第八讲 几种常见的空间数据模型
空间数据分析模型.doc
第7 章空间数据分析模型7.1 空间数据按照空间数据的维数划分，空间数据有四种基本类型：点数据、线数据、面数据和体数据。
点是零维的。
从理论上讲，点数据可以是以单独地物目标的抽象表达，也可以是地理单元的抽象表达。
这类点数据种类很多，如水深点、高程点、道路交叉点、一座城市、一个区域。
线数据是一维的。
某些地物可能具有一定宽度，例如道路或河流，但其路线和相对长度是主要特征，也可以把它抽象为线。
其他的线数据，有不可见的行政区划界，水陆分界的岸线，或物质运输或思想传播的路线等。
面数据是二维的，指的是某种类型的地理实体或现象的区域范围。
国家、气候类型和植被特征等，均属于面数据之列。
真实的地物通常是三维的，体数据更能表现出地理实体的特征。
一般而言，体数据被想象为从某一基准展开的向上下延伸的数，如相对于海水面的陆地或水域。
在理论上，体数据可以是相当抽象的，如地理上的密度系指单位面积上某种现象的许多单元分布。
在实际工作中常常根据研究的需要，将同一数据置于不同类别中。
例如，北京市可以看作一个点（区别于天津），或者看作一个面（特殊行政区，区别于相邻地区），或者看作包括了人口的“体”。
7.2 空间数据分析空间数据分析涉及到空间数据的各个方面，与此有关的内容至少包括四个领域。
1）空间数据处理。
空间数据处理的概念常出现在地理信息系统中，通常指的是空间分析。
就涉及的内容而言，空间数据处理更多的偏重于空间位置及其关系的分析和管理。
2）空间数据分析。
空间数据分析是描述性和探索性的，通过对大量的复杂数据的处理来实现。
在各种空间分析中，空间数据分析是重要的组成部分。
空间数据分析更多的偏重于具有空间信息的属性数据的分析。
3）空间统计分析。
使用统计方法解释空间数据，分析数据在统计上是否是“典型”的，或“期望”的。
与统计学类似，空间统计分析与空间数据分析的内容往往是交叉的。
4）空间模型。
空间模型涉及到模型构建和空间预测。
在人文地理中，模型用来预测不同地方的人流和物流，以便进行区位的优化。
空间分析的数据模型
空间分析的数据模型空间分析是GIS的主要特征，有无空间分析功能是GIS与其他制图系统相区别的主要标志。
空间分析是从空间物体的空间位置、联系等方面去研究空间事物，以对空间事物做出定量的描述。
地理信息系统要对自然对象进行描述、表达和分析，首先要建立合理的数据模型以存储地理对象的位置、属性以及动态变化等信息，合理的数据模型是进行空间分析的基础。
这里介绍常见的数据模型。
现实世界错综复杂，从系统的角度来看，空间事物或实体的运动状态和运动方式不断发生变化，系统的诸多组成要素之间存在着相互制约、相互作用的依存关系，表现为人口、质、能量、信息、价值的流动和作用，反映不同的空间现象和问题。
为了控制和调节空间系统的物质流、能量流和人口流等，使之转移到期望的状态和方式，实现动态平衡和持续发展，人们开始考虑在建立数据模型表达现实世界的基础上，对其诸多组成要素的空间状态、相互依存关系、变化过程、相互作用规律、反馈规律、调制机理等进行数字模拟和动态分析，客观上为地理信息系统提供了良好的应用环境和重要发展动力。
空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术。
空间分析方法必然要受到空间数据表示形式的制约和影响，因此，在研究空间分析时，就不能不考虑空间数据表示方法与数据模型。
空间数据表示的基本任务是将以图形模拟的空间物体表示成计算机能够接受的数字形式，因此空间数据的表示必然涉及空间数据模式和数据结构问题。
空间数据通常分为栅格模型和矢量模型两种基本的表示模型。
此外矢量栅格一体化、三维数据模型、时空数据模型等由于自身的特点，在某些方面代表数据模型发展的方向。
1.栅格数据模型在栅格模型中，地理空间被划分为规则单元（像元），空间位置由像元的行列号表示。
像元的大小反映数据的分辨率，空间物体由若干像元隐含描述。
例如一条道路由其值为道路编码值的一系列相邻的像元表示，要从数据库中删除这条道路，则必须将所有有关像元的值改变成该条道路的背景值。
地理信息系统原理-空间数据模型与数据结构
面对象 Class
属性
属性
体 3-Complex
面 2-Complex
线对象 Class
属性
线 1-Complex
点对象 Class
属性
点 0-Complex
三角形 2-simplex
线段 1-simplex
节点 0-simplex
33
空间地物
复杂地物
13 类空间对象
复杂
柱状地物
体状地物
数字立体模型
部分
节点 0-simplex
X,Y,Z
31
三维对象的拓扑数据模型
体状对象
面状对象
线状对象
点状对象
1 BodyID
1 SurfaceID
1
LineID
1 PointID
N
体1
N
4
5
面
1
6
N
3 4
边
1
1
2 结点
ElementID
FaceID
