空間信息系統(tǒng)原理02-課件

第二講空間數(shù)據(jù)1、地理空間與空間信息2、空間參照系和地圖投影3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)4、空間數(shù)據(jù)質(zhì)量5、空間元數(shù)據(jù)7/26/20231第二講空間數(shù)據(jù)1、地理空間與空間信息 ——空間信息P3C5N1C1P4P1P2C2C7C6C4C3N2N3N4①三條不同分布狀態(tài)的交通線，描述三條交通線在平面上的位置（位置信息）。②三條具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的交通線，說明三條交通線如何連接（拓?fù)湫畔ⅲ廴龡l分別具有不同等級的交通線，說明交通線的等級狀況（屬性信息）。7/26/20232第二講空間數(shù)據(jù)1、地理空間與空間信息 ——空間信息

空間信息是有關(guān)地理空間中的物質(zhì)的性質(zhì)、特征和運動狀態(tài)的表征和一切有用的知識，它是對表達(dá)地理特征與地理現(xiàn)象之間關(guān)系的地理數(shù)據(jù)的解釋。而地理數(shù)據(jù)則是各種地理特征和現(xiàn)象間關(guān)系的符號化表示，包括空間位置、屬性特征及時域特征三部分?？臻g信息具有以下幾個獨特特性：區(qū)域分布性：空間位置數(shù)據(jù)量大：包括空間、屬性、時間三個層面；尤其是衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，每天都可以獲得大量空間信息。

信息載體的多樣性：物質(zhì)本身；文字、數(shù)字、地圖、影像等符號載體；紙質(zhì)、磁帶、光盤等物理介質(zhì)載體。7/26/20233第二講空間數(shù)據(jù)地理空間上至大氣電離層，下至地幔莫霍面，有著廣闊的范圍。但一般地理空間指的是地球表層，其基準(zhǔn)是陸地表面和大洋表面，它是人類活動頻繁發(fā)生的區(qū)域，是人地關(guān)系最為復(fù)雜、緊密的區(qū)域。在空間信息系統(tǒng)中，地理空間被定義為絕對空間和相對空間兩種形式。絕對空間是具有屬性描述的空間位置的集合，由一系列不同位置的空間坐標(biāo)值組成；相對空間是具有空間屬性特征的實體的集合，是由不同實體之間的空間關(guān)系構(gòu)成。1、地理空間與空間信息 ——地理空間的定義7/26/20234第二講空間數(shù)據(jù)1、地理空間與空間信息 ——地理空間的數(shù)學(xué)建構(gòu)

為了深入研究地理空間，需要建立地球表面的幾何模型，這是進(jìn)行大地測量的前提。根據(jù)大地測量學(xué)的成果，地球表面模型可以分為四類：最自然的面：包括海洋底部、高山、高原等在內(nèi)的固體地球表面?！珡?fù)雜，難以建模，各種量算也非常困難。相對抽象的面：也稱為大地水準(zhǔn)面，是靜止海平面的延伸。以它為基準(zhǔn)，可以用水準(zhǔn)儀測量地球自然表面上任意點的高程。——海平面的起伏將導(dǎo)致測量的不確定。模型：以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)建立的地球橢球體模型。其他數(shù)學(xué)模型：為了解決特定的大地測量問題而提出的。如類地形面、準(zhǔn)大地水準(zhǔn)面、靜態(tài)水平衡橢球體等。7/26/20235第二講空間數(shù)據(jù)1、地理空間與空間信息 ——地理空間的數(shù)學(xué)建構(gòu)地球橢球體模型bca三軸橢球體模型雙軸橢球體模型（旋轉(zhuǎn)橢球體）其他橢球體模型：根據(jù)a、b、c的不同x2a2y2b2z2c2++=1x2a2y2a2z2c2++=1克拉索夫斯基橢球體7/26/20236第二講空間數(shù)據(jù)1、地理空間與空間信息 ——地理空間坐標(biāo)系的建立地球表面特征的度量，最直接的方法就是利用經(jīng)緯度來表示。這種方法對于表示空間位置是很好的，但卻難以進(jìn)行距離、方位、面積等計算?？梢詫⒔?jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成平面直角坐標(biāo)，這樣就可以方便地進(jìn)行距離、方位、面積的計算：F:(φ,λ)(x,y)，φ為經(jīng)度，λ為緯度這個過程就是地圖投影。雖然由于地球表面形態(tài)發(fā)生了變化，但在一定的空間范圍內(nèi)卻提供了很好的近似，可以幫助人們對地理空間建立一個良好的視覺感，進(jìn)行各種量算以及進(jìn)一步的空間數(shù)據(jù)處理和分析。7/26/20237第二講空間數(shù)據(jù)2、空間參照系和地圖投影地理空間中的要素要進(jìn)行定位，必須要嵌入到一個空間參照系中，即在進(jìn)行位置描述時，需要有一個參照。根據(jù)地球橢球體模型建立的地理坐標(biāo)——經(jīng)緯度坐標(biāo)可以作為所有空間要素的參照系統(tǒng)。投影指的是在兩個點集之間建立一一映射關(guān)系。因為地球是一個不規(guī)則的球體，將地球表面的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)的過程稱為地圖投影。空間信息系統(tǒng)不能僅依靠地理坐標(biāo)，必須要有平面坐標(biāo)，地圖投影對空間信息系統(tǒng)來說是不可缺少的。地圖投影的使用保證了空間信息從地理坐標(biāo)變換為平面坐標(biāo)后能夠保持在地域上的聯(lián)系和完整性。地圖投影之后的結(jié)果的記錄是以地圖作為保存介質(zhì)的。7/26/20238第二講空間數(shù)據(jù)2、空間參照系和地圖投影 ——地圖地圖是以平面的方式記錄地理空間中的要素信息，包括位置及其上的特征。由于地圖本身的尺寸與其描述的地理空間范圍之間是不同的，因此，通常說地圖具有某種比例尺。所謂地圖比例尺，指的是地圖上的距離于地面上相應(yīng)距離之比，一般可以以下幾種表示方法：數(shù)字比例尺：1：100000

