第三章-GIS空间分析的数据模型

空间数据空间数据表示方法空间数据模型第三章GIS空间分析的数据模型定义：用来表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据，具定位、定性、时间和空间关系等特征。定位：在已知坐标系里目标具有唯一的空间位置；定性：空间目标的自然属性时间：空间目标随时间的变换而变化空间关系：拓扑关系空间数据用点、线、面、体表示人们赖以生存的自然世界3.1空间数据GIS中的空间数据：地理数据：描述地理空间的数据GIS地理空间：绝对空间：具有属性描述的空间位置的集合，由一系列不同位置的空间坐标值组成；相对空间：具有空间属性特征的实体的集合，由不同实体之间的空间关系构成；空间数据的特征：1）空间性空间物体的位置、形态以及由此产生的系列特性不考虑空间物体的空间性，空间分析就失去了意义2）抽样性连续空间物体的离散化——数字抽样：对物体形态特征点的有目的的选取空间数据的特征：3）概括性空间物体的概括性对物体形态的化简综合以及对物体的取舍空间数据的特征：4）多态性同样地物在不同情况下的形态差异：城市：面状地物或点状地物河流：条带状地物或线状地物不同地物占据同样的空间位置：社会经济和人文数据与自然环境在空间位置上的重叠长江：水系要素与省界、县界重叠空间数据的特征：5）多时空性同一时间不同空间的数据系列；同一空间不同时间序列的数据；空间数据表示：把图形模拟的空间物体表示成计算机能够接受的数字形式；空间数据模式数据结构3.2空间数据的表示图形——数字地理现象（空间特征、属性特征、时间特征）人的选择、抽象、综合、估计、模拟测量、表达、编码、组织、建立空间关系地理数据空间数据的两种表示模型：栅格模型：地理空间看成一个连续的整体，在这个空间中处处有定义矢量模型：地理空间看成是一个空域，地理要素存在其间矢量模式栅格模式真实世界栅格数据模型表示：栅格数据基于连续铺盖，将连续空间离散化,用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间;规则铺盖方格三角形六角形不规则铺盖基于栅格的空间模型认为空间是像元(pixel)的划分,每个像元与分类或标识所包含的现象的一个记录有关;重要特征:像元位置确定一个像元仅被赋予一个单一的值空间实体的栅格表示点：由一个单元网格表示线：由一串有序的相互连接的单元网格表示,数值相等面：由聚集在一起的、相互连接的单元网格组成混合栅格单元代码的确定尽量保持地表的真实性，保证最大的信息容量；中心点法面积占优法重要性法百分比法ABOC矢量数据模型表示矢量方法强调离散现象的存在，由点、线、面确定边界，是基于实体的；矢量数据模型将现象看作实体的集合，组成空间实体；矢量数据对地理实体的描述采用三种基本的地理信息位置信息属性信息空间关系信息矢量数据拓扑结构矢量数据拓扑结构，即基本要素点线面和实体之间具有邻接、关联和包含的拓扑关系,与长度面积无关。什么叫拓扑？Topology一词来自希腊文，它的原意是“形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能保持不变的几何属性——拓扑属性。“点的内置”是拓扑属性；面积则不是拓扑属性；欧几里德平面上实体对象所具有的拓扑和非拓扑属性拓扑属性一个点在一个弧段的端点一个弧段是一个简单弧段（自身不相交）一个点在一个区域的边界上（内部、外部）一个面是简单面（面上没有“岛”）一个面的连接性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）非拓扑属性两点之间的距离弧段的长度一个区域的周长一个区域的面积矢量数据模型的拓扑模型路径拓扑：将二维要素的边界作为独立的一维要素单独处理，不考虑要素之间的相互关系；常用的模型：面条模型(SpaghettiModel)多边形模型(PolygonModel)点字典模型(PointDictionaryModel)链/点字典模型(Chain/PointDictionaryModel)等路径拓扑缺点：不能解决点、结点和零维地物的识别问题，各多边形被作为单个独立的实体来考查，不能识别出多边形间的相邻关系不利于地理数据的分析与可视化网络拓扑模型：对路径拓扑模型的不足之处的改进和完善。