第二章_從現(xiàn)實到比特世界_第三章_GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類

1、第二章 從現(xiàn)實世界到比特世界湖南城市學(xué)院湖南城市學(xué)院 第第 3 3 講（一）講（一）課課 題：題：從現(xiàn)實世界到比特世界從現(xiàn)實世界到比特世界目的要求：目的要求：了解空間認(rèn)知學(xué)對現(xiàn)實世界進(jìn)行抽象的過程,理解地理認(rèn)知模型和空間數(shù)據(jù)庫模型的概念和作用，加深對空間數(shù)據(jù)和空間信息的理解。教學(xué)重點：教學(xué)重點：地理認(rèn)知模型、空間數(shù)據(jù)庫模型教學(xué)難點：教學(xué)難點：認(rèn)知學(xué)對現(xiàn)實世界進(jìn)行抽象的過程教學(xué)課時：教學(xué)課時：1課時教學(xué)方法教學(xué)方法: 講授本次課涉及的學(xué)術(shù)前沿：本次課涉及的學(xué)術(shù)前沿：地理認(rèn)知模型（面向?qū)ο?場 網(wǎng)絡(luò)） 學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)n 了解空間認(rèn)知學(xué)對現(xiàn)實世界進(jìn)行抽象的過程n 理解地理認(rèn)知模型和空間數(shù)據(jù)庫模型的

2、概念和作用，加深對空間數(shù)據(jù)和空間信息的理解。 地理信息流與地理信息科學(xué)三個領(lǐng)域地理信息流與地理信息科學(xué)三個領(lǐng)域 地理概念形式表達(dá)地理時空思考地地理理信信息息科科學(xué)學(xué)三三個個領(lǐng)領(lǐng)域域地地理理信信息息流流地理認(rèn)知模型研究地理概念計算方法研究地理信息與社會研究現(xiàn)實世界概念世界數(shù)字世界（GIS）應(yīng)用領(lǐng)域信 息服 務(wù)與計算機(jī)實現(xiàn)1對現(xiàn)實世界的地理認(rèn)知對現(xiàn)實世界的地理認(rèn)知 n 地理空間認(rèn)知的含義 n 地圖認(rèn)知模型n 地圖是客觀世界的形象符號概括模型 n 地理客體的科學(xué)認(rèn)知 （1 1）地理空間認(rèn)知）地理空間認(rèn)知地理空間認(rèn)知： 研究人類如何認(rèn)知自己賴以生存的地理環(huán)境（主要指地球的四大圈層 巖石圈、水圈、大氣圈

3、、生物圈），包括位置、分布、關(guān)系、變化和規(guī)律等。（1）地理空間認(rèn)知）地理空間認(rèn)知地理空間認(rèn)知過程： 經(jīng)過地理感知、表象再現(xiàn)、地理記憶和地理思維四個過程，借助圖像或者地圖（心像地圖和認(rèn)知制圖）來實現(xiàn)的。心像地圖心像地圖是人類對地理空間多次感知的基礎(chǔ)上（實地考察、地圖參考、文獻(xiàn)閱讀）綜合形成的一種印象或者心理表征；認(rèn)知制圖認(rèn)知制圖通常發(fā)生在人類使用地圖的過程中，把新近獲得的信息與地圖信息綜合起來進(jìn)行決策，如：定位、定向、導(dǎo)航等。制圖活動過程 思維客觀現(xiàn)實世界感知系統(tǒng)制圖綜合與內(nèi)容選取信息處理系統(tǒng)信息表達(dá)系統(tǒng)地圖客觀世界抽象地圖編制者的認(rèn)識模型 地 圖 所 表 達(dá) 的 客 觀 世 界地 圖 使 用

4、者 的 知 識 背 景形 象 思 維 與 再 現(xiàn)綜 合 與 分 析被 認(rèn) 識 的 客 觀 世 界感 知 系 統(tǒng)地圖使用者的認(rèn)識模型 （2）地圖認(rèn)知模型）地圖認(rèn)知模型（3 3）地圖是客觀世界的形象）地圖是客觀世界的形象符號符號概括模型概括模型n 地圖具有形象性，能對實際對象做出完整的、清晰的、和直觀的圖形描述和說明n 地圖是采用專門設(shè)計和事先規(guī)定的符號來反映地物、現(xiàn)象和地理過程n 地圖是通過地圖制圖工作者通過對地物進(jìn)行取舍、圖形化簡、數(shù)量和質(zhì)量概括、抽象出來的模型。（4）地理客體的科學(xué)認(rèn)知）地理客體的科學(xué)認(rèn)知n 地理認(rèn)知：制圖過程，讀圖過程n 地理認(rèn)知是地理模型的基礎(chǔ)，是制圖概括的基礎(chǔ)n 地理認(rèn)

5、知貫穿于制圖概括的整個過程（設(shè)計階段，編繪階段）2現(xiàn)實世界的抽象現(xiàn)實世界的抽象 OGC 九層次抽象尺度世界Dimensional world地理空間世界Geospatial world地理點列point幾何特征geometry地理要素feature地理要素集合Feature collections概念世界Conceptual world現(xiàn)實世界Real world項目世界Project world感知世界工程世界現(xiàn)實世界 概念世界 地理空間世界 維度世界 項目世界 2現(xiàn)實世界的抽象現(xiàn)實世界的抽象物理數(shù)據(jù)模型邏輯數(shù)據(jù)模型概念模型現(xiàn)實世界地里實體或現(xiàn)象最高層中間層最低層數(shù)據(jù)世界（機(jī)器）概念世界（大

