1、第二章 从现实世界到比特世界,地理信息系统原理、方法和应用,课 题：从现实世界到比特世界目的要求：了解空间认知学对现实世界进行抽象的过程,理解地理认知模型和空间数据库模型的概念和作用，加深对空间数据和空间信息的理解。 教学重点：地理认知模型、空间数据库模型教学难点：认知学对现实世界进行抽象的过程教学课时：1课时教学方法: 讲授本次课涉及的学术前沿：地理认知模型（面向对象 场 网络）,学习目标,了解空间认知学对现实世界进行抽象的过程理解地理认知模型和空间数据库模型的概念和作用，加深对空间数据和空间信息的理解。,地理信息流与地理信息科学三个领域,1对现实世界的地理认知,地理空间认知的含义 地图认知
2、模型地图是客观世界的形象符号概括模型 地理客体的科学认知,（1）地理空间认知,地理空间认知： 研究人类如何认知自己赖以生存的地理环境（主要指地球的四大圈层 岩石圈、水圈、大气圈、生物圈），包括位置、分布、关系、变化和规律等。,（1）地理空间认知,地理空间认知过程： 经过地理感知、表象再现、地理记忆和地理思维四个过程，借助图像或者地图（心像地图和认知制图）来实现的。心像地图是人类对地理空间多次感知的基础上（实地考察、地图参考、文献阅读）综合形成的一种印象或者心理表征；认知制图通常发生在人类使用地图的过程中，把新近获得的信息与地图信息综合起来进行决策，如：定位、定向、导航等。,制图活动过程,地图编
3、制者的认识模型,地图使用者的认识模型,（2）地图认知模型,（3）地图是客观世界的形象符号概括模型,地图具有形象性，能对实际对象做出完整的、清晰的、和直观的图形描述和说明地图是采用专门设计和事先规定的符号来反映地物、现象和地理过程地图是通过地图制图工作者通过对地物进行取舍、图形化简、数量和质量概括、抽象出来的模型。,（4）地理客体的科学认知,地理认知：制图过程，读图过程地理认知是地理模型的基础，是制图概括的基础地理认知贯穿于制图概括的整个过程（设计阶段，编绘阶段）,2现实世界的抽象,现实世界,概念世界,地理空间世界,维度世界,项目世界,2现实世界的抽象,三层次模式,3比特世界,3.1 比特世界,
4、现实世界与数学模型的关系,3.2 GIS空间数据建模,数据建模相关的概念(1)模型：是对现实世界的模拟和抽象，是将系统的各个要素通过适当的筛选，用一定的表现规则描写出来的简明映像(2)数据模型： 也是一种模型，它是现实世界数据特征的抽象，表示实体以及实体间的联系。 根据一定的方案建立的数据逻辑组织方式。 对数据库而言，数据模型反映了数据的整体逻辑结构，或用户所看到的数据之间的逻辑结构，反应了实体之间的逻辑关系。,3.2 GIS空间数据建模,数据建模相关的概念(3)数据建模：是指把现实世界的数据组织为有用且能反映真实信息的数据集的过程。数据建模过程第一步，选择一种数据模型来对现实世界的数据进行组
5、织；第二步，选择一种数据结构来表达该数据模型；第三步，选择一种适合于记录该数据结构的文件格式。,3.2 GIS空间数据建模,GIS空间数据建模的基本任务:针对所研究的空间现象或问题，描述 GIS的空间数据组织，设计GIS空间数据库模式，设计在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构等。,空间数据模型的三个层次,3.3 GIS空间数据模型的概念与分类,一、空间数据模型的发展与数据库技术的发展密切相关。第一代层次与网状数据库（以1969年IBM公司研制的IMS为标志）带动了GIS层次数据模型（Hierarchical Model）和网络数据模型（Network Data Model）的发展；第二代
6、关系数据库（以Oracle, SQL Server, Sybase为代表）带动了GIS关系数据模型的发展；而面向对象的数据模型技术对数据库技术的发展产生了深远的影响，成为第三代数据库系统的主要标志，进而促进了GIS面向对象数据模型Object-oriented Data Model）的发展。第三代数据库系统的主要特点是数据库技术和其他技术相结合，表现为分布式数据库、工程数据库、演绎数据库、多媒体数据库、地理数据库等新技术层出不穷，进而带动了GIS超图数据模型的研究和发展。,3.3 GIS空间数据模型的概念与分类,地理空间认知模型（概念模型）、地理空间数据模型（逻辑模型）、地理空间数据结构（物理
7、模型），构成了对地理实体、现象及其关系，从地理现实世界到计算机世界（数据世界）的三个表达层次。,3.3 GIS空间数据模型的概念与分类,3.3 GIS空间数据模型的概念与分类,二、GIS空间数据模型的概念与分类 GIS空间概念数据模型（基于要素的模型，网络模型，场模型）（空间认知模型）空间逻辑数据模型（空间数据模型）传统数据模型结构化逻辑数据模型 （层次、网络）面向操作的逻辑数据模型 （关系）矢量模型，栅格模型，数字高程模型，面向对象模型，混合数据模型 （TIN与矢量的一体化模型，栅格与矢量一体化的多级格网模型 ）物理数据模型 （空间数据结构） 设计空间数据的物理组织、空间存取方法、数据库总体