文字比例尺：地圖上1mm等于實地1km

圖解比例尺或直線比例尺：面積比例尺：圖上面積與實際面積之比比例尺表明了地圖數(shù)據(jù)的詳細(xì)（精確）程度，因此不同比例尺地圖往往需要采用不同的地圖投影方式。7/26/20239第二講空間數(shù)據(jù)2、空間參照系和地圖投影 ——地圖投影的變形用地圖投影的方法將球面展開為平面，雖然可以保持地域上的聯(lián)系和完整性，但它們與球面上的經(jīng)緯度網(wǎng)線形狀并不一致。即投影后，地圖上的經(jīng)緯度網(wǎng)線發(fā)生了變形，同樣根據(jù)地理坐標(biāo)展繪在地圖上的各種要素，也必然隨著變形。這種變形使得地理要素的幾何特性受到破壞：長度變形：地球儀上，緯線長度不等；同一緯線上，經(jīng)差相同，緯線長度相同；同一經(jīng)線上，緯差相同而經(jīng)線長度不同；所有經(jīng)線長度相等。面積變形：地球儀上，同一緯度帶內(nèi)，經(jīng)差相同的網(wǎng)格面積相等；同一經(jīng)度帶內(nèi)，緯度越高，面積越小。角度變形：地球儀上，經(jīng)線與緯線處處呈直角相交。7/26/202310第二講空間數(shù)據(jù)地圖投影的變形示意2、空間參照系和地圖投影 ——地圖投影的變形7/26/202311第二講空間數(shù)據(jù)2、空間參照系和地圖投影 ——地圖投影的分類按變形性質(zhì)分類：等角投影：角度變形為零。同一方向長度比相同。等積投影：面積變形為零。任意投影：長度、角度和面積都存在變形。其中有一種等距投影，在某一方向上長度變形為零，這種投影面積變形小于等角投影，角度變形小于等積投影。經(jīng)投影后地圖上所產(chǎn)生的長度變形、角度變形和面積變形是相互聯(lián)系相互影響的：等積與等角互斥；任意投影不能等角和等積；等積投影角度變形大，等角投影面積變形大。7/26/202312第二講空間數(shù)據(jù)2、空間參照系和地圖投影 ——地圖投影的分類按構(gòu)成方法分類：1、幾何投影：把經(jīng)緯度網(wǎng)格投影到幾何面上，再展開。圓柱投影：投影面為圓柱面。方位投影：投影面為平面。圓錐投影：投影面為圓錐面。2、非幾何投影：不借助幾何面，根據(jù)某些條件用數(shù)學(xué)解析法確定球面與平面之間點與點的函數(shù)關(guān)系。偽圓柱投影偽方位投影偽圓錐投影多圓錐投影7/26/202313第二講空間數(shù)據(jù)圓柱投影方位投影圓錐投影2、空間參照系和地圖投影 ——地圖投影的分類7/26/202314第二講空間數(shù)據(jù)2、空間參照系和地圖投影 ——地圖投影的分類按投影面與地球相割和相切分類：割投影：投影面與地球相割。切投影：投影面與地球相切。7/26/202315第二講空間數(shù)據(jù)2、空間參照系和地圖投影 ——高斯－克呂格投影高斯－克呂格投影是由高斯于19世紀(jì)20年代擬定，后經(jīng)克呂格補充而形成的一種地圖投影方式，其特征包括：

中央經(jīng)線和地球赤道投影成為直線，且為投影的對稱軸；等角投影；中央經(jīng)線上沒有長度變形；同一條緯線上，離中央經(jīng)線越遠(yuǎn)，變形越大；同一條經(jīng)線上，緯度越低，變形越大，赤道處最大；在6°帶范圍內(nèi)，長度變形線最大不超過0.14%。7/26/202316第二講空間數(shù)據(jù)2、空間參照系和地圖投影 ——高斯－克呂格投影XS’YN’7/26/202317第二講空間數(shù)據(jù)2、空間參照系和地圖投影 ——高斯－克呂格投影我國1:1萬至1:50萬的地形圖全部采用高斯－克呂格投影。1:2.5萬至1:50萬的地形圖，采用6°分帶方案，全球共分為60個投影帶；我國位于東經(jīng)72°到136°間，共含11個投影帶；1:1萬比例尺圖采用3°分帶方案，全球共120個帶。從0度開始，自西向東每6度分為一個投影帶。從東經(jīng)1度開始，自西向東每3度分為一個投影帶。7/26/202318第二講空間數(shù)據(jù)2、空間參照系和地圖投影 ——地圖投影的選擇地圖投影將直接影響地圖的精度和使用價值。通常地圖投影對中小比例尺地圖影響很大，對于大比例尺地圖，則影響很小。一般國家基本比例尺地形圖的地圖投影選擇是由國家測繪部門制訂，不允許隨便更改。地圖投影的選擇主要考慮以下因素：制圖區(qū)域的范圍、形狀和地理位置；地圖的用途、出版方式及其他要求等。一般遵循以下原則：

使制圖區(qū)域與投影平面上變形小的地方匹配；編制系列圖時，經(jīng)線與緯線正交較好；許多地圖對投影的要求，不僅是一個或一些專門特征，如等積、正形和方位，其他一些投影特性如平行緯線、局部面積變形和直角坐標(biāo)，也很重要。7/26/202319第二講空間數(shù)據(jù)2、空間參照系和地圖投影 ——常用的地圖投影

世界地圖的投影：保證全球整體變形不大，主要有：等差份緯線多圓錐投影，任意偽圓柱投影等。半球地圖的投影：東西半球有橫軸等面積（等角）方位投影；南北半球有正軸等面積（等角、等距離）方位投影。各大洲地圖的投影：各洲都選用了斜軸等面積方位投影，此外，亞洲和北美洲（彭納投影）、歐洲和大洋州（正軸等圓錐投影）、南美洲（桑遜投影）。我國各種地圖投影：全國地圖（各種投影）、分省區(qū)地圖（各種投影，高斯－克呂格投影最多）、大比例尺地形圖（北洋：多面體投影；解放前：蘭勃特投影；解放后：高斯－克呂格投影）。7/26/202320第二講空間數(shù)據(jù)2、空間參照系和地圖投影 ——地圖的分幅和編號我國基本比例尺地形圖有1:1萬、1:2.5萬、1:5萬、1:10萬、1:20萬、1:50萬和1:100萬七種。大于等于1:10萬的稱為大比例尺地圖；1:10萬至1:100萬地稱為中比例尺地圖；小于1:10萬的稱為小比例尺地圖。由于一個國家范圍很大，因此不可能用一幅地圖來描述，因此地圖的分幅和編號就非常重要。目前，我國采用的地形圖分幅方案是以1:100萬地形圖為基準(zhǔn)的，按照相同的經(jīng)差和緯差定義其他更大比例尺地形圖的分幅。7/26/202321第二講空間數(shù)據(jù)2、空間參照系和地圖投影 ——地圖的分幅和編號1:100萬地形圖分幅：緯度在0°～60°之間，經(jīng)差6°，緯差4°

