第3讲1地理空间的表达数据模型

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地理信息系统原理-空间数据模型与数据结构

地理信息系统原理-空间数据模型与数据结构

面对象 Class
属性
属性
体 3-Complex
面 2-Complex
线对象 Class
属性
线 1-Complex
点对象 Class
属性
点 0-Complex
三角形 2-simplex
线段 1-simplex
节点 0-simplex
33
空间地物
复杂地物
13 类空间对象
复杂
柱状地物
体状地物
数字立体模型
部分
节点 0-simplex
X,Y,Z
31
三维对象的拓扑数据模型
体状对象
面状对象
线状对象
点状对象
1 BodyID
1 SurfaceID
1
LineID
1 PointID
N
体1
N
4
5

1
6
N
3 4

1
1
2 结点
ElementID
FaceID
EdgeID
NodeID
X
Y
Z
32
三维复杂实体的逻辑模型
体对象 Class
• 模型:
• 时间作为属性(time stamp)
• 序列快照模型( Sequent Snap shots) • 基态修正模型(Base State with Amendments) • 时空复合模型( Space - time Composite) • 时空立方体模型( Space - time Cube)
表示形成三维空间目标表示,其优点是便于显示和数据更新, 不足之 处是空间分析难以进行。 (2)体模型(Volume model)

地理空间的表达数据模型

地理空间的表达数据模型
第 3 章 空间数据模型
10
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)
11
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
8
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

空间数据模型

空间数据模型


对三角网,表达各三角形的顶点位置和属性、顶点与三 角形的连接关系、三角形的连接关系,就可得到TIN的 逻辑数据模型。
3.4.5 面向对象数据模型


面向对象数据模型应用面向对象方法描述空间实体及其 相互关系,特别适合于采用对象模型抽象和建模的空间 实体的表达。 面向对象技术的核心是对象(object)和类(class)。


对象是指地理空间的实体或现象,是系统的基本单位。 如多边形地图上的一个结点或一条弧段是对象,一条河流 或一个宗地也是一个对象。 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。 例如,河流的坐标数据描述了它的位置和形状,而河流的 变迁则表达了它的行为。每个对象都有一个惟一的标识号 (Object-ID)作为识别标志。

主要优点在于


二、不规则镶嵌数据模型
不规则镶嵌数据结构是指用来进行镶嵌的小面块具 有不规则的形状或边界。 最典型的不规则镶嵌数据模型有Voronoi图(也称作 Thiessen多边形)和不规则三角网(Triangular Irregular Network,简称TIN)模型。 当用有限离散的观测 样点来表示某地理现 象的空间分布规律时, 适合于采用不规则镶 嵌数据模型。
逻辑数据模型 Logical Data Model
中间层 数据结构对数据进行组织
物理数据模型 Physical Data Model
最底层
空间数据库
物理数据模型是概念 数据模型在计算机内 部具体的存储形式和 操作机制,即在物理 磁盘上如何存放和存
数据模型与数据结构

信息系统中:


数据模型:对客观实体及其关系的认识和数学描述。 目的是揭示客观实体的本质特征,并对它进行抽象化表达,使 之转化为计算机能够接受、处理的数据。 空间数据模型:对地理空间实体及其关系的描述。 即指数据组织的形式,是适合于计算机存储、管理和处理的数 据逻辑结构形式。 对空间数据而言,则是地理实体的空间排列方式和相互关系的 抽象描述。

