地理信息系統(tǒng) 第三章地理空間數(shù)據(jù)模型

地理空間數(shù)據(jù)組織與管理第二部分

第三章地理空間數(shù)據(jù)模型概念基本特征和描述分類和分層空間數(shù)據(jù)索引空間數(shù)據(jù)模型3.1地理空間數(shù)據(jù)模型概念3.2基本特征和描述空間位置特征：對地理實體或現(xiàn)象的分布位置、幾何特征和空間關(guān)系的定義?？臻g屬性特征：對地理實體或現(xiàn)象的屬性定義和說明信息。時間特征：地理實體或現(xiàn)象的時間尺度，隨時間變化的特征?？臻g數(shù)據(jù)描述的內(nèi)容編碼——用于區(qū)別不同的實體，有時同一個實體在不同的時間具有不同的編碼，如上行和下行的火車。編碼通常包括分類碼和識別碼。分類碼標識實體所屬的類別，識別碼對每個實體進行標識，是唯一的，用于區(qū)別不同的實體。位置——通常用坐標值的形式(或其它方式)給出實體的空間位置。類型——指明該地理實體屬于哪一種實體類型，或由哪些實體類型組成。行為——指明該地理實體可以具有哪些行為和功能。屬性——指明該地理實體所對應的非空間信息，如道路的寬度、路面質(zhì)量、車流量、交通規(guī)則等。說明——用于說明實體數(shù)據(jù)的來源、質(zhì)量等相關(guān)的信息。關(guān)系——與其它實體的關(guān)系信息。3.3分類編碼和數(shù)據(jù)分層空間數(shù)據(jù)的分類、分層和空間索引是GIS空間數(shù)據(jù)組織的重要方式和內(nèi)容分類是編碼之依據(jù)分層是分類的結(jié)果空間索引建立了空間實體坐標系和屏幕間關(guān)系，是快速選取空間實體的基礎分類和分級分類將具有共同的屬性或特征的事物或現(xiàn)象歸并在一起，而把不同屬性或特征的事物或現(xiàn)象分開的過程。

分類是人類思維所固有的一種活動，是認識事物的一種方法。分級是對事物或現(xiàn)象的數(shù)量或特征進行等級的劃分，主要包括確定分級數(shù)和分級界線。線分類法：（層次分類法）耕地71園地

