第三章 地理数据的模型与结构
3 地理模型与地理建模
（二）地理模型
• 地理模型，就是指真实的地理对象（过程、 系统）的模仿物，它可以用实物、逻辑符号、 图形、表格、文字、数学公式、计算机软件 来表示。
广义地理模型包括：
语言模型（文字模型）
图形模型
，
模拟模型
数学模型
二、地理模型的特点
• 地理模型主要具有如下几个特点：
（1）抽象性
首先，地理模型是在一定假设条件下对 现实地理系统（过程）的简化。其次，地理模 型不可能与真实地理系统（过程）完全对应， 但是它必须包含真实地理系统（过程）中的主 要因素，而且只应当包含那些决定系统（过程） 本质性的重要因素。
三、地理模型的功能 地理模型的功能作用 （1）认识地理问题的桥梁 （2）地理科学发现的工具 （3）综合研究的功能
（6）应用性
地理学是研究人类生存的地理环境， 以及人类活动与地理环境之间的关系的一门 综合性学科，其研究内容广泛，应用性和实 践性较强。
地理学的应用性决定了地理模型的应 用性。地理学的应用性决定了刻画人地关系、 模拟和仿真地理系统演化过程，预测和协调 人口、资源、环境与社会经济可持续发展的 地理模型的应用性。
电路模拟（Circuit Simulation）是用计算机模拟、 分析电路的性能的一种方法。它将电路（元件 及其连接关系）抽象为数学模型——电路方程， 然后用数值方法求解方程，得出模拟结果
疫情模拟
https:///video /BV1j7411z7KQ?from=search &seid=275852365948368444 7&spm_id_from=333.337.0.0
（3）可验证性
如果一个模型不具有可验证性，就不是一 个科学模型，是没有方法论意义的。
测绘工程中的地理空间数据模型与数据结构
测绘工程中的地理空间数据模型与数据结构在测绘工程领域，地理空间数据模型与数据结构是至关重要的组成部分，它们为有效地收集、存储、管理和分析地理空间信息提供了基础框架。
地理空间数据，简单来说，就是描述地球表面及相关现象的位置、形状、属性等信息的数据。
这些数据来源广泛，包括卫星影像、航空摄影、地面测量等。
而如何将这些海量、复杂的数据进行合理的组织和管理，以便能够快速、准确地获取和处理所需的信息，就需要依靠有效的数据模型和数据结构。
地理空间数据模型是对地理空间现象的抽象和概念化表示。
常见的数据模型有矢量数据模型和栅格数据模型。
矢量数据模型将地理空间中的实体表示为点、线、面等几何对象，并通过坐标来精确描述其位置和形状。
比如，一条道路可以用一系列有序的点连接成的线来表示，一个湖泊可以用一个封闭的多边形面来表示。
矢量数据模型的优点在于数据精度高、存储空间小，并且能够方便地进行几何计算和空间分析。
然而，它在处理连续变化的地理现象，如地形起伏时，就显得不够灵活。
栅格数据模型则将地理空间划分成规则的网格单元，每个单元对应一个数值，用来表示该位置的某种属性。
例如，数字高程模型就是一种常见的栅格数据，其中每个网格单元的值代表该点的海拔高度。
栅格数据模型适用于表示连续变化的地理现象，但其数据量通常较大，精度相对较低。
除了这两种基本的数据模型，还有面向对象的数据模型。
这种模型将地理空间中的实体看作具有属性和方法的对象，能够更好地模拟现实世界中的复杂地理现象。
在实际应用中，往往需要根据具体的需求和数据特点选择合适的数据模型。
比如，在城市规划中，对于建筑物、道路等具有明确边界的地理实体，通常采用矢量数据模型；而在进行大面积的地形分析时，栅格数据模型可能更为适用。
数据结构则是数据模型在计算机中的具体实现方式。
常见的地理空间数据结构有链表、数组、树、图等。
链表结构适合处理数据量较小、插入和删除操作频繁的数据。
数组结构则具有随机访问速度快的优点，但插入和删除操作相对复杂。
第三章_空间数据模型_第2讲
对
坐标对序列表示，坐标对的顺
序与线的形状有关，线上每个
点有不多于二个的邻点。
道路、公 共设施网 等。
二维
面：多边 形
一组闭合弧段所包围 的空间区域
所有具有相同属性点的轨迹， 土壤、植 以(x，y)坐标队的集合表示，坐 被、岩石 标队的排列顺序不影响面的形 分类区、 态、其内部点可以有多于三个 行政区划 的邻点，面内点具有相同属性。 等。
C
d, e, f
D
b, f, c
E
g
Hale Waihona Puke GIS 1）拓扑的关联关系
A
P0
弧段与多边形拓扑关系表
e
c
P1
E P3
f D P4 g
GIS
3.要素模型
应用层面
要素模型和场模型
1、对一个空间应用的建模来说，到底采用场模型还是对象模型
，主要取决于应用要求和习惯。对于形状不定的现象，例如火灾
