第3講-空間數(shù)據(jù)模型--概念222

1、地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)第3講 空間數(shù)據(jù)模型-概念模型 本講內(nèi)容本講內(nèi)容地理空間與空間抽象空間數(shù)據(jù)概念模型空間關系（空間拓撲關系）模型的作用 由于模型是對客觀世界中解決各種實際問題所依據(jù)的規(guī)律或過程的抽象或模擬，因此能有效地幫助人們從各種因素之間找出其因果關系或者聯(lián)系，有利于問題的解決。數(shù)據(jù)模型(方根模型)實物模型. 為了能夠利用地理信息系統(tǒng)工具解決現(xiàn)實世界中的問題，首先必需將復雜的地理事物和現(xiàn)象簡化和抽象到計算機中進行表示、處理和分析。這就需要對現(xiàn)實世界進行抽象建模，其結(jié)果就是空間數(shù)據(jù)模型?？臻g數(shù)據(jù)建模的基本任務：針對所研究的空間現(xiàn)象或問題，描述GIS的空間數(shù)據(jù)組織，設計GIS空間數(shù)據(jù)庫模式

2、，這包括定義空間實體及其相互間關系，確定數(shù)據(jù)實體或目標及其關系，設計在計算機中的物理組織、存儲路徑和數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)等。1、空間認知和空間抽象 對現(xiàn)實世界進行認知、簡化和抽象表達，并將抽象結(jié)果組織成有用、能反映現(xiàn)實世界真實狀況數(shù)據(jù)集，是地理信息系統(tǒng)重要任務之一，也是GIS的理論基礎。 現(xiàn)實世界（基本語言）概念世界（自然語言）地理空間世界（GIS語言）尺度世界（度量語言）項目世界（Project）地理點列世界（Coordinate）地理幾何特征世界（Geometry）地理要素世界 地理要素集合世界對地理對象的抽象的9個層次模型現(xiàn)實世界是所有事物（Fact）的集合，無論人們是否知道這些事物。根據(jù)事物的本

3、質(zhì)，人們可以認識理解現(xiàn)實世界中的事物。 現(xiàn)實世界概念世界是人類自然語言的世界，人類了解且認識其所命名的事物，因此這些事物構(gòu)成了“語言的世界”。 概念世界地理空間世界復雜的形狀、樣式、細節(jié)被抽象 由于在概念層次的世界充滿了復雜的形狀、樣式、細節(jié)。這些復雜性在地理空間世界中被消除，并用簡單的、淺顯的抽象來代替，這些抽象通常在時間以及空間上都是靜態(tài)的。維度世界是地理空間世界的一個抽象，其中包括一些測量工具，如卷尺測量和指南針，在這樣的水平上所認識到的事實包括一元（Unary）關系（如一個弧段的長度）和二元（Binary）關系（如兩點之間的距離），這些關系本身就是各種要素的抽象。 維度世界空間參照系統(tǒng)

4、的概念被引入反映了一個制圖員、一個地籍管理人員和一個道路管理人員視角的項目世界項目世界。項目世界正是項目世界語言的多樣性導致了GIS信息交換的難題。點集世界幾何世界要素世界GIS空間抽象舉例觀察和認知觀察和認知信息信息選擇、綜合、簡化和抽象選擇、綜合、簡化和抽象空間事物或現(xiàn)象空間事物或現(xiàn)象概念模型概念模型Conceptial Model邏輯數(shù)據(jù)模型邏輯數(shù)據(jù)模型Logical Data Model編碼、表達、建立空間關系編碼、表達、建立空間關系物理數(shù)據(jù)模型物理數(shù)據(jù)模型Physical Data Model數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進行組織數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進行組織概念世界概念世界最高層最高層數(shù)據(jù)世界數(shù)據(jù)世界（計