EdgeID
NodeID
X
Y
Z
32
三维复杂实体的逻辑模型
体对象 Class
• 模型：
• 时间作为属性（time stamp）
• 序列快照模型( Sequent Snap shots) • 基态修正模型(Base State with Amendments) • 时空复合模型( Space - time Composite) • 时空立方体模型( Space - time Cube)
表示形成三维空间目标表示,其优点是便于显示和数据更新, 不足之 处是空间分析难以进行。 （2）体模型(Volume model)
空间数据模型
空间数据模型：场模型，要素模型，网络模型
场模型：表示在二维或者三维空间里被看做连续变化的数据。
例如可以表示地表温度，大气污染物集中程度，土壤的湿度水平等。
其中最常见的是栅格数据模型。
要素模型：强调了离散对象，根据它们界线以及组成它们或者与它们相关的其他对象，可以详细的描述离散对象。
网络模型：表示特殊对象的交互，例如水、交通。
栅格数据
矢量数据和栅格数据
常见的栅格数据类型是正方形，也有三角形和六边形等。
栅格模型中每一个网格是一个象元，每个象元有一个对应的数值，每
一个数值代表一种属性，如环境污染程度、植被覆盖类型、土地利用等空间地理现象。
网格单元的大小对地图的分辨率和计算精度起关键的作用，与计算机存储量和分辨率成反比。
网格越大，信息量越模糊（存储量小），分辨率越低。
网格越小，则反之。
要素模型：
三个地物要素对对象：点对象，线对象，多边形对象。
地理要素间的空间关系（拓扑关系）
矢量数据
影像投影运用到拓扑关系。
网络模型
网络模型将数据组织成有向结构。
结点代表数据记录，连线描述不同节点数据间的关系。
常用来表示航线、海上路线、燃气管道、交通等。
网络模型示意图。
空间数据模型
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的现象；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的各种网络；在各种模型中，又介绍了相关的概念，如空间划分，空间关系，以及拓扑关系的形式化描述——9交模型等。
最后讲述了普通的二维数据模型在空间上和时间上的扩展，时间数据模型和三维数据模型。
值得注意的是，本章谈到的场模型和要素模型类同于后面提及的栅格数据和矢量数据，但是前者是概念模型；后者是指其在信息系统中的实现。
1．空间数据模型的基本问题人类生活和生产所在的现实世界是由事物或实体组成的，有着错综复杂的组成结构。
从系统的角度来看，空间事物或实体的运动状态（在特定时空中的性状和态势）和运动方式（运动状态随时空变化而改变的式样和规律）不断发生变化，系统的诸多组成要素（实体）之间又存在着相互作用、相互制约的依存关系，表现为人口、物质、能量、信息、价值的流动和作用，反映出不同的空间现象和问题。
为了控制和调节空间系统的物质流、能量流和人流等，使之转移到期望的状态和方式，实现动态平衡和持续发展，人们开始考虑对其中诸组成要素的空间状态、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和动态分析，这在客观上为地理信息系统提供了良好的应用环境和重要发展动力。
1．1概念地理数据也可以称为空间数据（Spatial Data）。
地理空间是指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。
地理信息系统中的地理空间分为绝对空间和相对空间两种形式。
绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位置的空间坐标值组成；相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，由不同实体之间的空间关系构成。
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。
空间数据就是以不同的方式和来源获得的数据，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的特点。
空间数据模型名词解释
空间数据模型名词解释
空间数据模型是地理信息系统（GIS）中的核心组成部分，理解它对于要深入
理解GIS的工作原理至关重要。
它们是对现实世界中的几何图形以及这些图形之
间的空间关系的抽象和整理。
根据对空间数据的编码方法的不同，空间数据模型通常可以分为矢量数据模型和栅格数据模型两大类。
矢量数据模型用点、线、面来表示空间信息。
点，例如地理位置、纪念碑，被视为0D，即没有长度和宽度；线，例如公路、河流，被视为1D，即有长度但没有宽度；面，例如湖泊、城市，被视为2D，即既有长度又有宽度。
矢量数据模型的
优点在于其准确性高且能很好地维持空间信息的拓扑结构，但其处理步骤复杂且
