GIS第三章空间数据模型

第三章空间数据模型地理信息系统——原理、方法和应用第4讲课题：空间数据模型目的要求：了解空间数据模型的类型及其特点，理解场模型和要素模型，重点掌握矢量数据模型和栅格数据模型以及在这两种模型下空间实体表达的方式。理解基于要素空间关系分析中九交模型的表达方式，理解网络模型的特点。教学重点：矢量数据模型和栅格数据模型及空间实体的表达、九交模型教学难点：空间关系分析中的九交模型表达教学课时：2课时教学方法:讲授本次课涉及的学术前沿：时空模型三维模型第4讲（一）学习目标1.了解空间数据模型的类型及其特点2.理解场模型和要素模型3.重点掌握矢量数据模型和栅格数据模型以及在这两种模型下空间实体表达的方式。4.理解基于要素空间关系分析中九交模型的表达方式5.理解网络模型的特点1.空间数据模型的基本问题•地理空间(Geo-spatial)的概念概念：是指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。我们通常所说的地理空间即地球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域。地理空间（Geo-spatial）一般分为：绝对空间：是具有属性描述的空间位置的集合，它由一些列不同位置的空间坐标值组成。相对空间：是具有空间属性特征的实体的集合，由不同实体间的空间关系构成。1.空间数据模型的基本问题•空间数据模型–概念：是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供着基本方法。–类型：•场（Field）模型：连续对象的描述（二维，三维）•基于对象（要素）（Feature）的模型：离散对象描述•网络（Network）模型：交通、水系等网络状对象描述1.空间数据模型的基本问题•GIS空间数据模型的学术前沿–时空数据模型：核心问题是研究如何有效地表达、记录和管理现实世界的实体及其相互关系随时间不断发生的变化。–三维空间数据模型：三维矢量模型和体模型–分布式空间数据模型：分布式空间数据库管理系统和联邦空间数据库–CASE工具（计算机辅助软件工程工具）:发展GIS空间数据建模与系统设计的专用功能，提高GIS空间数据建模及其应用系统设计的自动化程度和技术水平什么是模型？•模型是所研究的系统、过程、事物或概念的一种表达形式（研究对象）。•是用以分析问题的概念、数学关系、逻辑关系和算法序列的表示体系（表示内容）空间数据模型是研究如何对地理空间进行划分，研究的对象是地理空间。什么是地理空间数据模型？2.场模型场模型：•适合用来描述具有一定空间内连续分布特点的对象•根据应用的不同场可以表现为二维或三维场•场的表现形式–经常用一系列等值线组成，等值线就是地面上所有具有相同属性值的点的有序集合–举例：覆盖Coverage，对现象建模如温度，土壤分布等等。场模型可以表示为如下的数学公式：z:sz(s)上式中，z为可度量的函数，s表示空间中的位置，因此该式表示了从空间域（甚至包括时间坐标）到某个值域的映射。下表给出了地理研究中一些场模型的例子[A.Vckovski]。场模型定义域维数值域维数自变量因变量T(z)11空间坐标（高程）高度z处的气温E(t)13时间坐标某时刻的静电力H(x,y)21空间坐标地表高程P(x,y,z)31空间坐标土壤的孔隙度v(λ,φ,z)33空间坐标（λ,φ经纬度，z高度）风速（三维矢量）σ(x,y,z)39空间坐标压力张量Θ(λ,φ,p,t)41p压力面，t时间潜温Θt(λ,φ,p)3∞p压力面时间序列的潜温I(x,y,z,t,λ)51x,y,z,t时空坐标，λ波长波长λ的电磁波在x,y,z,t处的辐射强度2.场模型•场的特征：–空间结构特征和属性域(欧几里德空间，属性域)–连续的、可微的、离散的–各向同性和各向异性（其场内性质与方向有关或无关）–空间自相关（对场中的数值聚集程度的一种度量）在各向同性与各向异性场中的旅行时间面强空间正负自相关模式2.场模型•栅格数据模型–栅格数据模型是基于连续铺盖的，它是用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间；铺盖可以分为规则的和不规则的，后者可当做拓扑多边形处理三角形、方格和六角形划分栅格数据模型3．