第二章 空间数据与属性数据的集成铜陵学院建筑工程学院2024/7/27oGIS是一种特殊的信息系统，它与普通信息系统的不同在于它不仅要处理一般的、规则的属性数据，还要处理海量的、复杂的空间数据。o地理数据（空间数据与属性数据）的存储、管理和应用一直是GIS研究的重点领域之一。2024/7/272第二章空间数据与属性数据的集成o空间数据模型与空间数据、属性数据的集成o空间数据与属性数据的集成o商业化解决方案2024/7/273第二章空间数据与属性数据的集成o空间数据模型与空间数据、属性数据的集成o空间数据与属性数据的集成o商业化解决方案2024/7/274oGISn以现实世界为研究目标n以计算机内部的二进制数字作为存储载体2024/7/275o地理空间地理空间（Geographic Space）是指物质、能量、信息在形式与形态、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。o空间现象十分复杂，为此将其抽象到空间对象（目标）来表达空间实体。 2024/7/276o地理空间的几何类型n点状分布特征点状分布特征如城镇、基地、气象站、山峰、火山口等。n线状分布特征线状分布特征 河流、海岸线、铁路、公路、地下管线，行政边界等。n面状分布特征面状分布特征如土壤、森林、草原、沙漠、湖泊等，通常称多边形。n体状分布特征体状分布特征如高层建筑、云体、山体、矿体等。2024/7/277o点实体n有位置，无宽度和长度n抽象的点2024/7/278美国佛罗里达洲地震监测站o线实体n有长度，但无宽度和高度n 用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多n度量实体距离2024/7/279香港城市道路网分布o面实体n具有长和宽的目标n通常用来表示自然或人工的封闭多边形n一般分为连续面和不连续面2024/7/2710中国土地利用分布图o不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。o连续变化曲面，如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化是连续的。2024/7/2711o体实体n有长、宽、高的目标n通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标2024/7/2712校园建筑o数据模型n信息表达和抽象客观世界的概念视图n提供了数据的概念结构及表达的形式化手段n定义了如何在数据库中表达及其相互关系和各种操作n是描述现实世界的数据在数据库中的逻辑组织纲领的集合以及操作与完备性规则的目标集合2024/7/2713o数据模型是连接系统与用户的接口，是用户所能够看到的数据形式，是连接现实世界和计算机世界的桥梁，是对数据库框架的一种描述。o数据模型的发展对空间数据与属性数据的集成有推动作用。2024/7/2714oGIS数据模型的基本任务针对所研究的空间现象或问题，描述GIS的空间数据组织，设计GIS空间数据库模式。n定义空间实体及其相互关系n确定数据实体或目标及其关系n设计在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结果2024/7/2715空间数据在计算机中如何组织？2024/7/2716客观的地理系统客观的地理系统自然环境系统自然环境系统社会经济环境系统社会经济环境系统1）确定专题领域实际模型；2）建立表达实际模型的概念模型；3）建立为实现概念模型的数据结构；4）确定数据文件在数据库中的组织方式。三个世界的术语对照表2024/7/2717o模型模型是对现实世界的简化表达，是将系统的各个要素通过适当的筛选，用一定的表现规则描写出来的简明的映象。o空间数据模型空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供基本方法。o空间实际模型空间实际模型指在研究区（项目所相关的空间区域）内与某领域有关的实际存在的物质世界，它包含所有能够被人们直接和不能直接观察到的各种有关信息。o空间数据结构空间数据结构把概念模型转变为计算机系统所能接受的数据结构和逻辑关系。2024/7/2718o模型的作用模型的作用n是对客观世界中解决各种实际问题所依据的规律或过程的抽象或模拟，能从各种因素之间找出因果关系或者联系，有利于问题的解决。n模型的建立是数学或技术性的问题，必须以广泛、深入的专业研究为基础，专业研究的深入程度决定了所建模型的质量与效果，而模型的质量和数量又决定了系统中数据使用的效率和深度。