第三章 GIS空間分析的數(shù)據(jù)模型

1、1秦秦 昆昆武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院遙感科學(xué)與技術(shù)本科生教案武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院遙感科學(xué)與技術(shù)本科生教案(2012年年)2空間分析是基于地理對象的位置和形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)?？臻g分析方法受空間數(shù)據(jù)表示形式的制約和影響，研究空間分析必須考慮空間數(shù)據(jù)的表示方法和空間數(shù)據(jù)模型。 3n空間數(shù)據(jù)表示的基本任務(wù)：將以圖形模擬的空間物體表示成計算機能夠接受的數(shù)字形式。3.1 空間數(shù)據(jù)的表示空間數(shù)據(jù)的表示4柵格模型：地理空間被劃分為規(guī)則的小單元，空間位置由柵格單元的行、列號表示。柵格單元的大小反映了數(shù)據(jù)的分辨率即精度，空間物體由若干個柵格單元隱含描述。矢量模型：各類地理要素根據(jù)空間形態(tài)特征分為點、線

2、、面三類/（體狀空間對象）。地物是顯示描述的。53.2 空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)組織和空間數(shù)據(jù)庫模式設(shè)計提供基本的概念和方法。6nGIS數(shù)據(jù)模型的三個層次：概念數(shù)據(jù)模型邏輯數(shù)據(jù)模型物理數(shù)據(jù)模型7 基本任務(wù)：確定感興趣的現(xiàn)象和基本特性，描述實體間的相互聯(lián)系，確定空間數(shù)據(jù)庫的信息內(nèi)容。遙感數(shù)據(jù)的ER圖8空間數(shù)據(jù)的邏輯數(shù)據(jù)模型是根據(jù)概念數(shù)據(jù)模型確定的空間數(shù)據(jù)庫的信息內(nèi)容(空間實體及相互關(guān)系)，具體地表達數(shù)據(jù)項、記錄等之間的關(guān)系。湖北省湖區(qū)分布圖的邏輯模型設(shè)計湖北省湖區(qū)分布圖的邏輯模型設(shè)計 9n物理數(shù)據(jù)模型： 是描述數(shù)據(jù)在計算機中的物理組織、存取路徑和數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。n邏輯數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為物理數(shù)據(jù)模

3、型： 涉及空間數(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。10基于對象的模型： 強調(diào)離散對象，根據(jù)它們的邊界線以及組成或者與它們相關(guān)的其它對象，可詳細地描述離散對象。網(wǎng)絡(luò)模型： 表示對象之間的交互，如水或者交通流。場模型： 表示在二維或者三維空間中被看作是連續(xù)變化的數(shù)據(jù)。在基于場的空間概念模型指導(dǎo)下，引出了柵格數(shù)據(jù)模型；在基于對象的空間數(shù)據(jù)模型指導(dǎo)下，引出了矢量數(shù)據(jù)模型。113.4 場模型場模型n場模型的數(shù)學(xué)表示 模擬一定空間內(nèi)具有連續(xù)分布特點的現(xiàn)象。空氣中污染物的集中程度、地表的溫度、土壤的濕度水平以及空氣與水的流動速度和方向。場可以表現(xiàn)為二維場或三維場。一個二維場就是在二維空間中任

4、何已知的地點上，都有一個表現(xiàn)這一現(xiàn)象的值；一個三維場就是在三維空間中對于任何位置來說都有一個值。12z為可度量的函數(shù)，s表示空間中的位置。 表示從空間域(甚至包括時間坐標)到某個值域的映射。13地理要素是通過地理實體定義的，地理實體是真實世界中不能再被細分為同一類現(xiàn)象的地理現(xiàn)象。n歐氏空間中的三類地物要素對象：點對象線對象多邊形對象144)角點角點(Vertex)：表示線段和弧表示線段和弧段上的內(nèi)部點。段上的內(nèi)部點。 1)實體點實體點(point entity)：用來代表一用來代表一個實體。個實體。2)注記點：注記點：用于定位注記。用于定位注記。3)內(nèi)點內(nèi)點(label point)：用于負載

