GIS3_空间数据模型(阅读).ppt
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第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
(xn,yn) (x(1x,ny,1y)n) (x1,y1)
(a) (xn,yn)
(b)
(xn,yn)
A
KI
H
J
BC
G
FE
D
(c)
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
一维矢量具有方向、长度
方向：即有起始结点和终止结点
长度：可以用以下方式表达：
引入欧氏空间的距离概念：
n
长度 [(xi xi1)2 ( yi yi1)2 ]1/2 i2
一．基本概念 二．关系数据模型和关系表 三．矢量数据模型（ Spaghetti Model ） 四．矢量数据模型（拓扑数据模型）
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
一、基本概念
• 现实世界和矢量表达 • 位置和边界被清楚地记录 • 对象可以被识别 • 属性值与对象相联系 • 空间关系可以清晰表达
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
(1) 地理要素被当成单个对象对待
空间边界可以被清晰的编码
(2)对象之间没有关系
要素间的空间拓扑不被记录
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
矢量表达法
• 不同的空间特征具有不同的矢量维数
– 0维矢量-点：即空间中的一个点，没有大小、 方向，二维和三维欧氏空间中为：（x,y),(x,y,z)
– 一维矢量-线：空间中的线划要素或空间对象间 的边界，也称为弧段、链
用的概念，是三维空间中曲面法向矢量的 另外一种描述方法
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
空间曲面
• 矢量实现方法多样 • 常用等值线法、剖面法
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
三维矢量-体
• 指三维空间中的实体
空间数据模型介绍课件
地理信息系统（GIS）： 用于地理空间数据的 存储、管理和分析
遥感技术（RS）：用 于对地球表面进行观
测和监测
导航定位系统 （GNSS）：用于定位
和导航
城市规划与设计：用 于城市规划、交通规 划、土地利用规划等
环境监测与评估：用 于环境监测、生态评
估、灾害预警等
资源管理与开发：用 于资源调查、资源评
城市规划中的应用
城市用地规划：利用空间数据模型分析土地利 用情况，优化城市用地布局
交通规划：利用空间数据模型分析交通流量和 拥堵情况，优化交通网络和设施布局
公共设施规划：利用空间数据模型分析公共设 施的分布和需求，优化公共设施布局和配置
环境规划：利用空间数据模型分析环境污染和 生态状况，优化环境保护和生态建设措施
04 数据特征提取：从原
始数据中提取出与建 模相关的特征信息， 为后续建模提供基础
空间数据模型的构建方法
01
确定空间数据的类 型和属性
03
构建空间数据的拓 扑关系和几何特征
05
验证空间数据模型 的正确性和有效性
02
设计空间数据的数 据结构和存储方式
04
设计空间数据的查 询和更新方法
06
优化空间数据模型 的性能和效率
面向对象数据模型：以 对象和类表示空间实体， 支持空间数据的继承、 封装和多态性
01
02
03
04
空间数据模型的应用
1
地理信息系统 （GIS）：用于 存储、管理和分 析地理空间数据
4
城市规划：用于 分析城市空间布 局、交通网络和
土地利用情况
2
遥感技术：用于 获取和分析地球 表面的遥感图像
数据
第3章 空间数据模型
＊通过描述小面块的几何形态、相邻关系及面块内属性 特征的变化来建立空间数据的逻辑模型；
＊小面块之间不重叠且能完整铺满整个地理空间； ＊根据面块的形状，镶嵌数据模型可分为 规则镶嵌数据模型 不规则镶嵌数据模型
规则镶嵌数据模型
不规则镶嵌数据模型
TIN和Voronoi多边形数据模型
Voronoi 图又称为Dirichlet ( tessellation) ,其概念由 Dirichlet 于1850 年首先提出; 1907 后俄国数学家 Voronoi 对此作了进一步阐述,并提出高次方程化简; 1911 年荷兰气候学Thiessen为提高大面积气象预报 的准确度,应用Voronoi 图对气象观测站进行了有效 区域划分。因此在二维空间中,Voronoi 图也称为泰 森多边形。
2 作为两个面域之间的一个边界。
3 作为一个面域特征，精确表达河流的堤岸、辫 状河道以及河流上的运河。
4 作为一条曲线以构成表面模型上的沟槽。根据 地表上河流的路径，可以算出其横截面、落差度、 排水流域以及在预测降雨下的洪水爆发可能性。
针对真实的世界，每一个人都在创建他 自己的主观模型。GIS的观点是为真实世 界建立一个通用的模型。
泰森（Thiessen)多边形的特点： 1 组成多边形的边总是与两相邻样点的连线垂直； 2 多边形内的任意位置总是离该多边形内样点的距 离最近，离相邻多边形内样点距离远； 3 每个多边形内包含且仅包含一个样点。
（五）面向对象数据模型
为了有效地描述复杂的事物或现象，需要 在更高层次上综合利用和管理多种数据结构 和数据模型，并用面向对象的方法进行统一 的抽象。
空间逻辑数据模型作为概念模型向 物理模型转换的桥梁，是根据概念模型 确定的空间信息内容，以计算机能理解 和处理的形式，具体地表达空间实体及 其关系。