6、腦）設(shè)計實現(xiàn)認(rèn)知、抽象與概念模型化n 三層次模式3比特世界n 3.1 比特世界 現(xiàn)實世界的信息數(shù)學(xué)的分析、預(yù)報、決策或控制現(xiàn) 實 世 界 的 分析、預(yù)報、決策或控制數(shù)學(xué)模型翻譯、歸納解譯檢驗演繹推斷現(xiàn)實世界與數(shù)學(xué)模型的關(guān)系 3.2 GIS空間數(shù)據(jù)建模空間數(shù)據(jù)建模數(shù)據(jù)建模相關(guān)的概念數(shù)據(jù)建模相關(guān)的概念(1)模型：是對現(xiàn)實世界的模擬和抽象，是將系統(tǒng)的各個要素通過適當(dāng)?shù)暮Y選，用一定的表現(xiàn)規(guī)則描寫出來的簡明映像(2)數(shù)據(jù)模型： 也是一種模型，它是現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)特征的抽象，表示實體以及實體間的聯(lián)系。 根據(jù)一定的方案建立的數(shù)據(jù)邏輯組織方式。 對數(shù)據(jù)庫而言，數(shù)據(jù)模型反映了數(shù)據(jù)的整體邏輯結(jié)構(gòu)，或用戶所看到的數(shù)據(jù)之

7、間的邏輯結(jié)構(gòu)，反應(yīng)了實體之間的邏輯關(guān)系。 3.2 GIS空間數(shù)據(jù)建?？臻g數(shù)據(jù)建模數(shù)據(jù)建模相關(guān)的概念數(shù)據(jù)建模相關(guān)的概念(3)數(shù)據(jù)建模：是指把現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)組織為有用且能反映真實信息的數(shù)據(jù)集的過程。數(shù)據(jù)建模過程數(shù)據(jù)建模過程第一步，選擇一種數(shù)據(jù)模型來對現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織；第二步，選擇一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表達(dá)該數(shù)據(jù)模型；第三步，選擇一種適合于記錄該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的文件格式。3.2 GIS空間數(shù)據(jù)建?？臻g數(shù)據(jù)建模GIS空間數(shù)據(jù)建模的基本任務(wù):針對所研究的空間現(xiàn)象或問題，描述 GIS的空間數(shù)據(jù)組織，設(shè)計GIS空間數(shù)據(jù)庫模式，設(shè)計在計算機(jī)中的物理組織、存儲路徑和數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)等。 外模式 1 物理數(shù)據(jù)模型 邏輯數(shù)據(jù)模型

8、 空間概念數(shù)據(jù)模型 外模式 2 外模式 3 現(xiàn)實空間世界 空間數(shù)據(jù)模型的三個層次 3.3 GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類一、空間數(shù)據(jù)模型的發(fā)展與數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。一、空間數(shù)據(jù)模型的發(fā)展與數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。n 第一代層次與網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫（以1969年IBM公司研制的IMS為標(biāo)志）帶動了GIS層次數(shù)據(jù)模型（Hierarchical Model）和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型（Network Data Model）的發(fā)展；n 第二代關(guān)系數(shù)據(jù)庫（以O(shè)racle, SQL Server, Sybase為代表）帶動了GIS關(guān)系數(shù)據(jù)模型的發(fā)展；n 而面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型技術(shù)對數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，成為

9、第三代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要標(biāo)志，進(jìn)而促進(jìn)了GIS面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型Object-oriented Data Model）的發(fā)展。第三代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要特點是數(shù)據(jù)庫技術(shù)和其他技術(shù)相結(jié)合，表現(xiàn)為分布式數(shù)據(jù)庫、工程數(shù)據(jù)庫、演繹數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫、地理數(shù)據(jù)庫等新技術(shù)層出不窮，進(jìn)而帶動了GIS超圖數(shù)據(jù)模型的研究和發(fā)展。3.3 GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類地理空間認(rèn)知模型（概念模型）、地理空間數(shù)據(jù)模型（邏輯模型）、地理空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（物理模型），構(gòu)成了對地理實體、現(xiàn)象及其關(guān)系，從地理現(xiàn)實世界到計算機(jī)世界（數(shù)據(jù)世界）的三個表達(dá)層次。 3.3 GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類地理認(rèn)知模型（概念模型）地理空間數(shù)據(jù)模型

10、（邏輯模型2）地理空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（物理模型2）抽象具體地理學(xué)語言定義和描述 計算機(jī)形式化語言定義和描述或其它建模語言定義和描述計算機(jī)數(shù)據(jù)庫語言定義和描述地理空間數(shù)據(jù)模型（邏輯模型1）地理空間數(shù)據(jù)模型（邏輯模型n）地理空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（物理模型2）地理空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（物理模型n）認(rèn)知理論和方法建模角度與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫條件條件條件文件3.3 GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類n 二、二、GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類 GIS空間概念數(shù)據(jù)模型（基于要素的模型，網(wǎng)絡(luò)模型，場模型）空間概念數(shù)據(jù)模型（基于要素的模型，網(wǎng)絡(luò)模型，場模型）（空間認(rèn)（空間認(rèn)知模型）知模型） 空間邏輯數(shù)據(jù)模型空間邏輯數(shù)據(jù)

