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1、城市空间信息学,合肥工业大学土木与水利工程学院测量工程系主讲：张志慧,第二章 从现实世界到数字世界,主要内容：对现实世界的认识：几个概念模型、几种逻辑模型从现实世界到数字世界：几种数据结构模型、数据文件类型数字世界的局限性：时间局限、范围有限、容量有限。不断提高认识能力是唯一出路。,2.1 对现实世界的认识,现实的世界：客观存在的世界，人类的家园。现实的世界的多样性：复杂性。对现实世界的认识过程：人类的知识不断积累，认识手段不断完善，认识速度不断加快。,现实的复杂性,现实事物的描述与表达的复杂性：如道路。名称、起止地点、等级、长度、宽度、车道数、材质、通行速度、载重量、节点、转向，等。隶属机构
2、、计费标准、收费时间段，等。滑坡点、光谱特征，等抽象事物的复杂性：情感、政治、社会关系、等今天下雨，他可能不来了。团结就是力量。,人类认知过程存在系统上的复杂性,辩证法认为：1.事物的普遍联系性，没有孤立存在的事物。联系：事物之间、事物内部诸要素之间互相依赖、互相制约、相互影响、相互作用的关系。2.世界是一个普遍联系的统一的整体。学校、学生、老师、课本、食堂、厨师、蔬菜、医院、医生、药品、图书馆、管理员、图书,人类认知过程存在系统上的复杂性,3.普遍联系的世界存在的基本形式就是系统。如地球系统是开放、复杂的巨大系统，有许多同类或不同类的部分组成，每个部分都不同程度的影响着系统的发展变化。自然生
3、态系统：海洋生态系统、陆地生态系统（草原、沙漠、湿地、山地、平原、河流湖泊）社会经济体系：政工农商学兵行政区域体系：国家、省、市、县、乡、村机械工业部、国土资源部、科技部、国防部、农业部、商业部、水利部教育系统、工商系统、食品卫生系统、消防系统、市政管理系统,地球巨系统的复杂性,组成复杂：不同部分、不同层次，互相耦合，直接、隐含。系统功能复杂：存在非线性、多尺度、自组织、有序和随机性等现象，如蝴蝶效应。时变系统：结构、功能、关系虽时间变化。时间与空间尺度的大小并序、系统的发展有序与无序并存、整体性与差异性并存、渐变与突变并存。农作物生长、病虫害；板块移动、洪水暴发；经济增长、金融危机；气候变迁
4、、台风；人口迁移、上班下班；地极移动、地震；,城市是地球巨系统中一个大系统,空间组成的层次性：行政区划、居民区、商业区、文化、医疗、休闲娱乐区、科技教育区、工业区等功能：交通、通讯；供水、排水；供电、供气；消防、公安；时间变化：功能的非线性、时变性、自组织等的分析时间与空间尺度：大小并存、有序与无序、整体与差异性、渐变与突变等。调研：现代城市系统的组成，做调研分析报告，以合肥（广州等）为例。目的：发现问题，提出解决问题的方案。,2.1.2 对现实世界的认识过程,从认知角度，人类不可能完全彻底地认识现实世界，现实的复杂性所以认识过程曲折向完全认识趋近。认识水平总体向前加速发展，以知识增长率为例，
5、按每年20世纪60年代9.5%20世纪70 年代10.6%20世纪80 年代12.65%过去每隔10-15年人类知识翻一番20世纪90 年代每隔3-5年人类知识翻一番人类全部科技知识总量的80%以上20世纪以后产生的。,2.1.2 对现实世界的认识过程,认识世界的过程也是人类认识的技术手段和工具的进步过程。人的感官系统可以感知各种各样的现象，但仅仅是一小部分。声光电气味温度细胞原子电子等伴随人类认识的技术手段和工具的不断提高，人类对现实世界的描述不断进步。以空间认知为例：手工量测刻画 GPS、RS测量，计算机存储，GIS处理 全球信息化，海量数据，数据挖掘与智能化决策分析、宽带网络信息可视化要
6、求日益广泛数字工程技术（计算机、网络、通讯、声光电、数学、各项专业技术、系统工程、管理工程等）的应用。传统局部坐标系全球地心坐标框架，促进数字地球的建设与发展。,对城市和城市空间的再认识,城市是复杂的巨系统数字城市建设是信息化社会城市建设的基础设施，可以大大方便人们的生产、生活，优化人居环境。数字城市也是复杂的系统工程，综合应用多种先进空间信息技术、网络通讯技术、多媒体虚拟现实、数据库管理技术等，集多方人力、物力、财力，统筹布局，协调指挥，不断积累，经过各部门协作攻关，大量细致的工作，才能建成。并不断维护和完善。必须用系统工程的思想和技术管理手段。,2.2 从现实世界到数字世界,由于人类的活动
