空間數(shù)據(jù)的表達與組織課件

第三章空間數(shù)據(jù)的表達與組織主講教師：邱春霞測繪學(xué)院第三章空間數(shù)據(jù)的表達與組織主講教師：邱春霞1重點內(nèi)容空間數(shù)據(jù)的“位”、“鄰”、“近”、“勢”的概念；地圖代數(shù)提出的矢量-柵格緊密結(jié)合型數(shù)據(jù)模型的含義；空間數(shù)據(jù)的表達；空間數(shù)據(jù)的“0”初始化。重點內(nèi)容空間數(shù)據(jù)的“位”、“鄰”、“近”、“勢”的概念2GIS中最根本、最活躍的因素是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)：是一種未經(jīng)加工的原始資料。信息：是經(jīng)過收集、記錄、處理、以可檢索形式存儲的數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)的內(nèi)容、解釋和內(nèi)涵意義。GIS中最根本、最活躍的因素是數(shù)據(jù)。3GIS中用實體來組織和統(tǒng)率數(shù)據(jù)實體：是指客觀世界中存在且可相互區(qū)別的物體和現(xiàn)象?！涗泴嶓w的客觀性質(zhì)（屬性）——字段；屬性的量度（屬性值）——數(shù)據(jù)；實體按照某一屬性或?qū)傩灾颠M行分類，可匯集成實體集——文件。GIS的基礎(chǔ)是空間數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)在GIS中特別重要。GIS中用實體來組織和統(tǒng)率數(shù)據(jù)實體：是指客觀世界中存在且可相43.1GIS的空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)：是實體本身的地理屬性，包含實體本身的位置數(shù)據(jù)以及實體間的空間關(guān)系數(shù)據(jù)兩部分，是地理信息的本質(zhì)特征。3.1GIS的空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)：是實體本身的地理屬性，包含5一、空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容傳統(tǒng)意義上認為，空間數(shù)據(jù)具有三大要素：幾何、屬性、時間；提出的完整的空間數(shù)據(jù)概念為：由位、鄰、近、勢四類信息綜合描述的數(shù)據(jù)。一、空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容傳統(tǒng)意義上認為，空間數(shù)據(jù)具有三大要素：幾何6位：指空間點、線、面實體的位置數(shù)據(jù)（最基本、最關(guān)鍵）；鄰：指空間點、線、面實體的有關(guān)“鄰”的關(guān)系數(shù)據(jù)，一般通過“公共元”或“鄰接元”表示相互關(guān)系和區(qū)分，即學(xué)術(shù)界討論的比較多的“拓撲”關(guān)系數(shù)據(jù)；近：指空間點、線、面實體間及附近空間的關(guān)系數(shù)據(jù)（非接觸的、直接的、“可視的”）；勢：指扣除了“鄰”、“近”后，空間全部實體間的各種關(guān)系數(shù)據(jù)（非直接的、非“可視的”）。位：指空間點、線、面實體的位置數(shù)據(jù)（最基本、最關(guān)鍵）；7二、GIS的發(fā)展與空間數(shù)據(jù)GIS的發(fā)展初期（傳統(tǒng)地圖學(xué)時代）：位置數(shù)據(jù)；20世紀70年代（計算機輔助制圖）：“位”數(shù)據(jù)和少量的關(guān)系數(shù)據(jù)；現(xiàn)代GIS：“位”、“鄰”、“近”、“勢”數(shù)據(jù)（如緩沖區(qū)問題）。二、GIS的發(fā)展與空間數(shù)據(jù)GIS的發(fā)展初期（傳統(tǒng)地圖學(xué)時代）8GIS學(xué)科本身的發(fā)展歷程正說明了：要完整地描述空間實體的位置、形態(tài)、空間分布和相互關(guān)系，“鄰”、“近”、“勢”信息是必不可少的。GIS學(xué)科本身的發(fā)展歷程正說明了：要完整地描述空間實體的位置9（一）機助編繪問題對于單個空間實體的繪制，一般只要知道其空間位置和類別數(shù)據(jù)，即可進行符號化（清繪）；隨著比例尺的縮小，縮小空間內(nèi)應(yīng)表達的要素實體實際上是由要素本身的用途決定的。解決多個點、線、面實體圖形符號可視化時新產(chǎn)生的矛盾，主要采用壓蓋、避讓等方法，這就必然要顧及“近”數(shù)據(jù)。解決“制圖綜合”國際難題的關(guān)鍵是空間數(shù)據(jù)（“位”、“鄰”、“近”）及其組織問題。（一）機助編繪問題對于單個空間實體的繪制，一般只要知道其空間10（二）GIS網(wǎng)絡(luò)分析問題相應(yīng)于“鄰”問題，如爆管分析中相關(guān)閥門檢索及處理；相應(yīng)于“近”問題，如路經(jīng)分析中的最短路徑；相應(yīng)于“勢”問題，如網(wǎng)絡(luò)中的P中心設(shè)置。（二）GIS網(wǎng)絡(luò)分析問題相應(yīng)于“鄰”問題，如爆管分析中相關(guān)閥113.2GIS空間數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型提供了數(shù)據(jù)庫的概念結(jié)構(gòu)及信息表達的形式化手段，決定了需要在數(shù)據(jù)庫中表達的特征及其如何描述它們之間的相互關(guān)系，定義了在數(shù)據(jù)上的各種操作。數(shù)據(jù)模型不同，是從不同側(cè)面對數(shù)據(jù)認識的結(jié)果。