第3章空间数据模型资料.ppt

1、第3章 空间数据模型,朱 莹,主要内容,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,地理空间与空间抽象,地理空间与空间实体 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 地理空间实体是对复杂地理事物和现象进行简化抽象得到的结果 空间实体的特征 与地理空间位置有关，具有一定的几何形态，分布状况以及彼此之间的相互关系 空间位置特征 属性特征 时间特征 空间关系,地理空间与空间实体,空间位置特征 表示空间实体在一定坐标系中的空间位置或几何定位，通常采用地理坐标的经纬度、空间直角坐标、平面

2、直角坐标和极坐标等来表示 也称为几何特征，包括空间实体的位置、大小、形状和分布状况等,地理空间与空间实体,属性特征 也称为非空间特征或专题特征，是与空间实体相联系的、表征空间实体本身性质的数据或数量，如实体的类型语义定义、量值等 类型 定性属性，如名称、类型、特性等 定量属性，如数量、等级等,地理空间与空间实体,时间特征 指空间实体随着时间变化而变化的特性 空间位置和属性同时变化 如旧城区改造中，房屋密集区拆迁新建商业中心 空间位置和属性独立变化 实体的空间位置不变，但属性发生变化，如土地使用权转让 属性不变而空间位置发生变化，如河流的改道,地理空间与空间实体,空间关系特征 在地理空间中，空间

3、实体一般都不是独立存在的，而是相互之间存在着密切的联系，这种相互联系的特性就是空间关系 空间关系分类 拓扑关系（topologicalspatialrelation） 顺序关系（orderspatialrelation） 度量关系（metricspatialrelation）,空间认知和抽象,数据模型是对现实世界进行认知、简化和抽象表达，并将抽象结果组织成有用、能反映形式世界真实状况数据集的桥梁，是地理信息系统的基础 首先对地理事物进行观察，认知其类型、特征、行为和关系，再对它进行分析、判别归类、简化、抽象和综合取舍 概念模型是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，从计算

4、机系统的角度来看，是抽象的最高层,空间认知和抽象,构造概念模型的基本原则 语义表达能力强 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 逻辑数据模型是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，是用户通过GIS（计算机系统）看到的现实世界地理空间 物理数据模型是概念数据模型在计算机内部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,空间数据概念模型,根据GIS数据组织和处理方式，地理空间数据的逻辑模型分为三类 对象模型 网络模型 场模型,空间数据概念模型,对象模型 也称作要素模型，将研究

5、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 按照空间特征分为点、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,空间数据概念模型,对象模型强调地理空间中的单个地理现象 对象模型适合于对具有明确边界的地理现象进行抽象建模 如建筑物、道路、公共设施和管理区域等人文现象 湖泊、河流、岛屿和森林等自然现象 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

6、有明确的特征且可被描述,空间数据概念模型,传统的地图以对象模型进行地理空间抽象和建模,空间数据概念模型,场模型 场模型，也称作域（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 场可以表现为二维或三维 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Af(x，y) 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Af(x，y，z),空间数据概念模型,连续变化的空间现象难以观察，在研究实际问题中，往往在有限时空范围内获取足够高精度的样点观测值来表征场

7、的变化 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。在平面区域布设数目有限、间隔固定且规则排列的样点，每个点都对应一个属性值，其他位置的属性值通过线性内插方法求得 不规则分布的点。在平面区域根据需要自由选定样点，每个点都对应一个属性值，其他任意位置的属性值通过克里金内插、距离倒数加权内插等空间内插方法求得 规则矩形区。将平面区域划分为规则的、间距相等的矩形区域，每个矩形区域称作格网单元（gridcell）。每个格网单元对应一个属性值，而忽略格网单元内部属性的细节变化,空间数据概念模型,不规则多边形区。将平面区域划分为简单连通的多边形区域，每个多边形区域的边界由一组点所定义；每个多边

8、形区域对应一个属性常量值，而忽略区域内部属性的细节变化 不规则三角形区。将平面区域划分为简单连通三角形区域，三角形的顶点由样点定义，且每个顶点对应一个属性值；三角形区域内部任意位置的属性值通过线性内插函数得到 等值线。用一组等值线C1，C2，Cn，将平面区域划分成若干个区域。每条等值线对应一个属性值，两条等值线中间区域任意位置的属性是这两条等值线的连续插值,空间数据概念模型,网络模型 网络模型与对象模型类似，都是描述不连续的地理现象，不同之处在于它需要考虑通过路径相互连接多个地理现象之间的连通情况 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 现实世界许多地理事物和现象可以构

