第4讲地理空间数据模型
第四讲(1)ArcHydro
Template Data Model Approaches Water Resources
Floodplain(河漫滩)
WQ
Arc Hydro
Permitting
Arc Hydro Database Definition
A geospatial and temporal data model for water resources
Semi-Generic
Parameterization(参数化)
Model pre and post-processing(模型预处理与后处
理)
Model Specific
Arc Hydro Template Data Model
Template Data Models(模板数据模型)
Arc Hydro Data Model
Arc Hydro Data Model Details
Detailed representation at the end of corresponding
chapters in the book (e.g. p 51)(详细的描述见书上的 对应章节)
5 应用范例一
6 应用范例二(时间序列管理)
7 应用范例三(H&H Modeling)
1 ArcHydro
Arc Hydro--Template Data Model(模板数据
模型) Arc Hydro--Tools Key Concepts
Review of geodatabase issues
that operates within ArcGIS(在ArcGIS中可操作的用于水资 源的地球空间和时间数据模型) Five key conceptual areas(五大主要的概念领域)
地理信息系统概论重点讲义(4)
重点一空间数据库模型1．空间数据库空间数据库是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的。
2．空间数据库模型空间数据库模型是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，为描述空间数据组织和设计空间数据库模式提供了基本的方法。
一般而言，GIS 空间数据模库型由概念数据库模型、逻辑数据库模型和物理数据库模型三个有机联系的层次所组成。
3．数据库概念模型：( conceptual model)概念模型为了把现实世界中的具体事物抽象、组织为某一数据库管理系统支持的数据模型。
人们常常首先将现实世界抽象为信息世界，然后将信息世界转换为机器世界。
也就是说，首先把现实世界中的客观对象抽象为某一种信息结构，这种信息结构并不依赖于具体的计算机系统，不是某一个数据库管理系统(DBMS)支持的数据模型，而是概念级的模型，称为概念模型。
4．逻辑模型逻辑模型，是指数据的逻辑结构。
在数据库中，逻辑模型有关系、网状、层次，可以清晰表示个个关系。
在管理信息系统中，逻辑模型：是着重用逻辑的过程或主要的业务来描述对象系统，描述系统要“做什么”，或者说具有哪些功能。
1)关系数据模型是把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表格，每个二维表格称为一个关系。
关系模型以记录组或数据表的形式组织数据，便于利用各种地理实体与属性之间的关系进行存储和变换，不分层也无指针，是建立空间数据和属性数据之间关系的一种非常有效的数据组织方法。
2)关系数据库：是建立在关系数据库模型基础上的数据库，借助于集合代数等概念和方法来处理数据库中的数据。
目前主流的关系数据库有oracle 、SQL、access 、db2 等。
3)对象—关系管理模式是指在关系型数据库中扩展，通过定义一系列操作空间对象(如点、线、面)的API 函数，来直接存储和管理非结构化的空间数据的空间数据库管理模式。
5．物理模型，在管理信息系统中，物理模型：描述的是对象系统“如何做”、“如何实现”系统的物理过程。
地理空间的表达数据模型
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3.1.3 空间数据
1）空间数据的基本特征
第 3 章 空间数据模型 空间数据的基本特性（ Jack Dangermond，1984）
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3.1.3 空间数据
2）空间数据的类型
（1）几何图形数据 （2）遥感影像
（3）地形数据
