第三章-GIS空间分析的数据模型课件

1第三章第三章 GIS空间分析的数据模型空间分析的数据模型秦秦 昆昆武汉大学遥感信息工程学院遥感科学与技术本科生教案武汉大学遥感信息工程学院遥感科学与技术本科生教案(2012年年)1第三章 GIS空间分析的数据模型秦 昆qinkun1632空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术。空间分析方法受空间数据表示形式的制约和影响，研究空间分析必须考虑空间数据的表示方法和空间数据模型。2空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术。3n空间数据表示的基本任务：将以图形模拟的空间物体表示成计算机能够接受的数字形式。3.1 空间数据的表示空间数据的表示3空间数据表示的基本任务：将以图形模拟的空间物体表示成计算机4l空间数据的两种表示模型：空间数据的两种表示模型：栅格模型：地理空间被划分为规则的小单元，空间位置由栅格单元的行、列号表示。栅格单元的大小反映了数据的分辨率即精度，空间物体由若干个栅格单元隐含描述。矢量模型：各类地理要素根据空间形态特征分为点、线、面三类/（体状空间对象）。地物是显示描述的。4空间数据的两种表示模型：栅格模型：地理空间被划分为规则的小53.2 空间数据模型空间数据模型l l空间数据模型：空间数据模型：空间数据模型：空间数据模型：是关于是关于GISGIS中空间数据组织的概念，中空间数据组织的概念，反映现实世界中的空间实体，及其相互之间的联系，反映现实世界中的空间实体，及其相互之间的联系，为为空间数据组织和空间数据库模式设计提供基本的概念和方法。53.2 空间数据模型空间数据模型：是关于GIS中空间数6n nGIS数据模型的三个层次：概念数据模型逻辑数据模型物理数据模型6GIS数据模型的三个层次：7l lGIS空间数据模型的概念模型：空间数据模型的概念模型：基本任务：基本任务：确定感兴趣的现象和基本特性，描述实确定感兴趣的现象和基本特性，描述实体间的相互联系，确定空间数据库的信息内容。体间的相互联系，确定空间数据库的信息内容。遥感数据的ER图7GIS空间数据模型的概念模型：遥感数据的ER图8空间数据的逻辑数据模型空间数据的逻辑数据模型是根据概念数据模型确定是根据概念数据模型确定的空间数据库的信息内容的空间数据库的信息内容(空间实体及相互关系空间实体及相互关系)，具，具体地表达体地表达数据项、记录数据项、记录等之间的关系。等之间的关系。湖北省湖区分布图的逻辑模型设计湖北省湖区分布图的逻辑模型设计 8空间数据的逻辑数据模型是根据概念数据模型确定的空间数据库的9n n物理数据模型：是描述数据在计算机中的物理组织、存取路径和是描述数据在计算机中的物理组织、存取路径和数据库结构。数据库结构。n n逻辑数据模型转换为物理数据模型：逻辑数据模型转换为物理数据模型：涉及空间数据的物理组织、空间存取方法、数据涉及空间数据的物理组织、空间存取方法、数据库总体存储结构等。库总体存储结构等。9物理数据模型：10l lGIS中的信息模型：中的信息模型：基于对象的模型：强调离散对象，根据它们的边界线以及组成或者与它强调离散对象，根据它们的边界线以及组成或者与它们相关的其它对象，可详细地描述离散对象。们相关的其它对象，可详细地描述离散对象。网络模型：表示对象之间的交互，如水或者交通流。表示对象之间的交互，如水或者交通流。场模型：表示在二维或者三维空间中被看作是连续变化的数据。表示在二维或者三维空间中被看作是连续变化的数据。在基于场的空间概念模型指导下，引出了栅格数据模型；在基于对象的空间数据模型指导下，引出了矢量数据模型。10GIS中的信息模型：在基于场的空间概念模型指导下，引出了113.4 场模型场模型n场模型的数学表示 模拟一定空间内具有连续分布特点的现象。