3.2GIS空間數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型提供了數(shù)據(jù)庫的概念結(jié)構(gòu)及信12一、普通數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型：表示實體以及實體間聯(lián)系的模型。數(shù)據(jù)模型的作用是能清晰地表示數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)模型包括：數(shù)據(jù)概念模型、數(shù)據(jù)邏輯模型、數(shù)據(jù)物理模型。一、普通數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型：表示實體以及實體間聯(lián)系的13（一）實體間的聯(lián)系實體間的聯(lián)系有兩種：實體內(nèi)部的聯(lián)系，反映在數(shù)據(jù)上是記錄內(nèi)部即字段間的聯(lián)系；實體之間的聯(lián)系，反映在數(shù)據(jù)上是記錄之間的聯(lián)系。實體間的關(guān)系有三種：1—1關(guān)系1—m關(guān)系n—m關(guān)系（一）實體間的聯(lián)系實體間的聯(lián)系有兩種：14（二）數(shù)據(jù)模型實體—聯(lián)系（E-R）模型層次模型網(wǎng)狀模型關(guān)系模型（二）數(shù)據(jù)模型實體—聯(lián)系（E-R）模型15實體—聯(lián)系（E-R）模型E-R模型是1976年P(guān).P.S.Chen提出的；E-R模型直接列出所有的實體、實體屬性以及實體之間的聯(lián)系，一般用長方體表示實體，用橢圓表示實體屬性，用菱形表示實體間聯(lián)系；E-R模型是描述現(xiàn)實世界最好的工具，特別適合一個企業(yè)部門的信息結(jié)構(gòu)。實體—聯(lián)系（E-R）模型16層次模型（樹狀結(jié)構(gòu)）優(yōu)點：層次分明、組織有序；缺點：數(shù)據(jù)獨立性較差，難以表達多對多的關(guān)系，導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余。層次模型（樹狀結(jié)構(gòu)）優(yōu)點：層次分明、組織有序；17網(wǎng)狀模型（圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）優(yōu)點：能描述多對多關(guān)系；缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了它在空間數(shù)據(jù)表達中的應(yīng)用。網(wǎng)狀模型（圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）優(yōu)點：能描述多對多關(guān)系；18關(guān)系模型關(guān)系模型的理論基礎(chǔ)是關(guān)系理論，它通過關(guān)系運算操作數(shù)據(jù)。從用戶角度看，關(guān)系模型的邏輯結(jié)構(gòu)是一張二維表，由行、列組成，每一行為一個元組，每一列為一個屬性，也就是說，關(guān)系模型是用二維表結(jié)構(gòu)來表示實體和實體之間聯(lián)系的模型。關(guān)系模型關(guān)系模型的理論基礎(chǔ)是關(guān)系理論，它通過關(guān)19關(guān)系模型多邊形和弧段的關(guān)系多邊形號弧段號P1a1a2a3P2a2a5a7P3a3a6a4P4a6a7a8弧段和結(jié)點的關(guān)系弧段號起點終點a1N1N2a2N3N2a3N1N3a4N4N1a5N2N5a6N4N3a7N3N5a8N5N4結(jié)點坐標結(jié)點號坐標N1x1，y1N2x2，y2N3x3，y3N4x4，y4N5x5，y5優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單靈活，易查詢，維護方便。缺點：不適合表示非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，難以表達目標，尤其是復(fù)雜目標，效率較低。關(guān)系模型多邊形和弧段的關(guān)系多邊形號弧段號P1a1a220關(guān)系模型與網(wǎng)狀模型和層次模型的區(qū)別關(guān)系模型不使用指針或鏈接，通過表格數(shù)據(jù)來實現(xiàn)實體間的關(guān)系。關(guān)系模型與網(wǎng)狀模型和層次模型的區(qū)別關(guān)系模型不使用指針或鏈接，21二、空間數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型不僅要抽象具有空間分布特征的實體集，還要抽象實體集之間的關(guān)系?？臻g數(shù)據(jù)庫中的地理實體和普通數(shù)據(jù)庫中的實體最大的不同：地理實體具有空間性質(zhì)。二、空間數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型不僅要抽象具有空間分布22（一）空間數(shù)據(jù)模型與普通數(shù)據(jù)模型的重要差別空間數(shù)據(jù)模型與普通數(shù)據(jù)模型的重要差別是：地理實體具有空間性質(zhì)。若用關(guān)系模型表示沒有空間性質(zhì)的實體（如房屋）；GIS空間數(shù)據(jù)庫中的房屋有空間性質(zhì)，它具有非空間屬性和空間性質(zhì)的數(shù)據(jù)。（一）空間數(shù)據(jù)模型與普通數(shù)據(jù)模型的重要差別空間數(shù)據(jù)模型與普通23（二）空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)概念模型空間數(shù)據(jù)邏輯模型空間數(shù)據(jù)物理模型（二）空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)概念模型24空間數(shù)據(jù)概念模型：是真實世界實體與現(xiàn)象的第一次抽象，即具有空間分布特征的實體集及實體集之間關(guān)系的概括性描述?？