緯度在60°～76°之間，經(jīng)差12°，緯差4°

緯度在76°～80°之間，經(jīng)差24°，緯差4°

分幅是根據(jù)不同比例尺對每一分幅圖編號，每一分幅圖給一個固定的號碼，相互不能重復(fù)，以便確認(rèn)。分幅編號需要有一定的系統(tǒng)性，不能太任意。不同比例尺有不同的編號方法，請大家在課后參照參考書學(xué)習(xí)。7/26/202322第二講空間數(shù)據(jù)2、空間參照系和地圖投影 ——空間信息系統(tǒng)與地圖投影空間信息系統(tǒng)的處理對象——空間信息需要有共同的地理坐標(biāo)和平面系統(tǒng)；對于不同來源的地理信息，需要統(tǒng)一在同一個地理定位框架內(nèi)。要確定真實的地理坐標(biāo)、面積、周長等空間特征，需要進(jìn)行投影。7/26/202323第二講空間數(shù)據(jù)2、空間參照系和地圖投影 ——空間信息系統(tǒng)與地圖投影空間信息系統(tǒng)中投影系統(tǒng)配置的一般特征各國家的地理信息系統(tǒng)投影——與該國基本地圖系列所用的投影系統(tǒng)一致；各比例尺GIS投影——與相應(yīng)比例尺的主要信息源地圖所用的投影一致；各地區(qū)GIS投影——與所在區(qū)域適用的投影一致；各種地理信息系統(tǒng)一般以一種或兩種（至多三種）投影系統(tǒng)為其投影坐標(biāo)系統(tǒng)，以保證地理定位框架的統(tǒng)一；7/26/202324第二講空間數(shù)據(jù)空間信息系統(tǒng)中地圖投影配置的一般原則所配置的投影系統(tǒng)應(yīng)與相應(yīng)比例尺的國家基本圖（基本比例尺地形圖、基本省區(qū)圖或國家大地圖集）投影系統(tǒng)一致；系統(tǒng)一般只考慮至多采用兩種投影系統(tǒng)，一種服務(wù)于大比例尺的數(shù)據(jù)處理與輸入輸出，另一種服務(wù)于中小比例尺；所用投影以等角投影為宜；所用投影應(yīng)能與網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)相適應(yīng)，即所采用的網(wǎng)格系統(tǒng)(特別是一級網(wǎng)格)在投影帶中應(yīng)保持完整。2、空間參照系和地圖投影 ——空間信息系統(tǒng)與地圖投影7/26/202325第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)現(xiàn)實空間世界空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)空間數(shù)據(jù)庫組織與管理計算機(jī)存儲認(rèn)知與抽象空間數(shù)據(jù)模型：不同的模型下有不同的空間要素認(rèn)知、抽象和表達(dá)方式以及不同的空間關(guān)系定義?？臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：不同空間數(shù)據(jù)模型在計算機(jī)內(nèi)的存儲和表達(dá)方式?？臻g數(shù)據(jù)組織：大量計算機(jī)化的空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理方式。7/26/202326第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型現(xiàn)有的空間數(shù)據(jù)模型主要有三個：場模型：強調(diào)空間要素的連續(xù)性基于對象的模型：強調(diào)空間要素的離散性網(wǎng)絡(luò)模型：強調(diào)空間要素的交互上述三種模型主要是針對二維平面進(jìn)行建模的，已經(jīng)很成熟。但隨著應(yīng)用需求的變化，空間數(shù)據(jù)模型要求能夠反映三維立體和時間維特征：三維空間數(shù)據(jù)模型時空數(shù)據(jù)模型7/26/202327第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：場模型在空間信息系統(tǒng)中，場模型一般指的是柵格模型，其主要特點就是用二維劃分覆蓋整個連續(xù)空間。劃分可以是規(guī)則的或不規(guī)則的，通常是采用正多邊形作為劃分的單位，如三角形、方格、六邊形等。7/26/202328第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：場模型柵格模型把空間看作像元的劃分，每個像元都記錄了所在位置的某種現(xiàn)象，用像元值表示。該值可以表示一個確定的現(xiàn)象，也可以是一種模糊的現(xiàn)象。但一個像元應(yīng)該只賦一個單一的值。柵格模型的一個重要特征就是每個柵格中的像元的位置是預(yù)先確定的，因此描述同一區(qū)域的不同現(xiàn)象的柵格數(shù)據(jù)之間很容易進(jìn)行重迭運算。7/26/202329第二講空間數(shù)據(jù)7/26/202330第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型對象模型的基礎(chǔ)就是將空間要素嵌入在一個坐標(biāo)空間之中，一般是歐氏空間，在該空間中可以利用公式進(jìn)行距離、方位和面積的測量?？臻g要素在歐氏空間中主要形成三類空間實體：點實體線實體多邊形實體7/26/202331第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型點實體：有特定的位置，維數(shù)為0的實體點(Point)：有特定位置，維數(shù)為0的物體；實體點(Entitypoint)：用來代表一個實體；注記點(Textpoint)：用于定位注記；內(nèi)點(Labelpoint)：用于記錄多邊形的屬性，存在于多邊形內(nèi)；結(jié)點(Node)：表示線的終點和起點；角點(Vertex)：表示線段和弧段的內(nèi)部點。7/26/202332第二講空間數(shù)據(jù)線實體：維數(shù)為1的實體，由一系列坐標(biāo)點表示，有以下特征：實體長度：從起點到終點的總長；彎曲度：用于表示象道路拐彎時彎曲的程度；方向性：如水流從上游到下游，公路則有單雙向之分；線實體包括：線段、邊界、鏈、網(wǎng)絡(luò)、多邊線等。3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型7/26/202333第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型多邊形實體：維數(shù)為2的實體，由一個封閉的坐標(biāo)點序列外加內(nèi)點表示，是對湖泊、島嶼、地塊等現(xiàn)象的描述，有以下特征：面積范圍；周長；獨立性或與其它地物相鄰：如北京及周邊省市；內(nèi)島或鋸齒狀外形：島嶼及海岸線；重疊性與非重疊性。內(nèi)部區(qū)域簡單多邊形復(fù)雜多邊形格網(wǎng)/像素陣列7/26/202334第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型對象模型強調(diào)的是空間要素的個體現(xiàn)象，研究的是個體現(xiàn)象本身或與其他個體現(xiàn)象的關(guān)系。任何現(xiàn)象，無論大小，都可以被確定為一個實體。如人為現(xiàn)象：建筑物、道路、管理區(qū)域等；自然現(xiàn)象：河流、湖泊、森林等。空間實體必須符合三個條件：可被識別重要（與問題相關(guān)）可被描述：位置、屬性等7/26/202335第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型對象模型和場模型的比較現(xiàn)實世界選擇實體它在哪里數(shù)據(jù)選擇一個位置那里怎么樣對象模型場模型兩種模型相互之間并不排斥，各有特點，各有應(yīng)用長處。通常需要有機(jī)地綜合應(yīng)用這兩種方法來建模。