GIS空间数据结构课件
椭球体与基准面之间的关系是一对多的关 系，也就是基准面是在椭球体基础上建立 的，但椭球体不能代表基准面，同样的椭 球体能定义不同的基准面，如前苏联的 Pulkovo 1942、非洲索马里的Afgooye基 准面都采用了Krassovsky椭球体，但它们 的基准面显然是不同的。
我国3个椭球体参数如下
3）对数据处理信息的说明，如量纲的转换等；
4）对数据转换方法的描述；
5）对数据库的更新《G、IS空集间数据成结构等》PP的T课件说明。
3、元数据的主要作用
1）帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据、 建立数据文档，并保证即使其主要工作人员离退 时，也不会失去对数据情况的了解；
2）提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、 数据内容、数据质量、数据交换网络及数据销售 等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据；
《GIS空间数据结构》PPT课件
2、1980年中国国家大地坐标系，具体参数 为：
赤道半径（a）＝6378140.0000000000m 极半径（b）＝6356755.2881575287m 地球扁率（f）＝（a－b）/a＝1/298.257 1980年中国国家大地坐标系的大地原点，
设在陕西省泾阳县永乐镇，称西安原点。
《GIS空间数据结构》PPT课件
二、矢量数据的特点
➢ 可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。 例如建立封闭多《G边IS空形间数据，结构实》P现PT课道件 路的选取，进行 最佳路径的计算等等。
2．3 空间数据的计算机表示
以ARC/INFO矢量数据模型的系统为例 ➢ 首先，从逻辑上将空间数据抽象为不同的专题或层 。
《GIS空间数据结构》PPT课件
其次，将一个专题层的地理要素或实体分解 为点、线或面状目标 。每个目标的数据由 定位数据、属性数据和拓扑数据组成。具 有相同的分类码的同类目标组成类型，— 类或相近的若干类构成数据层，若干数据 层构成图幅，全部数据组成数据库。
3 空间数据模型
00090770
06907777
09007770
09007770
90000000
（a）点、线、面数据
（b）栅格表示
点、线、面数据的栅格结构表示
• 栅格数据类型
– 常用的栅格数据类型包括卫星影像、数字高程 数据、数字正射影像、数字扫描地图和数字栅 格图形。
• 栅格数据编码
– 直接栅格编码、链式编码、游程长度编码、四 叉树编码
– “橡皮板几何学”：可以设想一块高质量的橡皮板， 它的表面是欧式平面，这块橡皮可以任意弯曲、拉伸 、压缩，但不能扭转和折叠，表面上有点、线、多边 形等组成的几何图形。
• 拓扑元素：
– 点：
• 孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点
– 线：
• 两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段
– 面：
• 若干弧段组成的多边形
➢ 特征 无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询 公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性 和一致性 多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂； 处理嵌套多边形比较麻烦
➢ 适用范围： 制图及一般查询，不适合复杂的空间分析
3.4.2.2 拓扑数据结构
• 不仅表达几何位置和属性，还表示空间关 系
– 拓扑关系：描述空间对象的邻接、关联、连通和包含 等
– 空间方位关系：描述空间对象在空间上的排列次序， 如前后、左右、东、西、南、北等。
– 空间度量关系：描述空间对象之间的距离等。
• 拓扑关系
– 拓扑(Topology)一词来自于希腊文，意思是形状的研究 。
– 拓扑学是几何学的一个分支，研究在拓扑变换下能够 保持不变的几何属性—拓扑属性。
• 属性特征
– 属性特征也称为专题特征或功能特征，通过属性数据 表达空间实体内在的性质和相关关系。
地理信息系统空间数据库 ppt课件
第一节 空间数据库概述
（1）概念模型
实际上是现实世界到机器世界的一个中间层。概念模型用于 信息世界的建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象，是设计 人员的有力工具。
概念结构 设计过程
特点
需求分析 概念结构
用户需求
抽象
信息结构
概念模型
能够真实、 处分的反映 现实世界
易于理解 用户与设计
人员
易于更改 需求改变 模型改变
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
第一节 空间数据库概述
2. 空间数据库的相关概念 空间数据库：是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关 的地理空间数据的总合，以一系列特定结构的文件形式组织后存储在介 质上。 空间数据库（系统）组成： ➢空间数据库：是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关 的地理空间数据的总合，一般是以一系列特定结构的文件形式组织后存 储在介质上。 ➢空间数据库管理系统：是指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行 语义和逻辑上的定义，提供必需的空间数据查询检索和存取功能，以及 能够对空间数据进行有效的维护和更新的一套软件。 ➢数据库应用系统：应用模块。