9、成网络，如公路、铁路、通讯线路、管道、自然界中的物质流、物量流和信息流等,空间数据概念模型,网络是由一系列节点和环链组成的，与对象模型没有本质的区别 网络模型可以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 空间数据概念模型归结为对象模型（或称要素模型）和场模型（或称域模型）两类,概念模型的选择,以一个有不同林分覆盖的森林为例，分析两种不同概念模型的建模,y,概念模型的选择,对于现状不定的现象，如火灾、洪水和危险物泄漏，采用边界不固定的场模型进行建模 场模型通常用于具有连续空间变化趋势的现象，如海拔、温度、土壤变化等 在遥感领域，主要利用卫星和飞机上的传感器收集地表数据

10、，此时场模型是占主导地位的 对象模型一般用于具有明确边界和独立地理现象的建模，如道路、地块的征税和使用权等方面的建模,空间数据与空间关系,空间数据类型及其表示 地理信息中的数据来源和数据类型主要有五种 几何图形数据。来源于各种类型的地图和实测几何数据。几何图形数据不仅反映空间实体的地理位置，还反映实体间的空间关系 影像数据。主要来源于卫星遥感、航空遥感和摄影测量等 属性数据。来源于实测数据，文字报告，或地图中的各类符号说明，以及从遥感影像数据通过解释得到的信息等,空间数据与空间关系,地理信息中的数据来源和数据类型主要有五种 地形数据。来源于地形等高线图中的数字化，已建立的格网状的数字化高程模型

11、（DTM），或其他形式表示的地形表面（如TIN）等 元数据。关于数据的数据，如数据来源、数据权属、数据产生的时间、数据精度、数据分辨率、元数据比例尺、地理空间参考基准、数据转换方法等,空间数据与空间关系,空间数据的表示,空间数据与空间关系,点 标识空间点状实体，如水塔 标记点，仅用于特征的标注和说明 面域的内点用于标明该面域的属性 线的起点、终点或交点，则称为结点（Node） 线 具有相同属性点的轨迹，线的起点和终点表明了线的方向 如道路、河流、地形线、区域边界等均属于线状地物 线上各点具有相同的公共属性并至少存在一个属性 当线连接两个结点时，也称作弧段（Arc）或链（Link）,空间数据与空

12、间关系,面 线包围的有界连续的具有相同属性值的面域，或称为多边形（Polygon） 多边形可以嵌套，被多边形包含的多边形称为岛,空间关系,空间关系 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,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 地图上各种图形的形状、大小会随图形的变形而改变，但是图形要素间的邻接关系、关联关系、包含关系和

13、连通关系保持不变 拓扑空间中不考虑距离函数,空间拓扑关系,邻接关系 空间图形中同类元素之间的拓扑关系 多边形之间的邻接关系P1与P2、P4，P4与P1、P2、P4等 结点之间的邻接关系N1与N2、N3等,空间拓扑关系,关联关系 空间图形中不同类元素之间的拓扑关系 结点与弧段的关联关系N1与A1、A2、A3；N2与A1、A6、A7等 弧段与多边形的关联关系A1与P1，A2与P1等 弧段与结点的关联关系A1与N1、N2，A2与N1、N3等 多边形与弧段的拓扑关联关系P1与A1、A2、A7，P4与A2、A3、A5、A4等,空间拓扑关系,包含关系 空间图形中不同类或同类但不同级元素之间的拓扑关系 如多

14、边形P4中包含P3 连通关系 空间图形中弧段之间的拓扑关系 例如A1与A2、A6和A7连通,点、线、面三种类型的空间实体，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,空间拓扑关系,点点关系 点实体和点实体之间之间只存在相离和重合两种关系 如两个分离的村庄，变压器与电线杆在投影至平面空间上重合 点线关系 点实体和线实体间存在着相邻、相离和包含三种关系 如水闸和水渠相邻；道路与学校相离；里程碑包含在高速公路中 点面关系 点实体与面实体间存在着相邻、相离和包含三种关系 如水库与多

15、个泄洪闸门相邻，闸门位于水库的边界上；公园与远处的电视发射塔相离；耕地含有输电杆,空间拓扑关系,线线关系 线实体与线实体间存在着相邻、相交、相离、包含、重合关系 如供水主干管道与次干管道相邻（连通）；铁路和公路平面相交；国道和高速公路相离；河流中包含通航线；道路与沿道路铺设的管线在平面上重合 线面关系 线实体与面实体间存在着相邻、相交、相离、包含关系 如水库与上游及下游河流相邻；跨湖泊的通讯光纤与湖泊相交；远离某乡镇区域的高速公路；在某县境内的干渠等。 面面关系 面实体与面实体间存在着相邻、相交、相离、包含、重合关系 如地籍中相邻的两块宗地；土地利用图斑与地层类型图斑相交；某县域内包含多个乡镇

