-空間信息和空間數(shù)據(jù)

1、我們借助于外感官（我們意識(shí)的一種性質(zhì)）表象給我們自己外面的對(duì)象，這些對(duì)象毫無(wú)例外的在空間里面。這些對(duì)象的形狀、大小、以及它們相互間的關(guān)系是在空間里被規(guī)定的或能夠在空間里被規(guī)定的。空間不是一個(gè)從外部經(jīng)驗(yàn)得來(lái)的經(jīng)驗(yàn)概念。因?yàn)闉槭怪撤N感覺(jué)與我以外的某些東西發(fā)生關(guān)系，以及同樣地為著我能把那些感覺(jué)表象為互相在外、互相靠近，從而不只是彼此不同，并且是在不同的地方，這樣就一定要以空間觀念為前提?？档碌诙?從現(xiàn)實(shí)世界到比特世界導(dǎo)讀：本章從空間認(rèn)知的角度講述了對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行抽象的過(guò)程?？臻g認(rèn)知屬于行為地理學(xué)的范疇，它研究個(gè)體如何對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行認(rèn)知，并在意識(shí)中編碼的過(guò)程。在認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行逐步抽象，最后得到數(shù)

2、字化的空間數(shù)據(jù)，這正是OpenGIS九層抽象模型前五層所描述的內(nèi)容。最后是空間數(shù)據(jù)庫(kù)模型，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了該抽象過(guò)程。本章的內(nèi)容有助于加深對(duì)空間數(shù)據(jù)和空間信息的理解。從現(xiàn)實(shí)世界到人的概念世界，再到數(shù)字世界，最后通過(guò)用戶(hù)改造自然的活動(dòng)反饋到現(xiàn)實(shí)世界，這中間三個(gè)階段對(duì)應(yīng)著地球信息科學(xué)的三個(gè)研究領(lǐng)域，即地理認(rèn)知模型的研究、地理概念計(jì)算方法的研究以及地理信息與社會(huì)的研究。如圖2-1所示。圖2-1： 地理信息流與地理信息科學(xué)三個(gè)領(lǐng)域1對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的地理認(rèn)知地理環(huán)境是復(fù)雜多樣的，要正確地認(rèn)識(shí)、掌握與應(yīng)用這種廣泛而復(fù)雜的信息，需要進(jìn)行去粗取精、去偽存真的加工，這就要求對(duì)地理環(huán)境進(jìn)行科學(xué)的認(rèn)識(shí)。對(duì)于復(fù)雜對(duì)象的認(rèn)識(shí)是

3、一個(gè)從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的一個(gè)抽象過(guò)程。對(duì)于同一客觀世界，不同社會(huì)部門(mén)或?qū)W科領(lǐng)域的人群，往往在所關(guān)心的問(wèn)題、研究的對(duì)象等方面存在著差異，這就會(huì)產(chǎn)生不同的環(huán)境映象。11認(rèn)知的含義認(rèn)知屬于心理學(xué)的范疇。認(rèn)知理論早在70年代就被引入地圖學(xué)，并用“刺激反應(yīng)”的關(guān)系模式來(lái)研究用圖者在讀圖時(shí)的心理物理反應(yīng)。始于90年代的地圖制圖可視化研究也應(yīng)用了認(rèn)知概念，使“刺激反應(yīng)”模式的研究向縱深推進(jìn)了一步，地圖制圖可視化的實(shí)質(zhì)是探討地圖信息傳輸過(guò)程中人對(duì)空間客體的認(rèn)識(shí)。根據(jù)空間信息分析以及空間信息可視化的需要，認(rèn)知應(yīng)該是知覺(jué)、注意、表象、記憶、學(xué)習(xí)、思維、語(yǔ)言、概念形成、問(wèn)題求解、情緒、個(gè)性差異等有機(jī)聯(lián)系的信息處理

4、過(guò)程。在簡(jiǎn)單的認(rèn)知系統(tǒng)中，感知系統(tǒng)從外界環(huán)境輸入刺激、進(jìn)行變換整合，提取刺激特征加以組合，輸出經(jīng)編碼的物理刺激。長(zhǎng)時(shí)記憶系統(tǒng)將輸入的經(jīng)編碼的物理刺激與系統(tǒng)只能感知的信息進(jìn)行比較與模式匹配，一部分信息被激活，這部分被激活的信息送入短時(shí)記憶系統(tǒng)。短時(shí)記憶系統(tǒng)對(duì)輸入的有限信息進(jìn)行精細(xì)加工，通過(guò)反映系統(tǒng)來(lái)輸出動(dòng)作、語(yǔ)言、表情等。中樞處理器進(jìn)行系統(tǒng)控制和處理，決定目標(biāo)先后次序和監(jiān)督當(dāng)前目標(biāo)執(zhí)行，圖2-2描述了空間認(rèn)知的框架。圖2-2：空間認(rèn)知空間認(rèn)知地理學(xué)家和心理學(xué)家對(duì)空間進(jìn)行了大量研究，得到了許多有趣的結(jié)論，它們成為行為地理學(xué)中研究人的空間決策的基礎(chǔ)；在GIS中研究空間認(rèn)知，可以指導(dǎo)建立更加符合人類(lèi)思