臻g數(shù)據(jù)概念模型包含的內(nèi)容：幾何概念模型、語義概念模型?？臻g數(shù)據(jù)概念模型：是真實世界實體與現(xiàn)象的第一次抽象，即具有空25空間數(shù)據(jù)邏輯模型：是空間數(shù)據(jù)概念模型所確定的空間實體及關(guān)系的邏輯表達，是概念數(shù)據(jù)模型向物理數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換的橋梁。一般情況，矢量數(shù)據(jù)模型用于離散目標，柵格數(shù)據(jù)模型用于連續(xù)目標。實際上，離散目標也可以用柵格數(shù)據(jù)模型，連續(xù)目標也可以用矢量數(shù)據(jù)模型。隨著地理信息科學(xué)的新發(fā)展，矢量數(shù)據(jù)模型偏向面向?qū)嶓w、柵格數(shù)據(jù)模型偏向面向空間?？臻g數(shù)據(jù)邏輯模型：是空間數(shù)據(jù)概念模型所確定的空間實體及關(guān)系的26空間數(shù)據(jù)物理模型：是通過一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成空間數(shù)據(jù)的物理組織、空間存取及索引方法的設(shè)計?？臻g數(shù)據(jù)物理模型：是通過一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成空間數(shù)據(jù)的物理組織273.3空間數(shù)據(jù)的表達空間數(shù)據(jù)的構(gòu)成：幾何數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)，其中幾何數(shù)據(jù)包括實體的基本幾何數(shù)據(jù)（空間位數(shù)據(jù)）和由實體的空間位置決定的空間關(guān)系數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)的表達是以特定的數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來完成。3.3空間數(shù)據(jù)的表達空間數(shù)據(jù)的構(gòu)成：幾何數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、時28一、空間位數(shù)據(jù)的表達位數(shù)據(jù)是空間數(shù)據(jù)中最基本的數(shù)據(jù)。位數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式取決于參考系的表現(xiàn)形式。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中點、線、面的表示；柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中點、線、面的表示。一、空間位數(shù)據(jù)的表達位數(shù)據(jù)是空間數(shù)據(jù)中最基本的數(shù)據(jù)。29地圖代數(shù)提出了矢量-柵格緊密結(jié)合型的數(shù)據(jù)模型：矢量為體柵格為用矢柵互換利用長處地圖代數(shù)提出了矢量-柵格緊密結(jié)合型的數(shù)據(jù)模型：矢量為體30矢量為體：是指實體在數(shù)據(jù)庫中表達時、以對象為單位的統(tǒng)計分析時、對象的可視化表達有利時，充分利用矢量面向?qū)ο蟮膬?yōu)勢進行表達。柵格為用：是指在空間數(shù)據(jù)處理和空間分析時，基本由柵格方式完成，充分利用柵格面向空間的優(yōu)勢。矢柵互換：指本模型的支撐技術(shù)，除需快速且1—1的將矢量位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格位數(shù)據(jù)外，還需快速且1—1的將柵格位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化位矢量位數(shù)據(jù)，這一點目前還比較薄弱。利用長處：指本模型運用特點和目的，它一定要圍繞問題的目的，一定要針對問題目標本身來應(yīng)用矢量或柵格形式，不是呆板的、千篇一律的。矢量為體：是指實體在數(shù)據(jù)庫中表達時、以對象為單位的統(tǒng)計分析時31二、空間關(guān)系數(shù)據(jù)的運算和表達根據(jù)Egenhofer等人的研究，基礎(chǔ)空間關(guān)系分為三種：拓撲關(guān)系、距離關(guān)系、方向關(guān)系。在基本的三種空間關(guān)系中，可認為拓撲關(guān)系是定性（本質(zhì)）的關(guān)系，距離關(guān)系、方向關(guān)系是空間關(guān)系進一步的定量描述，是關(guān)系數(shù)據(jù)。二、空間關(guān)系數(shù)據(jù)的運算和表達根據(jù)Egenhofer等人的研究32（一）空間拓撲關(guān)系的計算及表達拓撲關(guān)系：是空間目標在拓撲變換下保持不變的空間關(guān)系。拓撲變換包括：拉伸、扭曲、旋轉(zhuǎn)、偏移、縮放等。GIS中拓撲關(guān)系主要表現(xiàn)為：鄰接性、連通性、包含以及空間分量數(shù)及其關(guān)系等。（一）空間拓撲關(guān)系的計算及表達拓撲關(guān)系：是空間目標在拓撲變換33采用九交叉模型分析兩線目標之間的拓撲關(guān)系：其中，A、B為兩實體；為A、B空間點集的邊界；為A、B空間點集的內(nèi)部；為A、B空間點集的補。