16、；宗地与建筑物底面重合等,空间拓扑关系,空间数据拓扑关系的作用 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 如某条铁路通过哪些地区，某县与哪些县邻接 如分析某河流能为哪些地区的居民提供水源 某湖泊周围的土地类型及对生物、栖息环境作出评价等。 可以根据拓扑关系重建地理实体 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,空间顺序关系,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 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相应的方位描述，而这种计算非常复杂，

17、实体间的顺序空间关系的构建目前尚没有很好的解决方法 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，所以在现在的GIS中，并不对顺序空间关系进行描述和表达,空间顺序关系,度量空间关系,主要指空间实体间的距离关系 与顺序空间关系类似，距离值随投影和几何变换而变化,空间数据逻辑模型,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、面向对象数据模型等逻辑模型来进行空间实体及其关系的逻辑表达,矢量数据模型,矢量数据模型起源于“Spaghetti模型”，是一种产生于计算机地图制图的数据模型，适合于用对象模型抽象的地理空间对象 点实体用一

18、对空间坐标表示，二维空间中对应为（x，y） 线实体由一串坐标对组成，二维空间中表示为（x1，y1）,（x2，y2）,（xn，yn） 面由其边界线表示，表示为首尾相连的坐标串，二维空间中对应为（x1，y1）,（x2，y2）,（xn，yn）,（x1，y1）,矢量数据模型,每一个实体都给定一个惟一标识符（Identifier）来标识该实体 矢量数据模型能够精确地表示点、线及面实体，并且能方便地进行比例尺变换、投影变换以及输出到笔式绘图仪上或视频显示器上,矢量数据模型,空间实体的空间特征信息（位置）连同属性信息一起组织并存储，则根据属性特征的不同，点可用不同的符号来表示，线可用不同的颜色、粗细不等、样

19、式不同的线型绘制，多边形则可以填充不同的颜色和图案 矢量数据模型可以明确地描述图形要素间的拓扑关系 在矢量数据模型中，空间实体现象是由点、线和面等原型实体及其集合来表示 观察的尺度或者概括的程度影响着使用原型的种类 在小比例尺图中，城镇这类对象可以用点表示，道路和河流由线表示 在较大比例尺图中，城镇被表示为一定形状的多边形，包括建筑物的边界、公园、道路等实体。,栅格数据模型,栅格数据模型适用于场模型抽象的的空间对象，采用面域或空域的枚举来直接描述空间实体 栅格可以用数字矩阵来表示，地理空间坐标隐含在矩阵的行列上 应用栅格数据模型进行数字图象处理和分析已被广泛应用于遥感、医学图象、计算机视觉等领

20、域 栅格数据模型 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像元构成 面实体则由一系列相邻的像元构成，像元的大小是一致的,栅格数据模型,每个像元对应于一个表示实体属性的值 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 当栅格单元太粗糙，未能与空间目标相吻合时，就会丢失某些高分辨率情况下的细节信息 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,栅格数据模型,栅格数据模型,栅格的空间分辨率是指一个像元在地面所代表的实际面积大小 随着分辨率的提高，对存储空间的要求将成几何级数地增加。因此，在栅格数据模型

21、中，选择空间分辨率时必须考虑存储空间和处理时间的开销，同时需要籍助相应的空间数据结构来组织数据并压缩数据量，以节省存储空间 栅格数据模型特点 优点：不同类型的空间数据层可以进行叠加操作，不需要经过复杂的几何计算 缺点：对于一些变换、运算，如比例尺变换、投影变换等则操作不太方便,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 面状实体的边界采用矢量数据模型描述，而其内部采用栅格数据模型表达 线状实体一般采用矢量数据模型表达，同时将线所经过位置以栅格单元进行充填 点实体则同时描述其空间坐标以及栅格单元位置,矢量栅格一体化数据模型,保留了矢量数据模

22、型的全部特性，空间实体具有明确的位置信息，并能建立和描述拓扑关系 建立了栅格与实体的联系，即明确了栅格与实体的对应关系,镶嵌数据模型,镶嵌（Tessellation）数据模型采用规则或不规则的小面块集合来逼近自然界不规则的地理单元，适合于用场模型抽象的地理现象 通过描述小面块的几何形态、相邻关系及面块内属性特征的变化来建立空间数据的逻辑模型 根据面块的形状，镶嵌数据模型可分为规则镶嵌数据模型和不规则镶嵌数据模型,规则镶嵌数据模型,用规则的小面块集合来逼近自然界不规则的地理单元 在实际应用中，普遍采用正方形或矩形进行地理空间的划分，此时的规则镶嵌数据模型就转化为栅格数据模型 构造规则镶嵌的方法