第3章 空间数据模型

第3章 空间数据模型

*通过描述小面块的几何形态、相邻关系及面块内属性 特征的变化来建立空间数据的逻辑模型;
*小面块之间不重叠且能完整铺满整个地理空间; *根据面块的形状,镶嵌数据模型可分为 规则镶嵌数据模型 不规则镶嵌数据模型
规则镶嵌数据模型
不规则镶嵌数据模型
TIN和Voronoi多边形数据模型
Voronoi 图又称为Dirichlet ( tessellation) ,其概念由 Dirichlet 于1850 年首先提出; 1907 后俄国数学家 Voronoi 对此作了进一步阐述,并提出高次方程化简; 1911 年荷兰气候学Thiessen为提高大面积气象预报 的准确度,应用Voronoi 图对气象观测站进行了有效 区域划分。因此在二维空间中,Voronoi 图也称为泰 森多边形。
2 作为两个面域之间的一个边界。
3 作为一个面域特征,精确表达河流的堤岸、辫 状河道以及河流上的运河。
4 作为一条曲线以构成表面模型上的沟槽。根据 地表上河流的路径,可以算出其横截面、落差度、 排水流域以及在预测降雨下的洪水爆发可能性。
针对真实的世界,每一个人都在创建他 自己的主观模型。GIS的观点是为真实世 界建立一个通用的模型。
泰森(Thiessen)多边形的特点: 1 组成多边形的边总是与两相邻样点的连线垂直; 2 多边形内的任意位置总是离该多边形内样点的距 离最近,离相邻多边形内样点距离远; 3 每个多边形内包含且仅包含一个样点。
(五)面向对象数据模型
为了有效地描述复杂的事物或现象,需要 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。
空间逻辑数据模型作为概念模型向 物理模型转换的桥梁,是根据概念模型 确定的空间信息内容,以计算机能理解 和处理的形式,具体地表达空间实体及 其关系。

第3讲+++空间数据模型

第3讲+++空间数据模型

3.4空间逻辑数据模型
不规则三角网(Triangular Irregular Network,简称TIN)模型
TIN和Voronoi多边形数据模型 图中虚线为Voronoi多边形的边界,实线为TIN边,小圆点代表采样观测点
3.4空间逻辑数据模型
3.4空间逻辑数据模型
面向对象数据模型:面向对象程序设计的应用 应用面向对象方法描述空间实体及其相互关系 ; 面向对象技术的核心是对象(object)和类 (class) ; 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 ; 类是具有部分系统属性和方法的一组对象的集合, 是这些对象的统一抽象描述 类的共性抽象构成超类(super-class),类成为 超类的一个子类,
3.4空间逻辑数据模型
栅格数据模型比较适 宜于用场模型抽象的 的空间对象,采用面 域或空域的枚举来直 接描述空间实体。栅 格可以用数字矩阵来 表示,地理空间坐标 隐含在矩阵的行列上。
栅格数据模型
3.4空间逻辑数据模型
栅格数据模型中,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,像元的大小是一致 ; 栅格和矢量数据模型是最成熟、常用的数 据模型 二者各有优缺点,两种格式互补,满足了 不同的需要
空间认知和抽象过程
空间数据库
计算机世界
物理数据模型 编码、表达、 编码、表达、建立空间关系
数据结构、数据组织
逻辑数据模型 场模型、对象模型、 场模型、对象模型、网络模型
概念世界
概念数据模型
现实世界
综合、 综合、简化和抽象 空间事物和现象
3.2 概念数据模型
概念数据模型:地理空间地理事物与现象 抽象概念集;地理数据的语义解释; 地理空间数据的概念模型包括: 对象模型,网络模型, 场模型

