05-空間關(guān)系與擴展數(shù)據(jù)模型

空間關(guān)系與擴展數(shù)據(jù)模型基于要素的空間關(guān)系網(wǎng)絡(luò)模型擴展模型基于要素的空間關(guān)系空間關(guān)系指空間實體之間存在的與空間特性有關(guān)的關(guān)系度量關(guān)系方向關(guān)系拓撲關(guān)系拓撲關(guān)系拓撲屬性拓撲變換下能夠保持不變的幾何屬性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”）拓撲關(guān)系描述了兩個對象之間的拓撲屬性的關(guān)系拓撲關(guān)系的表達地理要素之間的空間區(qū)位關(guān)系可抽象為點、線（或弧）、多邊形（區(qū)域）之間的空間幾何關(guān)系9I模型與RCC模型點集拓撲內(nèi)部、外部、邊界Ao

ABo

BA-B-UAoA-

A9I模型Egenhofer等人構(gòu)造了一個由簡單幾何實體的邊界、內(nèi)部和外部的點集組成的3×3的矩陣來描述空間拓撲關(guān)系，稱為9交空間關(guān)系模型(9IModel)。該矩陣中的每一元素，都有“空”與“非空”兩種取值。9I矩陣在這個3*3矩陣中，每個元素根據(jù)其交集的空或非空(可以用1和0表示)加以確定不同的空間關(guān)系形成不同矩陣，從而分辨出各種空間關(guān)系（理論上講，可以有29=512種關(guān)系）9I矩陣示例（1）簡單面－簡單面9I矩陣示例（2）簡單線—簡單線9I矩陣示例（3）復(fù)雜線—復(fù)雜線9I矩陣示例（4）線—面9I模型的有缺點優(yōu)點簡單模型容易理解，容易實現(xiàn)——OGC的實現(xiàn)缺點不能區(qū)分概念上不同的情況9I的擴展ABABAB上述三個關(guān)系用9-I模型表達都是{111111111}方向關(guān)系空間方向關(guān)系又稱為方位關(guān)系、延伸關(guān)系，它定義了空間對象之間的方位主要描述為北、東、南、西4個主方向，以及進一步細分東北、東南、西南和西北方向等等。定量表達方式東北35度定性表達方式東東北、東三種參照方式內(nèi)部參照直接參照外部參照內(nèi)部參照左直接參照左外部參照東主方向關(guān)系幾種定義模型錐形法投影法MBR法錐形法投影法MBR法度量關(guān)系度量屬性包括：一元度量屬性面積、周長…二元度量屬性距離距離可以表現(xiàn)為以下幾種形式大地測量距離沿著地球大圓經(jīng)過兩個城市中心的距離曼哈頓距離街區(qū)緯度差加上經(jīng)度差旅行時間距離從一個城市到另一個城市的最短的時間可以用一系列指定的航線來表示（假設(shè)每個城市至少有一個飛機場）詞典編纂距離在一個固定的地名冊中一系列城市中它們位置之間的絕對差值網(wǎng)絡(luò)模型網(wǎng)絡(luò)模型：networkmodel通過目標之間的相關(guān)聯(lián)接相互連接多個空間實體建模對象交通網(wǎng)、管線網(wǎng)、電力網(wǎng)……特性多個要素之間，通過與它們相連接的通道，相互影響和交互可以看成是基于點對象和線對象及其拓撲關(guān)系的集合的描述相關(guān)現(xiàn)象的精確形狀不是非常重要，重要的是具體現(xiàn)象之間的距離或者阻力的度量參與分析運算的對象還包括與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的設(shè)施，如商業(yè)網(wǎng)點、樞紐、等網(wǎng)絡(luò)模型的建模方法在GIS中，網(wǎng)絡(luò)通常用點地物和線地物來建模點地物如街道交叉口、電路開關(guān)、電閘、水壓閥、水流的匯聚點等線地物如街道、傳送線路、管道、水流分支等模型：有向圖結(jié)構(gòu)Digraph=(Vertex,{Relation})Vertex：頂點的集合Relation：兩個頂點之間的關(guān)系的集合Network=(Node,Arc)Node：結(jié)點的集合Arc：弧的集合結(jié)點與弧之間的拓撲關(guān)系通過一個連接表來維護網(wǎng)格模型的結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)模型＋網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系表矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：線對象網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系表：有向圖結(jié)構(gòu)弧段表AAT結(jié)點表PATArc#F_NodeT_NodeAttributeNode#Arc1#Arc2#Arcn#AttributeArc#Node#網(wǎng)絡(luò)的屬性弧的屬性方向：阻力：資源在網(wǎng)絡(luò)上流動的消