n大量模型的发展和应用，集中和验证了该应用领域中许多专家的经验和知识，是向专家系统发展的基础。2024/7/2719现实世界与模型的关系2024/7/2720 在计算机中，现实世界是以各种符号形式来表达和记录的，计算机在对数字和符号这些符号进行操作时，又将它们表示为二进制形式（比特世界）。基于计算机的不能直接作用于现实世界，必须经过对现实世界的数据描述这一步骤。 2024/7/2721现实世界真世界真实模型模型空空间数据模型数据模型空空间数据数据结构构数据数据库：空：空间数据物数据物理理结构构空空间数据复原数据复原空空间数据数据处理理空空间数据数据查询空空间数据分析数据分析oGIS空间数据模型空间数据模型由由概念数据模型、逻辑数据模型概念数据模型、逻辑数据模型和和物理数据物理数据模型模型三个有机联系的层次组成。三个有机联系的层次组成。n概念数据模型概念数据模型是关于实体及实体间联系的抽象概念集n逻辑数据模型逻辑数据模型是表达概念数据模型中数据实体（或记录）及其间关系n物理数据模型物理数据模型是描述数据在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构 2024/7/27222024/7/2723空间数据模型的三个层次空间数据模型的三个层次o概念数据模型概念数据模型由于职业、专业等的不同，人们所关心的问题、研究对象、期望的结果等方面存在着差异，因而对现实世界的描述和抽象也是不同的，形成了不同的用户视图，称之为外模式。GIS空间数据模型的概念模型是考虑用户需求的共性，用统一的语言描述和综合、集成各用户视图。o不依赖于具体的计算机硬件和软件，是对客观世界的一种抽象的组织和表达。2024/7/2724o逻辑数据模型n用计算机语言描述地理实体及其相互间的关系o物理数据模型n直接的数据存取与管理2024/7/2725空间数据类型o按表示对象的不同分按表示对象的不同分n类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。n面域数据：多边形中心点、行政区域界限和行政单元n网络数据：道路交叉点、街道和街区等。n样本数据：气象站、航线和野外样方的分布区等。n曲面数据：高程点、等高线和等值区域。n文本数据：如地名、河流名和区域名称。n符号数据：点状符号、线状符号和面状符号等。 2024/7/2726o按表达基本信息的不同分n属性数据：描述空间对象属性特征的数据，又称非几何数据，如类型、名称、性质等，一般通过代码给予表达n几何数据：描述空间对象空间特征的数据，也称位置数据、定位数据，一般用经纬度、坐标表达n关系数据：描述空间对象的空间关系的数据，如邻接、包含、关联等，一般通过拓扑关系表达。2024/7/2727空间数据的基本特征o空间特征空间特征n表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。o属性特征属性特征n表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特征等。o时间特征时间特征n描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。2024/7/2728o点对象点对象 点是有特定的位置，维数为零的物体，包括：n点实体（Point Entity）：用来代表一个实体；n注记点：用于定位注记；n内点（Label Point）：用于记录多边形的属性，存在于多边形内；n结点（节点）（Node）：表示线的终点和起点；n角点（Vertex）：表示线段和弧段的内部点。 2024/7/2729o线对象线对象 线对象是GIS中非常常用的维度为1的空间组分，表示对象和它们边界的空间属性，由一系列坐标表示，并有如下特征：n实体长度：从起点到终点的总长；n弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度；n方向性：水流方向是从上游到下游，公路则有单向与双向之分 n线状实体包括线段、边界、链、弧段、网络等 2024/7/2730o多边形对象多边形对象 面状实体也称为多边形，是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。通常在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。