采用九交叉模型分析兩線目標之間的拓撲關(guān)系：其中，A、B為兩實34空間拓撲關(guān)系的計算對于矢量結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)來說，拓撲關(guān)系的計算本身是極其復(fù)雜的過程；對于有N個實體的研究區(qū)域來說，需要N×(N-1)/2次實體間拓撲關(guān)系的判斷，而且交集的求解和量化也需要進行復(fù)雜的運算。空間拓撲關(guān)系的計算對于矢量結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)來說，拓撲關(guān)系的計算本身35柵格數(shù)據(jù)一般被認為是“難以建立拓撲關(guān)系”，然而實際并非如此。柵格圖像是以規(guī)則單元致密結(jié)構(gòu)化整個研究區(qū)域，實體之間的鄰接關(guān)系實際已經(jīng)蘊含在位數(shù)據(jù)中，如果采用柵格圖形運算，則容易通過疊置運算來實現(xiàn)交集運算，并非常容易實現(xiàn)交集的量化。所以，用柵格數(shù)據(jù)完全可以進行拓撲關(guān)系的計算。柵格數(shù)據(jù)一般被認為是“難以建立拓撲關(guān)系”，然而實際并非如此。36空間拓撲關(guān)系的表達一般采用一個三元組（實體A，實體B，拓撲關(guān)系R）來定性描述，而對于有N個實體的研究區(qū)域來說，需要N×(N-1)/2條記錄來顯式地記錄這些拓撲關(guān)系；若考慮到拓撲關(guān)系的量化指標，則更為復(fù)雜?？臻g拓撲關(guān)系的表達一般采用一個三元組（實體A，實體B，拓撲關(guān)37（二）空間距離關(guān)系的計算及表達距離關(guān)系：是基于距離尺度的空間關(guān)系，基于距離的分析包括距離計算、最短路徑分析、空間剖分（如Voronoi劃分）和緩沖區(qū)分析等。定量化的距離關(guān)系包括：鄰關(guān)系、近關(guān)系和勢關(guān)系。（二）空間距離關(guān)系的計算及表達距離關(guān)系：是基于距離尺度的空間38鄰關(guān)系數(shù)據(jù)體現(xiàn)的是零距離關(guān)系，是空間點、線、面、體實體間的有關(guān)“鄰接”關(guān)系的數(shù)據(jù)，和拓撲關(guān)系中的鄰接關(guān)系基本一致，一般通過“公共元”或“鄰接元”的相互關(guān)系來區(qū)分。

近關(guān)系數(shù)據(jù)是空間點、線、面實體間及附近空間的關(guān)系數(shù)據(jù)，是實體之間遠近程度的表示。近關(guān)系有兩個層次的意義：一是定值的近關(guān)系，這就是通常的緩沖區(qū)分析，一是基于最近關(guān)系的區(qū)域剖分，比較典型的應(yīng)用是實體的Voronoi圖所劃定的離實體最近的區(qū)域。鄰關(guān)系數(shù)據(jù)體現(xiàn)的是零距離關(guān)系，是空間點、線、面、體實體間的有39

勢關(guān)系是空間全部實體間的相互關(guān)系，也表明空間各實體對空間任一點的影響，它是空間中實體影響能力的強弱表達。

勢關(guān)系的兩個基本要素為：權(quán)重、距離?？臻g距離關(guān)系是以空間實體的位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，包括鄰、近、勢關(guān)系的復(fù)雜集合，這幾種關(guān)系的集合是空間距離關(guān)系的一個完備表達。勢關(guān)系是空間全部實體間的相互關(guān)系，也表明空間各實體對空40（三）空間方向關(guān)系計算及表達空間方向問題是擬尺度下的空間關(guān)系問題。對方向關(guān)系的研究模型較多，空間方向的判斷和計算設(shè)計空間認知和心理學(xué)的相關(guān)內(nèi)容。如，2001年閆浩文在其博士論文中討論了采用Voronoi圖形式化描述和計算空間方向關(guān)系的模型。（三）空間方向關(guān)系計算及表達空間方向問題是擬尺度下的空間關(guān)系413.4空間數(shù)據(jù)組織面臨的困惑

空間分析是GIS的核心和靈魂，數(shù)據(jù)組織是分析的基礎(chǔ)。3.4空間數(shù)據(jù)組織面臨的困惑空間分析是GIS的核心和靈42一、空間數(shù)據(jù)組織面臨的兩大困惑空間數(shù)據(jù)的位、鄰、近、勢數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量依次呈幾何級數(shù)增長，數(shù)據(jù)的復(fù)雜性也依次增強。面對龐大的數(shù)據(jù)量，對于矢量數(shù)據(jù)方法來說，無論是運算的初始化組織，還是存儲管理，都是一個瓶頸，其應(yīng)對方法已成為GIS發(fā)展的困惑之一。（一）空間數(shù)據(jù)量問題一、空間數(shù)據(jù)組織面臨的兩大困惑空間數(shù)據(jù)的位、鄰、近、勢數(shù)據(jù)的43（二）復(fù)雜動態(tài)的空間數(shù)據(jù)組織問題動態(tài)GIS是對一個區(qū)域的多時刻快照與某個或某些因素的動力學(xué)機理模擬和探索，復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)具有多因素、多過程、多周期和所系統(tǒng)的特征。傳統(tǒng)的點、線、面、體組織方式較為適合靜態(tài)數(shù)據(jù)，對于水、氣等大型的動態(tài)的空間對象已不完全適宜。應(yīng)該怎樣描述復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)，對于這類問題的空間分析應(yīng)該采用什么樣的途徑或方法更為合適，是GIS發(fā)展的另一大困惑。（二）復(fù)雜動態(tài)的空間數(shù)據(jù)組織問題動態(tài)GIS是對一個區(qū)域的多時44二、空間數(shù)據(jù)初始化問題空間數(shù)據(jù)初始化：是空間分析或處理算法對起始數(shù)據(jù)的要求和具體準備，對任一個算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和數(shù)據(jù)的有序組織，是任何一個過程或連續(xù)過程中最基本和最困難的部分?？