5、算機）（計算機）中間層中間層空間數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)庫最底層最底層現(xiàn)實世界現(xiàn)實世界2 空間數(shù)據(jù)概念模型空間數(shù)據(jù)概念模型 以以GIS觀點對客觀世界建立模型，考慮如下對象：觀點對客觀世界建立模型，考慮如下對象：不連續(xù)對象，如道路、水域、建筑物；連續(xù)變化的對象，如地形的連續(xù)變化、溫度范圍等；分類的對象，如植被類型、氣候帶、年齡段等；突發(fā)事件：事故、水災；某種人工選擇的表達方式，如點、線（等高線）、面、柵格等。 對象模型對象模型場模型場模型網(wǎng)絡模型網(wǎng)絡模型地理空間數(shù)據(jù)的概念模型地理空間數(shù)據(jù)的概念模型對象模型場模型網(wǎng)絡模型 對象模型/要素模型 將研究的整個地理空間看成一個空域，地理現(xiàn)象和空間實體作為獨立的對象

6、分布在該空域中,對象模型強調(diào)地理空間中的單個地理現(xiàn)象。 按照其空間特征分為點、線、面、體四種基本對象; 對象也可能由其他對象構(gòu)成復雜對象，并且與其他分離的對象保持特定的關系，如點、線、面、體之間的拓撲關系; 每個對象對應著一組相關的屬性以區(qū)分各個不同的對象; 對象模型把地理現(xiàn)象當作空間要素（Feature）或空間實體（Entity）,一個空間要素必須同時符合三個條件：可被標識在觀察中的重要程度確定尺度有明確的特征且可被描述 傳統(tǒng)的地圖是以對象模型進行地理空間抽象和建模的實例。 場/域（field）模型l把地理空間中的現(xiàn)象作為連續(xù)的變量或體來看待，如大氣污染程度、地表溫度、土壤濕度、地形高度以及

7、大面積空氣和水域的流速和方向等; 根據(jù)不同的應用，場可以表現(xiàn)為二維或三維;u一個二維場就是在二維空間R2中任意給定的一個空間位置上，都有一個表現(xiàn)某現(xiàn)象的屬性值，即 Af(x，y) u一個三維場是在三維空間R R3 3中任意給定一個空間位置上，都對應一個屬性值，即 Af(x，y，z) n 二維空間場一般采用6種具體的場模型來描述: 規(guī)則分布的點規(guī)則分布的點不規(guī)則分布的點不規(guī)則分布的點規(guī)則矩形區(qū)規(guī)則矩形區(qū)不規(guī)則多邊形區(qū)不規(guī)則多邊形區(qū)不規(guī)則三角形區(qū)不規(guī)則三角形區(qū)等值線等值線格網(wǎng)地勢表達格網(wǎng)地勢表達網(wǎng)絡模型網(wǎng)絡模型 網(wǎng)絡是由歐式空間中的若干點及它們之間相互連接的線（段）構(gòu)成。 網(wǎng)絡是由一系列節(jié)點和環(huán)鏈

8、組成的，在本質(zhì)上，網(wǎng)絡模型可 看成對象模型的一個特例，它是由點對象和線對象之間的拓撲空間關系構(gòu)成的。 3、空間關系、空間關系空間關系是指地理空間實體之間相互作用的關系?？臻g關系主要有：拓撲空間關系：用來描述實體間的相鄰、連通、包含和相交等關系；順序空間關系：用于描述實體在地理空間上的排列順序，如實體之間前后、上下、左右和東、南、西、北等方位關系；度量空間關系：用于描述空間實體之間的距離遠近等關系。拓撲一詞來自于希臘文，意思是“形狀的研究”。拓撲學是幾何學的一個分支，它研究在拓撲變換（縮放、旋轉(zhuǎn)、扭曲和拉伸等）下能夠保持不變的幾何屬性下能夠保持不變的幾何屬性拓撲屬性。拓撲屬性?？臻g拓撲關系空間拓