、洪水和危险物泄露，当然采用边界不固定的场模型进行建模。
场模型通常用于具有连续的空间变化趋势的情况的建模，如海拔
、温度以及土壤湿度变化等。而对象（要素）模型更多地用于运
欧式空间中，最经常使用的参照系统是笛卡尔坐标系。
直角坐标系
空间要素在欧氏空间中主要形成三类地物要素对象：
点对象 线对象 多边形对象
实际上地面上的各 种地物基本都可以 分解成点、线、面
GIS
3.要素模型
点对象：有特定位置，维数为0的实体。有如下几种类 型： 实体点Entity point：用来代表一个实体； 如火山口 注记点Text point：用于定位注记； 如地面上标定的控制点 内点Test point：用于负载多边形的属性，存在于多边形 内； 如一片森林的边界被看作是多边形，其内部的单个树木 结点Node：表示线的终点和起点； 角点Vertex：表示线段和弧段的内部点。
GIS地理信息系统空间数据结构 PPT
第三章 空间数据结构
§3-1空间实体及其描述 §3-2矢量数据结构 §3-3栅格数据结构
§3-1空间实体及其描述
一、地理实体（空间实体）---GIS处理对象
1、定义： 指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具体有概括
性，复杂性，相对意义的概念。 2、理解：
欧氏距离（笛卡尔坐标系）、曼哈顿（出租车）距离、时间
距离、大地测量距离（大地线）（沿地球大圆经过两个城市
中心的距离）。
（二）拓扑关系
（二）拓扑关系 1、定义 2、种类 3、拓扑关系的表达 4、意义
1、定义：
指图形保持连续状态下变形，但图形关系不 变的性质。
将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。
拓扑变换 （橡皮变换）
2、种类
1）关联性： （不同类要素之间）结 点与弧段：如V9与L5,L6,L3 多边形与弧段：P2与L3,L5,L2 2）邻接性： (同类元素之间) 多边形之间、结点之间。 邻接矩阵 重叠：-- 邻接：1 不邻接：0
P1 P2 P3 P4 P1 -- 1 1 1 P2 1 -- 1 0 P3 1 1 -- 0 P4 1 0 0 --
3、空间数据类型（续）
三、实体的空间特征
在地图上实体维数的表示可以改变 点-
--面 线（单线河）---面（双线河），
通过地图综合。
（一）空间维数：有0，1，2，3 维之分，点、线、面、体。
（二）空间特征类型
1、点状实体 2、线状实体
3、面状实体
4、体状实体
1、点状实体
点或节点、点状实体。点：有特定位置，维数为0的物体。 1）实体点：用来代表一个实体。
地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的，例如，在全国地 图上由于比例尺很小，武汉就是一个点，这个点不能再分割，可以把武汉 定为一个空间实体，而在大比例尺的武汉市地图上，武汉的许多房屋，街 道都要表达出来，所以武汉必须再分割，不能作为一个空间实体，应将房 屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，GIS中的空间实体是一个概括， 复杂，相对的概念。
GIS地理信息系统空间数据结构
网络模型表示了特殊对象之间的交互，如水或者交通 流。
要素（对象）模型
基于要素的空间模型强调了个体现象， 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（Object），假设它可 以从概念上与其邻域现象相分离。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）。
场模型可以表示为如下的数学公式：
z : s z ( s ) 上式中，z为可度量的函数，s表示空间中的位置，因
此该式表示了从空间域（甚至包括时间坐标）到某个 值域的映射。
空间数据模型与结构—对象模型与场模型比较
对象模型和场模型的比较
现实世界
对象模型 选择实体 它在哪里 数据
场模型 选择一个位置
指图形保持连续状态下变形，但图形关系
不变的性质。
拓扑变换
（橡皮变换）
将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。
非拓扑属性（几何） 两点间距离
拓扑属性（没发生变化的属性） 一个点在一条弧段的端点
一点指向另一点的方向 一条弧是一简单弧段（自身不相交）
弧段长度、区域周长、 一个点在一个区域的边界上
面积 等
一个点在一个区域的内部/外部
(x8,y8), (x17,y17), (x16,y16),
