GIS空間數據模型

1、2.5 GIS空間數據模型 一、數據模型概述 數據模型是對現實世界部分現象的抽象，它描述了數據的基本結構及其相互之間 的關系和在數據上的各種操作。 是數據庫系統(tǒng)中關于數據內容和數據間聯系的邏輯組織的形式表示， 以抽象的形式描述和反映地理實體構成及其相互關系。 選擇與建立數據模型的目的是用最佳的方式表達實體對象及其相互關系，并能以 最佳的方式為用戶提供訪問數據庫的邏輯接口 數據模型的三要素：數據結構、數據操作和數據的約束條件 數據結構：指數據的組織形式，在計算機存儲、管理和處理的數據邏輯結構 數據模型：是描述實體及其相互關系的數學描述，是空間數據庫建立的邏輯 模型。 兩者之間的關系：混合的交叉關

2、系，并不一一對應。 二、傳統(tǒng)的數據模型 1.層次數據模型u層次模型是一種樹結構模型，它把數據按自然的層次關系組織起來，以反映數據之間的隸屬關系。u層次模型是數據庫技術中發(fā)展最早、技術上比較成熟的一種數據模型。u層次模型的特點是地理數據組織成有向有序的樹結構(又稱樹形結構)。結構中的結點代表數據記錄，連線描述位于不同結點數據間的從屬關系(一對多的關系) 2.5 GIS空間數據模型 二、傳統(tǒng)的數據模型 1.層次數據模型由樹的定義知，一棵樹有且僅有一個無雙親結點的稱為根的結點；其余結點有且僅有一個雙親結點優(yōu)點：將數據組織成有向有序結構 反映了現實世界中實體之間 的層次關系缺點：不能表示多對多的關系難

3、以 顧及實體之間的拓撲關系導 致數據冗余2.5 GIS空間數據模型 二、傳統(tǒng)的數據模型 2.網狀數據模型網狀模型將數據組織成有向圖結構，圖中的結點代表數據記錄，連線描述不同結點數據間的聯系。基本特征是，結點數據之間沒有明確的從屬關系，一個結點可與其它多個結點建立聯系，即結點之間的聯系是任意的，任何兩個結點之間都能發(fā)生聯系，可表示多對多的關系。 2.5 GIS空間數據模型 二、傳統(tǒng)的數據模型 2.網狀數據模型優(yōu)點：可以描述現實世界中極為常 見的多對多的關系缺點：結構的復雜性限制了它在空 間數據庫的使用2.5 GIS空間數據模型 二、傳統(tǒng)的數據模型 3.關系數據模型在關系數據模型中，數據的邏輯結構

4、為滿足一定條件的二維表，表具有固定的列數和任意行數，在數學上稱為“關系”。 二維表是同類實體的各種屬性的集合，每個實體對應表中的一行，在關系中稱為元組，相當于通常的一個記錄； 表中的列表示屬性，稱為域，相當于通常的記錄中的數據項。滿足一定條件的規(guī)范化關系的集合，就構成了關系模型。使用SQL語言對其進行操作。 2.5 GIS空間數據模型 二、傳統(tǒng)的數據模型 3.關系數據模型優(yōu)點：結構簡單靈活； 容易維護和理解，表現在數據的修改和更新方便； 有些系統(tǒng)甚至采用關系數據庫系統(tǒng)管理幾何圖形數據。缺點：效率不高； 難以表達對象，尤其是復雜對象。2.5 GIS空間數據模型 二、傳統(tǒng)的數據模型 4.傳統(tǒng)數據模

5、型的比較2.5 GIS空間數據模型 二、傳統(tǒng)數據模型存儲空間數據的局限性 1.層次數據模型用于GIS地理數據庫的局限性 1）很難描述復雜的地理實體之間的聯系，描述多對多的關系時導致物理 存儲上的冗余 2）對任何對象的查詢都必須從根結點開始，低層次對象的查詢效率很低， 很難進行反向查詢 3）數據獨立性較差，數據更新涉及許多指針，插入和刪除操作比較復雜， 父結點的刪除意味著其下層所有子結點均被刪除； 4）層次命令具有過程式性質，要求用戶了解數據的物理結構，并在數據 操縱命令中顯式地給出數據的存取路徑； 5）基本不具備演繹功能和操作代數基礎。2.5 GIS空間數據模型 二、傳統(tǒng)數據模型存儲空間數據的

