城市空間信息09-2課件

城市空間信息學(xué)測量工程系第二章從現(xiàn)實(shí)世界到數(shù)字世界主要內(nèi)容：對現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)識：幾個(gè)概念模型、幾種邏輯模型從現(xiàn)實(shí)世界到數(shù)字世界：幾種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型、數(shù)據(jù)文件類型數(shù)字世界的局限性：時(shí)間局限、范圍有限、容量有限。不斷提高認(rèn)識能力是唯一出路?！?.1對現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)識現(xiàn)實(shí)的世界：客觀存在的世界，人類的家園?，F(xiàn)實(shí)的世界的多樣性：復(fù)雜性。對現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)識過程：人類的知識不斷積累，認(rèn)識手段不斷完善，認(rèn)識速度不斷加快。人類認(rèn)知過程存在系統(tǒng)上的復(fù)雜性辯證法認(rèn)為：1.事物的普遍聯(lián)系性，沒有孤立存在的事物。聯(lián)系：事物之間、事物內(nèi)部諸要素之間互相依賴、互相制約、相互影響、相互作用的關(guān)系。2.世界是一個(gè)普遍聯(lián)系的統(tǒng)一的整體?！瓕W(xué)校、學(xué)生、老師、課本、食堂、廚師、蔬菜、醫(yī)院、醫(yī)生、藥品、圖書館、管理員、圖書……人類認(rèn)知過程存在系統(tǒng)上的復(fù)雜性3.普遍聯(lián)系的世界存在的基本形式就是系統(tǒng)。如地球系統(tǒng)是開放、復(fù)雜的巨大系統(tǒng)，有許多同類或不同類的部分組成，每個(gè)部分都不同程度的影響著系統(tǒng)的發(fā)展變化。自然生態(tài)系統(tǒng)：海洋生態(tài)系統(tǒng)、陸地生態(tài)系統(tǒng)（草原、沙漠、濕地、山地、平原、河流湖泊）社會經(jīng)濟(jì)體系：政工農(nóng)商學(xué)兵行政區(qū)域體系：國家、省、市、縣、鄉(xiāng)、村……機(jī)械工業(yè)部、國土資源部、科技部、國防部、農(nóng)業(yè)部、商業(yè)部、水利部……教育系統(tǒng)、工商系統(tǒng)、食品衛(wèi)生系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、市政管理系統(tǒng)……地球巨系統(tǒng)的復(fù)雜性組成復(fù)雜：不同部分、不同層次，互相耦合，直接、隱含。系統(tǒng)功能復(fù)雜：存在非線性、多尺度、自組織、有序和隨機(jī)性等現(xiàn)象，如蝴蝶效應(yīng)。時(shí)變系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)、功能、關(guān)系雖時(shí)間變化。時(shí)間與空間尺度的大小并序、系統(tǒng)的發(fā)展有序與無序并存、整體性與差異性并存、漸變與突變并存。農(nóng)作物生長、病蟲害；板塊移動、洪水暴發(fā)；經(jīng)濟(jì)增長、金融危機(jī)；氣候變遷、臺風(fēng)；人口遷移、上班下班；地極移動、地震；2.1.2對現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)識過程從認(rèn)知角度，人類不可能完全徹底地認(rèn)識現(xiàn)實(shí)世界，現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜性所以認(rèn)識過程曲折向完全認(rèn)識趨近。認(rèn)識水平總體向前加速發(fā)展，以知識增長率為例，按每年20世紀(jì)60年代9.5%20世紀(jì)70年代10.6%20世紀(jì)80年代12.65%過去每隔10-15年人類知識翻一番20世紀(jì)90年代每隔3-5年人類知識翻一番人類全部科技知識總量的80%以上20世紀(jì)以后產(chǎn)生的。2.1.2對現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)識過程認(rèn)識世界的過程也是人類認(rèn)識的技術(shù)手段和工具的進(jìn)步過程。人的感官系統(tǒng)可以感知各種各樣的現(xiàn)象，但僅僅是一小部分。聲光電氣味溫度→細(xì)胞→原子→電子等伴隨人類認(rèn)識的技術(shù)手段和工具的不斷提高，人類對現(xiàn)實(shí)世界的描述不斷進(jìn)步。