要素模型1.基本概念–欧氏空间：带坐标的可测量点之间的距离和方向的空间模型–欧氏平面：把空间特性转换成实数的元组特性，而形成的二维模型即欧氏平面–地理实体：分布于地球表面的人文和自然现象的总称实体必须符合三个条件：•可被识别•重要（与问题有关）•可被描述（有特征）3．要素模型•嵌入式空间：是指空间对象存在于“空间”之中。空间对象的定义取决于嵌入式空间的结构。•常用的嵌入式空间类型：–欧式空间（距离、方位）–量度空间（距离）–拓扑空间（拓扑关系）–面向集合的空间（只采用一般的基于集合的关系）3．要素模型1）欧氏平面上的空间对象类型空间对象延伸对象零维对象点二维对象一维对象环弧简单环简单弧面对象面域对象域单位对象要素（对象）的类型有哪几类？3．要素模型2）离散欧氏平面上的空间对象离散一维对象B样条曲线多边线线段3．要素模型3）要素模型和场模型的比较现实世界选择要素选择一个位置要素模型场模型它在哪里那里怎么样数据3．要素模型•2.矢量数据模型101102201202203301302101102201202203301302点坐标文件线坐标文件面坐标文件点属性表文件线属性表文件面属性表文件点坐标文件线坐标文件面坐标文件点属性表文件线属性表文件面属性表文件其它图形关系文件图元素独立存储图元素非独立存储通过FID连接通过FID连接空间图形空间数据属性数据不包含拓扑数据包含拓扑数据(a)Spaghetti模型(b)拓扑模型矢量数据模型第4讲课题：空间数据模型（二）目的要求：掌握矢量数据模型和栅格数据模型下空间实体表达的方式。理解基于要素空间关系分析中九交模型的表达方式，理解网络模型的特点。教学重点：矢量数据模型和栅格数据模型空间实体的表达、九交模型教学难点：空间关系分析中的九交模型表达教学课时：2课时教学方法:讲授本次课涉及的学术前沿：时空模型三维模型1、空间实体及类型空间实体：指具有形状、属性和时序特征的空间对象，它是对存在于自然世界中地理实体的抽象。空间实体类型任何地理实体都可以抽象为点、线、面、体等基本类型，以表示它的位置、形状、大小、高低等特征。一、空间实体及表达4.地理空间及其表达以地图为例，来了解空间实体的抽象及表达点实体4.地理空间及其表达有位置，无宽度和长度，维数为0；抽象的点美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置4.地理空间及其表达点实体有如下几种类型：■实体点Entitypoint：用来代表一个实体；注记点Textpoint：用于定位注记；□内点Testpoint：用于负载多边形的属性，存在于多边形内；●结点Node：表示线的终点和起点；○角点Vertex：表示线段和弧段的内部点。线实体4.地理空间及其表达有长度，但无宽度和高度，维数为1；用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多香港城市道路网分布4.地理空间及其表达线实体有如下特性：实体长度：从起点到终点的总长；弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度；方向性：水流方向是从上游到下游，公路则有单向与双向之分。线状实体包括线段、边界、链、弧段、网络等，如下图所示：线实体类型面实体4.地理空间及其表达具有长和宽的目标，有连续面和不连续面；通常用来表示自然或人工的封闭多边形中国土地利用分布图（不连续面）4.地理空间及其表达面状实体有如下空间特性：面积范围；周长；独立性或与其它的地物相邻，如中国及其周边国家；内岛或锯齿状外形；重叠性与非重叠性；面实体类型如下图所示：面状实体类型面实体（续）有不连续面和连续面之分4.地理空间及其表达不连续变化曲面，如土壤、森林、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。连续变化曲面，如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。不连续变化曲面连续变化曲面体4.