GIS空间数据模型.ppt

2 5GIS空间数据模型 一 数据模型概述数据模型是对现实世界部分现象的抽象 它描述了数据的基本结构及其相互之间的关系和在数据上的各种操作 是数据库系统中关于数据内容和数据间联系的逻辑组织的形式表示 以抽象的形式描述和反映地理实体构成及其相互关系 选择与建立数据模型的目的是用最佳的方式表达实体对象及其相互关系 并能以最佳的方式为用户提供访问数据库的逻辑接口数据模型的三要素 数据结构 数据操作和数据的约束条件数据结构 指数据的组织形式 在计算机存储 管理和处理的数据逻辑结构数据模型 是描述实体及其相互关系的数学描述 是空间数据库建立的逻辑模型 两者之间的关系 混合的交叉关系 并不一一对应 二 传统的数据模型1 层次数据模型层次模型是一种树结构模型 它把数据按自然的层次关系组织起来 以反映数据之间的隶属关系 层次模型是数据库技术中发展最早 技术上比较成熟的一种数据模型 层次模型的特点是地理数据组织成有向有序的树结构 又称树形结构 结构中的结点代表数据记录 连线描述位于不同结点数据间的从属关系 一对多的关系 2 5GIS空间数据模型 二 传统的数据模型1 层次数据模型由树的定义知 一棵树有且仅有一个无双亲结点的称为根的结点 其余结点有且仅有一个双亲结点优点 将数据组织成有向有序结构反映了现实世界中实体之间的层次关系缺点 不能表示多对多的关系难以顾及实体之间的拓扑关系导致数据冗余 2 5GIS空间数据模型 二 传统的数据模型2 网状数据模型网状模型将数据组织成有向图结构 图中的结点代表数据记录 连线描述不同结点数据间的联系 基本特征是 结点数据之间没有明确的从属关系 一个结点可与其它多个结点建立联系 即结点之间的联系是任意的 任何两个结点之间都能发生联系 可表示多对多的关系 2 5GIS空间数据模型 二 传统的数据模型2 网状数据模型优点 可以描述现实世界中极为常见的多对多的关系缺点 结构的复杂性限制了它在空间数据库的使用 2 5GIS空间数据模型 二 传统的数据模型3 关系数据模型在关系数据模型中 数据的逻辑结构为满足一定条件的二维表 表具有固定的列数和任意行数 在数学上称为 关系 二维表是同类实体的各种属性的集合 每个实体对应表中的一行 在关系中称为元组 相当于通常的一个记录 表中的列表示属性 称为域 相当于通常的记录中的数据项 满足一定条件的规范化关系的集合 就构成了关系模型 使用SQL语言对其进行操作 2 5GIS空间数据模型 二 传统的数据模型3 关系数据模型优点 结构简单灵活 容易维护和理解 表现在数据的修改和更新方便 有些系统甚至采用关系数据库系统管理几何图形数据 缺点 效率不高 难以表达对象 尤其是复杂对象 2 5GIS空间数据模型 二 传统的数据模型4 传统数据模型的比较 2 5GIS空间数据模型 二 传统数据模型存储空间数据的局限性1 层次数据模型用于GIS地理数据库的局限性1 很难描述复杂的地理实体之间的联系 描述多对多的关系时导致物理存储上的冗余2 对任何对象的查询都必须从根结点开始 低层次对象的查询效率很低 很难进行反向查询3 数据独立性较差 数据更新涉及许多指针 插入和删除操作比较复杂 父结点的删除意味着其下层所有子结点均被删除 4 层次命令具有过程式性质 要求用户了解数据的物理结构 并在数据操纵命令中显式地给出数据的存取路径 5 基本不具备演绎功能和操作代数基础 2 5GIS空间数据模型 二 传统数据模型存储空间数据的局限性2 网状数据模型用于GIS地理数据库的局限性1 由于网状结构的复杂性 增加了用户查询的定位困难 要求用户熟悉数据的逻辑结构 知道自己所处的位置 2 网状数据操作命令具有过程式性质 存在与层次模型相同的问题3 不直接支持对于层次结构的表达4 基本不具备演绎功能和操作代数基础 2 5GIS空间数据模型 二 传统数据模型存储空间数据的局限性3 关系数据模型用于GIS地理数据库的局限性在GIS分析中 需要综合运用实体之间的空间关系和属性数据 要求GIS数据库能对实体的属性数据和空间数据进行综合管理 2 5GIS空间数据模型 二 传统数据模型存储空间数据的局限性3 关系数据模型用于GIS地理数据库的局限性对属性数据用通用RDBMS可以很好管理 但对于空间数据一般DBMS却有局限 表现为 1 