第二章 空间数据模型

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2.2栅格数据模型-离散化的方法 栅格数据模型规则的格网(常用三角形,方格,六角形) 规则的格网(常用三角形,方格,六角形)，三角形 是最基本的不可再分的单元，根据角度和边长的 不同，可以取不同的形状，方格、三角形和六角 形可完整地铺满一个平面。 不规则的格网，可当做拓扑多边形处理，如按街 不规则的格网 区划分,社会经济分区等。 。
空间数据模型
本章描述的是整个GIS理论中最为核心的内容。 理论中最为核心的内容。 本章描述的是整个 理论中最为核心的内容 为了能够利用信息系统工具来描述现实世界， 为了能够利用信息系统工具来描述现实世界，并 解决其中的问题，必须对现实世界进行建模。 解决其中的问题，必须对现实世界进行建模。对 于地理信息系统而言，其结果就是空间数据模型。 于地理信息系统而言，其结果就是空间数据模型。 空间数据模型可以分为三种： 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的现象； 场模型：用于描述空间中连续分布的现象； 要素模型：用于描述各种空间地物； 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的各种网络； 网络模型：可以模拟现实世界中的各种网络；
(一)空间结构特征和属性域 一 空间结构特征和属性域 空间” “空间”经常是指可以进行长度和角度 测量的欧几里德空间。 测量的欧几里德空间。空间结构可以是规 则的或不规则的。 则的或不规则的。 属性域的数值可以包含以下几种类型： 属性域的数值可以包含以下几种类型： 名称、序数、间隔和比率。 名称、序数、间隔和比率。属性域的另一 个特征是支持空值， 个特征是支持空值，如果值未知或不确定 则赋予空值。 则赋予空值。
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2.2栅格数据模型 2.2栅格数据模型
栅格模型把空间看作像 元的划分， 元的划分，每个像元都 记录了所在位置的某种 现象，用像元值表示。 现象，用像元值表示。 该值可以表示一个确定 的现象，也可以是一种 模糊的现象。但一个像 元应该只赋一个单一的 值。
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2.2栅格数据模型 栅格数据模型
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1．空间数据模型的基本问题 ． 1.1概念 概念
是关于现实世界中空 间实体及其相互间联系 的概念 为描述空间数据的组 织和设计空间数据库模 式提供着基本方法。 式提供着基本方法。 引领新一代GIS系统 系统 引领新一代 的设计
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空间数据在计算机中如何组织? 空间数据在计算机中如何组织
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地理研究中一些场模型的例子
场模型 T(z) E(t) H(x,y) P(x,y,z)
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定义域 维数 1 1 2 3
值域 维数 1 3 1 1
自变量 空间坐标 （高程） 时间坐标 空间坐标 空间坐标
因变量 高度z:气温 静电力 地表高程 土壤的孔隙度
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2. 场模型 2.1场的特征
编码、表达、建立空间关系 逻辑数据模型 中间层 数据结构对数据进行组织 数据世界 计算机） （计算机） 物理数据模型 最底层
信息
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空间数据库 空间实体抽象的三个层次
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1．空间数据模型的基本问题 ． 1.2空间数据模型的类型 空间数据模型的类型
中与空间信息有关的信息模型有三个： 在GIS中与空间信息有关的信息模型有三个： 中与空间信息有关的信息模型有三个 基于对象（要素） 基于对象（要素）（Feature）的模型 ） 网络（ 网络（Network）模型 ） 场（Field）模型。 ）模型。 基于对象（要素）的模型强调了离散对象， 基于对象（要素）的模型强调了离散对象，根据 它们的边界线以及组成它们或者与它们相关的其 它对象，可以详细地描述离散对象。 它对象，可以详细地描述离散对象。网络模型表 示了特殊对象之间的交互，如水或者交通流。 示了特殊对象之间的交互，如水或者交通流。场 模型表示了在二维或者三维空间中被看作是连续 变化的数据。 变化的数据。
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1．空间数据模型的基本问题 ． 1.3GIS空间数据模型的学术前沿 空间数据模型的学术前沿
(三)分布式空间数据模型 三 分布式空间数据模型 分布式空间数据库管理系统 空间数据库+计算机网络 空间数据库 计算机网络 实现集中与分布的统一。 实现集中与分布的统一。 空间数据的分割、分布式查询、 空间数据的分割、分布式查询、分布式并发 控制。 控制。 联邦空间数据库（ 联邦空间数据库（Federated Spatial Database） ） 不改变不同来源的各空间数据库管理系统 将非均质的空间数据库系统联成一体 向用户提供统一的视图
客观的地理系统
自然环境系统 社会经济环境系统
1）确定专题领域实际模型； ）确定专题领域实际模型； 2）建立表达实际模型的概念模型； ）建立表达实际模型的概念模型； 3）建立为实现概念模型的数据结构； ）建立为实现概念模型的数据结构； 4）确定数据文件在数据库中的组织方式。 ）确定数据文件在数据库中的组织方式。
