第3講-空間數(shù)據(jù)模型-概念222

地理信息系統(tǒng)第3講空間數(shù)據(jù)模型-概念模型本講內(nèi)容地理空間與空間抽象空間數(shù)據(jù)概念模型空間關(guān)系（空間拓?fù)潢P(guān)系）對(duì)河流的諸多描述…模型的作用由于模型是對(duì)客觀世界中解決各種實(shí)際問題所依據(jù)的規(guī)律或過程的抽象或模擬，因此能有效地幫助人們從各種因素之間找出其因果關(guān)系或者聯(lián)系，有利于問題的解決。數(shù)據(jù)模型(方根模型…)實(shí)物模型.....為了能夠利用地理信息系統(tǒng)工具解決現(xiàn)實(shí)世界中的問題，首先必需將復(fù)雜的地理事物和現(xiàn)象簡(jiǎn)化和抽象到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行表示、處理和分析。這就需要對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行抽象建模，其結(jié)果就是空間數(shù)據(jù)模型?？臻g數(shù)據(jù)建模的基本任務(wù)：針對(duì)所研究的空間現(xiàn)象或問題，描述GIS的空間數(shù)據(jù)組織，設(shè)計(jì)GIS空間數(shù)據(jù)庫模式，這包括定義空間實(shí)體及其相互間關(guān)系，確定數(shù)據(jù)實(shí)體或目標(biāo)及其關(guān)系，設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)中的物理組織、存儲(chǔ)路徑和數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)等。1、空間認(rèn)知和空間抽象對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行認(rèn)知、簡(jiǎn)化和抽象表達(dá)，并將抽象結(jié)果組織成有用、能反映現(xiàn)實(shí)世界真實(shí)狀況數(shù)據(jù)集，是地理信息系統(tǒng)重要任務(wù)之一，也是GIS的理論基礎(chǔ)。

現(xiàn)實(shí)世界

（基本語言）概念世界

（自然語言）地理空間世界

（GIS語言）尺度世界

（度量語言）項(xiàng)目世界

（Project）地理點(diǎn)列世界

（Coordinate）地理幾何特征世界

（Geometry）地理要素世界

地理要素

集合世界對(duì)地理對(duì)象的抽象的9個(gè)層次模型現(xiàn)實(shí)世界是所有事物（Fact）的集合，無論人們是否知道這些事物。根據(jù)事物的本質(zhì)，人們可以認(rèn)識(shí)理解現(xiàn)實(shí)世界中的事物。

現(xiàn)實(shí)世界概念世界是人類自然語言的世界，人類了解且認(rèn)識(shí)其所命名的事物，因此這些事物構(gòu)成了“語言的世界”。

概念世界地理空間世界復(fù)雜的形狀、樣式、細(xì)節(jié)被抽象

由于在概念層次的世界充滿了復(fù)雜的形狀、樣式、細(xì)節(jié)。這些復(fù)雜性在地理空間世界中被消除，并用簡(jiǎn)單的、淺顯的抽象來代替，這些抽象通常在時(shí)間以及空間上都是靜態(tài)的。維度世界是地理空間世界的一個(gè)抽象，其中包括一些測(cè)量工具，如卷尺測(cè)量和指南針，在這樣的水平上所認(rèn)識(shí)到的事實(shí)包括一元（Unary）關(guān)系（如一個(gè)弧段的長(zhǎng)度）和二元（Binary）關(guān)系（如兩點(diǎn)之間的距離），這些關(guān)系本身就是各種要素的抽象。

維度世界空間參照系統(tǒng)的概念被引入反映了一個(gè)制圖員、一個(gè)地籍管理人員和一個(gè)道路管理人員視角的項(xiàng)目世界。項(xiàng)目世界正是項(xiàng)目世界語言的多樣性導(dǎo)致了GIS信息交換的難題。點(diǎn)集世界幾何世界要素世界GIS空間抽象舉例觀察和認(rèn)知信息選擇、綜合、簡(jiǎn)化和抽象空間事物或現(xiàn)象概念模型ConceptialModel邏輯數(shù)據(jù)模型LogicalDataModel編碼、表達(dá)、建立空間關(guān)系物理數(shù)據(jù)模型PhysicalDataModel數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織概念世界最高層數(shù)據(jù)世界（計(jì)算機(jī)）中間層空間數(shù)據(jù)庫最底層現(xiàn)實(shí)世界2空間數(shù)據(jù)概念模型

