第二章GIS空间分析的数据模型

用户 数据 模型 设计者 空间数据的概念模型 计算机
2.2.2 空间数据的表示 前一章里已经阐明， 前一章里已经阐明 ， 空间分析是基于地理对象的位置和形态 特征的空间数据分析技术。 特征的空间数据分析技术。 因此，空间分析方法必然要受空间数据表示形态的制约和影响， 因此，空间分析方法必然要受空间数据表示形态的制约和影响， 在研究空间分析时，就不能不考虑空间数据的表示方法与数据模型。 在研究空间分析时，就不能不考虑空间数据的表示方法与数据模型。 空间数据有两种基本的表示模型：栅格模型和矢量模型． 空间数据有两种基本的表示模型：栅格模型和矢量模型．
２ 矢量数据模型 （1）矢量数据将地理空间看成一个空间区域，地理要素存在其间。矢 ）矢量数据将地理空间看成一个空间区域，地理要素存在其间。 量数据模型以坐标点对来描述点、 量数据模型以坐标点对来描述点、线、面三类地理实体。 面三类地理实体。 （２）描述地理实体的矢量方法有很多： 描述地理实体的矢量方法有很多： 路径拓扑：将二维要素的边界作为独立的一维要素来单独处理， 路径拓扑：将二维要素的边界作为独立的一维要素来单独处理， 而不考虑要素之间的相互关系。 而不考虑要素之间的相互关系。 网络拓扑：在一个关于边界的关系网络模型中考察二维要素。 网络拓扑：在一个关于边界的关系网络模型中考察二维要素。 矢量、 ３ 矢量、栅格数据优缺点 矢量方法：面向实体的表示方法， 矢量方法：面向实体的表示方法，以具体的空间物体为独立描述 对象，因此物体愈复杂，描述愈困难，数据量也随之增大， 对象，因此物体愈复杂，描述愈困难，数据量也随之增大，如线 状要素愈弯曲，抽样点必须愈密。 状要素愈弯曲，抽样点必须愈密。 栅格方法：面向空间的表示方法，将地理空间作为整体进行描述， 栅格方法：面向空间的表示方法，将地理空间作为整体进行描述， 具体空间物体的复杂程度不影响数据量的大小， 具体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。 直接量化。 的困难。——直接量化。 直接量化
2. 2 . 3 建立GIS分析模型的步骤 建立 分析模型的步骤 中与空间信息有关的信息模型有三个： 在GIS中与空间信息有关的信息模型有三个： 中与空间信息有关的信息模型有三个 1 场模型。二三维空间中， 场模型 。 二三维空间中 ， 空间实体的属性信息被看作是连续 变化的数据。 变化的数据。 2 3 基于对象（要素）（FEATURE）的模型。强调离散对象。 基于对象（要素） ）的模型。强调离散对象。 网络（NETWORK）模型 。特殊对象之间的交互，水、交通 特殊对象之间的交互， 网络（ ） 等网络。 等网络。 很多类型的数据， 有时被看作场， 有时被看作对象—— 很多类型的数据 ， 有时被看作场 ， 有时被看作对象 主要考虑数据的测量方法。 主要考虑数据的测量方法。 分类空间分为粗略的子类——场变成要素。 场变成要素。 分类空间分为粗略的子类 场变成要素
2.1.5 建立 建立GIS分析模型的步骤 分析模型的步骤
1 系统描述与数据分析 对模型所要分析的系统，选择可以描述系统的状态、与外部联系、 对模型所要分析的系统，选择可以描述系统的状态、与外部联系、 随时间变化等方面的数据，构选该系统的数据体系。 随时间变化等方面的数据，构选该系统的数据体系。 2 理论推导 根据地理规律和系统的特点，进行理论推导， 根据地理规律和系统的特点，进行理论推导， 确定上面的数据体系 中多因子之间的量纲关系，作为分析模型的基本框架。 中多因子之间的量纲关系，作为分析模型的基本框架。 3 简化表达 根据理论分析和具体应用要求， 根据理论分析和具体应用要求， 筛选去除相对影响较小和不重要的 因素，或采用主成分分析法等数学方法简化表达形式，使模型接近实用。 因素，或采用主成分分析法等数学方法简化表达形式，使模型接近实用。 4 参数确定 模型参数的确定可采用参数实验的方法，或采用层次分析法 （AHP）、专家打分法、确定模糊隶属度等方法。 ） 专家打分法、确定模糊隶属度等方法。 形式和参数确定后，分析模型可在应用中完善。 形式和参数确定后，分析模型可在应用中完善。