6、局限性 2.網狀數據模型用于GIS地理數據庫的局限性 1）由于網狀結構的復雜性，增加了用戶查詢的定位困難，要求用戶熟悉數據 的邏輯結構，知道自己所處的位置； 2）網狀數據操作命令具有過程式性質，存在與層次模型相同的問題 3）不直接支持對于層次結構的表達 4）基本不具備演繹功能和操作代數基礎。2.5 GIS空間數據模型 二、傳統(tǒng)數據模型存儲空間數據的局限性 3.關系數據模型用于GIS地理數據庫的局限性 在GIS分析中，需要綜合運用實體之間的空間關系和屬性數據，要求GIS數據庫能對實體的屬性數據和空間數據進行綜合管理?？臻g 數據庫屬性為火車站的點所有屬性為汽車站的點空間 計算距離最近的汽車站檢索檢

7、索GIS分析找離火車站最近的汽車站？2.5 GIS空間數據模型 二、傳統(tǒng)數據模型存儲空間數據的局限性 3.關系數據模型用于GIS地理數據庫的局限性 對屬性數據用通用RDBMS可以很好管理，但對于空間數據一般DBMS卻有局限，表現為： 1）無法用遞歸和嵌套的方式來描述復雜關系的層次和網狀結構，模擬和操作 復雜地理對象的能力較弱 2）描述本身具有復雜結構和涵義的地理對象時，需對地理實體進行不自然的分 解，導致存儲模式、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，及實現關系之間的聯系需要執(zhí)行系 統(tǒng)開銷較大的聯接操作，運行效率不夠高。2.5 GIS空間數據模型 二、

8、傳統(tǒng)數據模型存儲空間數據的局限性 3.關系數據模型用于GIS地理數據庫的局限性 對屬性數據用通用RDBMS可以很好管理，但對于空間數據一般DBMS卻有局限，表現為： 4）一般RDBMS難于存儲和維護變長的空間數據及其拓撲關系 5）一般RDBMS難以實現對空間數據的關聯、連通、包含、疊加基本操作。 6）一般DBMS不能支持GIS需要的一些復雜圖形功能 7）一般RDBMS難以支持復雜的地理信息 8）一般RDBMS難以維護系統(tǒng)數據的完整性。2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 1.面向對象的基本思想 通過對問題領域進行自然的分割， 用更接近人類通常思維的方式建立問題領域的模型， 并進行結構模

9、擬和行為模擬， 從而使設計出的軟件能盡可能地直接表現出問題的求解過程。 2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 2.基本概念 對象：含有數據和操作方法的獨立模塊，可以認為是數據和行為的統(tǒng)一體。 對于一個對象，應具有如下特征： A. 具有一個唯一的標識，以表明其存在的獨立性； B. 具有一組描述特征的屬性，以表明其在某一時刻的狀態(tài) (靜態(tài)屬性數據) C. 具有一組表示行為的操作方法，用以改變對象的狀態(tài)(作用,功能函數,方法)地理對象屬性 數據行為方法劃分原則：找共同點，所有具有共性的系統(tǒng)成份就可為一種對象。2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 2.基本概念 類：共享同一屬性和方法集

10、的所有對象的集合構成類。 從一組對象中抽象出公共的方法和屬性，并將它們保存在一類中，是面向對象的 核心內容。如河流均具有共性，如名稱、長度、流域面積等，以及相同的操作 方法，如查詢、計算長度、求流域面積等，因而可抽象為河流類。 實例：被抽象的對象，類的一個具體對象 類是抽象的對象，是實例的組合，類、實例是相對的，類和實例的關系為上下 層關系。 類申請實例成為具體對象。 類實例A實例B2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 2.基本概念 消息：對對象進行操作的請求，是連接對象與外部世界的唯一通道。 方法：對對象的所有操作，如對對象的數據進行操作的函數、指令等。 對 象 A對 象 B請求和協

11、作消息2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 3.面向對象的特性 抽象：是對現實世界的簡明表示。 對象是抽象思維的結果。 抽象思維是通過概念、判斷、推理 來反映對象的本質，揭示對象內部 聯系的過程。 面向對象方法具有很強的抽象表達能力，可以將對象抽象成對象類， 實現抽象的數據類型，允許用戶定義數據類型。對 象 A對 象 C對 象 B現實世界抽象2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 3.面向對象的特性 封裝：指把對象的狀態(tài)及其操作集成化， 使之不受外界影響。 也即將方法與數據放于一對象中， 以使對數據的操作只可通過該對象本身的方法來進行。 一對象不能直接作用于另一對象的數據，對象間