5、多用于負載多邊形的屬性，存在于多邊形內(nèi)。邊形的屬性，存在于多邊形內(nèi)。點對象：點對象：有特定位置，維數(shù)為零的物體。有特定位置，維數(shù)為零的物體。5)結(jié)點結(jié)點(node):表示線的起點和終點。表示線的起點和終點。 151）實體長度）實體長度: 從起點到終點的總長度。2）彎曲度）彎曲度: 如用于表示道路拐彎時彎曲的程度。3）方向性）方向性: 用于表示線對象的方向，如水流方向是從上游到下游，公路有單向和雙向之分。線狀實體：線狀實體：線段、邊界、鏈、弧段、網(wǎng)絡(luò)等。維度為1的空間組分，有一系列坐標表示。線對象的特征：多邊線簡單閉合多邊線16面狀實體的特征：面狀實體的特征：面積范圍面積范圍； 周長周長；獨立性

6、或與其它地物相鄰獨立性或與其它地物相鄰：如中國及其周邊國家；如中國及其周邊國家； 內(nèi)島或鋸齒狀外形內(nèi)島或鋸齒狀外形；重疊性與非重疊性重疊性與非重疊性：如報紙的銷售領(lǐng)域、學(xué)校的分區(qū)、菜市場的服務(wù)范圍都有可能出現(xiàn)交叉重疊現(xiàn)象。由一封閉曲線加內(nèi)點來表示，是對湖泊、島嶼、地塊等一類對象的描述。17有多種不同類型的多邊形：普通多邊形、凸多邊形、星狀多邊形等。多邊形凸多邊形星狀多邊形18n場模型和要素模型場和對象可以在多種水平上共存，基于場的方法和基于要素的方法并不互相排斥。有些應(yīng)用可以很自然地應(yīng)用場來建模；但是，場模型也并不是適合所有情況。基于場的模型和基于要素的模型各有長處，應(yīng)該恰當(dāng)?shù)鼐C合運用這兩種方

7、法來建模。在地理信息系統(tǒng)應(yīng)用模型的高層建模、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計及地理信息系統(tǒng)應(yīng)用中，都會遇到這兩種模型的集成問題。 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) 19 網(wǎng)絡(luò)模型把地物抽象為鏈和節(jié)點，同時要關(guān)注其間的連通關(guān)系。 網(wǎng)絡(luò)模型要考慮多個要素之間的影響和交互?，F(xiàn)象的精確形狀并不重要，重要的是具體現(xiàn)象之間的距離或者阻力的度量。 網(wǎng)絡(luò)模型的典型例子：陸上、海上及航空線路，管線與隧道分析，水、油及電力的流動等。20 鏈(Link)：鏈構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)模型的框架。 鏈代表用于實現(xiàn)運輸和交流的相互聯(lián)接的線性實體?？捎糜诒硎粳F(xiàn)實世界網(wǎng)絡(luò)中運輸網(wǎng)絡(luò)的高速路、鐵路，和電網(wǎng)中的傳輸線

8、和水文網(wǎng)絡(luò)中的河流。其狀態(tài)屬性包括阻力和需求。 結(jié)點(Node)：鏈的終止點。 鏈總是在結(jié)點處相交。結(jié)點可以用來表示道路網(wǎng)絡(luò)中道路交叉點、河網(wǎng)中的河流交匯點等。21 站點(Stops)：在某個流路上經(jīng)過的位置。代表現(xiàn)實世界中郵路系統(tǒng)中的郵件接收點、或高速公路網(wǎng)中經(jīng)過的城市等。 中心(Center)：網(wǎng)絡(luò)中的一些離散位置，可以提供資源。如現(xiàn)實世界中的資源分發(fā)中心、購物中心、學(xué)校、機場等。其狀態(tài)屬性包括資源容量，如總的資源量；阻力限額，如中心與鏈之間的最大距離或時間限制。 拐點(Turn)：從一個鏈到另一個鏈的過渡。拐點在網(wǎng)絡(luò)模型中不用于模擬現(xiàn)實世界中的實體，而是代表鏈與鏈之間的過渡關(guān)系。 22n

9、網(wǎng)絡(luò)跟蹤(Trace)用于研究網(wǎng)絡(luò)中資源和信息的流向；在水文應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)跟蹤可用于： 計算河流中水流的體積， 跟蹤污染物從污染源開始，沿溪流向下游擴散的過程。23在遠距離送貨、物資派發(fā)、急救服務(wù)和郵遞等服務(wù)中，經(jīng)常需要在一次行程中同時訪問多個站點(收貨方、郵件主人、物資儲備站等)，如何尋找到一個最短和最經(jīng)濟的路徑，保證訪問到所有站點，同時最快最省地完成一次行程呢?24反映現(xiàn)實世界網(wǎng)絡(luò)中資源的供需關(guān)系模型。 “供”代表一定數(shù)據(jù)的資源或貨物，位于“中心CENTER”設(shè)施中。 “需”指對資源的利用。分配分析：在空間中的一個或多個點間分配資源。25利用人們習(xí)慣的地址(街道門牌號)信息確定它在地圖上的確