地理空间数据的模型构建与管理

地理空间数据的模型构建与管理

地理空间数据的模型构建与管理地理空间数据的模型构建与管理是地理信息系统(GIS)中的核心内容之一。

随着科技的发展和信息时代的到来,地理空间数据的应用范围逐渐扩大,对于不同行业的决策和规划起着重要的作用。

在建立和管理地理空间数据模型时,需要考虑数据的准确性、一致性和可持续性等因素。

一. 地理空间数据模型的分类地理空间数据模型可以分为两大类:矢量数据模型和栅格数据模型。

矢量数据模型使用点、线、面等几何要素来描述地理空间实体,适用于具有明确几何特征的地理现象,如道路、河流等。

而栅格数据模型则是将地理空间划分为一系列的网格,将每个网格单元作为一个地理单位,适用于连续变化的地理现象,如气温、降雨量等。

二. 地理空间数据模型的构建地理空间数据模型的构建过程包括数据收集、数据预处理、数据建模和数据评估等环节。

首先,需要收集相关的地理空间数据,可以通过地面调查、遥感技术等手段获取。

然后,对数据进行预处理,包括数据清洗、数据匹配和数据转换等操作,以确保数据的准确性和一致性。

接下来,根据具体的要求和目标,进行数据建模,选择适当的数据结构和分析方法,构建出合理的地理空间数据模型。

最后,对所建模型进行评估,验证其在实际应用中的有效性和可靠性。

三. 地理空间数据模型的管理地理空间数据模型的管理包括数据输入、数据存储、数据查询和数据更新等方面。

在数据输入方面,需要考虑数据的来源和获取方式,以及数据的质量控制和完整性检查。

数据存储则包括数据的组织和存储结构的选择,可以采用数据库等技术来进行管理。

数据查询则是指按照特定的条件和要求,对地理空间数据进行检索和提取,可以通过地理信息系统的查询功能来实现。

数据更新则是指对已有数据进行更新和维护,以及添加新的数据内容,确保数据的实时性和可靠性。

四. 地理空间数据模型的应用地理空间数据模型的应用广泛涵盖了各个领域,如环境保护、城市规划、交通管理等。

在环境保护方面,可以利用地理空间数据模型来分析土地利用、水资源分布等情况,从而制定合理的保护措施。

地理空间数据模型构建与应用研究

地理空间数据模型构建与应用研究

地理空间数据模型构建与应用研究地理信息系统(GIS)的发展,使得地理空间数据的获取、存储、管理和应用变得更加高效和便捷。

而地理空间数据模型正是GIS的核心基础,通过对地球表面的事物进行模拟和描述,实现了对地理数据的有机整合和有效分析。

本文将探讨地理空间数据模型的构建与应用研究,旨在进一步推动地理信息科学的发展。

一、地理空间数据模型的构建地理空间数据模型是地理现象和事物在计算机上的抽象和表示方式,它包含了地理空间数据的结构、关系和行为等属性。

地理空间数据模型的构建是基于对空间对象和地理过程的观察和抽象,以及对数据组织和存储的要求。

常见的地理空间数据模型包括:层次模型、关系模型、对象模型和影像模型等。

这些模型从不同的角度描述了地理空间数据的特征和组织方式,满足了不同领域对地理数据的需求。

1. 层次模型层次模型是地理空间数据模型中较早发展的一种形式,它将地理现象和要素以层次结构的方式进行组织和管理。

在层次模型中,地理要素按照其自然特征和地理关系进行划分和分类,形成了一个树状的结构体系。

这种模型的优点是易于理解和操作,但对于复杂的地理现象和关系的表达能力有所不足。

2. 关系模型关系模型是一种基于关系代数和关系理论的地理空间数据模型。

它采用了属性数据和空间数据相结合的方式,将空间要素的几何形状和属性信息进行统一管理和查询。

在关系模型中,地理要素被存储为表格的形式,通过属性和空间关系的连接实现了地理数据的综合分析。

这种模型具有较强的数据一致性和查询能力,但对于地理拓扑关系和复杂空间操作的支持相对不足。

3. 对象模型对象模型是一种基于对象概念和面向对象编程思想的地理空间数据模型。

它将地理现象和要素看作是具有属性和行为的对象,通过对象之间的关系和操作实现了对地理数据的管理和分析。

对象模型将地理要素的几何形状、属性信息和拓扑关系进行了有效的封装和组织,使得地理数据具有更高的可复用性和可扩展性。

这种模型适用于复杂地理问题的建模和分析,但对于大规模数据的处理和查询性能存在一定的挑战。

地理信息系统原理第三章 空间数据模型与数据结构3.2

地理信息系统原理第三章 空间数据模型与数据结构3.2
第1行第N列亮度值 波段2 第1行第1列亮度值
第1行第N列亮度值 波段n 波段1 第2行第1列亮度值 波段n
BSQ结构
BIP结构
BIL结构
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以行为记录单位按行存储 地理数据。属性明显,位 置隐含。 缺点:存在大量冗余,精 度提高有限制。
星蓝海学习网14
0 0 0 0 0 4 4 4 记录1 0 0 0 0 0 4 4 4
星蓝海学习网
• 优点:
• 栅格加密时,数据量不会明显 增加,压缩效率高,最大限度 保留原始栅格结构,
• 编码解码运算简单,且易于检 索、叠加、合并等操作,得到 广泛应用。
• 缺点:
• 不适合于类型连续变化或类型 区域分散的数据。
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(2)压缩栅格数据结构
块码(二维游程编码)(行,列,半径,属性值)
弧段ID a b c d e
起始点 5 7 1 13 7
终结点 1 1 13 7 5