8、存储结构等。,3.3 GIS空间数据模型的概念与分类,三、空间数据模型与空间数据结构之间的区别与联系：空间数据模型：是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供着基本方法。空间数据结构：是指对空间数据进行合理的组织，以便于进行计算机处理。数据结构是数据模型和计算机文件格式之间的中间媒介。区别与联系：两者之间的区别很模糊，事实上，空间数据模型是空间数据表达的概念模型，数据结构是数据表达的物理实现，后者是前者的具体实现。,3.3 GIS空间数据模型的概念与分类,空间数据模型是人们对客观现实世界抽象表达的重要方式，处于对地理实体或现象抽象表达层次模式的
9、中间层。它是由现实世界到计算机世界的必经之路，是定义空间数据结构、建立空间数据库的重要依据。,3.3 GIS空间数据模型的概念与分类,空间图形,空间图形的层次数据模型表示,四、传统数据模型1、层次模型,3.3 GIS空间数据模型的概念与分类,图形的网络数据模型表示,四、传统数据模型2、网络数据模型,3.3 GIS空间数据模型的概念与分类,四、传统数据模型3、关系数据模型,关系4：节点坐标关系,3.3 GIS空间数据模型的概念与分类,四、传统数据模型4、传统数据模型存在的主要问题 传统的数据模型在描述空间信息方面还存在着一些问题。主要表现在：,3.3 GIS空间数据模型的概念与分类,(1) 层次
10、模型用于GIS地理数据库的局限性 层次模型反映了地理世界中实体之间的层次关系，在描述地理世界中自然的层次结构关系时简单、直观，易于理解，并在一定程度上支持数据的重构。它用于GIS地理数据库存在的主要问题是：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；,3.3 GIS空间数据模型的概念与分类,2对任何对象的查询都必须从层次结构的根结点开始，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
11、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。,3.3 GIS空间数据模型的概念与分类,(2)网状模型用于GIS地理数据库的局限性 网状模型是层次模型的一般形式，反映了地理世界中常见的多对多关系，在一定程度上支持数据的重构，具有一定的数据独立和数据共享特性，且运行效率较高。用于GIS地理数据库的主要问题如下：,3.3 GIS空间数据模型的概念与分类,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。,3.3
12、GIS空间数据模型的概念与分类,(3) 关系模型用于GIS地理数据库的局限性 关系模型表示各种地理实体及其间的关系，方式简单、灵活，支持数据重构；具有严格的数学基础，并与一阶逻辑理论密切相关，具有一定的演绎功能；关系操作和关系演算具有非过程式特点。 尽管如此，关系模型用于GIS地理数据库也还存在一些不足。主要问题是：,3.3 GIS空间数据模型的概念与分类,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用关系模型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
13、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。 不难看出，关系模型的根本问题是不能有效地管理复杂地理对象。,作业及思考题,1、空间数据模型和空间数据结构概念的区别和联系是什么？2、分析比较三种传统的数据模型存储空间图形数据的方法和特点，它们存在的问题是什么？,3、给出下图的关系数据模型示意图。,第三章 空间数据模型,地理信息系统原理、方法和应用,课 题：空间数据模型目的要求：了解空间数据模型的类型及其特点，理解场模型和要素模型，重点掌握矢量数据模型和栅格数据模型以及在这两种模型下空间实体表达的方式。理解基于要素空间关系分析中九交模型的表达方式，理解
14、网络模型的特点。教学重点：矢量数据模型和栅格数据模型及空间实体的表达、九交模型教学难点：空间关系的类型，空间关系分析中的九交模型表达教学课时：4课时教学方法: 讲授本次课涉及的学术前沿：时空模型 三维模型,学习目标,了解空间数据模型的类型及其特点理解场模型和要素模型重点掌握矢量数据模型和栅格数据模型以及在这两种模型下空间实体表达的方式。 理解基于要素空间关系分析中九交模型的表达方式理解网络模型的特点,1. 空间数据模型的基本问题,地理空间(Geo-spatial)的概念概念：是指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。我们通常所说的地理空间即地
