3空间数据模型全解
合集下载
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
第二章 空间数据模型
2011-4-6 24
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。
2011-4-6
25
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。
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。
2011-4-6
25
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。
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)
空间数据分析模型
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。
第3讲-空间数据模型--概念222
1、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、 能反映现实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） 项目世界 （Project） 地理点列世界 （Coordinate）
地理几何特征世界 （Geometry） 地理要素 集合世界 地理要素世界
空间参照系统 的概念被引入
项目世界 反映了一个制图员、一个地籍管理人员和一个道路管理人员视角的项目世界。
正是项目世界语言的多样性导致了GIS信息交换的难题。
点集世界
几何世界
要素世界
GIS空间抽象举例
观察和认知
空间事物或现象
现实世界
选择、综合、简化和抽象
概念世界
概念模型 Conceptial Model
拓扑属性 一个点在一个弧段的端点 一个弧段是一个简单弧段（弧段自身不相交） 一个点在一个区域的边界上 一个点在一个区域的内部 一个点在一个区域的外部 一个点在一个环的内部 一个面是一个简单面（面上没有“岛”） 一个面的连续性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内 部沿任意路径走向另一点） 两点之间的距离 一个点指向另一个点的方向 弧段的长度 一个区域的周长 一个区域的面积
基准方向
基准方向 点－线顺序关系
基准方向
点－点顺序关系
点－面顺序关系
基准方向 基准方向 线－线顺序关系 线－面顺序关系 基准方向 面－面顺序关系
不同类型实体间的顺序关系
度量空间关系
度量空间关系主要指空间实体间的距离关系； 按照拓扑空间关系中建立点－点、点－线、点－面、线－线、线－ 面 和面－面等不同组合来考察不同类型空间实体间的度量关系； 距离的度量可以是定量的，如按欧几里德距离计算得出A实体距离B实 体500m，也可以应用与距离概念相关的概念如远近等进行定性地描 述； 与顺序空间关系类似，距离值随投影和几何变换而变化。建立点－点 的度量关系容易、点－线和点－面的度量关系较难，而线－线、线 －面和面－面的度量关系更为困难，涉及大量的判断和计算； 在GIS中，一般也不明确描述度量空间关系；
空间数据模型
对三角网，表达各三角形的顶点位置和属性、顶点与三 角形的连接关系、三角形的连接关系，就可得到TIN的 逻辑数据模型。
3.4.5 面向对象数据模型
面向对象数据模型应用面向对象方法描述空间实体及其 相互关系，特别适合于采用对象模型抽象和建模的空间 实体的表达。 面向对象技术的核心是对象（object）和类（class）。
对象是指地理空间的实体或现象，是系统的基本单位。 如多边形地图上的一个结点或一条弧段是对象，一条河流 或一个宗地也是一个对象。 一个对象是由描述该对象状态的一组数据和表达它的行为 的一组操作（方法）组成的。 例如，河流的坐标数据描述了它的位置和形状，而河流的 变迁则表达了它的行为。每个对象都有一个惟一的标识号 （Object－ID）作为识别标志。
主要优点在于
二、不规则镶嵌数据模型
不规则镶嵌数据结构是指用来进行镶嵌的小面块具 有不规则的形状或边界。 最典型的不规则镶嵌数据模型有Voronoi图（也称作 Thiessen多边形）和不规则三角网（Triangular Irregular Network，简称TIN）模型。 当用有限离散的观测 样点来表示某地理现 象的空间分布规律时， 适合于采用不规则镶 嵌数据模型。
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
空间数据库
物理数据模型是概念 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
数据模型与数据结构
信息系统中：
数据模型：对客观实体及其关系的认识和数学描述。 目的是揭示客观实体的本质特征，并对它进行抽象化表达，使 之转化为计算机能够接受、处理的数据。 空间数据模型：对地理空间实体及其关系的描述。 即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数 据逻辑结构形式。 对空间数据而言，则是地理实体的空间排列方式和相互关系的 抽象描述。
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。
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。
第三章 空间概念和数据模型
3.1 空间信息模型 三、空间对象操作
面向方位的操作：
绝对的：以全球作为参照系，如东、西、南、 北、东北等 相对的：以给定目标为参照，如左、右、前、 后、上、下等
面向度量的操作：
度量空间：集合X满足下列条件就称为一个度量 空间：如果对X中的任意一点对x、y，都存在与之 相关联的实数d(x,y)，称x到y的距离（也称为一种 度量），且对于任意x、y、z满足如下性质：
3.1 空间信息模型 六、空间对象模型小结
OGIS 标准预定义了一系列空间数据类型和操作 空间对象模型和面向对象的软件有很多相似之处 可以方便地和多种语言集成，采用类似Java, C++, Visual basic等编程实现建模（如2.1.6节中JAVA程序实 现） 和后关系数据库（Post-relational databases, e.g. OODBMS, ORDBMS）集成。
3.1 空间信息模型 二、对象模型
对象模型： 对象：空间信息中可以抽象成明确的、可识别的和 相关的事物或实体。 对象具有相应的属性和方法 以道路图为例： 对象：道路, 里程碑, ... 道路对象属性： 空间属性：位置, 如道路的多边形边界 非空间属性：道路名, 道路类型 (国道、省道等),车 道数, 限速等 道路对象的方法： 确定道路中心线,确定道路长度, 确 定道路交叉口等
Dimension
Point
Curve Surface
City
River Country
0
1 2
OGIS数据模型中的空间对象 UML表示
3.1 空间信息模型 三、空间对象操作
面向集合的：面向集合的空间操作。在所有内