空气中污染物的集中程度、地表的温度、土壤的湿度水平以及空气与水的流动速度和方向。场可以表现为二维场或三维场。一个二维场就是在二维空间中任何已知的地点上，都有一个表现这一现象的值；一个三维场就是在三维空间中对于任何位置来说都有一个值。113.4 场模型场模型的数学表示 模拟一定空间内具有连12 场模型的数学公式：场模型的数学公式：z：s z(s)z为可度量的函数，s表示空间中的位置。表示从空间域(甚至包括时间坐标)到某个值域的映射。12 场模型的数学公式：13地理要素地理要素是通过是通过地理实体地理实体定义的，定义的，地理实体地理实体是真实是真实世界中世界中不能再被细分为同一类现象不能再被细分为同一类现象的地理现象。的地理现象。3.5 要素模型要素模型地理要素模型地理要素模型地理要素模型地理要素模型只对地理实体的属性只对地理实体的属性只对地理实体的属性只对地理实体的属性(包括空间属性和包括空间属性和包括空间属性和包括空间属性和地理属性地理属性地理属性地理属性)及关系感兴趣。及关系感兴趣。及关系感兴趣。及关系感兴趣。n欧氏空间中的三类地物要素对象：点对象线对象多边形对象13地理要素是通过地理实体定义的，地理实体是真实世界中不能再144)角点角点(Vertex)：表示线段和弧表示线段和弧段上的内部点。段上的内部点。1)实体点实体点(point entity)：用来代表一用来代表一个实体。个实体。2)注记点：注记点：用于定位注记。用于定位注记。3)内点内点(label point)：用于负载多用于负载多边形的属性，存在于多边形内。边形的属性，存在于多边形内。点对象：点对象：有特定位置，维数为零的物体。有特定位置，维数为零的物体。5)结点结点(node):表示线的起点和终点。表示线的起点和终点。144)角点(Vertex)：表示线段和弧段上的内部点。1151）实体长度）实体长度:从起点到终点的总长度。2）弯曲度）弯曲度:如用于表示道路拐弯时弯曲的程度。3）方向性）方向性:用于表示线对象的方向，如水流方向是从上游到下游，公路有单向和双向之分。线状实体：线状实体：线段、边界、链、弧段、网络等。线对象：线对象：线对象：线对象：维度为1的空间组分，有一系列坐标表示。线对象的特征：多边线简单闭合多边线151）实体长度:从起点到终点的总长度。线状实体：线段、边16面状实体的特征：面状实体的特征：面积范围面积范围；周长周长；独立性或与其它地物相邻独立性或与其它地物相邻：如中国及其周边国家；如中国及其周边国家；内岛或锯齿状外形内岛或锯齿状外形；重叠性与非重叠性重叠性与非重叠性：如报纸的销售领域、学校的分区、菜市场的服务范围都有可能出现交叉重叠现象。多边形对象多边形对象多边形对象多边形对象/面状实体：面状实体：面状实体：面状实体：由一封闭曲线加内点来表示，是对湖泊、岛屿、地块等一类对象的描述。16面状实体的特征：多边形对象/面状实体：由一封闭曲线加内点17有多种不同类型的多边形：普通多边形、凸多边形、星状多边形等。多边形凸多边形星状多边形17有多种不同类型的多边形：普通多边形、凸多边形、星状多边形18n场模型和要素模型场和对象可以在多种水平上共存，基于场的方法和基于要素的方法并不互相排斥。有些应用可以很自然地应用场来建模；但是，场模型也并不是适合所有情况。基于场的模型和基于要素的模型各有长处，应该恰当地综合运用这两种方法来建模。在地理信息系统应用模型的高层建模、数据结构设计及地理信息系统应用中，都会遇到这两种模型的集成问题。18场模型和要素模型场和对象可以在多种水平上共存，基于场的方19n n网络模型网络模型网络模型网络模型把地物抽象为把地物抽象为链和节点链和节点，同时要关注其，同时要关注其间的连通关系。间的连通关系。网络模型网络模型要要考虑多个要素之间的影响和交互考虑多个要素之间的影响和交互。现。现象的精确形状并不重要，重要的是具体现象之间象的精确形状并不重要，重要的是具体现象之间的距离或者阻力的度量。