第三章 GIS空間分析的數(shù)據(jù)模型

1、1秦秦 昆昆武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院遙感科學(xué)與技術(shù)本科生教案武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院遙感科學(xué)與技術(shù)本科生教案(2012年年)2空間分析是基于地理對(duì)象的位置和形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)?？臻g分析方法受空間數(shù)據(jù)表示形式的制約和影響，研究空間分析必須考慮空間數(shù)據(jù)的表示方法和空間數(shù)據(jù)模型。 3n空間數(shù)據(jù)表示的基本任務(wù)：將以圖形模擬的空間物體表示成計(jì)算機(jī)能夠接受的數(shù)字形式。3.1 空間數(shù)據(jù)的表示空間數(shù)據(jù)的表示4柵格模型：地理空間被劃分為規(guī)則的小單元，空間位置由柵格單元的行、列號(hào)表示。柵格單元的大小反映了數(shù)據(jù)的分辨率即精度，空間物體由若干個(gè)柵格單元隱含描述。矢量模型：各類地理要素根據(jù)空間形態(tài)特征分為點(diǎn)、線

2、、面三類/（體狀空間對(duì)象）。地物是顯示描述的。53.2 空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)組織和空間數(shù)據(jù)庫(kù)模式設(shè)計(jì)提供基本的概念和方法。6nGIS數(shù)據(jù)模型的三個(gè)層次：概念數(shù)據(jù)模型邏輯數(shù)據(jù)模型物理數(shù)據(jù)模型7 基本任務(wù)：確定感興趣的現(xiàn)象和基本特性，描述實(shí)體間的相互聯(lián)系，確定空間數(shù)據(jù)庫(kù)的信息內(nèi)容。遙感數(shù)據(jù)的ER圖8空間數(shù)據(jù)的邏輯數(shù)據(jù)模型是根據(jù)概念數(shù)據(jù)模型確定的空間數(shù)據(jù)庫(kù)的信息內(nèi)容(空間實(shí)體及相互關(guān)系)，具體地表達(dá)數(shù)據(jù)項(xiàng)、記錄等之間的關(guān)系。湖北省湖區(qū)分布圖的邏輯模型設(shè)計(jì)湖北省湖區(qū)分布圖的邏輯模型設(shè)計(jì) 9n物理數(shù)據(jù)模型： 是描述數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的物理組織、存取路徑和數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。n邏輯數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為物理數(shù)據(jù)模

3、型： 涉及空間數(shù)據(jù)的物理組織、空間存取方法、數(shù)據(jù)庫(kù)總體存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)等。10基于對(duì)象的模型： 強(qiáng)調(diào)離散對(duì)象，根據(jù)它們的邊界線以及組成或者與它們相關(guān)的其它對(duì)象，可詳細(xì)地描述離散對(duì)象。網(wǎng)絡(luò)模型： 表示對(duì)象之間的交互，如水或者交通流。場(chǎng)模型： 表示在二維或者三維空間中被看作是連續(xù)變化的數(shù)據(jù)。在基于場(chǎng)的空間概念模型指導(dǎo)下，引出了柵格數(shù)據(jù)模型；在基于對(duì)象的空間數(shù)據(jù)模型指導(dǎo)下，引出了矢量數(shù)據(jù)模型。113.4 場(chǎng)模型場(chǎng)模型n場(chǎng)模型的數(shù)學(xué)表示 模擬一定空間內(nèi)具有連續(xù)分布特點(diǎn)的現(xiàn)象。空氣中污染物的集中程度、地表的溫度、土壤的濕度水平以及空氣與水的流動(dòng)速度和方向。場(chǎng)可以表現(xiàn)為二維場(chǎng)或三維場(chǎng)。一個(gè)二維場(chǎng)就是在二維空間中任

