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1、空间数据空间数据表示方法空间数据模型,第三章 GIS空间分析的数据模型,定义：用来表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据，具定位、定性、时间和空间关系等特征。定位：在已知坐标系里目标具有唯一的空间位置；定性：空间目标的自然属性时间：空间目标随时间的变换而变化空间关系：拓扑关系空间数据用点、线、面、体表示人们赖以生存的自然世界,3.1 空间数据,GIS中的空间数据： 地理数据：描述地理空间的数据GIS地理空间：绝对空间：具有属性描述的空间位置的集合，由一系列不同位置的空间坐标值组成；相对空间：具有空间属性特征的实体的集合，由不同实体之间的空间关系构成；,空间数据的特征：1）
2、空间性空间物体的位置、形态以及由此产生的系列特性不考虑空间物体的空间性，空间分析就失去了意义2）抽样性连续空间物体的离散化数字抽样：对物体形态特征点的有目的的选取,空间数据的特征：3）概括性空间物体的概括性对物体形态的化简综合以及对物体的取舍,空间数据的特征：4）多态性同样地物在不同情况下的形态差异：城市：面状地物或点状地物河流：条带状地物或线状地物不同地物占据同样的空间位置：社会经济和人文数据与自然环境在空间位置上的重叠长江：水系要素与省界、县界重叠,空间数据的特征：5）多时空性同一时间不同空间的数据系列；同一空间不同时间序列的数据；,空间数据表示：把图形模拟的空间物体表示成计算机能够接受的
3、数字形式；空间数据模式数据结构,3.2 空间数据的表示,图形数字,空间数据的两种表示模型：栅格模型：地理空间看成一个连续的整体，在这个空间中处处有定义矢量模型：地理空间看成是一个空域，地理要素存在其间,矢量模式,栅格模式,真实世界,栅格数据模型表示：,栅格数据基于连续铺盖，将连续空间离散化,用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间;规则铺盖方格三角形六角形不规则铺盖,基于栅格的空间模型认为空间是像元(pixel)的划分,每个像元与分类或标识所包含的现象的一个记录有关;重要特征:像元位置确定一个像元仅被赋予一个单一的值,空间实体的栅格表示,点：由一个单元网格表示线：由一串有序的相互连接的单元网格表示,数
4、值相等面：由聚集在一起的、相互连接的单元网格组成,混合栅格单元代码的确定,尽量保持地表的真实性，保证最大的信息容量；中心点法面积占优法重要性法百分比法,A,B,O,C,矢量数据模型表示,矢量方法强调离散现象的存在，由点、线、面确定边界，是基于实体的；矢量数据模型将现象看作实体的集合，组成空间实体；矢量数据对地理实体的描述采用三种基本的地理信息位置信息属性信息空间关系信息,矢量数据拓扑结构,矢量数据拓扑结构，即基本要素点线面和实体之间具有邻接、关联和包含的拓扑关系,与长度面积无关。,什么叫拓扑？Topology一词来自希腊文，它的原意是“形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下
5、能保持不变的几何属性拓扑属性。,“点的内置”是拓扑属性；面积则不是拓扑属性；,欧几里德平面上实体对象所具有的拓扑和非拓扑属性,矢量数据模型的拓扑模型,路径拓扑：将二维要素的边界作为独立的一维要素单独处理，不考虑要素之间的相互关系；常用的模型：面条模型(Spaghetti Model)多边形模型(Polygon Model)点字典模型(Point Dictionary Model)链/点字典模型(Chain/Point Dictionary Model)等,路径拓扑缺点：不能解决点、结点和零维地物的识别问题，各多边形被作为单个独立的实体来考查，不能识别出多边形间的相邻关系不利于地理数据的分析与可
6、视化,网络拓扑模型：对路径拓扑模型的不足之处的改进和完善。强调对多边形间关系的描述，即在拓扑结构中将一个多边形图形中的结点、边和面分别显式描述，并记录他们之间的关系；可以反映出面与面之间的相邻关系，还反映边与边之间、点与点之间的连接关系；,栅格模型和矢量模型,矢量方法：面向实体，物体愈复杂，描述愈困难，数据量亦随之增大，如线状要素愈弯曲，抽样点必须愈密。栅格方法：面向空间，物体的复杂程度不影响数据量的大小，也不增加描述上的困难。,栅格模型和矢量模型,矢量方法：显式描述空间物体之间的关系，关系一旦被描述，运用起来就相当方便。栅格方法：隐式描述空间物体之间的关系“零”描述：没有记录物体间的关系；“
