第3講-空間數(shù)據(jù)模型-概念222

地理信息系統(tǒng)第3講空間數(shù)據(jù)模型-概念模型本講內(nèi)容地理空間與空間抽象空間數(shù)據(jù)概念模型空間關(guān)系（空間拓?fù)潢P(guān)系）對河流的諸多描述…模型的作用由于模型是對客觀世界中解決各種實際問題所依據(jù)的規(guī)律或過程的抽象或模擬，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，有利于問題的解決。數(shù)據(jù)模型(方根模型…)實物模型.....為了能夠利用地理信息系統(tǒng)工具解決現(xiàn)實世界中的問題，首先必需將復(fù)雜的地理事物和現(xiàn)象簡化和抽象到計算機中進行表示、處理和分析。這就需要對現(xiàn)實世界進行抽象建模，其結(jié)果就是空間數(shù)據(jù)模型。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，這包括定義空間實體及其相互間關(guān)系，確定數(shù)據(jù)實體或目標(biāo)及其關(guān)系，設(shè)計在計算機中的物理組織、存儲路徑和數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)等。1、空間認(rèn)知和空間抽象對現(xiàn)實世界進行認(rèn)知、簡化和抽象表達(dá)，并將抽象結(jié)果組織成有用、能反映現(xiàn)實世界真實狀況數(shù)據(jù)集，是地理信息系統(tǒng)重要任務(wù)之一，也是GIS的理論基礎(chǔ)。

現(xiàn)實世界

（基本語言）概念世界

（自然語言）地理空間世界

（GIS語言）尺度世界

（度量語言）項目世界

（Project）地理點列世界

（Coordinate）地理幾何特征世界

（Geometry）地理要素世界

地理要素

集合世界對地理對象的抽象的9個層次模型現(xiàn)實世界是所有事物（Fact）的集合，無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)識理解現(xiàn)實世界中的事物。

現(xiàn)實世界概念世界是人類自然語言的世界，人類了解且認(rèn)識其所命名的事物，因此這些事物構(gòu)成了“語言的世界”。

概念世界地理空間世界復(fù)雜的形狀、樣式、細(xì)節(jié)被抽象

由于在概念層次的世界充滿了復(fù)雜的形狀、樣式、細(xì)節(jié)。這些復(fù)雜性在地理空間世界中被消除，并用簡單的、淺顯的抽象來代替，這些抽象通常在時間以及空間上都是靜態(tài)的。維度世界是地理空間世界的一個抽象，其中包括一些測量工具，如卷尺測量和指南針，在這樣的水平上所認(rèn)識到的事實包括一元（Unary）關(guān)系（如一個弧段的長度）和二元（Binary）關(guān)系（如兩點之間的距離），這些關(guān)系本身就是各種要素的抽象。

維度世界空間參照系統(tǒng)的概念被引入反映了一個制圖員、一個地籍管理人員和一個道路管理人員視角的項目世界。項目世界正是項目世界語言的多樣性導(dǎo)致了GIS信息交換的難題。點集世界幾何世界要素世界GIS空間抽象舉例觀察和認(rèn)知信息選擇、綜合、簡化和抽象空間事物或現(xiàn)象概念模型ConceptialModel邏輯數(shù)據(jù)模型LogicalDataModel編碼、表達(dá)、建立空間關(guān)系物理數(shù)據(jù)模型PhysicalDataModel數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進行組織概念世界最高層數(shù)據(jù)世界（計算機）中間層空間數(shù)據(jù)庫最底層現(xiàn)實世界2空間數(shù)據(jù)概念模型

以GIS觀點對客觀世界建立模型，考慮如下對象：不連續(xù)對象，如道路、水域、建筑物；連續(xù)變化的對象，如地形的連續(xù)變化、溫度范圍等；分類的對象，如植被類型、氣候帶、年齡段等；突發(fā)事件：事故、水災(zāi)；某種人工選擇的表達(dá)方式，如點、線（等高線）、面、柵格等。

對象模型場模型網(wǎng)絡(luò)模型地理空間數(shù)據(jù)的概念模型對象模型場模型網(wǎng)絡(luò)模型對象模型/要素模型將研究的整個地理空間看成一個空域，地理現(xiàn)象和空間實體作為獨立的對象分布在該空域中,對象模型強調(diào)地理空間中的單個地理現(xiàn)象。按照其空間特征分為點、線、面、體四種基本對象;對象也可能由其他對象構(gòu)成復(fù)雜對象，并且與其他分離的對象保持特定的關(guān)系，如點、線、面、體之間的拓?fù)潢P(guān)系;每個對象對應(yīng)著一組相關(guān)的屬性以區(qū)分各個不同的對象;對象模型把地理現(xiàn)象當(dāng)作空間要素（Feature）或空間實體（Entity）,一個空間要素必須同時符合三個條件：可被標(biāo)識在觀察中的重要程度確定尺度有明確的特征且可被描述傳統(tǒng)的地圖是以對象模型進行地理空間抽象和建模的實例。場/域（field）模型把地理空間中的現(xiàn)象作為連續(xù)的變量或體來看待，如大氣污染程度、地表溫度、土壤濕度、地形高度以及大面積空氣和水域的流速和方向等;根據(jù)不同的應(yīng)用，場可以表現(xiàn)為二維或三維;一個二維場就是在二維空間R2中任意給定的一個空間位置上，都有一個表現(xiàn)某現(xiàn)象的屬性值，即

A＝f(x，y)

一個三維場是在三維空間R3中任意給定一個空間位置上，都對應(yīng)一個屬性值，即

A＝f(x，y，z)二維空間場一般采用6種具體的場模型來描述:

規(guī)則分布的點不規(guī)則分布的點規(guī)則矩形區(qū)不規(guī)則多邊形區(qū)不規(guī)則三角形區(qū)等值線格網(wǎng)地勢表達(dá)網(wǎng)絡(luò)模型網(wǎng)絡(luò)是由歐式空間中的若干點及它們之間相互連接的線（段）構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)是由一系列節(jié)點和環(huán)鏈組成的，在本質(zhì)上，網(wǎng)絡(luò)模型可看成對象模型的一個特例，它是由點對象和線對象之間的拓?fù)淇臻g關(guān)系構(gòu)成的。3、空間關(guān)系空間關(guān)系是指地理空間實體之間相互作用的關(guān)系。空間關(guān)系主要有：拓?fù)淇臻g關(guān)系：用來描述實體間的相鄰、連通、包含和相交等關(guān)系；順序空間關(guān)系：用于描述實體在地理空間上的排列順序，如實體之間前后、上下、左右和東、南、西、北等方位關(guān)系；度量空間關(guān)系：用于描述空間實體之間的距離遠(yuǎn)近等關(guān)系。拓?fù)湟辉~來自于希臘文，意思是“形狀的研究”。拓?fù)鋵W(xué)是幾何學(xué)的一個分支，它研究在拓?fù)渥儞Q（縮放、旋轉(zhuǎn)、扭曲和拉伸等）下能夠保持不變的幾何屬性——拓?fù)鋵傩??？臻g拓?fù)潢P(guān)系拓?fù)鋵傩砸粋€點在一個弧段的端點一個弧段是一個簡單弧段（弧段自身不相交）一個點在一個區(qū)域的邊界上一個點在一個區(qū)域的內(nèi)部一個點在一個區(qū)域的外部一個點在一個環(huán)的內(nèi)部一個面是一個簡單面（面上沒有“島”）一個面的連續(xù)性（給定面上任意兩點，從一點可以完全在面的內(nèi)部沿任意路徑走向另一點）非拓?fù)鋵傩詢牲c之間的距離一個點指向另一個點的方向弧段的長度一個區(qū)域的周長一個區(qū)域的面積實體對象所具有的拓?fù)浜头峭負(fù)鋵傩悦妗骊P(guān)系：與某個面狀地物相鄰的所有多邊形；線—線關(guān)系：如與某個河流關(guān)聯(lián)的所有支流；點—點關(guān)系：如與某個水井相距小于3Km的其它井；

線—面關(guān)系：如檢索某國道經(jīng)過的所有縣市；面—線關(guān)系：如檢索某縣境內(nèi)所有公路；點—線關(guān)系：如檢索某公路邊的加油站；點—面關(guān)系：如檢索某縣范圍內(nèi)郵電所分布情況；查詢與中國陸地接壤的國家？空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系，對數(shù)據(jù)處理和空間分析具有重要的意義：1.拓?fù)潢P(guān)系能清楚地反映實體之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，它比幾何坐標(biāo)關(guān)系有更大的穩(wěn)定性，不隨投影變換而變化。2.利用拓?fù)潢P(guān)系有利于空間要素的查詢。3.可以根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系重建地理實體。例如根據(jù)弧段構(gòu)建多邊形，實現(xiàn)道路的選取，進行最佳路徑的選擇等?？臻g順序關(guān)系順序空間關(guān)系是基于空間實體在地理空間的分布，采用上下、左右、前后、東南西北等方向性名詞來描述；同拓?fù)淇臻g關(guān)系的形式化描述類似，也可以按點－點、點－線、點－面、線－線、線－面和面－面等多種組合來考察不同類型空間實體間的順序關(guān)系；順序空間關(guān)系必須是在對空間實體間方位進行計算后才能得出；實體間的順序空間關(guān)系隨著空間數(shù)據(jù)的投影、幾何變換，順序空間關(guān)系也會發(fā)生變化在目前的GIS中，并不對順序空間關(guān)系進行描述和表達(dá)。

基準(zhǔn)方向基準(zhǔn)方向基準(zhǔn)方向點－點順序關(guān)系點－線順序關(guān)系點－面順序關(guān)系線－線順序關(guān)系線－面順序關(guān)系面－面順序關(guān)系基準(zhǔn)方向基準(zhǔn)方向基準(zhǔn)方向不同類型實體間的順序關(guān)系度量空間關(guān)系度量空間關(guān)系主要指空間實體間的距離關(guān)系；按照拓?fù)淇臻g關(guān)系中建立點－點、點－線、點－面、線－線、線－面和面－面等不同組合來考察不同類型空間實體間的度量關(guān)系；距離的度量可以是定量的，如按歐幾里德距離計算得出A實體距離B實體500m，也可以應(yīng)用與距離概念相關(guān)的概念如遠(yuǎn)近等進行定性地描述；與順序空間關(guān)系類似，距離值隨投影和幾何變換而變化。建立點－點的度量關(guān)系容易、點－線和點－面的度量關(guān)系較難，而線－線、線－面和面－面的度量關(guān)系更為困難，涉及大量的判斷和計算；在GIS中，一般也不明確描述度量空間關(guān)系；距離量算距離描述了兩個事物或?qū)嶓w之間的遠(yuǎn)近程度。最常用的距離概念是歐氏距離。在GIS中，距離通常描述的是一種可達(dá)性，一點到另一點不僅與歐氏距離有關(guān)，還與交通、運輸工具性能等有關(guān)，因此有曼哈頓距離、非歐氏距離等說法?？紤]到阻力影響，計算的距