无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构 模拟和操作复杂地理对象的能力较弱2 描述本身具有复杂结构和涵义的地理对象时 需对地理实体进行不自然的分解 导致存储模式 查询途径及操作等方面均显得语义不甚合理3 由于概念模式和存储模式的相互独立性 及实现关系之间的联系需要执行系统开销较大的联接操作 运行效率不够高 2 5GIS空间数据模型 二 传统数据模型存储空间数据的局限性3 关系数据模型用于GIS地理数据库的局限性对属性数据用通用RDBMS可以很好管理 但对于空间数据一般DBMS却有局限 表现为 4 一般RDBMS难于存储和维护变长的空间数据及其拓扑关系5 一般RDBMS难以实现对空间数据的关联 连通 包含 叠加基本操作 6 一般DBMS不能支持GIS需要的一些复杂图形功能7 一般RDBMS难以支持复杂的地理信息8 一般RDBMS难以维护系统数据的完整性 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型1 面向对象的基本思想通过对问题领域进行自然的分割 用更接近人类通常思维的方式建立问题领域的模型 并进行结构模拟和行为模拟 从而使设计出的软件能尽可能地直接表现出问题的求解过程 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型2 基本概念 对象 含有数据和操作方法的独立模块 可以认为是数据和行为的统一体 对于一个对象 应具有如下特征 A 具有一个唯一的标识 以表明其存在的独立性 B 具有一组描述特征的属性 以表明其在某一时刻的状态 静态属性 数据 C 具有一组表示行为的操作方法 用以改变对象的状态 作用 功能 函数 方法 划分原则 找共同点 所有具有共性的系统成份就可为一种对象 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型2 基本概念 类 共享同一属性和方法集的所有对象的集合构成类 从一组对象中抽象出公共的方法和属性 并将它们保存在一类中 是面向对象的核心内容 如河流均具有共性 如名称 长度 流域面积等 以及相同的操作方法 如查询 计算长度 求流域面积等 因而可抽象为河流类 实例 被抽象的对象 类的一个具体对象类是抽象的对象 是实例的组合 类 实例是相对的 类和实例的关系为上下层关系 类 申请实例 成为具体对象 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型2 基本概念 消息 对对象进行操作的请求 是连接对象与外部世界的唯一通道 方法 对对象的所有操作 如对对象的数据进行操作的函数 指令等 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型3 面向对象的特性 抽象 是对现实世界的简明表示 对象是抽象思维的结果 抽象思维是通过概念 判断 推理来反映对象的本质 揭示对象内部联系的过程 面向对象方法具有很强的抽象表达能力 可以将对象抽象成对象类 实现抽象的数据类型 允许用户定义数据类型 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型3 面向对象的特性 封装 指把对象的状态及其操作集成化 使之不受外界影响 也即将方法与数据放于一对象中 以使对数据的操作只可通过该对象本身的方法来进行 一对象不能直接作用于另一对象的数据 对象间的通信只能通过消息来进行 封装是一种信息隐蔽技术 封装的目的在于将对象的使用者和对象的设计者分开 用户只能见到对象封装界面上的信息 对象内部对用户是隐蔽的 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型3 面向对象的特性 多态 是指同一消息被不同对象接收时 可解释为不同的含义 发送一般的消息 把实现的细节都留给接收消息的对象 即相同的操作可作用于多种类型的对象 并能获得不同的结果 功能重载 多态 简化消息 但功能不减 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型4 四种核心技术 分类 把一组具有相同属性结构和操作方法的对象归纳或映射为一个公共类的过程 对象和类的关系是 实例 instanceof 