以GIS觀點(diǎn)對(duì)客觀世界建立模型，考慮如下對(duì)象：不連續(xù)對(duì)象，如道路、水域、建筑物；連續(xù)變化的對(duì)象，如地形的連續(xù)變化、溫度范圍等；分類的對(duì)象，如植被類型、氣候帶、年齡段等；突發(fā)事件：事故、水災(zāi)；某種人工選擇的表達(dá)方式，如點(diǎn)、線（等高線）、面、柵格等。

對(duì)象模型場(chǎng)模型網(wǎng)絡(luò)模型地理空間數(shù)據(jù)的概念模型對(duì)象模型場(chǎng)模型網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)象模型/要素模型將研究的整個(gè)地理空間看成一個(gè)空域，地理現(xiàn)象和空間實(shí)體作為獨(dú)立的對(duì)象分布在該空域中,對(duì)象模型強(qiáng)調(diào)地理空間中的單個(gè)地理現(xiàn)象。按照其空間特征分為點(diǎn)、線、面、體四種基本對(duì)象;對(duì)象也可能由其他對(duì)象構(gòu)成復(fù)雜對(duì)象，并且與其他分離的對(duì)象保持特定的關(guān)系，如點(diǎn)、線、面、體之間的拓?fù)潢P(guān)系;每個(gè)對(duì)象對(duì)應(yīng)著一組相關(guān)的屬性以區(qū)分各個(gè)不同的對(duì)象;對(duì)象模型把地理現(xiàn)象當(dāng)作空間要素（Feature）或空間實(shí)體（Entity）,一個(gè)空間要素必須同時(shí)符合三個(gè)條件：可被標(biāo)識(shí)在觀察中的重要程度確定尺度有明確的特征且可被描述傳統(tǒng)的地圖是以對(duì)象模型進(jìn)行地理空間抽象和建模的實(shí)例。場(chǎng)/域（field）模型把地理空間中的現(xiàn)象作為連續(xù)的變量或體來看待，如大氣污染程度、地表溫度、土壤濕度、地形高度以及大面積空氣和水域的流速和方向等;根據(jù)不同的應(yīng)用，場(chǎng)可以表現(xiàn)為二維或三維;一個(gè)二維場(chǎng)就是在二維空間R2中任意給定的一個(gè)空間位置上，都有一個(gè)表現(xiàn)某現(xiàn)象的屬性值，即

A＝f(x，y)

一個(gè)三維場(chǎng)是在三維空間R3中任意給定一個(gè)空間位置上，都對(duì)應(yīng)一個(gè)屬性值，即

A＝f(x，y，z)二維空間場(chǎng)一般采用6種具體的場(chǎng)模型來描述:

規(guī)則分布的點(diǎn)不規(guī)則分布的點(diǎn)規(guī)則矩形區(qū)不規(guī)則多邊形區(qū)不規(guī)則三角形區(qū)等值線格網(wǎng)地勢(shì)表達(dá)網(wǎng)絡(luò)模型網(wǎng)絡(luò)是由歐式空間中的若干點(diǎn)及它們之間相互連接的線（段）構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)是由一系列節(jié)點(diǎn)和環(huán)鏈組成的，在本質(zhì)上，網(wǎng)絡(luò)模型可看成對(duì)象模型的一個(gè)特例，它是由點(diǎn)對(duì)象和線對(duì)象之間的拓?fù)淇臻g關(guān)系構(gòu)成的。3、空間關(guān)系空間關(guān)系是指地理空間實(shí)體之間相互作用的關(guān)系?？臻g關(guān)系主要有：拓?fù)淇臻g關(guān)系：用來描述實(shí)體間的相鄰、連通、包含和相交等關(guān)系；順序空間關(guān)系：用于描述實(shí)體在地理空間上的排列順序，如實(shí)體之間前后、上下、左右和東、南、西、北等方位關(guān)系；度量空間關(guān)系：用于描述空間實(shí)體之間的距離遠(yuǎn)近等關(guān)系。拓?fù)湟辉~來自于希臘文，意思是“形狀的研究”。拓?fù)鋵W(xué)是幾何學(xué)的一個(gè)分支，它研究在拓?fù)渥儞Q（縮放、旋轉(zhuǎn)、扭曲和拉伸等）下能夠保持不變的幾何屬性——拓?fù)鋵傩浴？臻g拓?fù)潢P(guān)系拓?fù)鋵傩砸粋€(gè)點(diǎn)在一個(gè)弧段的端點(diǎn)一個(gè)弧段是一個(gè)簡(jiǎn)單弧段（弧段自身不相交）一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的邊界上一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的內(nèi)部一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的外部一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)環(huán)的內(nèi)部一個(gè)面是一個(gè)簡(jiǎn)單面（面上沒有“島”）一個(gè)面的連續(xù)性（給定面上任意兩點(diǎn)，從一點(diǎn)可以完全在面的內(nèi)部沿任意路徑走向另一點(diǎn)）非拓?fù)鋵傩詢牲c(diǎn)之間的距離一個(gè)點(diǎn)指向另一個(gè)點(diǎn)的方向弧段的長(zhǎng)度一個(gè)區(qū)域的周長(zhǎng)一個(gè)區(qū)域的面積實(shí)體對(duì)象所具有的拓?fù)浜头峭負(fù)鋵傩悦妗骊P(guān)系：與某個(gè)面狀地物相鄰的所有多邊形；線—線關(guān)系：如與某個(gè)河流關(guān)聯(lián)的所有支流；點(diǎn)—點(diǎn)關(guān)系：如與某個(gè)水井相距小于3Km的其它井；