一、 层次数据模型 层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型，层次数据库
系统采用层次模型作为数据的组织方式，用树形结构来表示各 类实体以及实体间的联系。如行政机构，家族关系等。 (1)层次模型的数据结构特点 ➢ 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点 ➢ 根以外的其它结点有且只有一个双亲结点 ➢ 同一双亲的子女结点称为兄弟结点，没有子女结点的结
北师大地理信息系统课件03空间数据模型
因此，最好的通用数据模型是不存在的，数据模型优劣取决于 你的需要，使用数据的方式和目的才是决定数据模型优劣的标 准。
地理空间数学基础
胡嘉骢
BNUEP 地 理 信 息 系 统
空间数据模型类型
例子：
河流作为组成网络的一系列要素。每条线段都拥有流量、容量和其他属性 。这时可以使用线性网络模型（几何网络）来分析水文流量或者船务运输 等。
空间事物或现象 选择、综合、简化和抽象
概念世界
数据世界 （计算机）
概念模型 Conceptial Model
最高层
编码、表达、建立空间关系
逻辑数据模型 Logical Data Model
中间层
数据结构对数据进行组织
物理数据模型 Physical Data Model
最底层
信息
11 地理空间数学基础
地理空间数学基础
胡嘉骢
BNUEP 地 理 信 息 系 统
空间数据模型类型
例子： 即使在同一数据模型中，每种空间数据也有不同的表达方式。
地理空间数学基础
胡嘉骢
BNUEP 地 理 信 息 系 统
空间数据概念模型类型
现有GIS中常用的空间数据概念模型主要有三个： 场(Field)模型：强调空间要素的连续性
地图使用者的认识模型
地理空间数学基础
胡嘉骢
BNUEP 地 理 信 息 系 统
维度世界：度 量语言
地理空间世 界：GIS 语言
概念世界：自 然语言
现实世界：基 本语言
地理空间数学基础
对现实世界的抽象
项目世界： 信息团体
点世界：坐标 几何
几何世界：WKT
OpenGIS的九层模 型
要素世界：要 素
p03第三章 空间数据模型-第六-八节2
要素的特点
① 要素具有形状 ② 要素具有空间参考 ③ 要素具有属性 ④ 要素具有子类 ⑤ 要素具有关联 ⑥ 要素属性可以被限制 ⑦ 要素能用规则来验证 ⑧ 要素具有拓扑关系 ⑨ 要素具有复杂的行为
1）要素具有形状
要素的形状是以 Geometry （shape）这么一个特殊字段存储在要素类 表中的。要素可以用以下这些几何类型表达： 点或多点（一组点） 线（一组相连或不相连的线段） 多边形（不相邻或嵌套的环）。环是由一组连接的、闭合的、不 相交的线段组成的
• 属性关联：也可以定义非空间对象的关联，如房屋与 其主人的关系。
6）要素属性可以被限制
• 为加强数据录入的准确性，还可以制定属性域对要素的属性 进行限定。属性域，表现为一个数值范围或合法值的列表， 也可以在要素创建之时为其属性自动分配一个缺省值。可以 在要素类中为不同的子类设置不同的属性域和缺省值。
要素集中可以存储对象（Objects）、要素（features）及关联 类（Relationship class）和拓扑、几何网络。
对象、要素和关联类直接存储在 Geodatabase 中，不需要非得 存放在要素集中。
二、对象类
• 对象类是Geodatabase中的一个表，保存与地理对 象相关联的描述性信息；
7）要素能用规则来验证
• 现实世界中的对象存在或改变都是必须遵循一定规则 的。可以用这样的规则来限制几何网络中元素的制约 规则，或者定义这些元素关联的对应基数。
8）要素可具有拓扑关系
各类型要素之间具有的精确的空间位置关系就叫做拓扑。 例如，宗地 的二级小分块必须是彼此严格毗邻的，不允许有缝隙和重叠。这种二 维关系称为平面拓扑。
第八节、面向对象的空间数据模型介绍
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要素模型
SCAU Lectures 2010 @ GIS
3.2.2 场模型
场模型，也称作域（field）模型，是把地理空间中的现 象作为连续的变量来看待，如大气污染程度、地表温度、 地形高度等。
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3.2.3 网络模型
网络模型可看成对象模型的一个特例，它是由点对象和 线对象之间的拓扑空间关系构成的，用以描述公路、通 信线路、管道、物质流、信息流等地理事物和现象。
空间数据模型
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3. 空间数据模型
为了能够利用地理信息系统工具解决现实世 界中的问题，首先必需将复杂的地理事物和现象 简化和抽象到计算机中进行表示、处理和分析。 这就需要对现实世界进行抽象建模，其结果就是 空间数据模型。 地理空间与空间抽象 空间数据概念模型 空间数据与空间关系 空间数据逻辑模型
语义表达能力强 作为用户与GIS软件之间交流的形式化语言，应用于用户理解 （如ER模型）； 独立于具体计算机实现 尽量与系统的逻辑模型保持同一的表达形式，不需要任何转换， 或者容易向逻辑数据模型转换。