7、全”描述：空间物体的一切关系都照实复写了。,数据模型：是描述数据库的概念集合，是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式表示；数据模型通过一定的数据结构来实现，数据结构是数据模型在特定的数据库中的存储模型。 数据模型是数据表达的概念模型数据结构是数据表达的物理实现,3.3 空间数据模型,空间数据模型,定义：GIS中空间数据的组织方式反映空间实体及其之间的联系空间数据组织和空间数据库模式设计的基础对空间数据模型认识和理解的正确决定着GIS空间数据管理系统研制或应用空间数据库设计的成败空间数据模型发展影响着新一代GIS系统的发展,空间数据模型,通用数据模型：无法设计由于地理空间的复杂性，一种数据
8、模型无法反映现实世界的所有方面；在地理信息系统中存在多种数据模型并存的现象。GIS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,概念数据模型：关于实体及实体间联系的抽象概念集。概念数据模型着重于获得对客观现实一个正确的认识，是面对用户、面向现实世界的数据模型。按用户的观点对数据和信息建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象。,GIS空间数据模型的概念模型：考虑用户需求的共性，用统一的语言描述和综合、集成各用户视图基本任务：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基于平面图的点、线、面数据模型基于连续铺盖的栅格数据模型,逻辑数据模型：描述系统中数据的结
9、构逻辑数据模型：表达概念数据模型中数据实体(或记录)及其间的关系。空间数据的逻辑数据模型：根据概念数据模型确定的空间数据库信息内容，具体地表达数据项、记录等之间的关系，可以有若干不同的实现方法,物理数据模型：描述数据在计算机中的物理组织、存取路径和数据库结构逻辑数据模型转换为物理数据模型：逻辑数据模型不涉及最低层的物理实现细节，但计算机处理的是二进制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。,GIS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们相关的其它对象，可详细地描述离散对象网络模型：表示特殊对象之间的交互，如水或者交通流场模型：表示在
10、二维或者三维空间中被看作是连续变化的数据,对数据选择数据模型时：不同测量方式的数据可被看作场或被看作对象如卫星影像中现象的值是由区域内某一个位置提供的，如作物类型或者森林类型可以采用一个基于场的观点；如数据是以测量区域边界线的方式给出，而且区域内部被看成是一致的，就可以采用一个基于要素的观点；基于场的模型可转换成基于要素的模型,基于场和基于对象的模型是概念模型的子模型基于场的空间概念模型在计算机中的实现栅格数据模型基于对象的空间数据模型在计算机中的实现矢量数据模型其他数据库概念模型：E-R模型(实体关系模型)UML(统一建模语言)模型等,3.4 场模型,场模型核心思想把地理空间事物和现象视为连
11、续的变量空气中污染物的集中程度地表的温度二维场：在二维空间中任何点上都有一个表达这一现象的值；三维场：在三维空间中任何点上都有一个表达这一现象的值；,场模型的数学公式： z：s z (s ) z为可度量的函数 s表示空间中的位置公式表示从空间域(甚至包括时间坐标)到某个值域的映射场经常被视为由一系列等值线组成，一个等值线就是地面上所有具有相同属性值的点的有序集合。,场模型特征,（1）空间结构特征和属性域“空间”：指可以进行长度和角度测量的欧几里德空间。空间结构可以是规则的或不规则的，但空间结构的分辨率和位置误差则十分重要，它们应当与空间结构设计所支持的数据类型和分析相适应。属性域的数值：包含以
12、下几种类型：名称、序数、间隔和比率。属性域特征是支持空值，如果值未知或不确定则赋予空值。,（2）连续的、可微的、离散的如果空间域函数连续的话，空间域也就是连续的，即随着空间位置的微小变化，其属性值也将发生微小变化，不会出现象数字高程模型中的悬崖那样的突变值。只有在空间结构和属性域中恰当地定义了“微小变化”，“连续”的意义才确切。当空间结构是二维（或更多维）时，坡度，或者称为变化率，不仅取决于特殊的位置，而且取决于位置所在区域的方向分布。连续与可微分两个概念之间有逻辑关系，每个可微函数一定是连续的，但连续函数不一定可微。,某点的坡度取决于位置所在区域的各方向上的可微性,（3）各向同性和各向异性空