線—面關(guān)系：如檢索某國(guó)道經(jīng)過的所有縣市；面—線關(guān)系：如檢索某縣境內(nèi)所有公路；點(diǎn)—線關(guān)系：如檢索某公路邊的加油站；點(diǎn)—面關(guān)系：如檢索某縣范圍內(nèi)郵電所分布情況；查詢與中國(guó)陸地接壤的國(guó)家？空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系，對(duì)數(shù)據(jù)處理和空間分析具有重要的意義：1.拓?fù)潢P(guān)系能清楚地反映實(shí)體之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，它比幾何坐標(biāo)關(guān)系有更大的穩(wěn)定性，不隨投影變換而變化。2.利用拓?fù)潢P(guān)系有利于空間要素的查詢。3.可以根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系重建地理實(shí)體。例如根據(jù)弧段構(gòu)建多邊形，實(shí)現(xiàn)道路的選取，進(jìn)行最佳路徑的選擇等?？臻g順序關(guān)系順序空間關(guān)系是基于空間實(shí)體在地理空間的分布，采用上下、左右、前后、東南西北等方向性名詞來描述；同拓?fù)淇臻g關(guān)系的形式化描述類似，也可以按點(diǎn)－點(diǎn)、點(diǎn)－線、點(diǎn)－面、線－線、線－面和面－面等多種組合來考察不同類型空間實(shí)體間的順序關(guān)系；順序空間關(guān)系必須是在對(duì)空間實(shí)體間方位進(jìn)行計(jì)算后才能得出；實(shí)體間的順序空間關(guān)系隨著空間數(shù)據(jù)的投影、幾何變換，順序空間關(guān)系也會(huì)發(fā)生變化在目前的GIS中，并不對(duì)順序空間關(guān)系進(jìn)行描述和表達(dá)。

基準(zhǔn)方向基準(zhǔn)方向基準(zhǔn)方向點(diǎn)－點(diǎn)順序關(guān)系點(diǎn)－線順序關(guān)系點(diǎn)－面順序關(guān)系線－線順序關(guān)系線－面順序關(guān)系面－面順序關(guān)系基準(zhǔn)方向基準(zhǔn)方向基準(zhǔn)方向不同類型實(shí)體間的順序關(guān)系度量空間關(guān)系度量空間關(guān)系主要指空間實(shí)體間的距離關(guān)系；按照拓?fù)淇臻g關(guān)系中建立點(diǎn)－點(diǎn)、點(diǎn)－線、點(diǎn)－面、線－線、線－面和面－面等不同組合來考察不同類型空間實(shí)體間的度量關(guān)系；距離的度量可以是定量的，如按歐幾里德距離計(jì)算得出A實(shí)體距離B實(shí)體500m，也可以應(yīng)用與距離概念相關(guān)的概念如遠(yuǎn)近等進(jìn)行定性地描述；與順序空間關(guān)系類似，距離值隨投影和幾何變換而變化。建立點(diǎn)－點(diǎn)的度量關(guān)系容易、點(diǎn)－線和點(diǎn)－面的度量關(guān)系較難，而線－線、線－面和面－面的度量關(guān)系更為困難，涉及大量的判斷和計(jì)算；在GIS中，一般也不明確描述度量空間關(guān)系；距離量算距離描述了兩個(gè)事物或?qū)嶓w之間的遠(yuǎn)近程度。最常用的距離概念是歐氏距離。在GIS中，距離通常描述的是一種可達(dá)性，一點(diǎn)到另一點(diǎn)不僅與歐氏距離有關(guān)，還與交通、運(yùn)輸工具性能等有關(guān)，因此有曼哈頓距離、非歐氏距離等說法?？紤]到阻力影響，計(jì)算的距