如城镇建筑可分为行政区 商业区 住宅区 文化区等若干个类 以住宅区类而论 每栋住宅作为对象都有门牌号 地址 电话号码等相同的属性结构 但具体的门牌号 地址 电话号码等是各不相同的 当然 对它们的操作方法如查询等都是相同的 在面向对象的数据库中 只需对每个类定义一组操作 供该类中的每个对象使用 而类中每一个对象的属性值要分别存储 因为每个对象的属性值是不完全相同的 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型4 四种核心技术 概括 将相同特征和操作的类再抽象为一个更高层次 更具一般性的超类的过程 子类是超类的一个特例 继承机制 子类与超类是 即是 的关系 is a 概括可能有任意多层次概括技术避免了说明和存储上的大量冗余 如住宅地址 门牌号 电话号码等是 住宅 类的实例 属性 同时也是它的超类 建筑物 的实例 属性 概括需要一种能自动地从超类的属性和操作中获取子类对象的属性操作的机制 即继承机制 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型4 四种核心技术 聚集 是把几个不同性质类的对象组合成一个更高级的复合对象的过程 成分 与 复合对象 的关系是 部分 parts of 的关系 如医院由医护人员 病人 门诊部 住院部 道路等聚集而成每个不同属性的对象是复合对象的一个部分 有自己的属性数据和操作方法 复合对象也有自己的属性值和操作 复合对象的操作与其成分的操作是不兼容的 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型4 四种核心技术 联合 将同一类对象中的几个具有部分相同属性值的对象组合起来 形成一个更高水平的集合对象的过程 成员 与 集合对象 的关系是 成员 member of 的关系 在联合中 强调的是整个集合对象的特征 而忽略成员对象的具体细节 集合对象通过其成员对象产生集合数据结构 集合对象的操作由其成员对象的操作组成 如一个农场主有三个水塘 它们使用同样的养殖方法 养殖同样的水产品 由于农场主 养殖方法和养殖水产品等三个属性都相同 故可以联合成一个包含这三个属性的集合对象 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型5 面向对象的核心工具 继承 一类对象可继承另一类对象的特性和能力 子类继承父类的共性 继承不仅可以把父类的特征传给中间子类 还可以向下传给中间子类的子类 继承服务于概括 继承机制减少代码冗余 减少相互间的接口和界面 A 单重继承 仅有一个直接父类的继承 要求每一个类最多只能有一个中间父类 这种限制意味着一个子类只能属于一个层次 而不能同时属于几个不同的层次 形成明显的层次关系B 多重继承 允许子类有多于一个的直接父类的继承 多重继承允许几个父类的属性和操作传给一个子类 这就不是层次结构 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型5 面向对象的核心工具 传播 用于描述复合对象对成员对象的依赖性并获得成员对象的属性的过程 它通过一种强制性的手段将成员对象的属性信息传播给复合对象 传播是一种作用于聚集和联合的工具复合对象的某些属性值不单独存于数据库中 而由子对象派生或提取 将子 成员 对象的属性信息强制地传播给复合对象 这些操作包括 sum average min max 如一个国家最大城市的人口数是这个国家所有城市人口数的最大值 一个省的面积是这个省所有县的面积之和 继承与传播的区别1 继承服务于概括 传播作用于联合和聚集 2 继承是从上层到下层 应用于类 而传播是自下而上 直接作用于对象 3 继承包括属性和操作 而传播一般仅涉及属性 4 继承是一种信息隐含机制 而传播是一种强制性工具 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型6 面向对象数据模型的含义 含义 指在更高层次上综合利用和管理多种数据结构和数据模型 并用面向对象的方法进行统一的抽象 从而可以有效地描述复杂的事物或现象 其具体实现就是面向对象的数据结构 特点A 面向对象模型最适合于空间数据的表达和管理 它不仅支持变长记录 且支持对象的嵌套 