臻g數(shù)據(jù)的初始化是動態(tài)復(fù)雜地理過程能否計算的關(guān)鍵。二、空間數(shù)據(jù)初始化問題空間數(shù)據(jù)初始化：是空間分析或處理算法對453.5GIS空間數(shù)據(jù)“0”初始化GIS空間數(shù)據(jù)“0”初始化的最初設(shè)想是在地圖代數(shù)多年研究的基礎(chǔ)上逐步產(chǎn)生的。在地圖代數(shù)的進一步發(fā)展研究基礎(chǔ)上，逐漸形成了一套系統(tǒng)的柵格數(shù)據(jù)處理算法，為空間數(shù)據(jù)的鄰、近、勢關(guān)系的計算提供了可能。采用柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行空間關(guān)系運算的成功實驗，進一步驗證了在空間分析時無需完備初始化空間關(guān)系數(shù)據(jù)的可行性。一、GIS空間數(shù)據(jù)“0”初始化的提出與設(shè)想3.5GIS空間數(shù)據(jù)“0”初始化GIS空間數(shù)據(jù)“0”初始化46二、GIS空間數(shù)據(jù)“0”初始化的科學(xué)涵義GIS空間數(shù)據(jù)“0”初始化：是一套基于對空間數(shù)據(jù)和空間關(guān)系全面認識基礎(chǔ)上的、基于地圖代數(shù)的空間變換思想進行空間數(shù)據(jù)組織與分析的理論與方法的集合。二、GIS空間數(shù)據(jù)“0”初始化的科學(xué)涵義GIS空間數(shù)據(jù)“0”47GIS空間數(shù)據(jù)“0”初始化的核心：是盡量減少對空間衍生關(guān)系的初始化，通過采用簡潔高效的算法對原生數(shù)據(jù)進行代數(shù)變換獲得空間衍生關(guān)系，以克服空間分析中空間衍生關(guān)系數(shù)據(jù)量大、表達困難、難以滿足動態(tài)分析需要等一系列GIS發(fā)展的瓶頸，促進GIS空間分析的發(fā)展。GIS空間數(shù)據(jù)“0”初始化的核心：是盡量減少對空間衍生關(guān)系的48地圖代數(shù)的成熟，為GIS空間數(shù)據(jù)“0”初始化提供了理論和技術(shù)的基礎(chǔ)，使得空間數(shù)據(jù)的“0”初始化逐漸演化為空間分析時數(shù)據(jù)組織與準備的理論與方法集合。地圖代數(shù)的成熟，為GIS空間數(shù)據(jù)“0”初始化提供了理論和技術(shù)49第三章空間數(shù)據(jù)的表達與組織主講教師：邱春霞測繪學(xué)院第三章空間數(shù)據(jù)的表達與組織主講教師：邱春霞50重點內(nèi)容空間數(shù)據(jù)的“位”、“鄰”、“近”、“勢”的概念；地圖代數(shù)提出的矢量-柵格緊密結(jié)合型數(shù)據(jù)模型的含義；空間數(shù)據(jù)的表達；空間數(shù)據(jù)的“0”初始化。重點內(nèi)容空間數(shù)據(jù)的“位”、“鄰”、“近”、“勢”的概念51GIS中最根本、最活躍的因素是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)：是一種未經(jīng)加工的原始資料。信息：是經(jīng)過收集、記錄、處理、以可檢索形式存儲的數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)的內(nèi)容、解釋和內(nèi)涵意義。GIS中最根本、最活躍的因素是數(shù)據(jù)。52GIS中用實體來組織和統(tǒng)率數(shù)據(jù)實體：是指客觀世界中存在且可相互區(qū)別的物體和現(xiàn)象。——記錄實體的客觀性質(zhì)（屬性）——字段；屬性的量度（屬性值）——數(shù)據(jù)；實體按照某一屬性或?qū)傩灾颠M行分類，可匯集成實體集——文件。GIS的基礎(chǔ)是空間數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)在GIS中特別重要。GIS中用實體來組織和統(tǒng)率數(shù)據(jù)實體：是指客觀世界中存在且可相533.1GIS的空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)：是實體本身的地理屬性，包含實體本身的位置數(shù)據(jù)以及實體間的空間關(guān)系數(shù)據(jù)兩部分，是地理信息的本質(zhì)特征。3.1GIS的空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)：是實體本身的地理屬性，包含54一、空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容傳統(tǒng)意義上認為，空間數(shù)據(jù)具有三大要素：幾何、屬性、時間；提出的完整的空間數(shù)據(jù)概念為：由位、鄰、近、勢四類信息綜合描述的數(shù)據(jù)。一、空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容傳統(tǒng)意義上認為，空間數(shù)據(jù)具有三大要素：幾何55位：指空間點、線、面實體的位置數(shù)據(jù)（最基本、最關(guān)鍵）；鄰：指空間點、線、面實體的有關(guān)“鄰”的關(guān)系數(shù)據(jù)，一般通過“公共元”或“鄰接元”表示相互關(guān)系和區(qū)分，即學(xué)術(shù)界討論的比較多的“拓撲”關(guān)系數(shù)據(jù)；近：指空間點、線、面實體間及附近空間的關(guān)系數(shù)據(jù)（非接觸的、直接的、“可視的”）；勢：指扣除了“鄰”、“近”后，空間全部實體間的各種關(guān)系數(shù)據(jù)（非直接的、非“可視的”）。