强调对多边形间关系的描述，即在拓扑结构中将一个多边形图形中的结点、边和面分别显式描述，并记录他们之间的关系；可以反映出面与面之间的相邻关系，还反映边与边之间、点与点之间的连接关系；栅格模型和矢量模型矢量方法：面向实体，物体愈复杂，描述愈困难，数据量亦随之增大，如线状要素愈弯曲，抽样点必须愈密。栅格方法：面向空间，物体的复杂程度不影响数据量的大小，也不增加描述上的困难。栅格模型和矢量模型矢量方法：显式描述空间物体之间的关系，关系一旦被描述，运用起来就相当方便。栅格方法：隐式描述空间物体之间的关系“零”描述：没有记录物体间的关系；“全”描述：空间物体的一切关系都照实复写了。数据模型：是描述数据库的概念集合，是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式表示；数据模型通过一定的数据结构来实现，数据结构是数据模型在特定的数据库中的存储模型。数据模型是数据表达的概念模型数据结构是数据表达的物理实现3.3空间数据模型空间数据模型定义：GIS中空间数据的组织方式反映空间实体及其之间的联系空间数据组织和空间数据库模式设计的基础对空间数据模型认识和理解的正确决定着GIS空间数据管理系统研制或应用空间数据库设计的成败空间数据模型发展影响着新一代GIS系统的发展空间数据模型通用数据模型：无法设计由于地理空间的复杂性，一种数据模型无法反映现实世界的所有方面；在地理信息系统中存在多种数据模型并存的现象。GIS数据模型的三个层次：概念数据模型逻辑数据模型物理数据模型概念数据模型：关于实体及实体间联系的抽象概念集。概念数据模型着重于获得对客观现实一个正确的认识，是面对用户、面向现实世界的数据模型。按用户的观点对数据和信息建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象。GIS空间数据模型的概念模型：考虑用户需求的共性，用统一的语言描述和综合、集成各用户视图基本任务：确定感兴趣的现象和基本特性，描述实体间的相互联系，确定空间数据库的信息内容基于平面图的点、线、面数据模型基于连续铺盖的栅格数据模型逻辑数据模型：描述系统中数据的结构逻辑数据模型：表达概念数据模型中数据实体(或记录)及其间的关系。空间数据的逻辑数据模型：根据概念数据模型确定的空间数据库信息内容，具体地表达数据项、记录等之间的关系，可以有若干不同的实现方法物理数据模型：描述数据在计算机中的物理组织、存取路径和数据库结构逻辑数据模型转换为物理数据模型：逻辑数据模型不涉及最低层的物理实现细节，但计算机处理的是二进制数据涉及空间数据的物理组织、空间存取方法、数据库总体存储结构等。GIS中的信息模型：基于对象的模型：强调离散对象，根据它们的边界线以及组成或者与它们相关的其它对象，可详细地描述离散对象网络模型：表示特殊对象之间的交互，如水或者交通流场模型：表示在二维或者三维空间中被看作是连续变化的数据对数据选择数据模型时：不同测量方式的数据可被看作场或被看作对象如卫星影像中现象的值是由区域内某一个位置提供的，如作物类型或者森林类型可以采用一个基于场的观点；如数据是以测量区域边界线的方式给出，而且区域内部被看成是一致的，就可以采用一个基于要素的观点；基于场的模型可转换成基于要素的模型基于场和基于对象的模型是概念模型的子模型基于场的空间概念模型在计算机中的实现——栅格数据模型基于对象的空间数据模型在计算机中的实现——矢量数据模型其他数据库概念模型：E-R模型(实体关系模型)UML(统一建模语言)模型等3.4场模型场模型核心思想把地理空间事物和现象视为连续的变量空气中污染物的集中程度地表的温度二维场：在二维空间中任何点上都有一个表达这一现象的值；三维场：在三维空间中任何点上都有一个表达这一现象的值；场模型的数学公式：z：sz(s)z为可度量的函数s表示空间中的位置公式表示从空间域(甚至包括时间坐标)到某个值域的映射场经常被视为由一系列等值线组成，一个等值线就是地面上所有具有相同属性值的点的有序集合。