7/26/202336第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型矢量數(shù)據(jù)模型是對象模型的一種具體化建模方法，它以坐標(biāo)的方式來表達(dá)空間實體。對于一個空間現(xiàn)象而言，觀察的尺度和概括的程度將決定它的類型：城市（點多邊形更多的空間實體）。(3,10)(6,9)(7,10)(10,7)(9,5)(4,6)3,8(1,7)(3,5)(5,5)(5,3)(6,1)(3,3)7/26/202337第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型在對象模型中，空間實體的空間位置、關(guān)系和度量的描述是非常重要的?？臻g實體見的空間關(guān)系可以抽象為點、線、多邊形之間的六種關(guān)系：點—點：重合；分離；一點為其他諸點的集合中心；—點為其他諸點的地理中心，等等。點—線：點在線上；線的端點（起點或終點）；線的交點；點與線的分離（可計算點到線的距離），等等。點—多邊形：點在多邊形內(nèi)（可計數(shù)和統(tǒng)計）；點為多邊形的幾何（地理）中心；點在多邊形邊界上；點在多邊形外部，等等。7/26/202338第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型線—線：重合；相接（首尾相接和順序相接）；相交；相切；并行，等等。線—多邊形：多邊形包含線（可計算多邊形內(nèi)線的密度）；線穿過多邊形；線環(huán)繞多邊形；線與多邊形分離，等等。多邊形—多邊形：包含；重合；相交（可以劃分子多邊形，進(jìn)行邏輯與、或、非和異或等計算）；相鄰；分離（計算距離、引力等），等等。7/26/202339第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型上述空間關(guān)系又可以分成三類：拓?fù)淇臻g關(guān)系；方位空間關(guān)系；度量空間關(guān)系7/26/202340第二講空間數(shù)據(jù)拓?fù)鋵傩砸粋€點在一個弧段的端點一個弧段是一個簡單弧段（自身不相交）一個點在一個區(qū)域的邊界上一個點在一個區(qū)域的內(nèi)部一個點在一個區(qū)域的外部一個點在一個環(huán)的內(nèi)部一個面是一個簡單面（面上沒有島）一個面的連接性（給定面上任意兩點，從一點可以完全在面的內(nèi)部沿任意路徑走向另一點）非拓?fù)鋵傩詢牲c之間的距離一個點指向另一個點的方向弧段的長度一個區(qū)域的周長一個區(qū)域的面積3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型拓?fù)淇臻g關(guān)系7/26/202341第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型拓?fù)淇臻g關(guān)系描述——9交模型現(xiàn)實世界中的兩個實體A和B：用B(X)表示實體X的邊界，I(X)表示實體X的內(nèi)部，用E(X)表示實體X的外部?；谏鲜龈拍?，Egenhofer在1993年為空間實體間的拓?fù)潢P(guān)系描述構(gòu)造了“9交空間關(guān)系模型”（9-IntersectionModel，9-IM）：B(A)ПB(B)B(A)ПI(B)B(A)ПE(B)I(A)ПB(B)I(A)ПI(B)I(A)ПE(B)E(A)ПB(B)E(A)ПI(B)E(A)ПE(B)矩陣中每個元素的取值可為“空”和“非空”，9個元素共可以產(chǎn)生29＝512種情形，即可描述512種空間關(guān)系。7/26/202342第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型方位空間關(guān)系方位空間關(guān)系指的是空間實體之間的上下、前后、左右、東西南北等順序關(guān)系?？梢愿鶕?jù)實體類型分為：多邊形－多邊形、多邊形－線、多邊形－點、線－線、線－點、點－點之間的方位空間關(guān)系。點－點方位空間關(guān)系最好確定，只需計算兩點連線與某一基準(zhǔn)方向的夾角即可。多邊形－點、線－點方位空間關(guān)系也可以在一定程度上簡化為點－點方位空間關(guān)系。其余方位空間關(guān)系的計算就相對復(fù)雜得多了，目前尚未有很好的解決辦法。7/26/202343第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型度量空間關(guān)系基本度量空間關(guān)系指的是空間實體之間的距離，在此基礎(chǔ)上，還可以構(gòu)造出實體群之間的度量關(guān)系。距離度量有不同的計算方式：大地測量距離、曼哈頓距離（經(jīng)度差加上緯度差）、時間距離等。此外，還有其他的一些空間量算的指標(biāo)：幾何指標(biāo)：位置、距離、面積、體積形狀、方位等自然地理參數(shù)：坡度、坡向、地表輻射度、地形起伏度、通達(dá)度等人文地理指標(biāo)：交通便利程度、吸引范圍、人口密度等7/26/202344第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型空間關(guān)系的應(yīng)用點—點點—線點—面住宅學(xué)校海岸線碼頭肺癌病例區(qū)域?qū)W校和住宅接近嗎？碼頭在海岸線上嗎？肺癌病在區(qū)內(nèi)分布7/26/202345第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型空間關(guān)系的應(yīng)用線—點線—線線—面鎮(zhèn)乘車線路河流小路這條線路過鎮(zhèn)上嗎？小路穿過河流嗎？河流在區(qū)域內(nèi)嗎？7/26/202346第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：對象模型空間關(guān)系的應(yīng)用面—點面—線面—面該郵政區(qū)包括學(xué)校嗎？該區(qū)域包括鐵路嗎？區(qū)域彼此影響嗎？區(qū)域重疊嗎？7/26/202347第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：網(wǎng)絡(luò)模型網(wǎng)絡(luò)模型是從圖論中發(fā)展而來。在網(wǎng)絡(luò)模型中，空間要素被抽象為鏈、節(jié)點等對象，同時還要關(guān)注其間的連通關(guān)系。這種模型適合用于對相互連接的線狀現(xiàn)象進(jìn)行建模，如交通線路、電力網(wǎng)線等。網(wǎng)絡(luò)模型可以形式化定義為：網(wǎng)絡(luò)圖＝（節(jié)點，{節(jié)點間的關(guān)系，即鏈}）網(wǎng)絡(luò)圖由于其復(fù)雜性，使得它不易在空間數(shù)據(jù)庫中表達(dá)，一般是在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析時基于對象模型數(shù)據(jù)（矢量數(shù)據(jù)）進(jìn)行重構(gòu)。7/26/202348第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：三維模型目前，空間信息系統(tǒng)表現(xiàn)的更多的是二維平面效果。事實上，隨著計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，人們希望空間信息系統(tǒng)能夠反映真實的三維空間現(xiàn)象。雖然目前的空間信息系統(tǒng)能夠在二維模型的基礎(chǔ)上通過高程信息來模擬三維效果（如利用DEM數(shù)據(jù)），但這種模擬并不能真正反映現(xiàn)實現(xiàn)象。三維模型在建模方法上與二維的場模型和對象模型相似，但在數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)維護(hù)和界面設(shè)計等方面卻復(fù)雜得多。7/26/202349第二講空間數(shù)據(jù)3DGIS數(shù)據(jù)模型

