第3讲-空间数据模型和空间数据结构

第3讲空间数据模型和空间数据结构本讲提要：地理空间与空间抽象空间数据概念模型空间数据与空间关系空间数据逻辑模型矢量空间数据结构栅格空间数据结构矢栅一体化空间数据结构镶嵌空间数据结构三维空间数据结构3.1地理空间与空间抽象地理空间地理空间（GeographicSpace）是指地球表面及近地表空间，是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域，地球上最复杂的物理过程、化学过程、生物过程和生物地球化学过程就发生在该区域。空间现象客观世界的现象划分为5类：可精密观测的自然对象（如建筑物边界）受采样限制的自然对象（如河流的边界）受定义限制的自然对象（如植被覆盖率大小和范围）不规则的人为对象（如行政区、TIN、Voronoi多边形）规则的人为对象（栅格、立方体元）空间实体对复杂地理事物和现象进行简化抽象得到的不可再分割的同类对象，就是地理空间实体，简称空间实体。空间实体具有4个基本特征：空间位置特征属性特征时间特征空间关系观察和认知信息选择、综合、简化和抽象空间事物或现象概念模型ConceptialModel逻辑数据模型LogicalDataModel编码、表达、建立空间关系物理数据模型PhysicalDataModel数据结构对数据进行组织概念世界最高层数据世界（计算机）中间层空间数据库最底层现实世界抽象世界还原世界概念数据模型地理空间中地理事物与现象的抽象概念集，是地理数据的语义解释；考虑用户需求的共性，用统一的语言描述和综合、集成各用户视图；构造概念模型应该遵循的基本原则：语义表达能力强；作为用户与GIS软件之间交流的形式化语言，应易于用户理解（如ER模型）；独立于具体计算机实现；尽量与系统的逻辑模型保持同一的表达形式，不需要任何转换，或者容易向逻辑数据模型转换。逻辑数据模型GIS描述概念数据模型中实体及其关系的逻辑结构，是系统抽象的中间层。逻辑数据模型的建立既要考虑用户易理解，又要考虑易于物理实现，易于转换成物理数据模型，例如UML建模通常所称的空间数据模型其实是空间数据的逻辑模型。物理数据模型概念数据模型在计算机内部具体的存储形式和操作机制，即在物理磁盘上如何存放和存取，是系统抽象的最底层。空间数据结构在逻辑数据模型和物理数据模型间，用于对逻辑数据模型描述的数据进行合理的组织，是逻辑数据模型映射为物理数据模型的中间媒介。3.2空间数据概念模型以GIS观点对客观世界建立模型，考虑如下对象：不连续对象，如道路、水域、建筑物；连续变化的对象，如地形的连续变化、温度范围等；分类的对象，如植被类型、气候带、年龄段等；突发事件：事故、水灾；某种人工选择的表达方式，如点、线、面、栅格等。概念模型只能体现地理空间的某一方面。对象模型场模型网络模型地理空间数据的概念模型对象模型场模型网络模型对象模型/要素模型将研究的整个地理空间看成一个空域，地理现象和空间实体作为独立的对象分布在该空域中,对象模型强调地理空间中的单个地理现象。按照其空间特征分为点、线、面、体四种基本对象;对象也可能由其他对象构成复杂对象，并且与其他分离的对象保持特定的关系，如点、线、面、体之间的拓扑关系;每个对象对应着一组相关的属性以区分各个不同的对象;对象模型把地理现象当作空间要素（Feature）或空间实体（Entity）,一个空间要素必须同时符合三个条件：可被标识在观察中的重要程度有明确的特征且可被描述传统的地图是以对象模型进行地理空间抽象和建模的实例。对象模型对空间要素的描述地理空间空间要素分类几何坐标非空间属性子部分超部分空间关系非空间关系时间关系子类超类场/域（field）模型把地理空间中的现象作为连续的变量或体来看待，如大气污染程度、地表温度、土壤湿度、地形高度以及大面积空气和水域的流速和方向等;根据不同的应用，场可以表现为二维或三维;一个二维场就是在二维空间R2中任意给定的一个空间位置上，都有一个表现某现象的属性值，即A＝f(x，y)一个三维场是在三维空间R3中任意给定一个空间位置上，都对应一个属性值，即A＝f(x，y，z)二维空间场一般采用6种具体的场模型来描述:规则分布的点不规则分布的点规则矩形区不规则多边形区不规则三角形区等值线网络模型网络是由欧式空间R2中的若干点及它们之间相互连接的线（段）构成。