7、，现实世界变得越来越复杂人类知识的积累，科技的发展日新月异人类的生活、工作、学习与娱乐方式发生着变化。主要体现在生活、学习、工作中交流的方式发生了巨大变化。如：网上购物、电话电视购物、网上银行、团购网络课堂、广播电视大学、百家讲坛电视会议、无纸化办公等关键是以数字化为基础的计算机通讯技术，使信息的传播速度加快，引起物质的交流、能量的转移的过程加速进行，范围扩大，掀起全球一体化的浪潮。,2.2.1 数字世界是现实世界的抽象表达,1.数字世界定义：是我们部分生存环境的计算机化和数字表达，即“比特世界”，是当今和未来信息化时代一个重要工具体系。包括计算机、互联网、通讯、空间及地面传感器、终端服务设备
8、（如显示屏、导航仪、手机、绘图仪等）。2.数字技术：计算机技术、网络技术、通讯技术、空间及地面传感器技术、数据处理技术、多媒体和虚拟现实技术、机械与电子自动化技术等。数字技术已经深入到我们日常生活的每一个角落，成为我们这个时代发展的背景和必要条件。3.数字化空间：数字化技术开创的生活、交往、工作、娱乐的场所。如网吧、KTV、空中课堂、科研模拟实验室、多媒体教室、数字化办公环境等。,数字化空间的优点和局限性,优点：机器思维拓展人脑思维（人机交互），预测、试验、设计局限性：抽象虚拟性（模型：模拟部分功能）不完整性：有目的的建立，取舍，现实的变化，机器容量和分辨率的限制,数字化空间的优点和局限性,我
9、们还必须到大自然感受世界的奇妙、和人交流感受亲情友谊、到演唱会体育比赛现场体验激情、养花种草颐养精神、伴个宠物解除孤寂另外，保证现实向数字世界转化的程序化、规范化、标准化，能防止随意性，歪曲现实。,2.2.2 现实世界到数字世界的转换模型,模型是抽象的模仿现实世界的事物，有意识忽略事物的某些特征。我们需要一个对现实世界的客观、本质的表达，必须采用一个合理的方法，科学地对现实世界进行建模，避免参入过多的主观因素。现实世界的事物既存在空间差异，也有属性的区别，从空间信息和非空间信息两个方面，分别进行建模。在数字世界中两方面的模型必须结合起来。也就是说，在数字世界里，必须包含同时事物的空间信息和非空
10、间信息。,基于现实世界空间信息的基本数字化方法,空间信息：指空间位置、形态、分布。场模型：连续分布，布满整个空间的事物。要素模型：独立分布，或与其他事物关联的方式。,1.场模型,在一定空间内有连续分布特点的现象，适合用场的模型来转换与表达。如：污染物的集中，地表的温度，土壤的湿度，空气和水流的速度与方向等。2维场：2维空间已知的地点上，都有一个值3维场：3维空间已知的地点上，都有一个值场模型对空间信息的转换步骤：先区域分割，再赋值。又称采样和量化。采样间隔影响空间分辨率：等间隔规则采样、不等间隔采样量化精度代表了对单元属性表达的精确程度。,DEM数字高程模型是场模型表达地面高低的属性。,等高线
11、模型是场模型表达地面高低的属性。,规则格网DEM是场模型表达地面高低的属性。,TIN 不规则三角网高程模型表达地面高低的属性。,2.要素模型,针对个体空间对象的信息获取，该对象必须独立或与其他对象之间关联的方式存在。任何现象，无论大小，都可以被确定为一个对象，并且从概念上与其邻域现象相分离。要素模型适合于在空间中存在实际逻辑边界的事物。如房屋、道路、湖、岛、森林等。离散的，且与周围的事物相分离的个体,2.要素模型,基于要素的空间信息模型把空间信息分解为对象或实体，然后，向数字世界转换。必须符合三个条件：可被识别：转换的基础。重要性：与具体应用有关。旅游图、工业分布图、地质图、水文图。可被描述：