需要更多的计算量。
栅格数据模型则将空间分成许多规则的网格，每个网格单元存储一些特定的信息。
比如气候数据、土壤类型数据、人口分布数据等等。
栅格数据模型的特点是
处理速度快，但存储空间大，并且精度受到栅格大小的限制。
另外，现还有一种TIN（Triangulated Irregular Network）数据模型，它是矢量
数据模型的一种，是通过非规则三角网来表达三维地理形状的。
可以将区域分割为许多三角形，每个三角形的三个顶点都有一个Z值（高程）。
由于它们可以为不
规则形状的地面提供良好的表达，因此在解决地貌问题中尤为有效。
以上就是空间数据模型的基本概念，以及其中主要的几种模型类型和他们的特点。
在实际应用中，不同的数据模型类型会根据具体的需求和数据特性进行选择。
几种常见的空间数据模型
ARC/INFO数据模型 地理数据库（GeoDatabase）
GeoDatabase拓扑关系检查与处理 ➢ 以错误查看器提供拓扑关系的错误信息 ➢ 用户可选择错误处理方式 ▪ 用编辑工具改正这个错误 ▪ 对该错误暂不处理 ▪ 将该错误置为例外
ARC/INFO数据模型 地理数据库（GeoDatabase）
✓ 位置数据用矢量和栅格数据表示； ✓ 属性数据存储在一组数据库表格中； ✓ 通过空间和属性数据的连接实现对空间数据的查询、分析和制
图输出。
ARC/INFO数据模型
ARC/INFO的数据模型支持六种重要的数据结构
✓ Coverage 矢量数据表示的主要形式
✓ GRID 栅格数据表示的主要形式
路径（Route）
定义为基于基本线特征基础上的路由。如在道路网上划分出 的公共汽车线路，不同的公共汽车线路公用部分道路时不用重复 输入线特征。路径的起点或终点可不与线特征起始点或终点重合， 可定义为线路上离起点或终点一定距离的点，这样就不用断开线 特征。
ARC/INFO数据模型
地理相关模型（GeoRelational model, Coverage）
✓ TIN 适合于表达连续表面
✓ 属性表 ✓ 影像
用作地理特征的描述性数据 ✓ CAD图像
空间数据模型与算法
摘要：对GIS中几种常见的空间数据模型进行了简单总结，分别介绍了二维空间数据模型和三维空间数据模型，并对空间数据模型的分类和组成以及各自的优缺点进行了分析和比较；对空间数据模型算法进行了简单介绍。
并展望了空间数据模型的发展方向。
关键词：GIS；空间数据模型；空间数据模型算法1、研究现状1.1二维空间数据模型目前，在GIS研究领域中，已提出的空间数据模型有栅格模型、矢量模型、栅格-矢量一体化模型和面向对象的模型等。
(1)栅格数据模型栅格数据模型是最简单、最直观的一种空间数据模型，它将地面划分为均匀的网格，每个网格单元由行列号确定它的位置，且具有表示实体属性的类型或值的编码值。
在地理信息系统中，扫描数字化数据、遥感数据和数字地面高程数据（DTM）等都属于栅格数据。
由于栅格结构中的行列阵的形式很容易为计算机存储、操作和显示，给地理空间数据处理带来了极大的方便，受到普遍欢迎。
在栅格结构中，每一地块与一个栅格像元对应。
不难看出，栅格数据是二维表面上地理数据的离散量化值，而每一个像元大小与它所代表的实地地块大小之比就是栅格数据的比例尺。
(2)矢量数据模型矢量模型是用构成现实世界空间目标的边界来表达空间实体，其边界可以划分为点、线、面等几种类型，空间位置用采样点的空间坐标表达，空间实体的集合属性，如线的长度、区域间的距离等，均通过点的空间坐标来计算。
根据空间坐标数据的组织与存储方式的不同，可以划分为拓扑数据模型和非拓扑数据模型。
(3)矢量-栅格一体化数据模型从几何意义上说，空间目标通常有三种表达方式：（1）基本参数表达。
一个集合目标可由一组固定参数表示，如长方形由长和宽两参数描述；（2）元件空间填充表达。
一个几何目标可以认为是由各种不同形状和大小的简单元件组合而成，例如一栋房子可以由一个长方形的方体和四面体的房顶组成。
（3）边界表达.一个目标由几种基本的边界元素即点、线、面组成。
矢量数据结构和栅格数据结构各有优缺点，矢量-栅格一体化数据模型具有矢量和栅格两种结构的优点。
空间数据模型PPT
• 用上述部分表格表示空间目标的拓扑关系
• 面-弧段、弧段-节点 • 弧段-节点、弧段-面
弧段 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8
弧段-结点-面块的拓扑关系
起结点 N6 N1 N2 N3 N4 N4 N5 N4
终结点 N1 N2 N3 N4 N1 N6 N6 N5
左多边形 M M M M P2 P3 M M
空间元数据
空间数据模型
• 几何数据
• 根据空间实体的几何特征，空间对象可分为点对象、线对象、面对象和 体对象。
• 点定义为因太小不能描述为线状或面状的地理特征要素的离散位置。 • 线定义为因太细不能描述为面状的地理特征要素的形状和位置 • 多边形定义为封闭的区域面，多边图形用于描述均匀特征的位置和形状