5、維的空間模型和信息表現(xiàn)方式。下面介紹的是與空間認(rèn)知有關(guān)的知識(shí)。1）個(gè)體的空間認(rèn)識(shí)的形成和發(fā)展J.Piaget認(rèn)為，空間認(rèn)識(shí)具有四個(gè)層次：感覺(jué)運(yùn)動(dòng)（Sensorimotor）的層次，它以行動(dòng)的表象為依據(jù)；前運(yùn)算期（Pre-operational）的層次，其基礎(chǔ)是從記憶中獲得的有關(guān)客觀世界的知覺(jué)的映象；形象運(yùn)算（Concrete Operational）的層次，其中允許符號(hào)化、系統(tǒng)化的環(huán)境心理表象；形式運(yùn)算（Formal Operational）的層次，在該層次中，個(gè)體具有假設(shè)演繹推理能力，能夠處理獨(dú)立于行動(dòng)、客體、空間的抽象的空間概念。圖2-3表示了個(gè)體成長(zhǎng)過(guò)程中的空間認(rèn)識(shí)的發(fā)展。圖2-3：空間

6、意識(shí)的個(gè)體發(fā)育2）意識(shí)中的空間信息編碼Elisabeth S. Nelson關(guān)于個(gè)體意識(shí)中的空間信息的編碼方式，主要有三種理論：命題理論（Propositional Theory），圖像理論（Imagery Theory）和雙重編碼理論（Dual-coding Theory）。（21）命題理論一個(gè)命題，是表達(dá)了對(duì)象之間關(guān)系的概念結(jié)構(gòu)。命題必須符合以下規(guī)則：它必須是抽象的；它必須與一個(gè)真值關(guān)聯(lián)；它必須符合一定的形式化規(guī)則。按照命題理論，空間編碼形如以下的單句“俄克拉荷馬在德克薩斯以北”，命題理論的關(guān)鍵是認(rèn)為其命題只是對(duì)抽象的意義編碼，而非信息的自然特征。（22）圖像理論圖像理論認(rèn)為，在空間認(rèn)知中

7、，圖像是其關(guān)鍵構(gòu)成。其理論的基礎(chǔ)是一個(gè)圖片的隱喻，認(rèn)為個(gè)體感知并處理空間信息，然后將其組織成為簡(jiǎn)單的、更加有序的形式。這些信息被記憶，并且可以在需要時(shí)重新編排生成圖像。（23）雙重編碼理論雙重編碼理論認(rèn)為語(yǔ)言的和視覺(jué)的信息被獨(dú)立的處理，但是相關(guān)的處理系統(tǒng)相互連接。一個(gè)圖像系統(tǒng)組織各種簡(jiǎn)單的圖像，形成層次結(jié)構(gòu)并且可以輸出為空間的形式；而語(yǔ)言系統(tǒng)并行地處理各種非視覺(jué)信息，并組織成為更高層次的、連續(xù)的結(jié)構(gòu)。地理信息系統(tǒng)就是信息加工系統(tǒng)，即輸入信息，進(jìn)行編碼，存儲(chǔ)記憶、做出決策、輸出結(jié)果。這就是環(huán)境信息流在人的大腦中的處理過(guò)程被地理信息系統(tǒng)所模擬和復(fù)制的原因，當(dāng)然，認(rèn)知的目的在于求解問(wèn)題，即找到問(wèn)題的

8、解決方案。認(rèn)知操作包括常規(guī)問(wèn)題求解和創(chuàng)造性問(wèn)題的求解。12環(huán)境映象與模型環(huán)境映象可以看作是被學(xué)習(xí)到的穩(wěn)定的思維概念，它總結(jié)了個(gè)人對(duì)環(huán)境的認(rèn)識(shí)、評(píng)價(jià)和選擇能力，對(duì)任何人與環(huán)境相互作用的調(diào)查研究來(lái)說(shuō)，理解大腦處理使用什么樣的信息就顯得至關(guān)重要。人與環(huán)境相互作用的關(guān)系見(jiàn)圖2-4所示。圖2-4：人與環(huán)境的相互作用關(guān)系圖在環(huán)境映象研究中，如何從個(gè)人那里提取對(duì)大尺度環(huán)境有意義的信息？如何展現(xiàn)該信息，以便使個(gè)人的認(rèn)知范圍和程度明朗化？如何分析這些信息？最為普遍的方法是繪制描述環(huán)境要素的簡(jiǎn)圖，通過(guò)描述環(huán)境要素的序列、要素之間的聯(lián)系和差異、映象的類(lèi)型、細(xì)節(jié)和規(guī)模的變化等來(lái)提供信息，即構(gòu)造模型。在科學(xué)研究中，經(jīng)常