耗距離、時間、損耗……正向阻力、逆向阻力單行線結(jié)點的屬性轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)彎阻力轉(zhuǎn)彎的方向左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎，U行彎網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用典型應(yīng)用的例子在街道交通網(wǎng)絡(luò)圖的基礎(chǔ)上為應(yīng)急救護車輛導(dǎo)航在街道交通網(wǎng)絡(luò)圖的基礎(chǔ)上尋找最優(yōu)的郵政投遞路線零售商業(yè)網(wǎng)點的選址運輸規(guī)劃在水流分布圖中跟蹤上游污染源頭在電力網(wǎng)絡(luò)圖中計算電力負載擴展模型時空數(shù)據(jù)模型三維數(shù)據(jù)模型……時空數(shù)據(jù)模型時態(tài)GIS：TemporalGIS－TGIS能夠同時處理時間維的GIS時態(tài)變化屬性隨時間的變化——結(jié)構(gòu)化的空間特性隨時間的變化空間位置、形狀、分布、拓撲關(guān)系空間和屬性的同時變化時空數(shù)據(jù)模型的建模方法原則節(jié)省存儲空間加快存取速度表現(xiàn)時空語義地理實體的空間結(jié)構(gòu)、有效時間結(jié)構(gòu)、空間關(guān)系、時態(tài)關(guān)系、地理事件、時空關(guān)系數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)模型的主要建模方法將時間作為屬性的附加項將時間作為新的維數(shù)面向?qū)ο蠼；跔顟B(tài)和變化的建模時空模型——時間作為屬性的附加項基于傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)模型，擴充關(guān)系模型、關(guān)系代數(shù)和查詢語言第一范式模型：1NF模型一個對象的歷史過程需要用幾個具有時間標記的元組表達即使僅有屬性變化，也必須用一個新元組表示大量的數(shù)據(jù)冗余非第一范式模型：N1NF模型元組可以采用不定長記錄和嵌套方式同時發(fā)生的變化存儲在樹形結(jié)構(gòu)的不同層次的結(jié)點上，時態(tài)查詢與時空分析困難時空復(fù)合模型：space-timecomposite時空單元：相同時空變化過程的最大單元每個時空單元看成一個靜態(tài)對象，其時空過程作為屬性用關(guān)系表表達若時空單元發(fā)生分裂，則用新增的元組來反映新增的時空單元時空過程每變化一次，即在關(guān)系表中新增一列時間段來表達時空模型——時間作為新的維（1）時空立方體模型一時間軸為發(fā)展變化方向，表達二維圖形隨時間的演變給定一個時刻，即可以從三維立方體中截取一個截面得到該時刻的狀態(tài)數(shù)據(jù)量無限增長的趨勢系列快照模型用一系列時間片斷的快照，記錄空間狀態(tài)的變化過程快照是整個系統(tǒng)狀態(tài)的全部記錄，大量的數(shù)據(jù)冗余難以處理時空對象之間的時態(tài)關(guān)系t0t1tiTYXt0t1tiTYX時空模型——時間作為新的維（2）基態(tài)修正模型選擇某個時刻的數(shù)據(jù)狀態(tài)作為基態(tài)完整記錄，按設(shè)定的采樣時間間隔，記錄其他時刻相對與基態(tài)的變化量解決數(shù)據(jù)冗余的問題，但時空索引、時空分析困難4種基態(tài)修正方法a)每個歷史狀態(tài)都從當(dāng)前基態(tài)修正b)每個早期的歷史狀態(tài)都是對其緊后的一次歷史狀態(tài)的修正c)在逐步修正的基礎(chǔ)上，特定的歷史狀態(tài)直接與當(dāng)前基態(tài)修正d)在逐步修正的基礎(chǔ)上，疊加更大時間跨度的逐步修正t0t1當(dāng)前T(a)t0t1當(dāng)前T(b)t0t1當(dāng)前T(c)t0t1當(dāng)前T(d)時空模型——面向?qū)ο蟮哪Ｐ褪褂妹嫦驅(qū)ο蟮姆椒?，直接支持對象嵌套和變長記錄Worboys、Peuqust、史文中，等模型示例：以對象結(jié)構(gòu)描述時空對象的時間、空間和屬性3個基本成分<OBJ:{O-ID,Attr(t),Spatial(t),Temporal(Tv,Td),Actions}>OBJ：時空對象：點、線、多邊形、體、簡單對象、負責(zé)對象O-ID：對象的唯一表示符Attr(t)：對象隨時間t變化的非空間屬性描述Spatial(t)：對象隨時間t變化的空間特征描述Temporal(Tv,Td)：對象的時態(tài)性描述，反映對象的產(chǎn)生、演變和消亡的生命歷程，其中有效時間Tv與數(shù)據(jù)庫時間Td是正交的Actions：對象的行為操作描述，定義各種運算操作抽象數(shù)據(jù)類型ADTGüting,Erwig