空间数据模型
• 链式编码
5
6
4
3
2
起始点
7
3
2
0
2
62
0
13Biblioteka 7363
2
6
2
1
4
3
链式编码示意图
空间数据模型
起始点
➢ 适用范围： 制图及一般查询，不适合复杂的空间分析
空间数据模型
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 •表达对象的邻接、关联、包含等关系 •表达方式
• 全显式表达：对结点、弧段、面块相互之间的所有关联关系都进行显式 存储
• 半隐含式表达
空间数据模型
（1）拓扑结构：全显式表达
在对现实世界的观察过程中，除了会对事物进行选择， 还会进行抽象和综合，通过抽象便于事物在GIS中进行建模、 分析和应用，实现现实世界在GIS中的表达。
空间数据模型
1.4 联合（association） 将同一类对象中的几个具有相同属性值的对象组合起
来，设立一个更高水平的对象表示那些相同的属性值。 1.5 聚集（aggregation）
将几个不同特征的简单对象组合成一个复杂的对象
2、面向对象数据模型 2.1 对象表示
一个对象的任何定义都是它的逻辑表示，其目的 是用来存储和管理对象实例的状态。 2.2 类的层次
网络模型是数据模型的另一种重要结构，它反映 着现实世界中实体间更为复杂的联系，其基本特征表 现在结点数据间没有明确的从属关系，一个结点可与 其他多个结点建立联系。
网络模型实例
（2）网络模型的物理实现
多用指针建立记录间联系。可分为简单网络结 构和复杂网络结构两类。
①单网状结构的物理实现
物理邻接加指针、顺序文件加指针、目录和位图
（3）层次模型的优缺点 优点： ① 将数据组织成有向有序的树结构
② 反映了现实世界中实体之间的层次关系 ③ 层次分明、结构清晰，较容易实现 缺点： ① 不能表示多对多的关系 ② 难以顾及实体之间的拓扑关系 ③ 导致数据冗余
2、网络模型与图结构
（1）概念
用网络数据结构表示实体与实体间联系的模型称 网络模型。
类的继承性提供了代码的重用。通过类的层次性和 继承属性，子类可以指定它们自己的操作方法，而把继 承的操作方法作为自己操作方法的一部分。
可变性。
2.3 集合类型 集合提供了组织对象以及处理他们之间关系的途
径。一般意义上的超类集合支持基数、空集、排序等 特性，并且允许有重复值。
类集是一个无序的集合，不允许重复的元素存 在；而包允许有重复的值。
3、地理空间分块模型
将连续地现实世界中地理实体及相互关系进行离散
常用空间数据挖掘计算模型介绍
常用空间数据挖掘计算模型介绍本文在对数据挖掘基本概念进行了介绍的基础上，详细介绍了目前在数据挖掘中最常用的计算模型，包括空间关系、空间实体关联矩阵、空间实体信息模型，让读者对数据挖掘技术有一个基本的了解。
标签：数据挖掘；空间关系；空间实体关联矩阵；空间实体信息模型1 空间数据挖掘概念空间数据挖掘指利用统计学、人工智能、机器学习、模糊数学、模式识别和专家系统等理论、方法和技术，从空间数据库中抽取人们想要获取但没有清楚表现出来的能反映出客观世界的本质的隐含知识[1][2]。
空间数据由三个层次构成。
最底层是数据源为空间数据挖掘提供数据。
包含数据域的空间数据仓库管理系统和知识域的知识库管理系统。
中间层为挖掘器，它采用各种空间数据挖掘方法分析被提取的数据。
顶层是人机交互界面，即将发现的知识以用户能理解和接受的形式展现给用户[1，2]。
空间数据处理过程可分为：数据准备、数据选择、数据预处理、数据变换、确定目标、确定算法、数据挖掘、模式解释和知识评价[1]。
常用的计算模型有：空间关系、空间实体关联矩阵、空间实体信息模型，本文将对这三种模型一一介绍。
2 空间关系计算方法数据挖掘中主要有空间距离、空间拓扑、空间方位三类空间概念。
空间距离：距离常指几何学的欧式距离，用它来描述空间两个物体之间的远近关系。
欧氏距离是两点间的直线最短距离，在空间数据挖掘中可以用它来计算：点点距离、点线距离、点面距离、线线距离、线面距离和面面距离，此外根据具体问题也会使用棋盘距离或曼哈顿距离[1]。
空间方位：定义目标对象之间的方位，在分析的时候，我们一般预定义一个坐标轴，再做垂直于坐标轴的直线，用此直線来表示两个对象间的方位关系。
当分析的对象是某个平面时就用平面的重心来代替面，再求出两重心之间的方位关系，用此来代表两平面间方位关系[1]。
空间拓扑：它不考虑距离和方位，而是把点、线、面都看成拓扑元素，用关联和邻接来描述点线面之间的关系。
关联是不同拓扑元素之间的关系，存在于点与线，线与面、点与面之间，相同拓扑元素（比如点点、线线、面面之间）的关系常用邻接表示；也用包含、几何、层次关系描述两个拓扑元素之间的关系，包含关系指面与其他拓扑元素之间的关系；两元素间距离在某个约束范围内称他们之间有几何关系；同类元素之间的等级高低用层次表示[1]。
空间数据模型
Equals(anotherGeometry)