11、模型（空間數(shù)據(jù)模型）（空間數(shù)據(jù)模型） 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型 結(jié)構(gòu)化邏輯數(shù)據(jù)模型 （層次、網(wǎng)絡(luò)） 面向操作的邏輯數(shù)據(jù)模型 （關(guān)系） 矢量模型，柵格模型，數(shù)字高程模型矢量模型，柵格模型，數(shù)字高程模型，面向?qū)ο竽Ｐ?，混合?shù)據(jù)模型 （TIN與矢量的一體化模型，柵格與矢量一體化的多級格網(wǎng)模型 ） 物理數(shù)據(jù)模型物理數(shù)據(jù)模型 （空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)） 設(shè)計空間數(shù)據(jù)的物理組織、空間存取方法、數(shù)據(jù)庫總體存儲結(jié)構(gòu)等。設(shè)計空間數(shù)據(jù)的物理組織、空間存取方法、數(shù)據(jù)庫總體存儲結(jié)構(gòu)等。3.3 GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類三、空間數(shù)據(jù)模型三、空間數(shù)據(jù)模型與與空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別與聯(lián)系：之間的區(qū)別與聯(lián)系：空間數(shù)據(jù)

12、模型：空間數(shù)據(jù)模型：是關(guān)于現(xiàn)實世界中空間實體及其相互間聯(lián)系的概念，它為描述空間數(shù)據(jù)的組織和設(shè)計空間數(shù)據(jù)庫模式提供著基本方法?？臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：是指對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的組織，以便于進(jìn)行計算機(jī)處理。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)模型和計算機(jī)文件格式之間的中間媒介。區(qū)別與聯(lián)系：區(qū)別與聯(lián)系：兩者之間的區(qū)別很模糊，事實上，空間數(shù)據(jù)模型是空間數(shù)據(jù)表達(dá)的概念模型，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)表達(dá)的物理實現(xiàn)，后者是前者的具體實現(xiàn)。空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象概括與概念集合代碼映射與具體操作3.3 GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型是人們對客觀現(xiàn)實世界抽象表達(dá)的重要方式，處于對地理實體或現(xiàn)象抽象表達(dá)層次模式的中

13、間層。它是由現(xiàn)實世界到計算機(jī)世界的必經(jīng)之路，是定義空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、建立空間數(shù)據(jù)庫的重要依據(jù)。3.3 GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類空間圖形 空間圖形的層次數(shù)據(jù)模型表示 四、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型四、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型1、層次模型、層次模型3.3 GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類圖形的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型表示 四、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型四、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型2、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型3.3 GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類四、四、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型3、關(guān)系數(shù)據(jù)模型、關(guān)系數(shù)據(jù)模型關(guān)系4：節(jié)點坐標(biāo)關(guān)系節(jié)點IDXYZV1X1Y1Z1V2X2Y2Z2V3X3Y3Z3V4X4Y4Z43.3 GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類四、四、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

14、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型4、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型存在的主要問題、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型存在的主要問題 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型在描述空間信息方面還存在著一些問題。主要表現(xiàn)在：3.3 GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類(1) 層次模型用于層次模型用于GIS地理數(shù)據(jù)庫的局限性地理數(shù)據(jù)庫的局限性 層次模型反映了地理世界中實體之間的層次關(guān)系，在描述地理世界中自然的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系時簡單、直觀，易于理解，并在一定程度上支持?jǐn)?shù)據(jù)的重構(gòu)。它用于GIS地理數(shù)據(jù)庫存在的主要問題是：1很難描述復(fù)雜的地理實體之間的聯(lián)系，描述多對多的關(guān)系時導(dǎo)致物理存儲上的冗余；3.3 GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類2對任何對象的查詢都必須從層次結(jié)構(gòu)的根結(jié)點開始，低層次對象的查詢效

15、率很低，很難進(jìn)行反向查詢；3數(shù)據(jù)獨立性較差，數(shù)據(jù)更新涉及許多指針，插入和刪除操作比較復(fù)雜，父結(jié)點的刪除意味著其下層所有子結(jié)點均被刪除；4層次命令具有過程式性質(zhì)，要求用戶了解數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)，并在數(shù)據(jù)操縱命令中顯式地給出數(shù)據(jù)的存取路徑；5基本不具備演繹功能和操作代數(shù)基礎(chǔ)。3.3 GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類n (2)網(wǎng)狀模型用于網(wǎng)狀模型用于GIS地理數(shù)據(jù)庫的局限性地理數(shù)據(jù)庫的局限性 網(wǎng)狀模型是層次模型的一般形式，反映了地理世界中常見的多對多關(guān)系，在一定程度上支持?jǐn)?shù)據(jù)的重構(gòu)，具有一定的數(shù)據(jù)獨立和數(shù)據(jù)共享特性，且運行效率較高。用于GIS地理數(shù)據(jù)庫的主要問題如下：3.3 GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類

16、1由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，增加了用戶查詢的定位困難，要求用戶熟悉數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，知道自己所處的位置；2網(wǎng)狀數(shù)據(jù)操作命令具有過程式性質(zhì)，存在與層次模型相同的問題；3不直接支持對于層次結(jié)構(gòu)的表達(dá)；4基本不具備演繹功能和操作代數(shù)基礎(chǔ)。3.3 GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類n (3) 關(guān)系模型用于關(guān)系模型用于GIS地理數(shù)據(jù)庫的局限性地理數(shù)據(jù)庫的局限性 關(guān)系模型表示各種地理實體及其間的關(guān)系，方式簡單、靈活，支持?jǐn)?shù)據(jù)重構(gòu)；具有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，并與一階邏輯理論密切相關(guān)，具有一定的演繹功能；關(guān)系操作和關(guān)系演算具有非過程式特點。 盡管如此，關(guān)系模型用于GIS地理數(shù)據(jù)庫也還存在一些不足。主要問題是：3.3 GIS空