22 (x15,y15),(x14,y14) ,(x13,y13),
21
(x12,y12), (x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)
6
20
C
3
5
18
19
4
(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26), (x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30)
第三章 空间数据结构PPT课件
05.12.2020
西北大学城市与资源学系
14
游程长度编码(Run—LengthCodes)
优点：①对类型区面积较大的专题图和影像 图，数据压缩率高；
②易于实现重叠、合并、检索运算。 缺点：只考虑了每一行的数据结构；
未考虑行与行之间的结构。
05.12.2020
西北大学城市与资源学系
链ห้องสมุดไป่ตู้编码 起点行列号，单位矢量
R: (1,5),3,2,2,3,3,2,3
567
4
0
3
1
2
5 A ARAGGGG 6 ARA AGGGA 7 ARA AGGGA
游程长度编码 逐行编码
数据结构: 行号, 属性, 重复次数 1, A, 4, R, 1, A, 3
8RAAAAAAA
四叉树编码
块状编码
NW NE SW SE
第三章 空间数据结构
05.12.2020
西北大学城市与资源学系
1
数据结构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。对空间数据则是地理实体的空间排 列方式和相互关系的抽象描述。
在地理系统中描述地理要素和地理现 象的空间数据，主要包括空间位置、拓朴 关系和属性三个方面的内容。
单元。数字地面模型就属此种情况。
05.12.2020
西北大学城市与资源学系
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链式编码(ChainCodes)
又称为弗里曼链码(Freeman)或 边界链码。
基本方向可定义为：东＝0，东 南＝l，南二2，西南＝3，西 ＝4，西北＝5，北＝6，东北 ＝7等八个基本方向。如果再 确定原点为像元(10，1)，则
正方形区域为记录单元 数据结构: 初始位置, 半径, 属性 (1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),…
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）
第3章 空间数据结构
空间几何特征描述空间实体的大小、形状和分布等。 空间关系表达了地理空间中相互依存的事物和现象的关系，包括：拓 扑关系、方位关系和度量关系等。
2020年5月13日3时29分
--4--
地球表层构成：陆地面积29%，海洋面积71% 。地表总面积约为5.1亿平方公里。
地理空间表达：对地球高空、低空、地表、地 下及近表层的描述。地理空间表的的内容主 要为空间数据的位置、属性和时间特征；表 达的方法一般采用离散场与连续场、矢量与 栅格等方式。
2020年5月13日3时29分
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3.1 空间数据表达
2020年5月13日3时29分
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3.3 矢量数据结构
3.3.3 拓扑数据机构 拓扑数据结构的主要特点是点相互独立，点 连成线，线构成面。一般用四张表来反映 拓扑关系。
2020年5月13日3时29分
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3.4 栅格数据结构
3.4.1 栅格数据结构的概念 栅格数据结构是指将地球表面划分为大小均 匀、紧密相临的网格阵列，每个网格作为一 个像元或像素，由行、列号定义，并包含一 个代码，表示该像素的属性类型或量值，或 仅仅包含指向其属性记录的指针。
2020年5月13日3时29分
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3.1 空间数据表达
3.1.2 离散对象和连续场 2、连续场
在地表连续分布的地理现象称为连续场， 比如空气中的污染度的变化，地表中的温度 变化等。
2020年5月13日3时29分
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3.1 空间数据表达