12、转换的必要条件。如：房屋、控制点,2.要素模型,基于要素模型的空间信息转化步骤：首先依据属性选取要素然后对要素量测以确定其位置分类描述属性特征最后记录。实体或要素属性特征：除了空间位置：如坐标外静态属性：如名称，动态行为特征：如流量，速度，载重量，结构特征：如关联，聚集，离散等基于要素的模型把信息空间看作是对象的集合，每一对象又有自己的属性。如：城市对象：建筑、道路、绿化区等的集合道路：宽度、长度、等级等实体通过不同维度获取属性：空间维、时间维、图形维、文本维、数字维等。,要素模型表达的空间不同地物类型,点：位置（x，y）属性：符号,线：位置(x1，y1),(x2，y2)，(xn，yn)属性：
13、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,场模型与要素模型的比较,分别适合不同的场合：,现实世界,选择要素,选择一个位置,它在哪里？,那里怎样？,数据,基于现实世界非空间属性特征的系统性组织方式,相对于空间位置客观固定性，属性特征具有主观性、层次性、多维性等。表现了事物间相互区别、相互间错综复杂的关联性，导致非空间属性信息向数字世界转化的复杂性。属性特征建模过程：首先弄清现实世界中事物及其事物之间的联系。再逐步分析、变换，得到数字世界可以处理的形式。四个世界，3层模型,四个世界，3层模型,现实世界,概念世界,信息世界,数字世界,层次模
14、型网络模型关系模型（数据库技术成熟）面向对象模型（发展方向）,概念模型,逻辑模型,E-R模型,面向对象模型,物理模型,数据类型、索引类型、约束条件(关系模型范式）,（1）概念模型,概念模型:用比较有效的、自然的语言来描述现实世界的实体及联系。要求：具有抽象的真实性，对现实世界本质的、确实存在的内容的抽象，忽略非本质的与主体无关的。完整、精确的语义表达，易于理解和修改。易于向信息世界、数字世界的逻辑模型、数据模型转换客观事物：对象、属性两方面，相互联系实体联系模型（E-R图）面向对象模型（O-OM）,实体联系模型（E-R图）,实体（entity）：现实世界的事物可以抽象为实体。是概念世界中的基本
15、单位，客观存在。学生（张三），教师（王五）、房屋、道路等班级，课程，控制点，特征点等属性（attribute）：实体的特征。姓名，年龄，籍贯，权属人，名称，编号等名称，级别，电话，邮政编码等联系（relationship）：实体间的关联。师生关系，隶属关系，选修关系等关联、包含、邻近等,E-R图,实体属性联系,面向对象模型（OOM）,基本概念：对象（object)是现实世界中概念化的基本实体，是定义在实体上的一组属性和操作的集合。对象：基本实体属性：表示实体的特征操作：定义了实体的交互特性例子：对象：螺丝A、机器A、树叶B、地球、奋进号宇宙飞船属性：以螺丝A为例：螺距、罗帽尺寸、材料等操作：加
16、工、装配等,Object-oriented model(OOM),类（class）：通过将对象抽象成类，我们可以使问题抽象化，抽象增强了模型的归纳能力。属性：属性指的是类中对象所具有的性质（数据值）。操作和方法：操作是类中对象所使用的一种功能或变换。类中的各对象可以共享操作，每个操作都有一个目标对象作为其隐含参数。方法是类的操作的实现步骤。关联和链 关联是建立类之间关系的一种手段，而链则是建立对象之间关系的一种手段。,(a)关联和链的含义。链表示对象间的物理与概念联结，关联表示类之间的一种关系，链是关联的实例，关联是链的抽象。(b)角色。角色说明类在关联中的作用，它位于关联的端点。(c)受限关
17、联。受限关联由两个类及一个限定词组成，限定词是一种特定的属性，用来有效的减少关联的重数，限定词在关联的终端对象集中说明。限定提高了语义的精确性，增强了查询能力，在现实世界中，常常出现限定词。(d)关联的多重性。关联的多重性是指类中有多少个对象与关联的类的一个对象相关。重数常描述为“一”或“多”。,Object-oriented model(OOM),（2）逻辑模型,逻辑模型的作用：将概念世界的实体属性联系转换成信息世界的逻辑模型，设计子模式，对模式评价优化，同时要考虑数据转换过程中得一致性、完整性问题。关系模型：结构简单、使用方便、理论成熟层次模型：网络模型：,关系模型,关系模型的基本数据结构
