空間數(shù)據(jù)模型

第3章空間數(shù)據(jù)模型第3章空間數(shù)據(jù)模型3.1地理空間與空間抽象3.2空間數(shù)據(jù)概念模型3.4空間數(shù)據(jù)邏輯模型3.1地理空間與空間抽象3.1.1地理空間與空間實(shí)體3.1.2空間認(rèn)知和抽象3.1.1地理空間與空間實(shí)體地理空間（GeographicSpace）是指地球表面及近地表空間，是地球上大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈和土壤圈交互作用的區(qū)域。地理空間實(shí)體就是對復(fù)雜地理事物和現(xiàn)象進(jìn)行簡化抽象得到的結(jié)果，簡稱空間實(shí)體?？臻g實(shí)體具有4個基本特征空間位置特征（幾何特征），包括空間實(shí)體的位置、大小、形狀和分布狀況等；屬性特征，與空間實(shí)體相聯(lián)系的、表征空間實(shí)體本身性質(zhì)的數(shù)據(jù)或數(shù)量；時間特征；空間關(guān)系（拓?fù)潢P(guān)系）。3.1.2空間認(rèn)知和抽象GIS作為對地理空間事物和現(xiàn)象進(jìn)行描述、表達(dá)和分析的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，首先必須將現(xiàn)實(shí)世界描述成計(jì)算機(jī)能理解和操作的數(shù)據(jù)形式。數(shù)據(jù)模型是對現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行認(rèn)知、簡化和抽象表達(dá)，并將抽象結(jié)果組織成有用、能反映形式世界真實(shí)狀況數(shù)據(jù)集的橋梁，是地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

現(xiàn)實(shí)世界概念世界數(shù)據(jù)世界

（計(jì)算機(jī)）選擇、綜合、簡化和抽象最高層編碼、表達(dá)、建立空間關(guān)系中間層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進(jìn)行組織最底層空間事物或現(xiàn)象概念模型

ConceptialModel邏輯數(shù)據(jù)模型

LogicalDataModel物理數(shù)據(jù)模型

PhysicalDataModel空間數(shù)據(jù)庫空間實(shí)體抽象的三個層次邏輯數(shù)據(jù)模型是GIS描述概念數(shù)據(jù)模型中實(shí)體及其關(guān)系的邏輯結(jié)構(gòu)物理數(shù)據(jù)模型是概念數(shù)據(jù)模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)部具體的存儲形式和操作機(jī)制，即在物理磁盤上如何存放和存取概念模型是地理空間中地理事物與現(xiàn)象的抽象概念集，是地理數(shù)據(jù)的語義解釋數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息系統(tǒng)中：數(shù)據(jù)模型：對客觀實(shí)體及其關(guān)系的認(rèn)識和數(shù)學(xué)描述。目的是揭示客觀實(shí)體的本質(zhì)特征，并對它進(jìn)行抽象化表達(dá)，使之轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠接受、處理的數(shù)據(jù)。GIS中：空間數(shù)據(jù)模型：對地理空間實(shí)體及其關(guān)系的描述。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即指數(shù)據(jù)組織的形式，是適合于計(jì)算機(jī)存儲、管理和處理的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)形式。對空間數(shù)據(jù)而言，則是地理實(shí)體的空間排列方式和相互關(guān)系的抽象描述。數(shù)據(jù)編碼是實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)存儲、處理和管理，將空間實(shí)體（地理要素）按一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為適合于計(jì)算機(jī)操作的過程。數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念模型，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)模型的物理實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)文件格式的中間媒介，數(shù)據(jù)模型需要通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表達(dá)，同一種數(shù)據(jù)模型可以用多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表達(dá)。數(shù)據(jù)建模：把現(xiàn)實(shí)世界的一組數(shù)據(jù)組織成為有用且能反映真實(shí)信息的數(shù)據(jù)集的過程。建模過程：選擇一種數(shù)據(jù)模型對現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織；選擇一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表達(dá)該數(shù)據(jù)模型；選擇一種適合于記錄該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的文件格式。如：地形—>柵格數(shù)據(jù)模型—>四叉樹編碼—>grd文件