72林地

73牧草地74居民點及公礦用地

75交通用地75水域

76未利用地

77土地利用類型7有林地

731灌木地

732疏林地733跡地

735針葉樹疏林地7331闊葉樹疏林地7332未成林林地734面分類法分類的基本原則科學性：選擇事物或現(xiàn)象最穩(wěn)定的屬性和特征作為分類的依據(jù)。系統(tǒng)性：應形成一個分類體系，低級的類應能歸并到高級的類中?？蓴U性：應能容納新增加的事物和現(xiàn)象，而不致于打亂已建立的分類系統(tǒng)。實用性：應考慮對信息分類所依據(jù)的屬性或特征的獲取方式和獲取能力。兼容性：應與有關(guān)的標準協(xié)調(diào)一致。確定分級數(shù)的基本原則分級數(shù)應符合數(shù)值估計精度的要求。分級數(shù)多，數(shù)值估計的精度就高。分級數(shù)應顧及可視化的效果。等級的劃分在GIS中要以圖形的方式表示出來，根據(jù)人對符號等級的感受，分級數(shù)應在4～7級。分級數(shù)應符合數(shù)據(jù)的分布特征。對于呈明顯聚群分布的數(shù)據(jù)，應以數(shù)據(jù)的聚群數(shù)作為分級數(shù)。在滿足精度的前提下，應盡可能選擇較少的分級數(shù)。確定分級界線的基本原則保持數(shù)據(jù)的分布特征。使級內(nèi)差異盡可能小，各級代表值之間的差異應盡可能大。在任何一個等級內(nèi)都必須有數(shù)據(jù)，任何數(shù)據(jù)都必須落在某一個等級內(nèi)。盡可能采用有規(guī)則變化的分級界線。分級界線應當湊整?？臻g數(shù)據(jù)的編碼空間數(shù)據(jù)的編碼是指確定屬性數(shù)據(jù)的代碼的方法和過程。代碼是一個或一組有序的易于被計算機或人識別與處理的符號，是計算機鑒別和查找信息的主要依據(jù)和手段。編碼的直接產(chǎn)物就是代碼，而分類分級則是編碼的基礎。分類是一種信息結(jié)構(gòu)，編碼是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。代碼的功能鑒別——代碼代表對象的名稱，是鑒別對象的唯一標識。分類——當按對象的屬性分類，并分別賦予不同的類別代碼時，代碼又可作為區(qū)分分類對象類別的標識。排序——當按對象產(chǎn)生的時間、所占的空間或其它方面的順序關(guān)系排列，并分別賦予不同的代碼時，代碼又可作為區(qū)別對象排序的標識。編碼的基本原則唯一性——一個代碼只唯一地表示一類對象。合理性——代碼結(jié)構(gòu)要與分類體系相適應?？蓴U性——必須留有足夠的備用代碼，以適應擴充的需要。簡單性——結(jié)構(gòu)應盡量簡單，長度應盡量短。適用性——代碼應盡可能反映對象的特點，以助記憶。規(guī)范性——代碼的結(jié)構(gòu)、類型、編寫格式必須統(tǒng)一。代碼的類型代碼有數(shù)字、字母、數(shù)字和字母混合三類表示形式。數(shù)字型代碼用一個或若干個阿拉伯數(shù)字表示對象的代碼。特點是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、易于排序，但對對象的特征描述不直觀。字母型代碼用一個或若干個字母表示對象的代碼。特點是比同樣位數(shù)的數(shù)字型代碼容量大，還可提供便于識別的信息，易于記憶，但比同樣位數(shù)的數(shù)字型代碼占用更多的計算機空間。數(shù)字、字母混合型代碼是由數(shù)字、字母、專用符組成的代碼。兼有數(shù)字型和字母型的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)嚴密，直觀性好，但組成形式復雜，處理麻煩。編碼方法舉例行政區(qū)劃代碼(GB—2260—91)這是一種識別碼，用6位數(shù)字代碼按層次分別表示省(自治區(qū)、直轄市)、地區(qū)(市、州、盟)、縣(區(qū)、市、旗)的名稱。其第一、二位表示省(自治區(qū)、直轄市)；第三、四位表示省直轄市(地區(qū)、州、盟)，其中01～20，51～70表示省直轄市，21～50表示地區(qū)、州、盟；第五、六位表示縣(市轄市、地轄市、縣級市、旗)，其中01～18表示市轄區(qū)或地轄市，21～80表示縣、旗，81～99表示縣級市。例如、鄭州市的代碼為410100加拿大數(shù)字地形要素分類編碼系統(tǒng)這是一種分類碼，且是一種數(shù)字字母混合型代碼。采用樹型結(jié)構(gòu)將地形要素分為四級，其代碼結(jié)構(gòu)為：

×

××

×××

×××

│

│

│

└─

四級代碼，三位數(shù)字

│

│

└───

三級代碼，三位數(shù)字

│

└───

二級代碼，兩位數(shù)字

└───

一級代碼，一位數(shù)字空間數(shù)據(jù)的分層和分區(qū)地理信息本身具有層次性。分層和分區(qū)是空間數(shù)據(jù)組織的高級形式，為管理和使用提供了便利分層依據(jù)地理實體性質(zhì)分區(qū)依據(jù)平面范圍分層按專題地貌、水系、植被、交通、居民地等按時間不同時間的數(shù)據(jù)成為不同層，便于對比、處理、表現(xiàn)。如每年建的住宅用不同的顏色表現(xiàn)按實體的幾何類型一般按點、線、面、注記按實體的屬性結(jié)構(gòu)同種屬性表為一個層按專題分層

每個圖層對應一個專題，包含某一種或某一類數(shù)據(jù)。如地貌層、水系層、道路層、居民地層等。。現(xiàn)實世界獲取水系信息地形信息道路信息植被信息等+++空間數(shù)據(jù)庫存儲按時間序列分層