2.1 地学模型概述
2.1.1 地学模型的概念
模型：所谓模型，就是将系统的各个要素，通过适当的筛选， 模型：所谓模型，就是将系统的各个要素， 通过适当的筛选 ，用一 定的表现规则所描写出来的简明映象。 定的表现规则所描写出来的简明映象。 模型通常表达了某个系统的发展过程或发展结果。 模型通常表达了某个系统的发展过程或发展结果。 地学模型：是用来描述地理信息系统各地学要素之间的相互关系和 地学模型 ： 客观规律，其表达式可采用语言的、数学的或其它方式， 客观规律 ，其表达式可采用语言的、 数学的或其它方式 ，通常反映 了地学过程及其发展趋势或结果。 了地学过程及其发展趋势或结果。 地学模型也称为专题分析模型。对于GIS来说，专题分析模型是 来说， 地学模型也称为专题分析模型。对于 来说 根据关于目标的知识将系统数据重新组织，得出与目标有关的更为有序 根据关于目标的知识将系统数据重新组织，得出与目标有关的更为有序 重新组织 的新的数据集合的有关规则和公式，这是应用 的新的数据集合的有关规则和公式，这是应用GIS 进行生产和科研的重 要手段。 要手段。
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三类模型对比 概念模型 比较灵活，可以引入较多模糊的概念，适用范围很广， 比较灵活，可以引入较多模糊的概念，适用范围很广，
易为大多数人接受；但难以进行精确定量分析。 易为大多数人接受；但难以进行精确定量分析。 数学模型 因果关系清楚， 因果关系清楚，可以精确地反映系统内各要素之间的定
量关系，易于用来对自然过程施加控制；但通常难于包括太多要素， 量关系，易于用来对自然过程施加控制；但通常难于包括太多要素， 而常常是大大简化的理想情形，削弱了模型的客观性。 而常常是大大简化的理想情形，削弱了模型的客观性。 统计模型 可以通过大量实践建立，具有简单、使用、 可以通过大量实践建立，具有简单、使用、可以处理
2.1.2 地理分析模型的建立 模型化是将主观性 的思考以模型的形式反映出来， 模型化 是将主观性的思考以模型的形式反映出来， 不同的理论 是将 主观性的思考以模型的形式反映出来 观点， 观点，不同的体系可以产生不同的结果 。 地理分析模型的建立过程（地理信息系统的模型化）可表示为： 地理分析模型的建立过程（ 地理信息系统的模型化 ） 可表示为 ： YOX = M Y — 某个系统，可以看作是地理系统中被主观选择的一个局部。 某个系统，可以看作是地理系统中被主观选择的一个局部。
1 概念模型 又称为逻辑模型，主要指通过观察、总结、 又称为逻辑模型，主要指通过观察、总结、提炼而成的文 字描述或逻辑表达式，常由此构成专家系统的知识库。 字描述或逻辑表达式，常由此构成专家系统的知识库。 2 数学模型 又称为理论模型，是应用数学分析方法建立的数学表达式， 又称为理论模型，是应用数学分析方法建立的数学表达式， 反映地理过程本质的物理规律，如区位模型（ 反映地理过程本质的物理规律，如区位模型（location models） ） 就是解决地理空间问题的很有价值的理论模型。 就是解决地理空间问题的很有价值的理论模型。 3 统计模型 包括经验模型， 包括经验模型，是通过数理统计方法和大量观察实验得到 的定量模型，具有简单实用的优点。 的定量模型，具有简单实用的优点。
