第二章-空间数据模型课件.ppt
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- 第二 空间 数据模型 课件
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1、2022-4-161空间数据模型空间数据模型 本章描述的是整个本章描述的是整个GIS理论中最为核心的内容。理论中最为核心的内容。为了能够利用信息系统工具来描述现实世界,并为了能够利用信息系统工具来描述现实世界,并解决其中的问题,必须对现实世界进行建模。对解决其中的问题,必须对现实世界进行建模。对于地理信息系统而言,其结果就是空间数据模型。于地理信息系统而言,其结果就是空间数据模型。空间数据模型可以分为三种:空间数据模型可以分为三种: u场模型:用于描述空间中连续分布的现象;场模型:用于描述空间中连续分布的现象;u要素模型:用于描述各种空间地物;要素模型:用于描述各种空间地物;u网络模型:可以模
2、拟现实世界中的各种网络;网络模型:可以模拟现实世界中的各种网络;2022-4-1621空间数据模型的基本问题空间数据模型的基本问题1.1概念概念p是关于现实世界中空是关于现实世界中空间实体及其相互间联系间实体及其相互间联系的概念的概念p为描述空间数据的组为描述空间数据的组织和设计空间数据库模织和设计空间数据库模式提供着基本方法。式提供着基本方法。p引领新一代引领新一代GIS系统系统的设计的设计2022-4-163客观的地理系统客观的地理系统自然环境系统自然环境系统社会经济环境系统社会经济环境系统空间数据在计算机中如何组织空间数据在计算机中如何组织?1)确定专题领域实际模型;)确定专题领域实际模
3、型;2)建立表达实际模型的概念模型;)建立表达实际模型的概念模型;3)建立为实现概念模型的数据结构;)建立为实现概念模型的数据结构;4)确定数据文件在数据库中的组织方式。)确定数据文件在数据库中的组织方式。2022-4-164案例:河流建模(抽象)p河流做为组成网络的一系列线要素。每条线段都拥有流量、容量和其它属性。2022-4-165案例:河流建模(抽象)p河流做为疆土的边界。河流可以作为政治区域比如省或者县的边界线2022-4-166案例:河流建模(抽象)p河流做为面状要素表达,具备堤岸、河网以及航线等等描述信息2022-4-167案例:河流建模(抽象)p河流做为模拟表面的一系列弯曲的地槽
4、。通过地表河流的路径,你可以计算它的下降剖面和比率、径流分水岭还有在预定降水量情况下洪灾发生的可能性。2022-4-168观察和认知信息选择、综合、简化和抽象空间事物空间事物或现象概念模型逻辑数据模型编码、表达、建立空间关系物理数据模型数据结构对数据进行组织概念世界概念世界最高层最高层数据世界数据世界(计算机)(计算机)中间层中间层空间数据库最底层最底层现实世界现实世界空间实体抽象的三个层次2022-4-1691空间数据模型的基本问题空间数据模型的基本问题1.2空间数据模型的类型空间数据模型的类型在在GIS中与空间信息有关的信息模型有三个:中与空间信息有关的信息模型有三个:u基于对象(要素)(
5、基于对象(要素)(Feature)的模型)的模型u网络(网络(Network)模型)模型u场(场(Field)模型。)模型。基于对象(要素)的模型强调了离散对象,根据基于对象(要素)的模型强调了离散对象,根据它们的边界线以及组成它们或者与它们相关的其它们的边界线以及组成它们或者与它们相关的其它对象,可以详细地描述离散对象。网络模型表它对象,可以详细地描述离散对象。网络模型表示了特殊对象之间的交互,如水或者交通流。场示了特殊对象之间的交互,如水或者交通流。场模型表示了在二维或者三维空间中被看作是连续模型表示了在二维或者三维空间中被看作是连续变化的数据。变化的数据。2022-4-16101空间数据
6、模型的基本问题空间数据模型的基本问题1.3GIS空间数据模型的学术前沿空间数据模型的学术前沿 u时空数据模型时空数据模型u三维数据模型三维数据模型u分布式空间数据管理分布式空间数据管理uGIS设计的设计的CASE工具工具2022-4-16111空间数据模型的基本问题空间数据模型的基本问题1.3GIS空间数据模型的学术前沿空间数据模型的学术前沿(一一)时空数据模型时空数据模型时空数据模型的核心问题是研究如何有效地表达、时空数据模型的核心问题是研究如何有效地表达、记录和管理现实世界的实体及其相互关系随时间记录和管理现实世界的实体及其相互关系随时间不断发生的变化不断发生的变化。这种时空变化表现为三种
