GIS第三章 空间数据模型

4.地理空间及其表达
矢量表达法示意（点、线、面）
点：位置（x，y） 属性：符号
线：位置(x1 ，y1 ), (x2 ，y2 ) ， … ，
(xn ， yn )
属性：符号，形状、颜色、尺寸
面：位置(x1 ， y1 ), (x2 ，y2 ) ， … ，
(xn ， yn )
属性：符号变化，等值线
4.地理空间及其表达
4.地理空间及其表达
2、空间实体的表达（计算机） 矢量表达 在矢量数据结构中，地理实体的形状和位置是由一组坐标对所确定。矢 量数据结构对地理实体的描述类似于地图对地理信息的描述，一般也把 地理实体分为点、线、面、体等四种，每种实体有不同的编码方法。 栅格表达 在栅格数据结构中，整个地理空间被规则地分为一个个小块（通常为 正方形），地理实体的位置是由占据小块的横排与竖列的位置决定，小 块的位置则由其横排竖列的数码决定，每个地理实体的形态是由栅格或 网格中的一组点来构成。这种数据结构和遥感图象的数据相同，因而数
理实体的抽象。 空间实体类型
任何地理实体都可以抽象为点、线、面、体等基本类型，以表示它的位
置、形状、大小、高低等特征。
4.地理空间及其表达
以地图为例，来了解空间实体的抽象及表达 点实体 有位置，无宽度和长度，维数为0； 抽象的点
美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能 的500个地震位置
达、九交模型
教学难点：空间关系分析中的九交模型表达 教学课时：2课时 教学方法: 讲授 本次课涉及的学术前沿：时空模型 三维模型
学习目标
1. 了解空间数据模型的类型及其特点 2. 理解场模型和要素模型 3. 重点掌握矢量数据模型和栅格数据模型以 及在这两种模型下空间实体表达的方式。 4. 理解基于要素空间关系分析中九交模型的 表达方式 5. 理解网络模型的特点
3．要素模型
1）欧氏平面上的空间对象类型
空间对象
零维对象点
延伸对象
一维对象
二维对象
弧
环
面对象
要素（对象） 的类型有哪 几类？
简单弧
简单环
面域对象
域单位对象
3．要素模型
2）离散欧氏平面上的空间对象
离散一维对象
B 样条曲线
多边线
线段
3．要素模型
3）要素模型和场模型的比较
现实世界 要素模型 选择要素 选择一个位置 场模型
4.地理空间及其表达
TIN表达示意
4.地理空间及其表达
（2）栅格表达法
点：具有一定数值的删格单元
线：表现为按线特征相连接的一组单元 面：表现为按二维形状特征相连接的一组单元
+ + + + +
(a) 点的栅格表达
(b) 线的栅格表达
栅格表示法的精度：依赖于每个栅格单元所实际代表
的地面区域的大小，栅格代表的区域越小，精度越高。
4.地理空间及其表达
点实体 有如下几种类型：
■实体点Entity point：用来代表一个实体；
注记点Text point：用于定位注记；
□内点Test point：用于负载多边形的属性， 存在于多边形内； ●结点Node：表示线的终点和起点； ○角点Vertex：表示线段和弧段的内部点。
4.地理空间及其表达
1. 空间数据模型的基本问题
• GIS空间数据模型的学术前沿
– 时空数据模型：核心问题是研究如何有效地表达、记 录和管理现实世界的实体及其相互关系随时间不断发 生的变化。 – 三维空间数据模型 ：三维矢量模型和体模型 – 分布式空间数据模型：分布式空间数据库管理系统和 联邦空间数据库
– CASE工具（计算机辅助软件工程工具）:发展GIS空间 数据建模与系统设计的专用功能，提高GIS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
字遥感图象就是栅格数据结构。
矢量数据
栅格数据
数字高程
4.地理空间及其表达
（1）空间实体的矢量表达
矢量维数 零维 实体类型 点 空间表达 实数对（x ，y） 描述 一个数据点，具有一对(x，y)坐 标和至少一个属性，逻辑上不能 再分。 具有相同属性的点的轨迹，由坐 标对序列表示，坐标对的顺序与 线的形状有关，线上每个点有不 多于二个的邻点。 代表地物 水井、污染 源等。 道路、公共 设施网等。
– 经常用一系列等值线组成，等值线就是地面上所 有具有相同属性值的点的有序集合
– 举例：覆盖Coverage，对现象建模如温度，土壤分布等 等。
场模型可以表示为如下的数学公式：
z : s z ( s )
上式中，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。下表给出了地理研究中一些场模型的例子[A. Vckovski]。
如下图所示：
线实体类型
4.地理空间及其表达
面实体 具有长和宽的目标，有连续面和不连续面； 通常用来表示自然或人工的封闭多边形
中国土地利用分布图（不连续面）
4.地理空间及其表达