即把不同時間或不同時期的數(shù)據(jù)分別構(gòu)成各個數(shù)據(jù)層圖層i圖層j點文件i線文件i面文件i點文件j線文件j面文件jShape文件公路GIS的圖層分區(qū)按圖幅、自然區(qū)域、行政區(qū)域劃分外業(yè)測量按河流、街道劃分可大大減少接邊的工作工作區(qū)（Workspace）圖幅或數(shù)據(jù)范圍，含多個工作層和邏輯層Coverage是工作層也是邏輯層，用層的方式嚴格將點線面分開后期的工作層可同時包含點線面地物類由相同的地物組合而成一個工作層含多個地物類工作層和邏輯層SuperMap的層——數(shù)據(jù)集在SuperMap中，層稱為數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)集的特點表達同種地理實體具有同樣的數(shù)據(jù)表具有相同的符號數(shù)據(jù)集的位置工作空間——數(shù)據(jù)源——數(shù)據(jù)集——符號GIS數(shù)據(jù)的組織管理結(jié)構(gòu)GIS工程工作區(qū)1工作區(qū)2

工作區(qū)m工作層1

圖幅2 圖幅n圖幅1 工作層2

工作層p

地物類2 地物類1

地物類q

地物1地物2地物r…….…….……. …….…….3.4空間數(shù)據(jù)索引空間索引的層次結(jié)構(gòu)無縫圖層工作區(qū)索引目標索引窗坐標、BSP、KDB樹、R樹和R+樹、CELL樹空間數(shù)據(jù)索引的必要性在GIS中需要根據(jù)空間位置進行查詢，例如，“找出通過某個區(qū)域的所有公路”，“檢索在某個區(qū)域內(nèi)的所有湖泊”等等。為了處理這類空間查詢，數(shù)據(jù)庫需要檢查每一個可能滿足條件的空間要素的記錄，看它是否與查詢區(qū)域相交或是在查詢區(qū)域內(nèi)，這種空間相交運算需要先讀出空間要素幾何形狀的邊界坐標，然后再與空間區(qū)域進行空間關(guān)系運算。由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的這種窮盡式搜索方法花費的磁盤訪問時間和空間運算時間都很長，往往達到令人無法忍受的程度，故必須建立空間數(shù)據(jù)索引機制?？臻g索引的層次無縫圖層現(xiàn)實世界的地區(qū)、城市均是連續(xù)的。對較小的區(qū)域可以將數(shù)據(jù)物理連接，生成物理無縫圖層。對無法生成物理無縫圖層的地區(qū)，可以建立邏輯無縫圖層。邏輯無縫圖層建立了地物的連接描述工作區(qū)索引對海量數(shù)據(jù)而言，必須建立多個工作區(qū)，將數(shù)據(jù)按工作區(qū)存放于存儲器。建立索引文件在開窗操作時，系統(tǒng)根據(jù)窗口坐標，按索引文件迅速調(diào)入所涉及的工作區(qū)目標索引窗坐標索引機制格網(wǎng)型空間索引BSP索引機制KDB樹R樹和R+樹CELL樹窗坐標

索引

機制建立每個實體的最小包容矩形，記錄其對角坐標。單點檢索可判斷是否在包容矩形內(nèi)；范圍檢索可判斷每個實體的最小包容矩形和范圍的關(guān)系：內(nèi)、外、相交。對所有空間實體的外接矩形最大最小坐標進行落入判別，其中空間實體B、C完全落入查詢窗，從空間數(shù)據(jù)庫中提取B和C的相應數(shù)據(jù)。

A 查詢窗口 B

CE F D

格網(wǎng)型空間索引將區(qū)域用橫豎線條劃分大小相等和不等的格網(wǎng)，記錄每一個格網(wǎng)所包含的空間實體。進行空間查詢時，首先計算出查詢對象所在格網(wǎng)，然后再在該網(wǎng)格中快速查詢所選空間實體。一條河流、一個湖泊和一條省界，它們的關(guān)鍵字分別為5，11和23。河流穿過的柵格為2，34，35，67，68；湖泊覆蓋的柵格為68，69，100，101；省界所通過的柵格為5，37，36，35，67，99，98，97。BSP索引機制是一種二叉樹，它將空間逐級進行一分為二的劃分。BSP樹能很好地與空間數(shù)據(jù)庫中空間對象的分布情況相適應，但對一般情況而言，BSP樹深度較大，對各種操作均有不利影響。6.5空間數(shù)據(jù)模型三種傳統(tǒng)模型層次、網(wǎng)絡、關(guān)系面向?qū)ο竽Ｐ投S矢量模型柵格數(shù)據(jù)模型三維空間模型矢量、柵格三種傳統(tǒng)模型層次網(wǎng)絡關(guān)系層次模型層次模型是一種樹結(jié)構(gòu)模型，它把數(shù)據(jù)按自然的層次關(guān)系組織起來，以反映數(shù)據(jù)之間的隸屬關(guān)系。一棵樹有且僅有一個無雙親結(jié)點的稱為根的結(jié)點；其余結(jié)點有且僅有一個雙親結(jié)點。

