第三章 GIS空间分析的数据模型课件.ppt
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1、3.4 空间分析的数据模型理论,3.4.1 空间数据及其表示,就是以不同的方式和来源获得的数据,如地图、各种专题图、图像、统计数据等,这些数据都具有能够确定空间位置的特点。 空间数据模型是关于现实世界中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了基本方法。 因此,对空间数据模型的认识和研究在设计GIS空间数据库和发展新一代GIS系统的过程中起着举足轻重的作用。,2,整体概述,3.4.1.2 空间数据的表示 空间数据表示的基本任务,就是将以图形模拟的空间物体表示成计算机能够接受的数字形式,因此空间数据的表示必然涉及到空间数据模式和数据结构问题。 空间数据有两种基本的表示
2、模型:栅格模型和矢量模型。,3.4.2空间数据模型的类型在GIS中与空间信息有关的信息模型有三个,即基于对象(要素)(Feature)的模型、网络(Network)模型以及场(Field)模型。基于对象(要素)的模型强调了离散对象,根据它们的边界线以及它们的组成或者与它们相关的其它对象,可以详细地描述离散对象。网络模型表示了特殊对象之间的交互,如水或者交通流。场模型表示了在二维或者三维空间中,空间实体的属性信息被看作是连续变化的数据。,3.4.3 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,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、土壤的湿度以及空气与水的流动
3、速度和方向等。 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。,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。,3.4.3.1 场的特征 场经常被视为由一系列等值线组成,一个等值线就是地面上所有具有相同属性值的点的有序集合。 1、空间结构特征和属性域 在实际应用中,“空间”经常是指可以进行长度和角度测量的欧几里德空间。 空间结构可以是规则的或不规则的,
4、但空间结构的分辨率和位置误差则十分重要,它们应当与空间结构设计所支持的数据类型和分析相适应。,属性域的数值可以包含以下几种类型:名称、序数、间隔和比率。 属性域的另一个特征是支持空值,如果值未知或不确定则赋予空值。,2、连续的、可微的、离散的 如果空间域函数连续的话,空间域也就是连续的,即随着空间位置的微小变化,其属性值也将发生微小变化,不会出现象数字高程模型中的悬崖那样的突变值。 只有在空间结构和属性域中恰当地定义了“微小变化”,“连续”的意义才确切。,当空间结构是二维(或更多维)时,坡度或者称为变化率,不仅取决于特殊的位置,而且取决于位置所在区域的方向分布(如图)。,图2.5 某点的坡度取
5、决于位置所在区域的各方向上的可微性,3、与方向无关的和与方向有关的(各向同性和各向异性) 空间场内部的各种性质是否随方向的变化而发生变化,是空间场的一个重要特征。 如果一个场中的所有性质都与方向无关,则称之为各向同性场(Isotropic Field)。 例如旅行时间,假如从某一个点旅行到另一个点所耗时间只与这两点之间的欧氏几何距离成正比,则从一个固定点出发,旅行一定时间所能到达的点必然是一个等时圆,如图2.6(a)所示。,(a) (b),如果某一点处有一条高速通道,则利用与不利用高速通道所产生的旅行时间是不同的,见图2.6(b)。图2.6(b)中的旅行时间与目标点和起点的方位有关,这个场称为
6、异性场(Anisotropic Field).,(a) (b),4 空间自相关空间自相关是空间场中的数值聚集程度的一种量度。距离近的事物之间的联系性强于距离远的事物之间的联系性。如果一个空间场中的类似的数值有聚集的倾向,则该空间场就表现出很强的正空间自相关;如果类似的属性值在空间上有相互排斥的倾向,则表现为负空间自相关。因此空间自相关描述了某一位置上的属性值与相邻位置上的属性值之间的关系。,3.4.4 要素模型,3.4.4.1 欧氏(Euclidean)空间和欧氏空间中的三类地物要素,将地理要素嵌入到欧氏空间中,形成了三类地物要素对象,即点对象、线对象和多边形对象。,1、点对象,点是有特定的位
7、置,维数为零的物体。,2、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。,3、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。,3.4.4.2 要素模型的基本概念,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),且假设它可以从概念上与其邻域现象相分离。 要素可以由不同的对象所组成,而且它们可以与其它的相分离的对象有特殊的关系。 要素模型适合于人工地物,例如,建筑物、道路、
