GIS空间数据模型

藿乐威尔田园得真正迷人之处，在我瞧就是：它得遁隐之深，离开村子有两英里，

离开最近得邻居有半英里，并且有一大片地把它与公路隔开了；它傍着河流，据

它得主人说，由于这条河，而升起了雾，春天就不会下霜了。

梭罗在地球表面得任何地方都存在着垂直得与水平得两种关系：垂直关系把同一个地

方得不同要素联结起来，而水平关系则把不同地方得各种因素联结起来。这两种

关系得相对重要性随时代得变化而有所不同…正就是这双重得关注，甚而至于这

两种关系得结合，才为地理学提供了独特性与完整性。

R、J、约翰斯顿

第三章空间数据模型

导读：本章描述得就是整个GIS理论中最为核心得内容。为了能够利用信息系统工具来描述现实世界，并解决其中得问题，必须对现实世界进行建模。对于地理信息系统而言，其结果就就是空间数据模型。空间数据模型可以分为三种：

场模型：用于描述空间中连续分布得现象；

要素模型：用于描述各种空间地物；

网络模型：可以模拟现实世界中得各种网络；

在各种模型中，又介绍了相关得概念，如空间划分，空间关系，以及拓扑关系得形式化描述——9交模型等。

最后讲述了普通得二维数据模型在空间上与时间上得扩展，时间数据模型与三维数据模型。

值得注意得就是，本章谈到得场模型与要素模型类同于后面提及得栅格数据与矢量数据，但就是前者就是概念模型；后者就是指其在信息系统中得实现。

1．空间数据模型得基本问题

人类生活与生产所在得现实世界就是由事物或实体组成得，有着错综复杂得组成结构。从系统得角度来瞧，空间事物或实体得运动状态（在特定时空中得性状与态势）与运动方式（运动状态随时空变化而改变得式样与规律）不断发生变化，系统得诸多组成要素（实体）之间又存在着相互作用、相互制约得依存关系，表现为人口、物质、能量、信息、价值得流

动与作用，反映出不同得空间现象与问题。为了控制与调节空间系统得物质流、能量流与人流等，使之转移到期望得状态与方式，实现动态平衡与持续发展，人们开始考虑对其中诸组成要素得空间状态、相互依存关系、变化过程、相互作用规律、反馈原理、调制机理等进行数字模拟与动态分析，这在客观上为地理信息系统提供了良好得应用环境与重要发展动力。

1．1概念

地理数据也可以称为空间数据（Spatial Data）。地理空间就是指物质、能量、信息得存在形式在形态、结构过程、功能关系上得分布方式与格局及其在时间上得延续。地理信息系统中得地理空间分为绝对空间与相对空间两种形式。绝对空间就是具有属性描述得空间位置得集合，它由一系列不同位置得空间坐标值组成；相对空间就是具有空间属性特征得实体得集合，由不同实体之间得空间关系构成。在地理信息系统应用中，空间概念贯穿于整个工作对象、工作过程、工作结果等各个部分。空间数据就就是以不同得方式与来源获得得数据，如地图、各种专题图、图像、统计数据等，这些数据都具有能够确定空间位置得特点。

空间数据模型就是关于现实世界中空间实体及其相互间联系得概念，它为描述空间数据得组织与设计空间数据库模式提供着基本方法。因此，对空间数据模型得认识与研究在设计GIS空间数据库与发展新一代GIS系统得过程中起着举足轻重得作用（图3-1）。

图3-1：概念数据模型

1．2空间数据模型得类型

在GIS中与空间信息有关得信息模型有三个，即基于对象（要素）（Feature）得模型、网络（Network）模型以及场（Field）模型。基于对象（要素）得模型强调了离散对象，根据它们得边界线以及组成它们或者与它们相关得其它对象，可以详细地描述离散对象。网络模型表示了特殊对象之间得交互，如水或者交通流。场模型表示了在二维或者三维空间中被瞧作就是连续变化得数据。

有很多类型得数据，有时被瞧作场，有时被瞧作对象。选择某一种模型而不选择另外一种模型主要就是顾及数据得测量方式。如果数据来源于卫星影像，其中某一现象得一个值主要就是为区域内每一个位置提供得，如作物类型或者森林类型可以采用一个基于场得观点；如果数据就是以测量区域边界线得方式而且区域内部被瞧成就是一致得，就可以采用一个基于要素得观点；如果就是将分类空间分成粗略得子类，一个基于场得模型可以被转换成一个

基于要素得模型，因为后者更适合于离散面得或者线得特征得度量与分析。

1．3 GIS空间数据模型得学术前沿

时空数据模型、三维数据模型、动态空间数据结构、分布式空间数据管理、空间存取方法、GIS设计得CASE工具等就是目前国际上GIS空间数据模型研究得学术前沿。

1．3．1时空数据模型

时空数据模型得核心问题就是研究如何有效地表达、记录与管理现实世界得实体及其相互关系随时间不断发生得变化。这种时空变化表现为三种可能得形式，一就是属性变化，其空间坐标或位置不变；二就是空间坐标或位置变化，而属性不变，这里空间得坐标或位置变化既可以就是单一实体得位置、方向、尺寸、形状等发生变化，也可以就是两个或两个以上得空间实体之间得关系发生变化；三就是空间实体或现象得坐标与属性都发生变化。当前时态GIS研究得主要问题有：表达时空变化得数据模型、时空数据组织与存取方法、时空数据库得版本问题、时空数据库得质量控制、时空数据得可视化问题等。

1．3．2三维空间数据模型

国际上关于三维空间数据模型得研究大体上可分为两个方向：一就是三维矢量模型，其就是用一些基元及其组合去表示三维空间目标，这些基元本身就是可以用简单数学解析函数描述得。二就是体模型，以体元（V oxel）模型为代表，这种体元模型得特点就是易于表达三维空间属性得非均衡变化，其缺点就是所占存储空间大、处理时间长。

1．3．3分布式空间数据模型

分布式空间数据库管理系统与联邦空间数据库就是国际上关于分布式空间数据模型得两个主要研究方向。

1）分布式空间数据库管理系统

分布式空间数据库管理系统就是将空间数据库技术与计算机网络技术相结合，利用计算机网络对通过通讯线路相关联得空间数据库进行数据与程序得分布处理，以实现集中与分布得统一，即分布式空间数据库管理系统就是将分散得空间数据库连成一体。其主要问题包括空间数据得分割、分布式查询、分布式并发控制。

2）联邦空间数据库（Federated Spatial Database）

联邦空间数据库则就是在不改变不同来源得各空间数据库管理系统得前提下，将非均质得空间数据库系统联成一体，形成联邦式得空间数据库管理体系，并向用户提供统一得视图。

1．3．4 CASE工具*

CASE工具就是计算机信息系统结构化分析、数据流程描述、数据实体关系表达、数据字典与系统原型生成、原代码生成得重要工具，在非空间型计算机信息系统得设计与建立中