的距离或者阻力的度量。网络模型的典型例子：网络模型的典型例子：陆上、海上及航空线路，陆上、海上及航空线路，管线与隧道分析，水、油及电力的流动等。管线与隧道分析，水、油及电力的流动等。3.6 网络结构模型网络结构模型19网络模型3.6 网络结构模型20l l网络组成要素：网络组成要素：链链(Link)(Link)：链构成了网络模型的框架。链构成了网络模型的框架。链链代表用于实现运输和交流的代表用于实现运输和交流的相互联接的相互联接的线性线性实体实体。可用于表示现实世界网络中运输网络的。可用于表示现实世界网络中运输网络的高速路、铁路，和电网中的传输线和水文网络高速路、铁路，和电网中的传输线和水文网络中的河流。中的河流。其状态属性包括其状态属性包括阻力阻力和和需求需求。结点结点(Node)(Node)：链的终止点。链的终止点。链总是在结点处相交。结点可以用来表示道路链总是在结点处相交。结点可以用来表示道路网络中道路交叉点、河网中的河流交汇点等。网络中道路交叉点、河网中的河流交汇点等。20网络组成要素：21站点站点(Stops)(Stops)：在某个流路上经过的位置。代表现在某个流路上经过的位置。代表现实世界中邮路系统中的邮件接收点、或高速公路实世界中邮路系统中的邮件接收点、或高速公路网中经过的城市等。网中经过的城市等。中心中心(Center)(Center)：网络中的一些离散位置，可以提供网络中的一些离散位置，可以提供资源。如现实世界中的资源分发中心、购物中心、资源。如现实世界中的资源分发中心、购物中心、学校、机场等。其状态属性包括资源容量，如总学校、机场等。其状态属性包括资源容量，如总的资源量；阻力限额，如中心与链之间的最大距的资源量；阻力限额，如中心与链之间的最大距离或时间限制。离或时间限制。拐点拐点(Turn)(Turn)：从一个链到另一个链的过渡。拐点在从一个链到另一个链的过渡。拐点在网络模型中不用于模拟现实世界中的实体，而是网络模型中不用于模拟现实世界中的实体，而是代表链与链之间的过渡关系。代表链与链之间的过渡关系。21站点(Stops)：在某个流路上经过的位置。代表现实世界22n n网络跟踪(Trace)用于研究用于研究网络中网络中资源和信息的流向资源和信息的流向；在水文应用中，在水文应用中，网络跟踪网络跟踪可用于：可用于：计算河流中水流的体积计算河流中水流的体积，跟踪污染物从污染源开始，沿溪流向下游扩散的跟踪污染物从污染源开始，沿溪流向下游扩散的过程过程。常用的网络模型：常用的网络模型：22网络跟踪(Trace)常用的网络模型：23n n路径选择路径选择(Path Finding)在远距离送货、物资派发、急救服务和邮递等服在远距离送货、物资派发、急救服务和邮递等服务中，经常需要在一次行程中务中，经常需要在一次行程中同时访问多个站点同时访问多个站点(收货方、邮件主人、物资储备站等收货方、邮件主人、物资储备站等)，如何寻找到一个最短和最经济的路径，保证访问如何寻找到一个最短和最经济的路径，保证访问到所有站点，同时最快最省地完成一次行程呢到所有站点，同时最快最省地完成一次行程呢?常用的网络模型：常用的网络模型：23路径选择(Path Finding)常用的网络模型：24n n资源分配资源分配(Allocate)反映现实世界网络中资源的供需关系模型。反映现实世界网络中资源的供需关系模型。“供供”代表一定数据的资源或货物，位于代表一定数据的资源或货物，位于“中中心心CENTER”CENTER”设施中。设施中。“需需”指对资源的利用。指对资源的利用。分配分析：分配分析：在空间中的一个或多个点间分配资源。在空间中的一个或多个点间分配资源。常用的网络模型：常用的网络模型：24资源分配(Allocate)常用的网络模型：25n n地址编码与匹配地址编码与匹配利用人们习惯的利用人们习惯的地址地址(街道门牌号街道门牌号)信息信息确定它在确定它在地图上的确切位置的技术。