17、間數(shù)據(jù)模型的概念與分類1無法用遞歸和嵌套的方式來描述復(fù)雜關(guān)系的層次和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，模擬和操作復(fù)雜地理對象的能力較弱；2用關(guān)系模型描述本身具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和涵義的地理對象時，需對地理實體進(jìn)行不自然的分解，導(dǎo)致存儲模式、查詢途徑及操作等方面均顯得語義不甚合理；3由于概念模式和存儲模式的相互獨立性，及實現(xiàn)關(guān)系之間的聯(lián)系需要執(zhí)行系統(tǒng)開銷較大的聯(lián)接操作，運行效率不夠高。 不難看出，關(guān)系模型的根本問題是不能有效地管理復(fù)雜地理對象。作業(yè)及思考題作業(yè)及思考題n 1、空間數(shù)據(jù)模型和空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)概念的區(qū)別和聯(lián)系是什么？n 2、分析比較三種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型存儲空間圖形數(shù)據(jù)的方法和特點，它們存在的問題是什么？a23P15c1h

18、e6P2P3bfgM47d3、給出下圖的關(guān)系數(shù)據(jù)模型示意圖。課課 題：題：空間數(shù)據(jù)模型（一）目的要求：目的要求：了解空間數(shù)據(jù)模型的類型及其特點，理解場模型和要素模型教學(xué)重點：教學(xué)重點：空間數(shù)據(jù)模型的類型及其特點教學(xué)難點：教學(xué)難點：理解場模型和要素模型教學(xué)課時：教學(xué)課時：1課時教學(xué)方法教學(xué)方法: 講授本次課涉及的學(xué)術(shù)前沿：本次課涉及的學(xué)術(shù)前沿：第第 3 3 講（二）講（二）第三章 空間數(shù)據(jù)模型地理信息系統(tǒng)原理、方法和應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)（一）學(xué)習(xí)目標(biāo)（一）n 了解空間數(shù)據(jù)模型的類型及其特點n 理解場模型和要素模型1. 空間數(shù)據(jù)模型的基本問題空間數(shù)據(jù)模型的基本問題n 地理空間地理空間(Geo-spatia

19、l)的概念的概念概念：概念：是指物質(zhì)、能量、信息的存在形式在形態(tài)、結(jié)構(gòu)過程、功能關(guān)系上的分布方式和格局及其在時間上的延續(xù)。我們通常所說的地理空間即地球表層，其基準(zhǔn)是陸地表面和大洋表面，它是人類活動頻繁發(fā)生的區(qū)域，是人地關(guān)系最為復(fù)雜、緊密的區(qū)域。 地理空間（Geo-spatial）一般分為：絕對空間絕對空間：是具有屬性描述的空間位置的集合，它由一些列不同位置的空間坐標(biāo)值組成。相對空間相對空間：是具有空間屬性特征的實體的集合，由不同實體間的空間關(guān)系構(gòu)成。1. 空間數(shù)據(jù)模型的基本問題空間數(shù)據(jù)模型的基本問題n 空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型概念：是關(guān)于現(xiàn)實世界中空間實體及其相互間聯(lián)系的概念，它為描述空間數(shù)據(jù)

20、的組織和設(shè)計空間數(shù)據(jù)庫模式提供著基本方法。類型：基于對象（要素）（Feature）的模型：離散對象描述網(wǎng)絡(luò)（Network）模型：交通、水系等網(wǎng)絡(luò)狀對象描述場（Field）模型：連續(xù)對象的描述（二維，三維）1. 空間數(shù)據(jù)模型的基本問題空間數(shù)據(jù)模型的基本問題n GIS空間數(shù)據(jù)模型的學(xué)術(shù)前沿空間數(shù)據(jù)模型的學(xué)術(shù)前沿 時空數(shù)據(jù)模型：核心問題是研究如何有效地表達(dá)、記錄和管理現(xiàn)實世界的實體及其相互關(guān)系隨時間不斷發(fā)生的變化。 三維空間數(shù)據(jù)模型 ：三維矢量模型和體模型 分布式空間數(shù)據(jù)模型：分布式空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和聯(lián)邦空間數(shù)據(jù)庫 CASE工具（計算機(jī)輔助軟件工程工具）:發(fā)展GIS空間數(shù)據(jù)建模與系統(tǒng)設(shè)計的專用功

21、能，提高GIS空間數(shù)據(jù)建模及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的自動化程度和技術(shù)水平2. 場模型場模型場模型：場模型：n 適合用來描述具有一定空間內(nèi)連續(xù)分布特點的對象n 根據(jù)應(yīng)用的不同場可以表現(xiàn)為二維或三維場n 場的表現(xiàn)形式通常由一系列等值線組成，等值線就是地面上所有具有相同屬性值的點的有序集合 舉例：覆蓋Coverage，對現(xiàn)象建模如溫度，土壤分布等等。n 場模型可以表示為如下的數(shù)學(xué)公式： z : s z ( s ) 上式中，上式中，z為可度量的函數(shù)，s表示空間中的位置，因此該式表示了從空間域（甚至包括時間坐標(biāo)）到某個值域的映射。下表給出了地理研究中一些場模型的例子給出了地理研究中一些場模型的例子A. Vcko