网络是由一系列节点和环链组成的，在本质上，网络模型可看成对象模型的一个特例，它是由点对象和线对象之间的拓扑空间关系构成的。概念模型的选择许多地理现象既可采用对象模型也可采用场模型来建模。“松树”，0≤x≤4；4≤y≤7f(x,y)=“冷杉”，0≤x≤3；0≤y≤4“槐树”，3≤x≤7；0≤y≤4按对象模型的林分建模按场模型的林分建模松树冷杉槐树（0,0）（0,4）（0,7）（3,0）（7,0）x多种林分的森林y区域ID主要林分区域/边界FS1松树(0,4),(7,4),(7,7),(0,7)FS2冷杉(0,0),(3,0),(3,4),(0,4)FS3槐树(3,0),(7,0),(7,4),(3,4)3.3空间数据与空间关系空间数据类型地理信息中的数据类型，概括起来主要有5种：几何图形数据影像数据属性数据地形数据元数据在具有智能化的GIS中还应有规则和知识数据空间数据的表示在二维空间中，不同类型的空间数据都可抽象表示为点、线、面三种基本的图形要素：空间数据的抽象表示实体点结点面标识点弧段面xy岛空间关系空间关系是指地理空间实体之间相互作用的关系。空间关系主要有：拓扑空间关系：用来描述实体间的相邻、连通、包含和相交等关系；顺序空间关系：用于描述实体在地理空间上的排列顺序，如实体之间前后、上下、左右和东、南、西、北等方位关系；度量空间关系：用于描述空间实体之间的距离远近等关系。空间拓扑关系地图上的拓扑关系是指图形在保持连续状态下的变形（缩放、旋转和拉伸等），但图形关系不变的性质。邻接关系：同类图形要素之间的拓扑关系，如点与点，线与线，面与面。关联关系：不同类别图形要素之间的拓扑关系，如点与线，线与点，线与面，面与点。包含关系：同类但不同级图形要素之间的拓扑关系（只有面类要素才有包含关系）。连通关系：空间图形中弧段之间的拓扑关系。邻接关系：面：P1/P2，P4；P2/P1，P4；P3/P4；P4/P1，P2，P4点：N1/N2，N3……线：A1/A2，A6，A7；A2/A1，A3，A5，A7……N1N2N3N5A3P3P2P4A1N4P1A2A4A5A6A7关联关系：点/线：N1/A1,A2,A3；N2/A1,A6,A7……线/面：A1/P1;A2/P1,P2;A3/P2,P4;A4/P3,P4…线/点：A1/N1,N2；A2/N1,N3;A4/N4,N4……面/线：P1/A1,A2,A7;…P4/A2,A3,A5;-A4……N1N2N3N5A3P3P2P4A1N4P1A2A4A5A6A7包含关系：P4包含P3；或P3包含于P4N1N2N3N5A3P3P2P4A1N4P1A2A4A5A6A7连通关系：A1与A2连通；A3与A5连通……N1N2N3N5A3P3P2P4A1N4P1A2A4A5A6A7节点－链（弧段）－多边形拓扑描述有时会产生歧意：解决方法：链具有方向性，沿着链运动时，多边形对象总是位于链的右侧，此时链的方向为正方向。当链运动到某节点时，以节点为轴按逆时针方向旋转，选取尚未走过的链的正方向离开节点的若干链的第一个链，依以上规则跟踪完。除结点、弧段和多边形来描述图形要素的拓扑关系外，不同类型的空间实体间也存在着拓扑关系。对于点、线、面三种类型的空间实体，它们两两之间存在着分离、相邻、重合、包含或覆盖、相交5种可能的关系。邻接相交重合相离包含点－点点－线点－面线－面面－面线－线不同类型空间实体间的空间关系关系空间数据的拓扑关系，对数据处理和空间分析具有重要的意义：拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何坐标关系有更大的稳定性，不随投影变换而变化。