SCAU Lectures 2010 @ GIS
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逻辑数据模型
空间现象
客观世界的现象划分为5类： 可精密观测的自然对象（如建筑物边界） 受采样限制的自然对象（如河流的边界） 受定义限制的自然对象（如植被覆盖率大小和范围） 不规则的人为对象（如行政区）
规则的人为对象（栅格、立方体元）
SCAU Lectures 2010 @ GIS
空间实体
对复杂地理事物和现象进行简化抽象得到的不可再分割 的同类对象，就是地理空间实体，简称空间实体。
GIS描述概念数据模型中实体及其关系的逻辑结构，是系统 抽象的中间层 逻辑数据模型的建立 既要考虑用户易理解，又要考虑易于物理实现，易于转换成 物理数据模型，例如UML模型 通常所称的空间数据模型其实是空间数据的逻辑模型
SCAU Lectures 2010 @ GIS
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（哲学分割性）
空间实体具有4个基本特征：
空间位置特征
属性特征
时间特征 （季节河） 空间关系（事物关联性）
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2、空间认知和空间抽象
对现实世界进行认知、简化和抽象表达，并将抽象结果组织成有用、 能反映形式世界真实状况数据集，是地理信息系统重要任务之一， 也是GIS的理论基础。 尺度世界 （度量语言） 地理空间世界 （GIS语言） 概念世界 现实世界 地理要素 项目世界 （Project） 地理点列世界 （Coordinate） 地理几何特征世界 （Geometry）
3.2 空间数据概念模型
以GIS观点对客观世界建立模型，考虑如下对象：
不连续对象，如道路、水域、建筑物； 连续变化的对象，如地形的连续变化、温度范围等； 分类的对象，如植被类型、气候带、年龄段等； 突发事件：事故、水灾； 某种人工选择的表达方式，如点、线、面、栅格等。
概念模型只能体现地理空间的某一方面
地理要素世界
（自然语言）
（基本语言）
集合世界
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空间实体抽象的3个层次
空间事物或现象
观察和认知
现实世界
选择、综合、简化和抽象
概念世界
概念模型 Conceptial model
编码、表达、建立空间关系
逻辑数据模型 Logical data model 数据世界 （计算机）
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地理空间数据的概念模型
对象模型
场模型 网络模型
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3.2.1 对象模型/要素模型
将研究的整个地理空间看成一个空域，地理现象和空间实体作为独立 的对象分布在该空域中，对象模型强调地理空间中的单个地理现象。 按照其空间特征分为点、线、面、体四种基本对象； 对象也可能由其他对象构成复杂对象，并且与其他分离的对象保持特 定的关系，如点、线、面、体之间的拓扑关系； 每个对象对应着一组相关的属性以区分各个不同的对象； 对象模型把地理现象当做空间要素（Feature）或空间实体（Entity） 一个空间要素必须同时符合三个条件：
物理数据模型
概念数据模型在计算机内部具体的存储形式和操作机制，即在物 理磁盘上如何存放和存取，是系统抽象的最低层。
空间数据结构
在逻辑数据模型和物理数据模型间，用于对逻辑数据模型描述的 数据进行合理的组织，是逻辑数据模型映射为物理数据模型的中 间媒介。
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数据结构对数据进行组织
物理数据模型 Physical data model
空间数据库
信息 SCAU Lectures 2010 @ GIS
概念数据模型
地理空间中地理事物与现象的抽象概念集，是地理数据 的语义解释； 考虑用户需求的共性，用统一的语言描述和综合，集成 各用户视图；（专业无关）
构造概念模型应该遵循的基本原则
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3.1 地理空间与空间抽象
1、地理空间与空间实体
地理空间
地理空间是指地球表面及近地表空间，是地球上大气圈、水圈、 生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域。地球上最复杂的物理过程、 化学过程、生物过程和生物地球化学过程就发生在该区域。
SCAU Lectures 2010 @ GIS
SCAU Lectures 2010 @ GIS
网络模型将数据组织成有向图结构。结构中结点代表 数据记录，连线描述不同结点数据间的关系。有向图 （Digraph）的形式化定义为： Digraph = (Vertex,{Relation})
可被标识 在观察中的重要程度 有明确的特征具可被描述
传统的地图是以对象模型进行地理空间抽象和建模的实例
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对象模型对空间要素的描述
子类
分类 空间关系 非空间关系 时间关系 非属性空间 超类 子部分 超部分
地理空间 空间要素 几何坐标
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