7/26/202350第二講空間數(shù)據(jù)一、3DGIS定義將3D空間坐標(biāo)（x，y，z）作為獨立參數(shù)來進(jìn)行空間實體對象的幾何建模：

F=f（x，y，z）7/26/202351第二講空間數(shù)據(jù)二、3DGIS的研究內(nèi)容和功能數(shù)據(jù)編碼：是采集三維數(shù)據(jù)和對其進(jìn)行有效性檢查的工具，有效性檢查將隨著數(shù)據(jù)的自然屬性、表示方法和精度水平的不同而不同。數(shù)據(jù)的組織和重構(gòu)：這包括對三維數(shù)據(jù)的拓?fù)涿枋鲆约耙环N表示法到另一種表示法的轉(zhuǎn)換（如從矢量的邊界表示轉(zhuǎn)換為柵格的八叉樹表示）。

7/26/202352第二講空間數(shù)據(jù)二、3DGIS的研究內(nèi)容和功能變換：既能對所有物體或某一類物體，又能對某個物體進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、剪裁、比例縮放等變換。另外還可以將一個物體分解成幾個以及將幾個物體組合成一個。查詢：此功能依賴于單個物體的內(nèi)在性質(zhì)（如位置、形狀、組成）和不同物體間的關(guān)系（如連接、相交、形狀相似或構(gòu)成相似）。7/26/202353第二講空間數(shù)據(jù)二、3DGIS的研究內(nèi)容和功能邏輯運算：通過與、或、非及異或運算符對物體進(jìn)行組合運算。計算：計算物體的體積、表面積、中心、物體之間的距離及交角等。分析：如計算某一類地物的分布趨勢，或其它指標(biāo)，以及進(jìn)行模型的比較。建立模型。7/26/202354第二講空間數(shù)據(jù)二、3DGIS的研究內(nèi)容和功能視覺變換：在用戶選擇的任何視點，以用戶確定的視角、比例因子、符號來表示所有地物或某些指定物體。系統(tǒng)維護(hù)：包括數(shù)據(jù)的自動備份、安全性措施、以及網(wǎng)絡(luò)工作管理。三維拓?fù)涿枋?/26/202355第二講空間數(shù)據(jù)三、3DGIS研究現(xiàn)狀研究意義GIS處理的與地球有關(guān)的數(shù)據(jù)，即通常所說的空間數(shù)據(jù)，從本質(zhì)上說是三維連續(xù)分布的。從事關(guān)于地質(zhì)、地球物理、氣象、水文、采礦、地下水、災(zāi)害、污染等方面的自然現(xiàn)象是三維的，當(dāng)這些領(lǐng)域的科學(xué)家或工程技術(shù)人員試圖以二維系統(tǒng)來描述它們時，就不能夠精確地反映、分析或顯示有關(guān)信息。7/26/202356第二講空間數(shù)據(jù)三、3DGIS研究現(xiàn)狀發(fā)展歷史2.5D（2.75D）Pseudo-3DQuasi-3DReal-3D7/26/202357第二講空間數(shù)據(jù)三、3DGIS研究現(xiàn)狀發(fā)展背景計算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展計算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展需求推動科學(xué)家的好奇心7/26/202358第二講空間數(shù)據(jù)三、3DGIS研究現(xiàn)狀不同維數(shù)GIS的比較類別比較2D2.5DPseudo-3DReal-3D數(shù)學(xué)模型F=f(x，y)F=f(x，y)Z=f(x，y)F=(x，y，zi)F=(x，y，zi)高程特征無高程信息高程作為點的屬性一對(x，y)的z有多值一對(x，y)的z有多值屬性特征平面抽象表面抽象無體內(nèi)屬性有體內(nèi)屬性構(gòu)模模式2D矢量或柵格2D矢量或柵格面元構(gòu)模3D矢量、體元構(gòu)模典型實例電子地圖DEM，DTM3D城市模型地下TEN、GTP模型7/26/202359第二講空間數(shù)據(jù)三、3DGIS研究現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀

在地學(xué)領(lǐng)域（Geography，Geology，Geophysics，Geodesy）形成兩大并行發(fā)展的支流：3DGIS3DGMS（GeosciencesModelingSystem）7/26/202360第二講空間數(shù)據(jù)ComparisonProjectDifferenceIdentity3DGIS3DGMSResearchObjectGeographicalSpaceGeologicalSpaceGeo-informaticsDataSourceGeodesy，RSGeologicalExploreMiningSurveyingPlanning,DesigndataSpatialReferenceGreatScaleinSphericalsurfaceCoordinateGreatScaleinSphericalVolumeCoordinate(x，y，z)SpatialModelingFacialmodelVolumetricmodelMixedModelTopologicalDescriptionindispensableBeginningresearchBasedonfeaturesorobjectsSpatialSurveying&CalculationNon-VolumeVolumeOrientation,areaSpatialAnalysisVisualizationInclusion,ProximityOtherAnalysisApplicationareaCityScene,militaryGeology,oceanearth7/26/202361第二講空間數(shù)據(jù)四、空間構(gòu)模技術(shù)進(jìn)展3D空間構(gòu)模方法研究是目前研究的熱點問題。過去十多年中，國內(nèi)外專家提出了20余種空間構(gòu)模方法。若不區(qū)分真三維和準(zhǔn)三維則可以將現(xiàn)有空間構(gòu)模方法對內(nèi)為三類：FacialModelVolumetricModelMixedModel7/26/202362第二講空間數(shù)據(jù)四、空間構(gòu)模技術(shù)進(jìn)展FacialmodelVolumetricmodelMixedmodelregularirregularTINCSGTENTIN-CSGGridVoxelPyramidTIN-OctreeB-repOctreeTPWireframe-BlockWireframeNeedleGeo-cellularOctree-TENSeriessectionsBlockBlockSectionTINmixedSolidDEMs3DVoronoiGTP7/26/202363第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模TIN模型離散點數(shù)據(jù)等高線數(shù)據(jù)三角剖分（Delaunay）7/26/202364第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模TIN模型7/26/202365第二講空間數(shù)據(jù)在所有的三角網(wǎng)自動聯(lián)結(jié)算法中，主要遵循以下兩條準(zhǔn)則：1.在形成的三角形網(wǎng)格中，擴(kuò)展點與擴(kuò)展邊兩點連線的夾角最大（一般通過余弦定理進(jìn)行判斷）；2.所形成的三角形的全部邊長之和最小。基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模7/26/202366第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模"fat"triangleswithanglescloseto60degreesarepreferredsincethisensuresthatanypointonthesurfaceisascloseaspossibletoavertexthisisimportantbecausethesurfacerepresentationislikelymostaccurateatthevertices7/26/202367第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模Procedurecomputethedistancebetweenallpairsofpoints,andsortfromlowesttohighestconnecttheclosestpairofpointsconnectthenextclosestpairiftheresultinglinedoesnotcrossearlierlinesrepeatuntilnofurtherlinescanbeselectedthepointswillnowbeconnectedwithtrianglesthistendstoproducemanyskinnytrianglesinsteadofthepreferred"fat"triangle7/26/202368第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模bydefinition,3pointsformaDelaunaytriangleifandonlyifthecirclewhichpassesthroughthemcontainsnootherpointdiagramanotherwaytodefinetheDelaunaytriangulationisasfollows:partitionthemapbyassigningalllocationstothenearestvertextheboundariescreatedinthisprocessformasetofpolygonscalledThiessenpolygonsorVoronoiorDirichletregionsoverhead-DelaunaytrianglesfromThiessenpolygonstwoverticesareconnectedintheDelaunaytriangulationiftheirThiessenpolygonsshareanedgethismethodproducesthepreferredfattrianglestheboundaryedgesontheDelaunaynetworkformtheConvexHull,whichisthesmallestpolygontocontainalloftheverticesProcedure7/26/202369第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模thereareseveraltechniquesforbuildingthetriangles:1.sincetheconvexhullwillalwaysbepartoftheDelaunaynetworkstartwiththeseedgesandworkinwardsuntilthenetworkiscomplete2.connecttheclosestpairwhichbydefinitionmustbeaDelaunayedgesearchforathirdpointsuchthatnootherpointfallsinthecirclethroughthemcontinueworkingoutwardfromtheseedgesforthenextclosestpointProblemsDelaunaytrianglesarenothierarchicaltheycannotbeaggregatedtoformbiggertrianglesiftheyaredividedintosmallertriangles,theresultstendtobepoorlyshaped(not"fat")7/26/202370第二講空間數(shù)據(jù)Delaunay三角剖分的基本概念和性質(zhì)如下：設(shè)二維平面上的隨機(jī)點集為:點集中數(shù)據(jù)點滿足以下條件：1.N≥32.數(shù)據(jù)點面狀分布，不都在同一條直線上；3.沒有四或四個以上的點共圓?；诿婺Ｐ偷臏?zhǔn)3D空間構(gòu)模7/26/202371第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模7/26/202372第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模TIN模型7/26/202373第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模TIN模型7/26/202374第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模7/26/202375第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模正負(fù)區(qū)判別模型（毛善君，測繪學(xué)報，博士論文2019年）7/26/202376第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模Grid模型離散數(shù)據(jù)插值7/26/202377第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模Grid模型7/26/202378第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模B-rep模型面、環(huán)、邊、點詳細(xì)記錄實體所有幾何元素的幾何信息及相互連接關(guān)系適于規(guī)則3D實體7/26/202379第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模7/26/202380第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模WireFrame將實體輪廓兩兩相鄰的采樣點或特征點用直線連接形成的面可以用TIN來充填7/26/202381第二講空間數(shù)據(jù)7/26/202382第二講空間數(shù)據(jù)7/26/202383第二講空間數(shù)據(jù)7/26/202384第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模SeriesSections通過實體的平面圖或剖面圖來描述將3D問題2D化7/26/202385第二講空間數(shù)據(jù)7/26/202386第二講空間數(shù)據(jù)7/26/202387第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模Section-TINmixedmodel剖面界線賦值二維剖面編輯相鄰剖面連接3D場景重建7/26/202388第二講空間數(shù)據(jù)7/26/202389第二講空間數(shù)據(jù)7/26/202390第二講空間數(shù)據(jù)7/26/202391第二講空間數(shù)據(jù)基于面模型的準(zhǔn)3D空間構(gòu)模DEMs7/26/202392第二講空間數(shù)據(jù)基于體模型的真3D空間構(gòu)模CSG預(yù)先定義一些形狀規(guī)則的體元通過并、交、差操作形成CSG物體CSG物體Oper1Oper2Obj1Obj2Obj3Obj47/26/202393第二講空間數(shù)據(jù)基于體模型的真3D空間構(gòu)模Voxel以一組規(guī)則的3D體素（a=b=c）來剖分所要模擬的空間，是2Dgrid的擴(kuò)展。