信息的继承和聚集 B 允许用户定义对象和对象的数据结构及它的操作 因而具有可扩充性 C 面向对象的地理数据模型的核心是对复杂对象的模拟和操纵 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型6 面向对象数据模型的含义 复杂对象及特点 指具有复杂结构和操作的对象 复杂对象可以由多种关系聚合抽象而成 或由不同类型的对象构成 或具有复杂的嵌套关系等 复杂对象的特点可归结为 A 一个复杂对象由多个成员对象构成 每个成员对象又可参与其它对象的构成 B 具有多种数据结构 如矢量 栅格 关系表等 C 一个复杂对象的不同部分可由不同的数据模型所支持 可以分布于不同的数据库中 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型6 面向对象数据模型的含义 面向对象的几何数据模型从几何方面划分 GIS的各种地物对象为点 线 面状地物以及由它们混合组成的复杂地物 每一种几何地物又可能由一些更简单的几何图形元素构成 如图 节点的坐标传播给弧段 弧段聚集成线状地物或面状地物 简单地物聚集或联合组成复杂地物 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型6 面向对象数据模型的含义 拓扑关系与面向对象模型将每条弧段的两个端点抽象出来 建立单独的结点对象类型 而在弧段的数据文件中 设立两个结点子对象标识号 可用 传播 的工具提取结点文件的信息 这一模型既解决了数据共享问题 又建立了弧段与节点的拓扑关系 同样 面状地物对弧段的聚集方式与数据共享和几何拓扑关系的建立也达到一致 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型6 面向对象数据模型的含义 面向对象的属性数据模型面向对象数据模型是在包含RDBMS的功能基础上 增加面向对象数据模型的封装 继承和信息传播等功能 2 5GIS空间数据模型 三 面向对象模型6 面向对象数据模型的含义 面向对象地理数据模型的特点1 可充分利用现有数据模型的优点 是一种基于抽象的模型 允许设计者在基本功能上选择最为适用的技术 如可以把矢量和栅格数据结构统一为一种高层次的实体结构 这种结构可以具有矢量结构和栅格结构的特点 但实际的操作仍然是矢量数据用矢量运算 栅格数据用栅格算法 2 具有可扩充性 由于对象是相对独立的 因此可以很自然和容易地增加新的对象 并且对不同类型的对象具有统一的管理机制 3 可以模拟和操纵复杂对象 传统的数据模型是面向简单对象的 无法直接模拟和操纵复杂实体 而面向对象的数据模型具备对复杂对象进行模拟和操纵的能力 2 5GIS空间数据模型 四 时空数据模型1研究概述传统的地理信息系统应用只涉及地理信息的两个方面 空间维度和属性维度 因此也叫SGIS StaticGIS 而能够同时处理时间维度的GIS叫TGIS TemporalGIS 在GIS中 具有时间维度的数据可以分为两类 一类是可以称为结构化的数据 如一个测站历史数据的积累 它可以通过在属性数据表记录中简单地增加一个时间戳 TimeStamp 实现其管理 另一类是非结构化的 最典型的例子是土地利用状况的变化 图3 17 描述这种数据 是TGIS数据模型的重点要解决的问题 2 5GIS空间数据模型 四 时空数据模型2TGIS的研究思路TGIS海量数据的处理必然导致数学模型的根本变化 TGIS问题的最终解决在于 可与拓扑论相类比的 全新数学思路的出现 目前可以研究TGIS技术 以便在SGIS的框架中用TGIS技术实现TGIS功能 对TGIS模型的研究可以本着两种思路进行平行探索 综合模型和分解模型 先用分解模型思路针对典型应用领域 如土地利用动态监测工作 进行全面研究 同时不断丰富 充实综合模型 最后得到一个比较完善的综合模型 2 5GIS空间数据模型 四 时空数据模型2时空数据模型设计的基本思想 1 根据应用领域的特点和客观现实变化规律 折中考虑时空数据的空间 属性内聚性和时态内聚性的强度 选择时间标记的对象 2 同时提供静态 动态数据建模手段 3 数据结构里显式表达两种地理事件 地理实体进化事件和地理实体存亡事件 4 时空拓扑关系一般指地理实体空间拓扑关系的拓扑事件间的时态关系 2 5GIS空间数据模型