7、可能。这种时空变化表现为三种可能的形式:的形式:属性变化,其空间坐标或位置不变;属性变化,其空间坐标或位置不变;空间坐标或位置变化,而属性不变;空间坐标或位置变化,而属性不变;空间实体或现象的坐标和属性都发生变化。空间实体或现象的坐标和属性都发生变化。 2022-4-16121空间数据模型的基本问题空间数据模型的基本问题1.3GIS空间数据模型的学术前沿空间数据模型的学术前沿(二二)三维空间数据模型三维空间数据模型国际上关于三维空间数据模型的研究大体上可分国际上关于三维空间数据模型的研究大体上可分为两个方向:为两个方向:p三维矢量模型:用一些基元及其组合去表示三三维矢量模型:用一些基元及其组合
8、去表示三维空间目标;维空间目标;p体模型:以体元(体模型:以体元(Voxel)模型为代表,这种体)模型为代表,这种体元模型的特点是易于表达三维空间属性的非均衡元模型的特点是易于表达三维空间属性的非均衡变化,其缺点是所占存储空间大、处理时间长。变化,其缺点是所占存储空间大、处理时间长。2022-4-16131空间数据模型的基本问题空间数据模型的基本问题1.3GIS空间数据模型的学术前沿空间数据模型的学术前沿(三三)分布式空间数据模型分布式空间数据模型p分布式空间数据库管理系统分布式空间数据库管理系统q空间数据库空间数据库+计算机网络计算机网络q实现集中与分布的统一。实现集中与分布的统一。q空间数
9、据的分割、分布式查询、分布式并发空间数据的分割、分布式查询、分布式并发控制。控制。p联邦空间数据库(联邦空间数据库(Federated Spatial Database)q不改变不同来源的各空间数据库管理系统不改变不同来源的各空间数据库管理系统q将非均质的空间数据库系统联成一体将非均质的空间数据库系统联成一体q向用户提供统一的视图向用户提供统一的视图 2022-4-16141空间数据模型的基本问题空间数据模型的基本问题1.3GIS空间数据模型的学术前沿空间数据模型的学术前沿(四四)CASE工具(工具(Computer-assisted software engineering )p结构化分析、
10、数据流程描述结构化分析、数据流程描述p数据实体关系表达、数据字典与系统数据实体关系表达、数据字典与系统原型生成原型生成p原代码生成的重要工具原代码生成的重要工具pGIS空间数据建模的特点和空间数据建模的特点和CASE工具工具的结合的结合p提高提高GIS空间数据建模及其应用系统设空间数据建模及其应用系统设计的自动化程度和技术水平计的自动化程度和技术水平2022-4-16152022-4-16162. 场模型场模型二维场二维场是在二维空间中任何已知的地点上,都有一个表现这一现象的值;三维场三维场是在三维空间中对于任何位置来说都有一个值。p场模型定义场模型定义 场模型可以表示为如下的数学公式:z :
11、 s z ( s )z为可度量的函数,s表示空间中的位置,因此该式表示了从空间域(甚至包括时间坐标)到某个值域的映射。例如,空气中污染物的集中程度、地表的温度、土壤的湿度水平以及空气与水的流动速度和方向。2022-4-1617地理研究中一些场模型的例子地理研究中一些场模型的例子场模型定义域维数值域维数自变量因变量T(z)11 空间坐标 (高程)高度z:气温E(t)13时间坐标静电力H(x,y)21空间坐标地表高程P(x,y,z)31空间坐标土壤的孔隙度2022-4-16182. 场模型场模型2.1场的特征(一一)空间结构特征和属性域空间结构特征和属性域p“空间空间”经常是指可以进行长度和角度经
12、常是指可以进行长度和角度测量的欧几里德空间。空间结构可以是规测量的欧几里德空间。空间结构可以是规则的或不规则的。则的或不规则的。p属性域的数值可以包含以下几种类型:属性域的数值可以包含以下几种类型:名称、序数、间隔和比率。属性域的另一名称、序数、间隔和比率。属性域的另一个特征是支持空值,如果值未知或不确定个特征是支持空值,如果值未知或不确定则赋予空值。则赋予空值。2022-4-16192.1场的特征(二)连续的,可微的,离散的空间域连续,即随着空间位置的微小变化,空间域连续,即随着空间位置的微小变化,其属性值也将发生微小变化,不会出现像数其属性值也将发生微小变化,不会出现像数字高程模型中的悬崖