Disjoint(anotherGeometry ) Intersects(anotherGeometry ) Touches(anotherGeometry ) 空间 Crosses(anotherGeometry) 关系 Within(anotherGeometry) 运算
3.2.2 网状数据模型
在网状数据模型中，虽然每个结点可以有多个 父结点，但是每个双亲记录和子女记录之间的 联系只能是1：N的联系，对于M：N的联系， 必须人为地增加记录类型， 把M：N的联系分 解为M个1：N的二元联系。
学生/选课/课程的网状模型
3.2.2 网状数据模型
网状模型在具体实现时，把整个模型划
OGC的SFS中定义的空间操作算子包括基本操作、 空间关系运算和空间分析操作。
操作 方法名称
类别 Dimension ( ) GeometryType ( ) SRID ( )
基本 Envelope( ) AsText( )
操作 AsBinary( ) IsEmpty( ) IsSimple( ) Boundary( )
3.3 面向对象模型
类（class）：是属性集和方法集相同的所有 对象的组合。
类允许嵌套结构。
可以在现在类的基础上通过继承来构造新的 类。现在的类称为超类，新子类是从现有类 中派生出来的，称派生类。子类继承超类上 定义的全部属性和方法，实现了软件的可重 用性。同时，子类还可以包含其他的属性和 方法。
通过继承构造类，采用多态性为每个类指定 其表现行为。
3.3 面向对象模型
面向对象模型是采用面向对象的观点来描述现实世
界中实体及其联系的模型，现实世界中的实体都被
空间数据分析模型
空间数据分析模型7.1 空间数据按照空间数据的维数划分，空间数据有四种基本类型：点数据、线数据、面数据和体数据。
点是零维的。
从理论上讲，点数据可以是以单独地物目标的抽象表达，也可以是地理单元的抽象表达。
这类点数据种类很多，如水深点、高程点、道路交叉点、一座城市、一个区域。
线数据是一维的。
某些地物可能具有一定宽度，例如道路或河流，但其路线和相对长度是主要特征，也可以把它抽象为线。
其他的线数据，有不可见的行政区划界，水陆分界的岸线，或物质运输或思想传播的路线等。
面数据是二维的，指的是某种类型的地理实体或现象的区域范围。
国家、气候类型和植被特征等，均属于面数据之列。
真实的地物通常是三维的，体数据更能表现出地理实体的特征。
一般而言，体数据被想象为从某一基准展开的向上下延伸的数，如相对于海水面的陆地或水域。
在理论上，体数据可以是相当抽象的，如地理上的密度系指单位面积上某种现象的许多单元分布。
在实际工作中常常根据研究的需要，将同一数据置于不同类别中。
例如，北京市可以看作一个点（区别于天津），或者看作一个面（特殊行政区，区别于相邻地区），或者看作包括了人口的“体”。
7.2 空间数据分析空间数据分析涉及到空间数据的各个方面，与此有关的内容至少包括四个领域。
1）空间数据处理。
空间数据处理的概念常出现在地理信息系统中，通常指的是空间分析。
就涉及的内容而言，空间数据处理更多的偏重于空间位置及其关系的分析和管理。
2）空间数据分析。
空间数据分析是描述性和探索性的，通过对大量的复杂数据的处理来实现。
在各种空间分析中，空间数据分析是重要的组成部分。
空间数据分析更多的偏重于具有空间信息的属性数据的分析。
3）空间统计分析。
使用统计方法解释空间数据，分析数据在统计上是否是“典型”的，或“期望”的。
与统计学类似，空间统计分析与空间数据分析的内容往往是交叉的。
4）空间模型。
空间模型涉及到模型构建和空间预测。
在人文地理中，模型用来预测不同地方的人流和物流，以便进行区位的优化。
空间数据模型及拓扑关系
Scale
• Can be from general to specific. • Simple to complex. • A satellite can generate one terabyte
降水、坡度等 小尺度
大尺度 地层岩性、地址构造
朱吉祥，区域灾害评价的尺度效应，中国地质科学院硕士学位论文，2012, 5.
实例：房山土地利用动 态度格局随粒度 的变化而变化
3、空间数据模型分类
根据GIS数据组织和处理方式，目前地理空间数据的概念 模型大体上分为三类，即对象模型、网络模型和场模型。
选 择 •地 理 要 素 尺 度 上 有 相 城 市 规 划 、
县级土地利用：
同的表现
全球气候变
1:1万
化
栅格：纹理特征提取中，
窗口大小的选择
尺度 效应
•将 问 题 定 义 为 某 尺 度 区 域 地 理 灾 •地 理 要 素 尺 度 上 有 不 害 评 价 同的表现
M A U P 问 题 （ 取样空间的尺
度问题及划区问题,统称为可塑
性面积单元问题(MAUP)：
• 粒度：房山区土地利 用动态度
• 区域：美国总统选举 区的划分
繁 跨 尺 •将 问 题 定 义 为 某 尺 度 蝴 蝶 效 应
