空間分析的數(shù)據(jù)模型

1、空間分析的數(shù)據(jù)模型來源：互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng)要對自然對象進行描述、表達和分析，首先就要建立合理的數(shù)據(jù)模型以存儲地理對象的 位置、屬性以及動態(tài)變化等信息，合理的數(shù)據(jù)模型是進行空間分析的基礎(chǔ)。這里我們就對常見的數(shù)據(jù)模型 進行介紹?，F(xiàn)實世界錯綜復雜，從系統(tǒng)的角度來看，空間事物或?qū)嶓w的運動狀態(tài)和運動方式不斷發(fā)生變化，系統(tǒng) 的諸多組成要素之間存在著相互制約、相互作用的依存關(guān)系，表現(xiàn)為人口、質(zhì)、能量、信息、價值的流動 和作用，反映不同的空間現(xiàn)象和問題。為了控制和調(diào)節(jié)空間系統(tǒng)的物質(zhì)流、能量流和人口流等，使之轉(zhuǎn)移 到期望的狀態(tài)和方式，實現(xiàn)動態(tài)平衡和持續(xù) 發(fā)展，人們開始考慮對其中諸多組成要素的空間狀態(tài)、相互依 存

2、關(guān)系、變化過程、相互作用規(guī)律、反饋規(guī)律、調(diào)制機理等進行數(shù)字模擬和動態(tài)分析，在客觀上為地理信 息系統(tǒng)提供了良好的應(yīng)用環(huán)境和重要發(fā)展動力。空間分析是基于地理對象的位置和形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)?？臻g分析方法必然要受到空間數(shù)據(jù) 表示形式的制約和影響，因此，在研究空間分析時，就不能不考慮空間數(shù)據(jù)表示方法與數(shù)據(jù)模型?？臻g數(shù)據(jù)表示的基本任務(wù)是將以圖形模擬的空間物體表示成計算機能夠接受的數(shù)字形 式，因此空間數(shù) 據(jù)的表示必然涉及空間數(shù)據(jù)模式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)問題?？臻g數(shù)據(jù)通常分為柵格模型和矢量模型兩種基本的表示模型。此外矢量柵格一體化、三維數(shù)據(jù)模型、 時空數(shù)據(jù)模型等由于自身的特點，代表數(shù)據(jù)模型發(fā)展的方向。在柵格模型

3、中，地理空間被劃分為規(guī)則的小單元（像元），空間位置由像元的行列號表示。像元的大 小反映數(shù)據(jù)的分辨率，空間物體由若干像元隱含描述。例如一條道路由其值 為道路編碼值的一系列相鄰的 像元表示，要從數(shù)據(jù)庫中刪除這條道路，則必須將所有有關(guān) 像元的值改變成該條道路的背景值。柵格數(shù)據(jù) 模型的涉及思想是將地理空間看成一個連續(xù)的整體，在這個空間中處處有定義。柵格結(jié)構(gòu)是以規(guī)則的陣列 來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織，組織中的每個數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。如圖1所 示，在柵格結(jié)構(gòu)中，點用一個柵格單元表示；線狀地物則用沿線走向的一組相鄰柵格單元表示，每個柵格 單元最多只有兩個相鄰單元在線上；面或區(qū)域用記有

4、區(qū)域?qū)傩缘南噜彇鸥駟卧募媳硎?，每個柵格單元 可有多于 兩個的相鄰單元同屬一個區(qū)域。任何以面狀分布的對象（土地利用、土壤類型、地勢起伏、環(huán) 境污染等），都可以用柵格數(shù)據(jù)逼近。遙感影像就屬于典型的柵格結(jié)構(gòu)，每個象元的數(shù)字表示影像的灰度 等級。柵格結(jié)構(gòu)的顯著特點是：屬性明顯，定位隱含，即數(shù)據(jù)直接記錄屬性的指針或?qū)傩员旧?，而所在位?則根據(jù)行列號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的坐標給出，也就是說定位是根據(jù)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)集中的位置得到的。由于柵格結(jié)構(gòu) 是按一定的規(guī)則排列的，所表示的實體的位置很容易隱含 在網(wǎng)格文件的存貯結(jié)構(gòu)中，在后面講述柵格結(jié)構(gòu) 編碼時可以看到，每個存貯單元的行列位 置可以方便地根據(jù)其在文件中的記錄位置得到

5、，且行列坐標可以 很容易地轉(zhuǎn)為其他坐標系下的坐標。在網(wǎng)格文件中每個代碼本身明確地代表了實體的屬性或?qū)傩缘木幋a，如果為屬性的編 碼，則該編碼可 作為指向?qū)嶓w屬性表的指針。圖1中表示了一個代碼為6的點實體，一條代碼為9的線實體，一個代 碼為7的面實體。由于柵格行列陣列容易為計算機存儲、操作和顯示，因此這種結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)，算法簡 單，且易于擴充、修改，也很直觀，特別是易于同遙感影像結(jié)合處理，給地理空間數(shù)據(jù)處理帶來了極大的 方便，受到普遍歡迎，許多系統(tǒng)都部分和全部采取了柵格結(jié)構(gòu)，柵格結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是，特別適合于 FORTRAN、BASIC等高級語言作文件或矩陣處理，這也是柵格結(jié)構(gòu)易于為多數(shù)地理信息系統(tǒng)

