GIS課件（2015）第五講 空間數(shù)據(jù)模型（2學時）

第三章空間數(shù)據(jù)模型《地理信息系統(tǒng)》第五講思考題1、有關地圖的論述錯誤的是：（）A．地圖是一種符號圖形B．地圖是地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源C．地圖是GIS查詢與分析結果的主要表示手段D．地圖是地球表面縮小描繪的圖形2、地圖是客觀世界的：（）A．形象模型、統(tǒng)計模型、符號模型B．形象模型、符號模型、概括模型C．統(tǒng)計模型、色彩模型、概括模型D．統(tǒng)計模型、符號模型、概括模型本講提要第三章空間數(shù)據(jù)模型第一節(jié)空間數(shù)據(jù)模型的基本問題（二）第二節(jié)場模型第三節(jié)要素模型第四節(jié)基于要素的空間關系分析第五節(jié)網(wǎng)絡結構模型

一、地理空間的概念

地理空間是指物質(zhì)、能量、信息的存在形式在形態(tài)、結構過程、功能關系上的分布方式和格局及其在時間上的延續(xù)。

包括絕對空間（經(jīng)緯度）、相對空間（拓撲關系），用地圖、專題地圖等表示。第三章空間數(shù)據(jù)模型第一節(jié)基本問題專題地圖（ThematicMap）

著重表示自然或社會現(xiàn)象中的某一種或幾種要素，即集中表現(xiàn)某種主題內(nèi)容的地圖。直觀表示數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)更具說服力。SuperMap支持的TM類型包括：單值，分段，等級符號，曲線圖，面積圖，梯度圖，柱狀圖，餅圖，玫瑰圖，點密度及三維餅圖/玫瑰圖/面積圖等。

WhatMapDataDoINeed?

Ifyouareunfamiliarwithmapdata,thinkfirstabouthowyouwanttousemapdata.Manyprojectneedsaremetwiththefollowingcommonmapdatatypes.Thenexploretheselinkstolearnmoreaboutmapdata!

BaseMaps--Includestreetsandhighways;boundariesforcensus,postal,and

politicalareas;riversand

lakes;parksandlandmarks;

placenames;andUSGS（地理調(diào)查局）

rastermaps.

BusinessMapsandData--Includedatarelatedtocensus/demography,consumerproducts,financialservices,healthcare,realestate,telecommunications,emergencypreparedness,crime,advertising,businessestablishments,andtransportation.

EnvironmentalMapsandData--Includedatarelatedtotheenvironment,weather,environmentalrisk,satelliteimagery,topography（地形學）,andnaturalresources.

GeneralReferenceMaps--Worldandcountrymapsanddatathatcanbeafoundationforyourdatabase.

二、空間數(shù)據(jù)模型的類型

1、對象（要素）模型

強調(diào)不可連續(xù)的離散對象，如農(nóng)資供應點、湖泊分布。其他？

2、網(wǎng)絡（Network）模型：表示特殊對象間的交互，如水汽熱油電車信號等。如西氣東輸、南水北調(diào)等。

3、場（Field）模型表示在2D或3D空間中連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，如污染物或土壤養(yǎng)分分布，森林類型等。

第二節(jié)場（Field）模型第三章空間數(shù)據(jù)模型

場適于模擬具有一定空間內(nèi)連續(xù)分布特點的現(xiàn)象。

如空氣中污染物集中程度、氣溫、地表溫度、日照時數(shù)、土壤濕度、土壤養(yǎng)分、土壤重金屬含量及空氣與水的流動速度和方向。關于空氣污染物空氣污染物有：煙塵、總懸浮顆粒物、可吸入懸浮顆粒物（浮塵）、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、揮發(fā)性有機化合物等?？諝赓|(zhì)量好壞反映了空氣污染程度，它根據(jù)空氣中污染物濃度高低來判斷。其中包括尾氣、生產(chǎn)排放、垃圾焚燒等人為因素。城市發(fā)展密度、地形地貌等也是影響空氣質(zhì)量的重要因素。