度 互 •不 同 尺 度 地 理 要 素 间
动
存在互动关系
反恐事件中Multi-agent 的模拟
实例：地质灾害影响因素的变化
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。连续变化 的空间现象难以观察，一般通 过获取足够高精度的样点观测 值来表征场的变化。如样点、 规则网格、不规则网格、等值 线。
空间数据模型与数据结构
空间数据模型与数据结构空间数据模型是一种用于描述和操作空间数据的理论模型。
空间数据是指与地理、地质、天文等相关的二维或三维地理空间信息。
在空间数据模型中，空间对象被抽象为点、线、面或其他形状，并与属性数据（如颜色、高度等）相关联。
空间数据模型可以帮助我们更好地理解和分析空间数据，并为空间数据的存储和查询提供基础。
向量是由有序的点，线和多边形组成的，向量数据模型是基于几何对象的。
在向量数据模型中，地理空间被划分为离散的几何对象，每个对象都有唯一的标识符和属性。
常见的向量数据模型有对象集模型和拓扑模型。
对象集模型将空间数据表示为一个个独立的对象，而拓扑模型则通过描述空间对象之间的拓扑关系来表示空间数据。
栅格数据模型把地理空间划分为均匀的栅格单元，每个栅格单元都有唯一的标识符和属性。
栅格数据模型适用于以栅格为基本单位的空间数据，例如遥感影像。
栅格数据模型可以将连续的空间数据离散化，便于计算机处理和存储。
除了向量数据模型和栅格数据模型，还有其他的空间数据模型，如网格数据模型和层次化数据模型。
网格数据模型通过将地理空间划分为不规则的网格来表示空间数据。
网格数据模型适用于网格化的空间数据，如地球表面的地理栅格。
层次化数据模型是基于分层结构的数据模型，将地理空间划分为多个层次，每个层次都有不同的细节级别。
层次化数据模型可以在不同的细节级别上处理和分析空间数据。
在实际应用中，空间数据模型通常与数据库系统结合使用。
关系数据库管理系统（RDBMS）可以支持空间数据模型，并提供空间数据的存储、查询、分析和可视化功能。
此外，地理信息系统（GIS）也是空间数据管理和分析的重要工具，它结合了空间数据模型和数据库系统，可以帮助用户更好地管理和利用空间数据。
总之，空间数据模型是描述和操作空间数据的理论模型，包括向量数据模型、栅格数据模型、网格数据模型和层次化数据模型等。
空间数据模型可以帮助我们更好地理解和分析空间数据，并为空间数据的存储和查询提供基础。
空间数据模型
坐标表和属性表之间共享同一识别码
通过坐标表和属性表之间共享同一识别码来使属性信息和位置信 息相结合
4、多类信息的表示 、
空间数据的分类，是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性 或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信 息层(见下图)；
用于表示地理实体的数据模型
①面积； ②周长； ③内岛 ④形状（锯齿状、凸凹性等）； ⑤重叠性与非重叠性。 ⑥独立性或与其它的地物相邻，如中国 及其周边国家；
4、立体状实体 、
Volume：立体状实体用于描述三维空间中 的现象与物体，它具有长度、宽度及高度 等属性。 ① 体积：如工程开掘和填充的土方量； ② 每个二维平面的面积； ③ 每个二维平面的周长； ④ 断面图与剖面图。 ⑤ 内岛或锯齿状外形； ⑥ 含有孤立块或相邻块；
三种最主要的拓扑关系
空间数据的拓扑关系是空间对象空间关系的一种，但却是最 重要的空间关系，在GIS中最主要的拓扑关系包括。 相邻性(Adjacency) (Adjacency)： 表示两个多边形是否相邻（ ① 相邻性 (Adjacency) ： 表示两个多边形是否相邻 （ 同 类元素间的相邻关系） 类元素间的相邻关系）； 包含性(Containment) (Containment)： ② 包含性 (Containment) ： 表示一个图元要素是否包含于 某个多边形中。 同类不同级别对象之间的包含关系） 某个多边形中。（同类不同级别对象之间的包含关系） 连通性(Connectivity) 表示两条线段是否相连。 (Connectivity)： ③ 连通性(Connectivity)：表示两条线段是否相连。
GIS的数据模型分为两大类：矢量数据模型和栅格数据模型。
空间数据模型
第5章 几种常见的空间数据模型
采用一种混合数据模型定义和管理地理数据； 在ARC/INFO中，
“ARC”是指用于定义地物空间位置和关系的拓扑数据结 构， “INFO”是指用于定义地物属性的表格数据（关系数据） 结构； 位置数据用矢量(X,Y) ； 相互关系用拓扑结构表示; 属性数据存储在一组数据库表格中； 通过空间和属性数据的连接实现对空间数据的查询、分 析和制图输出。
2013-8-1
中南大学GIS研究中心
26
5.2.3 什么是 Geodatabase?
