第3章空間數據模型第3章空間數據模型3.1地理空間與空間抽象3.2空間數據概念模型3.4空間數據邏輯模型3.1地理空間與空間抽象3.1.1地理空間與空間實體3.1.2空間認知和抽象3.1.1地理空間與空間實體地理空間（GeographicSpace）是指地球表面及近地表空間，是地球上大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈和土壤圈交互作用的區域。地理空間實體就是對復雜地理事物和現象進行簡化抽象得到的結果，簡稱空間實體?？臻g實體具有4個基本特征空間位置特征（幾何特征），包括空間實體的位置、大小、形狀和分布狀況等；屬性特征，與空間實體相聯系的、表征空間實體本身性質的數據或數量；時間特征；空間關系（拓撲關系）。3.1.2空間認知和抽象GIS作為對地理空間事物和現象進行描述、表達和分析的計算機系統，首先必須將現實世界描述成計算機能理解和操作的數據形式。數據模型是對現實世界進行認知、簡化和抽象表達，并將抽象結果組織成有用、能反映形式世界真實狀況數據集的橋梁，是地理信息系統的基礎。

現實世界概念世界數據世界

（計算機）選擇、綜合、簡化和抽象最高層編碼、表達、建立空間關系中間層數據結構對數據進行組織最底層空間事物或現象概念模型

ConceptialModel邏輯數據模型

LogicalDataModel物理數據模型

PhysicalDataModel空間數據庫空間實體抽象的三個層次邏輯數據模型是GIS描述概念數據模型中實體及其關系的邏輯結構物理數據模型是概念數據模型在計算機內部具體的存儲形式和操作機制，即在物理磁盤上如何存放和存取概念模型是地理空間中地理事物與現象的抽象概念集，是地理數據的語義解釋數據模型與數據結構信息系統中：數據模型：對客觀實體及其關系的認識和數學描述。目的是揭示客觀實體的本質特征，并對它進行抽象化表達，使之轉化為計算機能夠接受、處理的數據。GIS中：空間數據模型：對地理空間實體及其關系的描述。數據結構即指數據組織的形式，是適合于計算機存儲、管理和處理的數據邏輯結構形式。對空間數據而言，則是地理實體的空間排列方式和相互關系的抽象描述。數據編碼是實現空間數據的計算機存儲、處理和管理，將空間實體（地理要素）按一定的數據結構轉換為適合于計算機操作的過程。數據模型是數據結構的概念模型，數據結構是數據模型的物理實現。數據結構是數據模型和數據文件格式的中間媒介，數據模型需要通過數據結構來表達，同一種數據模型可以用多種數據結構來表達。數據建模：把現實世界的一組數據組織成為有用且能反映真實信息的數據集的過程。建模過程：選擇一種數據模型對現實世界的數據進行組織；選擇一種數據結構來表達該數據模型；選擇一種適合于記錄該數據結構的文件格式。如：地形—>柵格數據模型—>四叉樹編碼—>grd文件

—>矢量數據模型（等高線）—>POLYVRT—>DLG—>TIN模型—>結構化多邊形—>TIN文件3.2空間數據概念模型概念模型是地理空間中地理事物與現象的抽象概念集，是地理數據的語義解釋3.2.1對象模型3.2.2場模型3.2.3網絡模型3.2.4概念模型的選擇3.2.1對象模型（要素模型）將研究的整個地理空間看