面状实体有如下空间特性：n面积范围；n周长；n独立性或与其它的地物相邻，如中国及其周边国家；n内岛或锯齿状外形，如岛屿的海岸线封闭所围成的区域等；n重叠性与非重叠性，如报纸的销售领域，学校的分区，菜市场的服务范围等都有可能出现交叉重叠现象，一个城市的各个城区一般说来相邻但不会出现重叠。n在计算几何中，定义了许多不同类型的多边形 312024/7/27o在地理信息系统中集中存储了以下的内容：在地理信息系统中集中存储了以下的内容：n空间分布位置信息n属性信息n拓扑空间关系信息o空间关系：空间关系：描述空间对象之间的空间相互作用关系o方法方法n绝对关系：坐标、角度、方位、距离等绝对关系：坐标、角度、方位、距离等n相对关系：相邻、包含、关联等相对关系：相邻、包含、关联等n相对关系类型相对关系类型o拓扑空间关系：描述空间对象的相邻、包含等 o顺序空间关系：描述空间对象在空间上的排列次序，如前后、左右、东、西、南、北等。o度量空间关系：描述空间对象之间的距离等。2024/7/2732空间关系基本概念o点点点关系点关系n相合：两个点坐标重合n分离：两个点不在同一个位置；n点与点不存在邻接、相交和包含关系o点点线关系线关系n点线相邻：一个点恰好落线的端点；n点线相交：点在线上n点线相离：点为在线上n点线包含：等同于点线相交n点线不存在重合2024/7/2733o点点面关系面关系n点面相邻：点落在面的边界上；n点面相交：与上述相同；n点面相离：点远离一个面；n点面包含：点落在面内；n点面不存在重合。2024/7/2734o线线线关系线关系n线线相邻：两个线有公共结点n线线相交：两条线立体或平面相交；n线线相离：两条线没有交点和汇合点；n线线包含：一条线是另一条线的一部分n线线重合：一条线完全与另一条线重合；2024/7/2735o线线面关系面关系n线面相邻：线是面的部分或全部边界；n线面相交：一条线部分或全部穿过一个面n线面相离：线与面相互隔离n线面包含：一条线完全落入一个面里n线面不存在重合关系2024/7/2736o面面面关系面关系n面面相邻：两个面至少有段共同的边界；n面面相交：一个面与另一个面部分相交n面面相离：两个面完全不相交n面面包含：一面完全被另外一个面包含n面面重合：两个面的边界完全相同2024/7/27372024/7/2738相邻相邻相交相交重叠重叠分离分离包含包含点点点点点点线线点点面面线线面面面面面面线线线线典型的数据模型o地学关系模型o栅格数据模型o超图数据模型o面向对象的数据模型o特征数据模型o面向对象的矢栅一体化三维数据模型2024/7/2739典型的数据模型o地学关系模型o栅格数据模型o超图数据模型o面向对象的数据模型o特征数据模型o面向对象的矢栅一体化三维数据模型2024/7/2740地学关系模型o地学关系模型描述和表达点、线、面空间目标及其相互的拓扑关系，并通过用户识别码ID与属性数据连接起来，从而确定空间数据库的信息内容。o拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性拓扑属性。欧氏平面上实体对象所具有的拓扑和非拓扑属性 ：2024/7/2741o拓扑关系指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。 o非拓扑属性（几何）n两点间距离、一点指向另一点的方向 、弧段长度、区域周长、面积 等 o拓扑属性（没有发生变化的属性）n一个点在一条弧段的端点、一条弧是一简单弧段(自身不相交) 、 一个点在一个区域的边界上 、一个点在一个区域的内部/外部 、一个点在一个环的内/外部 、一个面是一个简单面;一个面的连通性2024/7/2742 拓扑变换(橡皮变换)o建立拓扑关系是对一种空间结构关系进行明确定义的数学方法。o具有某些拓扑关系的矢量数据结构就是拓扑数据结构，拓扑数据结构是GIS的分析和应用功能所必需的。o拓扑数据结构的表示方式没有固定的格式，也还没有形成标准，但基本原理是相同的。2024/7/2743拓扑元素o点n孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点o线n两点间的有序弧段，包括链、弧段和线段o面n软干线段组成的闭合多边形2024/7/27442024/7/2745结点集合结点集合结点名指 针第一个离开弧段 第一个到达弧段坐标N1 e3 e1 x1，y1 N2 e1 e2 x2，y2 N3 e2 e3 x3，y32024/7/2746顺时针第一弧段 逆时针第一弧段指 针属性 P1 e1 t1 P2 e2 e5 t2多边形名 P3 e3 e4 t3多边形集合多边形集合 P4 e7 t42024/7/2747弧段名e1 N2 N1 P1 P0 e6 e2 s1e2 N3 N2 e5 P2 P0 e4 e3 s2e3 N1 N3 e6 e4 P3 P0 e1 s3 e4 N4 N3 e5 e3 P2 P3 e2 e6 s4 始结点 终结点离开始结点的下一条弧段到达终结点的下一条弧段右多边形左多边形右多边形顺时针下一条弧段左多边形逆时针下一条弧段坐标串弧段集合弧段集合拓扑关系的特点o邻接性邻接性n同类元素之间/多边形之间、结点之间。