9、用模型作為實(shí)際對(duì)象的代替物或模擬物，它們與被研究的對(duì)象之間存在某種程度的一致或相似的映射關(guān)系：借助模型所獲得的結(jié)論和推論又可轉(zhuǎn)用于實(shí)際對(duì)象上。地理學(xué)中所采用的表現(xiàn)模型多種多樣，例如各種地圖、航空和航天遙感圖像、統(tǒng)計(jì)圖表、剖面圖等，但是地圖是地學(xué)中使用最普遍、也是最重要的模型。從模型的特性和實(shí)質(zhì)來(lái)看，地圖是客觀世界的形象/符號(hào)/概括模型。單幅地圖是模擬客觀實(shí)際的某一方面的模型，而系列地圖和地圖集屬于高層次的模型，即地理系統(tǒng)的模型，它們模擬的是自然要素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素的總體，反映出這些要素的相互聯(lián)系、相互作用、解析特征與綜合效果、現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以及它們所形成的復(fù)雜巨系統(tǒng)的功能特征等。13地圖認(rèn)

10、知模型地圖認(rèn)知模型分為地圖編制與設(shè)計(jì)者的認(rèn)知模型和地圖使用者的認(rèn)知模型（圖2-5和圖2-6）。圖2-5：地圖編制者的認(rèn)識(shí)模型圖2-6：地圖使用者的認(rèn)識(shí)模型制圖者的認(rèn)知模型強(qiáng)調(diào)對(duì)所表達(dá)事物和現(xiàn)象的認(rèn)知，以及對(duì)表達(dá)內(nèi)容的表現(xiàn)形式的認(rèn)知。制圖者認(rèn)知的目的是指導(dǎo)制圖者選取最主要的制圖內(nèi)容與最適合的表現(xiàn)形式，以高效地傳輸空間信息（圖2-7）。地圖使用者的認(rèn)知是在已有地圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合讀圖者的自身的空間知識(shí)與背景，完成對(duì)地圖對(duì)象的認(rèn)知，從而間接達(dá)到認(rèn)知客觀世界的目的。圖2-7：制圖活動(dòng)過(guò)程14地理客體的科學(xué)認(rèn)知地理認(rèn)知是地理信息傳輸過(guò)程中一個(gè)子系統(tǒng)。它偏重于心理感知和分析，認(rèn)知者既感知圖上明顯的信息也挖掘

11、潛在的信息，不僅僅是探測(cè)、識(shí)別或區(qū)分信息，更要主動(dòng)地解譯信息，形成對(duì)客觀世界的整體認(rèn)識(shí)。從地圖學(xué)者在編制地圖時(shí)的地理認(rèn)知，到用圖者在讀圖時(shí)的地理認(rèn)知，這整個(gè)過(guò)程反映了人對(duì)地理課題的認(rèn)識(shí)由淺入深的特點(diǎn)。因?yàn)閺脑贾茍D資料到地圖再到新地圖的地理信息傳輸過(guò)程，正是人們對(duì)地理事物的認(rèn)知深度的螺旋式上升過(guò)程。地理認(rèn)知不僅是地理模型的基礎(chǔ)，而且也是制圖概括的基礎(chǔ)。在地理認(rèn)知的基礎(chǔ)上對(duì)真實(shí)世界的信息進(jìn)行抽象和概括，形成地理信息系統(tǒng)中的模型，在一定比例尺下顯示地理要素的分類(lèi)、分級(jí)和空間圖形格局。地圖模型本身就是一個(gè)主觀與客觀相統(tǒng)一的過(guò)程，GIS專(zhuān)家在地理認(rèn)知中不僅全面、綜合地分析和理解地理環(huán)境，而且其認(rèn)知中還

12、包括了對(duì)一些客觀的模擬標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的接受或認(rèn)同。此外，地理認(rèn)知貫穿于制圖概括的整個(gè)過(guò)程。具體來(lái)看，它表現(xiàn)在地圖設(shè)計(jì)階段，對(duì)制圖概括原則、內(nèi)容、分類(lèi)分級(jí)指標(biāo)的“構(gòu)思”上，以地理認(rèn)知中所獲得的關(guān)于地理環(huán)境的系統(tǒng)功能、層次結(jié)構(gòu)、各個(gè)要素的組合關(guān)系等的知識(shí)為指導(dǎo)。在地圖編繪階段，對(duì)地圖要素的選取、數(shù)量和質(zhì)量概括、圖形簡(jiǎn)化等“構(gòu)圖”操作上，在處理符合概括指標(biāo)的要素或圖形時(shí)能夠進(jìn)一步體會(huì)地理認(rèn)知的控制和指導(dǎo)作用，做到心中有數(shù)，操作正確，不至于誤解概括指標(biāo)和規(guī)則。15地圖是客觀世界的形象符號(hào)概括模型151地圖是客觀世界的形象模型地圖與其它地學(xué)模型的主要區(qū)別和優(yōu)點(diǎn)在于它具有形象性，能對(duì)實(shí)際對(duì)象做出完整的、清晰的

