2 空间数据与属性数据的集成2

第二章空间数据与属性数据的集成,南京师范大学泰州学院信息工程学院2020/5/2,典型的数据模型,地学关系模型栅格数据模型超图数据模型面向对象的数据模型特征数据模型面向对象的矢栅一体化三维数据模型集成化空间数据、属性数据管理模型,2020/5/2,2,超图数据模型,超图是有限集合的子集系统，是离散数学中最一般的结构。超图模型是建立在超图和集合论基础上的拓扑数据模型。超图模型的基本数据单元有:类、对象元素、类属性、对象元素属性、类关系、对象关系。,2020/5/2,3,类是表示具有相同的一些性质并可能表示成相同的关系。对象元素和对象元素属性表示类的组成、性质,在类中表示为顶点,在模型图中用圆点表示,其中一个特殊的顶点表示类的标志属性,其他的顶点表示类的对象元素和对象元素的属性。,2020/5/2,4,在超图数据模型中,属性的概念有很大的覆盖面,一个属性可以是:一个单一的数值、一个n维数组、一个程序或法则(如约束条件)、一个结构,其本身又可用超图描述。因此,属性不但描述了对象的静特性,而且描述其动特性,即描述定义对象或类的合法操作。,2020/5/2,5,类之间和类对象元素之间可有多种关系,这种关系可是层次性的,也可是非层次性的。超图类之间的层次关系表示了超图类的纵向关系,明晰地展现了面向对象模型的类继承、联合和聚集等。超图模型的非层次关系则表示了空间超图类的全方位横向关系,这种关系是空间分析和分布式计算的基础。,2020/5/2,6,超图模型的特点有:利用超图模型建立的GIS空间数据模型在提供纵向层次关系的同时,也提供了横向非层次关系。形象化地展示了空间数据的全方位关系,这种关系是分布式GIS计算的基础,基于这些关系的算法便于建立地理空间目标的自动综合。地理空间对象自动综合,通过模型和算法结合的实现要比单纯通过算法的实现可行或易行,而超图模型对空间问题提供了良好的解决这类问题的模型基础。自然的空间关系不需要生造拓扑关系,超图模型在提供空间现象和关系的同时,也蕴涵了空间的拓扑关系。,2020/5/2,7,面向对象的超图空间数据模型在面向对象的空间数据模型中,GIS空间要素可被抽象为几何对象模型地理对象模型地图表示结构对象模型图形计算对象模型,2020/5/2,8,几何对象模型几何对象模型抽取GIS空间要素的几何特性,这些几何对象描述了地物的形状、空间位置关系、空间拓扑关系以及几何度量信息,几何对象封装了所有的空间操作。几何对象按类分为:节点、弧段和多边形。地理对象模型地理对象用于定义和解释几何对象,给同一个几何对象赋予不同的属性,可以将同一个几何对象解释成不同的地物,地理对象可分为:点状地物、线状地物、面状地物、复杂地物和面条地物,地理对象的空间关系由组成它们的几何对象推导。,2020/5/2,9,地图表示对象模型地图表示分为物理表示结构和逻辑表示结构两大类,物理表示结构定义为表征GIS的分布特征、物理存储等;逻辑表示结构定义为GIS数据的专题层模型、数据格式、显示规则和用户界面等。图形计算对象模型图形计算对象模型定义为:GIS空间计算模式和功能、功能扩充接口、比例尺变换等。,2020/5/2,10,2020/5/2,11,基于超图的对象模型所表达的空间关系远较一般的对象模型的数据抽象所表达的关系丰富。超图模型的真正优势一方面在于其对象特性,另一方面在于其固有的超图特性和空间拓扑特性。,2020/5/2,12,超图模型研究的不足：一些主要的研究成果只是停留在空间元素的划分和简单的空间关系构造上,对超图空间数据模型的理论基础超图的研究则很少。对超图模型的分布特征的研究是不够的,对如何利用超图模型构造GIS的分布式运算;对如何利用超图模型构造GIS空间数据库的比例尺变换中的自动综合等,也未深入进行研究。对基于超图模型的GIS空间数据模型,如何利用面向对象技术进行集成等问题缺乏足够的研究。对超图模型中属性数据和空间图形对象的互为封装问题的研究更显不足。,2020/5/2,13,典型的数据模型,地学关系模型栅格数据模型超图数据模型面向对象的数据模型特征数据模型面向对象的矢栅一体化三维数据模型集成化空间数据、属性数据管理模型,2020/5/2,14,面向对象的数据模型,面向对象的数据模型可以将物体的空间图形数据属性数据集成在同一对象中处理，利于将两种数据对应起来，发现目标的几何性质与属性的对应关系。面向对象的数据模型提供了更丰富的表达能力，能够更“自然”地表示客观世界。