n邻接矩阵 ：重叠：- 邻接：1 不邻接：02024/7/2748P1P2P3P4P1-111P21-10P311-0P4100-2024/7/2749结点之间结点之间a e cbda c deb-1011e1-100d01-10c101-1b1001-aedcba2024/7/2750 cdab ad bc-111d1-10c11-1b101-adcba面块之间面块之间o拓扑的包含性拓扑的包含性n面与其他元素之间的关系面与其他元素之间的关系2024/7/27512024/7/2752 矢量方法（右图）强调了离散现象的存在，由边界线（点、线、面）来确定边界，因此可以看成是基于要素的。矢量数据模型将现象看作原形实体的集合，且组成空间实体。在二维模型内，原型实体是点、线和面；而在三维中，原型也包括表面和体。 矢量数据结构特点用离散的点描述空间对象与特征定位明显，属性隐含定位明显，属性隐含用拓扑关系描述空间对象之间的关系面向目标操作，精度高，数据冗余度小与遥感等图象数据难以结合输出图形质量好，精度高2024/7/2753典型的数据模型o地学关系模型o栅格数据模型o超图数据模型o面向对象的数据模型o特征数据模型o面向对象的矢栅一体化三维数据模型2024/7/2754栅格数据模型o以场模型为基础n强调空间要素的连续性，用于表示在二维或者三维空间中被看作是连续变化的数据o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，基于场的观点是合适的。例如，空气中污染物的集中程度、地表的温度、土壤的湿度水平以及空气与水的流动速度和方向。根据应用的不同，场可以表现为二维或三维。一个二维场就是在二维空间中任何已知的地点上，都有一个表现这一现象的值；而一个三维场就是在三维空间中对于任何位置来说都有一个值。一些现象，诸如空气污染物在空间中本质上讲是三维的，但是许多情况下可以由一个二维场来表示。 2024/7/2755o场模型用于模拟一定空间内连续变化的地理现象。栅格数据模型是场模型的典型代表，它是将连续空间离散化，即用栅格单元划分整个连续空间；栅格单元可以分为规则的和不规则的；后者可当做拓扑多边形处理，如社会经济分区、城市街区。 o栅格单元的特征参数有尺寸、形状、方位和间距。在边数从3到N的规则栅格单元中，方格、三角形和六角形是空间数据处理中最常用的。 2024/7/27562024/7/2757 采用栅格模型的GIS，通常应用分层的方法。在每个图层中栅格像元记录了特殊的现象的存在。每个像元的值表明了在已知类中现象的分类情况。 栅格模型的一个重要特征就是每个栅格中的像元的位置是预先确定的，描述同一区域的不同现象的栅格数据之间很容易进行逻辑运算。2024/7/2758YY：列：列：列：列XX：行：行：行：行西南角格网坐标西南角格网坐标西南角格网坐标西南角格网坐标（XXWSWS，YYWSWS）格网分辨格网分辨格网分辨格网分辨率率率率有着统一的定位参照系。每个空间单元只记录其属性值，而不记录它的坐标值。2024/7/2759点线面对于栅格数据结构对于栅格数据结构 点：为一个像元点：为一个像元 线：在一定方向上线：在一定方向上连接成串的相邻像连接成串的相邻像元集合。元集合。 面：聚集在一起的面：聚集在一起的相邻像元集合。相邻像元集合。栅格结构数据中混合像元的处理o方案一2024/7/2760A.OBC中心点法重要性法长度占优法面积占优法o方案二：缩小栅格单元的面积栅格数据组织2024/7/2761栅格数据文件像元1X坐标Y坐标层2属性值层1属性值层n属性值像元2像元n栅格数据文件层1像元1层2X,Y,属性值像元2X,Y,属性值像元nX,Y,属性值层n栅格数据文件层1 多边形1层2属性值像元1坐标多边形N像元n坐标层n栅格数据结构的编码2024/7/2762AAAAARAAARAAARAARAAAAAAAAAGGAAGGGGGGGAGGGAGGAAAAAARAAAARAAARRAAA143258761234567801234567起点行列号，单位矢量起点行列号，单位矢量R: (1,5),3,2,2,3,3,2,3链式编码链式编码游程长度编码游程长度编码逐行编码逐行编码数据结构数据结构: 行号行号, 属性属性, 重复次数重复次数1, A, 4, R, 1, A, 3块状编码块状编码正方形区域为记录单元正方形区域为记录单元数据结构数据结构: 初始位置初始位置, 半径半径, 属性属性(1,1,3,A),(1,4,1,A), (2,4,1,R), (3,4,1,R)NE SWNWSEGGGGAGGAAGAAA四叉树编码四叉树编码o直接编码n直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。