13、和直觀的圖形描述和說(shuō)明?！暗貓D是地表空間關(guān)系和空間形式的視覺(jué)圖解表象”。152地圖是客觀世界的符號(hào)模型地圖區(qū)別于其它許多圖示模型的又一特征是它采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)和事先規(guī)定的符號(hào)來(lái)反映地物、現(xiàn)象和地理過(guò)程，并表示它們的位置、質(zhì)量特征和數(shù)量特征。各種符號(hào)的組合便構(gòu)成一種地圖形象，而多種地圖形象的匯集便組成一幅完整的地圖圖形。地圖符號(hào)的作用并不僅僅局限于傳輸信息，它們還是記錄知識(shí)、使知識(shí)定型并系統(tǒng)化的強(qiáng)大工具。153地圖是客觀世界的概括模型地圖不是客觀對(duì)象的完全再現(xiàn)，而是通過(guò)地圖制圖工作者腦和手的“過(guò)濾”、概括和抽象出來(lái)的模型。對(duì)地物進(jìn)行取舍、圖形化簡(jiǎn)、數(shù)量和質(zhì)量概括、地物協(xié)調(diào)，以及夸大表示等處理，是地圖

14、學(xué)者對(duì)地物進(jìn)行深刻理解、綜合分析并抽象概括等一系列復(fù)雜的科學(xué)思維和創(chuàng)造性勞動(dòng)的結(jié)果。因此，對(duì)制圖對(duì)象進(jìn)行地圖概括是地圖作為客觀實(shí)際模型的一個(gè)最重要的特征。2現(xiàn)實(shí)世界的抽象對(duì)地理對(duì)象的抽象過(guò)程通常認(rèn)為有9個(gè)層次OGC，在這九個(gè)層次之間通過(guò)8個(gè)接口與它們連接，定義了從現(xiàn)實(shí)世界到地理要素集合世界的轉(zhuǎn)換模型。這9個(gè)層次依次為現(xiàn)實(shí)世界（Real World）、概念世界（Conceptual World）、地理空間世界（Geospatial World）、尺度世界（Dimensional World）、項(xiàng)目世界（Project World）、點(diǎn)世界（Points World）、幾何體世界（Geometry

15、 World）、地理要素世界（Feature World）以及要素集合世界（Feature Collection World）（圖2-8）。連接它們的8個(gè)接口分別為認(rèn)識(shí)（Epistemic）接口、GIS學(xué)科（GIS Discipline）接口、局部測(cè)度（Local Metric）接口、信息團(tuán)體（Community）接口、空間參照系（Spatial Reference）接口、幾何體結(jié)構(gòu)接口、要素結(jié)構(gòu)接口及項(xiàng)目結(jié)構(gòu)接口。其中前五個(gè)模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的抽象，并不在計(jì)算機(jī)軟件中被實(shí)現(xiàn)；后四個(gè)模型是關(guān)于真實(shí)世界的數(shù)學(xué)的和符號(hào)化的模型，將在軟件中被實(shí)現(xiàn)* 因?yàn)榫艑幽Ｐ秃竺嫠膫€(gè)層次與軟件實(shí)現(xiàn)有關(guān)，涉及具體的數(shù)

16、據(jù)結(jié)構(gòu)，本章不做介紹，可以參照“空間數(shù)據(jù)模型”和“空間數(shù)據(jù)管理”兩章的內(nèi)容。本章只是介紹前五個(gè)模型對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行抽象，得到數(shù)字化的、GIS可以管理的模型。圖2-8：OpenGIS的九層模型21現(xiàn)實(shí)世界現(xiàn)實(shí)世界是所有事物（Fact）的集合，無(wú)論人們是否知道這些事物。根據(jù)事物的本質(zhì)，人們可以認(rèn)識(shí)理解現(xiàn)實(shí)世界中的事物。圖2-9表示了人類(lèi)生活于其中的現(xiàn)實(shí)世界。象云一樣的紋理結(jié)構(gòu)占據(jù)了圖形的絕大部分，代表了人們所不了解的事物，而且它們?cè)斐闪擞钪娴幕煦鐮顟B(tài)。人們只知道一些所熟悉的事實(shí)，其中的一些被繪制在圖中。圖2-9：現(xiàn)實(shí)世界22概念世界概念世界是人類(lèi)自然語(yǔ)言的世界，人類(lèi)了解且認(rèn)識(shí)其所命名的事物，因此這些

