[GIS原理] 3 空间数据模型

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数据模型 介绍 优点 缺点
矢量数据模型 采用坐标与属性来表达空间实体 1. 数据结构严密,冗余度小,数据量小
2. 空间拓扑关系清晰,易于网络分析
3. 面向对象目标的,不仅能表达属性编码,而且能方便记录每个目标的具体的属性描述信息,能够实现图形数据的恢复、更新和综合
4. 图形显示质量好、精度高
1. 数据结构处理算法复杂
2. 叠置分析与栅格图组合比较难
3. 数学模拟比较困难
4. 空间分析技术上比较复杂,需要更复杂的软硬件条件
5. 显示与绘图成本比较高
栅格数据模型 对面域或空域进行枚举 1. 数据结构简单,易于算法实现
2. 空间数据叠置和组合容易,有利于遥感数据的匹配应用和分析
3. 各类空间分析,地理现象模拟均较为容易
4. 输出方法快速简易,成本低廉
1. 图形数据量大,用大像元减少数据量时,精度和信息受损失
2. 难以建立空间网络连接关系
3. 投影变化实现困难
4. 图形数据质量低,地图输出不精美
矢栅一体化 同时用矢量、栅格数据结构来表达 1. 集矢量、栅格两者的优点
2. 建立了栅格与实体的联系,明确了栅格与实体的对应关系
1. 对空间实体及其关系描述的数据量增大
2. 两者生硬的结合,没有实质性的进展
镶嵌数据模型 用小面块逼近自然界表面 1. 规则格网系统:容易叠置分析,存储的数据具有隐式坐标,无需对坐标进行数字化
2. 不规则格网:消除数据冗余,格网的结构本身适应于数据的实际分布,可表示不连续的地理现象
数据量大,算法实现比较复杂和困难,数据表示方面容易产生不协调
面向对象数据模型 基于面向对象思想 可得到复杂地理对象的逻辑数据模型 1. 复杂属性只能拆分成并列的单一属性,不利于查找、更新和删除
2. 无法表示变长的属性
3. 无法表示嵌套表

1 相关概念

【空间数据模型】

  • 使用一系列能支持空间查询与分析、地图编辑与显示的数据对象来对现实世界进行的抽象
  • 即对现实世界进行抽象建模,其结果就是空间数据模型

本章讨论如下内容:

1.1 地理空间

【地理空间(Geographic Space)】

  • 是指地球表面及近地表空间
  • 是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域
  • 也是地球上最复杂的物理过程、化学过程、生物过程和生物地球化学过程发生的区域

1.2 空间现象

  1. 自然现象

    • 可采样测定的自然现象(如河流的边界,地形起伏、土壤厚度等)
    • 难以采样测定的自然现象(如云团移动、潮汐等)
    • 受定义限制的自然现象(如植被覆盖率大小和范围等)
    • 偶然发生的自然现象(如地震、泥石流等)
  2. 人为现象

    • 可精确测定的规则人为现象(如建筑物边界、道路中线等)
    • 可测定的不规则人为现象(如行政区边界等)
      个体和群体交互作用的复杂人为现象(人的迁徙、疾病的传播等)

1.3 空间实体

【空间实体】对复杂地理事物和现象进行简化抽象得到的不可再分割的同类对象,就是地理空间实体,简称空间实体。

【基本特征】

  1. 空间位置特征
  2. 属性特征
  3. 时间特征
  4. 空间关系

2 地理空间与空间抽象

【空间认知和空间抽象】对现实世界进行认知、简化和抽象表达,并将抽象结果组织成有用、能反映形式世界真实状况数据集

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2.1 概念数据模型

  1. 地理空间中地理事物与现象的抽象概念集,是地理数据的语义解释
  2. 考虑用户需求的共性,用统一的语言描述和综合、集成各用户视图

【构造的基本原则】

  1. 语义表达能力强
  2. 作为用户与GIS软件之间交流的形式化语言,应易于用户理解(如ER模型、UML模型)
  3. 独立于具体计算机实现
  4. 尽量与系统的逻辑模型保持同一的表达形式,不需要任何转换,或者容易向逻辑数据模型转换

2.2 逻辑数据模型

  1. GIS描述概念数据模型中实体及其关系的逻辑结构,是系统抽象的中间层
  2. 逻辑数据模型的建立
    既要考虑用户易理解,又要考虑易于物理实现,易于转换成物理数据模型,例如UML建模
  3. 通常所称的空间数据模型其实是空间数据的逻辑模型。

2.3 物理数据模型

概念数据模型在计算机内部具体的存储形式和操作机制,即在物理磁盘上如何存放和存取,是系统抽象的最底层

2.4 空间数据结构

在逻辑数据模型和物理数据模型间,用于对逻辑数据模型描述的数据进行合理的编码和组织,是逻辑数据模型映射为物理数据模型的中间媒介

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3 GIS所考虑的对象

【GIS所考虑的对象】以GIS观点对客观世界建立模型,考虑的对象有

  1. 不连续对象,如道路、水域、建筑物
  2. 连续变化的对象,如地形的连续变化、温度范围等
  3. 分类的对象,如植被类型、气候带、年龄段等
  4. 突发事件:事故、水灾
  5. 某种人工选择的表达方式,如点、线、面、栅格等