12、的通信只能通過消 息來進行。 封裝是一種信息隱蔽技術，封裝的目的 在于將對象的使用者和對象的設計者分開， 用戶只能見到對象封裝界面上的信息， 對象內部對用戶是隱蔽的。 屬性|數據行為|方法地理對象封裝2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 3.面向對象的特性 多態(tài)：是指同一消息被不同對象接收時，可解釋為不同的含義。 發(fā)送一般的消息，把實現的細節(jié)都留給接收消息的對象。 即相同的操作可作用于多種類型的對象，并能獲得不同的結果。 功能重載-多態(tài)，簡化消息，但功能不減。 LineDraw()圖元類CLineDraw(p1, p2)Draw(p1, r)CCircleCircle2.5 GIS空間

13、數據模型 三、面向對象模型 4.四種核心技術 分類：把一組具有相同屬性結構和操作方法的對象歸納或映射為一個 公共類的過程。 對象和類的關系是“實例”(instance of ) 如城鎮(zhèn)建筑可分為行政區(qū)、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、文化區(qū)等若干個類。 以住宅區(qū)類而論，每棟住宅作為對象都有門牌號、地址、電話號碼等相同的 屬性結構，但具體的門牌號、地址、電話號碼等是各不相同的。 當然，對它們的操作方法如查詢等都是相同的。 在面向對象的數據庫中，只需對每個類定義一組操作，供該類中的每個對象使用，而類中每一個對象的屬性值要分別存儲，因為每個對象的屬性值是不完全相同的。 2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型

14、4.四種核心技術 概括：將相同特征和操作的類再抽象為一個更高層次、更具一般性的 超類的過程。子類是超類的一個特例。(繼承機制) 子類與超類是“即是”的關系(is-a) 概括可能有任意多層次 概括技術避免了說明和存儲上的大量冗余。 如住宅地址、門牌號、電話號碼等是“住宅”類的實例(屬性)， 同時也是它的超類“建筑物”的實例(屬性)。 概括需要一種能自動地從超類的屬性和操作中獲取子類對象的屬性 操作的機制，即繼承機制。 城市住宅農村住宅住 宅建筑城市住宅農村住宅住 宅2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 4.四種核心技術 聚集：是把幾個不同性質類的對象組合成一個更高級的復合對象的過程。 “

15、成分”與“復合對象”的關系是“部分”(partsof)的關系, 如醫(yī)院由醫(yī)護人員、病人、門診部、住院部、道路等聚集而成 每個不同屬性的對象是復合對象的一個部分，有自己的屬性數據和操作方法； 復合對象也有自己的屬性值和操作，復合對象的操作與其成分的操作是不兼容的 2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 4.四種核心技術 聯合：將同一類對象中的幾個具有部分相同屬性值的對象組合起來， 形成一個更高水平的集合對象的過程。 “成員”與“集合對象”的關系是“成員”(memberof)的關系。 在聯合中，強調的是整個集合對象的特征，而忽略成員對象的具體細節(jié)。 集合對象通過其成員對象產生集合數據結構，

16、集合對象的操作由其成員對象的操作組成。 如一個農場主有三個水塘，它們使用同樣的養(yǎng)殖方法，養(yǎng)殖同樣的水產品， 由于農場主、養(yǎng)殖方法和養(yǎng)殖水產品等三個屬性都相同， 故可以聯合成一個包含這三個屬性的集合對象。 2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 5.面向對象的核心工具 繼承：一類對象可繼承另一類對象的特性和能力，子類繼承父類的共性，繼承不僅一類對象可繼承另一類對象的特性和能力，子類繼承父類的共性，繼承不僅 可以把父類的特征傳給中間子類，還可以向下傳給中間子類的子類。可以把父類的特征傳給中間子類，還可以向下傳給中間子類的子類。 繼承服務于概括。繼承機制減少代碼冗余，減少相互間的接口和界面。繼

17、承服務于概括。繼承機制減少代碼冗余，減少相互間的接口和界面。 A.單重繼承，僅有一個直接父類的繼承，要求每一個類最多只能有一個中間父類。 這種限制意味著一個子類只能屬于這種限制意味著一個子類只能屬于 一個層次，而不能同時屬于幾個不一個層次，而不能同時屬于幾個不 同的層次。形成明顯的層次關系同的層次。形成明顯的層次關系 B.多重繼承，允許子類有多于一個的直接父 類的繼承。 多重繼承允許幾個父類的屬性和多重繼承允許幾個父類的屬性和 操作傳給一個子類，這就不是層操作傳給一個子類，這就不是層 次結構。次結構。高速公路運河通航河流 不通航河流交通運輸水 系人工交通運輸線 自然交通運輸線河流池塘城市住宅農