17、事物構(gòu)成了“語(yǔ)言的世界”。在圖2-10的概念世界中，表示宇宙混沌狀態(tài)的云并不存在，因?yàn)檫@些在自然語(yǔ)言?xún)?nèi)容中通常是不可見(jiàn)的。示意圖顯示了容易識(shí)別的事物：門(mén)、路、磚、屋頂、房屋等。用這種方法，可以返回到真實(shí)的世界中，抽象出一個(gè)事實(shí)的本質(zhì)，稱(chēng)之為精髓(Pith)。由于可以給出所知道的事物的名字，而且能夠感受到這些相同的已知事物的本質(zhì)，所以稱(chēng)真實(shí)世界與概念世界之間的交互為認(rèn)識(shí)接口（Epistemic Interface）。圖2-10：概念世界對(duì)于GIS來(lái)講，自然語(yǔ)言的概念世界并不是充分抽象的，在GIS中只有概念世界中一個(gè)簡(jiǎn)化的子集才是興趣所在。這個(gè)子集叫做地理空間世界，人們與概念世界的交互的方法叫選擇

18、。圖2-11中，有三種實(shí)體類(lèi)型。每個(gè)由一個(gè)矩形表示，并且每個(gè)用其上部的名字所表示。矩形之間的線代表著實(shí)體之間的聯(lián)系，每條線在末端帶有一個(gè)作用名以解釋這種聯(lián)系。菱形代表聚合（Aggregation），例如，概念世界的存在依賴(lài)于真實(shí)世界的存在。實(shí)心圓意味著在聯(lián)系的那個(gè)末端存在著一個(gè)集合（并不是一個(gè)單個(gè)的對(duì)象），例如，每個(gè)概念世界嵌入（Embed）一系列不同的地理空間世界。圖2-11：現(xiàn)實(shí)世界與地理空間世界的聯(lián)系23地理空間世界（Geospatial World）從事GIS的技術(shù)人員都習(xí)慣于把世界看作一個(gè)抽象的、幾乎是具有卡通特性的世界。這是由于在概念層次的世界充滿(mǎn)了復(fù)雜的形狀、樣式、細(xì)節(jié)。這些復(fù)雜

19、性在地理空間世界中被消除，并用簡(jiǎn)單的、淺顯的抽象來(lái)代替，這些抽象通常在時(shí)間以及空間上都是靜態(tài)的。通過(guò)地理空間世界的抽象，河流是被看作線，地形被看作等高線多邊形的簡(jiǎn)化，而森林被看作多邊形。前面描述的概念世界在圖2-12中以卡通的方式在地理空間世界水平上被重畫(huà)。圖2-12是以透視的方式繪制的，但是地理空間世界通常是從一個(gè)“頂點(diǎn)”來(lái)觀察，即垂直地從上向下看。注意在圖中，一些特征已經(jīng)消失，另外一些已經(jīng)變得大大簡(jiǎn)化。例如，一些窗戶(hù)、墻、建筑物的房頂已經(jīng)消失。這是由于它們并不是GIS世界視點(diǎn)的興趣所在。它們已經(jīng)成為GIS意識(shí)中所不可見(jiàn)的。當(dāng)然，并不存在一個(gè)通用的定義準(zhǔn)確地講，什么樣的特征對(duì)于一個(gè)GIS技術(shù)

20、人員來(lái)講是其興趣所在，也許有時(shí)一個(gè)屋頂可能會(huì)引起興趣?？ㄍ▋H僅表明地理空間世界是概念世界中的一個(gè)子集和一個(gè)簡(jiǎn)化，在地理空間世界中所講的語(yǔ)言是GIS學(xué)科語(yǔ)言。在圖中，房屋的地基還保持著，盡管在概念世界中，部分地基被隱藏在其它要素后面。從GIS的觀點(diǎn)來(lái)看，一個(gè)建筑物的所有的地基都是可見(jiàn)的盡管有些是看不見(jiàn)的。每個(gè)GIS實(shí)現(xiàn)都有特定的規(guī)則，這些規(guī)則規(guī)定了在地理空間世界中什么樣的特征被識(shí)別以及它們是如何從概念世界中被簡(jiǎn)化的。例如，一個(gè)規(guī)則可以把一個(gè)磚房簡(jiǎn)化為一個(gè)三維的多面體；然而具有另一種表面物質(zhì)的一個(gè)房屋被簡(jiǎn)化為它的地基多邊形。簡(jiǎn)單地講，在概念世界中不可見(jiàn)的事物在地理空間世界中就變得可見(jiàn)了，因?yàn)檫@些事