15、球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域。 地理空间（Geo-spatial）一般分为：绝对空间：是具有属性描述的空间位置的集合，它由一些列不同位置的空间坐标值组成。相对空间：是具有空间属性特征的实体的集合，由不同实体间的空间关系构成。,1. 空间数据模型的基本问题,空间数据模型概念：是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供着基本方法。类型：基于对象（要素）（Feature）的模型：离散对象描述网络（Network）模型：交通、水系等网络状对象描述场（Field）模型：连续对象的描述（二维
16、，三维）,1. 空间数据模型的基本问题,GIS空间数据模型的学术前沿 时空数据模型：核心问题是研究如何有效地表达、记录和管理现实世界的实体及其相互关系随时间不断发生的变化。三维空间数据模型 ：三维矢量模型和体模型分布式空间数据模型：分布式空间数据库管理系统和联邦空间数据库CASE工具（计算机辅助软件工程工具）:发展GIS空间数据建模与系统设计的专用功能，提高GIS空间数据建模及其应用系统设计的自动化程度和技术水平,2. 场模型,场模型：适合用来描述具有一定空间内连续分布特点的对象根据应用的不同场可以表现为二维或三维场场的表现形式通常由一系列等值线组成，等值线就是地面上所有具有相同属性值的点的有
17、序集合举例：覆盖Coverage，对现象建模如温度，土壤分布等等。,场模型可以表示为如下的数学公式： z : s z ( s ) 上式中，z为可度量的函数，s表示空间中的位置，因此该式表示了从空间域（甚至包括时间坐标）到某个值域的映射。下表给出了地理研究中一些场模型的例子A. Vckovski。,2. 场模型,场的特征：空间结构特征和属性域(欧几里德空间，属性域)连续的、可微的、离散的各向同性和各向异性（其场内性质与方向有关或无关）空间自相关（对场中的数值聚集程度的一种度量）,在各向同性与各向异性场中的旅行时间面,强空间正负自相关模式,2. 场模型,栅格数据模型 栅格数据模型是基于连续铺盖的，
18、它是用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间；铺盖可以分为规则的和不规则的，后者可当做拓扑多边形处理,三角形、方格和六角形划分,栅格数据模型,3要素模型,1. 基本概念欧氏空间：带坐标的可测量点之间的距离和方向的空间模型欧氏平面：把空间特性转换成实数的元组特性，而形成的二维模型即欧氏平面 地理实体：分布于地球表面的人文和自然现象的总称实体必须符合三个条件：可被识别重要（与问题有关）可被描述（有特征）,3要素模型,嵌入式空间：是指空间对象存在于“空间”之中。空间对象的定义取决于嵌入式空间的结构。常用的嵌入式空间类型：欧式空间（距离、方位）量度空间（距离）拓扑空间（拓扑关系）面向集合的空间（只采用一般的基
19、于集合的关系）,3要素模型,1）欧氏平面上的空间对象类型,3要素模型,2）离散欧氏平面上的空间对象,3要素模型,3）要素模型和场模型的比较,3要素模型,2. 矢量数据模型,矢量数据模型,1、空间实体及类型空间实体： 指具有形状、属性和时序特征的空间对象，它是对存在于自然世界中地理实体的抽象。空间实体类型 任何地理实体都可以抽象为点、线、面、体等基本类型，以表示它的位置、形状、大小、高低等特征。,一、空间实体及表达,4. 地理空间及其表达,以地图为例，来了解空间实体的抽象及表达点实体,4.地理空间及其表达,有位置，无宽度和长度，维数为0；抽象的点,美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的
20、500个地震位置,4.地理空间及其表达,点实体 有如下几种类型：实体点Entity point：用来代表一个实体； 注记点Text point：用于定位注记；内点Test point：用于负载多边形的属性，存在于多边形内；结点Node：表示线的终点和起点；角点Vertex：表示线段和弧段的内部点。,线实体,4.地理空间及其表达,有长度，但无宽度和高度，维数为1；用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多,香港城市道路网分布,4.地理空间及其表达,线实体有如下特性：实体长度：从起点到终点的总长；弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度；方向性：水流方向是从上游到下游，公路则有单向与双向之分。线状实