22、vski。場模型定義域維數(shù)值域維數(shù)自變量因變量T(z) 11空間坐標(biāo)（高程）高度z處的氣溫E(t) 13時間坐標(biāo)某時刻的靜電力H(x,y) 21空間坐標(biāo)地表高程P(x,y,z) 31空間坐標(biāo)土壤的孔隙度v(,z) 33空間坐標(biāo)（,經(jīng)緯度，z高度）風(fēng)速（三維矢量）(x,y,z) 39空間坐標(biāo)壓力張量(,p,t) 41p壓力面，t時間潛溫t(,p) 3p壓力面時間序列的潛溫I(x,y,z,t,) 51x,y,z,t時空坐標(biāo)，波長波長的電磁波在x,y,z,t處的輻射強(qiáng)度2. 場模型場模型n 場的特征：空間結(jié)構(gòu)特征和屬性域(歐幾里德空間，屬性域)連續(xù)的、可微的、離散的各向同性和各向異性（其場內(nèi)性質(zhì)與方

23、向有關(guān)或無關(guān)）空間自相關(guān)（對場中的數(shù)值聚集程度的一種度量）在各向同性與各向異性場中的旅行時間面 強(qiáng)空間正負(fù)自相關(guān)模式 2. 場模型場模型n柵格數(shù)據(jù)模型 柵格數(shù)據(jù)模型是基于連續(xù)鋪蓋的，它是用二維鋪蓋或劃分覆蓋整個連續(xù)空間；鋪蓋可以分為規(guī)則的和不規(guī)則的，后者可當(dāng)做拓?fù)涠噙呅翁幚砣切?、方格和六角形劃?柵格數(shù)據(jù)模型 3要素模型要素模型 1. 基本概念 歐氏空間：帶坐標(biāo)的可測量點之間的距離和方向的空間模型 歐氏平面：把空間特性轉(zhuǎn)換成實數(shù)的元組特性，而形成的二維模型即歐氏平面 地理實體：分布于地球表面的人文和自然現(xiàn)象的總稱實體必須符合三個條件：可被識別重要（與問題有關(guān)）可被描述（有特征）3要素模型要素

24、模型n 嵌入式空間：是指空間對象存在于“空間”之中?？臻g對象的定義取決于嵌入式空間的結(jié)構(gòu)。n 常用的嵌入式空間類型： 歐式空間（距離、方位） 量度空間（距離） 拓?fù)淇臻g（拓?fù)潢P(guān)系） 面向集合的空間（只采用一般的基于集合的關(guān)系）3要素模型要素模型1）歐氏平面上的空間對象類型 空間對象 延伸對象 零維對象點 二維對象 一維對象 環(huán) 弧 簡單環(huán) 簡單弧 面對象 面域?qū)ο?域單位對象 3要素模型要素模型2）離散歐氏平面上的空間對象離散一維對象B 樣條曲線多邊線線段3要素模型要素模型3）要素模型和場模型的比較 現(xiàn)實世界 選擇要素 選擇一個位置 要素模型 場模型 它在哪里 那里怎么樣 數(shù)據(jù) 3要素模型要素

25、模型n 2. 矢量數(shù)據(jù)模型 101102201202203301302101102201202203301302點坐標(biāo)文件線坐標(biāo)文件面坐標(biāo)文件點屬性表文件線屬性表文件面屬性表文件點坐標(biāo)文件線坐標(biāo)文件面坐標(biāo)文件點屬性表文件線屬性表文件面屬性表文件其它圖形關(guān)系文件圖元素獨立存儲圖元素非獨立存儲通過FID連接通過FID連接空間圖形空間數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)不包含拓?fù)鋽?shù)據(jù)包含拓?fù)鋽?shù)據(jù)(a)Spaghetti模型(b)拓?fù)淠Ｐ褪噶繑?shù)據(jù)模型 n 思考題： 基于要素的模型和基于場的模型的概念及特點。 第第4講講 空間數(shù)據(jù)模型（二）課課 題：空間數(shù)據(jù)模型（二）題：空間數(shù)據(jù)模型（二）目的要求：目的要求：掌握矢量數(shù)據(jù)模型和

26、柵格數(shù)據(jù)模型下空間實體表達(dá)的方式。理解基于要素空間關(guān)系分析中九交模型的表達(dá)方式，理解網(wǎng)絡(luò)模型的特點。教學(xué)重點：教學(xué)重點：矢量數(shù)據(jù)模型和柵格數(shù)據(jù)模型空間實體的表達(dá)、九交模型教學(xué)難點：教學(xué)難點：拓?fù)潢P(guān)系的分析和表達(dá)教學(xué)課時：教學(xué)課時：2課時教學(xué)方法教學(xué)方法: 講授本次課涉及的學(xué)術(shù)前沿：本次課涉及的學(xué)術(shù)前沿：時空模型 三維模型學(xué)習(xí)目標(biāo)（二）學(xué)習(xí)目標(biāo)（二）n 重點掌握矢量數(shù)據(jù)模型和柵格數(shù)據(jù)模型以及在這兩種模型下空間實體表達(dá)的方式。 n 理解基于要素空間關(guān)系分析中九交模型的表達(dá)方式n 理解網(wǎng)絡(luò)模型的特點1、空間實體及類型、空間實體及類型空間實體：空間實體： 指具有形狀、屬性和時序特征的空間對象，它是對存