,2020/5/2,15,四种地物点线面复杂,2020/5/2,16,四种对象零维一维二维复杂,传统数据模型把实体抽象为一系列目标定义这些目标、目标间关系以及目标的行为将空间行为模型与数据模型连接起来面向对象数据模型结构行为,2020/5/2,17,面向对象数据模型的行为模拟能力优于传统数据模型，它将空间行为和空间数据封装在一个对象中，并能方便提供超类与子类目标之间的知识继承、传播和集成，为空间目标识别和空间行为模拟提供方便。,2020/5/2,18,面向对象数据模型的四种抽象技术分类是一组具有相同属性和行为特性的对象。每个对象是类的一个实例，而类是一组对象型的抽象。概括将若干个类按照其共有的属性、操作和关联抽象为一个更通用的类的过程，称为概括。被概括的类称为子类（subclass），概括出的类称为超类（superclass）。,2020/5/2,19,联合把一组属于同一类的对象组合起来，形成一个更高级的集合对象。聚集把不同类型的对象联合起来，形成一个更高级的集合对象。,2020/5/2,20,面向对象数据模型为广泛使用OODB作为一个数据库系统还不十分成熟。与传统数据模型缺少应有的兼容性商业化程度不够,2020/5/2,21,典型的数据模型,地学关系模型栅格数据模型超图数据模型面向对象的数据模型特征数据模型面向对象的矢栅一体化三维数据模型集成化空间数据、属性数据管理模型,2020/5/2,22,特征数据模型,实体是真实世界的现象，不能被进一步细分为同一类现象特征是具有相同属性及关系的一类实体，特征的概念包含实体集，也包含时提及的数字描述,2020/5/2,23,特征数据模型的应用领域GIS标准化研究及标准制定基于特征的GIS数据库开发,2020/5/2,24,特征模型所依据的概念来自于地理学中的区域理论和认知心理学中的分类理论。用一个特征来表示一个地理现象是必不可少的,因为它能包含关于地理现象的信息的所有方面。在基于特征GIS中,属性和关系直接连接在特征的标识符上,可有效地描述特征的特性。在基于特征的GIS中,特征能被聚集或联合而形成一个复合特征,这种复合特征在通常的基于图层的GIS中是不能有效获得的。基于特征的GIS为复杂地理抽象产物的表示提供了一种手段。,2020/5/2,25,大部分GIS软件主要考虑了点、线、面空间目标之间中诸如邻接和包含等拓扑关系的编码。然而复杂目标的非空间(非拓扑和语义)关系往往未予考虑。为寻求一个更丰富的模型来对复杂地理实体进行编码,许多研究者把焦点集中在面向对象方法上,将其作为以整体方式体现地理特征和关系的一种可采用的方法。,2020/5/2,26,描述地理特征的对象应包括六个要素对六个要素的概括能够增强对现实世界现象的整体表示模式。,2020/5/2,27,两种对象类型特征对象类型描述一类地理特征的非空间特性几何对象类型存储关于地理特征空间位置的信息特征对象封装几何对象,因为几何对象储存特征对象的位置信息。几何对象包含一个标识符,另外还有特征的位置与拓扑关系信息。,2020/5/2,28,基于特征数据模型中使用六种基本的几何矢量对象,它们是点、结点、线段、链、环和多边形。这六种基本几何矢量对象之间的层次关系与传统的基于图层GIS模型中矢量数据的组织是一致的。在特征GIS模型中可以应用面向对象的抽象机制。这些机制提供更丰富更有表达力的概念,对于表达地理特征的层次关系是十分有用的。,2020/5/2,29,面向对象的基于特征数据模型的开发,应依据包括分类、概括、特殊化、聚集和联合在内的五种抽象机制的组合。,2020/5/2,30,面向对象的封装性,将用户定义的对象类中的数据与函数封装在一起,允许特征的整体表示。面向对象的继承性,允许地理特征的概括和特殊化,使得特征层次的表示变得容易,用户从而能够根据比例尺和分辨率从这个层次提取适合的对象。面向对象的多态性允许相同的消息为合适的类调用不同的方法,这方便了对不同但相似的对象的操作。面向对象及其抽象机制使复杂对象的表示和基于特征GIS系统的实现成为可能。,2020/5/2,31,典型的数据模型,地学关系模型栅格数据模型超图数据模型面向对象的数据模型特征数据模型面向对象的矢栅一体化三维数据模型集成化空间数据、属性数据管理模型,2020/5/2,32,模型采用矢量栅格化方法,将目标的点、线、面、体等矢量基元用栅格体元的有序集合表示,用目标矢量的栅格体元的集合运算来代替对矢量数据的操作和分析,因而该模型既具有矢量和栅格数据的特点,又实现了面向对象的表示。