1、地理信息系統的空間特性地理信息系統的空間特性 空間實體及其描述 空間問題論述 空間處理方法北京大學遙感與GIS研究所 程承旗一、空間實體及其描述一、空間實體 目標：實體的物理表示 實體類型：點、線、面、體等。 實體屬性：對實體特征的描述，屬性有屬性值的概念并有等級之分。 實體要素：實體是點、線、面、體多種要素的復雜組合。空間實體及其描述二、空間實體的描述對空間實體的描述有對空間實體的描述有5 5種內容：種內容： 即識別碼、位置、實體特征、實體的角色、即識別碼、位置、實體特征、實體的角色、行為或功能以及實體的空間特性。行為或功能以及實體的空間特性。識別碼：用于區別同類而又不同的實體。識別碼：用于

2、區別同類而又不同的實體。位置：可用坐標描述也可用其它形式。位置：可用坐標描述也可用其它形式。空間特征：也是位置信息的一種，如維數、類型及實空間特征：也是位置信息的一種，如維數、類型及實體的組合等。體的組合等。實體的行為和功能：是指在數據采集過程中不僅要重實體的行為和功能：是指在數據采集過程中不僅要重視實體的靜態描述，還要收集那些動態的變化，如島視實體的靜態描述，還要收集那些動態的變化，如島嶼的侵蝕、水體污染的擴散、建筑的變形等。嶼的侵蝕、水體污染的擴散、建筑的變形等。實體的衍生信息：如一個實體有許多個名稱。實體的衍生信息：如一個實體有許多個名稱。續- 信息分類實例信息分類實例空間實體及其描述三

3、、空間實體的空間特征 實體根據空間特性可以進行分類，所以實實體根據空間特性可以進行分類，所以實體常常被認為由一些基本的空間單元（指那些體常常被認為由一些基本的空間單元（指那些基本的、實際的、不可再分的元素）來組合并基本的、實際的、不可再分的元素）來組合并生成的編碼數可用空間維數、類型。組合方式生成的編碼數可用空間維數、類型。組合方式說明空間實體的空間特征（見下圖）說明空間實體的空間特征（見下圖）空間單元的類型空間實體的空間特征可有零維、一維、二維、三維之分。實體的二維和三維情況表示如下圖：點狀實體 有如下幾種類型：有如下幾種類型：PointPoint：有特定位置，維數為：有特定位置，維數為0

4、0的物體；的物體；實體點實體點Entity pointEntity point：用來代表一個實體；：用來代表一個實體； 注記點注記點Text pointText point：用于定位注記；：用于定位注記；內點內點Test pointTest point：用于負載多邊形的屬性，存在于：用于負載多邊形的屬性，存在于多邊形內；多邊形內；結點結點NodeNode：表示線的終點和起點；：表示線的終點和起點；角點角點VertexVertex：表示線段和弧段的內部點。：表示線段和弧段的內部點。實體的類型（1）線狀實體 由一列有序坐標表示如下特性： 實體長度：從起點到終點的總長； 彎曲度：用于表示像道路拐彎時

5、彎曲的程度； 方向性：長流方向是從上游到下游，公路則有單向與雙向之分。 線狀實體包括線段、邊界、鏈、弧段、網絡等， 如下圖所示：實體的類型（2）線狀實體類型線狀實體類型面狀實體 面狀實體也稱為多邊形，是對湖泊、島嶼、地塊等一類現象的描述。在數據庫中由一封閉曲線加內點來表示。面狀實體有如下空間特性：面積范圍；周長；獨立性或與其它的地物相鄰，如中國及其周邊國家；內島或鋸齒狀外形；重疊性與非重疊性； 如下圖所示：實體的類型（3）面狀實體類型面狀實體類型立體狀實體 立體狀實體用于描述三維空間中的現象與物體，它具有長度、寬度及高度等屬性。 體積，如工程開掘和填充的土方量； 每個二維平面的面積； 周長 內