18、是二维表（简称表）。表格作为数据结构有广泛的应用基础。表有表框架和元组所组成。表框架有几个属性组成；（n个）存放于框架内的每行数据成为元组。（m个）一个实体的多个属性可以存放在多个表中。表与表之间相关联的行由关键字（key）关联。关联的过程允许一对多或多对一的关系。,（3）物理模型,解决实体数据的存储问题，包括数据类型、索引、约束等的定义。与平台相关。现代操作系统的抽象特征隔离了这种相关性。对数据库管理的数据来说，系统能够自动完成逻辑模型向物理模型的转换。,E-R图、关系表及物理实现举例,企业生产管理系统,某企业集团有若干工厂，每个工厂生产多种产品，且每一种产品可以在多个工厂生产，每个工厂按照
19、固定的计划数量生产产品，计划数量不低于300；每个工厂聘用多名职工，且每名职工只能在一个工厂工作，工厂聘用职工有聘期和工资。工厂的属性有工厂编号、厂名、地址，产品的属性有产品编号、产品名、规格，职工的属性有职工号、姓名、技术等级。请：（1）该集团进行概念设计，画出E-R图。（2）E-R图转换成关系模式，并指出每个关系模式的主键和外键。,概念模型（E-R图）,逻辑模型（关系表）,CREATE TABLE 生产(工厂编号 CHAR(7)NOT NULL,产品号 CHAR(6)NOT NULL,数量 DEC(5,2),PRIMARY KEY(工厂编号,产品号),FOREIGN KEY(工厂编号)RE
20、FERENCES 工厂 ON DELETE CASCADE,FOREIGN KEY(产品号)REFERENCES 产品 ON DELETE RESTRICT,CHECK(数量=300);,物理模型（建表过程）,数字城市基础地理信息的概念模型E-R图,点,线,面,属性1,标识码,属性n,标识码,属性（xi，yi）,标识码,属性1,属性m,属性p,属性（x，y）,关联,包含,数字城市空间实体逻辑模型关系表,点目标：目标标识，地物编码，（x,y）线目标：目标标识，地物编码，（x1,y1），（x2,y2）（xn,yn），面目标：目标标识，地物编码，（x1,y1），（x2,y2）（xn,yn），（x1,
21、y1）,属性表1：目标标识，地物名称，地物类型属性表2：目标标识，地物名称，长度，.属性表3：目标标识，行政区名称，用地类型，面积,数字城市空间实体关系表文件物理模型,结点链关联关系表,数字城市空间实体关系表文件-物理模型,链结点、面关联关系表,数字城市空间实体关系表文件-物理模型,面链、面关联包含关系表,规定：顺时针方向构建多边形，若链方向与之相同，则记为正；若链方向与之相反，则记为负。,数字城市空间实体关系表文件汇总-物理模型,4.弧段坐标文件,2.弧段文件,3.面文件,1.点文件,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,14,15,A1,A2,A3,L1,L2,L3,L4,
22、12,2.2.3 数字世界是社会发展的必然,原始社会奴隶社会封建社会资本主义社会共产主义社会狩猎采摘-农业-工业-工农商业-生态信息（数字）信息社会85%信息资源与空间信息有关，建立一个的数字化的世界，历史的必然。数字世界的一个典型例子就是数字地球(信息化地球模型)。,2.2.4 数字世界的优点,节约成本：电子商务，将经营主体、客体、经营活动等实现形式演变成虚拟形式，并实现某种程度地在线经营。降低40%-70%的成本。提高效率:虚拟办公、电子邮件交换、远程连线会议。农业、林业等方面的灾害监测预警避免危险虚拟现实技术，模拟特定环境中的视听动等行为的高级人机交互，产品安全性能设计、救灾指挥决策实时精确，完成一些人工不可能完成的工作：核试验模拟。,思考与习题,什么是数字世界与现实世界的特征和关系？什么是模型？模型的作用？现实世界向数字世界转换过程使用了哪些模型？各有什么特点？举例：空间信息在数字世界中的应用，空间信息的应用带来哪些好处？,实验1：,围绕现实世界到信息世界的转换过程，利用E-R模型和面向对象模型，以数字城市中的某一系统建设为目标，做详细设计。如数字校园、数字消防、医疗紧急救援、数字邮政等,