2013-8-1
中南大学GIS研究中心
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Geodatabase概述
1、Geodatabase是ArcInfo8引入的一种全新的面向 对象的空间数据模型，是建立在DBMS之上的统一 的、智能的空间数据模型。 2、Geodatabase是一种面向对象的数据模型，在此 模型中，空间中的实体可以表示为具有性质、行 为和关系的对象。 3、Geodatabase描述地理对象主要通过以下以下四 种形式： (1)用矢量数据描述不连续的对象； (2)用栅格数据描述连续对象； (3)用TINs描述地理表面； (4)用Location或者Address描述位址。
事务处理201862中南大学gis研究中心31个人化和企业化geodatabase直接连接个人geodatabasearcgisarcsde连接企业geodatabase个人化的geodatabases通过microsoftjet存取数据access使用的数据库引擎企业化的geodatabase能通过arcsde存在oraclesqlserverinformixdb2个人和企业geodatabase有相同的geodatabase数据模型数据可以相互复制201862中南大学gis研究中心32geodatabase201862中南大学gis研究中心33201862中南大学gis研究中心34geodatabase的内部结构tin及其它数据集类型geodatabasefeaturedatasetsspatialreferencegeometricnetworkstopologiesdomainsrasterdatasetsrastersfeatureclassessubtypesobjectclassessubtypesrelationshipclassescanfeaturedatasets201862中南大学gis研究中心35geodatabase目录视图要素类关系类几何网络标注类对象类工作空间geodatabase栅格要素数据集201862中南大学gis研究中心36要素和对象要素类是具有一个shape字段的表featurerowshapeoidroadroadtypehighwayfeatureclasstablefeatureifeatureirowifeatureifeaturebufferifeaturebufferirowbufferifeaturedrawifeaturedrawiunknownobjectclass对象类
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ARC/INFO数据模型
ARC/INFO的数据模型支持六种重要的数据结构
Coverage 矢量数据表示的主要形式 GRID 栅格数据表示的主要形式 TIN 适合于表达连续表面 属性表 影像 用作地理特征的描述性数据 CAD图像 用作地理特征的描述性数据
GeoDataba se的结构
ARC/INFO数据模型 地理数据库（GeoDatabase）
要素类（Feature class） 同类空间要素的集合即为要素类。如：河流、道路、电缆等。 要素数据集（Feature dataset） 要素数据集由一组具有相同空间参考（Spatial Reference）的要素 类组成。 专题归类表示 当不同的要素类属于同一范畴（如水系的点线面要素） 当不同的要素类属于同一范畴（如水系的点线面要素） 创建几何网络 在同一几何网络中充当连接点和边的各种要素类 （如配电网络中，有各种开关、变压器、电缆等） 考虑平面拓扑 共享公共几何特征的要素类（如：水系、行政区界等) 共享公共几何特征的要素类（如：水系、行政区界等)
拓扑关系的建立可以由面向对象技术解决（记录在对象中） 硬件的发展，不再将存储空间的节省与否作为考虑问题的重心 计算机运算能力的提高，已经可以实时地通过计算直接获得分 析结果。
空间数据不能很好地与其行为相对应； 以文件方式保存空间数据，而将属性数据放在另外的DBMS 系统中。这种方式对于日益趋向企业级和社会级的GIS应用 而言，已很难适应（如海量数据、并发等）
事件（Event）
定义为基于基本线特征基础上离起点或终点一定距离的一点。 如要找高速公路上200公里处的事故点不需直接求出这一点的坐 标，同时对线路或事件点修改不会造成不一致问题。
路径（Route）
定义为基于基本线特征基础上的路由。如在道路网上划分出 的公共汽车线路，不同的公共汽车线路公用部分道路时不用重复 输入线特征。路径的起点或终点可不与线特征起始点或终点重 合，可定义为线路上离起点或终点一定距离的点，这样就不用断 开线特征。
多边形
位置数据：由一组弧段和位于多边形内的一个标示点来定义。 它不直接存储坐标信息,坐标信息存储在ARC文件和LAB文件中。 Cover#,Cover_ID,Lab#,Arc#1…Arc#n。 属性数据：存储在结点属性表AAT中，它包含7个标准数据项。 Cover#，Cover_ID，FNODE#，TNODE#，LPOLY#，RPOLY#， LENGTH 。
ARC/INFO数据模型
ARC/INFO的数据空间特征
ArcInfo的主要基本空间特征
点
定义为空间的一套XY或XYZ坐标；
线
定义为一系列有顺序的空间点；
面
由一组或多组线围成的多边形；
注记
ARC/INFO数据模型
ARC/INFO的数据空间特征
ArcInfo的高级空间特征 区划（Region）
定义为一组相互不重叠的多边形，用于描述具有相同属性单 元的不连续多边形。如行政区划上的群岛、地籍上的飞地。
ARC/INFO数据模型
地理相关模型（GeoRelational model, Coverage）
在Arc/Info 7.X及更早期的版本中使用； 强调的是空间要素的拓扑关系。 要关心点、线和多边形这些几何类型，几何与拓扑储存 在二进制文件中，而与之相关的属性数据位于关系数据库 （DBMS）中。
地理数据库（GeoDatabase）
ARC/INFO数据模型 地理数据库（GeoDatabase）