21、物在GIS中是特殊興趣所在。概念世界和地理空間世界之間的交互稱(chēng)為GIS學(xué)科接口；從概念空間進(jìn)行的交互方法叫做選擇。為了轉(zhuǎn)換從地理空間到概念世界的這種交互，人們可以采用嵌入（Embed）方法，這種方法把GIS感興趣的內(nèi)容放置在概念世界適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)境（Context）中。在地理空間世界中所認(rèn)識(shí)的要素通常有一個(gè)自然的維度：0、1、2或者3，這取決于它們是否被看成點(diǎn)、線、面、體。此外，根據(jù)二元拓?fù)潢P(guān)系（如包含、相鄰或分開(kāi)），它們還具有另外的量度。下一個(gè)層次的抽象識(shí)別了要素固有的維度和尺度（Dimensionality and Metrics）特性，因此叫做維度世界，可以通過(guò)在歐氏空間中進(jìn)行工具測(cè)量獲取要素

22、的尺度。圖2-12：地理空間世界24維度世界（Dimensionality World）維度世界是地理空間世界的一個(gè)抽象，其中包括一些測(cè)量工具，如卷尺測(cè)量和指南針，在這樣的水平上所認(rèn)識(shí)到的事實(shí)包括一元（Unary）關(guān)系（如一個(gè)弧段的長(zhǎng)度）和二元（Binary）關(guān)系（如兩點(diǎn)之間的距離），這些關(guān)系本身就是各種要素的抽象。維度世界與地理空間世界的接口叫做適合（Fit）。兩個(gè)電話(huà)線路桿之間的距離是屬于維度世界。這個(gè)長(zhǎng)度線適合于地理空間世界中所見(jiàn)到的長(zhǎng)度跨度，在圖2-13中包括了在維度空間所表現(xiàn)的一些抽象。維度世界是現(xiàn)實(shí)世界抽象的最后一個(gè)。下一個(gè)抽象叫做一個(gè)項(xiàng)目世界，該世界只發(fā)生在一個(gè)具體的實(shí)現(xiàn)中，每一

23、個(gè)實(shí)現(xiàn)都是針對(duì)一個(gè)特殊的GIS學(xué)科或分學(xué)科。在每一個(gè)實(shí)際的實(shí)現(xiàn)中，只有維度世界中的一個(gè)子集得到識(shí)別。通常這個(gè)子集是由研究區(qū)域的范圍和被測(cè)量的特定的現(xiàn)象所決定的。在項(xiàng)目世界的層次中，空間參照系統(tǒng)（Spatial Reference System）的概念被引入，最常見(jiàn)的參照系統(tǒng)是環(huán)繞地球表面建立的坐標(biāo)系統(tǒng)（經(jīng)緯度）；此外，還有其它的間接的參照系統(tǒng)，例如線性參照系統(tǒng)可以用一個(gè)參數(shù)標(biāo)識(shí)出一條線（如高速公路）上的一個(gè)點(diǎn)位。無(wú)論采用哪種坐標(biāo)參照系統(tǒng)，都可以確定維度世界中的要素的每個(gè)“角點(diǎn)”的坐標(biāo)。維度世界和項(xiàng)目世界之間的接口稱(chēng)為信息團(tuán)體接口，從維度世界調(diào)用該接口的方法叫做編碼（Codify），其結(jié)果是每個(gè)

24、“角點(diǎn)”的坐標(biāo)以一組數(shù)值表示；相反的，從項(xiàng)目世界調(diào)用的方法稱(chēng)為定位，它確定了每個(gè)要素與其他要素的相對(duì)關(guān)系。圖2-13：維度世界25項(xiàng)目世界（Project World）有兩種常用的方法來(lái)對(duì)地理空間要素建模。第一個(gè)模型定義了點(diǎn)、線、多邊形的一個(gè)要素的空間范圍，以及來(lái)自于所熟知的一系列類(lèi)型的幾何基本單元（Primitive），在這種方式下的要素叫做“幾何體要素（Features with Geometry）”。第二種稱(chēng)為覆蓋（Coverage），影像是該模型的一個(gè)特殊的例子。幾何體要素和覆蓋是緊密相關(guān)的，但是在概念上截然不同* “空間數(shù)據(jù)模型”一章中描述的“要素模型”和“場(chǎng)模型”對(duì)應(yīng)于這兩種技術(shù)。