27、在于自然世界中地理實體的抽象?？臻g實體類型空間實體類型 任何地理實體都可以抽象為點、線、面、體等基本類型，以表示它的位置、形狀、大小、高低等特征。一、空間實體及一、空間實體及表達(dá)表達(dá)4. 4. 地理空間及其表達(dá)地理空間及其表達(dá)以地圖為例，來了解空間實體的抽象及表達(dá)以地圖為例，來了解空間實體的抽象及表達(dá)點實體點實體4.4.地理空間及其表達(dá)地理空間及其表達(dá)v有位置，無寬度和長度，維數(shù)為0；v抽象的點美國佛羅里達(dá)洲地震監(jiān)測站2002年9月該洲可能的500個地震位置4.4.地理空間及其表達(dá)地理空間及其表達(dá)點實體點實體 有如下幾種類型：有如下幾種類型：實體點實體點Entity point：用來代表一個實

28、體；：用來代表一個實體； 注記點注記點Text point：用于定位注記；：用于定位注記；內(nèi)點內(nèi)點Test point：用于負(fù)載多邊形的屬性，存在：用于負(fù)載多邊形的屬性，存在于多邊形內(nèi)；于多邊形內(nèi)；結(jié)點結(jié)點Node：表示線的終點和起點；：表示線的終點和起點；角點角點Vertex：表示線段和弧段的內(nèi)部點。：表示線段和弧段的內(nèi)部點。線實體線實體4.4.地理空間及其表達(dá)地理空間及其表達(dá)v有長度，但無寬度和高度，維數(shù)為1；v用來描述線狀實體，通常在網(wǎng)絡(luò)分析中使用較多香港城市道路網(wǎng)分布4.4.地理空間及其表達(dá)地理空間及其表達(dá)線實體線實體有如下特性：有如下特性：實體長度：從起點到終點的總長；實體長度：從起

29、點到終點的總長；彎曲度：用于表示像道路拐彎時彎曲的程度；彎曲度：用于表示像道路拐彎時彎曲的程度；方向性：水流方向是從上游到下游，公路則有單向與雙向之分。方向性：水流方向是從上游到下游，公路則有單向與雙向之分。線狀實體包括線段、邊界、鏈、弧段、網(wǎng)絡(luò)等，線狀實體包括線段、邊界、鏈、弧段、網(wǎng)絡(luò)等， 如下圖所示：如下圖所示：線實體類型線實體類型面實體面實體4.4.地理空間及其表達(dá)地理空間及其表達(dá)v具有長和寬的目標(biāo)，有連續(xù)面和不連續(xù)面；v通常用來表示自然或人工的封閉多邊形中國土地利用分布圖（不連續(xù)面）4.4.地理空間及其表達(dá)地理空間及其表達(dá)面狀實體有如下空間特性： 面積范圍； 周長； 獨立性或與其它的地

30、物相鄰，如中國及其周邊國家； 內(nèi)島或鋸齒狀外形； 重疊性與非重疊性； 面實體類型如下圖所示：面實體類型如下圖所示： 面狀實體類型面狀實體類型面實體（續(xù)）有不連續(xù)面和連續(xù)面之分面實體（續(xù)）有不連續(xù)面和連續(xù)面之分4.4.地理空間及其表達(dá)地理空間及其表達(dá)不連續(xù)變化曲面，如土壤、森林、土地利用等，屬性變化發(fā)生在邊界上，面的內(nèi)部是同質(zhì)的。連續(xù)變化曲面，如地形起伏，整個曲面在空間上曲率變化連續(xù)。不連續(xù)變化曲面連續(xù)變化曲面體體4.4.地理空間及其表達(dá)地理空間及其表達(dá)v有長、寬、高的目標(biāo)；v通常用來表示人工或自然的三維目標(biāo)，如建筑、礦體等三維目標(biāo)u矢量表達(dá)矢量表達(dá) 在矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，地理實體的形狀和位置是由一

31、組坐標(biāo)對所確定。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對地理實體的描述類似于地圖對地理信息的描述，一般也把地理實體分為點、線、面、體等四種，每種實體有不同的編碼方法。 u柵格表達(dá)柵格表達(dá) 在柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，整個地理空間被規(guī)則地分為一個個小塊（通常為正方形），地理實體的位置是由占據(jù)小塊的橫排與豎列的位置決定，小塊的位置則由其橫排豎列的數(shù)碼決定，每個地理實體的形態(tài)是由柵格或網(wǎng)格中的一組點來構(gòu)成。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和遙感圖象的數(shù)據(jù)相同，因而數(shù)字遙感圖象就是柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。2、空間實體的表達(dá)（空間實體的表達(dá)（計算機(jī)計算機(jī)）4.4.地理空間及其表達(dá)地理空間及其表達(dá)矢量數(shù)據(jù)柵格數(shù)據(jù)數(shù)字高程（1）空間實體的矢量表達(dá)）空間實體的矢量表達(dá)矢量維