2024/7/27632024/7/2764o链码n由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出每个后续点相对其前继点的可能的8个基本方向之一表示。8个基本方向自0开始按顺时针方向代码分别为0，1，2，3，4，5，6，7。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。2024/7/27652024/7/276676543012007 0 121 07 7 02024/7/2767o游程长度编码n只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数；n逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。2024/7/27682024/7/27692024/7/2770o块码n采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。2024/7/27712024/7/2772o四叉树编码n是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割（2n2 n，且n1），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面的一排数字表示各子区的代码。n为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2n2 n的栅格阵列。n 为极限分割次数，n1是四叉树最大层数或最大高度2024/7/27732024/7/2774o直接栅格编码：直接栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；o链码：链码：压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；o游程长度编码：游程长度编码：在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用；o块码和四叉树编码：块码和四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。2024/7/27752024/7/2776典型的数据模型o地学关系模型o栅格数据模型o超图数据模型o面向对象的数据模型o特征数据模型o面向对象的矢栅一体化三维数据模型o集成化空间数据、属性数据管理模型2024/7/2777超图数据模型o超图是有限集合的子集系统，是离散数学中最一般的结构。o超图模型是建立在超图和集合论基础上的拓扑数据模型。o超图模型的基本数据单元有:类、对象元素、类属性、对象元素属性、类关系、对象关系。2024/7/2778o类是表示具有相同的一些性质并可能表示成相同的关系。o对象元素和对象元素属性表示类的组成、性质,在类中表示为顶点,在模型图中用圆点表示,其中一个特殊的顶点表示类的标志属性,其他的顶点表示类的对象元素和对象元素的属性。2024/7/2779o在超图数据模型中,属性的概念有很大的覆盖面,一个属性可以是:一个单一的数值、一个n维数组、一个程序或法则(如约束条件)、一个结构,其本身又可用超图描述。o因此,属性不但描述了对象的静特性,而且描述其动特性,即描述定义对象或类的合法操作。2024/7/2780o类之间和类对象元素之间可有多种关系,这种关系可是层次性的,也可是非层次性的。n超图类之间的层次关系表示了超图类的纵向关系,明晰地展现了面向对象模型的类继承、联合和聚集等。n超图模型的非层次关系则表示了空间超图类的全方位横向关系,这种关系是空间分析和分布式计算的基础。2024/7/2781o超图模型的特点有:n利用超图模型建立的GIS空间数据模型在提供纵向层次关系的同时,也提供了横向非层次关系。