嵌空间中，最简单且最通用的类型是面向集合的 内嵌空间。这种集合可以利用一些常见的关系， 即在基于集合的关系中常见的并、交、包含和属 于关系。层次关系（如森林包含林分，州立公园 包含森林，州包含州立公园）就适于用集合理论 来建模 。如两个多边形的相交操作产生一个新的 多边形。
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
第3讲-空间数据模型和空间数据结构
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。
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、TIN、Voronoi多边形） 规则的人为对象（栅格、立方体元）
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。
➢ 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 ➢ 空间关系
观察和认知
现实世界
概念世界
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ抽还 象原 世世 界界
信息
数据世界 （计算机）
空间事物或现象
选择、综合、简化和抽象
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;
根据不同的应用，场可以表现为二维或三维; 一个二维场就是在二维空间R2中任意给定的一个空间位置上，
都有一个表现某现象的属性值，即 A＝f(x，y)
一个三维场是在三维空间R3中任意给定一个空间位置上，都对 应一个属性值，即 A＝f(x，y，z)
可被标识 在观察中的重要程度 有明确的特征且可被描述
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。
空间关系 非空间关系 时间关系
地理空间 空间要素
分类
子类 超类
几何坐标 子部分 超部分
非空间属性
对象模型对空间要素的描述
场/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
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、TIN、Voronoi多边形） 规则的人为对象（栅格、立方体元）
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。
➢ 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 ➢ 空间关系
观察和认知
现实世界
概念世界
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ抽还 象原 世世 界界
信息
数据世界 （计算机）
空间事物或现象
选择、综合、简化和抽象
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;
根据不同的应用，场可以表现为二维或三维; 一个二维场就是在二维空间R2中任意给定的一个空间位置上，
都有一个表现某现象的属性值，即 A＝f(x，y)
一个三维场是在三维空间R3中任意给定一个空间位置上，都对 应一个属性值，即 A＝f(x，y，z)
可被标识 在观察中的重要程度 有明确的特征且可被描述
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。
空间关系 非空间关系 时间关系
地理空间 空间要素
分类
子类 超类
几何坐标 子部分 超部分
非空间属性
对象模型对空间要素的描述
场/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
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
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
第3章 空间数据模型
– 现实世界许多地理事物和现象可以构成网络，如公路、 铁路、通讯线路、管道、自然界中的物质流、物量流 和信息流等
空间数据概念模型
• 网络是由一系列节点和环链组成的，与对象模型 没有本质的区别 • 网络模型可以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 • 空间数据概念模型归结为对象模型（或称要素模 型）和场模型（或称域模型）两类
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
（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
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
空间数据概念模型
• 网络是由一系列节点和环链组成的，与对象模型 没有本质的区别 • 网络模型可以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 • 空间数据概念模型归结为对象模型（或称要素模 型）和场模型（或称域模型）两类
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
（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
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
三维GIS空间数据模型
① 复杂实体有可能由不同延展度和类型的空间单元组合而 成；
② 某一类型的空间单元组合形成一个新的类型或一个复合 实例；
③ 某一类型的空间实体可以转换为另一类型；
④ 某些空间实体具有二重性，也就是说，由不同的维数组 合而成。
实体类型组合图例
三、空间实体在地理信息系统中的表示
1、单一实体 2、多种特征的实体 3、带有属性的空间实体的表示 4、多层属性信息的表示
第三章 空间数据模型
空间数据模型：指利用特定的数据 结构来表达空间对象的空间位置、 空间关系和属性信息；是对空间对 象的数据描述。
内容
第一节 空间实体的描述和分类和数据组织 第二节 矢量数据模型 第三节 栅格数据模型 第四节 三角网数据模型(TIN) 第五节 属性信息 第八节 面向对象的空间数据模型
左多边形
P2 P1 P1 Ø P2 P3
右多边形
P1 P4 Ø P2 P4 P2
二、空间实体的几何分类
根据（1）实体本身的特征、（2）所用地图的比例尺
（3）项目中使用这类实体空间数据的目的，将地理
形象抽象为：
1. 点(Point) 2. 线(Line)
空间现象 • 离散
3. 面(Area) 4. 体(Volume)
4、பைடு நூலகம்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
GIS的数据模型分为两大类：矢量数据模型和栅格数据模型。
.