32、數(shù)實體類型空間表達(dá)描述代表地物零維點實數(shù)對（x ，y）一個數(shù)據(jù)點，具有一對(x，y)坐標(biāo)和至少一個屬性，邏輯上不能再分。水井、污染源等。一維線：弧、鏈一組離散化的實數(shù)點對具有相同屬性的點的軌跡，由坐標(biāo)對序列表示，坐標(biāo)對的順序與線的形狀有關(guān)，線上每個點有不多于二個的鄰點。道路、公共設(shè)施網(wǎng)等。二維面：多邊形一組閉合弧段所包圍的空間區(qū)域所有具有相同屬性點的軌跡，以(x，y)坐標(biāo)隊的集合表示，坐標(biāo)隊的排列順序不影響面的形態(tài)、其內(nèi)部點可以有多于三個的鄰點，面內(nèi)點具有相同屬性。土壤、植被、巖石分類區(qū)、行政區(qū)劃等。三維體由一組或多組閉合曲面所包圍的空間對象地形，溫度4.4.地理空間及其表達(dá)地理空間及其表達(dá)矢

33、量表達(dá)法示意（矢量表達(dá)法示意（點、線、面點、線、面）4.4.地理空間及其表達(dá)地理空間及其表達(dá)點：位置（x，y） 屬性：符號線：位置(x1 ，y1 ), (x2 ，y2 ) ， ， (xn ， yn ) 屬性：符號，形狀、顏色、尺寸面：位置(x1 ， y1 ), (x2 ，y2 ) ， ， (xn ， yn ) 屬性：符號變化，等值線矢量表達(dá)法示意（矢量表達(dá)法示意（ 體：體：TIN ）把一表面表示成一系列相連接的三角形，這些三角形在一組結(jié)點(Nodes)之中，按照一定規(guī)則連接相鄰結(jié)點形成的邊(Edges)組成的。結(jié)點可以位于任何地方,但是結(jié)點布置得好壞,直接影響到連續(xù)面模型的精度，好的結(jié)點應(yīng)位于

34、表面形狀發(fā)生顯著變化的地方。三角形不規(guī)則網(wǎng)的表達(dá)4.4.地理空間及其表達(dá)地理空間及其表達(dá)TINTIN表達(dá)示意表達(dá)示意4.4.地理空間及其表達(dá)地理空間及其表達(dá)（2 2）柵格表達(dá)法）柵格表達(dá)法點：具有一定數(shù)值的柵格單元線：表現(xiàn)為按線特征相連接的一組單元面：表現(xiàn)為按二維形狀特征相連接的一組單元+(a) 點的柵格表達(dá)(b) 線的柵格表達(dá)(c) 面的柵格表達(dá)柵格表示法的精度：依賴于每個柵格單元所實際代表的地面區(qū)域的大小，柵格代表的區(qū)域越小，精度越高。4.4.地理空間及其表達(dá)地理空間及其表達(dá)矢量表達(dá)和柵格表達(dá)矢量表達(dá)和柵格表達(dá)4.4.地理空間及其表達(dá)地理空間及其表達(dá)湖泊河道居民地流路5基于要素的空間關(guān)系分

35、析基于要素的空間關(guān)系分析 1. 基本概念 地理要素之間的空間區(qū)位關(guān)系可抽象為點、線（或?。⒍噙呅危▍^(qū)域）之間的空間幾何關(guān)系 。5基于要素的空間關(guān)系分析基于要素的空間關(guān)系分析2 2、空間實體空間關(guān)系研究的意義、空間實體空間關(guān)系研究的意義鐵路小鎮(zhèn)鐵路過小鎮(zhèn)嗎？線點河流小路小路穿過河流嗎？線線河流小路河流在區(qū)域嗎？線面5基于要素的空間關(guān)系分析基于要素的空間關(guān)系分析鐵路區(qū)域有鐵路嗎？面線區(qū)域有郵局嗎？面點 郵局 區(qū)域相臨嗎？面面因此，實體之間的關(guān)系包括點、線、面等之間組合。因此，實體之間的關(guān)系包括點、線、面等之間組合。5基于要素的空間關(guān)系分析基于要素的空間關(guān)系分析3 3、空間實體關(guān)系的形式化表示、空

36、間實體關(guān)系的形式化表示5基于要素的空間關(guān)系分析基于要素的空間關(guān)系分析3 3、空間實體關(guān)系的形式化表示、空間實體關(guān)系的形式化表示面-線空間關(guān)系的形式化表達(dá)5基于要素的空間關(guān)系分析基于要素的空間關(guān)系分析面-點空間關(guān)系的形式化表達(dá)線-點空間關(guān)系的形式化表達(dá)在空間實體組合關(guān)系研究中，可以使用在空間實體組合關(guān)系研究中，可以使用“九交模型九交模型”來表示。來表示。5基于要素的空間關(guān)系分析基于要素的空間關(guān)系分析4. 拓?fù)淇臻g關(guān)系分析 拓?fù)鋵傩酝負(fù)鋵傩?拓?fù)鋵傩酝負(fù)鋵傩?在拓?fù)渥儞Q下能夠保持不變的幾何屬性，它描述了兩個對象之間在拓?fù)渥儞Q下能夠保持不變的幾何屬性，它描述了兩個對象之間的關(guān)系，因此又稱為拓?fù)潢P(guān)系的