… … … 左多边形 Q A Q D D
右多边形 A B B B A
f
13
5
Qห้องสมุดไป่ตู้
D
点号 1 2
…… 25
坐标 (x1,y1) (x2,y2)
…… (x25,y25)
g
25
弧段ID
点号
a
5,4,3,2,1
b
7,8,1
c
1,9,10,11,12,13
• 采用方形区域作为记录单元,每个记录单元包括相邻的若干栅格,数据结构由初始位置(行、 列号)和半径,再加上记录单元代码组成。特点:
• 一个多边形所包含的正方形越大,多边形的边界越简单,块状编码的效率就越好。
• 块状编码对大而简单的多边形更为有效,而对那些碎部较多的复杂多边形效果并不好。
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(6)知识
在具有智能化的GIS中还应有规则和知识数据
第 3 章 空间数据模型
16
§3.2 空间数据概念模型
地球表面上的各种地理现象和物体错综复杂,用不同的方法或从不同的角 度对地理空间进行认知和抽象,可能产生不同的概念模型。因此,概念模 型只能体现地理空间的某一方面。
点(Point)是构成空间实体的基本元素,有两种表示方法: 矢量表示法:点没有大小; 栅格表示法:点有大小。
水系网
点( Point ) 没有大小
网络、节点、弧段 道路网
第 3 章 空间数据模型
24
3.2.3 场模型
场/域模型(Field Model)把地理空间中 的现象作为连续的变量或体来看待,如: 地形高度、地表温度、土壤湿度、大气 污染程度、海水盐度等等。
点( Point ) 有大小
二维场: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
中间层
数据结构对数据进行组织
物理数据模型 Physical Data Model
最底层
第 3 章空空间间数数据据模库型
7
3.1.3 空间数据
空间实体的数字化表达:
◆ 在计算机中,现实世界是以各种数字和字符形式来表达和记录的;
◆ 点(Point)是构成空间实体的基本元素,各类空间实体的表达关键看 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。
1)地理事物与现象
现实世界的地理事物与现象可划分为 5 类:
可精密观测的自然对象(如建筑物的边界) 受采样限制的自然对象(如河流的边界) 受定义限制的自然对象(如植被覆盖率大小和范围) 不规则的人为对象(如行政区) 规则的人为对象(如栅格、立方体元)
第 3 章 空间数据模型
4
3.1.1 空间实体
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。
基本思路:
确定地理空间领域
建立概念模型
构成实现模型。
第 3 章 空间数据模型
6
3.1.2 空间抽象
观察和认知
现实世界
概念世界 抽还 象原 世世 界界
数据世界 (计算机)
信息
地理事物与现象
选择、综合、简化和抽象
概念模型 Conceptial Model
最高层
编码、表达、建立空间关系
逻辑数据模型 Logical Data Model
§3.1 空间抽象与空间数据
§3.2 空间数据概念模型
§3.3 空间关系
§3.4 空间数据逻辑模型
第 3 章 空间数据模型
2
§3.1 空间抽象与空间数据
地理空间中的这些空间事物或地理现象就代表了现实世界,GIS是如何理 解、表达现实世界的?是如何将复杂的地理事物和现象简化和抽象到计算 机中进行表示、处理和分析。
空间关系是空间实体在空间上的相互关系,包括:拓扑关系、顺序关系和度 量关系。人类对空间实体(对象)的定位通常不是通过记忆其空间坐标,而是确定
该对象与其它更熟悉的对象间的空间关系。
属性特征(非空间特征/专题特征)
是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 性属性(如:名称、类型、特性等)和定量属性(如:数量、等级等)。
时间特征(时态特征)
是指空间实体随着时间的变化而变化的特性。其变化的周期有超短期的、短 期的、中期的、长期的等等 。严格地讲,空间数据总是在某一特定时间或 时段内采集得到或计算产生的。
第 3 章 空间数据模型
10
3.1.3 空间数据
1)空间数据的基本特征
空间数据的基本特第性3 章(空Ja间c数k据D模an型germond,1984)
第4讲 地理空间现象的计算机表达
本章内容
地理空间(Geospace / Geographic Space)中发生着地球上最复杂的物理过程、 化学过程、生物过程和生物地球化学过程,存在着复杂的空间事物或地理现 象,它们可能是物质的,也可能是非物质的,如山脉、水系、土地类型、城 市分布、资源分布、道路网系、环境变迁等。地理空间中的这些空间事物或 地理现象就代表了现实世界。GIS是如何理解现实世界的?是如何将现实世 界简化和抽象到计算机中的?
点( Point ) 有大小
由于连续变化的空间现象难以观察,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变化。二维空间场的 6 种常用场模型:
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
第不3规章则空三间角数形据模区型
等值线
26
等高线
3.2.4 概念模型的选择
点( Point ) 有没有大小?