21、体包括线段、边界、链、弧段、网络等， 如下图所示：,线实体类型,面实体,4.地理空间及其表达,具有长和宽的目标，有连续面和不连续面；通常用来表示自然或人工的封闭多边形,中国土地利用分布图（不连续面）,4.地理空间及其表达,面状实体有如下空间特性：面积范围；周长；独立性或与其它的地物相邻，如中国及其周边国家；内岛或锯齿状外形；重叠性与非重叠性； 面实体类型如下图所示：,面状实体类型,面实体（续）有不连续面和连续面之分,4.地理空间及其表达,不连续变化曲面，如土壤、森林、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。,连续变化曲面，如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。,不连续变化曲面,
22、连续变化曲面,体,4.地理空间及其表达,有长、宽、高的目标；通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标,矢量表达 在矢量数据结构中，地理实体的形状和位置是由一组坐标对所确定。矢量数据结构对地理实体的描述类似于地图对地理信息的描述，一般也把地理实体分为点、线、面、体等四种，每种实体有不同的编码方法。 栅格表达 在栅格数据结构中，整个地理空间被规则地分为一个个小块（通常为正方形），地理实体的位置是由占据小块的横排与竖列的位置决定，小块的位置则由其横排竖列的数码决定，每个地理实体的形态是由栅格或网格中的一组点来构成。这种数据结构和遥感图象的数据相同，因而数字遥感图象就是栅格数据结构。,
23、2、空间实体的表达（计算机）,4.地理空间及其表达,矢量数据,栅格数据,数字高程,（1）空间实体的矢量表达,4.地理空间及其表达,矢量表达法示意（点、线、面）,4.地理空间及其表达,点：位置（x，y） 属性：符号,线：位置(x1 ，y1 ), (x2 ，y2 ) ， ， (xn ， yn ) 属性：符号，形状、颜色、尺寸,面：位置(x1 ， y1 ), (x2 ，y2 ) ， ， (xn ， yn ) 属性：符号变化，等值线,矢量表达法示意（ 体：TIN ）把一表面表示成一系列相连接的三角形，这些三角形在一组结点(Nodes)之中，按照一定规则连接相邻结点形成的边(Edges)组成的。结点可以
24、位于任何地方,但是结点布置得好坏,直接影响到连续面模型的精度，好的结点应位于表面形状发生显著变化的地方。,4.地理空间及其表达,TIN表达示意,4.地理空间及其表达,（2）栅格表达法点：具有一定数值的删格单元线：表现为按线特征相连接的一组单元面：表现为按二维形状特征相连接的一组单元,4.地理空间及其表达,矢量表达和栅格表达,4.地理空间及其表达,流,路,5基于要素的空间关系分析,1. 基本概念 地理要素之间的空间区位关系可抽象为点、线（或弧）、多边形（区域）之间的空间几何关系 。,5基于要素的空间关系分析,2、空间实体空间关系研究的意义,5基于要素的空间关系分析,因此，实体之间的关系包括点、线
25、、面等之间组合。,5基于要素的空间关系分析,3、空间实体关系的形式化表示,5基于要素的空间关系分析,3、空间实体关系的形式化表示,面-线空间关系的形式化表达,5基于要素的空间关系分析,面-点空间关系的形式化表达,线-点空间关系的形式化表达,在空间实体组合关系研究中，可以使用“九交模型”来表示。,5基于要素的空间关系分析,4. 拓扑空间关系分析 拓扑属性 拓扑属性:在拓扑变换下能够保持不变的几何属性，它描述了两个对象之间的关系，因此又称为拓扑关系 。点集拓扑学 点集拓扑学是拓扑描述的数学基础空间关系数据主要是指点-点、点-线、点-面、线-线、线-面、面-面之间的相互关系。,5基于要素的空间关系分
26、析,九交模型：设现实世界中的两个简单实体A,B，B(A),B(B)表示A、B的边界，I(A),I(B)表示A、B的内部， E(A),E(B)表示A、B的余。Egenhofer【1993】构造出一个由边界、内部、余的点集组成的9交空间关系模型（9-intersection Model，9-IM）如下:,5基于要素的空间关系分析,表3-2中九交模型矩阵的排列顺序如左表所示。参考：张骏,秦小麟,包磊.一种三维空间9-交模型的简化方法J,南京航空航天大学学报,2006,9-交模型所述拓扑关系,5基于要素的空间关系分析,5. 方向空间关系分析方向关系描述 方向关系又称方位关系、延伸关系，它定义了地物对象