37、關(guān)系，因此又稱為拓?fù)潢P(guān)系 。 點集拓?fù)鋵W(xué)點集拓?fù)鋵W(xué) 點集拓?fù)鋵W(xué)是拓?fù)涿枋龅臄?shù)學(xué)基礎(chǔ) 空間關(guān)系數(shù)據(jù)空間關(guān)系數(shù)據(jù)主要是指點-點、點-線、點-面、線-線、線-面、面-面之間的相互關(guān)系。5基于要素的空間關(guān)系分析基于要素的空間關(guān)系分析 九交模型九交模型：設(shè)現(xiàn)實世界中的兩個簡單實體A,B，B(A),B(B)表示A、B的邊界，I(A),I(B)表示A、B的內(nèi)部， E(A),E(B)表示A、B的余。Egenhofer【1993】構(gòu)造出一個由邊界、內(nèi)部、余的點集組成的9交空間關(guān)系模型（9-intersection Model，9-IM）如下:B(A) B(B)B(A) I(B)B(A) E(B)I(A) B(B

38、)I(A) I(B)I(A) E(B)E(A) B(B)E(A) I(B)E(A) E(B)5基于要素的空間關(guān)系分析基于要素的空間關(guān)系分析1B(A) B(B)2I(A) I(B)3B(A) I(B)4I(A) B(B)5E(A) E(B)6E(A) B(B)7E(A) I(B)8B(A) E(B)9I(A) E(B)表3-2中九交模型矩陣的排列順序如左表所示。參考：張駿,秦小麟,包磊.一種三維空間9-交模型的簡化方法J,南京航空航天大學(xué)學(xué)報,20069-交模型所述拓?fù)潢P(guān)系r031r279r220r285r476511r287r179r400r435r031r255r285r063r412r19

39、1r319r253r316r220r030r284r092r030r092r284r031r159r255r435r400r095r287r277面/面關(guān)系面/線關(guān)系面/點關(guān)系線/點關(guān)系線/線關(guān)系5基于要素的空間關(guān)系分析基于要素的空間關(guān)系分析5. 方向空間關(guān)系分析方向空間關(guān)系分析方向關(guān)系描述方向關(guān)系描述 方向關(guān)系又稱方位關(guān)系、延伸關(guān)系，它定義了地物對象之間方向關(guān)系又稱方位關(guān)系、延伸關(guān)系，它定義了地物對象之間的方位。的方位。8種關(guān)系（正東，正西，正南，正北，北西、北東、南西、南東）擴(kuò)充之后得出4種關(guān)系東方（正東or北東or南東）南方北方西方方向關(guān)系識別方向關(guān)系識別 (首先判斷首先判斷MBR)5基

40、于要素的空間關(guān)系分析基于要素的空間關(guān)系分析6. 度量空間關(guān)系分析度量空間關(guān)系分析 基本空間對象度量關(guān)系包含點-點、點-線、點-面、線-線、線-面、面-面之間的距離空間指標(biāo)量算 區(qū)域空間指標(biāo)包括：幾何指標(biāo):位置、長度、面積、方位等自然地理參數(shù)：坡度、坡向、河網(wǎng)密度、地形起伏度等人文地理指標(biāo)：差異指數(shù)、人口密度、交通便利度等5基于要素的空間關(guān)系分析基于要素的空間關(guān)系分析6. 度量空間關(guān)系分析度量空間關(guān)系分析地理空間的距離度量的幾種形式：地理空間的距離度量的幾種形式：大地測量距離：地球大圓中兩地中心的距離大地測量距離：地球大圓中兩地中心的距離曼哈頓距離：緯度差加上經(jīng)度差曼哈頓距離：緯度差加上經(jīng)度差旅

41、行時間距離：用一系列指定航線表示旅行時間距離：用一系列指定航線表示辭典距離：在一固定地名冊中城市位置的絕對差值辭典距離：在一固定地名冊中城市位置的絕對差值6網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型n1. 網(wǎng)絡(luò)空間(a) (b)Konigsberg Park中的圖形理論模型6網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型2. 網(wǎng)絡(luò)模型n 網(wǎng)狀模型將數(shù)據(jù)組織成有向圖結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中結(jié)點代表數(shù)據(jù)記錄，連線描述不同結(jié)點數(shù)據(jù)間的關(guān)系。有向圖（Digraph）的形式化定義為： Digraph = (Vertex,Relation) 其中Vertex為圖中數(shù)據(jù)元素（頂點）的有限非空集合；Relation是兩個頂點（Vertex）之間的關(guān)系的集合。6網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型n 網(wǎng)狀模型

42、的基本特征是：結(jié)點數(shù)據(jù)間沒有明確的從屬關(guān)系，一個結(jié)點可以與其他多個結(jié)點建立聯(lián)系，反映了多對多的關(guān)系n 存在的問題：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了查詢和定位的難度操作命令具有過程式性質(zhì)不直接支持對于層次結(jié)構(gòu)的表達(dá)基本不具備演繹功能基本不具備操作代數(shù)基礎(chǔ)7時空模型n 時空數(shù)據(jù)模型概述 研究概述 1、SGIS與TGIS2、TGIS的特點是語義更豐富、對現(xiàn)實世界的描述更準(zhǔn)確其物理現(xiàn)實的最大困難在于海量數(shù)據(jù)的組織和存取3、本質(zhì)特點是時空效率4、TGIS模型有 空間時間立方體模型 序列快照模型（概念模型，無實用價值） 基圖修正模型 空間時間組合體模型5、TGIS的研究思路 ：綜合模型和分解模型7時空模型n 時空數(shù)據(jù)模型設(shè)計的基