n形象化地展示了空间数据的全方位关系,这种关系是分布式GIS计算的基础,基于这些关系的算法便于建立地理空间目标的自动综合。n地理空间对象自动综合,通过模型和算法结合的实现要比单纯通过算法的实现可行或易行,而超图模型对空间问题提供了良好的解决这类问题的模型基础。n自然的空间关系不需要生造拓扑关系,超图模型在提供空间现象和关系的同时,也蕴涵了空间的拓扑关系。2024/7/2782o面向对象的超图空间数据模型o在面向对象的空间数据模型中,GIS空间要素可被抽象为n几何对象模型n地理对象模型n地图表示结构对象模型n图形计算对象模型2024/7/2783o几何对象模型n几何对象模型抽取GIS空间要素的几何特性,这些几何对象描述了地物的形状、空间位置关系、空间拓扑关系以及几何度量信息,几何对象封装了所有的空间操作。几何对象按类分为:节点、弧段和多边形。o地理对象模型n地理对象用于定义和解释几何对象,给同一个几何对象赋予不同的属性,可以将同一个几何对象解释成不同的地物,地理对象可分为:点状地物、线状地物、面状地物、复杂地物和面条地物,地理对象的空间关系由组成它们的几何对象推导。2024/7/2784o地图表示对象模型n地图表示分为物理表示结构和逻辑表示结构两大类,物理表示结构定义为表征GIS的分布特征、物理存储等;逻辑表示结构定义为GIS数据的专题层模型、数据格式、显示规则和用户界面等。o图形计算对象模型n图形计算对象模型定义为:GIS空间计算模式和功能、功能扩充接口、比例尺变换等。2024/7/27852024/7/2786o基于超图的对象模型所表达的空间关系远较一般的对象模型的数据抽象所表达的关系丰富。o超图模型的真正优势一方面在于其对象特性,另一方面在于其固有的超图特性和空间拓扑特性。2024/7/2787o超图模型研究的不足：n一些主要的研究成果只是停留在空间元素的划分和简单的空间关系构造上,对超图空间数据模型的理论基础超图的研究则很少。n对超图模型的分布特征的研究是不够的,对如何利用超图模型构造GIS的分布式运算;对如何利用超图模型构造GIS空间数据库的比例尺变换中的自动综合等,也未深入进行研究。n对基于超图模型的GIS空间数据模型,如何利用面向对象技术进行集成等问题缺乏足够的研究。n对超图模型中属性数据和空间图形对象的互为封装问题的研究更显不足。2024/7/2788典型的数据模型o地学关系模型o栅格数据模型o超图数据模型o面向对象的数据模型o特征数据模型o面向对象的矢栅一体化三维数据模型o集成化空间数据、属性数据管理模型2024/7/2789面向对象的数据模型o面向对象的数据模型可以将物体的空间图形数据属性数据集成在同一对象中处理，利于将两种数据对应起来，发现目标的几何性质与属性的对应关系。o面向对象的数据模型提供了更丰富的表达能力，能够更“自然”地表示客观世界。2024/7/2790o四种地物n点n线n面n复杂2024/7/2791o四种对象n零维n一维n二维n复杂o传统数据模型n把实体抽象为一系列目标n定义这些目标、目标间关系以及目标的行为n将空间行为模型与数据模型连接起来o面向对象数据模型n结构n行为2024/7/2792o面向对象数据模型的行为模拟能力优于传统数据模型，它将空间行为和空间数据封装在一个对象中，并能方便提供超类与子类目标之间的知识继承、传播和集成，为空间目标识别和空间行为模拟提供方便。2024/7/2793o面向对象数据模型的四种抽象技术n分类o是一组具有相同属性和行为特性的对象。每个对象是类的一个实例，而类是一组对象型的抽象。n概括o将若干个类按照其共有的属性、操作和关联抽象为一个更通用的类的过程，称为概括。被概括的类称为子类（subclass），概括出的类称为超类（superclass）。2024/7/2794n联合o把一组属于同一类的对象组合起来，形成一个更高级的集合对象。n聚集o把不同类型的对象联合起来，形成一个更高级的集合对象。2024/7/2795o面向对象数据模型未广泛使用原因nOODB作为一个数据库系统还不十分成熟。n与传统数据模型缺少应有的兼容性n商业化程度不够2024/7/2796典型的数据模型o地学关系模型o栅格数据模型o超图数据模型o面向对象的数据模型o特征数据模型o面向对象的矢栅一体化三维数据模型o集成化空间数据、属性数据管理模型2024/7/2797特征数据模型o实体n是真实世界的现象，不能被进一步细分为同一类现象o特征n是具有相同属性及关系的一类实体，特征的概念包含实体集，也包含时提及的数字描述2024/7/2798o特征数据模型的应用领域nGIS标准化研究及标准制定n基于特征的GIS数据库开发2024/7/2799o特征模型所依据的概念来自于地理学中的区域理论和认知心理学中的分类理论。