10、切位置的技術(shù)。客戶名單、事故報告、報警中所使用的定位信息多數(shù)是按人們習(xí)慣的街道門牌號等文字形式提供的，經(jīng)常在地圖上需要迅速定位。例如，110接警后，需要迅速定位求救地點，然后才可以采取進一步措施(例如尋求最優(yōu)路徑前往救助)。26n選址和分區(qū)(Location-Allocation)分析決定一個或多個服務(wù)設(shè)施的最優(yōu)位置。定位：保證服務(wù)設(shè)施可以以最經(jīng)濟有效的方式為它所服務(wù)的人群提供服務(wù)。 分析中既有定位過程，也有資源分配過程。u實際問題： 加油站； 急救服務(wù)設(shè)置； 救火、醫(yī)療急救； 學(xué)校的選址等。 27用于理解和預(yù)測某點發(fā)生的活動和人、資源及信息的流動。兩點間距離越近，發(fā)生相互作用的可能性越大。2

11、8實際問題： 為什么物資總是向沿海地區(qū)流動； 為什么某一區(qū)域的人們總是去特定的商場購物； 從家到電影院超過多長時間后，就不會選擇去這個電影院看電影了。類似于路徑選擇，除了考慮兩個對象的距離，還要考慮相互作用時發(fā)生的活動的性質(zhì)。例如，人們不愿意去距離遠的商場購物，但可能愿意去較遠地方的名醫(yī)求醫(yī)問藥。29l傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)應(yīng)用只涉及地理信息的兩個方面：空間維度和屬性維度。l能夠同時處理時間維度。l解決歷史數(shù)據(jù)的丟失問題。l實現(xiàn)數(shù)據(jù)的歷史狀態(tài)重建、時空變化跟蹤、發(fā)展勢態(tài)的預(yù)測等功能。30n數(shù)據(jù)的時間維度：數(shù)據(jù)的時間維度：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)：如一個測站歷史數(shù)據(jù)的積累，可以通過在屬性數(shù)據(jù)表記錄中簡單地增加一個

12、時間戳(Time Stamp)實現(xiàn)管理；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)：如土地利用狀況的變化。描述這種時空數(shù)據(jù)是TGIS數(shù)據(jù)模型重點要解決的問題。31l時空數(shù)據(jù)模型的主要類型：序列快照模型基圖修正模型空間時間立方體模型空間時間組合體模型32n序列快照模型 將一系列時間片段的快照保存起來，各個切片分別對應(yīng)不同時刻的狀態(tài)圖層，反映地理現(xiàn)象的時空演化過程。33n基態(tài)修正模型基態(tài)修正模型 基態(tài)修正模型按事先設(shè)定的時間間隔進行采樣，它只存儲某個時間數(shù)據(jù)狀態(tài)(基態(tài))和相對于基態(tài)的變化量。34n時空立方體模型( Space-time Cube) 由空間兩個維度和一個時間維組成，描述了二維空間沿著第三個時間維演變的過程。任何一

13、個空間實體的演變歷史都是空間-時間立方體中的一個實體。35 空間分隔成具有相同時空過程的最大的公共時空單元，每個時空對象的變化都將在整個空間內(nèi)產(chǎn)生一個新的對象。模型將空間變化和屬性變化都映射為空間的變化，是序列快照模型和基態(tài)修正模型的折衷模型。36n面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)模型 將時態(tài)變化語義嵌入空間實體的描述中，將空間實體視為封裝有變化組分的對象，可以表現(xiàn)時間因素并表現(xiàn)實體的過去、現(xiàn)在和未來。核心：以面向?qū)ο蟮幕舅枷虢M織地理時空對象。l每個地理時空對象中封裝了對象的時態(tài)性、空間特性、屬性特性和相關(guān)的行為操作及與其他對象的關(guān)系。l時間、空間及屬性在時空對象中具有同等重要的地位。37lGIS本質(zhì)上是三維連續(xù)分布的以二維系統(tǒng)來描述三維的自然現(xiàn)象，不能夠精確地反映、分析或顯示有關(guān)信息。 地質(zhì)、地球物理、氣象、水文、采礦、地下水、災(zāi)害、污染等都是三維的。三維GIS在數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)維