13、那样的突变值。只有在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空间结构和属性域中恰当地定义了“微小变微小变化化”,“连续连续”的意义才确切;的意义才确切; 如地形的起伏如地形的起伏, ,往往不能用一个函数来表达往往不能用一个函数来表达, ,而是用离散化的方法。而是用离散化的方法。2022-4-1620例:某点的坡度取决于位置所在区域的各方向上的可微性例:某点的坡度取决于位置所在区域的各方向上的可微性p当空间结构是二维或多维时,坡度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。
14、 2022-4-16212. 场模型场模型2.1场的特征(三三)与方向无关的和与方向有关的(各向同性和与方向无关的和与方向有关的(各向同性和各向异性)各向异性)空间场内部的各种性质是否随方向的变空间场内部的各种性质是否随方向的变化而发生变化,是空间场的一个重要特征。如果一化而发生变化,是空间场的一个重要特征。如果一个场中的所有性质都与方向无关,则称之为各向同个场中的所有性质都与方向无关,则称之为各向同性场性场(Isotropic Field) ,否则为异性场。,否则为异性场。2022-4-16222.1场的特征(四)空间自相关(四)空间自相关 是空间场中的数值聚集程度的一种量度, 描述了某一位
15、置上的属性值与相邻位置上的属性值之间的关系。p正相关正相关: :一个空间场中的类似的数值有聚集的倾向,如遥感中,用点的灰度表示所研究的对象的影响。p负相关负相关: :一个空间场中的类似的数值有相互排斥的倾向,如黑白的边界很明显,是相互排斥的。2022-4-1623例:强空间正负自相关模式例:强空间正负自相关模式 2022-4-16242.2 栅格数据模型栅格数据模型p栅格数据模型定义栅格数据模型定义是基于连续铺盖的,是将场模型(即一定空间内连续分布)离散化,即用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间。铺盖可以分为规则的和不规则的,后者可当做拓扑多边形处理,如社会经济分区、城市街区;铺盖的特征参数有尺寸
16、、形状、方位和间距。对同一现象,也可能有若干不同尺度、不同聚分性的铺盖。栅格模型将空间规则地划分为栅格栅格模型将空间规则地划分为栅格,地理实体的位地理实体的位置和状态是用栅格的行和列来定义。置和状态是用栅格的行和列来定义。2022-4-16252.2栅格数据模型栅格数据模型- -离散化的方法离散化的方法p规则的格网规则的格网( (常用三角形常用三角形, ,方格方格, ,六角形六角形) ),三角形是最基本的不可再分的单元,根据角度和边长的不同,可以取不同的形状,方格、三角形和六角形可完整地铺满一个平面。 p不规则的格网不规则的格网,可当做拓扑多边形处理,如按街区划分,社会经济分区等。2022-4
17、-16262.22.2栅格数据模型栅格数据模型 p栅格模型把空间看作像栅格模型把空间看作像元的划分,每个像元都元的划分,每个像元都记录了所在位置的某种记录了所在位置的某种现象,用像元值表示。现象,用像元值表示。该值可以表示一个确定的现象,也可以是一种模糊的现象。但一个像元应该只赋一个单一的值。2022-4-1627p栅格模型的一个重要特征栅格模型的一个重要特征就是每个栅就是每个栅格中的像元的位置是预先确定的,描格中的像元的位置是预先确定的,描述同一区域的不同现象的栅格数据之述同一区域的不同现象的栅格数据之间很容易进行逻辑运算。间很容易进行逻辑运算。p采用栅格模型的采用栅格模型的GIS,通常应用
18、,通常应用分层分层的方法。在每个图层中栅格像元记录的方法。在每个图层中栅格像元记录了特殊的现象的存在。每个像元的值了特殊的现象的存在。每个像元的值表明了在已知类中现象的分类情况。表明了在已知类中现象的分类情况。2.2栅格数据模型栅格数据模型 2022-4-1628栅格数据:栅格数据:坐标系与描述参数坐标系与描述参数Y:列:列X:行:行西南角格网坐标西南角格网坐标(XWS,YWS)格网分辨率格网分辨率有着统一的定位参照系。每个空间单元只有着统一的定位参照系。每个空间单元只记录其属性值,而不记录它的坐标值。记录其属性值,而不记录它的坐标值。2022-4-16292022-4-16303 要素模型要
19、素模型p要素模型的定义要素模型的定义基于要素的空间模型强调了个体现象,基于要素的空间模型强调了个体现象,该现象以独立的方式或者以与其它现象该现象以独立的方式或者以与其它现象之间的关系的方式来研究。之间的关系的方式来研究。可以从概念上与其邻域现象相分离的任何现象,无论大小,都可以被确定为一个对象(Object),要素可以由不同的对象所组成,而且它们可以与其它的相分离的对象有特殊的关系。 2022-4-1631 要素模型的基础就是将空间要素嵌入在一个坐标空间之中,一般是欧氏空间,在该空间中可以利用公式进行距离、方位和面积的测量。空间要素在欧氏空间中主要形成三类空间实体:q 点实体点实体q 线实体线