n用一个特征来表示一个地理现象是必不可少的,因为它能包含关于地理现象的信息的所有方面。在基于特征GIS中,属性和关系直接连接在特征的标识符上,可有效地描述特征的特性。n在基于特征的GIS中,特征能被聚集或联合而形成一个复合特征,这种复合特征在通常的基于图层的GIS中是不能有效获得的。n基于特征的GIS为复杂地理抽象产物的表示提供了一种手段。2024/7/27100o大部分GIS软件主要考虑了点、线、面空间目标之间中诸如邻接和包含等拓扑关系的编码。然而复杂目标的非空间(非拓扑和语义)关系往往未予考虑。o为寻求一个更丰富的模型来对复杂地理实体进行编码,许多研究者把焦点集中在面向对象方法上,将其作为以整体方式体现地理特征和关系的一种可采用的方法。2024/7/27101o描述地理特征的对象应包括六个要素o对六个要素的概括能够增强对现实世界现象的整体表示模式。2024/7/27102o两种对象类型n特征对象类型o描述一类地理特征的非空间特性n几何对象类型o存储关于地理特征空间位置的信息o特征对象封装几何对象,因为几何对象储存特征对象的位置信息。几何对象包含一个标识符,另外还有特征的位置与拓扑关系信息。2024/7/27103o基于特征数据模型中使用六种基本的几何矢量对象,它们是点、结点、线段、链、环和多边形。这六种基本几何矢量对象之间的层次关系与传统的基于图层GIS模型中矢量数据的组织是一致的。o在特征GIS模型中可以应用面向对象的抽象机制。这些机制提供更丰富更有表达力的概念,对于表达地理特征的层次关系是十分有用的。2024/7/27104o面向对象的基于特征数据模型的开发,应依据包括分类、概括、特殊化、聚集和联合在内的五种抽象机制的组合。2024/7/27105o面向对象的封装性,将用户定义的对象类中的数据与函数封装在一起,允许特征的整体表示。o面向对象的继承性,允许地理特征的概括和特殊化,使得特征层次的表示变得容易,用户从而能够根据比例尺和分辨率从这个层次提取适合的对象。o面向对象的多态性允许相同的消息为合适的类调用不同的方法,这方便了对不同但相似的对象的操作。o面向对象及其抽象机制使复杂对象的表示和基于特征GIS系统的实现成为可能。2024/7/27106典型的数据模型o地学关系模型o栅格数据模型o超图数据模型o面向对象的数据模型o特征数据模型o面向对象的矢栅一体化三维数据模型o集成化空间数据、属性数据管理模型2024/7/27107o模型采用矢量栅格化方法,将目标的点、线、面、体等矢量基元用栅格体元的有序集合表示,用目标矢量的栅格体元的集合运算来代替对矢量数据的操作和分析,因而该模型既具有矢量和栅格数据的特点,又实现了面向对象的表示。2024/7/27108o矢量数据模型的优点n在于它表达位置精度高以及显式地建立目标的空间关系的能力。o栅格数据模型的优点n是它将整个空间划分为规则的、有序的、大小相等的子空间(体元),o将矢量数据模型表示实体的空间关系的方式与栅格数据模型对空间的划分方式结合起来,并尽可能提高栅格划分精度,那么所建立的数据模型将同时具有矢量和栅格数据的优点。2024/7/27109o基于这样的设想, 将整个三维空间划分为规则的、大小相等的、互不重叠的2n2n2n个基本小立方体,将三维目标定义为点、线、面、体4种类型,每种类型的目标均由小立方体填充。o点、线、面、体以一种层次结构和空间关系相互联系,即体由面组成,面由线构成,线由点表达。2024/7/27110o在空间处理方面,与位置相关的叠置、布尔运算、求交、连通性分析、缓冲区分析等采用栅格方法。o而地物之间的空间位置关系的计算和查询等则采用矢量的方法,并基于它们的子空间构成和空间关系进行。2024/7/27111o一体化模型与栅格模型的区别n栅格模型通过将目标的标识符作为栅格体元的属性值来表示目标,属于一种面向栅格元素的方法;而一体化模型是在地物对象中记录地物所在的栅格元素的集合,栅格元素不必具有属性值,属于一种面向目标的方法。这对于叠置、求交等运算,只需通过集合操作就能实现。2024/7/27112n栅格模型对所有实节点(不管其属于哪一个目标)按照其内在的空间顺序进行存储,对目标的空间索引和目标之间的关系的表达只能依赖于体元的属性以及体元之间的相邻和连通关系进行推理,不利于目标的空间关系分析,而一体化模型是对目标的子空间按照层次化的结构进行组织。2024/7/27113o一体化模型与矢量模型的不同n矢量模型对子空间(点、线、面、体)的划分是不规则的、无序的,而一体化模型则相反;n矢量模型对目标只表示其端点(线)、边界线(面)和表面,而一体化模型除此以外,还对目标内部整个空间进行填充、表达。