13、间场内部的各种性质是否随方向变化而发生变化各向同性场：场中的所有性质都与方向无关如旅行时间，假如从某一个点旅行到另一个点所耗时间只与这两点之间的欧氏几何距离成正比，则从一个固定点出发，旅行一定时间所能到达的点必然是一个等时圆。各向异性场：如果某一点处有一条高速通道，则利用与不利用高速通道所产生的旅行时间是不同的,圆：等时线双曲线：利用与不利用高速通道的分界线右图中的旅行时间与目标点与起点的方位有关，场称为各向异性场。,（4）空间自相关空间场中的数值聚集程度的一种量度。距离近的事物之间的联系性强于距离远的事物之间的联系性正空间自相关：空间场中的类似的数值有聚集的倾向负空间自相关：空间场中类似的属
14、性值在空间上有相互排斥的倾向,空间自相关描述某一位置上的属性值与相邻位置上的属性值之间的关系。,场模型优点：,场模型能有效地表示地理现象的空间非匀质性场模型表达地理目标及其相应的拓扑表达三要素(内部、边界和外部)结构如土地覆盖这类模糊地理现象对空间关系的描述能有效的顾及地理目标的空间属性变化,3.5 要素模型,地理要素：通过地理实体定义地理实体是真实世界中不能再被细分为同一类现象的地理现象地理要素的内涵：具有相似属性和行为的真实地理实体的公共属性集合地理要素的外延：所有相似地理实体的集合。,基于地理要素的GIS数据模型是较高抽象层次上的模型面向空间的矢量及栅格数据模型只关注空间特征的表达，基于
15、地理要素的数据组织方法与传统GIS数据管理方式处于同一层次适于地理信息应用系统的开发基于要素的模型只对真实地理实体的属性及关系感兴趣,欧氏空间的地物要素,欧氏空间：地理现象模型建立的基础是嵌入在一个坐标空间中，这种坐标空间根据常用的公式可以测量点之间的距离及方向，这个带坐标的空间模型叫做欧氏空间欧式空间把空间特性转换成实数的元组特性，两维的模型叫做欧氏平面。欧氏空间常用参照系统：笛卡尔坐标系欧氏空间其它坐标系统：极坐标系,将地理要素嵌入到欧氏空间中，形成了三类地物要素对象：点对象线对象多边形对象,4）特征点Vertex： 表示线段和弧段上的内部点。,1）实体点：用来代表一个实体。,2）注记点：
16、用于定位注记。,3）内点：用于负载多边形的属性，存在于多边形内。,点对象：有特定位置，维数为0的物体。,5）结点：表示线的起点和终点,线对象：具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示，特性：,1）实体长度： 从起点到终点的总长2）弯曲度： 用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。3）方向性： 如：水流方向：上下游； 公路：单、双向,线状实体包括： 线段、边界、链、弧段、网络等。,面对象/多边形对象 数据库中由一封闭曲线加内点来表示。,面状实体特征：1）面积范围 2）周长3）独立性或与其它地物相邻 4）内岛屿或锯齿状外形5）重叠性与非重叠性,要素模型的基本概念：,基于要素的空间模型强调个
17、体现象，该现象以独立的方式或者以与其它现象之间的关系的方式来研究。任何现象，无论大小，都可以被确定为一个对象，且假设它可以从概念上与其邻域现象相分离。要素由不同的对象所组成。,土地和财产的拥有者记录：采用基于要素的视点每一个土地块和每一个建筑物必须是不同的，而且必须是唯一标识的并且可以单个测量。基于要素的观点适合于已经组织好的边界现象人工地物，例如，建筑物、道路、设施和管理区域一些自然现象，如湖、河、岛及森林，如被看成为离散的现象，则表现在基于要素的模型中,基于要素的空间信息模型把信息空间分解为对象或实体一个实体必须符合三个条件：可被识别重要(与问题相关)可被描述(有特征)实体的特征静态属性（
18、如城市名）动态的行为特征结构特征,基于要素的模型把信息空间看作许多对象（城市、集镇、村庄、区）的集合，而这些对象又具有自己的属性（如人口密度、质心和边界等）。基于要素的模型中实体可采用多种维度来定义属性，包括：空间维时间维图形维文本/数字维,基于要素模型的空间对象,空间对象存在于“空间”之中嵌入式空间，空间对象的定义取决于嵌入式空间的结构常用嵌入式空间：（1）欧氏空间：允许在对象之间采用距离和方位的量度，欧氏空间中的对象可以用坐标组的集合来表示；,常用嵌入式空间：（2）量度空间：允许在对象之间采用距离量度（但不一定有方向）；（3）拓扑空间：允许在对象之间进行拓扑关系的描述（不一定有距离和方向）
19、；（4）面向集合的空间：采用一般的基于集合的关系，如包含、合并及相交等。,连续的二维欧氏平面上的空间对象类型构成了一种对象集成等级图：,最高抽象层次的对象：“空间对象”类，派生为零维的点对象和延伸对象，延伸对象又可以派生为一维和二维的对象类。一维对象的两个子类：弧和环，如果没有相交，则称为简单弧和简单环在二维空间对象类中，连通的面对象称为面域对象，没有“洞”的简单面域对象称为域单位对象。,欧氏空间的平面因连续而不可计算，必须离散化后才适合于计算。图：部分离散一维对象的继承等级关系,对象行为：由一些操作定义。这些操作用于一个或多个对象（运算对象），并产生一个新的对象（结果）。用于空间对象的空间操