—>矢量數(shù)據(jù)模型（等高線）—>POLYVRT—>DLG—>TIN模型—>結(jié)構(gòu)化多邊形—>TIN文件3.2空間數(shù)據(jù)概念模型概念模型是地理空間中地理事物與現(xiàn)象的抽象概念集，是地理數(shù)據(jù)的語義解釋3.2.1對象模型3.2.2場模型3.2.3網(wǎng)絡(luò)模型3.2.4概念模型的選擇3.2.1對象模型（要素模型）將研究的整個地理空間看

成一個空域，地理現(xiàn)象和

空間實(shí)體作為獨(dú)立的對象

分布在該空域中。按照其空間特征分為點(diǎn)、線、面、體四種基本對象，并與其他分離的對象保持特定的關(guān)系，如點(diǎn)、線、面、體之間的拓?fù)潢P(guān)系。每個對象（要素、實(shí)體）對應(yīng)著一組相關(guān)的屬性。對象模型一般適合于對具有明確邊界的地理現(xiàn)象進(jìn)行抽象建模，如傳統(tǒng)地圖包含建筑物、道路、公共設(shè)施和管理區(qū)域等人文要素以及湖泊、河流、島嶼和森林等自然要素。3.2.2場模型（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。3.2.3網(wǎng)絡(luò)模型與對象模型相比，都是描述不連續(xù)的地理現(xiàn)象，不同之處在于它需要考慮通過路徑相互連接多個地理現(xiàn)象之間的連通情況。網(wǎng)絡(luò)是由歐式空間R2中的若干點(diǎn)及它們之間相互連接的線（段）構(gòu)成，如公路、鐵路、通訊線路、管道、自然界中的物質(zhì)流、物量流和信息流等地理網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)模型也可以看成對象模型的一個特例，它是由點(diǎn)對象和線對象之間的拓?fù)淇臻g關(guān)系構(gòu)成的。3.2.4概念模型的選擇森林建模3.2.4概念模型的選擇采用對象模型還是場模型進(jìn)行空間建模，主要取決于應(yīng)用要求和習(xí)慣。場模型通常用于具有連續(xù)空間變化趨勢的現(xiàn)象，如海拔、溫度、土壤變化等。對象模型一般用于具有明確邊界和獨(dú)立地理現(xiàn)象的建模，如道路、地塊等方面的建模。在許多情況下需要采用對象模型和場模型的集成，對象模型和場模型各有長處，應(yīng)該恰當(dāng)?shù)鼐C合應(yīng)用這兩種模型對地理現(xiàn)象進(jìn)行抽象建模。3.4空間數(shù)據(jù)邏輯模型邏輯數(shù)據(jù)模型是GIS描述概念數(shù)據(jù)模型中實(shí)體及其關(guān)系的邏輯結(jié)構(gòu)3.4.1矢量數(shù)據(jù)模型3.4.2柵格數(shù)據(jù)模型3.4.3矢量－柵格一體化數(shù)據(jù)模型3.4.4鑲嵌數(shù)據(jù)模型3.4.5面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型3.4.1矢量數(shù)據(jù)模型適合于用對象模型抽象的地理空間對象點(diǎn)實(shí)體用一對空間坐標(biāo)表示，二維空間中對應(yīng)為(x,y)；線實(shí)體由一串坐標(biāo)對組成，二維空間中表示為(x1,y1),…,(xn,yn)；面由其邊界線表示，表示為首尾相連的坐標(biāo)串，二維空間中對應(yīng)為(x1,y1),…,(xn,yn),(x1,y1)。每一個實(shí)體都給定一個惟一標(biāo)識符（Identifier）來標(biāo)識該實(shí)體。線:位置(x1,y1)(x2,y2)….屬性:符號,顏色,形狀,尺寸空間對象(實(shí)體)的地圖表達(dá)3.4.1矢量數(shù)據(jù)模型矢量數(shù)據(jù)模型能夠精確地表示點(diǎn)、線及面的實(shí)體，并且能方便地進(jìn)行比例尺變換、投影變換以及輸出到筆式繪圖儀上或視頻顯示器上。在矢量數(shù)據(jù)模型中，可以明確地描述圖形要素間的拓?fù)潢P(guān)系。觀察的尺度或者概括的程度影響著使用原型的種類在小比例尺圖中，城鎮(zhèn)這類對象可以用點(diǎn)表示，道路和河流由線表示。在較大比例尺圖中，城鎮(zhèn)被表示為一定形狀的多邊形，包括建筑物的邊界、公園、道路等實(shí)體。3.4.2柵格數(shù)據(jù)模型適宜于用場模型抽象的的空間對象，采用面域或空域的枚舉來直接描述空間實(shí)體。柵格可以用數(shù)字矩陣來表示，地理空間坐標(biāo)隱含在矩陣的行列上。數(shù)字掃描儀、視頻數(shù)字化儀、行式打印機(jī)、噴墨繪圖儀等設(shè)備是基于柵格模式的。點(diǎn)實(shí)體是一個柵格單元（cell）或像元，線實(shí)體由一串彼此相連的像元構(gòu)成，面實(shí)體則由一系列相鄰的像元構(gòu)成，像元的大小是一致的，每個像元對應(yīng)于一個表示該實(shí)體屬性的值。