9、撲關系拓撲屬性一個點在一個弧段的端點一個弧段是一個簡單弧段（弧段自身不相交）一個點在一個區(qū)域的邊界上一個點在一個區(qū)域的內(nèi)部一個點在一個區(qū)域的外部一個點在一個環(huán)的內(nèi)部一個面是一個簡單面（面上沒有“島”）一個面的連續(xù)性（給定面上任意兩點，從一點可以完全在面的內(nèi)部沿任意路徑走向另一點）非拓撲屬性兩點之間的距離一個點指向另一個點的方向弧段的長度一個區(qū)域的周長一個區(qū)域的面積實體對象所具有的拓撲和非拓撲屬性實體對象所具有的拓撲和非拓撲屬性面面關系：與某個面狀地物相鄰的所有多邊形；線線關系：如與某個河流關聯(lián)的所有支流；n 點點關系：如與某個水井相距小于3Km的其它井； 線線面關系：如檢索某國道經(jīng)過的所有縣市

10、；面關系：如檢索某國道經(jīng)過的所有縣市；n 面線關系：如檢索某縣境內(nèi)所有公路；點點線關系：如檢索某公路邊的加油站；線關系：如檢索某公路邊的加油站；n 點點面關系：如檢索某縣范圍內(nèi)郵電所分布情況；面關系：如檢索某縣范圍內(nèi)郵電所分布情況；查詢與中國陸地接壤的國家？ 空間數(shù)據(jù)的拓撲關系，對數(shù)據(jù)處理和空間分析具有重要的意義：1.拓撲關系能清楚地反映實體之間的邏輯結(jié)構(gòu)關系，它比幾何坐標關系有更大的穩(wěn)定性，不隨投影變換而變化。2.利用拓撲關系有利于空間要素的查詢。3.可以根據(jù)拓撲關系重建地理實體。例如根據(jù)弧段構(gòu)建多邊形，實現(xiàn)道路的選取，進行最佳路徑的選擇等。空間順序關系空間順序關系順序空間關系是基于空間實體

11、在地理空間的分布，采用上下、左右、前后、東南西北等方向性名詞來描述；同拓撲空間關系的形式化描述類似，也可以按點點、點線、點面、線線、線面和面面等多種組合來考察不同類型空間實體間的順序關系；順序空間關系必須是在對空間實體間方位進行計算后才能得出； 實體間的順序空間關系隨著空間數(shù)據(jù)的投影、幾何變換，順序空間關系也會發(fā)生變化在目前的GIS中，并不對順序空間關系進行描述和表達。 基準方向基準方向基準方向基準方向基準方向基準方向點點順序關系點點順序關系點線順序關系點線順序關系點面順序關系點面順序關系線線順序關系線線順序關系線面順序關系線面順序關系面面順序關系面面順序關系基準方向基準方向基準方向基準方向基

12、準方向基準方向不同類型實體間的順序關系不同類型實體間的順序關系度量空間關系度量空間關系度量空間關系主要指空間實體間的距離關系；按照拓撲空間關系中建立點點、點線、點面、線線、線 面和面面等不同組合來考察不同類型空間實體間的度量關系；距離的度量可以是定量的，如按歐幾里德距離計算得出A實體距離B實體500m，也可以應用與距離概念相關的概念如遠近等進行定性地描述；與順序空間關系類似，距離值隨投影和幾何變換而變化。建立點點的度量關系容易、點線和點面的度量關系較難，而線線、線面和面面的度量關系更為困難，涉及大量的判斷和計算；在GIS中，一般也不明確描述度量空間關系；距離量算距離量算 距離描述了兩個事物或?qū)嶓w之間的遠近程度。最常用的距離概念是歐氏距離。在GIS中，距離通常描述的是一種可達性，一點到另一點不僅與歐氏距離有關，還與交通、運輸工具性能等有關，因此有曼哈頓距離、非歐氏距離等說法?？紤]到阻力影響，計算的距離稱為耗費距離。物質(zhì)在空間中移動總要花費一些代價，如資金、時間等。阻力越大耗