4、何已知的地點(diǎn)上，都有一個(gè)表現(xiàn)這一現(xiàn)象的值；一個(gè)三維場(chǎng)就是在三維空間中對(duì)于任何位置來(lái)說(shuō)都有一個(gè)值。12z為可度量的函數(shù)，s表示空間中的位置。 表示從空間域(甚至包括時(shí)間坐標(biāo))到某個(gè)值域的映射。13地理要素是通過(guò)地理實(shí)體定義的，地理實(shí)體是真實(shí)世界中不能再被細(xì)分為同一類現(xiàn)象的地理現(xiàn)象。n歐氏空間中的三類地物要素對(duì)象：點(diǎn)對(duì)象線對(duì)象多邊形對(duì)象144)角點(diǎn)角點(diǎn)(Vertex)：表示線段和弧表示線段和弧段上的內(nèi)部點(diǎn)。段上的內(nèi)部點(diǎn)。 1)實(shí)體點(diǎn)實(shí)體點(diǎn)(point entity)：用來(lái)代表一用來(lái)代表一個(gè)實(shí)體。個(gè)實(shí)體。2)注記點(diǎn)：注記點(diǎn)：用于定位注記。用于定位注記。3)內(nèi)點(diǎn)內(nèi)點(diǎn)(label point)：用于負(fù)載

5、多用于負(fù)載多邊形的屬性，存在于多邊形內(nèi)。邊形的屬性，存在于多邊形內(nèi)。點(diǎn)對(duì)象：點(diǎn)對(duì)象：有特定位置，維數(shù)為零的物體。有特定位置，維數(shù)為零的物體。5)結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)(node):表示線的起點(diǎn)和終點(diǎn)。表示線的起點(diǎn)和終點(diǎn)。 151）實(shí)體長(zhǎng)度）實(shí)體長(zhǎng)度: 從起點(diǎn)到終點(diǎn)的總長(zhǎng)度。2）彎曲度）彎曲度: 如用于表示道路拐彎時(shí)彎曲的程度。3）方向性）方向性: 用于表示線對(duì)象的方向，如水流方向是從上游到下游，公路有單向和雙向之分。線狀實(shí)體：線狀實(shí)體：線段、邊界、鏈、弧段、網(wǎng)絡(luò)等。維度為1的空間組分，有一系列坐標(biāo)表示。線對(duì)象的特征：多邊線簡(jiǎn)單閉合多邊線16面狀實(shí)體的特征：面狀實(shí)體的特征：面積范圍面積范圍； 周長(zhǎng)周長(zhǎng)；獨(dú)立性

6、或與其它地物相鄰獨(dú)立性或與其它地物相鄰：如中國(guó)及其周邊國(guó)家；如中國(guó)及其周邊國(guó)家； 內(nèi)島或鋸齒狀外形內(nèi)島或鋸齒狀外形；重疊性與非重疊性重疊性與非重疊性：如報(bào)紙的銷售領(lǐng)域、學(xué)校的分區(qū)、菜市場(chǎng)的服務(wù)范圍都有可能出現(xiàn)交叉重疊現(xiàn)象。由一封閉曲線加內(nèi)點(diǎn)來(lái)表示，是對(duì)湖泊、島嶼、地塊等一類對(duì)象的描述。17有多種不同類型的多邊形：普通多邊形、凸多邊形、星狀多邊形等。多邊形凸多邊形星狀多邊形18n場(chǎng)模型和要素模型場(chǎng)和對(duì)象可以在多種水平上共存，基于場(chǎng)的方法和基于要素的方法并不互相排斥。有些應(yīng)用可以很自然地應(yīng)用場(chǎng)來(lái)建模；但是，場(chǎng)模型也并不是適合所有情況。基于場(chǎng)的模型和基于要素的模型各有長(zhǎng)處，應(yīng)該恰當(dāng)?shù)鼐C合運(yùn)用這兩種方

7、法來(lái)建模。在地理信息系統(tǒng)應(yīng)用模型的高層建模、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及地理信息系統(tǒng)應(yīng)用中，都會(huì)遇到這兩種模型的集成問(wèn)題。 現(xiàn)實(shí)世界 選擇要素 選擇一個(gè)位置 要素模型 場(chǎng)模型 它在哪里 那里怎么樣 數(shù)據(jù) 19 網(wǎng)絡(luò)模型把地物抽象為鏈和節(jié)點(diǎn)，同時(shí)要關(guān)注其間的連通關(guān)系。 網(wǎng)絡(luò)模型要考慮多個(gè)要素之間的影響和交互。現(xiàn)象的精確形狀并不重要，重要的是具體現(xiàn)象之間的距離或者阻力的度量。 網(wǎng)絡(luò)模型的典型例子：陸上、海上及航空線路，管線與隧道分析，水、油及電力的流動(dòng)等。20 鏈(Link)：鏈構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)模型的框架。 鏈代表用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸和交流的相互聯(lián)接的線性實(shí)體?？捎糜诒硎粳F(xiàn)實(shí)世界網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的高速路、鐵路，和電網(wǎng)中的傳輸線