層次模型描述矢量數(shù)據(jù)特點是將數(shù)據(jù)組織成一對多關(guān)系的結(jié)構(gòu)。層次結(jié)構(gòu)采用關(guān)鍵字來訪問其中每一層次的每一部分。層次數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)特別適用于文獻目錄、土壤分類、部門機構(gòu)等分級數(shù)據(jù)的組織ⅠⅡ123456abcdefgMMⅠⅡabcdefg1223344134355664c層次數(shù)據(jù)的特點優(yōu)點：存取方便且速度快結(jié)構(gòu)清晰，容易理解數(shù)據(jù)修改和數(shù)據(jù)庫擴展容易實現(xiàn)檢索關(guān)鍵屬性十分方便缺陷：結(jié)構(gòu)呆板，缺乏靈活性同一屬性數(shù)據(jù)要存儲多次，數(shù)據(jù)冗余大（如公共邊）不適合于拓撲空間數(shù)據(jù)的組織空間對象的層次分類編碼分類對象的從屬和層次關(guān)系有明確的分類對象類別和嚴格的隸屬關(guān)系高壓711電線架715管線:7地下電力線與電纜72電力線71地下檢修井74管線73低壓712電桿713電塔714不依比例7142依比例7141網(wǎng)狀模型基本特征：結(jié)點數(shù)據(jù)之間沒有明確的從屬關(guān)系，一個結(jié)點可與其它多個結(jié)點建立聯(lián)系，即結(jié)點之間的聯(lián)系是任意的，任何兩個結(jié)點之間都能發(fā)生聯(lián)系，可表示多對多的關(guān)系。用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)模型描述復雜關(guān)系

網(wǎng)絡模型用連接指令或指針來確定數(shù)據(jù)間的顯式連接關(guān)系，是具有多對多類型的數(shù)據(jù)組織方式。系名土木系教師數(shù)學生數(shù)研究生系名管理系教師數(shù)49學生數(shù)257研究生71學校名稱工程學院系名測繪系教師數(shù)52學生數(shù)300研究生70系名教師數(shù)學生數(shù)研究生系名教師數(shù)學生數(shù)學號002312姓名楊樂年級3籍貫廣東系名教師數(shù)學生數(shù)研究生系名教師數(shù)學生數(shù)教師號12姓名梁欣年齡２８職稱助教系名教師數(shù)學生數(shù)研究生系名教師數(shù)學生數(shù)課程號A01課程名GIS周學時4學分5系名教師數(shù)系名學號002312課程號A01網(wǎng)絡數(shù)據(jù)模型特點優(yōu)點：能明確而方便地表示數(shù)據(jù)間的復雜關(guān)系數(shù)據(jù)冗余小缺陷：網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復雜，增加了用戶查詢和定位的困難。需要存儲數(shù)據(jù)間聯(lián)系的指針，使得數(shù)據(jù)量增大數(shù)據(jù)的修改不方便（指針必須修改）關(guān)系數(shù)據(jù)模型關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為滿足一定條件的二維表，表具有固定的列數(shù)和任意的行數(shù)，在數(shù)學上稱為“關(guān)系”；二維表是同類實體的各種屬性的集合，每個實體對應于表中的一行，在關(guān)系中稱為元組，通常稱為一條記錄；表中的列表示屬性，稱為域，相當于通常記錄中的一個數(shù)據(jù)項。若二維表中有n個域，則每一行叫做一個n元組，這樣的關(guān)系稱為n度(元)關(guān)系；表的行對應于對象的實例，各個表的行列交點就用來存貯簡單值。滿足一定條件的規(guī)范化關(guān)系的集合，就構(gòu)成了關(guān)系模型?；陉P(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫——關(guān)系型數(shù)據(jù)庫目前的GIS中一般都是采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲、管理屬性數(shù)據(jù)以表為基礎：行（Record，記錄）列（Field，屬性、數(shù)據(jù)項、字段、關(guān)鍵字段

