空间数据模型

第3章空间数据模型第3章空间数据模型3.1地理空间与空间抽象3.2空间数据概念模型3.4空间数据逻辑模型3.1地理空间与空间抽象3.1.1地理空间与空间实体3.1.2空间认知和抽象3.1.1地理空间与空间实体地理空间（GeographicSpace）是指地球表面及近地表空间，是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域。地理空间实体就是对复杂地理事物和现象进行简化抽象得到的结果，简称空间实体。空间实体具有4个基本特征1.空间位置特征（几何特征），包括空间实体的位置、大小、形状和分布状况等；2.属性特征，与空间实体相联系的、表征空间实体本身性质的数据或数量；3.时间特征；4.空间关系（拓扑关系）。3.1.2空间认知和抽象GIS作为对地理空间事物和现象进行描述、表达和分析的计算机系统，首先必须将现实世界描述成计算机能理解和操作的数据形式。数据模型是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、能反映形式世界真实状况数据集的桥梁，是地理信息系统的基础。现实世界概念世界数据世界（计算机）选择、综合、简化和抽象最高层编码、表达、建立空间关系中间层数据结构对数据进行组织最底层空间事物或现象概念模型ConceptialModel逻辑数据模型LogicalDataModel物理数据模型PhysicalDataModel空间数据库空间实体抽象的三个层次逻辑数据模型是GIS描述概念数据模型中实体及其关系的逻辑结构物理数据模型是概念数据模型在计算机内部具体的存储形式和操作机制，即在物理磁盘上如何存放和存取概念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数据模型与数据结构信息系统中：数据模型：对客观实体及其关系的认识和数学描述。目的是揭示客观实体的本质特征，并对它进行抽象化表达，使之转化为计算机能够接受、处理的数据。GIS中：空间数据模型：对地理空间实体及其关系的描述。数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构形式。对空间数据而言，则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。数据编码是实现空间数据的计算机存储、处理和管理，将空间实体（地理要素）按一定的数据结构转换为适合于计算机操作的过程。数据模型是数据结构的概念模型，数据结构是数据模型的物理实现。数据结构是数据模型和数据文件格式的中间媒介，数据模型需要通过数据结构来表达，同一种数据模型可以用多种数据结构来表达。数据建模：把现实世界的一组数据组织成为有用且能反映真实信息的数据集的过程。建模过程：1.选择一种数据模型对现实世界的数据进行组织；2.选择一种数据结构来表达该数据模型；3.选择一种适合于记录该数据结构的文件格式。如：地形—栅格数据模型—四叉树编码—grd文件—矢量数据模型（等高线）—POLYVRT—DLG—TIN模型—结构化多边形—TIN文件3.2空间数据概念模型概念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3.2.1对象模型3.2.2场模型3.2.3网络模型3.2.4概念模型的选择3.2.1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。按照其空间特征分为点、线、面、体四种基本对象，并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（要素、实体）对应着一组相关的属性。对象模型一般适合于对具有明确边界的地理现象进行抽象建模，如传统地图包含建筑物、道路、公共设施和管理区域等人文要素以及湖泊、河流、岛屿和森林等自然要素。3.2.2场模型（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。3.2.3网络模型与对象模型相比，都是描述不连续的地理现象，不同之处在于它需要考虑通过路径相互连接多个地理现象之间的连通情况。网络是由欧式空间R2中的若干点及它们之间相互连接的线（段）构成，如公路、铁路、通讯线路、管道、自然界中的物质流、物量流和信息流等地理网络。网络模型也可以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。3.2.4概念模型的选择森林建模3.2.4概念模型的选择采用对象模型还是场模型进行空间建模，主要取决于应用要求和习惯。场模型通常用于具有连续空间变化趋势的现象，如海拔、温度、土壤变化等。对象模型一般用于具有明确边界和独立地理现象的建模，如道路、地块等方面的建模。在许多情况下需要采用对象模型和场模型的集成，对象模型和场模型各有长处，应该恰当地综合应用这两种模型对地理现象进行抽象建模。3.4空间数据逻辑模型逻辑数据模型是GIS描述概念数据模型中实体及其关系的逻辑结构3.4.1矢量数据模型3.4.2栅格数据模型3.4.3矢量－栅格一体化数据模型3.4.4镶嵌数据模型3.4.5面向对象数据模型3.4.1矢量数据模型适合于用对象模型抽象的地理空间对象点实体用一对空间坐标表示，二维空间中对应为(x,y)；线实体由一串坐标对组成，二维空间中表示为(x1,y1),…,(xn,yn)；面由其边界线表示，表示为首尾相连的坐标串，二维空间中对应为(x1,y1),…,(xn,yn),(x1,y1)。每一个实体都给定一个惟一标识符（Identifier）来标识该实体。点：位置：（x，y）属性：符号面：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn)属性：符号变化等值线线:位置(x1,y1)(x2,y2)….属性:符号,颜色,形状,尺寸空间对象(实体)的地图表达3.4.1矢量数据模型矢量数据模型能够精确地表示点、线及面的实体，并且能方便地进行比例尺变换、投影变换以及输出到笔式绘图仪上或视频显示器上。