（4）属性数据
（5）元数据
第 3 章 空间数据模型
如何表达一个点，有两种方法： 矢量表示法：采用没有大小的点来表达基本点元素； 栅格表示法：采用有固定大小的点（像元）来表达基本点元素。
道 路
湖泊
河 流
居民地
第 3 章 空间数据模型
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3.1.3 空间数据
GIS空间数据代表着现实世界（Geospace）的空间实体在信息世界中 的映射，它反映的特征包含空间实体向我们传递的基本信息。
香港城市道路网分布
面(polygon)实体
• 具有长和宽的目标
• 通常用来表示自然或人工的封闭多边形 • 一般分为连续面和不连续面
数据描述方式：(x1,y1) (x2,y2) (x3,y3) (x4,y4)… (x1,y1)
中国土地利用分布图（不连续面）
3.2.2 网络模型
网络（Network）是由欧式空间R2中的 若干点及它们之间相互连接的线段构成， 如：道路网、水系网、管网等。 网络由一系列节点（Node）和弧段 （Arc）所组成，在本质上，网络模型 可看作是对象模型的一个特例，由点对 象和线对象之间的拓扑关系构成，它更 侧重于对象间的连通性。 水系网
规则分布的点
不规则分布的点
规则矩形区
不规则多边形区
第 3 章 空间数据模型 不规则三角形区
等值线
初中地理常见几何基本模型及结论
初中地理常见几何基本模型及结论
地理学是研究地球表层现象及其规律的学科，其中几何模型在
地理学中具有重要的作用。
本文将介绍初中地理中常见的几何基本
模型及相应的结论。
1. 平面几何模型
平面几何模型是描述地表特征的常见模型，其主要包括以下几
个基本模型：
- 圆形模型：地理学中常用来描述湖泊、盆地等自然地理要素。
圆形模型的结论是，湖泊或盆地的形状通常近似于圆形。
- 矩形模型：地理学中常用来描述田地、建筑物等人文地理要素。
矩形模型的结论是，田地或建筑物的形状通常接近于矩形。
2. 空间几何模型
空间几何模型是描述地球内部结构和地理空间关系的模型，主
要包括以下几个基本模型：
- 球体模型：地理学中常用来描述地球的整体形状。
球体模型
的结论是，地球的整体形状近似于一个球体。
- 锥体模型：地理学中常用来描述河流的流域和山脉的形状。
锥体模型的结论是，河流的流域和山脉的形状通常呈锥状。
3. 空间位置关系模型
空间位置关系模型是描述地理要素之间相对位置关系的模型，
主要包括以下几个基本模型：
- 上下游模型：用来描述河流沿着水流方向的位置关系。
上下
游模型的结论是，河流的上游位于源头，下游位于河口。
- 东西方向模型：用来描述地理要素在东西方向上的位置关系。
东西方向模型的结论是，东方位于太阳升起的一侧，西方位于太阳
落山的一侧。
以上是初中地理常见的几何基本模型及相应的结论。
通过理解
和应用这些模型，可以更好地理解地理现象和地球的空间关系。
空间数据模型
空间数据模型空间数据模型可以分为三种：场模型：用于描述空间中连续分布的现象；要素模型：用于描述各种空间地物；网络模型：可以模拟现实世界中的各种网络；在各种模型中，又介绍了相关的概念，如空间划分，空间关系，以及拓扑关系的形式化描述——9交模型等。
最后讲述了普通的二维数据模型在空间上和时间上的扩展，时间数据模型和三维数据模型。
值得注意的是，本章谈到的场模型和要素模型类同于后面提及的栅格数据和矢量数据，但是前者是概念模型；后者是指其在信息系统中的实现。
1．空间数据模型的基本问题人类生活和生产所在的现实世界是由事物或实体组成的，有着错综复杂的组成结构。
从系统的角度来看，空间事物或实体的运动状态（在特定时空中的性状和态势）和运动方式（运动状态随时空变化而改变的式样和规律）不断发生变化，系统的诸多组成要素（实体）之间又存在着相互作用、相互制约的依存关系，表现为人口、物质、能量、信息、价值的流动和作用，反映出不同的空间现象和问题。
为了控制和调节空间系统的物质流、能量流和人流等，使之转移到期望的状态和方式，实现动态平衡和持续发展，人们开始考虑对其中诸组成要素的空间状态、相互依存关系、变化过程、相互作用规律、反馈原理、调制机理等进行数字模拟和动态分析，这在客观上为地理信息系统提供了良好的应用环境和重要发展动力。
1．1概念地理数据也可以称为空间数据（Spatial Data）。
地理空间是指物质、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。
地理信息系统中的地理空间分为绝对空间和相对空间两种形式。
绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系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，由不同实体之间的空间关系构成。
在地理信息系统应用中，空间概念贯穿于整个工作对象、工作过程、工作结果等各个部分。
空间数据就是以不同的方式和来源获得的数据，如地图、各种专题图、图像、统计数据等，这些数据都具有能够确定空间位置的特点。
GIS第三章空间数据模型
图元素独 立存储
点坐标文件 线坐标文件
通过FID连接
点属性表文件 线属性表文件
面坐标文件
面属性表文件
不包含拓扑数据
101 202
203
301
201 302
102
(b)拓扑模型
图元素非 独立存储
点坐标文件 线坐标文件
通过FID连接
点属性表文件 线属性表文件
几类？
3．要素模型
2）离散欧氏平面上的空间对象
离散一维对象 B 样条曲线
多边线 线段
3．要素模型
3）要素模型和场模型的比较
要素模型
现实世界
场模型
选择要素
选择一个位置
它在哪里
那里怎么样
数据
3．要素模型
• 2. 矢量数据模型
空间图形
空间数据
属性数据
101 202
203
301
201 302
102
(a)Spaghetti模型
• 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（只采用一般的基于集合的关系）
3．要素模型
1）欧氏平面上的空间对象类型
空间对象
零维对象点
延伸对象
一维对象
二维对象
弧
环
面对象
简单弧
简单环
面域对象
域单位对象
要素（对象） 的类型有哪
– 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）
地理概念模型
地理概念模型是地理信息系统（GIS）中用于描述地理概念和现象的一种模型。
这种模型基于地理学、环境科学、空间科学等学科的理论和知识，通过一系列的符号、语言和结构来表达地理实体和现象之间的空间关系和属性关系。
在地理概念模型中，地理实体被抽象为具有属性、行为和空间关系的概念，例如点、线、面、拓扑关系等。
这些概念可以用图形、表格等形式表示，并且可以被存储在计算机系统中，通过GIS软件进行可视化、分析和操作。
地理概念模型是GIS的重要基础之一，它可以帮助人们更好地理解和表达地理空间关系和属性关系，提高空间数据的精度、可靠性和一致性。
同时，地理概念模型也是实现地理信息共享、地理信息服务和地理信息应用的重要工具之一。
在构建地理概念模型时，需要遵循一定的原则和方法，例如概念化、抽象化、形式化等。
同时，还需要根据具体的应用需求和数据来源进行选择和优化，以确保模型的实用性和有效性。
第4章DEM表面建模
• 虽然任何复杂曲面都可以由多项式在任 意精度上逼近，但在DEM内插中整体内 插并不常用。
缺点
（格网大小取决于DEM的应用目的），形成 覆盖整个区域的格网空间结构； • （2）利用分布在格网点周围的地形采样点内 插计算格网点的高程值； • （3）按一定的格式输出，形成该地区的格网 DEM。 • 关键环节：格网点高程的内插计算！
• 内插分类：
• （1）按数据分布
• 规则分布内插方法、不规则分布内插方法、等高线数据 内插方法
步长增大或缩小正方形边长。
逐点内插模型对数据量要求
内插函数模型 加权平均法 多层曲面叠加法 移动曲面拟合
采样点数量 4～10 4～10 >8
最小二乘拟合
>6
有限元内插
4～10
• 常用的邻域搜索区域有搜索圆和搜索正方形两种
• （1）搜索圆：
• 以当前内插点为圆心，按一定半径建立的圆形邻域， 该邻域的初始半径R可按下述经验公式确定：
•
4.3.3逐点内插法
• 逐点内插本质上是局部内插，但局部内插中的 分块范围一经确定，在整个内插过程中其大小、 形状和位置是不变的，凡是落在该块中的内插 点，都用该块的内插函数进行计算。
• 逐点内插法的邻域范围大小、形状、位置乃至 采样点个数随内插点的位置而变动，一套数据 只用来进行一个内插点的计算。
• （2）内插范围 • 整体内插方法、局部内插方法、逐点内插方法 • （3）内插曲面与采样点关系 • 纯二维内插、曲面拟合内插 • （4）内插函数性质 • 多项式内插：线性内插、双线性内插、高次多项式插值; • 样条内插;有限元内插;最小二乘配置内插 • （5）地形特征理解
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二、如何描述地理空间实体