一、場的特征

場常被視為由一系列等值線（ContourLine）組成。

等值線即地面上所有具有相同屬性值的點的有序集合。沈高鎮(zhèn)加密點等值線圖

1、空間結構特征和屬性域

空間常指可進行長度和角度量測的歐幾里德空間（簡稱歐氏空間）。

空間結構可規(guī)則或不規(guī)則。屬性域的一個特征是其支持空值（NullValue）。如平原地區(qū)一般忽略高程。

2、連續(xù)、可微、離散特征

隨著空間位置的微小變化，其屬性值也將發(fā)生微小變化，不會出現(xiàn)懸崖類的突變值。

3、各向同性與各向異性特征

一個場中的所有性質(zhì)都與方向無關，則稱為各向同性場，反之則為各向異性場。

圖在各向同性與各向異性場中的旅行時間面起點等時圓高速通道

4、空間自相關特征

其描述了某一位置與相鄰位置上的屬性值間的關系。

（1）空間場中類似數(shù)值有聚集傾向，則該空間場就表現(xiàn)出很強的正空間自相關。

（2）類似數(shù)值在空間上有相互排斥傾向，則表現(xiàn)為負空間自相關。

圖強空間正負自相關模式正空間自相關負空間自相關

二、柵格數(shù)據(jù)（RasterData）模型

RD模型是基于連續(xù)鋪蓋，將連續(xù)空間離散化，用二維鋪蓋或劃分覆蓋整個連續(xù)空間。

鋪蓋可分為規(guī)則和不規(guī)則，如經(jīng)濟分區(qū)、農(nóng)田形狀。

其特征參數(shù)有尺寸、形狀、方位和間距。

圖三角形、方格和六角形劃分

圖柵格數(shù)據(jù)模型濕地森林草原湖泊*.tif文件柵格圖VS矢量圖？

第三節(jié)要素模型第三章空間數(shù)據(jù)模型

一、歐氏（Euclidean）空間及其三類地物要素

根據(jù)常用公式就可測量點之間的距離及方向的帶有坐標的空間模型叫做歐氏空間，包括歐氏平面、歐氏立體。

最常用參照系統(tǒng)是笛卡爾坐標系（CartesianCoordinates，廣延概念——空間有大小之分）。

形成三類地物要素對象，即點對象、線對象和多邊形對象。

1、點（Point）對象

點是有特定位置，維數(shù)為零的物體，包括：

（1）點實體（PointEntity）：代表實體（可被識別、重要、可被描述）；

（2）注記點：用于定位注記；

（3）內(nèi)點（LabelPoint）：用于記錄多邊形的屬性，存在于多邊形內(nèi)；

（4）結點（Node）:表示線的終點和起點；

（5）角點（Vertex）：線段和弧段的內(nèi)部點。

2、線對象

維度為1。由一系列坐標表示，有如下特征：

（1）實體長度：從起點到終點的總長；

（2）彎曲度：用于表示河道、山路等；

（3）方向性：水流方向一般是從上游到下游，泥石流、山洪大多是從上到下，公路則有單向與雙向之分。

線狀實體包括線段、邊界、鏈、網(wǎng)絡等。

圖多邊線

3、多邊形對象

維度為2。面狀實體也稱多邊形。其空間特性為：

（1）面積范圍；

（2）周長；

（3）獨立性或與其它地物相鄰；

（4）內(nèi)島或鋸齒狀外形（渚、半島？）；

（5）重疊性與非重疊性。城市諸城區(qū)一般相鄰但不會出現(xiàn)重疊；企業(yè)產(chǎn)品市場分布則可能重疊。

圖多邊形Studyarea:southeasternChina

二、要素模型的基本概念

常用嵌入式空間類型有：

歐氏空間，允許在對象間采用距離和方位量度，對象可用坐標組集合表示；

量度空間，允許在對象間采用距離量度（但不一定有方向）；

拓撲空間，允許在對象間進行拓撲關系描述（不一定有距離和方向）。1、歐氏平面上的空間對象類型

2、離散歐氏平面上的空間對象

圖離散一維對象的繼承等級

圖要素模型和場模型的比較

三、矢量數(shù)據(jù)(VectorData)模型

矢量方法強調(diào)離散現(xiàn)象存在，由邊界線（點、線、面）來確定邊界，因此可看成是基于要素的。

柵格技術將重點放置在了空間格網(wǎng)像元位置的內(nèi)容上，因此常被描述為基于位置的。

圖矢量數(shù)據(jù)模型Layer矢量GIS

第四節(jié)