地图上的确切位置的技术。客户名单、事故报告、报警中所使用的定位信息客户名单、事故报告、报警中所使用的定位信息多数是按人们习惯的街道门牌号等文字形式提供多数是按人们习惯的街道门牌号等文字形式提供的，经常在地图上需要迅速定位。的，经常在地图上需要迅速定位。例如，例如，110110接警后，需要迅速定位求救地点，然后接警后，需要迅速定位求救地点，然后才可以采取进一步措施才可以采取进一步措施(例如寻求最优路径前往救例如寻求最优路径前往救助助)。常用的网络模型：常用的网络模型：25地址编码与匹配常用的网络模型：26n n选址和分区(Location-Allocation)分析决定一个或多个服务设施的最优位置。决定一个或多个服务设施的最优位置。定位：保证服务设施可以以最经济有效的方式为它所服务的人群提供服务。分析中既有定位过程，也有资源分配过程。u实际问题：加油站；加油站；急救服务设置；急救服务设置；救火、医疗急救；救火、医疗急救；学校的选址等。学校的选址等。常用的网络模型常用的网络模型26选址和分区(Location-Allocation)分析27n n空间相互作用和引力模型空间相互作用和引力模型空间相互作用和引力模型空间相互作用和引力模型用于理解和预测某点发生的活动和人、资源及信用于理解和预测某点发生的活动和人、资源及信息的流动。息的流动。两点间距离越近，发生相互作用的可能性越大。两点间距离越近，发生相互作用的可能性越大。27空间相互作用和引力模型28n n空间相互作用和引力模型空间相互作用和引力模型空间相互作用和引力模型空间相互作用和引力模型实际问题：实际问题：为什么物资总是向沿海地区流动；为什么物资总是向沿海地区流动；为什么某一区域的人们总是去特定的商场购物；为什么某一区域的人们总是去特定的商场购物；从家到电影院超过多长时间后，就不会选择去这从家到电影院超过多长时间后，就不会选择去这个电影院看电影了。个电影院看电影了。类似于路径选择，类似于路径选择，除了考虑两个对象的距离，还除了考虑两个对象的距离，还要考虑相互作用时发生的活动的性质要考虑相互作用时发生的活动的性质。例如，人。例如，人们不愿意去距离远的商场购物，但可能愿意去较们不愿意去距离远的商场购物，但可能愿意去较远地方的名医求医问药。远地方的名医求医问药。28空间相互作用和引力模型29静态静态GIS（SGIS）：）：l传统的地理信息系统应用只涉及地理信息的传统的地理信息系统应用只涉及地理信息的两个方面：两个方面：空间维度空间维度和和属性维度属性维度。时态时态GIS（TGIS）:l能够同时处理能够同时处理时间维度。时间维度。l解决解决历史数据的丢失问题历史数据的丢失问题。l实现数据的实现数据的历史状态重建历史状态重建、时空变化跟踪时空变化跟踪、发展势态的预测发展势态的预测等功能。等功能。3.7 时空数据模型时空数据模型29静态GIS（SGIS）：3.7 时空数据模型30n n数据的时间维度：数据的时间维度：结构化数据：结构化数据：如一个测站历史数据的积累，可以如一个测站历史数据的积累，可以通过在属性数据表记录中简单地增加一个时间戳通过在属性数据表记录中简单地增加一个时间戳(Time Stamp)(Time Stamp)实现管理；实现管理；非结构化数据：非结构化数据：如土地利用状况的变化。描述这如土地利用状况的变化。描述这种时空数据是种时空数据是TGISTGIS数据模型数据模型重点要解决的问题。重点要解决的问题。30数据的时间维度：31l l时空数据模型的主要类型：序列快照模型序列快照模型基图修正模型基图修正模型空间时间立方体模型空间时间立方体模型空间时间组合体模型空间时间组合体模型31时空数据模型的主要类型：32n n序列快照模型 将一系列时间片段的快照保存起来，各个切片分将一系列时间片段的快照保存起来，各个切片分别对应不同时刻的状态图层，反映地理现象的别对应不同时刻的状态图层，反映地理现象的时时空演化过程空演化过程。