8、设施和管理区域。 一些自然现象,如湖、河、岛及森林,经常被表现在基于要素的模型中,因为它们为了某些目的,可以被看成为离散的现象。,基于要素的空间信息模型把信息空间分解为对象(Object)或实体(Entity)。一个实体必须符合三个条件: (1)可被识别; (2)重要(与问题相关); (3)可被描述(有特征)。,有关实体的特征,可以通过静态属性(如城市名)、动态的行为特征和结构特征来描述实体。 与基于场的模型不同,基于要素的模型把信息空间看作许多对象(城市、集镇、村庄、区)的集合,而这些对象又具有自己的属性(如人口密度、质心和边界等)。 基于要素模型中的实体可采用多种维度来定义属性,包括:空间
9、维、时间维、图形维和文本/数字维。,空间对象之所以称为“空间的”,是因为它们存在于“空间”之中,即所谓“嵌入式空间”。 空间对象的定义取决于嵌入式空间的结构。 常用的嵌入式空间类型有: (1)欧氏空间,它允许在对象之间采用距离和方位的量度,欧氏空间中的对象可以用坐标组的集合来表示; (2)量度空间,它允许在对象之间采用距离量度(但不一定有方向); (3)拓扑空间,它允许在对象之间进行拓扑关系的描述(不一定有距离和方向); (4)面向集合的空间,它只采用一般的基于集合的关系,如包含、合并及相交等。,1、欧氏平面上的空间对象类型,图2.9表示了在连续的二维欧氏平面上的一种可能的对象继承等级图。,在
10、图2.9中,具有最高抽象层次的对象是“空间对象”类,它派生为零维的点对象和延伸对象,延伸对象又可以派生出一维和二维的对象类。一维对象的两个子类:弧和环(Loop),如果没有相交,则称为简单弧和简单环。在二维空间对象类中,连通的面对象称为面域对象,没有“洞”的简单面域对象称为域单位对象。,对象行为是由一些操作定义的。 这些操作用于一个或多个对象(运算对象),并产生一个新的对象(结果)。 可将作用于空间对象的空间操作分为两类:静态的和动态的。 静态操作不会导致运算对象发生本质的改变,而动态操作会改变(甚至生成或删除)一个或多个运算对象。,3.4.6 网络结构模型,3.4.6.1 网络模型概述,网络
11、是用于实现资源的运输和信息的交流的相互联接的线性特征。网络模型是对现实世界网络的抽象。 在模型中,网络由链(Link)、结点(Node)、站点(Stop)、中心(Center)和转向点(Turn)组成。 建立一个好的网络模型的关键是清楚地认识现实网络的各种特性与以网络模型的要素(Link, Node, Stop, Center, Turn)表示的特性的关系。,基于网络的空间模型与基于要素的模型在一些方面有共同点,因为它们经常处理离散的地物,但是最基本的特征就是需要多个要素之间的影响和交互,通常沿着与它们相连接的通道。 相关现象的精确形状并不是非常重要的,重要的是具体现象之间距离或者阻力的度量。
12、,网络模型的典型的例子就是研究交通,包括陆上、海上及航空线路,以及通过管线与隧道分析水、汽油及电力的流动。 在考虑交通问题时,讲两点之间的直线距离是没有意义的。 因为,对于交通运输而言,两点之间的传输并不是沿着两点之间的直线进行的,一切都只能是在交通运输网中的特定路径上进行。 因此,两点间的距离表现为两点之间路径的长度。 因为两点之间的相关路径可能有许多条。 因此以最短路径的长度来描述网络上两点之间的距离。,3.4.6.2 网络的组成要素,1、链(Link) 网络的Link构成了网络模型的框架。 Link表示用于实现运输和交流的相互联接的线性实体。 它可用于表示现实世界网络中的运输网络的高速公
13、路、铁路,和电网中的传输线和水文网络中的河流。 其状态属性包括阻力和需求。,2、结点(Node) Node指Link的起止点。 Link总是在Node处相交。 Node可以用来表示道路网络中道路交叉点、河网中的河流交汇点。,3、站点(Stops) Stop指在某个流路上经过的位置。 它代表现实世界中邮路系统中的邮件接收点、或高速公路网中所经过的城市。,4、中心(Center) Center指网络中一些离散位置,它们可以提供资源。 Center可以代表现实世界中的资源分发中心、购物中心、学校、机场等。 其状态属性包括资源容量,如总的资源量; 阻力限额, 如中心与链之间的最大距离或时间限制。,5、
14、转向点(Turn),Turn代表了从一个Link到另一个Link的过渡。 与其它的网络要素不同,Turn在网络模型中并不用于模拟现实世界中的实体,而是代表Link与Link之间的过渡关系。,3.4.6.3 常用的网络模型,1、网络跟踪(Trace) 网络用于研究网络中资源和信息的流向,这就是网络跟踪的过程。 在水文应用中,网络跟踪可用于跟踪污染物从污染源开始,沿溪流向下游扩散的过程。 在电网应用中,可以根据不同开关的开与关的状态,确定电力的流向。,网络跟踪中涉及的一个重要概念是“连通性”(Connectivity),这定义了网络中弧段与弧段的连接方式,也决定了资源与信息在网络中流动时的走向。
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