20、作：静态的：静态操作不会导致运算对象发生本质的改变动态的：动态操作会改变（甚至生成或删除）一个或多个运算对象。,面向对象方法和基于要素的空间数据模型在概念上很相似，但两者之间仍然有着明显的差别实现基于要素的模型不一定要求运用面向对象的方法面向对象方法既可以作为描述场的空间模型的框架，也可作为描述基于要素的空间模型的框架。基于要素的模型，采用面向对象的描述是合适的；而对于基于场的模型同样可以用面向对象方法来构建。,场和对象可以在多种水平上共存，对于空间数据建模来说，基于场的方法和基于要素的方法并不互相排斥。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。,要素模型和场模
21、型比较,基于要素的空间关系点、线（或弧）、多边形（区域）之间的空间几何关系,点点关系重合；分离；一点为其它诸点的几何中心；一点为其它诸点的地理重心。,点线关系点在线上：可以计算点的性质，如拐点等；线的端点：起点和终点（节点）；线的交点；点与线分离：可计算点到线的距离。,点面关系点在区域内，可以记数和统计；点为区域的几何中心；点为区域的地理重心；点在区域的边界上；点在区域外部。,线线关系重合；相接：首尾环接或顺序相接；相交：相切；平行。,线面关系区域包含线：可计算区域内线的密度；线穿过区域：线环绕区域：对于区域边界，可以搜索其左右区域名称；线与区域分离。,面面关系包含：如岛的情形；相合：相交：可
22、以划分子区，并计算逻辑与、或、非和异或；相邻：计算相邻边界的性质和长度；分离：计算距离、引力等。,3.6 网络结构模型,网络空间网络是用于实现资源的运输和信息的交流的相互联接的线性特征。网络模型：对现实世界网络的抽象网络由链(Link)、结点(Node)、站点(Stop)、中心(Center)和转向点(Turn)组成,网络拓扑系统研究的创始人：数学家Leonard Euler1736年解决一个著名Konigsberg桥问题找到一个循环的路只穿过其中每个桥一次，最后返回到起点。实验表明这项任务是不可能的认为没有这样的路线说明没有这样的路线,Euler证明方法：建立该桥的一个空间模型，抽象出所有的
23、仅有的桥之间的拓扑关系。实心圆表示结点或顶点，标上w、x、y、z，并且抽象为陆地面。线表示弧段或边线，抽象为陆地之间的直线，并且在每种情况下需要使用一个桥;完整的模型叫做网络或图形。,Euler证明了不可能从一个结点开始，沿着图形的边界，遍历每个边界只有一次，最后到达第一个结点。依据：经过每个结点的边的奇数/偶数除了开始的结点和末端的结点外，经过一个结点的路径必须是沿着一个边界进入，又沿着另一个边界出去。这说明了两个边界对应着那个结点。因此，每个中间结点相连的边界的数量必须是偶数。图中没有一个结点的边界数是偶数的。结论：这个图论的问题是没有解的，并且与Konigsberg桥问题有关的最初的问题
24、也是无解的,网络模型网络模型把地物抽象为链和节点，同时要关注其间的连通关系。网络模型要考虑多个要素之间的影响和交互。现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。交通：陆上、海上及航空线路，管线与隧道分析等,网络模型交通问题两点之间的直线距离是没有意义的，因为，对于交通运输而言，两点之间的传输并不是沿着两点之间的直线进行的，一切都只能是在交通运输网中的特定路径上进行。两点间的距离表现为两点之间路径的长度。两点之间的相关路径可能有许多条。因此以最短路径的长度来描述网络上两点之间的距离。,网络模型的基本特征：结点数据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。网状模
25、型将数据组织成有向图结构。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) Vertex：图中顶点的有限非空集合；Relation：两个顶点之间的关系的集合。,网络模型反映了现实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性和共享特性，并且运行效率较高。存在问题：（1）网状结构复杂，增加了用户查询和定位的困难。它要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自身所处的位置；（2）网状数据操作命令具有过程式性质；（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；（5）基本不具