以空間認(rèn)知為例：手工量測刻畫→GPS、RS測量，計(jì)算機(jī)存儲，GIS處理→全球信息化，海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)挖掘與智能化決策分析、寬帶網(wǎng)絡(luò)信息可視化要求日益廣泛→數(shù)字工程技術(shù)（計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通訊、聲光電、數(shù)學(xué)、各項(xiàng)專業(yè)技術(shù)、系統(tǒng)工程、管理工程等）的應(yīng)用。傳統(tǒng)局部坐標(biāo)系→全球地心坐標(biāo)框架，促進(jìn)數(shù)字地球的建設(shè)與發(fā)展。對城市和城市空間的再認(rèn)識城市是復(fù)雜的巨系統(tǒng)…………數(shù)字城市建設(shè)是信息化社會城市建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，可以大大方便人們的生產(chǎn)、生活，優(yōu)化人居環(huán)境。數(shù)字城市也是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，綜合應(yīng)用多種先進(jìn)空間信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、多媒體虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)等，集多方人力、物力、財(cái)力，統(tǒng)籌布局，協(xié)調(diào)指揮，不斷積累，經(jīng)過各部門協(xié)作攻關(guān)，大量細(xì)致的工作，才能建成。并不斷維護(hù)和完善。必須用系統(tǒng)工程的思想和技術(shù)管理手段。2.2.1數(shù)字世界是現(xiàn)實(shí)世界的抽象表達(dá)1.數(shù)字世界定義：是我們部分生存環(huán)境的計(jì)算機(jī)化和數(shù)字表達(dá)，即“比特世界”，是當(dāng)今和未來信息化時(shí)代一個(gè)重要工具體系。包括計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、通訊、空間及地面?zhèn)鞲衅?、終端服務(wù)設(shè)備（如顯示屏、導(dǎo)航儀、手機(jī)、繪圖儀等）。2.數(shù)字技術(shù)：計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)、空間及地面?zhèn)鞲衅骷夹g(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、機(jī)械與電子自動化技術(shù)等。數(shù)字技術(shù)已經(jīng)深入到我們?nèi)粘Ｉ畹拿恳粋€(gè)角落，成為我們這個(gè)時(shí)代發(fā)展的背景和必要條件。3.數(shù)字化空間：數(shù)字化技術(shù)開創(chuàng)的生活、交往、工作、娛樂的場所。如網(wǎng)吧、KTV、空中課堂、科研模擬實(shí)驗(yàn)室、多媒體教室、數(shù)字化辦公環(huán)境等。數(shù)字化空間的優(yōu)點(diǎn)和局限性優(yōu)點(diǎn)：機(jī)器思維拓展人腦思維（人機(jī)交互），預(yù)測、試驗(yàn)、設(shè)計(jì)局限性：抽象虛擬性（模型：模擬部分功能）不完整性：有目的的建立，取舍，現(xiàn)實(shí)的變化，機(jī)器容量和分辨率的限制數(shù)字化空間的優(yōu)點(diǎn)和局限性我們還必須到大自然感受世界的奇妙、和人交流感受親情友誼、到演唱會體育比賽現(xiàn)場體驗(yàn)激情、養(yǎng)花種草頤養(yǎng)精神、伴個(gè)寵物解除孤寂……另外，保證現(xiàn)實(shí)向數(shù)字世界轉(zhuǎn)化的程序化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，能防止隨意性，歪曲現(xiàn)實(shí)?；诂F(xiàn)實(shí)世界空間信息的基本數(shù)字化方法空間信息：指空間位置、形態(tài)、分布。場模型：連續(xù)分布，布滿整個(gè)空間的事物。要素模型：獨(dú)立分布，或與其他事物關(guān)聯(lián)的方式。1.場模型在一定空間內(nèi)有連續(xù)分布特點(diǎn)的現(xiàn)象，適合用場的模型來轉(zhuǎn)換與表達(dá)。如：污染物的集中，地表的溫度，土壤的濕度，空氣和水流的速度與方向等。2維場：2維空間已知的地點(diǎn)上，都有一個(gè)值3維場：3維空間已知的地點(diǎn)上，都有一個(gè)值場模型對空間信息的轉(zhuǎn)換步驟：先區(qū)域分割，再賦值。又稱采樣和量化。采樣間隔影響空間分辨率：等間隔規(guī)則采樣、不等間隔采樣量化精度代表了對單元屬性表達(dá)的精確程度。DEM數(shù)字高程模型