4 地理空间数据的概念模型

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4.1 对象模型/要素模型

  • 将研究的整个地理空间看成一个空域,地理现象和空间实体作为独立的对象分布在该空域中,对象模型强调地理空间中的单个地理现象
  • 按照其空间特征分为点、线、面、体四种基本对象;
  • 对象也可能由其他对象构成复杂对象,并且与其他分离的对象保持特定的关系,如点、线、面、体之间的拓扑关系;
  • 每个对象对应着一组相关的属性以区分各个不同的对象;
  • 对象模型把地理现象当作空间要素(Feature)或空间实体(Entity),一个空间要素必须同时符合三个条件:
    • 可被标识
    • 在观察中的重要程度
    • 有明确的特征且可被描述
  • 传统的地图是以对象模型进行地理空间抽象和建模的实例

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4.2 场模型

  • 把地理空间中的现象作为连续的变量或体来看待,如大气污染程度、地表温度、土壤湿度、地形高度以及大面积空气和水域的流速和方向等;
  • 根据不同的应用,场可以表现为二维或三维;
  • 一个二维场就是在二维空间R2中任意给定的一个空间位置上,都有一个表现某现象的属性值,即A=f(x,y)
  • 一个三维场是在三维空间R3中任意给定一个空间位置上,都对应一个属性值,即 A=f(x,y,z)

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4.3 网络模型(对象模型的特例)

  1. 网络是由欧式空间 R2 中的若干点及它们之间相互连接的线(段)构成
  2. 网络是由一系列节点和环链组成的,在本质上,网络模型可看成对象模型的一个特例,它是由点对象和线对象之间的拓扑空间关系构成的

4.4 如何选择

  1. 是关注要素还是关注位置?
  2. 有什么样的可用数据?
  3. 对定位要素需要何种精度?
  4. 需要什么类型的特征?
  5. 何种拓扑关系能满足需求?
  6. 需要进行何种分析?
  7. 需要制作何种类型的地图?

5 空间数据

【空间数据类型】

  1. 几何图形数据
  2. 影像数据
  3. 属性数据
  4. 地形数据
  5. 元数据

在二维空间中,不同类型的空间数据都可以抽象表示为点、线、面三种基本的图形要素

6 空间关系

空间关系是指地理空间实体之间相互作用的关系。主要有:

  1. 拓扑空间关系:用来描述实体间的相邻、连通、包含和相交等关系
  2. 顺序空间关系:用于描述实体在地理空间上的排列顺序,如实体之间前后、上下、左右和东、南、西、北等方位关系
  3. 度量空间关系:用于描述空间实体之间的距离远近等关系

6.1 空间拓扑关系

地图上的拓扑关系是指图形在保持连续状态下的变形(缩放、旋转和拉伸等),但图形关系不变的性质。

  1. 邻接关系:同类图形要素之间的拓扑关系,如点与点,线与线,面与面
  2. 关联关系:不同类别图形要素之间的拓扑关系,如点与线,线与点,线与面,面与点
  3. 包含关系:同类但不同级图形要素之间的拓扑关系(只有面类要素才有包含关系)
  4. 连通关系:空间图形中弧段之间的拓扑关系。

【定性描述】

  1. 四交模型:采用对象的内部和边界集是否相交来刻画两个对象的拓扑关系
  2. 九交模型

【拓扑关系的意义】

  1. 拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系,它比几何坐标关系有更大的稳定性,不随投影变换而变化
  2. 利用拓扑关系有利于空间要素的查询。
  3. 可以根据拓扑关系重建地理实体。例如根据弧段构建多边形,实现道路的选取,进行最佳路径的选择等

6.2 空间顺序关系

  • 顺序空间关系是基于空间实体在地理空间的分布,采用上下、左右、前后、东南西北等方向性名词来描述;
  • 同拓扑空间关系的形式化描述类似,也可以按点-点、点-线、点-面、线-线、线-面和面-面等多种组合来考察不同类型空间实体间的顺序关系;
  • 顺序空间关系必须是在对空间实体间方位进行计算后才能得出;
  • 实体间的顺序空间关系随着空间数据的投影、几何变换,顺序空间关系也会发生变化
  • 在目前的GIS中,并不对顺序空间关系进行描述和表达

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6.3 度量空间关系

  • 【度量空间关系】主要指空间实体间的距离关系
  • 按照拓扑空间关系中建立点-点、点-线、点-面、线-线、线-面和面-面等不同组合来考察不同类型空间实体间的度量关系
  • 距离的度量可以是定量的,如按欧几里德距离计算得出 A实体 距离 B实体 500m,也可以应用与距离概念相关的概念如远近等进行定性地描述
  • 与顺序空间关系类似,距离值随投影和几何变换而变化。建立点-点的度量关系容易、点-线和点-面的度量关系较难,而线-线、线-面和面-面的度量关系更为困难,涉及大量的判断和计算
  • 在GIS中,一般也不明确描述度量空间关系