8、和水文網(wǎng)絡(luò)中的河流。其狀態(tài)屬性包括阻力和需求。 結(jié)點(diǎn)(Node)：鏈的終止點(diǎn)。 鏈總是在結(jié)點(diǎn)處相交。結(jié)點(diǎn)可以用來(lái)表示道路網(wǎng)絡(luò)中道路交叉點(diǎn)、河網(wǎng)中的河流交匯點(diǎn)等。21 站點(diǎn)(Stops)：在某個(gè)流路上經(jīng)過(guò)的位置。代表現(xiàn)實(shí)世界中郵路系統(tǒng)中的郵件接收點(diǎn)、或高速公路網(wǎng)中經(jīng)過(guò)的城市等。 中心(Center)：網(wǎng)絡(luò)中的一些離散位置，可以提供資源。如現(xiàn)實(shí)世界中的資源分發(fā)中心、購(gòu)物中心、學(xué)校、機(jī)場(chǎng)等。其狀態(tài)屬性包括資源容量，如總的資源量；阻力限額，如中心與鏈之間的最大距離或時(shí)間限制。 拐點(diǎn)(Turn)：從一個(gè)鏈到另一個(gè)鏈的過(guò)渡。拐點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)模型中不用于模擬現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體，而是代表鏈與鏈之間的過(guò)渡關(guān)系。 22n

9、網(wǎng)絡(luò)跟蹤(Trace)用于研究網(wǎng)絡(luò)中資源和信息的流向；在水文應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)跟蹤可用于： 計(jì)算河流中水流的體積， 跟蹤污染物從污染源開(kāi)始，沿溪流向下游擴(kuò)散的過(guò)程。23在遠(yuǎn)距離送貨、物資派發(fā)、急救服務(wù)和郵遞等服務(wù)中，經(jīng)常需要在一次行程中同時(shí)訪問(wèn)多個(gè)站點(diǎn)(收貨方、郵件主人、物資儲(chǔ)備站等)，如何尋找到一個(gè)最短和最經(jīng)濟(jì)的路徑，保證訪問(wèn)到所有站點(diǎn)，同時(shí)最快最省地完成一次行程呢?24反映現(xiàn)實(shí)世界網(wǎng)絡(luò)中資源的供需關(guān)系模型。 “供”代表一定數(shù)據(jù)的資源或貨物，位于“中心CENTER”設(shè)施中。 “需”指對(duì)資源的利用。分配分析：在空間中的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)間分配資源。25利用人們習(xí)慣的地址(街道門牌號(hào))信息確定它在地圖上的確

10、切位置的技術(shù)?？蛻裘麊?、事故報(bào)告、報(bào)警中所使用的定位信息多數(shù)是按人們習(xí)慣的街道門牌號(hào)等文字形式提供的，經(jīng)常在地圖上需要迅速定位。例如，110接警后，需要迅速定位求救地點(diǎn)，然后才可以采取進(jìn)一步措施(例如尋求最優(yōu)路徑前往救助)。26n選址和分區(qū)(Location-Allocation)分析決定一個(gè)或多個(gè)服務(wù)設(shè)施的最優(yōu)位置。定位：保證服務(wù)設(shè)施可以以最經(jīng)濟(jì)有效的方式為它所服務(wù)的人群提供服務(wù)。 分析中既有定位過(guò)程，也有資源分配過(guò)程。u實(shí)際問(wèn)題： 加油站； 急救服務(wù)設(shè)置； 救火、醫(yī)療急救； 學(xué)校的選址等。 27用于理解和預(yù)測(cè)某點(diǎn)發(fā)生的活動(dòng)和人、資源及信息的流動(dòng)。兩點(diǎn)間距離越近，發(fā)生相互作用的可能性越大。2