Spatial data model
第二节 矢量数据模型
① 长度：从起点到终点的总长；
② 某一类型的空间单元组合形成一个新的类型或一个复合 实例；
③ 某一类型的空间实体可以转换为另一类型；
④ 某些空间实体具有二重性，也就是说，由不同的维数组 合而成。
实体类型组合图例
三、空间实体在地理信息系统中的表示
1、单一实体 2、多种特征的实体 3、带有属性的空间实体的表示 4、多层属性信息的表示
第三章 空间数据模型
空间数据模型：指利用特定的数据 结构来表达空间对象的空间位置、 空间关系和属性信息；是对空间对 象的数据描述。
内容
第一节 空间实体的描述和分类和数据组织 第二节 矢量数据模型 第三节 栅格数据模型 第四节 三角网数据模型(TIN) 第五节 属性信息 第八节 面向对象的空间数据模型
左多边形
P2 P1 P1 Ø P2 P3
右多边形
P1 P4 Ø P2 P4 P2
二、空间实体的几何分类
根据（1）实体本身的特征、（2）所用地图的比例尺
（3）项目中使用这类实体空间数据的目的，将地理
形象抽象为：
1. 点(Point) 2. 线(Line)
空间现象 • 离散
3. 面(Area) 4. 体(Volume)
4、பைடு நூலகம்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
GIS的数据模型分为两大类：矢量数据模型和栅格数据模型。
.
Spatial data model
第二节 矢量数据模型
① 长度：从起点到终点的总长；
第三章空间数据模型(栅格数据模型)
2）游程长度编码 (Run—length CodeS)
游程指相邻同值网格的数量。 游程编码结构是逐行将相邻同值的网格合并， 并记录合并后网格的值及合并网格的长度， 其目的是压缩栅格数据量，消除数据间的冗 余。
游程长度编码方式
有两种方案：
一种编码方案是，只在各行(或列)数据的代码 发生变化时依次记录该代码以及相同的代码 重复的个数，从而实现数据的压缩。
注意： 在地理信息系统中多采用信息无损编码，而对原始遥 感影像进行压缩编码时，有时也采取有损压缩编码方 法。
(2) 压缩编码方法
目前有一系列栅格数据压缩编码方法：
如链码、游程长度编码、块码和四叉树编码 等。
1)链码(Chain Codes)
链码又称为弗里曼链码(F‘reeman)或边界链码， 链码可以有效地压缩栅格数据。
3.栅格数据表示地理现象的方式
在栅格数据模型中：
线段——由一串有序的相互连接的单元网 格表示，各个网格的值比较一致，但与 邻域的值差异较大。
3.栅格数据表示地理现象的方式
多边形——由聚集在一起的相互连接的单 元网格组成，区域内部的网格值相同或 差异较小，但与邻域网格的值差异较大。
4.栅格的形式
2决定栅格单元代码的方式
——百分比法 根据矩形区域内各地理要素所占面积的百 分比数确定栅格单元的代码。
(三)栅格数据结构、压缩和文 件管理
1.栅格编码
(1) 直接栅格编码
直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵， 逐行(或逐列)逐个记录代码。
——可以每行都从左到右逐个像元记录，也可 以奇数行地从左到右而偶数行地从右向左记录。 为了特定目的还可采用其他特殊的顺序。 最简单直观
2决定栅格单元代码的方式
空三解算的原理
空三解算的原理嘿，朋友！你有没有想过，当我们看到那些超级酷炫的三维地图或者逼真的地形模型的时候，背后是怎么做到的呢？这就不得不提到空三解算这个神奇的东西啦。
我给你打个比方哈。
假如你要拼一个超级复杂的拼图，这个拼图有成千上万个小碎片，而且每个碎片都没有任何提示信息。
空三解算就有点像一个超级聪明的拼图小能手。
咱们从空中拍摄的那些照片呀，就好比是这个大拼图的一个个小碎片。
