第3章空间数据模型

信息
空间数据库
空间数据概念模型
• 根据GIS数据组织和处理方式，地理空间数据的 逻辑模型分为三类
– 对象模型 – 网络模型
– 场模型
对象模型
网络模型
场模型
空间数据概念模型
• 对象模型
– 也称作要素模型，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 – 按照空间特征分为点、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
空间拓扑关系
• 指图形在保持连续状态下的变形（缩放、旋转和 拉伸等），但图形关系不变的性质 • 地图上各种图形的形状、大小会随图形的变形而 改变，但是图形要素间的邻接关系、关联关系、 包含关系和连通关系保持不变 • 拓扑空间中不考虑距离函数
空间拓扑关系
• 邻接关系
– 空间图形中同类元素之间的拓扑关系
地理空间与空间实体
• 属性特征
– 也称为非空间特征或专题特征，是与空间实体相联系 的、表征空间实体本身性质的数据或数量，如实体的 类型语义定义、量值等 – 类型
• 定性属性，如名称、类型、特性等 • 定量属性，如数量、等级等
地理空间与空间实体
• 时间特征
– 指空间实体随着时间变化而变化的特性
– 空间位置和属性同时变化
观察和认知 现实世界
空间事物或现象
选择、综合、简化和抽象
概念世界
概念模型 Concepti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 数据世界 （计算机） 物理数据模型 Physical Data Model
最底层
• 如旧城区改造中，房屋密集区拆迁新建商业中心
– 空间位置和属性独立变化
• 实体的空间位置不变，但属性发生变化，如土地使用权转让 • 属性不变而空间位置发生变化，如河流的改道
地理空间与空间实体
• 空间关系特征
– 在地理空间中，空间实体一般都不是独立存在的，而 是相互之间存在着密切的联系，这种相互联系的特性 就是空间关系 – 空间关系分类
• 对象模型一般用于具有明确边界和独立地理现象 的建模，如道路、地块的征税和使用权等方面的 建模
空间数据与空间关系
• 空间数据类型及其表示
– 地理信息中的数据来源和数据类型主要有五种
• 几何图形数据。来源于各种类型的地图和实测几何数据。几何 图形数据不仅反映空间实体的地理位置，还反映实体间的空间 关系 • 影像数据。主要来源于卫星遥感、航空遥感和摄影测量等 • 属性数据。来源于实测数据，文字报告，或地图中的各类符号 说明，以及从遥感影像数据通过解释得到的信息等
– 弧段与多边形的关联关系A1与P1，A2与P1等
– 弧段与结点的关联关系A1与N1、N2，A2与N1、N3等 – 多边形与弧段的拓扑关联关系P1与A1、A2、A7，P4 与A2、A3、A5、A4等
空间拓扑关系
• 包含关系
– 空间图形中不同类或同类但不同级元素之间的拓扑关 系
– 如多边形P4中包含P3
• 与地理空间位置有关，具有一定的几何形态，分布状况以及彼此之 间的相互关系 • 空间位置特征 • 属性特征 • 时间特征 • 空间关系
地理空间与空间实体
• 空间位置特征
– 表示空间实体在一定坐标系中的空间位置或几何定位， 通常采用地理坐标的经纬度、空间直角坐标、平面直 角坐标和极坐标等来表示 – 也称为几何特征，包括空间实体的位置、大小、形状 和分布状况等
• 概念模型是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，从计算机系统的 角度来看，是抽象的最高层
空间认知和抽象
• 构造概念模型的基本原则
– 语义表达能力强
– 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
• 逻辑数据模型是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，是用户通过GIS（计算 机系统）看到的现实世界地理空间 • 物理数据模型是概念数据模型在计算机内部的存储形式和 操作机制，即在物理磁盘上如何存放和存取，是系统抽象 的最底层
“松树”，0≤x≤7；4≤y≤7 f (x,y)= “冷杉”，0≤x≤3；0≤y≤4 “槐树”，3≤x≤7；0≤y≤4 (c) 按场模型的林分建模
(b) 按对象模型的林分建模
概念模型的选择
• 对于现状不定的现象，如火灾、洪水和危险物泄 漏，采用边界不固定的场模型进行建模 • 场模型通常用于具有连续空间变化趋势的现象， 如海拔、温度、土壤变化等 • 在遥感领域，主要利用卫星和飞机上的传感器收 集地表数据，此时场模型是占主导地位的
（a） 规则分布的点
（ b ） 不规则分布的 点