11、8實(shí)際問(wèn)題： 為什么物資總是向沿海地區(qū)流動(dòng)； 為什么某一區(qū)域的人們總是去特定的商場(chǎng)購(gòu)物； 從家到電影院超過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間后，就不會(huì)選擇去這個(gè)電影院看電影了。類似于路徑選擇，除了考慮兩個(gè)對(duì)象的距離，還要考慮相互作用時(shí)發(fā)生的活動(dòng)的性質(zhì)。例如，人們不愿意去距離遠(yuǎn)的商場(chǎng)購(gòu)物，但可能愿意去較遠(yuǎn)地方的名醫(yī)求醫(yī)問(wèn)藥。29l傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)應(yīng)用只涉及地理信息的兩個(gè)方面：空間維度和屬性維度。l能夠同時(shí)處理時(shí)間維度。l解決歷史數(shù)據(jù)的丟失問(wèn)題。l實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的歷史狀態(tài)重建、時(shí)空變化跟蹤、發(fā)展勢(shì)態(tài)的預(yù)測(cè)等功能。30n數(shù)據(jù)的時(shí)間維度：數(shù)據(jù)的時(shí)間維度：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)：如一個(gè)測(cè)站歷史數(shù)據(jù)的積累，可以通過(guò)在屬性數(shù)據(jù)表記錄中簡(jiǎn)單地增加一個(gè)

12、時(shí)間戳(Time Stamp)實(shí)現(xiàn)管理；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)：如土地利用狀況的變化。描述這種時(shí)空數(shù)據(jù)是TGIS數(shù)據(jù)模型重點(diǎn)要解決的問(wèn)題。31l時(shí)空數(shù)據(jù)模型的主要類型：序列快照模型基圖修正模型空間時(shí)間立方體模型空間時(shí)間組合體模型32n序列快照模型 將一系列時(shí)間片段的快照保存起來(lái)，各個(gè)切片分別對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻的狀態(tài)圖層，反映地理現(xiàn)象的時(shí)空演化過(guò)程。33n基態(tài)修正模型基態(tài)修正模型 基態(tài)修正模型按事先設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，它只存儲(chǔ)某個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)狀態(tài)(基態(tài))和相對(duì)于基態(tài)的變化量。34n時(shí)空立方體模型( Space-time Cube) 由空間兩個(gè)維度和一個(gè)時(shí)間維組成，描述了二維空間沿著第三個(gè)時(shí)間維演變的過(guò)程。任何一

13、個(gè)空間實(shí)體的演變歷史都是空間-時(shí)間立方體中的一個(gè)實(shí)體。35 空間分隔成具有相同時(shí)空過(guò)程的最大的公共時(shí)空單元，每個(gè)時(shí)空對(duì)象的變化都將在整個(gè)空間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)新的對(duì)象。模型將空間變化和屬性變化都映射為空間的變化，是序列快照模型和基態(tài)修正模型的折衷模型。36n面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型 將時(shí)態(tài)變化語(yǔ)義嵌入空間實(shí)體的描述中，將空間實(shí)體視為封裝有變化組分的對(duì)象，可以表現(xiàn)時(shí)間因素并表現(xiàn)實(shí)體的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)。核心：以面向?qū)ο蟮幕舅枷虢M織地理時(shí)空對(duì)象。l每個(gè)地理時(shí)空對(duì)象中封裝了對(duì)象的時(shí)態(tài)性、空間特性、屬性特性和相關(guān)的行為操作及與其他對(duì)象的關(guān)系。l時(shí)間、空間及屬性在時(shí)空對(duì)象中具有同等重要的地位。37lGIS本質(zhì)上是三維連續(xù)分布的以二維系統(tǒng)來(lái)描述三維的自然現(xiàn)象，不能夠精確地反映、分析或顯示有關(guān)信息。 地質(zhì)、地球物理、氣象、水文、采礦、地下水、災(zāi)害、污染等都是三維的。三維GIS在數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)維