05-空間關(guān)系與擴(kuò)展數(shù)據(jù)模型

空間關(guān)系與擴(kuò)展數(shù)據(jù)模型基于要素的空間關(guān)系網(wǎng)絡(luò)模型擴(kuò)展模型基于要素的空間關(guān)系空間關(guān)系指空間實(shí)體之間存在的與空間特性有關(guān)的關(guān)系度量關(guān)系方向關(guān)系拓?fù)潢P(guān)系拓?fù)潢P(guān)系拓?fù)鋵傩酝負(fù)渥儞Q下能夠保持不變的幾何屬性一個(gè)弧段是一個(gè)簡單弧段（弧段自身不相交）一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的邊界上一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的內(nèi)部一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的外部一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)環(huán)的內(nèi)部一個(gè)面是一個(gè)簡單面（面上沒有“島”）拓?fù)潢P(guān)系描述了兩個(gè)對(duì)象之間的拓?fù)鋵傩缘年P(guān)系拓?fù)潢P(guān)系的表達(dá)地理要素之間的空間區(qū)位關(guān)系可抽象為點(diǎn)、線（或弧）、多邊形（區(qū)域）之間的空間幾何關(guān)系9I模型與RCC模型點(diǎn)集拓?fù)鋬?nèi)部、外部、邊界Ao