１ 栅格数据模型 （1）栅格数据模型中，地理空间被划分为规则的像元、空间位置由像 ）栅格数据模型中，地理空间被划分为规则的像元、 元的行、列号表示。像元的大小反映了数据的分辨率即精度， 元的行、列号表示。像元的大小反映了数据的分辨率即精度，空间物体 由若干像元隐含描述。 由若干像元隐含描述。 （２）栅格模型中最常用也是最简单的是正方形格网： 栅格模型中最常用也是最简单的是正方形格网： 方向性（格网具有相同的方向） 方向性（格网具有相同的方向） 可再分（无限再分） 可再分（无限再分） 坐标记录、 坐标记录、计算最为容易 大多数栅格地图、 大多数栅格地图、数字图像都采用了这种栅格模型 （３）栅格模型的缺点： 栅格模型的缺点： 难以表示不同要素占据相同位置的情况， ① 难以表示不同要素占据相同位置的情况，这是因为一个栅格被赋 予一个特定的值，因而一幅栅格地图仅适宜表示一个主题（ 予一个特定的值，因而一幅栅格地图仅适宜表示一个主题（如地 貌、土地利用等） 土地利用等） 很多栅格具有相同的值，数据冗余非常大。 数据压缩） ② 很多栅格具有相同的值，数据冗余非常大。（清，一般采用“黑箱” 灰箱” 大量相关因素的特点，缺点是过程不清，一般采用“黑箱”或“灰箱” 方法建立的。 方法建立的。
2.1.4 建立地理分析模型的一般规律 首先在实践中不断观察总结， 首先在实践中不断观察总结 ， 形成越来越丰富的 概念模型， 再积累经验的基础上， 概念模型 ， 再积累经验的基础上 ， 采用数理统计的方 法摸索统计规律， 最后上升 到 理论模型， 再采用综合 法摸索统计规律 ， 最后 上升到 理论模型 ， 再采用 综合 上升 方法建立实用的分析模型。 方法建立实用的分析模型。 分析模型
X— 表示某种介体，具体讲就是某种模型化方法。 表示某种介体，具体讲就是某种模型化方法。 O — Y对X产生的作用。 对 产生的作用 产生的作用。 M — 系统 通过介体Y产生的作用 所建立的模型。 系统X通过介体 产生的作用 所建立的模型。 通过介体 产生的作用O所建立的模型
2.1.3
地学分析模型的分类
2.3 场模型 对于模拟具有一定空间内连续分布特点的现象来说， 对于模拟具有一定空间内连续分布特点的现象来说，基于场的 观点是合适的：地表温度、湿度、空气流动速度、方向等。 观点是合适的：地表温度、湿度、空气流动速度、方向等。 2.3.1 场模型的表示 Z ：S Z（S） （ ）
空间数据分析
主讲：石云 主讲：
第二章 GIS空间分析的数据模型 空间分析的数据模型
导读：本章描述的是整个 导读：本章描述的是整个GIS理论中最为核心的内 容。为了能够 理论中最为核心的内 利用信息系统工具来描述现实世界，并解决其中的问题， 利用信息系统工具来描述现实世界，并解决其中的问题，必 须对现实世界进行建模。对于 而言， 须对现实世界进行建模。对于GIS而言，其结果就是空间数 而言 据模型。 据模型。 空间数据模型可以分为三种： 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； 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（离散）； 要素模型：用于描述各种空间地物（离散）； 网络模型：可以模拟现实世界中的各种网络。 网络模型：可以模拟现实世界中的各种网络。 值得注意的是： 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， 的栅格数据和矢量数据，但是前者是概念模型，后面是指其在信息 系统中的实现。 系统中的实现。