利用拓扑关系有利于空间要素的查询。可以根据拓扑关系重建地理实体。例如根据弧段构建多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的选择等。面—面关系：与某个面状地物相邻的所有多边形；线—线关系：如与某个河流关联的所有支流；点—点关系：如与某个水井相距小于3Km的其它井；线—面关系：如检索某国道经过的所有县市；面—线关系：如检索某县境内所有公路；点—线关系：如检索某公路边的加油站；点—面关系：如检索某县范围内邮电所分布情况；空间顺序关系顺序空间关系是基于空间实体在地理空间的分布，采用上下、左右、前后、东南西北等方向性名词来描述；同拓扑空间关系的形式化描述类似，也可以按点－点、点－线、点－面、线－线、线－面和面－面等多种组合来考察不同类型空间实体间的顺序关系；顺序空间关系必须是在对空间实体间方位进行计算后才能得出；实体间的顺序空间关系随着空间数据的投影、几何变换，顺序空间关系也会发生变化在目前的GIS中，并不对顺序空间关系进行描述和表达。基准方向基准方向基准方向点－点顺序关系点－线顺序关系点－面顺序关系线－线顺序关系线－面顺序关系面－面顺序关系基准方向基准方向基准方向不同类型实体间的顺序关系度量空间关系度量空间关系主要指空间实体间的距离关系；按照拓扑空间关系中建立点－点、点－线、点－面、线－线、线－面和面－面等不同组合来考察不同类型空间实体间的度量关系；距离的度量可以是定量的，如按欧几里德距离计算得出A实体距离B实体500m，也可以应用与距离概念相关的概念如远近等进行定性地描述；与顺序空间关系类似，距离值随投影和几何变换而变化。建立点－点的度量关系容易、点－线和点－面的度量关系较难，而线－线、线－面和面－面的度量关系更为困难，涉及大量的判断和计算；在GIS中，一般也不明确描述度量空间关系；3.4空间数据逻辑模型空间数据逻辑模型作为概念模型向物理模型转换的桥梁，根据概念模型确定的空间信息内容，以计算机能理解和处理的形式具体地表达空间实体及其关系。针对对象模型和场模型两类概念模型，一般采用：矢量数据模型栅格数据模型矢量——栅格一体化数据模型镶嵌数据模型面向对象数据模型另外，还有三维空间数据模型、时空数据模型等矢量数据模型矢量数据模型起源于“Spaghetti模型”——一种计算机制图模型电力塔56100005810000杨树林65750006555000松树林2314河流56实体类型实体ID类别位置点5电力塔x1,y1点6电力塔x1,y1线4河流x1,y1；x2,y2；…；xn,yn多边形1杨树林x1,y1；x2,y2；…；xn,yn;x1,y1多边形2杨树林x1,y1；x2,y2；…；xn,yn;x1,y1多边形3松树林x1,y1；x2,y2；…；xn,yn;x1,y1栅格数据模型点面线空间对象的栅格数据模型栅格数据模型栅格数据模型中，点实体是一个栅格单元（cell）或像元，线实体由一串彼此相连的栅格构成，面实体则由一系列相邻的栅格构成；每个栅格对应于一个或一组表示该实体的类型、等级等特征;栅格单元的形状通常是正方形，有时也采用矩形。栅格的行列信息和原点的地理位置被记录在每一层中;栅格的空间分辨率确定了描述空间现象的精细程度；若需要描述统一地理空间的不同属性，则按不同的属性将数据分层，每层描述一种属性。栅格数据模型：数据分层土壤地貌森林建筑物ZYX栅格数据模型：栅格单元的定义一个完整的栅格模型需要以下几个参数：栅格形状；栅格单元尺寸大小/分辨率；栅格原点；栅格的倾角；列行西南角格网坐标（XWS，YWS）格网分辨率X栅格形状Y栅格数据模型：栅格单元大小SL21L栅格数据模型：单元值确定CAB重要性A连续分布地理要素C具有特殊意义的较小地物A分类较细、地物斑块较小AB矢量——栅格一体化数据模型在矢量－栅格数据模型中，对地理空间实体同时按矢量数据模型和栅格数据模型来表述