在矢量数据模型中，可以明确地描述图形要素间的拓扑关系。观察的尺度或者概括的程度影响着使用原型的种类在小比例尺图中，城镇这类对象可以用点表示，道路和河流由线表示。在较大比例尺图中，城镇被表示为一定形状的多边形，包括建筑物的边界、公园、道路等实体。3.4.2栅格数据模型适宜于用场模型抽象的的空间对象，采用面域或空域的枚举来直接描述空间实体。栅格可以用数字矩阵来表示，地理空间坐标隐含在矩阵的行列上。数字扫描仪、视频数字化仪、行式打印机、喷墨绘图仪等设备是基于栅格模式的。点实体是一个栅格单元（cell）或像元，线实体由一串彼此相连的像元构成，面实体则由一系列相邻的像元构成，像元的大小是一致的，每个像元对应于一个表示该实体属性的值。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。3.4.2栅格数据模型栅格的空间分辨率是指一个像元在地面所代表的实际面积大小。对于一个面积为100km2的区域，以1m的分辨率来表示则需要有1亿个像元。如果每个像元占一个一个字节（Byte），那么这幅图象就要占用100兆字节；当栅格单元太粗糙，未能与空间目标相吻合时，就会丢失某些高分辨率情况下的细节信息。选择空间分辨率时必须考虑存储空间和处理时间的开销，同时籍助相应的空间数据结构来组织数据并压缩数据量。优点是不同类型的空间数据层可以进行叠加操作，不需要经过复杂的几何计算。但对于一些变换、运算，如比例尺变换、投影变换等则操作不太方便。3.4.3矢量－栅格一体化数据模型矢量和栅格数据模型在描述和表达空间实体时各有优缺点，栅－矢一体化数据模型将两种数据模型的优点结合起来，有利于地理空间现象的统一表达。点实体则同时描述其空间坐标以及栅格单元位置；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；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；特点：一方面保留了矢量数据模型的全部特性，空间实体具有明确的位置信息，并能建立和描述拓扑关系；另一方面又建立了栅格与实体的联系，即明确了栅格与实体的对应关系。3.4.4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，适合于用场模型抽象的地理现象。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。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，可分为规则镶嵌数据模型和不规则镶嵌数据模型。一、规则镶嵌数据模型用规则的小面块集合来逼近自然界不规则的地理单元。在实际应用中，普遍采用正方形或矩形进行地理空间的划分。此时的规则镶嵌数据模型就转化为栅格数据模型。构造规则镶嵌的具体做法是用数学手段将一个铺盖网格叠置在所研究的区域上，把连续的地理空间离散为互不覆盖网格。在这种结构中每个网格的有关信息都是基本的存储单元。主要优点在于其数据结构为通常的二维矩阵结构，大多数程序语言中都有矩阵处理功能。以矩阵形式存储的数据具有隐式坐标，不需要进行坐标数字化；规则格网系统还便于实现多要素的叠置分析。二、不规则镶嵌数据模型不规则镶嵌数据结构是指用来进行镶嵌的小面块具有不规则的形状或边界。最典型的不规则镶嵌数据模型有Voronoi图（也称作Thiessen多边形）和不规则三角网（TriangularIrregularNetwork，简称TIN）模型。当用有限离散的观测样点来表示某地理现象的空间分布规律时，适合于采用不规则镶嵌数据模型。Voronoi多边形的特点是：组成多边形的边总是与两相邻样点的连线垂直，并且多边形内的任何位置总是离该多边形内样点的距离最近，离相邻多边形内样点的距离远，且每个多边形内包含且仅包含一个样点。三角网的优点是:三角形大小随样点密度的变化自动变化，所有样点都称为三角形的顶点，当样点密集时生成的三角形小，而样点较稀时则三角形较大。TIN在表示不连续地理现象时也具有优势，如用TIN表示地形的变化，将悬崖、断层、海岸线、山谷山脊线等作为约束条件，可构造约束TIN。Delaunay三角网有如下特性：（1）三角网的网形是唯一的，即点的次序不变；（2）每一个三角形的内角为可能的最大角度，符合“三角剖分最小内角为最大”的最优化条件。Delaunary三角网可以按照最大空圆准则，根据离散点直接构造。将相邻Voronoi多边形内包含的样点连接起来，即形成Delaunary三角网；对Delaunary三角网的每个三角形计算其外心（各边垂直平分线的交点），将相邻三角形的几何中心两两相连，即可得到Voronoi多边形的边。对三角网，表达各三角形的顶点位置和属性、顶点与三角形的连接关系、三角形的连接关系，就可得到TIN的逻辑数据模型。3.4.5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。面向对象技术的核心是对象（object）和类（class）。对象是指地理空间的实体或现象，是系统的基本单位。如多边形地图上的一个结点或一条弧段是对象，一条河流或一个宗地也是一个对象。一个对象是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）组成的。例如，河流的坐标数据描述了它的位置和形状，而河流的变迁则表达了它的行为。每个对象都有一个惟一的标识号（Object－ID）作为识别标志。3.4.5面向对象数据模型类是具有部分系统属性和方法的一组对象的集合，是这些对象的统一抽象描述，其内部也包括属性和方法两个主要部分。类是对象的共性抽象，对象则是类的实例（Instance）。属于同一类的所有对象共享相同的属性和方法，但也可具有类之外的自身特有的属性和方法。类的共性抽象构成超类（super-class），类成为超类的一个子类，表示为“is-a”的关系。一个类可能是某些类的超类，也可能是某个类的子类，从而形成类的“父子”关系。面向对象方法将对象的属性和方法进行封装，还具有分类、概括、聚集、联合等对象抽象技