ABo

BA-B-UAoA-

A9I模型Egenhofer等人構(gòu)造了一個(gè)由簡單幾何實(shí)體的邊界、內(nèi)部和外部的點(diǎn)集組成的3×3的矩陣來描述空間拓?fù)潢P(guān)系，稱為9交空間關(guān)系模型(9IModel)。該矩陣中的每一元素，都有“空”與“非空”兩種取值。9I矩陣在這個(gè)3*3矩陣中，每個(gè)元素根據(jù)其交集的空或非空(可以用1和0表示)加以確定不同的空間關(guān)系形成不同矩陣，從而分辨出各種空間關(guān)系（理論上講，可以有29=512種關(guān)系）9I矩陣示例（1）簡單面－簡單面9I矩陣示例（2）簡單線—簡單線9I矩陣示例（3）復(fù)雜線—復(fù)雜線9I矩陣示例（4）線—面9I模型的有缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)簡單模型容易理解，容易實(shí)現(xiàn)——OGC的實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)不能區(qū)分概念上不同的情況9I的擴(kuò)展ABABAB上述三個(gè)關(guān)系用9-I模型表達(dá)都是{111111111}方向關(guān)系空間方向關(guān)系又稱為方位關(guān)系、延伸關(guān)系，它定義了空間對(duì)象之間的方位主要描述為北、東、南、西4個(gè)主方向，以及進(jìn)一步細(xì)分東北、東南、西南和西北方向等等。定量表達(dá)方式東北35度定性表達(dá)方式東東北、東三種參照方式內(nèi)部參照直接參照外部參照內(nèi)部參照左直接參照左外部參照東主方向關(guān)系幾種定義模型錐形法投影法MBR法錐形法投影法MBR法度量關(guān)系度量屬性包括：一元度量屬性面積、周長…二元度量屬性距離距離可以表現(xiàn)為以下幾種形式大地測(cè)量距離沿著地球大圓經(jīng)過兩個(gè)城市中心的距離曼哈頓距離街區(qū)緯度差加上經(jīng)度差旅行時(shí)間距離從一個(gè)城市到另一個(gè)城市的最短的時(shí)間可以用一系列指定的航線來表示（假設(shè)每個(gè)城市至少有一個(gè)飛機(jī)場(chǎng)）詞典編纂距離在一個(gè)固定的地名冊(cè)中一系列城市中它們位置之間的絕對(duì)差值網(wǎng)絡(luò)模型網(wǎng)絡(luò)模型：networkmodel通過目標(biāo)之間的相關(guān)聯(lián)接相互連接多個(gè)空間實(shí)體建模對(duì)象交通網(wǎng)、管線網(wǎng)、電力網(wǎng)……特性多個(gè)要素之間，通過與它們相連接的通道，相互影響和交互可以看成是基于點(diǎn)對(duì)象和線對(duì)象及其拓?fù)潢P(guān)系的集合的描述相關(guān)現(xiàn)象的精確形狀不是非常重要，重要的是具體現(xiàn)象之間的距離或者阻力的度量參與分析運(yùn)算的對(duì)象還包括與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的設(shè)施，如商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)、樞紐、等網(wǎng)絡(luò)模型的建模方法在GIS中，網(wǎng)絡(luò)通常用點(diǎn)地物和線地物來建模點(diǎn)地物如街道交叉口、電路開關(guān)、電閘、水壓閥、水流的匯聚點(diǎn)等線地物如街道、傳送線路、管道、水流分支等模型：有向圖結(jié)構(gòu)Digraph=(Vertex,{Relation})Vertex：頂點(diǎn)的集合Relation：兩個(gè)頂點(diǎn)之間的關(guān)系的集合Network=(Node,Arc)Node：結(jié)點(diǎn)的集合Arc：弧的集合結(jié)點(diǎn)與弧之間的拓?fù)潢P(guān)系通過一個(gè)連接表來維護(hù)網(wǎng)格模型的結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)模型＋網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系表矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：線對(duì)象網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系表：有向圖結(jié)構(gòu)弧段表AAT結(jié)點(diǎn)表PATArc#F_NodeT_NodeAttributeNode#Arc1#Arc2#Arcn#AttributeArc#Node#網(wǎng)絡(luò)的屬性弧的屬性方向：阻力：資源在網(wǎng)絡(luò)上流動(dòng)的消耗距離、時(shí)間、損耗……正向阻力、逆向阻力單行線結(jié)點(diǎn)的屬性轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)彎阻力轉(zhuǎn)彎的方向左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎，U行彎網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用典型應(yīng)用的例子在街道交通網(wǎng)絡(luò)圖的基礎(chǔ)上為應(yīng)急救護(hù)車輛導(dǎo)航在街道交通網(wǎng)絡(luò)圖的基礎(chǔ)上尋找最優(yōu)的郵政投遞路線零售商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)的選址運(yùn)輸規(guī)劃在水流分布圖中跟蹤上游污染源頭在電力網(wǎng)絡(luò)圖中計(jì)算電力負(fù)載擴(kuò)展模型時(shí)空數(shù)據(jù)模型三維數(shù)據(jù)模型……時(shí)空數(shù)據(jù)模型時(shí)態(tài)GIS：TemporalGIS－TGIS能夠同時(shí)處理時(shí)間維的GIS時(shí)態(tài)變化屬性隨時(shí)間的變化——結(jié)構(gòu)化的空間特性隨時(shí)間的變化空間位置、形狀、分布、拓?fù)潢P(guān)系空間和屬性的同時(shí)變化時(shí)空數(shù)據(jù)模型的建模方法原則節(jié)省存儲(chǔ)空間加快存取速度表現(xiàn)時(shí)空語義地理實(shí)體的空間結(jié)構(gòu)、有效時(shí)間結(jié)構(gòu)、空間關(guān)系、時(shí)態(tài)關(guān)系、地理事件、時(shí)空關(guān)系數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)模型的主要建模方法將時(shí)間作為屬性的附加項(xiàng)將時(shí)間作為新的維數(shù)面向?qū)ο蠼；跔顟B(tài)和變化的建模時(shí)空模型——時(shí)間作為屬性的附加項(xiàng)基于傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)模型，擴(kuò)充關(guān)系模型、關(guān)系代數(shù)和查詢語言第一范式模型：1NF模型一個(gè)對(duì)象的歷史過程需要用幾個(gè)具有時(shí)間標(biāo)記的元組表達(dá)即使僅有屬性變化，也必須用一個(gè)新元組表示大量的數(shù)據(jù)冗余非第一范式模型：N1NF模型元組可以采用不定長記錄和嵌套方式同時(shí)發(fā)生的變化存儲(chǔ)在樹形結(jié)構(gòu)的不同層次的結(jié)點(diǎn)上，時(shí)態(tài)查詢與時(shí)空分析困難時(shí)空復(fù)合模型：space-timecomposite時(shí)空單元：相同時(shí)空變化過程的最大單元每個(gè)時(shí)空單元看成一個(gè)靜態(tài)對(duì)象，其時(shí)空過程作為屬性用關(guān)系表表達(dá)若時(shí)空單元發(fā)生分裂，則用新增的元組來反映新增的時(shí)空單元時(shí)空過程每變化一次，即在關(guān)系表中新增一列時(shí)間段來表達(dá)時(shí)空模型——時(shí)間作為新的維（1）時(shí)空立方體模型一時(shí)間軸為發(fā)展變化方向，表達(dá)二維圖形隨時(shí)間的演變給定一個(gè)時(shí)刻，即可以從三維立方體中截取一個(gè)截面得到該時(shí)刻的狀態(tài)數(shù)據(jù)量無限增長的趨勢(shì)系列快照模型用一系列時(shí)間片斷的快照，記錄空間狀態(tài)的變化過程快照是整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的全部記錄，大量的數(shù)據(jù)冗余難以處理時(shí)空對(duì)象之間的時(shí)態(tài)關(guān)系t0t1tiTYXt0t1tiTYX時(shí)空模型——時(shí)間作為新的維（2）基態(tài)修正模型選擇某個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)狀態(tài)作為基態(tài)完整記錄，按設(shè)定的采樣時(shí)間間隔，記錄其他時(shí)刻相對(duì)與基態(tài)的變化量解決數(shù)據(jù)冗余的問題，但時(shí)空索引、時(shí)空分析困難4種基態(tài)修正方法a)每個(gè)歷史狀態(tài)都從當(dāng)前基態(tài)修正b)每個(gè)早期的歷史狀態(tài)都是對(duì)其緊后的一次歷史狀態(tài)的修正c)在逐步修正的基礎(chǔ)上，特定的歷史狀態(tài)直接與當(dāng)前基態(tài)修正d)在逐步修正的基礎(chǔ)上，疊加更大時(shí)間跨度的逐步修正t0t1當(dāng)前T(a)t0t1當(dāng)前T(b)t0t1當(dāng)前T(c)t0t1當(dāng)前T(d)時(shí)空模型——面向?qū)ο蟮哪Ｐ褪褂妹嫦驅(qū)ο蟮姆椒?，直接支持?duì)象嵌套和變長記錄Worboys、Peuqust、史文中，等模型示例：以對(duì)象結(jié)構(gòu)描述時(shí)空對(duì)象的時(shí)間、空間和屬性3個(gè)基本成分<OBJ:{O-ID,Attr(t),Spatial(t),Temporal(Tv,Td),Actions}>OBJ：時(shí)空對(duì)象：點(diǎn)、線、多邊形、體、簡單對(duì)象、負(fù)責(zé)對(duì)象O-ID：對(duì)象的唯一表示符Attr(t)：對(duì)象隨時(shí)間t變化的非空間屬性描述Spatial(t)：對(duì)象隨時(shí)間t變化的空間特征描述Temporal(Tv,Td)：對(duì)象的時(shí)態(tài)性描述，反映對(duì)象的產(chǎn)生、演變和消亡的生命歷程，其中有效時(shí)間Tv與數(shù)據(jù)庫時(shí)間Td是正交的Actions：對(duì)象的行為操作描述，定義各種運(yùn)算操作抽象數(shù)據(jù)類型ADTGüting,Erwig