26、备操作代数基础。,网络组成要素：链(Link)：链构成了网络模型的框架。链代表用于实现运输和交流的相互联接的线性实体。可用于表示现实世界网络中的运输网络的高速路、铁路，和电网中的传输线和水文网络中的河流。其状态属性包括阻力和需求。结点(Node)：链的终止点。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。,站点(Stops)：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、或高速公路网中经过的城市等。中心(Center)：网络中的一些离散位置，可以提供资源。如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，如总的资源量；阻
27、力限额，如中心与链之间的最大距离或时间限制。拐点(Turn)：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，而是代表链与链之间的过渡关系。,常用的网络模型,（1）网络跟踪(Trace)用于研究网络中资源和信息的流向如水文应用中，网络跟踪可用于计算大坝上流水体的体积，也可以跟踪污染物从污染源开始，沿溪流向下游扩散的过程。,（1）网络跟踪(Trace)网络跟踪中一个重要概念是“连通性”，定义了网络中弧段与弧段的连接方式，也决定了资源与信息在网络中流动时的走向。 弧段与弧段之间的连通多数情况下是有向的，网络的流向是通过弧段的流向来决定的。在弧段被数字化时，从(From)结点与
28、到(To结点)的关系就定义了弧段的流向。,常用的网络模型,（2）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务中，经常需要在一次行程中同时访问多个站点(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，保证访问到所有站点，同时最快最省地完成一次行程等。,（2）路径选择(Path Finding)路径选择分析中，最经济的行车路线隐藏在道路网络中，道路网络的不同弧段(链)有不同的影响物流通过的因素(阻抗)，路径选择分析必须充分考虑到这些因素，在保证遍历需要访问的站点(STOP)的同时，为用户寻找出一条最经济(时间或费用)的运行路径。,常用的网络模
29、型,（3）资源分配(Allocate)反映现实世界网络中资源的供需关系模型。“供”代表一定数据的资源或货物，位于“中线CENTER”设施中。“需”指对资源的利用。分配分析：在空间中的一个或多个点间分配资源的过程。,现实世界中的资源分配,1）资源分配包括：由“供”到“需”。如电能是从电站产生，并通过电网传送到客户那里去的。电站：网络模型中的“中线Center”，可以提供电力供应。电能的客户沿电网的线路(网络模型中的链)分布，他们产生了“需”。资源：通过网络由供方传输到需方实现资源分配,由“需”到“供”。如学校与学生的关系也构成一种在网络中供需分配关系。学校：资源提供方，负责提供名额供适龄儿童入学
30、。适龄儿童：资源的需求方，要求入学。作为需求方的适龄儿童沿街道网络分布，产生了对作为供给方的学校的资源的需求。这种情况下，是由适龄儿童前往学校。,2）网络中的“阻抗值(Impedance)”阻抗值：网络中的要素抵抗资源流动或增加资源运输成本的能力。如果资源在供方与需方间流动时的阻值大于可以承受的范围，可能导致资源无法分配到资源的需方。如要求每个学生从家到学校的时间不能超过30分钟，学生与学校之间的分配关系就会发生变化。,3）供方和需方是多对多的关系如多个电站众多客户多个适龄儿童多个学校优选：哪个电站向哪些客户供电，哪些学生到哪个学校去上学，这里都存在优化配置的问题。,优选的目标供方必须能够提供
31、足够的资源给需方。如电站要能够供给它的客户足够的电能。学校有足够的名额给它所服务的适龄儿童。实现供需关系的成本最低如电站在输电成本尽可能低的情况下，决定哪个电站为哪些客户供电；学生从家到学校的时间尽可能短的情况下，决定哪些学生到哪个学校入学。,常用的网络模型,（4）地址编码与匹配利用人们习惯的地址(街道门牌号)信息确定它在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，例如110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(例如寻求最优路径前往救助)。,（5）选址和分区(Location-All