若需要描述統(tǒng)一地理空間的不同屬性，則按不同的屬性將數(shù)據(jù)分層，每層描述一種屬性。3.4.2柵格數(shù)據(jù)模型柵格的空間分辨率是指一個像元在地面所代表的實(shí)際面積大小。對于一個面積為100km2的區(qū)域，以1m的分辨率來表示則需要有1億個像元。如果每個像元占一個一個字節(jié)（Byte），那么這幅圖象就要占用100兆字節(jié)；當(dāng)柵格單元太粗糙，未能與空間目標(biāo)相吻合時，就會丟失某些高分辨率情況下的細(xì)節(jié)信息。選擇空間分辨率時必須考慮存儲空間和處理時間的開銷，同時籍助相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織數(shù)據(jù)并壓縮數(shù)據(jù)量。優(yōu)點(diǎn)是不同類型的空間數(shù)據(jù)層可以進(jìn)行疊加操作，不需要經(jīng)過復(fù)雜的幾何計(jì)算。但對于一些變換、運(yùn)算，如比例尺變換、投影變換等則操作不太方便。3.4.3矢量－柵格一體化數(shù)據(jù)模型矢量和柵格數(shù)據(jù)模型在描述和表達(dá)空間實(shí)體時各有優(yōu)缺點(diǎn)，柵－矢一體化數(shù)據(jù)模型將兩種數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，有利于地理空間現(xiàn)象的統(tǒng)一表達(dá)。點(diǎn)實(shí)體則同時描述其空間坐標(biāo)以及柵格單元位置；線狀實(shí)體一般采用矢量數(shù)據(jù)模型表達(dá)，同時將線所經(jīng)過位置以柵格單元進(jìn)行充填；面狀實(shí)體的邊界采用矢量數(shù)據(jù)模型描述，而其內(nèi)部采用柵格數(shù)據(jù)模型表達(dá)；特點(diǎn)：一方面保留了矢量數(shù)據(jù)模型的全部特性，空間實(shí)體具有明確的位置信息，并能建立和描述拓?fù)潢P(guān)系；另一方面又建立了柵格與實(shí)體的聯(lián)系，即明確了柵格與實(shí)體的對應(yīng)關(guān)系。3.4.4鑲嵌（Tessellation）數(shù)據(jù)模型采用規(guī)則或不規(guī)則的小面塊集合來逼近自然界不規(guī)則的地理單元，適合于用場模型抽象的地理現(xiàn)象。通過描述小面塊的幾何形態(tài)、相鄰關(guān)系及面塊內(nèi)屬性特征的變化來建立空間數(shù)據(jù)的邏輯模型。小面塊之間不重疊且能完整鋪滿整個地理空間。根據(jù)面塊的形狀，可分為規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型和不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型。一、規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型用規(guī)則的小面塊集合來逼近自然界不規(guī)則的地理單元。在實(shí)際應(yīng)用中，普遍采用正方形或矩形進(jìn)行地理空間的劃分。此時的規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型就轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)模型。構(gòu)造規(guī)則鑲嵌的具體做法是用數(shù)學(xué)手段將一個鋪蓋網(wǎng)格疊置在所研究的區(qū)域上，把連續(xù)的地理空間離散為互不覆蓋網(wǎng)格。在這種結(jié)構(gòu)中每個網(wǎng)格的有關(guān)信息都是基本的存儲單元。主要優(yōu)點(diǎn)在于其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為通常的二維矩陣結(jié)構(gòu)，大多數(shù)程序語言中都有矩陣處理功能。以矩陣形式存儲的數(shù)據(jù)具有隱式坐標(biāo)，不需要進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)字化；規(guī)則格網(wǎng)系統(tǒng)還便于實(shí)現(xiàn)多要素的疊置分析。二、不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指用來進(jìn)行鑲嵌的小面塊具有不規(guī)則的形狀或邊界。最典型的不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型有Voronoi圖（也稱作Thiessen多邊形）和不規(guī)則三角網(wǎng)（TriangularIrregularNetwork，簡稱TIN）模型。當(dāng)用有限離散的觀測