这些照片可能是从飞机上或者无人机上拍下来的，每一张照片都包含了地面上一部分的信息，可能是山川、河流、房屋啥的。
那这个空三解算到底怎么把这些“碎片”组合起来呢？这里面有个关键的东西叫同名点。
啥是同名点呢？就好像你看一张照片里有个很特别的小房子，这个小房子在另外一张照片里也能找到。
这同一个小房子在不同照片里的位置就是同名点。
这就好比在拼图里找到两块有相同图案的碎片，然后通过这个相同的部分把两块碎片拼在一起。
我有个朋友叫小李，他以前也对这个空三解算一知半解的。
有一次我们出去爬山，他看着周围的景色就突然跟我说：“哎，你说这空三解算是不是就像我们用眼睛看东西一样，大脑把不同角度看到的画面组合起来就知道物体的形状了？”我一听，嘿，还真有点这个意思呢。
我们的眼睛就像相机，从不同的角度看一个物体，大脑就会自动找到那些对应的点，然后算出这个物体的形状和位置。
空三解算也是这样，只不过它面对的是大量的从空中拍摄的照片。
在空三解算的过程中，还有个很重要的概念叫像点坐标。
这就像是每个“拼图碎片”里的小标记。
通过对像点坐标的精确测量和计算，就可以知道这个点在照片里的准确位置。
这就好比你知道了拼图碎片里每个小图案的具体位置，这样就能更准确地把碎片拼在一起了。
再来说说算法吧。
空三解算可不是随便瞎拼的，它有一套很厉害的算法。
这个算法就像是一个超级精密的指挥家。
它会根据那些同名点和像点坐标的信息，进行大量复杂的计算。
这计算量可大了，就像你要在一堆沙子里找特定的几颗彩色小珠子一样困难。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
数据模型
数据模型是GIS的核心 数据模型是一组用于描述计算机数字化环 境中的（地理）对象和（地理）过程的结 构集合； 数据模型是计算机中用于描述和表现现实 世界中感兴趣的某个方面的一组结构集合.
3.1 地理空间与空间抽象
用计算机表达现实世界分别 经过四个抽象层次（过 程）： 抽 象 • 现实世界：由各种事物组 成，包括个体能够或者不 过 能感知的各个方面，或者 程 被认为是与某个特定应用 增 场景相关的内容。 强
第三章
空间数据模型
城乡规划与园林学院
3.1 地理空间与空间抽象
地理空间
• • • •
地表空间 五圈相互作用区域 存在复杂的空间事物或地理现象 定义 • 对地理事物和现象的简化与抽象 特征 • 空间位置特征 • 属性特征 • 时间特征 • 空间关系特征空间实体•源自3.1 地理空间与空间抽象
空间认知与抽象
地理实体不仅具有空间位置、形状、大小等空间特 征，而且不同实体间还存在邻接、关联、包含等空间相 互关系特征，由于描述这种关系时不需要考虑空间坐标 和距离因素，所以又称为拓扑关系
3.3 空间数据和空间关系
空间数据的拓扑关系 拓扑元素：结点、线（弧段）、面（多边形）
三个拓扑元素的关系符合欧拉公式：L+2=A+P，
3.2 概念模型
概念模型的选择
•
•
场模型 • 具有连续空间变化 • 海拔 • 气温 • 火灾 • 大气污染 对象模型 • 具有明确边界和独立地理现象 • 道路 • 建筑物 • 公共设施
3.3 空间数据和空间关系
地理实体的特征
地理实体的特征：地理特征可以分为空间特征和非空 间（属性）特征两方面 属性特征：用来描述事物或现象的特性，即说明 “是什么”，如事物类别、等级、数量、名称等 空间特征：描述事物或现象的地理位置以及空间相 互关系，又称几何特征和拓扑特征，如经纬度、中印 接壤等 时间特征：描述事物或现象随时间的变化
•
现实世界
面向 人类
概念模型
逻辑模型
面向 计算机
概念模型：面向人类认知 的模型，常常是部分结构 化，建模对象是与某个特 定领域相关的对象与过程。
物理模型
3.1 地理空间与空间抽象
•
