1、地理信息系統地理信息系統第3講 空間數據模型-概念模型 本講內容本講內容地理空間與空間抽象空間數據概念模型空間關系（空間拓撲關系）模型的作用 由于模型是對客觀世界中解決各種實際問題所依據的規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系或者聯系，有利于問題的解決。數據模型(方根模型)實物模型. 為了能夠利用地理信息系統工具解決現實世界中的問題，首先必需將復雜的地理事物和現象簡化和抽象到計算機中進行表示、處理和分析。這就需要對現實世界進行抽象建模，其結果就是空間數據模型。空間數據建模的基本任務：針對所研究的空間現象或問題，描述GIS的空間數據組織，設計GIS空間數據庫模式

2、，這包括定義空間實體及其相互間關系，確定數據實體或目標及其關系，設計在計算機中的物理組織、存儲路徑和數據庫結構等。1、空間認知和空間抽象 對現實世界進行認知、簡化和抽象表達，并將抽象結果組織成有用、能反映現實世界真實狀況數據集，是地理信息系統重要任務之一，也是GIS的理論基礎。 現實世界（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）項目世界（Project）地理點列世界（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地理對象的抽象的9個層次模型現實世界是所有事物（Fact）的集合，無論人們是否知道這些事物。根據事物的本

3、質，人們可以認識理解現實世界中的事物。 現實世界概念世界是人類自然語言的世界，人類了解且認識其所命名的事物，因此這些事物構成了“語言的世界”。 概念世界地理空間世界復雜的形狀、樣式、細節被抽象 由于在概念層次的世界充滿了復雜的形狀、樣式、細節。這些復雜性在地理空間世界中被消除，并用簡單的、淺顯的抽象來代替，這些抽象通常在時間以及空間上都是靜態的。維度世界是地理空間世界的一個抽象，其中包括一些測量工具，如卷尺測量和指南針，在這樣的水平上所認識到的事實包括一元（Unary）關系（如一個弧段的長度）和二元（Binary）關系（如兩點之間的距離），這些關系本身就是各種要素的抽象。 維度世界空間參照系統

4、的概念被引入反映了一個制圖員、一個地籍管理人員和一個道路管理人員視角的項目世界項目世界。項目世界正是項目世界語言的多樣性導致了GIS信息交換的難題。點集世界幾何世界要素世界GIS空間抽象舉例觀察和認知觀察和認知信息信息選擇、綜合、簡化和抽象選擇、綜合、簡化和抽象空間事物或現象空間事物或現象概念模型概念模型Conceptial Model邏輯數據模型邏輯數據模型Logical Data Model編碼、表達、建立空間關系編碼、表達、建立空間關系物理數據模型物理數據模型Physical Data Model數據結構對數據進行組織數據結構對數據進行組織概念世界概念世界最高層最高層數據世界數據世界（計

5、算機）（計算機）中間層中間層空間數據庫空間數據庫最底層最底層現實世界現實世界2 空間數據概念模型空間數據概念模型 以以GIS觀點對客觀世界建立模型，考慮如下對象：觀點對客觀世界建立模型，考慮如下對象：不連續對象，如道路、水域、建筑物；連續變化的對象，如地形的連續變化、溫度范圍等；分類的對象，如植被類型、氣候帶、年齡段等；突發事件：事故、水災；某種人工選擇的表達方式，如點、線（等高線）、面、柵格等。 對象模型對象模型場模型場模型網絡模型網絡模型地理空間數據的概念模型地理空間數據的概念模型對象模型場模型網絡模型 對象模型/要素模型 將研究的整個地理空間看成一個空域，地理現象和空間實體作為獨立的對象

6、分布在該空域中,對象模型強調地理空間中的單個地理現象。 按照其空間特征分為點、線、面、體四種基本對象; 對象也可能由其他對象構成復雜對象，并且與其他分離的對象保持特定的關系，如點、線、面、體之間的拓撲關系; 每個對象對應著一組相關的屬性以區分各個不同的對象; 對象模型把地理現象當作空間要素（Feature）或空間實體（Entity）,一個空間要素必須同時符合三個條件：可被標識在觀察中的重要程度確定尺度有明確的特征且可被描述 傳統的地圖是以對象模型進行地理空間抽象和建模的實例。 場/域（field）模型l把地理空間中的現象作為連續的變量或體來看待，如大氣污染程度、地表溫度、土壤濕度、地形高度以及