是場模型表達(dá)地面高低的屬性。規(guī)則格網(wǎng)DEM

是場模型表達(dá)地面高低的屬性。TIN不規(guī)則三角網(wǎng)高程模型

表達(dá)地面高低的屬性。2.要素模型針對個(gè)體空間對象的信息獲取，該對象必須獨(dú)立或與其他對象之間關(guān)聯(lián)的方式存在。任何現(xiàn)象，無論大小，都可以被確定為一個(gè)對象，并且從概念上與其鄰域現(xiàn)象相分離。要素模型適合于在空間中存在實(shí)際邏輯邊界的事物。如房屋、道路、湖、島、森林等。離散的，且與周圍的事物相分離的個(gè)體2.要素模型基于要素模型的空間信息轉(zhuǎn)化步驟：首先依據(jù)屬性選取要素——然后對要素量測以確定其位置——分類描述屬性特征——最后記錄。實(shí)體或要素屬性特征：除了空間位置：如坐標(biāo)外靜態(tài)屬性：如名稱，動態(tài)行為特征：如流量，速度，載重量，結(jié)構(gòu)特征：如關(guān)聯(lián)，聚集，離散等基于要素的模型把信息空間看作是對象的集合，每一對象又有自己的屬性。如：城市對象：建筑、道路、綠化區(qū)等的集合道路：寬度、長度、等級等實(shí)體通過不同維度獲取屬性：空間維、時(shí)間維、圖形維、文本維、數(shù)字維等。要素模型表達(dá)的空間不同地物類型點(diǎn)：位置（x，y）屬性：符號線：位置(x1，y1),(x2，y2)，…，(xn，yn

)

屬性：符號，形狀、顏色、尺寸面：位置(x1，y1),(x2，y2)，…，(xn，yn

)

屬性：符號變化，等值線四個(gè)世界，3層模型現(xiàn)實(shí)世界概念世界信息世界數(shù)字世界層次模型網(wǎng)絡(luò)模型關(guān)系模型（數(shù)據(jù)庫技術(shù)成熟）面向?qū)ο竽Ｐ停òl(fā)展方向）概念模型邏輯模型E-R模型面向?qū)ο竽Ｐ臀锢砟Ｐ蛿?shù)據(jù)類型、索引類型、約束條件(關(guān)系模型范式）（1）概念模型概念模型:用比較有效的、自然的語言來描述現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體及聯(lián)系。要求：具有抽象的真實(shí)性，對現(xiàn)實(shí)世界本質(zhì)的、確實(shí)存在的內(nèi)容的抽象，忽略非本質(zhì)的與主體無關(guān)的。完整、精確的語義表達(dá)，易于理解和修改。易于向信息世界、數(shù)字世界的邏輯模型、數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換客觀事物：對象、屬性兩方面，相互聯(lián)系實(shí)體聯(lián)系模型（E-R圖）面向?qū)ο竽Ｐ停∣-OM）實(shí)體聯(lián)系模型（E-R圖）實(shí)體（entity）：現(xiàn)實(shí)世界的事物可以抽象為實(shí)體。是概念世界中的基本單位，客觀存在。學(xué)生（張三），教師（王五）、房屋、道路等班級，課程，控制點(diǎn)，特征點(diǎn)等屬性（attribute）：實(shí)體的特征。姓名，年齡，籍貫，權(quán)屬人，名稱，編號等名稱，級別，電話，郵政編碼等聯(lián)系（relationship）：實(shí)體間的關(guān)聯(lián)。師生關(guān)系，隸屬關(guān)系，選修關(guān)系等關(guān)聯(lián)、包含、鄰近等E-R圖實(shí)體屬性聯(lián)系面向?qū)ο竽Ｐ停∣OM）基本概念：對象（object)是現(xiàn)實(shí)世界中概念化的基本實(shí)體，是定義在實(shí)體上的一組屬性和操作的集合。對象：基本實(shí)體屬性：表示實(shí)體的特征操作：定義了實(shí)體的交互特性例子：對象：螺絲A、機(jī)器A、樹葉B、地球、奮進(jìn)號宇宙飛船屬性：以螺絲A為例：螺距、羅帽尺寸、材料等操作：加工、裝配等Object-orientedmodel(OOM)類（class）：通過將對象抽象成類，我們可以使問題抽象化，抽象增強(qiáng)了模型的歸納能力。屬性：屬性指的是類中對象所具有的性質(zhì)（數(shù)據(jù)值）。操作和方法：操作是類中對象所使用的一種功能或變換。類中的各對象可以共享操作，每個(gè)操作都有一個(gè)目標(biāo)對象作為其隱含參數(shù)。方法是類的操作的實(shí)現(xiàn)步驟。關(guān)聯(lián)和鏈關(guān)聯(lián)是建立類之間關(guān)系的一種手段，而鏈則是建立對象之間關(guān)系的一種手段。