23、用数学手段将一个铺盖网格叠置在所研究的区域上，把连续的地理空间离散为互不覆盖的面块单元(网格) 划分之后，简单化了空间变化的描述，同时也使得空间关系(如毗邻、方向和距离等)明确，可进行快速的布尔集合运算 在这种结构中每个网格的有关信息都是基本的存储单元,不规则镶嵌数据模型,不规则镶嵌数据结构是指用来进行镶嵌的小面块具有不规则的形状或边界 最典型的不规则镶嵌数据模型有Voronoi图（也称作Thiessen多边形）和不规则三角网（Triangular Irregular Network，简称TIN）模型 当用有限离散的观测样点来表示某地理现象的空间分布规律时，适合于采用不规则镶嵌数据模型,不规则

24、镶嵌数据模型,虚线为Voronoi多边形的边界，实线为TIN边，小圆点代表采样观测点,不规则镶嵌数据模型,Voronoi多边形的特点 组成多边形的边总是与两相邻样点的连线垂直，并且多边形内的任何位置总是离该多边形内样点的距离最近，离相邻多边形内样点的距离远，且每个多边形内包含且仅包含一个样点 以Voronoi多边形内的样点属性作为整个多边形区域的属性 Voronoi多边形可用于许多空间分析问题，如邻接、接近度（Proximity）和可达性分析等，以及解决最近点（closestpoint）、最小封闭圆问题,不规则镶嵌数据模型,TIN采用不规则的三角网形成对地理空间的完整覆盖 三角网中三角形大小随

25、样点密度的变化自动变化，所有样点都称为三角形的顶点，当样点密集时生成的三角形小，而样点较稀时则三角形较大 TIN在表示不连续地理现象时也具有优势，如用TIN表示地形的变化，将悬崖、断层、海岸线、山谷山脊线等作为约束条件，可构造约束TIN 在TIN模型中，有一种与Voronoi多边形对偶的Delaunay三角网，这是一种满足最大空圆准则的三角网，即任一三角形的外接圆内不包含其它样点,不规则镶嵌数据模型,方案一,方案二,不规则镶嵌数据模型,由样点构成的Delaunay三角网的特性 三角网的网形是唯一的，即点的次序不变 每一个三角形的内角为可能的最大角度，符合“三角剖分最小内角为最大”的最优化条件

26、Delaunary三角网按照最大空圆准则，根据离散点直接构造,不规则镶嵌数据模型,在实际应用中，往往先构造Voronoi多边形或Delaunay三角网，再构造另一种模型 将相邻Voronoi多边形内包含的样点连接起来，即形成Delaunary三角网 对Delaunary三角网的每个三角形计算其外心（各边垂直平分线的交点），将相邻三角形的几何中心两两相连，即可得到Voronoi多边形的边 对三角网，表达各三角形的顶点位置和属性、顶点与三角形的连接关系、三角形的连接关系，可得到TIN的逻辑数据模型,面向对象数据模型,面向对象数据模型应用面向对象方法描述空间实体及其相互关系，特别适合于采用对象模型抽

27、象和建模的空间实体的表达 面向对象技术的核心是对象（object）和类（class） 对象是指地理空间的实体或现象，是系统的基本单位 如多边形地图上的一个结点或一条弧段是对象，一条河流或一个宗地也是一个对象 对象是由描述该对象状态的一组数据和表达它的行为的一组操作（方法）组成的 每个对象都有一个惟一的标识号（ObjectID）作为识别标志,面向对象数据模型,类是具有部分系统属性和方法的一组对象的集合，是这些对象的统一抽象描述，其内部也包括属性和方法两个主要部分 类是对象的共性抽象，对象则是类的实例（Instance） 属于同一类的所有对象共享相同的属性和方法，但也可具有类之外的自身特有的属性和

28、方法 类的共性抽象构成超类（super-class），类成为超类的一个子类 一个类可能是某些类的超类，也可能是某个类的子类，从而形成类的“父子”关系,面向对象数据模型,面向对象方法将对象的属性和方法进行封装（encapsulation），还具有分类（classification）、概括（generalization）、聚集（aggregation）、联合（association）等对象抽象技术以及继承（inheritance）和传播（propagation）等抽象工具,面向对象数据模型,分类 把具有部分相同属性和方法的实体对象进行归类抽象的过程 如将城市管网中的供气管、给水管、有线电视电缆等都作为类。 概括 把具有部分相同属性和方法的类进一步抽象为超类的过程 如将供水管线、供热管线等概括为“管线”