的变化来建立空间数据的逻辑模型，适合于用场模型抽象的地理现象。要求小面块之间不重叠且能完整铺满整个地理空间。根据面块的形状，镶嵌数据模型可分为：规则镶嵌数据模型和不规则镶嵌数据模型。3.4空间数据逻辑模型3.4空间数据逻辑模型第三章电子地图的数据模型47第三章电子地图的数据模型48五、面向对象数据模型面向对象数据模型应用面向对象方法描述空间实体及其相互关系，特别适合于采用对象模型抽象和建模的空间实体的表达。地理空间的实体或现象可看作对象或其实例。一个对象由描述该对象状态的一组数据和表达它的行为的一组操作（方法）组成。面向对象技术将对象的属性和方法进行封装，另外还有分类、概括、聚集、联合等对象抽象技术以及继承和传播等强有力的抽象工具。3.4空间数据逻辑模型第三章电子地图的数据模型493.4空间数据逻辑模型第三章电子地图的数据模型503.4空间数据逻辑模型第三章电子地图的数据模型51六、