7/26/202394第二講空間數(shù)據(jù)基于體模型的真3D空間構(gòu)模Octree實質(zhì)是對Octree的壓縮改進(jìn)，類似于2DQuadtree和2DGrid的關(guān)系7/26/202395第二講空間數(shù)據(jù)基于體模型的真3D空間構(gòu)模Needle

界面相同，高度可變的柱狀體7/26/202396第二講空間數(shù)據(jù)基于體模型的真3D空間構(gòu)模RegularBlock把建?？臻g劃分成規(guī)則的3D立方體每個塊體被視為均質(zhì)同性體7/26/202397第二講空間數(shù)據(jù)基于體模型的真3D空間構(gòu)模TEN（TEtrahedralNetwork）類似于2DTIN先在3D空間連接離散點，形成三角面片四面體有4個三角面片組成不能表示3D連續(xù)曲面算法復(fù)雜7/26/202398第二講空間數(shù)據(jù)基于體模型的真3D空間構(gòu)模Pyramid類似于TENTri-Prism(TP)Geo-cellularIrregularBlockSolid3DVoronoiGTP7/26/202399第二講空間數(shù)據(jù)基于面-體混合的3D空間構(gòu)模TIN-CSGTIN-OctreeWireFrame-BlockOctree-TEN7/26/2023100第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型時空數(shù)據(jù)模型主要關(guān)注的是空間要素隨時間變化時的建模?？臻g要素隨時間的變化包含兩個方面：屬性數(shù)據(jù)的變化和空間位置的變化，前者如一個村鎮(zhèn)的人口隨時間的變化，后者如海岸線隨時間的變化。最簡單的時空數(shù)據(jù)建模就是將不同時期的測量結(jié)果存儲起來，在使用時基于時間關(guān)系將它們串起來。當(dāng)然還有其他更加復(fù)雜的建模方法，如增量修正模型等。時空數(shù)據(jù)模型的特點是語義更加豐富，對現(xiàn)實世界的描述更加準(zhǔn)確，但它必然帶來數(shù)據(jù)量的激增，因此，在這里，海量數(shù)據(jù)的組織和存取是非常關(guān)鍵的。7/26/2023101第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型SGISTGIS7/26/2023102第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型具有時間維度的數(shù)據(jù)可以分為兩類，一類是可以稱為結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，如一個測站歷史數(shù)據(jù)的積累，它可以通過在屬性數(shù)據(jù)表記錄中簡單地增加一個時間戳（TimeStamp）實現(xiàn)其管理；另一類是非結(jié)構(gòu)化的，最典型的例子是土地利用狀況的變化（圖），描述這種數(shù)據(jù)，是TGIS數(shù)據(jù)模型的重點要解決的問題。7/26/2023103第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型1、原圖2、行政范圍變化3、界線變化4、內(nèi)容變化5、范圍變化6、行政范圍變化7/26/2023104第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型TGIS數(shù)據(jù)模型特點是語義更豐富、對現(xiàn)實世界的描述更準(zhǔn)確，其物理實現(xiàn)的最大困難在于海量數(shù)據(jù)的組織和存取。TGIS技術(shù)的本質(zhì)特點是“時空效率”。當(dāng)前主要的TGIS模型包括：空間時間立方體模型（Space-timeCube）；序列快照模型（SequentSnapshots）；基態(tài)修正模型（BaseStatewithAmendments）；空間時間組合體模型（Space-timeComposite）。其中序列快照模型和GIS分類中的模擬GIS（AnalogGIS）一樣，只是一種概念上的模型，不具備實用的開發(fā)價值，而其它幾種模型都有自己的特點和適用范圍，如基圖修正模型比較適合于柵格模型的TGIS開發(fā)。7/26/2023105第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型TGIS的研究思路TGIS海量數(shù)據(jù)的處理必然導(dǎo)致數(shù)學(xué)模型的根本變化。TGIS問題的最終解決在于“可與拓?fù)湔撓囝惐鹊摹比聰?shù)學(xué)思路的出現(xiàn)。目前可以研究TGIS技術(shù)，以便在SGIS的框架中用TGIS技術(shù)實現(xiàn)TGIS功能。對TGIS模型的研究可以本著兩種思路進(jìn)行平行探索：綜合模型和分解模型。先用分解模型思路針對典型應(yīng)用領(lǐng)域（如土地利用動態(tài)監(jiān)測工作）進(jìn)行全面研究，同時不斷豐富、充實綜合模型，最后得到一個比較完善的綜合模型7/26/2023106第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型地籍變更、海岸線變化、土地城市化、道路改線、環(huán)境變化等應(yīng)用領(lǐng)域，需要保存并有效地管理歷史變化數(shù)據(jù)，以便將來重建歷史狀態(tài)、跟蹤變化、預(yù)測未來。這就要求有一個組織、管理、操作時空數(shù)據(jù)的高效時空數(shù)據(jù)模型。時空數(shù)據(jù)模型是一種有效組織和管理時態(tài)地理數(shù)據(jù)，屬性、空間和時間語義更完整的地理數(shù)據(jù)模型。7/26/2023107第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型一個合理的時空數(shù)據(jù)模型必須考慮以下幾方面的因素：節(jié)省存儲空間、加快存取速度、表現(xiàn)時空語義。時空語義包括地理實體的空間結(jié)構(gòu)、有效時間結(jié)構(gòu)、空間關(guān)系、時態(tài)關(guān)系、地理事件、時空關(guān)系。時空數(shù)據(jù)模型設(shè)計的基本指導(dǎo)思想：7/26/2023108第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的特點（如宏觀變化觀測與微觀變化觀測）和客觀現(xiàn)實變化規(guī)律（同步變化與異步變化、頻繁變化與緩慢變化），折中考慮時空數(shù)據(jù)的空間/屬性內(nèi)聚性和時態(tài)內(nèi)聚性的強度，選擇時間標(biāo)記的對象。對于屬性，有屬性數(shù)據(jù)項時間標(biāo)記、實體時間標(biāo)記、數(shù)據(jù)庫時間標(biāo)記；對于空間，有坐標(biāo)點時間標(biāo)記、弧段時間標(biāo)記、實體時間標(biāo)記、數(shù)據(jù)庫時間標(biāo)記。7/26/2023109第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型同時提供靜態(tài)（變化不活躍）、動態(tài)（變化活躍）數(shù)據(jù)建模手段（靜態(tài)、動態(tài)數(shù)據(jù)類型和操作）。當(dāng)前、歷史等不同使用頻率的數(shù)據(jù)分別組織存放，以便存取。一般地，將當(dāng)前數(shù)據(jù)存放在本地機(jī)磁盤上，而將歷史數(shù)據(jù)存放在遠(yuǎn)程服務(wù)器大容量光盤上。7/26/2023110第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里顯式表達(dá)兩種地理事件：地理實體進(jìn)化事件和地理實體存亡事件。