樣點(diǎn)來表示某地理現(xiàn)

象的空間分布規(guī)律時，

適合于采用不規(guī)則鑲

嵌數(shù)據(jù)模型。Voronoi多邊形的特點(diǎn)是：組成多邊形的邊總是與兩相鄰樣點(diǎn)的連線垂直，并且多邊形內(nèi)的任何位置總是離該多邊形內(nèi)樣點(diǎn)的距離最近，離相鄰多邊形內(nèi)樣點(diǎn)的距離遠(yuǎn)，且每個多邊形內(nèi)包含且僅包含一個樣點(diǎn)。三角網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是:三角形大小隨樣點(diǎn)密度的變化自動變化，所有樣點(diǎn)都稱為三角形的頂點(diǎn)，當(dāng)樣點(diǎn)密集時生成的三角形小，而樣點(diǎn)較稀時則三角形較大。TIN在表示不連續(xù)地理現(xiàn)象時也具有優(yōu)勢，如用TIN表示地形的變化，將懸崖、斷層、海岸線、山谷山脊線等作為約束條件，可構(gòu)造約束TIN。Delaunay三角網(wǎng)有如下特性：（1）三角網(wǎng)的網(wǎng)形是唯一的，即點(diǎn)的次序不變；（2）每一個三角形的內(nèi)角為可能的最大角度，符合“三角剖分最小內(nèi)角為最大”的最優(yōu)化條件。Delaunary三角網(wǎng)可以按照最大空圓準(zhǔn)則，根據(jù)離散點(diǎn)直接構(gòu)造。將相鄰Voronoi多邊形內(nèi)包含的樣點(diǎn)連接起來，即形成Delaunary三角網(wǎng)；對Delaunary三角網(wǎng)的每個三角形計(jì)算其外心（各邊垂直平分線的交點(diǎn)），將相鄰三角形的幾何中心兩兩相連，即可得到Voronoi多邊形的邊。