地理空间及其表达有长、宽、高的目标；通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标矢量表达在矢量数据结构中，地理实体的形状和位置是由一组坐标对所确定。矢量数据结构对地理实体的描述类似于地图对地理信息的描述，一般也把地理实体分为点、线、面、体等四种，每种实体有不同的编码方法。栅格表达在栅格数据结构中，整个地理空间被规则地分为一个个小块（通常为正方形），地理实体的位置是由占据小块的横排与竖列的位置决定，小块的位置则由其横排竖列的数码决定，每个地理实体的形态是由栅格或网格中的一组点来构成。这种数据结构和遥感图象的数据相同，因而数字遥感图象就是栅格数据结构。2、空间实体的表达（计算机）4.地理空间及其表达矢量数据栅格数据数字高程（1）空间实体的矢量表达矢量维数实体类型空间表达描述代表地物零维点实数对（x，y）一个数据点，具有一对(x，y)坐标和至少一个属性，逻辑上不能再分。水井、污染源等。一维线：弧、链一组离散化的实数点对具有相同属性的点的轨迹，由坐标对序列表示，坐标对的顺序与线的形状有关，线上每个点有不多于二个的邻点。道路、公共设施网等。二维面：多边形一组闭合弧段所包围的空间区域所有具有相同属性点的轨迹，以(x，y)坐标队的集合表示，坐标队的排列顺序不影响面的形态、其内部点可以有多于三个的邻点，面内点具有相同属性。土壤、植被、岩石分类区、行政区划等。三维体由一组或多组闭合曲面所包围的空间对象地形，温度4.地理空间及其表达矢量表达法示意（点、线、面）4.地理空间及其表达点：位置（x，y）属性：符号线：位置(x1，y1),(x2，y2)，…，(xn，yn)属性：符号，形状、颜色、尺寸面：位置(x1，y1),(x2，y2)，…，(xn，yn)属性：符号变化，等值线矢量表达法示意（体：TIN）把一表面表示成一系列相连接的三角形，这些三角形在一组结点(Nodes)之中，按照一定规则连接相邻结点形成的边(Edges)组成的。结点可以位于任何地方,但是结点布置得好坏,直接影响到连续面模型的精度，好的结点应位于表面形状发生显著变化的地方。三角形不规则网的表达4.地理空间及其表达TIN表达示意4.地理空间及其表达（2）栅格表达法点：具有一定数值的删格单元线：表现为按线特征相连接的一组单元面：表现为按二维形状特征相连接的一组单元+++++(a)点的栅格表达(b)线的栅格表达(c)面的栅格表达栅格表示法的精度：依赖于每个栅格单元所实际代表的地面区域的大小，栅格代表的区域越小，精度越高。4.地理空间及其表达矢量表达和栅格表达4.地理空间及其表达湖泊河道居民地流路5．基于要素的空间关系分析1.基本概念在对象模型中，空间实体的空间位置、关系和度量的描述是非常重要的。地理要素之间的空间区位关系可抽象为点、线（或弧）、多边形（区域）之间的空间几何关系。空间实体见的空间几何关系可以抽象为点、线、多边形之间的六种关系：拓扑空间关系；方位空间关系；度量空间关系。点—点：点—线：点—多边形：线—线：线—多边形：多边形—多边形：5．基于要素的空间关系分析2、空间实体空间关系研究的意义铁路小镇铁路过小镇吗？线——点河流小路小路穿过河流吗？线——线河流小路河流在区域吗？线——面ˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆˆ5．基于要素的空间关系分析铁路区域有铁路吗？面——线˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜区域有邮局吗？面——点˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜邮局˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜˜区域相临吗？面——面因此，实体之间的关系包括点、线、面等之间组合。5．基于要素的空间关系分析3、空间实体关系的形式化表示5．基于要素的空间关系分析3、空间实体关系的形式化表示面-线空间关系的形式化表达5．基于要素的空间关系分析面-点空间关系的形式化表达线-点空间关系的形式化表达5．基于要素的空间关系分析4.拓扑空间关系分析–拓扑属性拓扑属性:在拓扑变换下能够保持不变的几何属性，它描述了两个对象之间的关系，因此又称为