32、ocation)分析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。分析中即有定位过程，也有资源分配过程。实际问题：加油站；急救服务设置：救火、医疗急救；学校的选址等。,常用的网络模型,（6）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、资源及信息的流动。通常情况下两点间距离越近，发生相互作用的可能性越大。实际问题：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；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。类似于路径选择，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。例如，人们不愿
33、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。,常用的网络模型,3.7 时空数据模型,空间、属性、时间是地理现象的三个基本特征，也是GIS数据库的三种基本数据成分。空间：空间位置数据及其派生数据属性：指与空间位置无派生关系的专题属性数据时间：指时间、空间和属性状态的时变信息,静态GIS：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时态GIS：能够同时处理时间维度解决历史数据的丢失问题实现数据的历史状态重建、时空变化跟踪、发展势态的预测等功能。,数据的时间维度：结构化的数据：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（Time St
34、amp）实现管理；非结构化的：如土地利用状况的变化描述这种数据，是TGIS数据模型重点要解决的问题。,TGIS数据模型特点：语义更丰富对现实世界的描述更准确物理实现的最大困难在于海量数据的组织和存取TGIS技术的本质特点是“时空效率”。,一个合理的时空数据模型必须考虑的因素：节省存储空间加快存取速度表现时空语义时空语义：包括地理实体的空间结构、有效时间结构、空间关系、时态关系、地理事件、时空关系等。,时空数据模型设计的基本指导思想：（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。对属性：有属性数据项时间标记、实体时间标记、数据
35、库时间标记；对空间：有坐标点时间标记、弧段时间标记、实体时间标记、数据库时间标记等。,（2）同时提供静态和动态数据的建模手段当前、历史等不同使用频率的数据分别组织存放，以便存取。一般将当前数据存放在本地机磁盘上，将历史数据存放在远程服务器大容量光盘上。,（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。地理事件以事件发生的相关源状态和终止状态表达。,（4）时空拓扑关系：拓扑关系的时态关系时空拓扑关系揭示地理实体在时间和空间上的相关性。为了有效地表达时空拓扑关系，需要存储空间拓扑关系的时变序列。,时空概念模型：基于事件的时间模型：把离散变化描述为事件或事件集将时间理解为事
36、件序列的表现形式，而时间上的位置成为记录变化的主要组织基础。所有的变化被表达为通过时间的事件序列。事件序列用时间线说明。一条时间线表示从某已知时刻到其它己知后续时间点的有序进程。沿着时间线，每个时间位置对应着一个发生变化的实体集。,基于过程的时间模型：处理连续变化连续变化的地理现象：如洪水、丛林火灾、土地城市化、地震、冰川移动等，不能用简单的事件和状态来表示。当一个事物连续变化时，可以定义事物的每一次状态的变化均由事件引起，但在实际应用中这种定义并不一定适合，所以将其连续变化定义为一个过程。过程可能采用数学模型或其它方法来描述。,四种时空概念模型：,当前主要的TGIS模型：空间时间立方体模型序
37、列快照模型基图修正模型空间时间组合体模型非空间的时态数据库模型的研究成果不完全适合于时空数据模型。,1）序列快照模型将一系列时间片段的快照保存起来，各个切片分别对应不同时刻的状态图层，反映地理现象的时空演化过程。优点：可直接在当前的地理信息系统软件中实现；当前的数据库总是处于有效状态。缺点：大量的数据冗余：未发生变化的所有特征进行存储应用模型变化频繁、数据量较大时，系统效率急剧下降,2）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，它只存储某个时间数据状态(基态)和相对于基态的变化量。避免快照模型对未发生变化部分特征的重复记录每个对象只存储一次，每变化一次，只有很小的数据量需要记录，