（3）面向对象数据模型
– 对象是指地理空间的实体或现象，是系统的基本单 位。一个对象是由描述该对象状态的一组数据和表 达它的行为的一组操作（方法）组成的。
– 每个对象都有一个惟一的标识号（Object－ID）
– 对空间实体进行“概括”、“聚集”、“联合”等处理，可
得到复杂地理对象的逻辑数据模型。
二、如何描述地理空间实体
6种场模型
二、如何描述地理空间实体
2、地理空间实体的逻辑模型
（1）矢量数据模型
– 点实体用一对空间坐标表示，线实体由一串坐标对 组成，面由其边界线表示，表示为首尾相连的坐标 串；每一个实体都有一个唯一标识符（Identifier）。
（2）栅格数据模型
– 地理空间坐标隐含在矩阵的行列上；点实体是一个 栅格单元（cell）或像元，线实体由一串彼此相连的 像元构成，面实体则由一系列相邻的像元构成；每 个像元对应于一个表示该实体属性的值。
而是相互之间存在着密切的联系。
主要内容
一、什么是地理空间实体？ 二、如何描述地理空间实体？
二、如何描述地理空间实体
二、如何描述地理空间实体
1、地理空间实体的概念模型
– 对象模型
– 场模型
二、如何描述地理空间实体
对象模型
– 将研究的整个地理空间看成一个空域，地理现象和 空间实体作为独立的对象分布在该空域中。
– 把地理空间中的现象作为连续的变量或体，根据不 同的应用，场可以表现为二维或三维。一个二维场 就是在二维空间R2中任意给定的一个空间位置上， 都有一个表现某现象的属性值，即A＝f(x，y)。一个 三维场是在三维空间R3中任意给定一个空间位置上， 都对应一个属性值，即A＝f(x，y，z)。 – 由于连续变化的空间现象难以观察，在研究实际问 题中，往往在有限时空范围内获取足够高精度的样 点观测值来表征场的的相互关系。
一、什么是地理空间实体
地理空间实体的特征
– 空间几何特征：表示空间实体在一定的坐标系中的 位置、大小、形状等。 – 属性特征：与空间实体相联系的、表征空间实体本 身性质的数据或数量，通常分为定性和定量两种。 – 时间特征：空间实体随着时间变化而变化的特性。 – 空间关系特征：空间实体一般都不是独立存在的，
二、如何描述地理空间实体
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),…,(xi,yi),…,(xn,yn) 属性：符号变化 等值线
二、如何描述地理空间实体
矢量数据模型能够精确地表示点、线及多边形面的实体， 能方便地进行比例尺变换、投影变换以及输出到笔式绘 图仪上或视频显示器上。 根据属性特征的不同，点可用不同的符号来表示，线可 用不同的颜色、粗细不等、样式不同的线型绘制，多边 形则可以填充不同的颜色和图案。 观察的尺度或者概括的程度影响着使用原型的种类，在 小比例尺图中，房屋用点表示，河流用线表示。在大比 例尺图中，房屋和河流都被表示为一定形状的多边形。
– 类是具有部分系统属性和方法的一组对象的集合
二、如何描述地理空间实体
几何抽象类 地理空间参考系
点 1 1
曲线
表面
几何集合
线串类 1 直线段 线性环 -
多边形 - -
表面集合
曲线集合
点集合
多边形集合 1 -
线串集合
1
-
1
Open GIS面向对象空间实体模型
二、如何描述地理空间实体
二、如何描述地理空间实体
面
线 点
二、如何描述地理空间实体
若需要描述统一地理空间的不同属性，则按不同的属性 将数据分层，每层描述一种属性。
当栅格单元太粗糙，未能与空间目标相吻合时，就会丢 失某些高分辨率情况下的细节信息。
不同类型的空间数据层可以进行叠加操作，不需要经过 复杂的几何计算。但对于一些变换、运算，如比例尺变 换、投影变换等则操作不太方便。 随着分辨率的提高，对存储空间的要求成几何级数增加。
– 按照空间特征分为点、线、面、体四种基本对象， 对象也可由其他对象构成复杂对象，并且与其他分 离的对象保持特定的关系，如点、线、面、体之间 的拓扑关系。
– 每个对象对应着一组相关的属性以区分彼此
对象模型强调地理空间中的单个地理现象或空间实体
二、如何描述地理空间实体
场模型（域（field）模型）
地理信息系统 I
王建梅 同济大学测绘与地理信息学院
第4讲 地理空间数据模型
主要内容
一、什么是地理空间实体？ 二、如何描述地理空间实体？
主要内容
一、什么是地理空间实体？ 二、如何描述地理空间实体？
一、什么是地理空间实体
地理空间实体就是对复杂地理事物和现
象进行简化抽象得到的结果，简称空间实
体，它们的一个典型特征是与一定的地理