位：指空間點、線、面實體的位置數(shù)據(jù)（最基本、最關(guān)鍵）；56二、GIS的發(fā)展與空間數(shù)據(jù)GIS的發(fā)展初期（傳統(tǒng)地圖學(xué)時代）：位置數(shù)據(jù)；20世紀70年代（計算機輔助制圖）：“位”數(shù)據(jù)和少量的關(guān)系數(shù)據(jù)；現(xiàn)代GIS：“位”、“鄰”、“近”、“勢”數(shù)據(jù)（如緩沖區(qū)問題）。二、GIS的發(fā)展與空間數(shù)據(jù)GIS的發(fā)展初期（傳統(tǒng)地圖學(xué)時代）57GIS學(xué)科本身的發(fā)展歷程正說明了：要完整地描述空間實體的位置、形態(tài)、空間分布和相互關(guān)系，“鄰”、“近”、“勢”信息是必不可少的。GIS學(xué)科本身的發(fā)展歷程正說明了：要完整地描述空間實體的位置58（一）機助編繪問題對于單個空間實體的繪制，一般只要知道其空間位置和類別數(shù)據(jù)，即可進行符號化（清繪）；隨著比例尺的縮小，縮小空間內(nèi)應(yīng)表達的要素實體實際上是由要素本身的用途決定的。解決多個點、線、面實體圖形符號可視化時新產(chǎn)生的矛盾，主要采用壓蓋、避讓等方法，這就必然要顧及“近”數(shù)據(jù)。解決“制圖綜合”國際難題的關(guān)鍵是空間數(shù)據(jù)（“位”、“鄰”、“近”）及其組織問題。（一）機助編繪問題對于單個空間實體的繪制，一般只要知道其空間59（二）GIS網(wǎng)絡(luò)分析問題相應(yīng)于“鄰”問題，如爆管分析中相關(guān)閥門檢索及處理；相應(yīng)于“近”問題，如路經(jīng)分析中的最短路徑；相應(yīng)于“勢”問題，如網(wǎng)絡(luò)中的P中心設(shè)置。（二）GIS網(wǎng)絡(luò)分析問題相應(yīng)于“鄰”問題，如爆管分析中相關(guān)閥603.2GIS空間數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型提供了數(shù)據(jù)庫的概念結(jié)構(gòu)及信息表達的形式化手段，決定了需要在數(shù)據(jù)庫中表達的特征及其如何描述它們之間的相互關(guān)系，定義了在數(shù)據(jù)上的各種操作。數(shù)據(jù)模型不同，是從不同側(cè)面對數(shù)據(jù)認識的結(jié)果。3.2GIS空間數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型提供了數(shù)據(jù)庫的概念結(jié)構(gòu)及信61一、普通數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型：表示實體以及實體間聯(lián)系的模型。數(shù)據(jù)模型的作用是能清晰地表示數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)模型包括：數(shù)據(jù)概念模型、數(shù)據(jù)邏輯模型、數(shù)據(jù)物理模型。一、普通數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型：表示實體以及實體間聯(lián)系的62（一）實體間的聯(lián)系實體間的聯(lián)系有兩種：實體內(nèi)部的聯(lián)系，反映在數(shù)據(jù)上是記錄內(nèi)部即字段間的聯(lián)系；實體之間的聯(lián)系，反映在數(shù)據(jù)上是記錄之間的聯(lián)系。實體間的關(guān)系有三種：1—1關(guān)系1—m關(guān)系n—m關(guān)系（一）實體間的聯(lián)系實體間的聯(lián)系有兩種：63（二）數(shù)據(jù)模型實體—聯(lián)系（E-R）模型層次模型網(wǎng)狀模型關(guān)系模型（二）數(shù)據(jù)模型實體—聯(lián)系（E-R）模型64實體—聯(lián)系（E-R）模型E-R模型是1976年P(guān).P.S.Chen提出的；E-R模型直接列出所有的實體、實體屬性以及實體之間的聯(lián)系，一般用長方體表示實體，用橢圓表示實體屬性，用菱形表示實體間聯(lián)系；E-R模型是描述現(xiàn)實世界最好的工具，特別適合一個企業(yè)部門的信息結(jié)構(gòu)。實體—聯(lián)系（E-R）模型65層次模型（樹狀結(jié)構(gòu)）優(yōu)點：層次分明、組織有序；缺點：數(shù)據(jù)獨立性較差，難以表達多對多的關(guān)系，導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余。層次模型（樹狀結(jié)構(gòu)）優(yōu)點：層次分明、組織有序；66網(wǎng)狀模型（圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）優(yōu)點：能描述多對多關(guān)系；缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了它在空間數(shù)據(jù)表達中的應(yīng)用。網(wǎng)狀模型（圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）優(yōu)點：能描述多對多關(guān)系；67關(guān)系模型關(guān)系模型的理論基礎(chǔ)是關(guān)系理論，它通過關(guān)系運算操作數(shù)據(jù)。從用戶角度看，關(guān)系模型的邏輯結(jié)構(gòu)是一張二維表，由行、列組成，每一行為一個元組，每一列為一個屬性，也就是說，關(guān)系模型是用二維表結(jié)構(gòu)來表示實體和實體之間聯(lián)系的模型。