38、只将发生变化的部分存入系统中。模型可在GIS软件中很好地实现，以地理特征作为基本对象。通过叠加来表示状态的变化，矢量数据效率较低，栅格数据合适。,3）时空立方体模型( Space - time Cube)由空间两个维度和一个时间维组成，描述了二维空间沿着第三个时间维演变的过程。任何一个空间实体的演变历史都是空间-时间立方体中的一个实体。模型直观地运用了时间维的几何特性，表现了空间实体是一个时空体的概念，对地理变化的描述简单明了、易于接受，该模型具体实现的困难在于三维立方体的表达。,4）空间时间组合体模型 空间分隔成具有相同时空过程的最大的公共时空单元，每个时空对象的变化都将在整个空间内产生一个
39、新的对象。模型将空间变化和属性变化都映射为空间的变化，是序列快照模型和基态修正模型的折衷模型。最大缺点：多边形碎化和对关系数据库的过分依赖。,5）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，将空间实体视为封装有变化组分的对象，因此可以表现时间因素并表现实体的过去、现在和未来。核心：以面向对象的基本思想组织地理时空对象。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的关系。时间、空间及属性在时空对象中具有同等重要的地位。,从时间的角度进行时空建模：在空间模型的基础上扩展时间维，只能进行基于地理位置与地理对象的简单历史查询，不能进行时间维上的深层
40、分析，如事件因果关系分析。1995年提出基于事件的时空数据模型，模型按时间顺序把事件组成一个链。在事件上加上时间标记，在时间序列中展现每次变化，新发生的事件被加到事件系列的尾部。,3.8 三维空间数据模型,GIS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、灾害、污染等三维GIS在数据采集、系统维护和界面设计等方面比二维GIS要复杂得多,三维GIS：具备二维GIS的传统功能，还可包容一维、二维对象，能对2.5维、三维对象进行可视化表达，对三维空间DBMS进行管理。三维GIS的核心：三维空间数据库。,三维空间数
41、据模型的类型基于面的模型基于体的模型基于混合构模的数据模型,三维空间数据模型分类体系,1.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。所模拟的表面可能是封闭的，也可能是非封闭的。通过表面表示形成三维空间目标轮廓，其优点是便于显示和数据更新，不足之处是由于缺少三维几何描述和内部属性记录而难以进行三维空间查询与分析。,1.基于面模型的构模非封闭表面模拟基于采样点的TIN模型基于数据内插的Grid模型封闭表面或外部轮廓模拟边界表示模型(B-Rep)线框模型(Wire Frame)地质构模断面(Section)模型断面-三角网混合模型
42、(Section-TIN)多层DEM模型,（1）TIN与Grid模型TIN：将无重复点的散乱数据点集按某种规则进行三角剖分，形成连续但不重叠的不规则三角网，并以此来描述三维物体的表面；Grid模型：考虑到采样密度和分布的非均匀性，经内插处理后形成规则的平面分割网格。一般用于地形表面构模，也可用于层状矿床构模。,（2）边界表示(B-rep)模型通过面、环、边、点来定义实体的位置和形状。如一个长方体由6个面围成，对应有6个环，每个环由4条边界定，每条边又由两个端点定义。模型详细记录了构成实体的所有几何元素的几何信息及其相互连接关系，有利于以面、边、点为基础的各种几何运算和操作。,（3）线框(Wir
43、e Frame)模型把目标空间轮廓上两两相邻的采样点或特征点用直线连接起来，形成一系列多边形，然后把这些多边形拼接起来形成一个多边形网格来模拟三维物体的表面。当采样点或特征点成沿环线分布时，所连成的线框模型也称为相连切片(Linked Slices)模型，或连续切片模型。,（4）断面(Section)模型（5）断面-三角网混合模型（6）多层DEM构模,2.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。按体元的面数分：四面体六面体棱柱体多面体,根据体元的规整性分规则体元CSG-treeVoxel(3D体元)Octree（八叉树）NeedleRegu