6、設(shè)計者接 受的原因之一。柵格結(jié)構(gòu)表示的地表是不連續(xù)的，是量化和近似離散的數(shù)據(jù)。在柵格結(jié)構(gòu)中，地表被分成相互鄰接、 規(guī)則排列的矩形方塊（特殊的情況下也可以是三角形或菱形、六邊形等），每個地塊與一個柵格單元相對 應(yīng)。柵格數(shù)據(jù)的比例尺就是柵格大小與地表相應(yīng)單元大小之比。在許多柵格數(shù)據(jù)處理時，常假設(shè)柵格所表 示的量化表面是連續(xù)的，以便使用某些連續(xù)函數(shù)。由于柵格結(jié)構(gòu)對地表的量化，在計算面積、長度、距離、 形狀等空間指標時，若柵格尺寸較大，則會造成較大的誤差，同時由于在一個柵格的地表范圍內(nèi)，可能存 在多于一種的地物，而表示在相應(yīng)的柵格結(jié)構(gòu)中常常只能是一個代碼。這類似于遙感影像的混合象元問題， 如lands

7、at MSS衛(wèi)星影像單個象元對應(yīng)地表79x 79m的矩形區(qū)域，影像上記錄的光譜數(shù)據(jù)是每個象元 所對應(yīng)的地表區(qū)域內(nèi)所有地物類型的光譜輻射的總和效果。因而，這種誤差不僅有形態(tài)上的畸變，還可能 包括屬性方面的偏差。雖然柵格數(shù)據(jù)模型在表示空間要素的精確位置時有缺點，但在諸多算法中，柵格可 以看成行與列的矩陣，其單元值儲存為二維數(shù)組。常用的編程語言易于處理數(shù)組變量，柵格數(shù)據(jù)模型對于 數(shù)據(jù)的操作、集合和分析比矢量數(shù)據(jù)模型容易。矢量模型將地理空間看成一個空間區(qū)域，地理要素存在于其間。在矢量模型中，各類地理要素根據(jù)其 空間形態(tài)特征分為點、線、面三類，對實體是位置顯式、屬性隱式進行描述的。點實體包括由單獨一對x

8、，y坐標定位的一切地理或制圖實體。在矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，除點實體的x， y坐標外還應(yīng)存儲其它一些與點實體有關(guān)的數(shù)據(jù)來描述點實體的類型、制圖符號和顯示要求等。點是空間 上不可再分的地理實體，可以是具體的也可以是抽象的，如地物點、文本位置點或線段網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點等，如 果點是一個與其它信息無關(guān)的符號，則記錄時應(yīng)包括符號類型、大小、方向等有關(guān)信息；如果點是文本實 體，記錄的數(shù)據(jù)應(yīng)包括字符大小、字體、排列方式、比例、方向以及與其它非圖形屬性的聯(lián)系方式等信息。 對其它類型的點實體也應(yīng)做相應(yīng)的處理。線實體用其中心軸線（或側(cè)邊線）上的抽樣點坐標串表示其位置和形狀；線實體可以定義為直線元素 組成的各種線性要素，直線元素

9、由兩對以上的x，y坐標定義。最簡單的線實體只存儲它的起止點坐標、 屬性、顯示符等有關(guān)數(shù)據(jù)。面實體用范圍輪廓線上的抽樣點坐標串表示位置和范圍，多邊形面（有時稱為區(qū)域）數(shù)據(jù)是描述地理 空間信息的最重要的一類數(shù)據(jù)。在區(qū)域?qū)嶓w中，具有名稱屬性和分類屬性的，多用多邊形表示，如行政區(qū)、 土地類型、植被分布等；具有標量屬性的有時也用等值線描述（如地形、降雨量等）。圖1為地理數(shù)據(jù)模型示意圖，其中（a）為圖形模擬表示的地理對象；（b）為該空間對象對應(yīng)的柵格 數(shù)據(jù)模型表示；（c）為對應(yīng)的矢量模型表示。圖1 地理數(shù)據(jù)模型示意圖柵格數(shù)據(jù)模型和矢量數(shù)據(jù)模型是描述地理現(xiàn)象最常見、最通用的數(shù)據(jù)模型。柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)的最

10、大區(qū)別是前者用元子空間充填集合表示，后者用點串序列表達邊界形狀及分布。因此柵格數(shù)據(jù)面向空間的 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在布爾運算、整體操作特征計算及空間檢索方面有著明顯的優(yōu)勢，而矢量數(shù)據(jù)面向目標的數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)則很容易實現(xiàn)模型生成、目標顯示及幾何變換。鑒于柵格與矢量兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣互補性，研究柵格 矢量一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)已成為新一代GIS軟件開發(fā)的基礎(chǔ)。隨著二維制圖和GIS的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使得不同領(lǐng)域的人們都在無意識的接受將三維空間簡化 為二維投影的概念模型。應(yīng)用的深入和實踐的需要漸漸暴露了二維GIS的缺陷，目前GIS工作者不得不 思考地理空間的三維本質(zhì)特征及在三維空間概念模型下的一系列處理方法，首先對于空間實體的描述在幾 何坐標上增加了第三維的信息，即垂向坐標信息。垂向坐標信息的增加導致了空間拓撲關(guān)系的復雜，出現(xiàn) 了許多不同于二維數(shù)據(jù)模型有待于解決的新問題。合理高效的三維數(shù)據(jù)模型的建立以及在此基礎(chǔ)上進行三 維分析是GIS發(fā)展的趨勢。傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)應(yīng)用只涉及地理信息空間維度和屬性維度兩個方面的內(nèi)容，對空間對象進行靜態(tài) 的描述和表達。然而，世界是發(fā)展變化的，對于對象的表述應(yīng)該介入時間維參數(shù)。這樣就要求建立能夠?qū)?空間對象進行時間和空間全面動態(tài)描述的