成一個空域，地理現象和

空間實體作為獨立的對象

分布在該空域中。按照其空間特征分為點、線、面、體四種基本對象，并與其他分離的對象保持特定的關系，如點、線、面、體之間的拓撲關系。每個對象（要素、實體）對應著一組相關的屬性。對象模型一般適合于對具有明確邊界的地理現象進行抽象建模，如傳統地圖包含建筑物、道路、公共設施和管理區域等人文要素以及湖泊、河流、島嶼和森林等自然要素。3.2.2場模型（域（field）模型）把地理空間中的現象作為連續的變量或體來看待，如大氣污染程度、地表溫度、土壤濕度、地形高度以及大面積空氣和水域的流速和方向等。3.2.3網絡模型與對象模型相比，都是描述不連續的地理現象，不同之處在于它需要考慮通過路徑相互連接多個地理現象之間的連通情況。網絡是由歐式空間R2中的若干點及它們之間相互連接的線（段）構成，如公路、鐵路、通訊線路、管道、自然界中的物質流、物量流和信息流等地理網絡。網絡模型也可以看成對象模型的一個特例，它是由點對象和線對象之間的拓撲空間關系構成的。3.2.4概念模型的選擇森林建模3.2.4概念模型的選擇采用對象模型還是場模型進行空間建模，主要取決于應用要求和習慣。場模型通常用于具有連續空間變化趨勢的現象，如海拔、溫度、土壤變化等。對象模型一般用于具有明確邊界和獨立地理現象的建模，如道路、地塊等方面的建模。在許多情況下需要采用對象模型和場模型的集成，對象模型和場模型各有長處，應該恰當地綜合應用這兩種模型對地理現象進行抽象建模。3.4空間數據邏輯模型邏輯數據模型是GIS描述概念數據模型中實體及其關系的邏輯結構3.4.1矢量數據模型3.4.2柵格數據模型3.4.3矢量－柵格一體化數據模型3.4.4鑲嵌數據模型3.4.5面向對象數據模型3.4.1矢量數據模型適合于用對象模型抽象的地理空間對象點實體用一對空間坐標表示，二維空間中對應為(x,y)；線實體由一串坐標對組成，二維空間中表示為(x1,y1),…,(xn,yn)；面由其邊界線表示，表示為首尾相連的坐標串，二維空間中對應為(x1,y1),…,(xn,yn),(x1,y1)。每一個實體都給定一個惟一標識符（Identifier）來標識該實體。線:位置(x1,y1)(x2,y2)….屬性:符號,顏色,形狀,尺寸空間對象(實體)的地圖表達3.4.1矢量數據模型矢量數據模型能夠精確地表示點、線及面的實體，并且能方便地進行比例尺變換、投影變換以及輸出到筆式繪圖儀上或視頻顯示器上。在矢量數據模型中，可以明確地描述圖形要素間的拓撲關系。觀察的尺度或者概括的程度影響著使用原型的種類在小比例尺圖中，城鎮這類對象可以用點表示，道路和河流由線表示。在較大比例尺圖中，城鎮被表示為一定形狀的多邊形，包括建筑物的邊界、公園、道路等實體。3.4.2柵格數據模型適宜于用場模型抽象的的空間對象，采用面域或空域的枚舉來直接描述空間實體。柵格可以用數字矩陣來表示，地理空間坐標隱含在矩陣的行列上。數字掃描儀、視頻數字化儀、行式打印機、噴墨繪圖儀等設備是基于柵格模式的。點實體是一個柵格單元（cell）或像元，線實體由一串彼此相連的像元構成，面實體則由一系列相鄰的像元構成，像元的大小是一致的，每個像元對應于一個表示該實體屬性的值。若需要描述統一地理空間的不同屬性，則按不同的屬性將數據分層，每層描述一種屬性。3.4.2柵格數據模型柵格的空間分辨率是指一個像元在地面所代表的實際面積大小。對于一個面積為100km2的區域，以1m的分辨率來表示則需要有1億個像元。如果每個像元占一個一個字節（Byte），那么這幅圖象就要占用100兆字節；當柵格單元太粗糙，未能與空間目標相吻合時，就會丟失某些高分辨率情況下的細節信息。選擇空間分辨率時必須考慮存儲空間和處理時間的開銷，同時籍助相應的空間數據結構來組織數據并壓縮數據量。優點是不同類型的空間數據層可以進行疊加操作，不需要經過復雜的幾何計算。但對于一些變換、運算，如比例尺變換、投影變換等則操作不太方便。3.4.3矢量－柵格一體化數據模型矢量和柵格數據模型在描述和表達空間實體時各有優缺點，柵－矢一體化數據模型將兩種數據模型的優點結合起來，有利于地理空間現象的統一表達。點實體則同時描述其空間坐標以及柵格單元位置；線狀實體一般采用矢量數據模型表達，同時將線所經過位置以柵格單元進行充填；面狀實體的邊界采用矢量數據模型描述，而其內部采用柵格數據模型表達；特點：一方面保留了矢量數據模型的全部特性，空間實體具有明確的位置信息，并能建立和描述拓撲關系；另一方面又建立了柵格與實體的聯系，即明確了柵格與實體的對應關系。3.4.4鑲嵌（Tessellation）數據模型采用規則或不規則的小面塊集合來逼近自然界不規則的地理單元，適合于用場模型抽象的地理現象。通過描述小面塊的幾何形態、相鄰關系及面塊內屬性特征的變化來建立空間數據的邏輯模型。小面塊之間不重疊且能完整鋪滿整個地理空間。根據面塊的形狀，可分為規則鑲嵌數據模型和不規則鑲嵌數據模型。一、規則鑲嵌數據模型用規則的小面塊集合來逼近自然界不規則的地理單元。在實際應用中，普遍采用正方形或矩形進行地理空間的劃分。此時的規則鑲嵌數據模型就轉化為柵格數據模型。構造規則鑲嵌的具體做法是用數學手段將一個鋪蓋網格疊置在所研究的區域上，把連續的地理空間離散為互不覆蓋網格。在這種結構中每個網格的有關信息都是基本的存儲單元。主要優點在于其數據結構為通常的二維矩陣結構，大多數程序語言中都有矩陣處理功能。以矩陣形式存儲的數據具有隱式坐標，不需要進行坐標數字化；規則格網系統還便于實現多要素的疊置分析。二、不規則鑲嵌數據模型不規則鑲嵌數據結構是指用來進行鑲嵌的小面塊具有不規則的形狀或邊界。最典型的不規則鑲嵌數據模型有Voronoi圖（也稱作Thiessen多邊形）和不規則三角網（TriangularIrregularNetwork，簡稱TIN）模型。當用有限離散的觀測