44、lar Block,（1） CSG构造实体几何构模预定义一些形状规则的基本体元，如立方体、圆柱体、球体、圆锥及封闭样条曲面等由这些规则的基本体元通过正则操作组合成复杂形体。CSG构模在描述结构简单的三维物体时十分有效，但对于复杂不规则的三维物体，尤其是地质体则很不方便，且效率低下。,（2）八叉树(Octree)构模将数据场空间进行上下、左右、前后的均匀剖分，形成8个子数据场空间，建立8个树结点；对各个子空间进行类似的剖分，并建立下一层次的树结点；迭代进行，直至子空间的大小是一个数据样点的尺寸。,八叉树：四叉树方法在三维空间的推广用三维体素列阵表示形体方法的一种改进,八叉树的逻辑结构 ：假设形体
45、V放在一个充分大的正方体C内，C的边长为2n，形体VC的八叉树的定义：八叉树每个节点C一个子立方体树根C本身如VC，则V的八叉树仅有树根如果VC，则将C等分为八个子立方体，每个子立方体与树根的一个子节点相对应。只要某个子立方体不是完全空白或完全为V所占据，就要被八等分，从而对应的节点也就有了八个子节点。,递归判断、分割：节点所对应的立方体或是完全空白或节点完全为V占据或节点已是预先定义的体素大小,八叉树上的节点分为三类：灰节点：对应的立方体部分地为V所占据；白节点：所对应的立方体中无V的内容；黑节点：所对应的立方体全为V所占据。后两类又称为叶结点,形体V关于C的八叉树的逻辑结构：是一颗树，其上
46、的节点要么是叶节点，要么就是有八个子节点的灰节点。根节点与C相对应，其它节点与C的某个子立方体相对应。,八叉树的存贮结构八叉树的存贮结构方式可以完全沿用四叉树的有关方法。根据不同的存贮方式，八叉树可以分别称为常规的、线性的、一对八的八叉树等,规则八叉树用一个有九个字段的记录来表示树中的每个结点。其中一个字段用来描述该结点的特性(灰、白、黑)，其余的八个字段用来作为存放指向其八个子结点的指针。最大问题：指针占用了大量的空间。假定每个指针要用两个字节表示，而结点的描述用一个字节，那么存放指针要占总的存贮量的94。方法十分自然，容易掌握，但在存贮空间的使用率方面不很理想。,线性八叉树考虑如何提高空间
47、利用率。通过遍历八叉树，将八叉树转换成一个线性表，表的每个元素与一个结点相对应对结点的描述可以丰富一点，如用适当的方式说明它是否为叶结点，若不是叶结点时可用其八个子结点值的平均值作为非叶结点的值等等。内存中以紧凑的方式来表示线性表，可以不用指针或者仅用一个指针表示。,一对八式的八叉树一个非叶结点有八个子结点，为了确定起见，将它们分别标记为0，1，2，3，4，5，6，7。如一个记录对应一个结点，记录中描述结点的八个子结点的特性值。指针给出八个子结点所对应记录的存放处，还隐含地假定了这些子结点记录存放的次序。,根据体元的规整性分非规则体元四面体格网(TEN)模型金字塔(pyramid)模型三棱柱(
48、Tri-Prism，TP)模型地质细胞(Geocellular)模型非规则块体（Irregular Block）实体(Solid)3D-Voronoi广义三棱柱(GTP),（1）四面体格网(TEN)模型基本思路是对三维空间中无重复的散乱点集用互不相交的直线将空间散乱点两两连接形成三角面片，再由互不穿越的三角面片构成四面体格网。四面体内点的属性由插值函数得到，插值函数的参数由四个顶点的属性决定。TEN虽然可以描述实体内部，但不能精确表示三维连续曲面，而且用TEN模拟三维空间曲面较为困难，算法设计复杂。,3混合模型的构模方法基于面模型的构模方法：侧重于三维空间实体的表面表示，通过表面表示形成三维目
49、标的空间轮廓，便于显示和数据更新，难以进行空间分析。基于体模型的构模方法：侧重于三维空间实体的边界与内部的整体表示，通过对体的描述实现三维目标的空间表示，易于进行空间操作和分析，但存储空间大，模型数据结构复杂，计算速度慢。,3混合模型的构模方法目的：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。对混合模型的研究尚局限于理论和概念的探讨，还没有成熟的模型算法出现。,（1）TIN-CSG混合构模当前城市三维构模的主要方式，即以TIN模型表示地形表面，以CSG模型表示城市建筑物，两种模型的数据分开存储。集成只是一种表面上的集成，一个目标只由一种模型来表示，然后通过公共边界来连接
50、，因此其操作与显示都分开进行，效率较低。,（2）TIN-Octree混合构模以TIN表达三维空间物体的表面，以Octree表达内部结构。用指针建立TIN和Octree之间的联系。模型集中了TIN和Octree的优点，对拓扑关系搜索较为有效，并可以充分利用映射和光线跟踪等可视化技术。缺点：Octree模型数据必须随TIN数据的改变而改变，导致数据维护困难。,（3）Wire Frame-Block混合构模（4）Octree-TEN混合构模,基于面或基于体的单个模型发展较为成熟，得到了较为成功的应用；对复杂的三维空间对象，单个模型很难有效地组织和管理三维空间数据，实现对三维空间实体高效、完整的表达。