7、大面積空氣和水域的流速和方向等; 根據不同的應用，場可以表現為二維或三維;u一個二維場就是在二維空間R2中任意給定的一個空間位置上，都有一個表現某現象的屬性值，即 Af(x，y) u一個三維場是在三維空間R R3 3中任意給定一個空間位置上，都對應一個屬性值，即 Af(x，y，z) n 二維空間場一般采用6種具體的場模型來描述: 規則分布的點規則分布的點不規則分布的點不規則分布的點規則矩形區規則矩形區不規則多邊形區不規則多邊形區不規則三角形區不規則三角形區等值線等值線格網地勢表達格網地勢表達網絡模型網絡模型 網絡是由歐式空間中的若干點及它們之間相互連接的線（段）構成。 網絡是由一系列節點和環鏈

8、組成的，在本質上，網絡模型可 看成對象模型的一個特例，它是由點對象和線對象之間的拓撲空間關系構成的。 3、空間關系、空間關系空間關系是指地理空間實體之間相互作用的關系。空間關系主要有：拓撲空間關系：用來描述實體間的相鄰、連通、包含和相交等關系；順序空間關系：用于描述實體在地理空間上的排列順序，如實體之間前后、上下、左右和東、南、西、北等方位關系；度量空間關系：用于描述空間實體之間的距離遠近等關系。拓撲一詞來自于希臘文，意思是“形狀的研究”。拓撲學是幾何學的一個分支，它研究在拓撲變換（縮放、旋轉、扭曲和拉伸等）下能夠保持不變的幾何屬性下能夠保持不變的幾何屬性拓撲屬性。拓撲屬性。空間拓撲關系空間拓

9、撲關系拓撲屬性一個點在一個弧段的端點一個弧段是一個簡單弧段（弧段自身不相交）一個點在一個區域的邊界上一個點在一個區域的內部一個點在一個區域的外部一個點在一個環的內部一個面是一個簡單面（面上沒有“島”）一個面的連續性（給定面上任意兩點，從一點可以完全在面的內部沿任意路徑走向另一點）非拓撲屬性兩點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域的周長一個區域的面積實體對象所具有的拓撲和非拓撲屬性實體對象所具有的拓撲和非拓撲屬性面面關系：與某個面狀地物相鄰的所有多邊形；線線關系：如與某個河流關聯的所有支流；n 點點關系：如與某個水井相距小于3Km的其它井； 線線面關系：如檢索某國道經過的所有縣市

10、；面關系：如檢索某國道經過的所有縣市；n 面線關系：如檢索某縣境內所有公路；點點線關系：如檢索某公路邊的加油站；線關系：如檢索某公路邊的加油站；n 點點面關系：如檢索某縣范圍內郵電所分布情況；面關系：如檢索某縣范圍內郵電所分布情況；查詢與中國陸地接壤的國家？ 空間數據的拓撲關系，對數據處理和空間分析具有重要的意義：1.拓撲關系能清楚地反映實體之間的邏輯結構關系，它比幾何坐標關系有更大的穩定性，不隨投影變換而變化。2.利用拓撲關系有利于空間要素的查詢。3.可以根據拓撲關系重建地理實體。例如根據弧段構建多邊形，實現道路的選取，進行最佳路徑的選擇等。空間順序關系空間順序關系順序空間關系是基于空間實體

11、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；同拓撲空間關系的形式化描述類似，也可以按點點、點線、點面、線線、線面和面面等多種組合來考察不同類型空間實體間的順序關系；順序空間關系必須是在對空間實體間方位進行計算后才能得出； 實體間的順序空間關系隨著空間數據的投影、幾何變換，順序空間關系也會發生變化在目前的GIS中，并不對順序空間關系進行描述和表達。 基準方向基準方向基準方向基準方向基準方向基準方向點點順序關系點點順序關系點線順序關系點線順序關系點面順序關系點面順序關系線線順序關系線線順序關系線面順序關系線面順序關系面面順序關系面面順序關系基準方向基準方向基準方向基準方向基

12、準方向基準方向不同類型實體間的順序關系不同類型實體間的順序關系度量空間關系度量空間關系度量空間關系主要指空間實體間的距離關系；按照拓撲空間關系中建立點點、點線、點面、線線、線 面和面面等不同組合來考察不同類型空間實體間的度量關系；距離的度量可以是定量的，如按歐幾里德距離計算得出A實體距離B實體500m，也可以應用與距離概念相關的概念如遠近等進行定性地描述；與順序空間關系類似，距離值隨投影和幾何變換而變化。建立點點的度量關系容易、點線和點面的度量關系較難，而線線、線面和面面的度量關系更為困難，涉及大量的判斷和計算；在GIS中，一般也不明確描述度量空間關系；距離量算距離量算 距離描述了兩個事物或實體之間的遠近程度。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性，一點到另一點不僅與歐氏距離有關，還與交通、運輸工具性能等有關，因此有曼哈頓距離、非歐氏距離等說法。考慮到阻力影響，計算的距離稱為耗費距離。物質在空間中移動總要花費一些代價，如資金、時間等。阻力越大耗