關(guān)系模型關(guān)系模型的理論基礎(chǔ)是關(guān)系理論，它通過關(guān)68關(guān)系模型多邊形和弧段的關(guān)系多邊形號弧段號P1a1a2a3P2a2a5a7P3a3a6a4P4a6a7a8弧段和結(jié)點的關(guān)系弧段號起點終點a1N1N2a2N3N2a3N1N3a4N4N1a5N2N5a6N4N3a7N3N5a8N5N4結(jié)點坐標結(jié)點號坐標N1x1，y1N2x2，y2N3x3，y3N4x4，y4N5x5，y5優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單靈活，易查詢，維護方便。缺點：不適合表示非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，難以表達目標，尤其是復(fù)雜目標，效率較低。關(guān)系模型多邊形和弧段的關(guān)系多邊形號弧段號P1a1a269關(guān)系模型與網(wǎng)狀模型和層次模型的區(qū)別關(guān)系模型不使用指針或鏈接，通過表格數(shù)據(jù)來實現(xiàn)實體間的關(guān)系。關(guān)系模型與網(wǎng)狀模型和層次模型的區(qū)別關(guān)系模型不使用指針或鏈接，70二、空間數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型不僅要抽象具有空間分布特征的實體集，還要抽象實體集之間的關(guān)系。空間數(shù)據(jù)庫中的地理實體和普通數(shù)據(jù)庫中的實體最大的不同：地理實體具有空間性質(zhì)。二、空間數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型不僅要抽象具有空間分布71（一）空間數(shù)據(jù)模型與普通數(shù)據(jù)模型的重要差別空間數(shù)據(jù)模型與普通數(shù)據(jù)模型的重要差別是：地理實體具有空間性質(zhì)。若用關(guān)系模型表示沒有空間性質(zhì)的實體（如房屋）；GIS空間數(shù)據(jù)庫中的房屋有空間性質(zhì)，它具有非空間屬性和空間性質(zhì)的數(shù)據(jù)。（一）空間數(shù)據(jù)模型與普通數(shù)據(jù)模型的重要差別空間數(shù)據(jù)模型與普通72（二）空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)概念模型空間數(shù)據(jù)邏輯模型空間數(shù)據(jù)物理模型（二）空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)概念模型73空間數(shù)據(jù)概念模型：是真實世界實體與現(xiàn)象的第一次抽象，即具有空間分布特征的實體集及實體集之間關(guān)系的概括性描述?？臻g數(shù)據(jù)概念模型包含的內(nèi)容：幾何概念模型、語義概念模型?？臻g數(shù)據(jù)概念模型：是真實世界實體與現(xiàn)象的第一次抽象，即具有空74空間數(shù)據(jù)邏輯模型：是空間數(shù)據(jù)概念模型所確定的空間實體及關(guān)系的邏輯表達，是概念數(shù)據(jù)模型向物理數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換的橋梁。一般情況，矢量數(shù)據(jù)模型用于離散目標，柵格數(shù)據(jù)模型用于連續(xù)目標。實際上，離散目標也可以用柵格數(shù)據(jù)模型，連續(xù)目標也可以用矢量數(shù)據(jù)模型。隨著地理信息科學(xué)的新發(fā)展，矢量數(shù)據(jù)模型偏向面向?qū)嶓w、柵格數(shù)據(jù)模型偏向面向空間。空間數(shù)據(jù)邏輯模型：是空間數(shù)據(jù)概念模型所確定的空間實體及關(guān)系的75空間數(shù)據(jù)物理模型：是通過一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成空間數(shù)據(jù)的物理組織、空間存取及索引方法的設(shè)計。空間數(shù)據(jù)物理模型：是通過一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成空間數(shù)據(jù)的物理組織763.3空間數(shù)據(jù)的表達空間數(shù)據(jù)的構(gòu)成：幾何數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)，其中幾何數(shù)據(jù)包括實體的基本幾何數(shù)據(jù)（空間位數(shù)據(jù)）和由實體的空間位置決定的空間關(guān)系數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)的表達是以特定的數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來完成。3.3空間數(shù)據(jù)的表達空間數(shù)據(jù)的構(gòu)成：幾何數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、時77一、空間位數(shù)據(jù)的表達位數(shù)據(jù)是空間數(shù)據(jù)中最基本的數(shù)據(jù)。位數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式取決于參考系的表現(xiàn)形式。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中點、線、面的表示；柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中點、線、面的表示。一、空間位數(shù)據(jù)的表達位數(shù)據(jù)是空間數(shù)據(jù)中最基本的數(shù)據(jù)。