）字段類型：（數(shù)值型、字符型、日期型、邏輯型…）CODELANDUSEFARDENSITYGREENHEIGHTA3-1G120.000.000.000.00A3-2C250.8025.0030.0015.00A3-3C250.8025.0030.0015.00A3-4C410.000.000.0012.00A3-5C250.8025.0030.0015.00房屋表和道路表房號性質(zhì)樓層數(shù)結(jié)構(gòu)建筑年代20私房7磚198629公房12砼2001編號等級路面材料寬度車道數(shù)建筑年代3021水泥12419862012瀝青1662001ⅠⅡ123456abcdefgM用關(guān)系模型表示地理實體地理實體——多邊形關(guān)系：M(Ⅰ，Ⅱ)多邊形——邊關(guān)系：Ⅰ(a,b,c,d)Ⅱ(e,f,g,c)邊——結(jié)點關(guān)系：a(V１，V2)、b(V2，V3)、c(V3，V4)、d(V１，V4)、e(V１，V5)、f(V5，V6))、g(V6，V4)ⅠabcdⅡefgc

a12b23c34d14e35f56g64MⅠMⅡ關(guān)系模型的進一步發(fā)展RDBMS的現(xiàn)狀是理論和技術(shù)都非常完善和成熟，基本上占據(jù)了全部傳統(tǒng)應用領域和90%以上的非傳統(tǒng)應用領域非結(jié)構(gòu)化大型對象的引進

多媒體——如文本數(shù)據(jù)、圖象數(shù)據(jù)、靜止的視頻片斷、全動感的視頻信息、聲音波形等等，需要用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲和管理這類非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)DEC公司于1981年就引進能存貯變長字符串和二進制數(shù)據(jù)的概念，目前一些大型的RDBMS（如Oracle等）中，增加了大型對象這種數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)從等長轉(zhuǎn)為變長分布式數(shù)據(jù)庫70年代以來計算機網(wǎng)絡迅速發(fā)展，在地理上分散的公司、團體和組織對于數(shù)據(jù)庫更為廣泛的應用，產(chǎn)生了分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡兩者有機結(jié)合的結(jié)果。比如，全省各院?？梢园颜猩那闆r存放在各自的招生辦，省招生辦可以通過網(wǎng)絡隨時查詢統(tǒng)計各校數(shù)據(jù)。對象特性的融入

為了迎接面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫在非傳統(tǒng)應用領域?qū)﹃P(guān)系數(shù)據(jù)庫提出的挑戰(zhàn)，確保關(guān)系數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)庫領域的霸主地位，關(guān)系數(shù)據(jù)庫巨頭Oracle、Sybase、DB2、Informix都在積極努力，使自己的關(guān)系型產(chǎn)品增加一些面向?qū)ο蟮某煞帧Ｃ嫦驅(qū)ο竽Ｐ兔嫦驅(qū)ο蟮幕靖拍钍窃谏鲜兰o70年代萌發(fā)，它的基本做法是把系統(tǒng)工程中的某個模塊和構(gòu)件視為問題空間的一個或一類對象。80年代，面向?qū)ο蟮姆椒ǖ玫胶芸彀l(fā)展，在系統(tǒng)工程、計算機、人工智能等領域獲得了廣泛應用。90年代，人們在更高級的層次上和更廣泛的領域內(nèi)對面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM行研究面向?qū)ο蟮母拍罨舅枷牖靖拍顚ο?含有數(shù)據(jù)和操作方法的獨立模塊類:共享同一屬性和方法集的所有對象的集合構(gòu)成類。消息:對對象進行操作的請求方法:對對象的所有操作地理對象屬性—數(shù)據(jù)行為—方法類實例1實例2對象1對象2請求和協(xié)作消息面向?qū)ο蟮奶匦院秃诵募夹g(shù)

面向?qū)ο蠓椒ǖ奶匦猿橄笮?、封裝性、多態(tài)性面向?qū)ο蠓椒ǖ暮诵募夹g(shù)分類、概括、聚集、聯(lián)合現(xiàn)實世界抽象對象1對象n對象2面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的核心工具繼承為面向?qū)ο蠓椒ㄋ氂?，服務于概括。在繼承體系中，子類的屬性和方法依賴父類的屬性和方法。傳播是一種作用于聚集和聯(lián)合的工具，用于描述復合對象或集合對象對成員對象的依賴性并獲