地理事件以事件發(fā)生的相關(guān)源狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)表達(dá)。構(gòu)成地理實體存亡事件的源狀態(tài)有參加事件的實體標(biāo)識集合表示。時間的本質(zhì)為事件發(fā)生的序列，地理事件序列直接表明地理時間語義。常見的狀態(tài)變化查詢即地理事件查詢7/26/2023111第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型時空拓?fù)潢P(guān)系一般指地理實體空間拓?fù)潢P(guān)系的拓?fù)涫录g的時態(tài)關(guān)系。時空拓?fù)潢P(guān)系揭示了地理實體在時間和空間上的相關(guān)性。為了有效地表達(dá)時空拓?fù)潢P(guān)系，需要存儲空間拓?fù)潢P(guān)系的時變序列。7/26/2023112第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型時空數(shù)據(jù)庫(STDB)記錄時空目標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫成為時空數(shù)據(jù)庫。時空數(shù)據(jù)庫中有兩個重要概念：其一為事件時間（eventtime），指某一事件在現(xiàn)實時間中發(fā)生變化的時間；其二為系統(tǒng)時間(systemtime)，指數(shù)據(jù)庫中跟蹤記錄事件發(fā)生的時間。一般的非時態(tài)GIS中僅考慮事件時間，為了表達(dá)時空目標(biāo)在數(shù)據(jù)庫中的變化，通常采用三種方式：7/26/2023113第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型關(guān)系表重建，對所有發(fā)生變化的對象及所涉及到的關(guān)系重新建一個版本；對象重建，僅對變化的對象建新版本；屬性重建，僅對變化了的對象所涉及到的屬性字段增加一個新值。7/26/2023114第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型從數(shù)據(jù)冗余角度考慮，第三種方式最為理想，但是它違背傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的1NF，要求。但隨著OO技術(shù)的推廣應(yīng)用，這種方式有發(fā)展前途，因為OO模式打破了關(guān)系模型的范式要求，直接支持變長記錄、多元組合對象的嵌套。事件版本、系統(tǒng)版本、對象版本7/26/2023115第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型時間附加型(1)1NF模型一個對象必須有幾個具有時間標(biāo)記的元組來表達(dá)。(2)N1NF型將同時的變化記錄在不同層次的節(jié)點上，這是優(yōu)點也是缺點。(3)時空復(fù)合型(space-timecomposite)其基礎(chǔ)是時空單元。所謂時空單元，是指相同時空變化過程的最大單元。在存儲上，每個時空單元被看成一個靜態(tài)對象，其時空過程則作為屬性用關(guān)系來表達(dá)。若時空單元發(fā)生分裂，則用新增加的元組來反映新增的空間單元；時空過程每變化一次，即在關(guān)系表中新增加一列時間段來表達(dá)。實際使用靜態(tài)的屬性表來表達(dá)動態(tài)的時空變化過程，缺點是數(shù)據(jù)庫中的對象標(biāo)識符的修改比較復(fù)雜（層次較多時更復(fù)雜）。7/26/2023116第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型時間新維型(1)Space-timeCube該模型是以時間周圍發(fā)展變化方向，表達(dá)現(xiàn)實世界平面位置（二維）隨時間的變化。給定一個時間位置，既可以從三維立方體中截取一個斷面來得到該時刻的狀態(tài)。同理可表達(dá)三維空間。但該模型導(dǎo)致數(shù)據(jù)量無限增長，且隨著數(shù)據(jù)量的增大，對立方體的操作越來越復(fù)雜。(2)SequentSnapshots該模型是將一系列事件片段的快照存儲起來，以記錄系統(tǒng)空間狀態(tài)的變化過程。需要時可根據(jù)指定的時間段進(jìn)行快照回放。由于快照是對整個系統(tǒng)狀態(tài)的不加取舍的全部記錄，因此會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余，也難以處理時空對象之間的時態(tài)關(guān)系。(3)BaseStatewithAmendments基態(tài)修正模型是對序列快照模型的改進(jìn)。選擇某個時態(tài)的數(shù)據(jù)作為基態(tài)作完整記錄，然后按預(yù)先設(shè)定的采樣間隔記錄其它時刻對于基態(tài)的變化量，以此來減少數(shù)據(jù)的冗余量。7/26/2023117第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型面向?qū)ο笮?lt;OBJ:{O-ID,Attr(t),Spatial(t),Temporal(Tv,Td),Actions}>OBJ：時空對象可以是各種類；O-ID：：對象的唯一標(biāo)識符；Attr(t)：對象隨時間t變化的非空間屬性描述；Spatial(t)：對象隨時間t變化的空間特性描述；Temporal(Tv,Td)：對象的時態(tài)性描述，反映對象的產(chǎn)生、演變和消亡的生命歷程，其中有效時間Tv和數(shù)據(jù)庫時間Td是正交的；Actions：對象的行為操作描述，其中定義對象的時間、空間及屬性的各種運算，實現(xiàn)對象之間的相互聯(lián)系，通過OO的多態(tài)性和繼承性，實現(xiàn)運算符和拓?fù)浼详P(guān)系的重栽。每個對象具有唯一的有效時間鏈表和數(shù)據(jù)庫時間鏈表。7/26/2023118第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型基于狀態(tài)和變化的統(tǒng)一模型面向?qū)ο蟮哪Ｐ蜎]有按語義來進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)組織，對象的時空屬性與其它屬性沒有區(qū)別，也缺乏時空變化的語義，不能表達(dá)空間拓?fù)潢P(guān)系的變化。Stateandchangebasedunifieddatamodel對時空元素、空間實體、時空對象、時空數(shù)據(jù)庫狀態(tài)、時空數(shù)據(jù)庫變化作如下定義：7/26/2023119第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型定義1：時空元素是時空立方體范圍內(nèi)的最大的共同時空單元。定義2：空間實體是在時空立方體范圍內(nèi)一定時間段上不變的空間狀態(tài)。定義3：時空對象是時空數(shù)據(jù)庫中的的語義對象，他有語義上的特征標(biāo)識自己，而與特定的時間和空間狀態(tài)無關(guān)，即時空對象與具體的時間和空間相分離。定義4：時空數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)是一個三元組state:=(o,s,t)，OBJ,Space,Time定義5：時空數(shù)據(jù)庫的變化是關(guān)于數(shù)據(jù)庫狀態(tài)的變化，是一個數(shù)據(jù)庫狀態(tài)到另一個數(shù)據(jù)庫狀態(tài)的函數(shù)fOST：state→state7/26/2023120第二講空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)