场模型特征（1）空间结构特征和属性域“空间”：指可以进行长度和角度测量的欧几里德空间。空间结构可以是规则的或不规则的，但空间结构的分辨率和位置误差则十分重要，它们应当与空间结构设计所支持的数据类型和分析相适应。属性域的数值：包含以下几种类型：名称、序数、间隔和比率。属性域特征是支持空值，如果值未知或不确定则赋予空值。（2）连续的、可微的、离散的如果空间域函数连续的话，空间域也就是连续的，即随着空间位置的微小变化，其属性值也将发生微小变化，不会出现象数字高程模型中的悬崖那样的突变值。只有在空间结构和属性域中恰当地定义了“微小变化”，“连续”的意义才确切。当空间结构是二维（或更多维）时，坡度，或者称为变化率，不仅取决于特殊的位置，而且取决于位置所在区域的方向分布。连续与可微分两个概念之间有逻辑关系，每个可微函数一定是连续的，但连续函数不一定可微。某点的坡度取决于位置所在区域的各方向上的可微性（3）各向同性和各向异性空间场内部的各种性质是否随方向变化而发生变化各向同性场：场中的所有性质都与方向无关如旅行时间，假如从某一个点旅行到另一个点所耗时间只与这两点之间的欧氏几何距离成正比，则从一个固定点出发，旅行一定时间所能到达的点必然是一个等时圆。各向异性场：如果某一点处有一条高速通道，则利用与不利用高速通道所产生的旅行时间是不同的圆：等时线双曲线：利用与不利用高速通道的分界线右图中的旅行时间与目标点与起点的方位有关，场称为各向异性场。（4）空间自相关空间场中的数值聚集程度的一种量度。距离近的事物之间的联系性强于距离远的事物之间的联系性正空间自相关：空间场中的类似的数值有聚集的倾向负空间自相关：空间场中类似的属性值在空间上有相互排斥的倾向空间自相关描述某一位置上的属性值与相邻位置上的属性值之间的关系。场模型优点：场模型能有效地表示地理现象的空间非匀质性场模型表达地理目标及其相应的拓扑表达三要素(内部、边界和外部)结构如土地覆盖这类模糊地理现象对空间关系的描述能有效的顾及地理目标的空间属性变化3.5要素模型地理要素：通过地理实体定义地理实体是真实世界中不能再被细分为同一类现象的地理现象地理要素的内涵：具有相似属性和行为的真实地理实体的公共属性集合地理要素的外延：所有相似地理实体的集合。基于地理要素的GIS数据模型是较高抽象层次上的模型面向空间的矢量及栅格数据模型只关注空间特征的表达，基于地理要素的数据组织方法与传统GIS数据管理方式处于同一层次适于地理信息应用系统的开发基于要素的模型只对真实地理实体的属性及关系感兴趣欧氏空间的地物要素欧氏空间：地理现象模型建立的基础是嵌入在一个坐标空间中，这种坐标空间根据常用的公式可以测量点之间的距离及方向，这个带坐标的空间模型叫做欧氏空间欧式空间把空间特性转换成实数的元组特性，两维的模型叫做欧氏平面。欧氏空间常用参照系统：笛卡尔坐标系欧氏空间其它坐标系统：极坐标系将地理要素嵌入到欧氏空间中，形成了三类地物要素对象：点对象线对象多边形对象4）特征点Vertex：表示线段和弧段上的内部点。1）实体点：用来代表一个实体。2）注记点：用于定位注记。3）内点：用于负载多边形的属性，存在于多边形内。点对象：有特定位置，维数为0的物体。5）结点：表示线的起点和终点线对象：具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示，特性：1）实体长度：从起点到终点的总长2）弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。3）方向性：如：水流方向：上下游；公路：单、双向线状实体包括：线段、边界、链、弧段、网络等。面对象/多边形对象数据库中由一封闭曲线