面状实体有如下空间特性： 面积范围； 周长； 独立性或与其它的地物相邻，如中国及其周边国 家； 内岛或锯齿状外形； 重叠性与非重叠性； 面实体类型如下图所 示：
线实体 有长度，但无宽度和高度，维数为1； 用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多
香港城市道路网分布
4.地理空间及其表达
线实体有如下特性：
实体长度：从起点到终点的总长； 弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度； 方向性：水流方向是从上游到下游，公路则有单向与双向之 分。 线状实体包括线段、边界、链、弧段、网络等，
面状实体类型
4.地理空间及其表达
面实体（续）有不连续面和连续面之分 不连续变化曲面，如土壤、森林、土地 利用等，属性变化发生在边界上，面的 内部是同质的。
不连续变化曲面
连续变化曲面，如地形起伏，整个曲 面在空间上曲率变化连续。
连续变化曲面
4.地理空间及其表达
体 有长、宽、高的目标； 通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标
(c) 面的栅格表达
4.地理空间及其表达
矢量表达和栅格表达
道 河
湖泊
路 流 居民地
5．基于要素的空间关系分析
1. 基本概念
在对象模型中，空间实体的空间位置、关系和度量的描述是非常重要 的。 地理要素之间的空间区位关系可抽象为点、线（或弧）、多边形（区 域）之间的空间几何关系 。 空间实体见的空间几何关系可以抽象为点、线、多边形之间的六种关 系：
什么是模型？
• 模型是所研究的系统、过程、事物或概念 的一种表达形式 （研究对象）。 • 是用以分析问题的概念、数学关系、逻辑 关系和算法序列的表示体系（表示内容）
什么是地理空间数据模 型？
空间数据模型是研究如何对地理空间进 行划分，研究的对象是地理空间。
2. 场模型
场模型：
• 适合用来描述具有一定空间内连续分布特点 的对象 • 根据应用的不同场可以表现为二维或三维场 • 场的表现形式
1. 空间数据模型的基本问题
• 空间数据模型
– 概念：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：连续对象的描述（二维，三维） • 基于对象（要素）（Feature）的模型：离散对象描述 • 网络（Network）模型：交通、水系等网络状对象描述
202
203
301
图元素非 独立存储
通过FID连接
线坐标文件 线属性表文件
201 302 102
面坐标文件
面属性表文件
其它图形关系文件
(b)拓扑模型
包含拓扑数据
矢量数据模型
第4讲
课 题：空间数据模型（二） 目的要求：掌握矢量数据模型和栅格数据模型下空间实体表 达的方式。理解基于要素空间关系分析中九交模型的表达 方式，理解网络模型的特点。
矢量表达法示意（ 体：TIN ）
把一表面表示成一系列相连接的三角形，这些三角形在一组结点(Nodes)
之中，按照一定规则连接相邻结点形成的边(Edges)组成的。
结点可以位于任何地方,但是结点布置得好坏,直接影响到连续面模型的
精度，好的结点应位于表面形状发生显著变化的地方。
三角形不规则网的表达
• 可被识别 • 重要（与问题有关） • 可被描述（有特征）
3．要素模型
• 嵌入式空间：是指空间对象存在于“空间”之中。空间对 象的定义取决于嵌入式空间的结构。 • 常用的嵌入式空间类型： – 欧式空间（距离、方位） – 量度空间（距离） – 拓扑空间（拓扑关系） – 面向集合的空间（只采用一般的基于集合的关系）
点—点： 点—线： 点—多边形： 线—线： 线—多边形： 多边形—多边形： 拓扑空间关系； 方位空间关系； 度量空间关系。
5．基于要素的空间关系分析
定义域维数 场模型 T(z) 1 值域维 数 1 自变量 空间坐标（高程） 因变量 高度z处的气温
E(t)
H(x,y) P(x,y,z) v(λ,φ,z) σ(x,y,z) Θ(λ,φ,p,t) Θt(λ,φ,p) I(x,y,z,t,λ)
1
2 3 3 3 4 3 5
3
1 1 3 9 1 ∞ 1
时间坐标
1. 空间数据模型的基本问题
• 地理空间(Geo-spatial)的概念
概念：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。我们通常所说的地理空间即 地球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，它是人类活动频繁发生的区 域，是人地关系最为复杂、紧密的区域。 地理空间（Geo-spatial）一般分为： 绝对空间：是具有属性描述的空间位置的集合，它由一些列不同位置的 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，由不同实体间的空间关 系构成。