第3讲-空间数据模型--概念222

地理信息系统第3讲空间数据模型-概念模型本讲内容1.地理空间与空间抽象2.空间数据概念模型3.空间关系（空间拓扑关系）对河流的诸多描述…模型的作用由于模型是对客观世界中解决各种实际问题所依据的规律或过程的抽象或模拟，因此能有效地帮助人们从各种因素之间找出其因果关系或者联系，有利于问题的解决。1.数据模型(方根模型…)2.实物模型3......为了能够利用地理信息系统工具解决现实世界中的问题，首先必需将复杂的地理事物和现象简化和抽象到计算机中进行表示、处理和分析。这就需要对现实世界进行抽象建模，其结果就是空间数据模型。空间数据建模的基本任务：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。1、空间认知和空间抽象对现实世界进行认知、简化和抽象表达，并将抽象结果组织成有用、能反映现实世界真实状况数据集，是地理信息系统重要任务之一，也是GIS的理论基础。现实世界（基本语言）概念世界（自然语言）地理空间世界（GIS语言）尺度世界（度量语言）项目世界（Project）地理点列世界（Coordinate）地理几何特征世界（Geometry）地理要素世界地理要素集合世界对地理对象的抽象的9个层次模型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。根据事物的本质，人们可以认识理解现实世界中的事物。现实世界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”。概念世界地理空间世界复杂的形状、样式、细节被抽象由于在概念层次的世界充满了复杂的形状、样式、细节。这些复杂性在地理空间世界中被消除，并用简单的、浅显的抽象来代替，这些抽象通常在时间以及空间上都是静态的。维度世界是地理空间世界的一个抽象，其中包括一些测量工具，如卷尺测量和指南针，在这样的水平上所认识到的事实包括一元（Unary）关系（如一个弧段的长度）和二元（Binary）关系（如两点之间的距离），这些关系本身就是各种要素的抽象。维度世界空间参照系统的概念被引入反映了一个制图员、一个地籍管理人员和一个道路管理人员视角的项目世界。项目世界正是项目世界语言的多样性导致了GIS信息交换的难题。点集世界几何世界要素世界GIS空间抽象举例观察和认知信息选择、综合、简化和抽象空间事物或现象概念模型ConceptialModel逻辑数据模型LogicalDataModel编码、表达、建立空间关系物理数据模型PhysicalDataModel数据结构对数据进行组织概念世界最高层数据世界（计算机）中间层空间数据库最底层现实世界2空间数据概念模型以GIS观点对客观世界建立模型，考虑如下对象：不连续对象，如道路、水域、建筑物；连续变化的对象，如地形的连续变化、温度范围等；分类的对象，如植被类型、气候带、年龄段等；突发事件：事故、水灾；某种人工选择的表达方式，如点、线（等高线）、面、栅格等。对象模型场模型网络模型地理空间数据的概念模型对象模型场模型网络模型对象模型/要素模型将研究的整个地理空间看成一个空域，地理现象和空间实体作为独立的对象分布在该空域中,对象模型强调地理空间中的单个地理现象。按照其空间特征分为点、线、面、体四种基本对象;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;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：可被标识在观察中的重要程度确定尺度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。场/域（field）模型把地理空间中的现象作为连续的变量或体来看待，如大气污染程度、地表温度、土壤湿度、地形高度以及大面积空气和水域的流速和方向等;根据不同的应用，场可以表现为二维或三维;一个二维场就是在二维空间R2中任意给定的一个空间位置上，都有一个表现某现象的属性值，即A＝f(x，y)一个三维场是在三维空间R3中任意给定一个空间位置上，都对应一个属性值，即A＝f(x，y，z)二维空间场一般采用6种具体的场模型来描述:规则分布的点不规则分布的点规则矩形区不规则多边形区不规则三角形区等值线格网地势表达网络模型网络是由欧式空间中的若干点及它们之间相互连接的线（段）构成。