基于要素的空間關系分析第三章空間數(shù)據(jù)模型拓撲學的由來

幾何拓撲學是19世紀形成的一門數(shù)學分支，它屬于幾何學范疇。早在18世紀就出現(xiàn)了拓撲學內(nèi)容。

數(shù)學上，關于哥尼斯堡七橋問題、多面體的歐拉定理、四色問題等都是拓撲學發(fā)展史的重要問題。

哥尼斯堡（今加里寧格勒）是東普魯士首都，普萊格爾河橫貫其中。十八世紀在這條河上建有七座橋，將河中間的兩個島和河岸聯(lián)結起來。

一天有人提出：能不能每座橋都只走一遍，最后又回到原來位置。很多人嘗試各種各樣的走法，但誰也沒有做到。島島哥尼斯堡七橋問題簡化圖

1736年，有人找到了當時的大數(shù)學家歐拉，歐拉經(jīng)過思考，很快就用一種獨特方法給出了解答。歐拉把這個問題首先簡化，他把兩座小島和河的兩岸分別看作四個點，而把七座橋看作這四個點之間的連線。

歐拉得出結論——不可能每座橋都走一遍，最后回到原來位置。且給出了所有能一筆畫出來的圖形所應具有的條件。這是拓撲學的“先聲”。

在拓撲學里沒有不能彎曲的元素，每個圖形大小、形狀都可改變。

歐拉在解決哥尼斯堡七橋問題時，他畫的圖形就不考慮它的大小、形狀，僅考慮點（島）和線（岸）的個數(shù)。這就是拓撲學思考問題的出發(fā)點。

一、空間關系的基本概念

1、點——點關系

（1）相合；（2）分離；（3）一點為其它諸點幾何中心；（4）一點為其它諸點地理重心。

2、點——線關系

（1）點在線上：中點、拐點；

（2）線的端點：起點和終點；

（3）線的交點；

（4）點與線分離：可計算點到線的距離。

3、點——面關系

（1）點在區(qū)域內(nèi)；

（2）點為區(qū)域的幾何中心；

（3）點為區(qū)域的地理重心；

（4）點在區(qū)域的邊界上；

（5）點在區(qū)域外部。酸雨（acidrain）是指PH值小于5.6的雨雪或其他形式的降水。

4、線——線關系

（1）重合；

（2）相接：首尾環(huán)接或順序相接；

（3）相交：公路、鐵路接口處；

（4）穿過：立交橋；

（5）相切；

（6）并行。

5、線——面關系

（1）區(qū)域包含線：可計算區(qū)域內(nèi)線密度（江蘇高速公路密度居全國第一）；

（2）線穿過區(qū)域（京滬高速）；

（3）線環(huán)繞區(qū)域；

（4）線與區(qū)域分離等。密西西比河阿拉斯加州育空三角洲

6、面——面關系

（1）包含：如島、地級市-縣級市；

（2）相合；

（3）相交：可劃分子區(qū)與計算邏輯；

（4）相鄰:計算相鄰邊界性質(zhì)和長度；

（5）分離：計算距離、引力等。澳大利亞大堤礁

二、拓撲空間關系分析

1、拓撲屬性

拓撲（Topology）一詞來自于希臘文，意為“形狀的研究（StudyofForm）”。拓撲學是幾何學的一個分支，它研究在拓撲變換下能保持不變的幾何屬性——拓撲屬性。表歐氏平面上實體對象之拓撲和非拓撲屬性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（內(nèi)部或外部）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（度量性質(zhì)）一個點指向另一個點的方向（方向性質(zhì)）弧段的長度一個區(qū)域的周長一個區(qū)域的面積

圖拓撲空間中的點和鄰域ABC

2、點集拓撲學

拓撲學已成為GIS空間關系的理論基礎，為點、線、面間包含、覆蓋、相離和相接等空間關系的描述提供理論依據(jù)。實體A實體BB（B）B（A）I（B）I（A）E（A）E（B）

3、拓撲空間關系描述—9交模型B(A)∩B(B)B(A)∩I(B)B(A)∩E(B)I(A)∩B(B)I(A)∩I(B)I(A)∩E(B)E(A)∩B(B)E(A)∩I(B)E(A)∩E(B)

圖9-交模型所述拓撲關系圖示

QjPiRestricted_East(Pi，Qj)=X(Pi)＞X(Qj)AndY(Pi)=Y(Qj)XY0參考目標原目標

三、方向空間關系分析

這些關系定義為：

Restricted_East(Pi，Qj)=X(Pi)＞X(Qj)AndY(Pi)=Y(Qj)

Restricted_South(Pi，Qj)=X(Pi)=X(Qj)AndY(Pi)＜Y(Qj)

Restricted_West(Pi，Qj)=X(Pi)＜X(Qj)AndY(Pi)=Y(Qj)

Restricted_North(Pi，Qj)=X