32序列快照模型33n n基态修正模型基态修正模型 基态修正模型按事先设定的时间间隔进行采样，它基态修正模型按事先设定的时间间隔进行采样，它只存储某个时间数据状态只存储某个时间数据状态(基态基态)和相对于基态的变和相对于基态的变化量。化量。33基态修正模型 34n n时空立方体模型(Space-time Cube)由由空间两个维度空间两个维度和和一个时间维一个时间维组成，描述了二维组成，描述了二维空间沿着第三个时间维演变的过程。任何一个空空间沿着第三个时间维演变的过程。任何一个空间实体的演变历史都是间实体的演变历史都是空间空间-时间立方体时间立方体中的一中的一个实体。个实体。34时空立方体模型(Space-time Cube)35n n空间时间组合体模型空间时间组合体模型 空间分隔成具有相同时空过程的空间分隔成具有相同时空过程的最大的公共时空最大的公共时空单元单元，每个时空对象的变化都将在整个空间内产，每个时空对象的变化都将在整个空间内产生一个新的对象。生一个新的对象。模型模型将空间变化和属性变化都将空间变化和属性变化都映射为空间的变化映射为空间的变化，是序列快照模型和基态修正模型的折衷模型。是序列快照模型和基态修正模型的折衷模型。35空间时间组合体模型 36n n面向对象的时空数据模型 将时态变化语义嵌入空间实体的描述中，将空间将时态变化语义嵌入空间实体的描述中，将空间实体视为封装有变化组分的对象，可以表现时间实体视为封装有变化组分的对象，可以表现时间因素并表现实体的过去、现在和未来。因素并表现实体的过去、现在和未来。核心：核心：以面向对象的基本思想组织地理时空对象以面向对象的基本思想组织地理时空对象。l每个地理时空对象中封装了对象的时态性、空间每个地理时空对象中封装了对象的时态性、空间特性、属性特性和相关的行为操作及与其他对象特性、属性特性和相关的行为操作及与其他对象的关系。的关系。l时间、空间及属性在时空对象中具有同等重要的时间、空间及属性在时空对象中具有同等重要的地位。地位。36面向对象的时空数据模型37 3.8 三维空间数据模型三维空间数据模型l lGISGIS本质上是三维连续分布的本质上是三维连续分布的以二维系统来描述三维的自然现象，不能够精确以二维系统来描述三维的自然现象，不能够精确地反映、分析或显示有关信息。地反映、分析或显示有关信息。地质、地球物理、气象、水文、采矿、地下水、地质、地球物理、气象、水文、采矿、地下水、灾害、污染等都是三维的。灾害、污染等都是三维的。三维三维GISGIS在数据采集、系统维护和界面设计等方在数据采集、系统维护和界面设计等方面比二维面比二维GISGIS要复杂得多。要复杂得多。37 3.8 三维空间数据模型GIS本质上是三维连续分布的38l l三维三维GIS：具备二维具备二维具备二维具备二维GISGIS的传统功能；的传统功能；的传统功能；的传统功能；可包容一维、二维对象；可包容一维、二维对象；可包容一维、二维对象；可包容一维、二维对象；能对能对能对能对2.52.5维、三维对象进行可视化表达；维、三维对象进行可视化表达；维、三维对象进行可视化表达；维、三维对象进行可视化表达；对三维空间对三维空间对三维空间对三维空间DBMSDBMS进行管理。进行管理。进行管理。进行管理。38三维GIS：39n n 三维空间数据模型的类型三维空间数据模型的类型l基于面模型的构模侧重于三维空间实体的表面表示，如地形表面、地质层面、构筑物(建筑物)及地下工程的轮廓与空间框架。l基于体模型的构模体模型是基于三维空间的体元分割和真三维实体表达，体元的属性可以独立描述和存储。l混合模型的构模方法综合面模型和体模型的优点，综合规则体元与非规则体元的优点，取长补短。39 三维空间数据模型的类型基于面模型的构模40End,Thanks!40End,