GeoDatabase中并不实际保存拓扑关系 GeoDatabase的拓扑属性 容限值
指落在以此值为半径的圆形区域内的所有点被看成是一致的，会 被捕捉（snap）到一起。
精度级别
每个参与拓扑约束的要素类都可以人为地赋予一个精度级别，精 度级别越高，在容限值范围内需要移动时就越稳定，即：级别低的 要向级别高的靠拢。当不同的要素类数据精度不一致时，通常应将 精度较高者设定为较高级别。
ArcView数据模型
Project
Theme(Layer)
ARC/INFO数据模型
ARC/INFO是ESRI开发的GIS软件 ARC/INFO采用一种混合数据模型定义和管理地理数据 在ARC/INFO中, “ARC”是指用于定义地物空间位置和关 系的拓扑数据结构, “INFO”是指用于定义地物属性的表 格数据（关系数据）结构 支持空间目标的矢量表示和栅格表示；
ARC/INFO数据模型 地理相关模型（Coverage）
新技术条件下Coverage的缺陷 Coverage模型拓扑结构不够灵活，局部的变动必须 对全局的拓扑关系重新建立（Build）
“牵一发而动全身”，且费时
在不同的Coverage之间无法建立拓扑关系；
河流与国界 人井与管道
ARC/INFO数据模型 地理数据库（GeoDatabase）
栅格数据集（Raster Datasets）
用于存放栅格数据。可以支持海量栅格数据，支持影像镶嵌，可通过建 立“金字塔”索引，并在使用时指定可视范围提高检索和显示效率。
TIN Datasets Locators
ARC/INFO数据模型 地理数据库（GeoDatabase）
ARC/INFO数据模型 地理数据库（GeoDatabase）
ARC/INFO数据模型 地理相关模型（Coverage）
数据组织 弧段
位置数据：Cover#,Cover-ID，FNODE#，TNODE#，LPOLY#， RPOLY#，坐标串,存储在ARC文件中。 属性数据：存储在结点属性表AAT中，它包含7个标准数据项。 Cover#，Cover-ID，FNODE#，TNODE#，LPOLY#，RPOLY#， LENGTH。
矢量数据间的拓扑关系得以保存
由此拓扑关系信息，我们可以得知多边形是哪些弧段 （线）组成、弧段（线）由哪些点组成、两条弧段（线） 是否相连以及一条弧段（线）的左或右多边形是谁？这就 是通常所说的“平面拓扑”。
ARC/INFO数据模型 地理相关模型（Coverage）
新技术条件下Coverage的缺陷 Coverage模型可取的方面，有的已经可以不再继续作为强 调的因素；
地理信息系统原理
邬国锋 武汉大学资源与环境科学学院 guofengwu@
第八讲几种常见的空间数据模型
1. MapInfo数据模型 2. ArcView数据模型 3. ARC/INFO数据模型
MapInfo数据模型
其空间数据与属性数据是分开存储的。属性数据存储在 关系数据库的若干属性表中,而空间数据则以MapInfo自 定义格式保存于若干文件之中,两者之间通过一定的索引 机制联系起来 为了提高查询和处理效率,MapInfo采用分层结构对空间 数据进行组织,即根据不同的专题将地图分层,每个图层 存储为若干个基本文件。表和层是MapInfo中两个重要的 表和层 概念
GeoDatabase是ArcInfo8之后引入的一个全新的空间数据模 全新 GeoDatabase是ArcInfo8之后引入的一个全新的空间数据模 型 是建立在DBMS之上的统一的、智能化的空间数据库。 统一的 智能化 是建立在DBMS之上的统一的、智能化的空间数据库。
ARC/INFO数据模型 地理相关模型（Coverage） 描述
ARC/INFO数据模型 地理数据库（GeoDatabase）
域（ Domains ）Байду номын сангаас
定义属性的有效取值范围。可以是连续的变化区间，也可以是离散的 取值集合。
有效规则（Validation rules）
对要素类的行为和取值加以约束的规则。如：规定不同管径的水管要连 接，必须通过一个合适的转接头。规定一块地可以有一到三个主人。
ARC/INFO7.X以前版本以Coverage作为矢量数据的 基本存储单元。一个Coverage存储指定区域内地理要素 的位置、拓扑关系及其专题属性。每个Coverage一般只 描述一种类型的地理要素（一个专题Theme）。位置信 息用X,Y表示，相互关系用拓扑结构表示，属性信息用 二维关系表存储。 GIS GIS RDBMS RDBMS ID 几何空间数据 几何空间数据 存储子系统 存储子系统
ArcView数据模型
ArcView采用一种混合数据模型定义和管理地理数据,空 间数据采用无拓扑关系的矢量数据,属性数据采用关系 数据库表示。 Layer
一个Layer只能表示一种几何类型的空间目标。对于矢量层由三 个文件组成shp文件，shx文件，dbf文件，sbn、sbx文件和ain、 aih文件。Shp文件存储无拓扑关系的几何数据，shx包含几何数 据索引，dbf文件存储属性数据，sbn、sbx文件包含空间索引， ain、aih文件包含属性索引。
ARC/INFO数据模型 地理数据库（GeoDatabase）
关系类（Relationship class） 定义两个不同的要素类或对象类之间的关联关系 如：我们可以定义房主和房子之间的关系 几何网络（Geometric network） 几何网络是在若干要素类的基础上建立的一种新的类。定义几 何网络时，我们指定哪些要素类加入其中，同时指定其在几何网 络中扮演什么角色 如：定义一个供水网络，我们指定同属一个要素数据集的“阀门 如：定义一个供水网络，我们指定同属一个要素数据集的“阀门 ”、“泵站”、“接头”对应的要素类加入其中，并扮演“连接（ ”、“泵站”、“接头”对应的要素类加入其中，并扮演“连接（ junction）”的角色；同时，我们指定同属一个要素数据集的“供 junction）”的角色；同时，我们指定同属一个要素数据集的“供 水干管”、“供水支管”和“入户管”等对应的要素类加入供水网络， 水干管”、“供水支管”和“入户管”等对应的要素类加入供水网络， 由其扮演“边（edge）”的角色。 由其扮演“边（edge）”的角色。