樣點來表示某地理現

象的空間分布規律時，

適合于采用不規則鑲

嵌數據模型。Voronoi多邊形的特點是：組成多邊形的邊總是與兩相鄰樣點的連線垂直，并且多邊形內的任何位置總是離該多邊形內樣點的距離最近，離相鄰多邊形內樣點的距離遠，且每個多邊形內包含且僅包含一個樣點。三角網的優點是:三角形大小隨樣點密度的變化自動變化，所有樣點都稱為三角形的頂點，當樣點密集時生成的三角形小，而樣點較稀時則三角形較大。TIN在表示不連續地理現象時也具有優勢，如用TIN表示地形的變化，將懸崖、斷層、海岸線、山谷山脊線等作為約束條件，可構造約束TIN。Delaunay三角網有如下特性：（1）三角網的網形是唯一的，即點的次序不變；（2）每一個三角形的內角為可能的最大角度，符合“三角剖分最小內角為最大”的最優化條件。Delaunary三角網可以按照最大空圓準則，根據離散點直接構造。將相鄰Voronoi多邊形內包含的樣點連接起來，即形成Delaunary三角網；對Delaunary三角網的每個三角形計算其外心（各邊垂直平分線的交點），將相鄰三角形的幾何中心兩兩相連，即可得到Voronoi多邊形的邊。

對三角網，表達各三角形的頂點位置和屬性、頂點與三角形的連接關系、三角形的連接關系，就可得到TIN的邏輯數據模型。3.4.5面向對象數據模型面向對象數據模型應用面向對象方法描述空間實體及其相互關系，特別適合于采用對象模型抽象和建模的空間實體的表達。面向對象技術的核心是對象（object）和類（class）。對象是指地理空間的實體或現象，是系統的基本單位。如多邊形地圖上的一個結點或一條弧段是對象，一條河流或一個宗地也是一個對象。一個對象是由描述該對象狀態的一組數據和表達它的行為的一組操作（方法）組成的。例如，河流的坐標數據描述了它的位置和形狀，而河流的變遷則表達了它的行為。每個對象都有一個惟一的標識號（Object－ID）作為識別標志。3.4.5面向對象數據模型類是具有部分系統屬性和方法的一組對象的集合，是這些對象的統一抽象描述，其內部也包括屬性和方法兩個主要部分。類是對象的共性抽象，對象則是類的實例（Instance）。屬于同一類的所有對象共享相同的屬性和方法，但也可具有類之外的自身特有的屬性和方法。類的共性抽象構成超類（super-class），類成為超類的一個子類，表示為“is-a”的關系。一個類可能是某些類的超類，也可能是某個類的子類，從而形成類的“父子”關系。面向對象方法將對象的屬性和方法進行封裝，還具有分類、概括、聚集、聯合等對象抽象技術以及繼承和傳播等強有力的抽象工具。車

機動車非機動車

汽車火車自行車人力三輪車車是一般類(基類,超類,父類),機動車是特殊類(子類);在機動車和汽車之間機動車是一般類,汽車是特殊類.比如汽車是一個類那么寶馬、紅旗、解放等等就是這個類的對象將輪子、方向盤、重量等這些屬性和轉彎、鳴喇叭等這些方法放到一個類里面就是封裝人開車要用方向盤、剎車等等，這些就是汽車這個類的接口你用轎車的鑰匙，開動的就是轎車，用卡車的鑰匙開動的就是卡車，這是多態性的體現而轎車和卡車這兩個類就是汽車這個類的繼承,繼承具有傳遞性,如汽車具有車的全部屬性和服務（1）分類（classification）把具有部分相同屬性和方法的實體對象進行歸類抽象的過程。如將城市管網中的供氣管、給水管、有線電視電纜等都作為類。（2）概括（generalization）把具有部分相同屬性和方法的類進一步抽象為超類的過程，如將供水管線、供熱管線等概括為“管線”這一超類，它具有各類管線所共有的“材質”、“管徑”等屬性，也有“檢修”等操作。（3）聯合（association）把一組屬于同一類中的若干具有部分相同屬性的對象組合起來，形成一個新的幾何對象的過程。集合對象中的個體對象稱作它的成員對象，表示為“ismemberof”的關系。例如在供水管線類中，某些管線段進行了防腐處理，則可把它們聯合起來構成“防腐供水管類”。（4）聚集（aggregation）聚集是把一組屬于不同類中的若干對象組合起來，形成一個更高級別的復合對象的過程。復合對象中的個體對象稱作它的組件對象，表示為“ispartof”的關系。如將地籍權屬界線與內部建筑物聚集為“宗地”類。（5）繼承（inheritance