對三角網(wǎng)，表達(dá)各三角形的頂點(diǎn)位置和屬性、頂點(diǎn)與三角形的連接關(guān)系、三角形的連接關(guān)系，就可得到TIN的邏輯數(shù)據(jù)模型。3.4.5面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型應(yīng)用面向?qū)ο蠓椒枋隹臻g實(shí)體及其相互關(guān)系，特別適合于采用對象模型抽象和建模的空間實(shí)體的表達(dá)。面向?qū)ο蠹夹g(shù)的核心是對象（object）和類（class）。對象是指地理空間的實(shí)體或現(xiàn)象，是系統(tǒng)的基本單位。如多邊形地圖上的一個結(jié)點(diǎn)或一條弧段是對象，一條河流或一個宗地也是一個對象。一個對象是由描述該對象狀態(tài)的一組數(shù)據(jù)和表達(dá)它的行為的一組操作（方法）組成的。例如，河流的坐標(biāo)數(shù)據(jù)描述了它的位置和形狀，而河流的變遷則表達(dá)了它的行為。每個對象都有一個惟一的標(biāo)識號（Object－ID）作為識別標(biāo)志。3.4.5面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型類是具有部分系統(tǒng)屬性和方法的一組對象的集合，是這些對象的統(tǒng)一抽象描述，其內(nèi)部也包括屬性和方法兩個主要部分。類是對象的共性抽象，對象則是類的實(shí)例（Instance）。屬于同一類的所有對象共享相同的屬性和方法，但也可具有類之外的自身特有的屬性和方法。類的共性抽象構(gòu)成超類（super-class），類成為超類的一個子類，表示為“is-a”的關(guān)系。一個類可能是某些類的超類，也可能是某個類的子類，從而形成類的“父子”關(guān)系。面向?qū)ο蠓椒▽ο蟮膶傩院头椒ㄟM(jìn)行封裝，還具有分類、概括、聚集、聯(lián)合等對象抽象技術(shù)以及繼承和傳播等強(qiáng)有力的抽象工具。車

機(jī)動車非機(jī)動車

汽車火車自行車人力三輪車車是一般類(基類,超類,父類),機(jī)動車是特殊類(子類);在機(jī)動車和汽車之間機(jī)動車是一般類,汽車是特殊類.比如汽車是一個類那么寶馬、紅旗、解放等等就是這個類的對象將輪子、方向盤、重量等這些屬性和轉(zhuǎn)彎、鳴喇叭等這些方法放到一個類里面就是封裝人開車要用方向盤、剎車等等，這些就是汽車這個類的接口你用轎車的鑰匙，開動的就是轎車，用卡車的鑰匙開動的就是卡車，這是多態(tài)性的體現(xiàn)而轎車和卡車這兩個類就是汽車這個類的繼承,繼承具有傳遞性,如汽車具有車的全部屬性和服務(wù)（1）分類（classification）把具有部分相同屬性和方法的實(shí)體對象進(jìn)行歸類抽象的過程。如將城市管網(wǎng)中的供氣管、給水管、有線電視電纜等都作為類。（2）概括（generalization）把具有部分相同屬性和方法的類進(jìn)一步抽象為超類的過程，如將供水管線、供熱管線等概括為“管線”這一超類，它具有各類管線所共有的“材質(zhì)”、“管徑”等屬性，也有“檢修”等操作。（3）聯(lián)合（association）把一組屬于同一類中的若干具有部分相同屬性的對象組合起來，形成一個新的幾何對象的過程。集合對象中的個體對象稱作它的成員對象，表示為“ismemberof”的關(guān)系。例如在供水管線類中，某些管線段進(jìn)行了防腐處理，則可把它們聯(lián)合起來構(gòu)成“防腐供水管類”。（4）聚集（aggregation）聚集是把一組屬于不同類中的若干對象組合起來，形成一個更高級別的復(fù)合對象的過程。復(fù)合對象中的個體對象稱作它的組件對象，表示為“ispartof”的關(guān)系。如將地籍權(quán)屬界線與內(nèi)部建筑物聚集為“宗地”類。（5）繼承（inheritance