27、之间的方位。8种关系（正东，正西，正南，正北，北西、北东、南西、南东）扩充之后得出4种关系东方（正东or北东or南东）南方北方西方方向关系识别 (首先判断MBR),5基于要素的空间关系分析,6. 度量空间关系分析 基本空间对象度量关系包含点-点、点-线、点-面、线-线、线-面、面-面之间的距离,空间指标量算 区域空间指标包括：几何指标:位置、长度、面积、方位等自然地理参数：坡度、坡向、河网密度、地形起伏度等人文地理指标：差异指数、人口密度、交通便利度等,5基于要素的空间关系分析,6. 度量空间关系分析地理空间的距离度量的几种形式：大地测量距离：地球大圆中两地中心的距离曼哈顿距离：纬度差加上经度
28、差旅行时间距离：用一系列指定航线表示辞典距离：在一固定地名册中城市位置的绝对差值,6网络结构模型,1. 网络空间,(a) (b)Konigsberg Park中的图形理论模型,6网络结构模型,2. 网络模型网状模型将数据组织成有向图结构。结构中结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的关系。有向图（Digraph）的形式化定义为： Digraph = (Vertex,Relation) 其中Vertex为图中数据元素（顶点）的有限非空集合；Relation是两个顶点（Vertex）之间的关系的集合。,6网络结构模型,网状模型的基本特征是：结点数据间没有明确的从属关系，一个结点可以与其他多个结点
29、建立联系，反映了多对多的关系存在的问题：结构复杂，增加了查询和定位的难度操作命令具有过程式性质不直接支持对于层次结构的表达基本不具备演绎功能基本不具备操作代数基础,7时空模型,时空数据模型概述 研究概述 1、SGIS与TGIS2、TGIS的特点是语义更丰富、对现实世界的描述更准确其物理现实的最大困难在于海量数据的组织和存取3、本质特点是时空效率4、TGIS模型有 空间时间立方体模型 序列快照模型（概念模型，无实用价值） 基图修正模型 空间时间组合体模型5、TGIS的研究思路 ：综合模型和分解模型,7时空模型,时空数据模型设计的基本思想 根据应用领域的特点（如宏观变化观测与微观变化观测）和客观现
30、实变化规律（同步变化与异步变化、频繁变化与缓慢变化），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。 同时提供静态（变化不活跃）、动态（变化活跃）数据建模手段（静态、动态数据类型和操作）。 数据结构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。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。,8三维模型,三维GIS的功能 三维GIS所研究的内容和实现的功能主要有：数据编码，数据的组织和重构，变换，查询 ，逻辑运算，计算，分析，建立模型， 视觉变换，系统维护。三维数据结构 八叉树三维数据结构 用八叉树来表示三维形体 。,8三维模型,三维空间的
31、数据模型： 对于一个二维系统，可以用表达式Vf（x, y）来表达。其中，（x, y）是二维平面的坐标，V是对应于该点的属性值。当V表示的是高程时，就可以用来产生数字高程模型（DEM）。,8三维模型,对于一个真正的三维数据模型，可以用表达式Vf（x, y, z）来描述，其中z是自变量，不受x, y变化的影响，即（x, y, z）是在三维空间连续变化的。 1、三维矢量数据模型 在三维空间中，地理实体分为点、线、面和体四种基本元素(图)。由这四种元素构成复杂的三维目标。由于处理三维数据的存储和空间关系的表达远远比二维空间复杂，当前并没有成熟的应用模型，但存在多种构模的方法。,三维矢量模型的基本元素,
32、8三维模型,数字表面高程模型,8三维模型,三维复合面模型,8三维模型,2、三维栅格数据模型 三维栅格数据模型是将地理实体的三维空间分成细小的单元称之为体元或体元素。若某体元包含在实体之内，则赋值1，否则赋值0。体元素的形状通常是正立方体，也有四面体或其它非规则形状等。,8三维模型,体元形式的三维数据,线性八叉树编码,编码,8三维模型,栅格数据模型基本元素,8三维模型,-借助三维显示技术，通过离散的高程点形成等高线图、截面图、多层平面和透视图，可以把这些最初都是人工完成的工作，用各种计算机程序迅速高效地完成。,通过“围墙”状的剖面表示三维数据,作业及思考题,1、下图给出了两个简单面域的两种拓扑关系类型，请指出其拓扑关系，并用九交模型来表示。,2、点线之间的空间关系的九交模型表达情况。,3、空间实体有什么特点？4、矢量数据和栅格数据是如何定义的？区别是什么？5、什么是拓扑关系？在GIS中的作用是什么？6、查阅资料，总结描述三维模型的数据结构有哪些，分析哪些适合地理空间数据的建模？,