定義時(shí)空對(duì)象的抽象數(shù)據(jù)類型，可以直接被對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫使用時(shí)空模型——基于狀態(tài)和變化的模型基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型如ESTDM（PeuquetandDuan）變化以事件的時(shí)間序列存儲(chǔ)從初始狀態(tài)開始按升序存儲(chǔ)時(shí)刻，相鄰時(shí)刻差是事件間的時(shí)段變化可以是位置的、實(shí)體的、或兩者都有時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系國際上關(guān)于時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系的定義還沒有完整的、普遍接受的定義時(shí)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系的描述Allen13種關(guān)系基于9I和4I描述（舒紅）三維數(shù)據(jù)模型三維GIS 將三維坐標(biāo)(x,y,z)作為獨(dú)立產(chǎn)生進(jìn)行空間實(shí)體對(duì)象的幾何建模目前還沒有真正基于3D模型的完整的GIS系統(tǒng)空間維數(shù)準(zhǔn)3D、2.5D：只描述3D空間實(shí)體的外部輪廓，不表達(dá)其內(nèi)部屬性真3D：以體元的方式描述3D空間實(shí)體的外部輪廓及其內(nèi)部屬性2DGIS2.5DGIS準(zhǔn)3D(2.75D)GIS真3DGIS數(shù)學(xué)模型F=f(x,y)F=f(x,y)或Z=f(x,y)F=f(x,y,zi)F=f(x,y,z)高程特征無高程信息高程作為點(diǎn)的屬性一對(duì)(x,y)的z有多值一對(duì)(x,y)的z有多值屬性特征平面抽象表面抽象無體內(nèi)屬性有體內(nèi)屬性構(gòu)模方式2D矢量或柵格2D矢量或柵格面元構(gòu)模3D矢量、體元構(gòu)模典型實(shí)例電子地圖DEM、DTM3D城市模型地下四面體、三棱柱三維建模的主要方法面模型(facialmodel)體模型(volumetricmodel)混合模型(mixedmodel)規(guī)則體元非規(guī)則體元不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何(CSG)四面體格網(wǎng)(TEN)TIN-CSG混合格網(wǎng)(Grid)體素(Voxel)金字塔(Pyramid)TIN-Octree混合或Hybrid模型邊界表示模型(B-Rep)八叉樹(Octree)三棱柱(TP)WireFrame-Block混合線框(WireFrame)或相連切片(LinkedSlices)針體(Needle)地質(zhì)細(xì)胞(Geocellular)Octree-TEN混合斷面序列(SeriesSections)規(guī)則塊體(RegularBlock)非規(guī)則塊體(IrregularBlock)斷面-三角網(wǎng)混合(Section-TINmixed)實(shí)體(Solid)多層DEMs3DVoronoi圖廣義三棱柱(GTP)面向?qū)ο蟮慕７椒ň唧w應(yīng)用實(shí)踐中的空間數(shù)據(jù)建模