——空間數(shù)據(jù)模型：時空模型由于狀態(tài)的變化可能會很復(fù)雜，即狀態(tài)三元組中的對象變量、空間變量和時間變量均可能發(fā)生變化，因此對分別降到兩個域上處理，兩兩組合，這樣有三組。Object-ds-layerTime-ds-layerSpace-ds-layer深入的研究還有元胞自動機(jī)(cellularautomation)，時態(tài)拓?fù)潢P(guān)系的研究。7/26/2023121第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這里我們主要介紹針對場模型和對象模型的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們是矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。矢量結(jié)構(gòu)用點、線、面表現(xiàn)地理實體，其空間位置由所在的坐標(biāo)參考系中的坐標(biāo)定義；柵格結(jié)構(gòu)空間被規(guī)則地劃分為柵格（通常為正方形）；地理實體的位置用它們占據(jù)的柵格行、列號來定義；柵格的值代表該位置的狀態(tài)；柵格的大小代表空間分解能力。7/26/2023122第二講空間數(shù)據(jù)7/26/2023123第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：柵格結(jié)構(gòu)表達(dá)方式規(guī)則的正方形或矩形柵格；其它規(guī)則的柵格圖形單元，如三角形或多邊形；在柵格文件中，每個柵格只能賦予唯一的值；若某一柵格有多個不同的屬性，則分別存貯于不同文件，如圖；在柵格數(shù)據(jù)模型中，總的屬性個數(shù)可以通過計算得到；7/26/2023124第二講空間數(shù)據(jù)返回7/26/2023125第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：柵格結(jié)構(gòu)組織方法以像元為記錄的序列，可節(jié)省存貯空間，如圖；以層為基礎(chǔ)，每層以像元為記錄序列，形式簡單，如圖；以層為主，每層以多邊形為序列，可節(jié)省用于存貯屬性的空間，如圖；7/26/2023126第二講空間數(shù)據(jù)返回7/26/2023127第二講空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)壓縮——變長編碼定義：按行的順序存貯多邊形內(nèi)的各像元，通常用于對專題數(shù)據(jù)的處理；優(yōu)點：對于“多對一”的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，可有效減少輸入量和存貯量；缺點：計算期間的數(shù)據(jù)處理和制圖輸出的工作量有所增加；3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：柵格結(jié)構(gòu)7/26/2023128第二講空間數(shù)據(jù)7/26/2023129第二講空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)壓縮——四叉樹編碼定義：將22像元陣列連續(xù)地進(jìn)行4等分，一直分到正方形的大小正好與像元的大小相等為止；優(yōu)點：

容易而有效地計算多邊形的數(shù)量特征；陣列各部分的分辨率是可變的，邊界復(fù)雜部分四叉樹分級較多，分辨率也高；柵格四叉樹的轉(zhuǎn)換比其它壓縮方法容易；多變形中嵌套異類小多邊形的表示較方便；缺點：轉(zhuǎn)換的不定性3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：柵格結(jié)構(gòu)7/26/2023130第二講空間數(shù)據(jù)7/26/2023131第二講空間數(shù)據(jù)7/26/2023132第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：矢量結(jié)構(gòu)點實體由單獨一對坐標(biāo)定位的一切地理或制圖實體，及屬性，顯示符號。線實體直線：起、止點坐標(biāo)，屬性，顯示符號?；?、鏈：n個坐標(biāo)對的集合，屬性，指針系統(tǒng)，顯示符號。面實體無拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的點、線、面的矢量結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)組織，如圖；具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的矢量結(jié)構(gòu)，如圖；

TIN（TriangleIrregularNetwork）結(jié)構(gòu)的拓?fù)浔磉_(dá)，如圖；7/26/2023133第二講空間數(shù)據(jù)返回7/26/2023134第二講空間數(shù)據(jù)返回7/26/2023135第二講空間數(shù)據(jù)7/26/2023136第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：矢、柵結(jié)構(gòu)的比較柵格結(jié)構(gòu)優(yōu)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單；疊加操作易實現(xiàn)，更有效；能有效表達(dá)空間可變性；便于做圖象的有效增加；缺點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不嚴(yán)密不緊湊，需用壓縮技術(shù)解決；難以表達(dá)拓?fù)潢P(guān)系；圖形輸出不美觀，線條有鋸齒；矢量結(jié)構(gòu)優(yōu)點提供更嚴(yán)密的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；提供更有效的拓?fù)渚幋a，因而對需要拓?fù)湫畔⒌牟僮鞲行?，如網(wǎng)絡(luò)分析；圖形輸出美觀，接近于手繪；缺點比柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；疊加操作沒有柵格有效；表達(dá)空間變化能力差；不能像數(shù)字圖象那樣做增強處理7/26/2023137第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：矢、柵結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換矢量到柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換選擇單元的大小和形狀；將點和線實體角點的笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到預(yù)定分辨率和已知位置的矩陣中；利用單根根掃描線（沿行或列）或一組相連接的掃描線去測試線性要素與單元邊界的交叉點，并記錄穿過交叉點的柵格單元個數(shù)；測試多邊形時，先測試角點，再對剩下線段進(jìn)行二次掃描，到達(dá)邊界位置時，記錄其位置與屬性值。7/26/2023138第二講空間數(shù)據(jù)柵格到矢量的轉(zhuǎn)換拓?fù)滢D(zhuǎn)換保持柵格表達(dá)的連通性與鄰接性；轉(zhuǎn)換物體正確的外形點：某個單元的值與周圍不同，代表點；線：具有相同屬性值的連續(xù)的單元格，將其搜索出來并細(xì)化處理，成為一條線；面：將所有單元編碼，將具有同一屬性的單元歸為一類，再檢測兩類不同屬性的邊界作為多邊形的一條邊。3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：矢、柵結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換7/26/2023139第二講空間數(shù)據(jù)3、空間數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu) ——空間數(shù)據(jù)組織與管理空間數(shù)據(jù)分層的方法按專題分層；