7 空间数据逻辑模型

【空间数据逻辑模型】空间数据逻辑模型作为概念模型向物理模型转换的桥梁,根据概念模型确定的空间信息内容,以计算机能理解和处理的形式具体地表达空间实体及其关系

【类型】

  1. 矢量数据模型
  2. 栅格数据模型
  3. 矢量——栅格一体化数据模型
  4. 镶嵌数据模型
  5. 面向对象数据模型
  6. 三维空间数据模型
  7. 时空数据模型

7.1 矢量数据模型

矢量数据模型起源于“Spaghetti模型 ”——一种计算机制图模型

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7.2 栅格数据模型

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  • 栅格数据模型中,点实体是一个栅格单元(cell)或像元,线实体由一串彼此相连的栅格构成,面实体则由一系列相邻的栅格构成;每个栅格对应于一个或一组表示该实体的类型、等级等特征
  • 栅格单元的形状通常是正方形,有时也采用矩形。栅格的行列信息和原点的地理位置被记录在每一层中;
  • 栅格的空间分辨率确定了描述空间现象的精细程度
  • 若需要描述统一地理空间的不同属性,则按不同的属性将数据分层,每层描述一种属性

【栅格数据模型】栅格单元的定义
一个完整的栅格模型需要以下几个参数:

  1. 栅格形状
  2. 栅格单元尺寸大小/分辨率
  3. 栅格原点
  4. 栅格的倾角

【栅格单元的大小】
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【单元值的确定】

  1. 点中心:连续分布地理要素
  2. 重要性:具有特殊意义的较小地物
  3. 面积占有:分类较细、地物斑块较小

7.3 矢量——栅格一体化数据模型

在矢量-栅格数据模型中,对地理空间实体同时按矢量数据模型和栅格数据模型来表述。

  • 面状实体的边界采用矢量数据模型描述,而其内部采用栅格数据模型表达
  • 线状实体一般采用矢量数据模型表达,同时将线所经过位置以栅格单元进行充填
  • 点实体则同时描述其空间坐标以及栅格单元位置,这样则将矢量数据模型和栅格数据模型的特点有机地结合在一起

7.4 镶嵌数据模型

  • 镶嵌(Tessellation)数据模型采用规则或不规则的小面块集合来逼近自然界不规则的地理单元,适合于用场模型抽象的地理现象;
  • 通过描述小面块的几何形态、相邻关系及面块内属性特征的变化来建立空间数据的逻辑模型;
  • 小面块之间不重叠且能完整铺满整个地理空间;
  • 根据面块的形状,镶嵌数据模型可分为
    • 规则镶嵌数据模型
    • 不规则镶嵌数据模型

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7.5 面向对象数据模型

面向对象数据模型应用面向对象方法描述空间实体及其相互关系,特别适合于采用对象模型抽象和建模的空间实体的表达。

  • 地理空间的实体或现象可看作对象或其实例
  • 一个对象是由描述该对象状态的一组数据和表达它的行为的一组操作(方法)组成的:
    • 例如,河流的坐标数据描述了它的位置和形状,而河流的变迁则表达了它的行为
  • 面向对象技术将对象的属性和方法进行封装(encapsulation),另外还有分类(classification)、概括(generalization)、聚集(aggregation)、联合(association)等对象抽象技术以及继承(inheritance)和传播(propagation)等强有力的抽象工具

8 数据模型的发展趋势

【传统GIS模型】

  1. 按照计算机的方法对客观世界地理空间不自然的分割和抽象,是的人们认知地理空间的认知模型与计算机中的数据模型不能形成良好的对应关系,难以表达复杂的地理实体,更难满足客观世界的整体特征要求
  2. 在GIS软件开发中,如果语义分割不合理,将难以有效表达地理空间实体间的关系,这导致较深层次的分析、处理操作难以实现
  3. 随着GIS应用需求领域的不断开拓即计算机技术的迅速发展,对空间数据模型和空间数据结构提出了更高的要求,使得传统的地理空间数据模型力不从心,逐渐暴露弊端

【目前存在的问题】面向对象数据模型一定程度上解决了传统GIS数据模型的某些不足,但是面向对象数据库模型目前仍未在市场以及关键任务应用方面被广泛接受

  1. 面向对象数据模型作为一个DBS还不太成熟,如缺少完全非过程性的查询语言以及视图、授权、动态模式更新和参数化性能协调
  2. 面向对象数据模型与关系型数据库缺少应有的兼容性,因而使大量的已建立起来的庞大的RDB客户不敢轻易地区选择对象数据库模型,相应的厂商也不愿承担风险做出过大的变革

【GIS数据模型的未来】闾国年教授提出基于几何代数的数据模型

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