6、島或鋸齒狀外形； 含有孤立塊或相鄰塊；斷面圖與剖面圖。實體的類型（4）實體類型組合 現實世界的各種現象比較復群眾觀點，往往由不同的空間單元組合而成，例如：1）根據某些空間單元，可以將空間問題表達出來一個特殊任務有時需要幾種空間單元來描述；2）復雜實體有可能由不同維數和類型的空間單元組合而成；3）某一類型的空間單元組合形成一個新的類型或一個復合實例；4）某一類型的空間實體或以轉換為另一類型；5）某些空間實體具有二重性，也就是說，由不同的維數組合而成。 下圖是不同空間單元組合的現象： 實體類型組合實體類型組合空間實體的時間維（亦稱空間實體的時間特征）的處理 對空間實體或者組合事件的時間維的描述可用

7、以下方式： 1）作為記錄事件或屬性的基本成份； 2）作為沒有空間特性發生改變的實體的一個屬性； 3）作為觀察空間實體變化的參考； 下圖是空間實體的時間維處理實例：不同時間的處理方法不同時間的處理方法空間實體在地理信息系統中的表示（1）1、單一特征 在地理信息系統中，點特征用一組x、y坐標表示，線特征用一維有序的x、y坐標表示，面用一組首尾相同的坐標表示。 如下圖所示：空間實體在空間實體在GIS中的單一特征表示中的單一特征表示注：（3，3）可用于表示一個點的位置。（1，7）， （3，5）， （5，5）， （5，3）， （6，1），可用于表示一條線。（3，10）， （6，9）， （7，10）， （

8、10，7）， （9，5）， （4，6），（3，8）， （3，10）可用于表示 一個多邊形。 注意第一個坐標和最后一個坐標相同，因為多邊形總是封閉的。2、多種特征的表示 如果具有多種特征，就需要對每一特征給定一個序號。每一特征的坐標可以用與每一特征的坐標列表有關的序號來描述。 見下圖空間實體在地理信息系統中的表示（2）空間實體在空間實體在GIS中的多種特征表示中的多種特征表示3、帶有屬性的空間特征的表示 表示道路的一組線特征的屬性包括：道路類型：1=分隔行駛的公路 2=干線公路 3=主要公路 4=住宅區街道 5=未鋪完的公路路面材料：混凝土、柏油、礫石路面寬度：以米計量道路名稱：計數 在GIS系

9、統中可有如下的描述：道路類型 長度 路面材料 寬度 行人道路 道路名稱 2 2715.5 混凝土 52 4 八一路空間實體在地理信息系統中的表示（3） 坐標表示和屬性表示之間共享和屬性表示之間共的是同一識別碼二、空間問題論述 1、空間問題 人類開發和利用地理信息系統是因為它能處理與空間實體之間的各類空間問題。空間問題的一些形式測量與空間關系的一些形式欲解決的空間問題有以下幾類：欲解決的空間問題有以下幾類：1、條件定位：即根據一定的條件與規則確定物體的位置或者路徑。例如；路徑進取：路程最短，時間最省，經費最少定位選取：根據屬性查詢空間位置資源分配開銷安排2、間接推理：即通過建立模型進行的空間決策

10、和預測如：項目選址災害預測與預報環境分析長度、體積、面積、坡度等量算3、空間參考；特定的笛卡爾坐標或極坐標。鄰接性識別，也就是說，線狀實體或面狀實體與某特定實體相接觸。線性定位物。最小尺寸的封閉矩形。地名或數字代碼。地塊、分區及其它外形規則或不規則的空間塊。見下圖2、空間特性 一般空間特性 長度：河流長度、湖泊邊界、公路長度。 表面積；湖泊、島嶼、某區域面積。 體積：土方量、庫容量 規則外表：圓形、方形 不規則外形：鋸齒形海岸線、湖泊水涯線。 方向：山丘的坡向 坡度空間問題論述空間問題論述統計特性相同屬性的實體，可根據統計特性進行區分最大值和最小值的范圍平均值以及變化值復雜特性不相連地物的分布