78地圖代數(shù)提出了矢量-柵格緊密結(jié)合型的數(shù)據(jù)模型：矢量為體柵格為用矢柵互換利用長處地圖代數(shù)提出了矢量-柵格緊密結(jié)合型的數(shù)據(jù)模型：矢量為體79矢量為體：是指實體在數(shù)據(jù)庫中表達時、以對象為單位的統(tǒng)計分析時、對象的可視化表達有利時，充分利用矢量面向?qū)ο蟮膬?yōu)勢進行表達。柵格為用：是指在空間數(shù)據(jù)處理和空間分析時，基本由柵格方式完成，充分利用柵格面向空間的優(yōu)勢。矢柵互換：指本模型的支撐技術(shù)，除需快速且1—1的將矢量位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格位數(shù)據(jù)外，還需快速且1—1的將柵格位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化位矢量位數(shù)據(jù)，這一點目前還比較薄弱。利用長處：指本模型運用特點和目的，它一定要圍繞問題的目的，一定要針對問題目標本身來應(yīng)用矢量或柵格形式，不是呆板的、千篇一律的。矢量為體：是指實體在數(shù)據(jù)庫中表達時、以對象為單位的統(tǒng)計分析時80二、空間關(guān)系數(shù)據(jù)的運算和表達根據(jù)Egenhofer等人的研究，基礎(chǔ)空間關(guān)系分為三種：拓撲關(guān)系、距離關(guān)系、方向關(guān)系。在基本的三種空間關(guān)系中，可認為拓撲關(guān)系是定性（本質(zhì)）的關(guān)系，距離關(guān)系、方向關(guān)系是空間關(guān)系進一步的定量描述，是關(guān)系數(shù)據(jù)。二、空間關(guān)系數(shù)據(jù)的運算和表達根據(jù)Egenhofer等人的研究81（一）空間拓撲關(guān)系的計算及表達拓撲關(guān)系：是空間目標在拓撲變換下保持不變的空間關(guān)系。拓撲變換包括：拉伸、扭曲、旋轉(zhuǎn)、偏移、縮放等。GIS中拓撲關(guān)系主要表現(xiàn)為：鄰接性、連通性、包含以及空間分量數(shù)及其關(guān)系等。（一）空間拓撲關(guān)系的計算及表達拓撲關(guān)系：是空間目標在拓撲變換82采用九交叉模型分析兩線目標之間的拓撲關(guān)系：其中，A、B為兩實體；為A、B空間點集的邊界；為A、B空間點集的內(nèi)部；為A、B空間點集的補。采用九交叉模型分析兩線目標之間的拓撲關(guān)系：其中，A、B為兩實83空間拓撲關(guān)系的計算對于矢量結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)來說，拓撲關(guān)系的計算本身是極其復(fù)雜的過程；對于有N個實體的研究區(qū)域來說，需要N×(N-1)/2次實體間拓撲關(guān)系的判斷，而且交集的求解和量化也需要進行復(fù)雜的運算?？臻g拓撲關(guān)系的計算對于矢量結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)來說，拓撲關(guān)系的計算本身84柵格數(shù)據(jù)一般被認為是“難以建立拓撲關(guān)系”，然而實際并非如此。柵格圖像是以規(guī)則單元致密結(jié)構(gòu)化整個研究區(qū)域，實體之間的鄰接關(guān)系實際已經(jīng)蘊含在位數(shù)據(jù)中，如果采用柵格圖形運算，則容易通過疊置運算來實現(xiàn)交集運算，并非常容易實現(xiàn)交集的量化。所以，用柵格數(shù)據(jù)完全可以進行拓撲關(guān)系的計算。柵格數(shù)據(jù)一般被認為是“難以建立拓撲關(guān)系”，然而實際并非如此。85空間拓撲關(guān)系的表達一般采用一個三元組（實體A，實體B，拓撲關(guān)系R）來定性描述，而對于有N個實體的研究區(qū)域來說，需要N×(N-1)/2條記錄來顯式地記錄這些拓撲關(guān)系；若考慮到拓撲關(guān)系的量化指標，則更為復(fù)雜?？臻g拓撲關(guān)系的表達一般采用一個三元組（實體A，實體B，拓撲關(guān)86（二）空間距離關(guān)系的計算及表達距離關(guān)系：是基于距離尺度的空間關(guān)系，基于距離的分析包括距離計算、最短路徑分析、空間剖分（如Voronoi劃分）和緩沖區(qū)分析等。定量化的距離關(guān)系包括：鄰關(guān)系、近關(guān)系和勢關(guān)系。（二）空間距離關(guān)系的計算及表達距離關(guān)系：是基于距離尺度的空間87鄰關(guān)系數(shù)據(jù)體現(xiàn)的是零距離關(guān)系，是空間點、線、面、體實體間的有關(guān)“鄰接”關(guān)系的數(shù)據(jù)，和拓撲關(guān)系中的鄰接關(guān)系基本一致，一般通過“公共元”或“鄰接元”的相互關(guān)系來區(qū)分。

近關(guān)系數(shù)據(jù)是空間點、線、面實體間及附近空間的關(guān)系數(shù)據(jù)，是實體之間遠近程度的表示。近關(guān)系有兩個層次的意義：一是定值的近關(guān)系，這就是通常的緩沖區(qū)分析，一是基于最近關(guān)系的區(qū)域剖分，比較典型的應(yīng)用是實體的Voronoi圖所劃定的離實體最近的區(qū)域。鄰關(guān)系數(shù)據(jù)體現(xiàn)的是零距離關(guān)系，是空間點、線、面、體實體間的有88

勢關(guān)系是空間全部實體間的相互關(guān)系，也表明空間各實體對空間任一點的影響，它是空間中實體影響能力的強弱表達。

勢關(guān)系的兩個基本要素為：權(quán)重、距離?？臻g距離關(guān)系是以空間實體的位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，包括鄰、近、勢關(guān)系的復(fù)雜集合，這幾種關(guān)系的