定義時空對象的抽象數(shù)據(jù)類型，可以直接被對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫使用時空模型——基于狀態(tài)和變化的模型基于事件的時空數(shù)據(jù)模型如ESTDM（PeuquetandDuan）變化以事件的時間序列存儲從初始狀態(tài)開始按升序存儲時刻，相鄰時刻差是事件間的時段變化可以是位置的、實體的、或兩者都有時態(tài)拓撲關(guān)系國際上關(guān)于時空拓撲關(guān)系的定義還沒有完整的、普遍接受的定義時態(tài)拓撲關(guān)系的描述Allen13種關(guān)系基于9I和4I描述（舒紅）三維數(shù)據(jù)模型三維GIS 將三維坐標(x,y,z)作為獨立產(chǎn)生進行空間實體對象的幾何建模目前還沒有真正基于3D模型的完整的GIS系統(tǒng)空間維數(shù)準3D、2.5D：只描述3D空間實體的外部輪廓，不表達其內(nèi)部屬性真3D：以體元的方式描述3D空間實體的外部輪廓及其內(nèi)部屬性2DGIS2.5DGIS準3D(2.75D)GIS真3DGIS數(shù)學(xué)模型F=f(x,y)F=f(x,y)或Z=f(x,y)F=f(x,y,zi)F=f(x,y,z)高程特征無高程信息高程作為點的屬性一對(x,y)的z有多值一對(x,y)的z有多值屬性特征平面抽象表面抽象無體內(nèi)屬性有體內(nèi)屬性構(gòu)模方式2D矢量或柵格2D矢量或柵格面元構(gòu)模3D矢量、體元構(gòu)模典型實例電子地圖DEM、DTM3D城市模型地下四面體、三棱柱三維建模的主要方法面模型(facialmodel)體模型(volumetricmodel)混合模型(mixedmodel)規(guī)則體元非規(guī)則體元不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)結(jié)構(gòu)實體幾何(CSG)四面體格網(wǎng)(TEN)TIN-CSG混合格網(wǎng)(Grid)體素(Voxel)金字塔(Pyramid)TIN-Octree混合或Hybrid模型邊界表示模型(B-Rep)八叉樹(Octree)三棱柱(TP)WireFrame-Block混合線框(WireFrame)或相連切片(LinkedSlices)針體(Needle)地質(zhì)細胞(Geocellular)Octree-TEN混合斷面序列(SeriesSections)規(guī)則塊體(RegularBlock)非規(guī)則塊體(IrregularBlock)斷面-三角網(wǎng)混合(Section-TINmixed)實體(Solid)多層DEMs3DVoronoi圖廣義三棱柱(GTP)面向?qū)ο蟮慕７椒ň唧w應(yīng)用實踐中的空間數(shù)據(jù)建模