2024/7/27114o空间目标分为四种基本类型n点状目标。o点状目标是一个零维空间目标,用来表示点状地物和节点的空间位置。其空间位置由对应体元的栅格坐标确n线状目标。o线状目标是一维空间目标,它包括线状地物、拓扑弧段和无拓扑弧段。弧段是不可分支的线段,其形状可以是直线和折线。n面状目标。o面状目标是一个二维目标,包括无拓扑曲面、拓扑曲面和面状地物,可用来表示三维空间的面状地物和体状目标的表面。n体状目标。o体状目标指任意形状的三维空间体状地物。2024/7/271152024/7/27116o矢栅一体化三维数据模型中,只需存储目标体元一种栅格数据,目标的位置、形状和拓扑关系等信息都可以得到描述,且目标层次简单、清晰,实现了栅格与矢量的面向目标的一体化表示。2024/7/27117o面向目标的栅格矢量一体化模型将栅格数据以矢量方式进行组织,从而同时具有矢量和栅格数据模型的优点,也克服了目前普遍应用的混合模型所存在的缺点,应是未来三维空间数据模型研究的发展方向。o面向对象的表示不仅有利于空间数据的计算机存储管理,最主要的是使传统矢量模型中对矢量数据的求交等空间操作可以用简单的集合运算来代替,大大减小了计算的复杂度。2024/7/27118o三级栅格划分策略不仅可以减少空间数据存储单元,而且可以提高目标数据的空间查询和操作速度。o规则的空间栅格划分需要动态地维护空间划分的一致性,这给几何变换等操作带来一定的难度,有待进一步研究。2024/7/27119典型的数据模型o地学关系模型o栅格数据模型o超图数据模型o面向对象的数据模型o特征数据模型o面向对象的矢栅一体化三维数据模型o集成化空间数据、属性数据管理模型2024/7/271202 空间数据与属性数据的集成o空间数据与属性数据的分离存储o空间数据与属性数据的统一存储2024/7/27121空间数据与属性数据的分离存储o空间数据的存储（文件系统）n数据冗余度大且数据重复情况普遍n缺乏数据独立性n数据缺乏集中管理n安全性和完整性无法保障n无法进行文件共享和网络操作n空间数据和属性数据分离2024/7/27122o栅格数据的存储（二维表优点）n简单、灵活n具有严密的数学基础和操作代数基础n数据间的关系具有对称性n用表格来表示现实实体间的联系2024/7/27123o属性数据与空间数据的组织n空间数据与属性数据相结合o空间数据存储在可索引的二进制文件中，利于访问和显示o属性数据存储在关系表中o有共同标识码连接n能够存储矢量要素之间的拓扑关系2024/7/27124o混合模型（两个子系统）n不利于空间数据的整体管理，难以保持数据的一致性nGIS的开放性和互操作性受限制n数据共享和并行处理无保证2024/7/27125o空间数据与属性数据的统一管理n关系型数据库统一存放于管理空间数据和属性数据（RDB）o扩展式o开放式o统一式n面向对象的数据库管理系统（OODBMS）2024/7/27126关系型数据库统一存放于管理空间数据和属性数据特点特点文件方式文件方式基于基于RDB的空间数据库的空间数据库海量数据管理可以擅长空间、属性数据一体化难以实现一体化一体化开放性特殊格式工业标准、开放式管理可扩充能力弱强多用户并发难很强数据维护与更新文件多，管理难只需一个数据库权限控制弱强2024/7/27127o关系型数据库的不足n对空间数据与属性数据统一管理是不连续的n对空间数据与属性数据统一管理的实体类型少，关系简单、固定n关系型数据库存储的数据通常为等长记录的原子数据n关系型数据库之操作和查询文字和数字信息2024/7/27128面向对象的数据库管理系统（OODBMS）o实体-联系模型o函数数据模型o语义网络模型o超图数据模型o演绎数据模型o面向对象数据模型2024/7/27129o数据抽象o较强的信息模拟能力o对象识别o封装性与数据隐藏o主动（智能）数据o继承性2024/7/27130o多态性o复合性o消息传递o计算完整性o可扩充性o利用OODBMS管理数据空间和属性数据n改善存放和管理的效率n提高查询、处理、空间分析的效率n不需要在外部建立空间数据和属性数据的联系2024/7/271313 空间数据和属性数据集成的商业化解决方案oESRI的ArcSDEoMapInfo的SpatialWareoOracle的Spatial2024/7/27132o作业o1,矢量和栅格数据格式各有什么优、缺点？2,混合模型的基本思想及其缺陷？ 3,面向对象的空间数据库有哪些特点？2024/7/27133