(a)關(guān)聯(lián)和鏈的含義。鏈表示對象間的物理與概念聯(lián)結(jié)，關(guān)聯(lián)表示類之間的一種關(guān)系，鏈?zhǔn)顷P(guān)聯(lián)的實(shí)例，關(guān)聯(lián)是鏈的抽象。

(b)角色。角色說明類在關(guān)聯(lián)中的作用，它位于關(guān)聯(lián)的端點(diǎn)。

(c)受限關(guān)聯(lián)。受限關(guān)聯(lián)由兩個(gè)類及一個(gè)限定詞組成，限定詞是一種特定的屬性，用來有效的減少關(guān)聯(lián)的重?cái)?shù)，限定詞在關(guān)聯(lián)的終端對象集中說明。限定提高了語義的精確性，增強(qiáng)了查詢能力，在現(xiàn)實(shí)世界中，常常出現(xiàn)限定詞。

(d)關(guān)聯(lián)的多重性。關(guān)聯(lián)的多重性是指類中有多少個(gè)對象與關(guān)聯(lián)的類的一個(gè)對象相關(guān)。重?cái)?shù)常描述為“一”或“多”。Object-orientedmodel(OOM)（2）邏輯模型邏輯模型的作用：將概念世界的實(shí)體屬性聯(lián)系轉(zhuǎn)換成信息世界的邏輯模型，設(shè)計(jì)子模式，對模式評價(jià)優(yōu)化，同時(shí)要考慮數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中得一致性、完整性問題。關(guān)系模型：結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、理論成熟層次模型：網(wǎng)絡(luò)模型：關(guān)系模型關(guān)系模型的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是二維表（簡稱表）。表格作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。表有表框架和元組所組成。表框架有幾個(gè)屬性組成；（n個(gè)）存放于框架內(nèi)的每行數(shù)據(jù)成為元組。（m個(gè)）一個(gè)實(shí)體的多個(gè)屬性可以存放在多個(gè)表中。表與表之間相關(guān)聯(lián)的行由關(guān)鍵字（key）關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)的過程允許一對多或多對一的關(guān)系。（3）物理模型解決實(shí)體數(shù)據(jù)的存儲問題，包括數(shù)據(jù)類型、索引、約束等的定義。與平臺相關(guān)?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)的抽象特征隔離了這種相關(guān)性。對數(shù)據(jù)庫管理的數(shù)據(jù)來說，系統(tǒng)能夠自動完成邏輯模型向物理模型的轉(zhuǎn)換。E-R圖、關(guān)系表及物理實(shí)現(xiàn)舉例