11、模式居宅建筑發展的安排方式，或農場劃分土地或地塊的路徑布局交通信號燈的距離，以及從不同位置到達城市中心的總計開銷時間。各個地區的相鄰地區數。航空交通系統的網絡穿越某區域的候鳥主要走向現象的連續性。3、空間關系 空間關系在GIS中，表示空間關系的方法主要有5種：1、區域定義；多邊形可用一組封閉的線來定義2、鄰接性：稱為多邊形弧段拓撲3、連通性4、方向性5、包含性空間問題論述空間關系示意圖空間關系示意圖空間關系示意圖空間關系示意圖空間關系示意圖空間關系示意圖4、空間概念及組織1）流的移動。2）網絡。3）節點。4）等級或名次。5）領域或表面。 如果考慮到時間因素，還包括第（6）點6）疾病、思想的散布

12、、傳播。 下圖列舉了一些常見的問題及其類型，可以作為對空間問題的一個總結。空間問題論述空間活動分類空間活動分類我們常會遇到一些只有空間概念的實例： 1、環境物質流 2、礦產資源埋藏地點的預測 3、工程網絡模擬三、空間處理方法三類基本數據之間可能的6種關系；1、點點關系2、點線關系3、點區域關系4、線線關系5、線區域關系6、區域區域關系內插法和外插法內插法有：1）最近值內插：從最接近的數據點取值。 2）使用基于兩點的簡單直線內插。3）基于三點或更多點的曲線內插：可以采用樣條函數。4）隨機內插：基于一定數目的已知點、參數和隨機點來內插。5）模型內插：建立一定的模型來內插。如果是討論數據點范圍外的情

13、形，稱外插法，也有5種。 下兩圖分別顯示各自的5種方式 對于復雜的模型有時根據情況選擇：1、兩個或三個坐標維；2、多種方法選擇數據點；3、用內插還是外插，或者同時使用；4、用何種處理模型，如線型、樣條、模型等。一般來說，要遵循以下幾個原則：1、確定一定數目的數據點來表示每個格網位置；2、確定偏離格網位置的距離；3、確定出偏離格網但在其方向范圍內的位置；4、使用的內插法或外插法過程。在幾何推理過程中，有兩點應注意：1、采樣點數目可能不能完整表示空間分區；2、空間自相關情形。例圖：線和點的基本操作1、線交叉2、線段交叉1）線性方程2）終點坐標3）兩端點間的路徑計算兩條線交叉的同時，還須注意驗證以下

14、兩點： A、算出交叉點后，應檢測該點是否落在兩條線段內； B、用參量方程，看參量t和s是否屬于0到1的范圍內。3、點在多邊形內的處理4、質心的確定5、基于點數據的某些空間統計多邊形操作線與多邊形交叉多邊形操作多邊形的合并與交叉多邊形操作面積計算面積內插的條件：1、均勻面積，即假設其密度均勻；2、或者數據相關聯3、對某一屬性的連續表面描述。多邊形操作多邊形的外形量測及多邊形分割多邊形操作緩沖區生成 7 多邊形操作多邊形覆蓋處理1）識別線段，最好是已有拓撲結構的線段；2）建立多邊形最小的外圍矩形；3）根據點在多邊形內的處理來判斷某多邊形的線段是否在覆蓋圖形的某多邊形內；4）尋找表示邊界的線段的交叉點；5）為新線段建立記錄，并生成相應的拓撲；6）從可能的線段中，重新組合生成新多邊形，這需要根據線段的連通性來判斷。7）如果有新多邊形生成，需要重新標識，并重新分配屬性。附例圖空間數據轉換1）物體維數2）空間實體的表達方式3）實體的記錄位置4）所使用的地圖空間及參考系統5）符號表示（符號化過程）6）數據結構7）屬性量測的比例8）分配屬性給分離空間單元或聚集的空間