逻辑模型：一种能够实现 的关于现实世界的表达， 通常是以图标和目录的形 式存在。把概念模型结构 转换为计算机数据库系统 所能够支持的数据模型。
• 可被标识 • 重要 • 明显特征且可描述
3.2 概念模型
场模型
• 场的特征 • 场模型表示方法：
• 规则离散点 • 不规则离散点 • 等值线 • 三角网 • 栅格点 • 不规则多边形
3.2 概念模型
网络模型 • 地理网络 • 物质流 • 能量流 • 信息流 • 对象模型的一个特例 • 主要有两种类型的网络：放射状网络和回路网络 • 方便进行网络分析 空间数据模型（场模型、对象模型）
的一组对象（对象的可数性）。 • 地理对象：区域-多边形、一维对象---线、点 • 并不能对所有的地理现象的表达都有效
• 连续场
• 连续场的观点认为地理世界是由沿地表连续变化的
一系列变量组成；该观点将真实世界描述为有限变 量，每个变量定义在任何可能的位置上。
GIS中的数据模型
地理表达中两种基 本观点： 连续场 离散对象 概念模型 场模型 对象模型（网 络模型） 逻辑模型 栅格模型等等 矢量模型
3.3 空间数据和空间关系
空间数据的基本内容
地理特征可以分为空间特征和非空间特征两方面，
表达地理特征的地理数据（空间数据）也相应分为 空间特征数据与属性数据两部分，空间特征 （ feature ）数据（位置、形状、空间关系等）， 也可以再分为几何数据与拓扑关系数据；而用属性 （attribute）代表非空间特征（属性、时序等）。 一定坐标系中的位置 与位置有关的属性（岩性、地价、PH值） 相互间的关系（拓扑关系）：物体间如何连在一起 或物体如何在其它物体间移动
现实世界 面向 人类
•
抽 象 过 程 物理模型：描绘了GIS中实 增 际使用的模型，通常存储 强 在文件或数据库中的数据 表组成。指概念模型反映 到计算机物理存储介质中 的数据组织形式。
概念模型
逻辑模型
面向
计算机
物理模型
地理表达方法
地理表达的两种基本观点：离散对象和连续场
• 离散对象
• 离散对象观点将世界表达为在空间上具有明确边界
点、线、面之间的空间关系
拓扑属性
一个点在一个弧段的端点 一个弧段是一个简单弧段 （自身不相交） 一个点在一个区域的边界上 一个点在一个区域的内部 一个点在一个区域的外部 一个点在一个环的内部 一个面是一个简单面 （面上没有岛） 一个面的连接性 （给定面上任意两点，从一点可以完 全在面的内部沿任意路径走向另一点） 两点之间的距离 一个点指向另一个点的方向 弧段的长度 一个区域的周长 一个区域的面积
非拓扑属性
3.3 空间数据和空间关系
3.2 概念模型
概念 • 空间数据概念模型是关于现实世界中空间实体及其 相互间联系的概念，它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。 类型 • 场（Field）模型。 • 对象（要素）（Feature）模型 • 网络（Network）模型
3.2 概念模型
对象模型
• 要素模型：点、线、面、体 • 拓扑关系 • 空间要素（实体）条件：
3.3 空间数据和空间关系
空间关系
度量关系：空间对象之间的距离关系，一般用
欧式距离表示
顺序关系：空间实体在空间上的的排列次序
拓扑关系：拓扑变换下保持不变的关系
3.3 空间数据和空间关系
空间数据的拓扑关系
拓扑关系是不考虑度量（距离）和方向的空间物体 之间的关系。在拓扑变换（理想橡皮板拉伸或缩短，但 不能撕破或重叠）下两个以上拓扑元素间能够保持不变 的几何属性——拓扑属性具有空间分析意义。
其中，P、L、A表示图上点、线、面的数目，在拓 扑检验中经常使用。 拓扑关系类型 关联（连接）：不同类元素之间的拓扑关系 包含：空间图形中不同类或同类但不同级元素 之间的拓扑关系 邻接：空间图形中同类元素之间的拓扑关系 连通：空间图像中弧段之间的拓扑关系
3.3 空间数据和空间关系