3.1.3 矢量和栅格数据 离散对象和连续场解决了地理现象的概念表 达问题，但没有解决计算机数字化问题。
地理信息系统电子教案第三章空间数据结构
第三章空间数据结构数据结构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。
对空间数据则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。
它是对数据的一种理解和解释，不说明数据结构的数据是毫无用处的，不仅用户无法理解，计算机程序也不能正确的处理，对同样一组数据，按不同的数据结构去处理，得到的可能是截然不同的内容。
空间数据结构是地理信息系统沟通信息的桥梁，只有充分理解地理信息系统所采用的特定数据结构，才能正确有效地使用系统。
地理信息系统的空间数据结构主要有栅格结构和矢量结构。
第一节栅格数据结构一、简单栅格数据结构栅格结构是最简单最直观的空间数据结构，又称为网格结构(raster或grid cell)或象元结构(pixel)，是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素,由行、列号定义，并包含一个代码,表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包含指向其属性记录的指针。
因此，栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。
如图3-1所示，在栅格结构中，9999点用一个栅格单元表示；线状地物则用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上；面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。
任何以面状分布的对象(土地利用、土壤类型、地势起伏、环境污染等)，都可以用栅格数据逼近。
遥感影像就属于典型的栅格结构，每个象元的数字表示影像的灰度等级。
栅格结构的显著特点是：属性明显，定位隐含，即数据直接记录属性的指针或属性本身，而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标给出，也就是说定位是根据数据在数据集中的位置得到的。
由于栅格结构是按一定的规则排列的，所表示的实体的位置很容易隐含在网格文件的存贮结构中，在后面讲述栅格结构编码时可以看到，每个存贮单元的行列位置可以方便地根据其在文件中的记录位置得到，且行列坐标可以很容易地转为其他坐标系 下的坐标。
GIS课件第3章 空间数据模型
第3章空间数据模型为了能够利用地理信息系统工具解决现实世界中的问题，首先必需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。
本章从空间认知的角度讲述了对现实世界进行抽象建模的过程，其结果就是空间数据模型；空间数据模型可以归纳为空间概念模型、逻辑数据模型和物理数据模型三个层次。
空间概念数据模型包括：场模型：用于描述空间中连续分布的现象；对象模型：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。
常用的空间逻辑数据模型有矢量数据模型、栅格数据模型和面向对象模型等。
在讲述空间数据模型的同时，又介绍了空间实体和空间关系等相关概念。
3.1地理空间与空间抽象3.1.1地理空间与空间实体在地理学上，地理空间（Geographic Space）是指地球表面及近地表空间，是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域，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就发生在该区域。
在地理空间中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；而地理信息系统即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，从而达到对现实世界规律进行再认识和分析决策的目的。
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。
空间实体具有4个基本特征：空间位置特征、属性特征、时间特征和空间关系。
1．空间位置特征表示空间实体在一定的坐标系中的空间位置或几何定位，通常采用地理坐标的经纬度、空间直角坐标、平面直角坐标和极坐标等来表示。
空间位置特征也称为几何特征，包括空间实体的位置、大小、形状和分布状况等。