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2. 场模型
二维场是在二维空间中任何已知的地点上，都有一个表现 二维场 这一现象的值； ； 三维场是在三维空间中对于任何位置来说都有一个值。 三维场
场模型定义 场模型可以表示为如下的数学公式：z : s z ( s ) z为可度量的函数，s表示空间中的位置，因此该式 表示了从空间域（甚至包括时间坐标）到某个值域 的映射。例如，空气中污染物的集中程度、地表的 温度、土壤的湿度水平以及空气与水的流动速度和 方向。
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1．空间数据模型的基本问题 ． 1.3GIS空间数据模型的学术前沿 空间数据模型的学术前沿
时空数据模型 三维数据模型 分布式空间数据管理 GIS设计的 设计的CASE工具 设计的 工具
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1．空间数据模型的基本问题 ． 1.3GIS空间数据模型的学术前沿 空间数据模型的学术前沿
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例：某点的坡度取决于位置所在区域的各方向上的可微性
当空间结构是二维或多维 时，坡度不仅取决于特殊 的位置，而且取决于位置 所在区域的方向分布。连 续与可微分两个概念之间 有逻辑关系，每个可微函 数一定是连续的，但连续 函数不一定可微。
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2. 场模型 2.1场的特征
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1．空间数据模型的基本问题 ． 1.3GIS空间数据模型的学术前沿 空间数据模型的学术前沿
(四)CASE工具（Computer-assisted software 四 工具（ 工具 engineering ）
结构化分析、 结构化分析、数据流程描述 数据实体关系表达、 数据实体关系表达、数据字典与系统 原型生成 原代码生成的重要工具 GIS空间数据建模的特点和 空间数据建模的特点和CASE工具 空间数据建模的特点和 工具 的结合 提高GIS空间数据建模及其应用系统设 提高 空间数据建模及其应用系统设 计的自动化程度和技术水平
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1．空间数据模型的基本问题 ． 1.3GIS空间数据模型的学术前沿 空间数据模型的学术前沿
(二)三维空间数据模型 二 三维空间数据模型 国际上关于三维空间数据模型的研究大体上可分 为两个方向： 为两个方向： 三维矢量模型： 三维矢量模型：用一些基元及其组合去表示三 维空间目标； 维空间目标； 体模型：以体元（ 体模型：以体元（Voxel）模型为代表，这种体 ）模型为代表， 元模型的特点是易于表达三维空间属性的非均衡 变化，其缺点是所占存储空间大、处理时间长。 变化，其缺点是所占存储空间大、处理时间长。
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2.1场的特征
（二）连续的,可微的,离散的 空间域连续，即随着空间位置的微小变化， 空间域连续，即随着空间位置的微小变化， 其属性值也将发生微小变化， 其属性值也将发生微小变化，不会出现像数 字高程模型中的悬崖那样的突变值。 字高程模型中的悬崖那样的突变值。只有在 空间结构和属性域中恰当地定义了“ 空间结构和属性域中恰当地定义了“微小变 连续”的意义才确切； 化”，“连续”的意义才确切； 如地形的起伏,往往不能用一个函数来表达, 如地形的起伏,往往不能用一个函数来表达, 而是用离散化的方法。 而是用离散化的方法。
(三)与方向无关的和与方向有关的（各向同性和 三 与方向无关的和与方向有关的 与方向无关的和与方向有关的（ 各向异性） 各向异性）空间场内部的各种性质是否随方向的变
化而发生变化，是空间场的一个重要特征。 化而发生变化，是空间场的一个重要特征。如果一 个场中的所有性质都与方向无关， 个场中的所有性质都与方向无关，则称之为各向同 性场(Isotropic Field) ，否则为异性场。 否则为异性场。 性场
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案例：河流建模（抽象）
河流做为模拟表面的一系列弯曲的地槽。通过 地表河流的路径，你可以计算它的下降剖面和 比率、径流分水岭还有在预定降水量情况下洪 灾发生的可能性。
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观察和认知 现实世界 概念世界
空间事物或现象 空间事物 选择、综合、简化和抽象 概念模型 最高层
2系与描述参数
格网分辨率
X：行 ：
西南角格网坐标 （XWS，YWS）
Y：列 ：
有着统一的定位参照系。 有着统一的定位参照系。每个空间单元只 记录其属性值，而不记录它的坐标值。 记录其属性值，而不记录它的坐标值。
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例：强空间正负自相关模式
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2.2 栅格数据模型 栅格数据模型定义
是基于连续铺盖的，是将场模型(即一定空间内连 续分布)离散化,即用二维铺盖或划分覆盖整个连续 空间。 铺盖可以分为规则的和不规则的，后者可当做拓 扑多边形处理，如社会经济分区、城市街区；铺 盖的特征参数有尺寸、形状、方位和间距。对同 一现象，也可能有若干不同尺度、不同聚分性的 铺盖。 栅格模型将空间规则地划分为栅格,地理实体的位 栅格模型将空间规则地划分为栅格 地理实体的位 置和状态是用栅格的行和列来定义。 置和状态是用栅格的行和列来定义。