18、村住宅住 宅屬性：住宅名操作：進入住宅2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 5.面向對象的核心工具 傳播：用于描述復合對象對成員對象的依賴性并獲得成員對象的屬性的過程。 它通過一種強制性的手段將成員對象的屬性信息傳播給復合對象。 傳播是一種作用于聚集和聯合的工具 復合對象的某些屬性值不單獨存于數據庫中，而由子對象派生或提取，將子(成員) 對象的屬性信息強制地傳播給復合對象。這些操作包括“sum, average, min, max” 如一個國家最大城市的人口數是這個國家所有城市人口數的最大值， 一個省的面積是這個省所有縣的面積之和 繼承與傳播的區(qū)別 1）繼承服務于概括，傳播作用于聯合和

19、聚集； 2）繼承是從上層到下層，應用于類，而傳播是自下而上，直接作用于對象； 3）繼承包括屬性和操作，而傳播一般僅涉及屬性； 4）繼承是一種信息隱含機制，而傳播是一種強制性工具。 2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 6.面向對象數據模型的含義 含義：指在更高層次上綜合利用和管理多種數據結構和數據模型，并用面向 對象的方法進行統(tǒng)一的抽象，從而可以有效地描述復雜的事物或現象。 其具體實現就是面向對象的數據結構。 特點 A. 面向對象模型最適合于空間數據的表達和管理，它不僅支持變長記錄，且 支持對象的嵌套，信息的繼承和聚集。 B. 允許用戶定義對象和對象的數據結構及它的操作，因而具有可擴充

20、性。 C. 面向對象的地理數據模型的核心是對復雜對象的模擬和操縱。2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 6.面向對象數據模型的含義 復雜對象及特點： 指具有復雜結構和操作的對象。 復雜對象可以由多種關系聚合抽象而成，或由不同類型的對象構成， 或具有復雜的嵌套關系等。 復雜對象的特點可歸結為： A)一個復雜對象由多個成員對象構成，每個成員對象又可參與其它對象的構成； B)具有多種數據結構，如矢量、柵格、關系表等； C)一個復雜對象的不同部分可由不同的數據模型所支持，可以分布于不同的 數據庫中。2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 6.面向對象數據模型的含義 面向對象的幾何數據模型

21、 從幾何方面劃分，GIS的各種地物對象為點、線、面狀地物以及由它們混合組成 的復雜地物。每一種幾何地物又可能由一些更簡單的幾何圖形元素構成。 空間地物 復雜地物 線狀地物 面狀地物 點狀地物 節(jié) 點 弧 段 面 域 簡單地物如圖，節(jié)點的坐標傳播給弧段，弧段聚集成線狀地物或面狀地物，簡單地物聚集或聯合組成復雜地物2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 6.面向對象數據模型的含義 拓撲關系與面向對象模型 將每條弧段的兩個端點抽象出來，建立單獨的結點對象類型， 而在弧段的數據文件中，設立兩個結點子對象標識號，可用“傳播”的工具 提取結點文件的信息。 這一模型既解決了數據共享問題，又建立了弧段與

22、節(jié)點的拓撲關系。 同樣，面狀地物對弧段的聚集方式與數據共享和幾何拓撲關系的建立也達到一致。面域文件面標識弧段標識 弧段文件弧段標識起結點終結點中間點串 結點文件結點標識XY 2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 6.面向對象數據模型的含義 面向對象的屬性數據模型 面向對象數據模型是在包含RDBMS的功能 基礎上，增加面向對象數據 模型的封裝、繼承和信息傳 播等功能。 耕地耕地園地園地林地林地居民地居民地牧草地牧草地未用地未用地交通用地交通用地水域水域GISGIS城鎮(zhèn)城鎮(zhèn)農村居民點農村居民點工礦地工礦地控制點控制點電力設施電力設施公園公園 街道街道建筑物操作：查詢插入刪除屬性：標識碼區(qū)號

23、 街道號房主等建筑日期： 職員庫操作屬性職員編號工資姓名飯店設施庫房間床位操作屬性工廠工廠醫(yī)院醫(yī)院學校學校居民住宅居民住宅飯店飯店商店商店郵局郵局銀行銀行2.5 GIS空間數據模型 三、面向對象模型 6.面向對象數據模型的含義 面向對象地理數據模型的特點 1)可充分利用現有數據模型的優(yōu)點。 是一種基于抽象的模型，允許設計者在基本功能上選擇最為適用的技術。如可以把矢 量和柵格數據結構統(tǒng)一為一種高層次的實體結構，這種結構可以具有矢量結構和柵格 結構的特點，但實際的操作仍然是矢量數據用矢量運算，柵格數據用柵格算法。 2)具有可擴充性。 由于對象是相對獨立的，因此可以很自然和容易地增加新的對象，并且對不同類型的 對象具有統(tǒng)一的管理機制。 3)可以模擬和操縱復雜對象。