20、实体q 多边形实体多边形实体3 要素模型要素模型2022-4-1632点实体:点实体:有特定的位置,维数为0的实体q 点(Point):有特定位置,维数为0的物体;q 实体点(Entity point):用来代表一个实体;q 注记点(Text point):用于定位注记;q 内点(Label point):用于记录多边形的属性,存在于多边形内;q 结点(Node):表示线的终点和起点;q 角点(Vertex):表示线段和弧段的内部点。2022-4-1633线实体:线实体:维数为1的实体,由一系列坐标点表示,有以下特征:q 实体长度:从起点到终点的总长;q 弯曲度:用于表示象道路拐弯时弯曲的程度
21、;q 方向性:如水流从上游到下游,公路则有单双向之分;线实体包括:线实体包括:线段、边界、链、网络、多边线等。2022-4-1634多边形实体:多边形实体:维数为2的实体,由一个封闭的坐标点序列外加内点表示,是对湖泊、岛屿、地块等现象的描述,有以下特征:q 面积范围;q 周长;q 独立性或与其它地物相邻:如北京及周边省市;q 内岛或锯齿状外形:岛屿及海岸线;q 重叠性与非重叠性。内部区域简单多边形复杂多边形格网/像素阵列2022-4-16353. 要素模型要素模型3.2要素模型的基本概念要素模型的基本概念 基于要素的空间信息模型把信息空间分解为对象基于要素的空间信息模型把信息空间分解为对象(O
22、bject)或实体()或实体(Entity)。一个实体必须符合三)。一个实体必须符合三个条件:个条件:可被识别;可被识别;重要(与问题相关);重要(与问题相关);可被描述(有特征)。可被描述(有特征)。 而有关实体的特征,可以通过静态属性(如城市名)、而有关实体的特征,可以通过静态属性(如城市名)、动态的行为特征和结构特征来描述实体。与基于场的动态的行为特征和结构特征来描述实体。与基于场的模型不同,基于要素的模型把信息空间看作许多对象模型不同,基于要素的模型把信息空间看作许多对象(城市、集镇、村庄、区)的集合,而这些对象又具(城市、集镇、村庄、区)的集合,而这些对象又具有自己的属性(如人口密度
23、、质心和边界等)。有自己的属性(如人口密度、质心和边界等)。 2022-4-16363. 要素模型要素模型3.2要素模型的基本概念要素模型的基本概念常用的嵌入式空间类型有:常用的嵌入式空间类型有:(1)欧氏空间:它允许在对象之间采用距离和方)欧氏空间:它允许在对象之间采用距离和方位的量度,欧氏空间中的对象可以用坐标组的集位的量度,欧氏空间中的对象可以用坐标组的集合来表示;合来表示;(2)量度空间:它允许在对象之间采用距离量度)量度空间:它允许在对象之间采用距离量度(但不一定有方向);(但不一定有方向);(3)拓扑空间:它允许在对象之间进行拓扑关系)拓扑空间:它允许在对象之间进行拓扑关系的描述(
24、不一定有距离和方向);的描述(不一定有距离和方向);(4)面向集合的空间:它只采用一般的基于集合)面向集合的空间:它只采用一般的基于集合的关系,如包含、合并及相交等。的关系,如包含、合并及相交等。 2022-4-16373. 要素模型要素模型3.2要素模型的基本概念要素模型的基本概念欧氏平面上的空间对象类型欧氏平面上的空间对象类型 空间对象空间对象 延伸对象延伸对象 零维对象点零维对象点 二维对象二维对象 一维对象一维对象 环环 弧弧 简单环简单环 简单弧简单弧 面对象面对象 面域对象面域对象 域单位对象域单位对象 具有最高抽象层次的对象具有最高抽象层次的对象是是“空间对象空间对象”类,它派类
25、,它派生为生为零维的点对象零维的点对象和和延伸延伸对象对象,延伸对象又可以派,延伸对象又可以派生维一维和二维的对象类。生维一维和二维的对象类。一维对象的两个子类:弧一维对象的两个子类:弧和环(和环(Loop),如果没有),如果没有相交,则称为简单弧相交,则称为简单弧(Simple Arc)和简单环)和简单环(Simple Loop)。在二维)。在二维空间对象类中,连通的面空间对象类中,连通的面对象称为面域对象,对象称为面域对象,没有没有“洞洞”的简单面域对象称的简单面域对象称为域单位对象为域单位对象。 2022-4-16383. 要素模型要素模型3.2要素模型的基本概念要素模型的基本概念要素模
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