25、要素模型用于對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的地物對(duì)象建模，如道路、城市等等；而覆蓋模型則對(duì)現(xiàn)象建模，包括：溫度、土壤分布等等。一個(gè)要素具有多種屬性，如空間位置屬性，空間關(guān)系屬性，描述屬性，時(shí)間屬性等等，覆蓋也可以視為要素的一種屬性。GIS并不只是一個(gè)學(xué)科，它還是地理空間信息表現(xiàn)的一門(mén)語(yǔ)言，其中這些信息源于許多與地理學(xué)科相關(guān)的學(xué)科，如森林管理、土壤制圖、運(yùn)輸模型、地籍管理等等，這些學(xué)科中的每一門(mén)學(xué)科都有許多子學(xué)科，一個(gè)GIS項(xiàng)目可以包含任何這些學(xué)科的組合。正是項(xiàng)目世界語(yǔ)言的多樣性導(dǎo)致了GIS信息存儲(chǔ)之間相交互的最復(fù)雜的問(wèn)題。這是人為造成地理空間世界分割的原因。但是，如果對(duì)語(yǔ)言結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分地統(tǒng)一化，這種情況是可以管

26、理的。地理信息團(tuán)體是指共享數(shù)據(jù)的用戶(hù)群，他們屬于不同的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，可以是數(shù)據(jù)使用者，也可以是數(shù)據(jù)提供者。地理信息團(tuán)體將整個(gè)地理空間世界中的一個(gè)特殊的子集看成是一個(gè)抽象。在三個(gè)不同的應(yīng)用中，上述的例子被抽象為三個(gè)不同的項(xiàng)目世界模型。它們顯示在圖2-14中，分別反映了一個(gè)制圖員、一個(gè)地籍管理人員和一個(gè)道路管理人員視角的項(xiàng)目世界。圖2-14：項(xiàng)目世界3比特世界31比特世界地理信息系統(tǒng)以數(shù)字世界表示自然世界，現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)學(xué)模型之間的關(guān)系見(jiàn)圖2-15。在計(jì)算機(jī)中，現(xiàn)實(shí)世界是以各種符號(hào)形式來(lái)表達(dá)和記錄的，計(jì)算機(jī)在對(duì)數(shù)字和符號(hào)這些符號(hào)進(jìn)行操作時(shí)，又將它們表示為二進(jìn)制形式（比特世界）。因此，基于計(jì)算機(jī)的地理信息

27、系統(tǒng)不能直接作用于現(xiàn)實(shí)世界，必須經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)描述這一步驟。模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的簡(jiǎn)化表達(dá)，是將系統(tǒng)的各個(gè)要素通過(guò)適當(dāng)?shù)暮Y選，用一定的表現(xiàn)規(guī)則描寫(xiě)出來(lái)的簡(jiǎn)明的映象。圖2-15：現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)學(xué)模型的關(guān)系一幅地圖是一個(gè)符號(hào)模型，因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)制圖學(xué)家處理后得到現(xiàn)實(shí)世界的簡(jiǎn)化描述；存儲(chǔ)數(shù)字地圖的計(jì)算機(jī)文件也是一種符號(hào)模型，它以數(shù)字代碼來(lái)表現(xiàn)圖形符號(hào)。一幅數(shù)字地圖的產(chǎn)生不僅需要選擇所要表現(xiàn)的物體，還要進(jìn)一步考慮如何對(duì)表達(dá)它們的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織。如果數(shù)據(jù)的組織規(guī)則沒(méi)有很好地建立起來(lái)，則一幅數(shù)字地圖除了對(duì)生產(chǎn)這些數(shù)據(jù)的個(gè)人或組織有用以外，對(duì)于其他人是沒(méi)有用的。數(shù)據(jù)是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界狀況的數(shù)字符號(hào)記錄，信息是經(jīng)過(guò)重新

28、組織的，能揭示現(xiàn)實(shí)世界內(nèi)在機(jī)理的并有利于研究工作的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)不以空間屬性表來(lái)組織，則很難從空間數(shù)據(jù)中抽取出空間信息。由于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化特征，數(shù)據(jù)項(xiàng)必須是離散的以便于進(jìn)行數(shù)字處理和操作，因此，地理空間也必須離散化的表達(dá)。數(shù)據(jù)建模是指把現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)組織為有用且能反映真實(shí)信息的數(shù)據(jù)集的過(guò)程。根據(jù)一定的方案建立的數(shù)據(jù)邏輯組織方式叫數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)建模過(guò)程分為三個(gè)步驟：首先，選擇一種數(shù)據(jù)模型來(lái)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織；然后，選擇一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表達(dá)該數(shù)據(jù)模型；最后，選擇一種適合于記錄該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的文件格式?？梢?jiàn)，一種空間數(shù)據(jù)建?？赡苡袔追N可選的數(shù)據(jù)模型，而每一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)又可能有多種文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)?？臻g