,2020/5/2,33,矢量数据模型的优点在于它表达位置精度高以及显式地建立目标的空间关系的能力。栅格数据模型的优点是它将整个空间划分为规则的、有序的、大小相等的子空间(体元),将矢量数据模型表示实体的空间关系的方式与栅格数据模型对空间的划分方式结合起来,并尽可能提高栅格划分精度,那么所建立的数据模型将同时具有矢量和栅格数据的优点。,2020/5/2,34,基于这样的设想,将整个三维空间划分为规则的、大小相等的、互不重叠的2n2n2n个基本小立方体,将三维目标定义为点、线、面、体4种类型,每种类型的目标均由小立方体填充。点、线、面、体以一种层次结构和空间关系相互联系,即体由面组成,面由线构成,线由点表达。,2020/5/2,35,在空间处理方面,与位置相关的叠置、布尔运算、求交、连通性分析、缓冲区分析等采用栅格方法。而地物之间的空间位置关系的计算和查询等则采用矢量的方法,并基于它们的子空间构成和空间关系进行。,2020/5/2,36,一体化模型与栅格模型的区别栅格模型通过将目标的标识符作为栅格体元的属性值来表示目标,属于一种面向栅格元素的方法;而一体化模型是在地物对象中记录地物所在的栅格元素的集合,栅格元素不必具有属性值,属于一种面向目标的方法。这对于叠置、求交等运算,只需通过集合操作就能实现。,2020/5/2,37,栅格模型对所有实节点(不管其属于哪一个目标)按照其内在的空间顺序进行存储,对目标的空间索引和目标之间的关系的表达只能依赖于体元的属性以及体元之间的相邻和连通关系进行推理,不利于目标的空间关系分析,而一体化模型是对目标的子空间按照层次化的结构进行组织。,2020/5/2,38,一体化模型与矢量模型的不同矢量模型对子空间(点、线、面、体)的划分是不规则的、无序的,而一体化模型则相反;矢量模型对目标只表示其端点(线)、边界线(面)和表面,而一体化模型除此以外,还对目标内部整个空间进行填充、表达。,2020/5/2,39,空间目标分为四种基本类型点状目标。点状目标是一个零维空间目标,用来表示点状地物和节点的空间位置。其空间位置由对应体元的栅格坐标确线状目标。线状目标是一维空间目标,它包括线状地物、拓扑弧段和无拓扑弧段。弧段是不可分支的线段,其形状可以是直线和折线。面状目标。面状目标是一个二维目标,包括无拓扑曲面、拓扑曲面和面状地物,可用来表示三维空间的面状地物和体状目标的表面。体状目标。体状目标指任意形状的三维空间体状地物。,2020/5/2,40,2020/5/2,41,矢栅一体化三维数据模型中,只需存储目标体元一种栅格数据,目标的位置、形状和拓扑关系等信息都可以得到描述,且目标层次简单、清晰,实现了栅格与矢量的面向目标的一体化表示。,2020/5/2,42,面向目标的栅格矢量一体化模型将栅格数据以矢量方式进行组织,从而同时具有矢量和栅格数据模型的优点,也克服了目前普遍应用的混合模型所存在的缺点,应是未来三维空间数据模型研究的发展方向。面向对象的表示不仅有利于空间数据的计算机存储管理,最主要的是使传统矢量模型中对矢量数据的求交等空间操作可以用简单的集合运算来代替,大大减小了计算的复杂度。,2020/5/2,43,三级栅格划分策略不仅可以减少空间数据存储单元,而且可以提高目标数据的空间查询和操作速度。规则的空间栅格划分需要动态地维护空间划分的一致性,这给几何变换等操作带来一定的难度,有待进一步研究。,2020/5/2,44,典型的数据模型,地学关系模型栅格数据模型超图数据模型面向对象的数据模型特征数据模型面向对象的矢栅一体化三维数据模型集成化空间数据、属性数据管理模型,2020/5/2,45,2空间数据与属性数据的集成,空间数据与属性数据的分离存储空间数据与属性数据的统一存储,2020/5/2,46,空间数据与属性数据的分离存储,空间数据的存储（文件系统）数据冗余度大且数据重复情况普遍缺乏数据独立性数据缺乏集中管理安全性和完整性无法保障无法进行文件共享和网络操作空间数据和属性数据分离,2020/5/2,47,栅格数据的存储（二维表优点）简单、灵活具有严密的数学基础和操作代数基础数据间的关系具有对称性用表格来表示现时实体间的联系,2020/5/2,48,属性数据与空间数据的组织空间数据与属性数据相结合空间数据存储在可索引的二进制文件中，利于访问和显示属性数据存储在关系表中有共同标识码连接能够存储矢量要素之间的拓扑关系,2020/5/2,49,混合模型（两个