（c）规则矩形区
（d） 不规则多边形区
（e） 不规则三角形区
（f） 等值线
空间数据概念模型
• 网络模型
– 网络模型与对象模型类似，都是描述不连续的地理现 象，不同之处在于它需要考虑通过路径相互连接多个 地理现象之间的连通情况 – 网络是由欧式空间R2中的若干点及它们之间相互连接 的线（段）构成
空间数据与空间关系
• 地理信息中的数据来源和数据类型主要有五种
– 地形数据。来源于地形等高线图中的数字化，已建立 的格网状的数字化高程模型（DTM），或其他形式表 示的地形表面（如TIN）等 – 元数据。关于数据的数据，如数据来源、数据权属、 数据产生的时间、数据精度、数据分辨率、元数据比 例尺、地理空间参考基准、数据转换方法等
空间数据与空间关系
• 空间数据的表示
y 面 实体点 弧段 面标识点
结点
岛
x
空间数据与空间关系
• 点
– 标识空间点状实体，如水塔
– 标记点，仅用于特征的标注和说明 – 面域的内点用于标明该面域的属性 – 线的起点、终点或交点，则称为结点（Node）
• 线
– 具有相同属性点的轨迹，线的起点和终点表明了线的方向
空间数据概念模型
• 不规则多边形区。将平面区域划分为简单连通的多边形区 域，每个多边形区域的边界由一组点所定义；每个多边形 区域对应一个属性常量值，而忽略区域内部属性的细节变 化 • 不规则三角形区。将平面区域划分为简单连通三角形区域， 三角形的顶点由样点定义，且每个顶点对应一个属性值； 三角形区域内部任意位置的属性值通过线性内插函数得到 • 等值线。用一组等值线C1，C2，…，Cn，将平面区域划 分成若干个区域。每条等值线对应一个属性值，两条等值 线中间区域任意位置的属性是这两条等值线的连续插值
• 连通关系
– 空间图形中弧段之间的拓扑关系 – 例如A1与A2、A6和A7连通
面域与弧段的拓扑关系 面域 P1 P2 P3 弧段 A1，A2，A7 A5，A6，A7 A4
P4
A2，A3，A5，-A4
弧段与结点的拓扑关系 弧段 A1 A2 A3 A4 始结点 N2 N1 N1 N4 终结点 N1 N3 N5 N4
空间关系
• 空间关系
– 指地理空间实体之间相互作用的关系。
• 空间关系主要有：
– 拓扑空间关系：用来描述实体间的相邻、连通、包含 和相交等关系 – 顺序空间关系：用于描述实体在地理空间上的排列顺 序，如实体之间前后、上下、左右和东、南、西、北 等方位关系 – 度量空间关系：用于描述空间实体之间的距离远近等 关系
概念模型的选择
• 以一个有不同林分覆盖的森林为例，分析两种不 同概念模型的建模
y （0,7） （0,4） 冷杉 槐树 （7,0） x 松树
（0,0）
（3,0）
(a) 多种林分的森林
区域ID FS1 FS2 FS3 主要林分 松树 冷杉 槐树 区域/边界 (0,4),(7,4),(7,7),(0,7) (0,0),(3,0),(3,4),(0,4) (3,0),(7,0),(7,4),(3,4)
结点与弧段的拓扑关系
结点 N1 弧段 A1，A2，A3
N2
N3 N4 N5
A1，A6，A7
A2，A5，A7 A4 A3，A5，A6
A5
A6 A7
N3
N5 N3
N5
N2 N2
– 每个对象对应着一组相关的属性以区分各个不同的对 象
空间数据概念模型
• 对象模型强调地理空间中的单个地理现象
• 对象模型适合于对具有明确边界的地理现象进行抽象建模
– 如建筑物、道路、公共设施和管理区域等人文现象 – 湖泊、河流、岛屿和森林等自然现象
• 对象模型把地理现象当作空间要素（Feature）或空间实 体（Entity）
• 一个空间要素必须同时符合三个条件
– 可被标识
– 在观察中的重要程度 – 有明确的特征且可被描述
空间数据概念模型
• 传统的地图以对象模型进行地理空间抽象和建模
分类 空间关系 非空间关系 时间关系 非空间属性 地理空间 空间要素 子类/超类 等效 子 部 超部分 分
几何坐标
空间数据概念模型
• 场模型
• 拓扑关系（topologicalspatialrelation） • 顺序关系（orderspatialrelation）
• 度量关系（metricspatialrelation）
空间认知和抽象
• 数据模型是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 真实状况数据集的桥梁，是地理信息系统的基础 • 首先对地理事物进行观察，认知其类型、特征、 行为和关系，再对它进行分析、判别归类、简化、 抽象和综合取舍
– 场模型，也称作域（field）模型，把地理空间中的现 象作为连续的变量或体来看待
• 如大气污染程度、地表温度、土壤湿度、地形高度以及大面积 空气和水域的流速和方向等