湖泊

河 流
居民地
第 3 章 空间数据模型
17
§3.2 空间数据概念模型
点( Point ) 有没有大小?
3.2.1 对象模型 3.2.2 网络模型 3.2.3 场模型 3.2.4 概念模型的选择
1. 对象模型
3. 场模型
2. 网络模型
第 3 章 空间数据模型
18
3.2.1 对象模型
点( Point ) 没有大小
b. 按对象模型的林分建模
“松树”,0≤x≤7;4≤y≤7 f (x,y)= “冷杉”,0≤x≤3;0≤y≤4
“槐树”,3≤x≤7;0≤y≤4
c. 按场模型的林分建模
第 3 章 空间数据模型
29
3.2.4 概念模型的选择
场模型通常用于具有连续空间变化趋势的现象,如海拔、温度、土 壤变化等。在遥感领域,场模型占据主导地位。
行政区划图
第 3 章 空间数据模型
13
2)空间数据的类型 (2)影像数据
主要来源于卫星遥感、航空遥感和摄影测量等,包括多平台、多层面、 多种传感器、多时相、多光谱、多角度和多种分辨率的遥感影像数据。
钓鱼岛
第 3 章 空间数据模型
14
2)空间数据的类型 (3)地形数据
来源于地形等高线图的数字化,已建立的数字高程模型DEM(Grid格 式/TIN格式),或其它形式的地形数据等。
对象模型一般用于具有明确边界和独立地理现象的建模,如道路、 土地利用、城市规划等等。
对象和场可以在多种水平上共存,即在许多情况下需要采用对象模 型和场模型的集成,对象模型和场模型各有长处,应该恰当地综合 应用这两种模型对地理现象进行抽象建模。
第 3 章 空间数据模型
30
§3.3 空间关系
空间关系是指空间实体之间相互作用的关系,主要有三种:
3.1.1 空间实体 3.1.2 空间抽象 3.1.3 空间数据
Need better ways to represent,
understand, manage, and communicate
real world
第 3 章 空间数据模型
3
3.1.1 空间实体
GIS是人们通过对各种各样的地理现象的观 察抽象、综合取舍,编码和简化,以数据 形式存入计算机内进行操作处理的工具, 从而达到对现实世界规律进行再认识和分 析决策的目的。
5
3.1.2 空间抽象
GIS作为对地理空间事物和现象进行描述、表达和分析的计算机系统,首先必
须将现实世界描述成计算机能理解和操作的数据形式。数据模型是对现实世 界进行认知、简化和抽象表达,并将抽象结果组织成有用、能反映形式世界 真实状况数据集的桥梁,是GIS的基础,即:要将空间实体抽象为数据模型。
线(line)实体
• 有长度,但无宽度和高度 • 用来描述线状实体,通常在网络分析中使用较多 • 度量实体距离 数据描述方式:(x1,y1) (x2,y2) (x3,y3) (x4,y4)…
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
2)空间实体
GIS将各种复杂的地理事物和地理现象简化抽象为地理/空间实体 (Geographic Entity),又称为地理/空间要素(Geographic Feature)。
空间实体的一个典型特征就是与 一定的地理空间位置有关,都具 有一定的几何形态,分布状况以 及彼此之间的相互关系。
第 3 章 空间数据模型
对象模型(Object Model / Feature Model)将整个地理空间 看成一个空域,空间实体作为独 立的空间对象分布在该空域中, 按照其空间特征分为点、线、面、 体四种基本空间对象。
基本空间对象的复合可以构成复杂空间对象,对象与其他分离的对象保持特 定的空间关系,如点、线、面、体之间的拓扑关系。每个空间对象都有其特 定的许多属性。
对象模型强调地理空间中的单个地理现象(不连续的)。任何现象,不论大 小,只要能从概念上与其相邻的其他现象分离开来,都可以被确定为一个空 间对象。对象模型一般适合于具有明确边界的地理现象的抽象建模。
第 3 章 空间数据模型
19
基于实体对象的描述
把信息空间分解为对象(Object)或实体(Entity),其 特征如下
地理现象既可以采用对象模型也可以采用场模型来建模。
y
(杉
槐树
(0,0)
(3,0) (7,0)
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