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实验三地理数据的模型与结构
实验内容：Coverage和Shapefile的数据结构，TIN的数据结构，USGSDEMData的数
据结构，卫星影像的数据结构。
实验目的：熟悉常见数据结构。
数据基础：E:\Datasets_GIS\Chap03
1.Coverage和Shapefile的数据结构
目的：利用一个ARC/INFO交换文件（interchangefile），生成Coverage和Shapefile。然后
在ArcCatalog下查看其数据结构。
数据基础：E:\Datasets_GIS\Chap03\Ex1\land.e00
1.1导入ESRI交换文件
启动ArcCatalog，找到E:\Datasets_GIS\Chap03\Ex1，点击ArcToolboxWindow（下图红色图
标）
图3-01
然后选择CoverageTools\Conversion\toCoverage\ImportFromInterchangeFile
文件名规定为land_c
图3-02在ArcCatalog下导入E00生成Coverage
1.2Coverage的文件管理
在ArcCatalog下、或“资源管理器”在
下看Land_c是不是文件夹，里边各有什么
文件；
1.3用ArcCatalog浏览数据
借助ArcCatalog对每个要素进行显示
（Arc,Label,Polygon,Tic）（方法见第一章
实习指南）；
1.4图形数据的有关属性
在ArcCatalog中，将鼠标放在land_c
上，击右键在出现的界面上选Properties，
出现如下界面-；利用这个界面工具回答：a.
用哪个选项可找到关于本数据集的
Topology，各如何？b.本数据集的投影是什么？c.给出本数据集的坐标范围（Xmin,Ymin;
Xmax,Ymax）;d.给出本数据集的Fuzzy值。
1.5属性数据库的结构
在Land_c中选polygon，击右键出现如下界面，选中ItemName；
图3-04polygon属性数据库的数据项
说明在pat数据库中有几个数据项；
1.6文件管理
利用（资源管理器）查看，在第三章的数据目录中，各有什么文件（注意INFO
文件夹）；
图3-03Coverage属性
1.7文件格式转换
在ArcCatalog，将Landc目录展开，选polygon，击右键选择Export/toshapefile(single);
选择保存路径为:E:\Datasets_GIS\Chap03；设置输出文件为：land_s（图3-05）
图3-05将Coverage转换成Shapefile
1.8文件的属性
在ArcCatalog，选Land_s，击右键选properties（下图）；然后用资源管理器看与land_s
有关的有几个文件。
图3-06shapefile的基本属性
问题：与land_s有关的文件有几个，各是什么？
1.9Coverage和Shapefile
的比较
描述Coverage和Shapefile在数据库结构方面有何不同和相同？
2.TIN的数据结构
2.1数据类型
在ArcCatalog中选中Chap03\Ex2\emidatatin，从Contents中可见emidatatin为TIN（），
2.2TIN
数据的属性
启动ArcMap，将dataframe改为Ex2，加载emidatatin，选中emidatatin后击右键，选
properties。在Sourcetab中，数据源（datasourceframe）显示了结点、三角形数量和Z值的
范围。
图3-07TIN数据的属性
选Symbology/Add，可增加对边和结点的显示；然后利用上下箭头调整显示层次顺序，
就可以同时显示高程值、三角形边和结点（图3-0x）。利用是这种方式，可以显示TIN的各
种属性，包括节点、边和三角面。
图3-08a对TIN的显示选项
图3-08b对TIN的显示效果
3.卫星影像的数据结构
目的：在ArcMap（有可能的话用ERDAS系统）中显示遥感影像数据。
数据：E:\Datasets_GIS\Chap03\Ex3\tm.tif。
4.1文件格式
练习方法，在ArcMap中打开，方法同实验一有关联系。要求在实习报告中粘贴2幅不
同波段组合的图像并给出波段组合方案；同时回答以下问题：（1）该数据是什么格式；（2）
像元尺寸是多少，有多少行多少列？参考系？等
在ArcMap中加载Ex4/tm.tif文件，选中tim.tif右击选properties，点选source选项查看
属性。如图3-4-1所示。
图3-4-1数据属性显示