29、數(shù)據(jù)可依據(jù)它們的采集方式、存儲(chǔ)方法、使用目標(biāo)等，用不同的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行組織。如GIS中最常用的數(shù)據(jù)組織方式為矢量模型和柵格模型。在矢量模型中，用點(diǎn)、線、面表達(dá)世界，在柵格模型中用空間單元或像元來(lái)表達(dá)世界。32模型的作用在地理信息系統(tǒng)中，模型，尤其是數(shù)學(xué)模型起著十分重要的作用。由于模型是對(duì)客觀世界中解決各種實(shí)際問(wèn)題所依據(jù)的規(guī)律或過(guò)程的抽象或模擬，因此能有效地幫助人們從各種因素之間找出其因果關(guān)系或者聯(lián)系，有利于問(wèn)題的解決。模型的建立是數(shù)學(xué)或技術(shù)性的問(wèn)題，但它必須以廣泛、深入的專(zhuān)業(yè)研究為基礎(chǔ)，專(zhuān)業(yè)研究的深入程度決定了所建模型的質(zhì)量與效果，而模型的質(zhì)量和數(shù)量又決定了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)使用的效率和深度。大量模型的

30、發(fā)展和應(yīng)用，實(shí)際上集中和驗(yàn)證了該應(yīng)用領(lǐng)域中許多專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，這無(wú)疑成為一般地理信息系統(tǒng)向?qū)＜蚁到y(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)。33 GIS空間數(shù)據(jù)建模GIS是專(zhuān)門(mén)用于采集、存儲(chǔ)、管理、分析和表達(dá)空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)，它既是表示、模擬現(xiàn)實(shí)空間世界和進(jìn)行空間數(shù)據(jù)處理分析的工具，也是一門(mén)關(guān)于空間信息處理分析的科學(xué)技術(shù)。就GIS的工具特性而言，它是為人們采用數(shù)字形式表示和分析現(xiàn)實(shí)空間世界提供了一系列空間操作和分析的功能，包括綜合地存儲(chǔ)管理人們研究和解決空間問(wèn)題所需的各種空間數(shù)據(jù)；根據(jù)用戶(hù)的要求查詢(xún)有關(guān)的空間分布信息，進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)量算、列表制圖；根據(jù)規(guī)劃、管理、生產(chǎn)的需要，進(jìn)行多因素的綜合研究、決策方案的模擬優(yōu)化等。所

31、以，GIS一方面應(yīng)為用戶(hù)采用數(shù)字形式表示和分析空間現(xiàn)象或問(wèn)題提供空間數(shù)據(jù)建模及分析操作的手段，另一方面應(yīng)向用戶(hù)提供友好的使用界面，便于用戶(hù)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)建模、查詢(xún)、分析等。空間數(shù)據(jù)建模的基本任務(wù)是，針對(duì)所研究的空間現(xiàn)象或問(wèn)題，描述GIS的空間數(shù)據(jù)組織，設(shè)計(jì)GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)模式，這包括定義空間實(shí)體及其相互間關(guān)系，確定數(shù)據(jù)實(shí)體或目標(biāo)及其關(guān)系，設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)中的物理組織、存儲(chǔ)路徑和數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)等。這項(xiàng)工作是以空間數(shù)據(jù)模型的理論為指導(dǎo)的。空間數(shù)據(jù)模型是關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界中空間實(shí)體及其相互間聯(lián)系的概念，為描述空間數(shù)據(jù)組織和設(shè)計(jì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)模式提供了基本的方法。一般而言，GIS空間數(shù)據(jù)模型由概念數(shù)據(jù)模型、邏輯數(shù)據(jù)模型和

32、物理數(shù)據(jù)模型三個(gè)有機(jī)聯(lián)系的層次所組成。其中概念數(shù)據(jù)模型是關(guān)于實(shí)體及實(shí)體間聯(lián)系的抽象概念集，邏輯數(shù)據(jù)模型是表達(dá)概念數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)實(shí)體（或記錄）及其間關(guān)系，而物理數(shù)據(jù)模型則是描述數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的物理組織、存儲(chǔ)路徑和數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，三者之間的相互關(guān)系如圖2-16所示。圖2-16：空間數(shù)據(jù)模型的三個(gè)層次34 GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念與分類(lèi)341GIS空間概念數(shù)據(jù)模型由于職業(yè)、專(zhuān)業(yè)等的不同，人們所關(guān)心的問(wèn)題、研究對(duì)象、期望的結(jié)果等方面存在著差異，因而對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的描述和抽象也是不同的，形成了不同的用戶(hù)視圖，稱(chēng)之為外模式。GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念模型是考慮用戶(hù)需求的共性，用統(tǒng)一的語(yǔ)言描述和綜合、集成各用戶(hù)視圖。目前廣為采用的數(shù)據(jù)模型是基于平面圖的矢量數(shù)據(jù)模型和基于連續(xù)鋪蓋的柵格數(shù)據(jù)模型。342空間邏輯數(shù)據(jù)模型邏輯數(shù)據(jù)模