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。3、空间关系空间关系是指地理空间实体之间相互作用的关系。空间关系主要有：拓扑空间关系：用来描述实体间的相邻、连通、包含和相交等关系；顺序空间关系：用于描述实体在地理空间上的排列顺序，如实体之间前后、上下、左右和东、南、西、北等方位关系；度量空间关系：用于描述空间实体之间的距离远近等关系。拓扑一词来自于希腊文，意思是“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（缩放、旋转、扭曲和拉伸等）下能够保持不变的几何属性——拓扑属性。空间拓扑关系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（弧段自身不相交）一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的外部一个点在一个环的内部一个面是一个简单面（面上没有“岛”）一个面的连续性（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一个点指向另一个点的方向弧段的长度一个区域的周长一个区域的面积实体对象所具有的拓扑和非拓扑属性面—面关系：与某个面状地物相邻的所有多边形；线—线关系：如与某个河流关联的所有支流；点—点关系：如与某个水井相距小于3Km的其它井；线—面关系：如检索某国道经过的所有县市；面—线关系：如检索某县境内所有公路；点—线关系：如检索某公路边的加油站；点—面关系：如检索某县范围内邮电所分布情况；查询与中国陆地接壤的国家？空间数据的拓扑关系，对数据处理和空间分析具有重要的意义：1.拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何坐标关系有更大的稳定性，不随投影变换而变化。2.利用拓扑关系有利于空间要素的查询。3.可以根据拓扑关系重建地理实体。例如根据弧段构建多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的选择等。空间顺序关系顺序空间关系是基于空间实体在地理空间的分布，采用上下、左右、前后、东南西北等方向性名词来描述；同拓扑空间关系的形式化描述类似，也可以按点－点、点－线、点－面、线－线、线－面和面－面等多种组合来考察不同类型空间实体间的顺序关系；顺序空间关系必须是在对空间实体间方位进行计算后才能得出；实体间的顺序空间关系随着空间数据的投影、几何变换，顺序空间关系也会发生变化在目前的GIS中，并不对顺序空间关系进行描述和表达。基准方向基准方向基准方向点－点顺序关系点－线顺序关系点－面顺序关系线－线顺序关系线－面顺序关系面－面顺序关系基准方向基准方向基准方向不同类型实体间的顺序关系度量空间关系度量空间关系主要指空间实体间的距离关系；按照拓扑空间关系中建立点－点、点－线、点－面、线－线、线－面和面－面等不同组合来考察不同类型空间实体间的度量关系；距离的度量可以是定量的，如按欧几里德距离计算得出A实体距离B实体500m，也可以应用与距离概念相关的概念如远近等进行定性地描述；与顺序空间关系类似，距离值随投影和几何变换而变化。建立点－点的度量关系容易、点－线和点－面的度量关系较难，而线－线、线－面和面－面的度量关系更为困难，涉及大量的判断和计算；在GIS中，一般也不明确描述度量空间关系；距离量算距离描述了两个事物或实体之间的远近程度。最常用的距离概念是欧氏距离。在GIS中，距离通常描述的是一种可达性，一点到另一点不仅与欧氏距离有关，还与交通、运输工具性能等有关，因此有曼哈顿距离、非欧氏距离等说法。考虑到阻力影响，计算的距离称为耗费距离。物质在空间中移动总要花费一些代价，如资金、时间等。阻力越大耗费也越大。(各向同性表面）简单距离耗费距离高阻力低阻力各向同性和各向异性的距离表面1.火源（点）必须与森林（面）保持一定的警戒距离2.无线电站与居民区之间的距离最近距离质心距离最远距离空间关系对于空间目标的约束力：度量关系最强、方位次之、拓扑最弱。现有GIS数据模型多独立处理度量、方位和拓扑关系。现有GIS数据结构多不直接存储度量、方位关系，对于拓扑关系，采用部分存储。