企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)某企業(yè)集團(tuán)有若干工廠，每個(gè)工廠生產(chǎn)多種產(chǎn)品，且每一種產(chǎn)品可以在多個(gè)工廠生產(chǎn)，每個(gè)工廠按照固定的計(jì)劃數(shù)量生產(chǎn)產(chǎn)品，計(jì)劃數(shù)量不低于300；每個(gè)工廠聘用多名職工，且每名職工只能在一個(gè)工廠工作，工廠聘用職工有聘期和工資。工廠的屬性有工廠編號、廠名、地址，產(chǎn)品的屬性有產(chǎn)品編號、產(chǎn)品名、規(guī)格，職工的屬性有職工號、姓名、技術(shù)等級。請：（1）該集團(tuán)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，畫出E-R圖。（2）E-R圖轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式，并指出每個(gè)關(guān)系模式的主鍵和外鍵。概念模型（E-R圖）邏輯模型（關(guān)系表）CREATETABLE生產(chǎn)

(工廠編號CHAR(7)NOTNULL,

產(chǎn)品號CHAR(6)NOTNULL,

數(shù)量DEC(5,2),PRIMARYKEY(工廠編號,產(chǎn)品號),FOREIGNKEY(工廠編號)REFERENCES工廠

ONDELETECASCADE,FOREIGNKEY(產(chǎn)品號)REFERENCES產(chǎn)品

ONDELETERESTRICT,CHECK(數(shù)量>=300));物理模型（建表過程）數(shù)字城市基礎(chǔ)地理信息的概念模型E-R圖點(diǎn)線面屬性1標(biāo)識碼屬性n標(biāo)識碼屬性（xi，yi）標(biāo)識碼屬性1屬性m屬性p屬性（x，y）關(guān)聯(lián)包含數(shù)字城市空間實(shí)體邏輯模型關(guān)系表

點(diǎn)目標(biāo)：[目標(biāo)標(biāo)識，地物編碼，（x,y）]

線目標(biāo)：[目標(biāo)標(biāo)識，地物編碼，（x1,y1），（x2,y2）……（xn,yn），]

面目標(biāo)：[目標(biāo)標(biāo)識，地物編碼，（x1,y1），（x2,y2）……（xn,yn），（x1,y1）]屬性表1：[目標(biāo)標(biāo)識，地物名稱，地物類型]屬性表2：[目標(biāo)標(biāo)識，地物名稱，長度，...]屬性表3：[目標(biāo)標(biāo)識，行政區(qū)名稱，用地類型，面積,…]數(shù)字城市空間實(shí)體關(guān)系表文件——物理模型P1L1L2L5L6L4L7L3A1A3A2A4P4P3P5P2結(jié)點(diǎn)—鏈關(guān)聯(lián)關(guān)系表P1-L1，L3，L6

P2L1，-L2，-L5P3L2，-L3，-L4P4L4，L5，-L6P5L7

，-L7…………數(shù)字城市空間實(shí)體關(guān)系表文件-物理模型P1L1L2L5L6L4L7L3A1A3A2A4P4P3P5P2鏈—結(jié)點(diǎn)、面關(guān)聯(lián)關(guān)系表鏈起點(diǎn)終點(diǎn)左面號右面號L2P3P2NULLA2L3P1P3NULLA3L4P4P3A3A2L5P4P2A2A1L6P1P4A3A1L7P5P5A4A3L1P2P1NULLA1數(shù)字城市空間實(shí)體關(guān)系表文件-物理模型P1L1L2L5L6L4L7L3A1A3A2A4P4P3P5P2面—鏈、面關(guān)聯(lián)包含關(guān)系表面號鏈號包含面號A2L2,-L5，L4

－A3L3,-L4,-L6A4A4-L7－A1L1,L6,L5

－規(guī)定：順時(shí)針方向構(gòu)建多邊形，若鏈方向與之相同，則記為正；若鏈方向與之相反，則記為負(fù)。數(shù)字城市空間實(shí)體關(guān)系表文件匯總-物理模型4.弧段坐標(biāo)文件弧段號坐標(biāo)系列（串）L1X2,Y2;X10,Y10…2.