1、第2章空间现象抽象表达,空间数据库,Geographic Imformation Science,本章主要内容,现实世界的认知从现实世界到模型世界空间实体描述空间实体矢量表达空间实体栅格表达,空间数据库,Geographic Imformation Science,2.1 现实世界的认知,认知科学研究人类感知和思维信息处理的科学空间认知对现实世界的空间属性包括位置、大小、距离、方向、形状、模式、运动和物体内部关系的认知，是通过获取、处理、存储、传递和解译空间信息，来获取空间知识的 过程。研究内容：信息的组织、地图符号的感知响应、地图的 视觉比较,空间数据库,Geographic Imforma
2、tion Science,空间类型表现形式感知空间认知空间符号空间空间认知模式空间特征感知空间对象认知空间格局认知地理空间认知,空间数据库,Geographic Imformation Science,2.1.2 现实世界认知过程,概念世界,程抽象 过,事物及其联系现实世界,实体模型空间实体概念,信息的数据化数据世界,空间数据库,Geographic Imformation Science,2.1.3 GIS与空间认知,空间数据库,Geographic Imformation Science,2.2 从现实世界到模型世界,空间认知的三层模型外模式空间概念数据模型基于对象模型场模型网络模型空间逻
3、辑数据模型层次模型网络模型关系模型物理数据模型,空间数据库,Geographic Imformation Science,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空间数据模型由概念数据模型、逻辑数据模型和 物理数据模型三个有机联系的层次组成。概念数据模型是关于实体及实体间联系的抽象概念集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,空间数据库,Geographic Imformation
4、Science,在GIS中与空间信息有关的信息模型有三个：场模型：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。-栅格数据模型场模型表示了在二维或者三维空间中被看作是连续变 化的数据。,基于对象（要素）的模型：强调空间要素的离散性，可以 详细地描述离散对象。-矢量数据模型基于对象（要素）的模型强调了离散对象，根据它们 的边界线以及组成它们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：强调空间要素的交互，如水系、交通网络。网络模型表示了特殊对象之间的交互，如水或者交通 流。,空间数据库,Geographic Imformation Science,Op
5、enGIS简介,OpenGISOpen Geodata Interoperation Specification,OGIS-开放的地理 数据互操作规范由美国OGC(OpenGIS协会，OpenGIS Consortium)提出。OGC是一个非赢利性组织目的是促进采用新的技术和商业方式来提高地理信息处理 的互操作性(Interoperability)，OGC会员主要包括GIS相关 的 计 算 机 硬 件 和 软 件 制 造 商（包 括 ESRI,Intergraph,MapInfo等知名GIS软件开发商），数据生产商 以及一些高等院校，政府部门等，其技术委员会负责具体 标准的制定工作。,空间数据
6、库,Geographic Imformation Science,OpenGIS的目标制定一个规范，使得应用系统开发者可以在单一的环境和 单一的工作流中，使用分布于网上的任何地理数据和地理 处理。它致力于消除地理信息应用（如地理信息系统，遥感，土 地信息系统，自动制图/设施管理(AM/FM)系统）之间以 及地理应用与其它信息技术应用之间的藩篱，建立一个无“边界”的、分布的、基于构件的地理数据互操作环境，与传统的地理信息处理技术相比，基于该规范的GIS软件 将具有很好的可扩展性、可升级性、可移植性、开放性、互操作性和易用性。,空间数据库,Geographic Imformation Scienc
7、e,空间认知九层抽象模型,空间数据库,Geographic Imformation Science,2.3 空间实体描述,什么是空间实体？具有确定的位置和形态特征并具有地理意义的地理空间 的物体。确定的位置和形态特征：至少在给定的时刻，空间实 体具有确定的形态。“确定的形态”不意味着空间实体必须是可见的、可 触及的实体，也可以是不可见的。地理意义：在特定的地学应用环境中，被确认为有分 析的必要。举例河流、道路、城市可见境界、航线不可见,空间数据库,Geographic Imformation Science,空间实体的基本类型点延展度为0的空间实体线延展度为1的空间实体，有一定范围的点元素集合
8、，表 示相同专题点的连续轨迹面延展度为2的空间实体，表示平面区域大范围连续分布 的特征体延展度为3的空间实体，3D空间中有界面的基本几何元 素,空间数据库,Geographic Imformation Science,空间数据库,Geographic Imformation Science,点实体,空间数据库,Geographic Imformation Science,空间数据库,Geographic Imformation Science,线实体,空间数据库,Geographic Imformation Science,空间数据库,Geographic Imformation Scienc
9、e,空间数据库,Geographic Imformation Science,空间数据库,Geographic Imformation Science,空间数据库,Geographic Imformation,空间数据库,Geographic Imformation Science,空间数据库,Geographic Imformation Science,2.3.2 基于对象的描述,基于对象的空间模型将研究的整个地理空间看成一个域，地理实体和现象作 为独立对象分布在该空域中。强调个体现象主要描述不连续的，或具有确定边界的地理现象。与土地和财产的拥有者记录有关的应用江河，建筑物，管理区域对象的特
10、点被识别重要（与问题相关）可被描述（有特征）,空间数据库,Geographic Imformation Science,空间数据库,Geographic Imformation Science,2.2.3基于场的描述,基于场的空间模型把地理空间的事物和现象作为连续的变量来看待，任意 指定的空间位置都对应一个唯一的属性值适用于具有一定空间内连续分布特点的现象地表的温度、土壤的湿度根据应用不同，场可以表现为二维或三维例：空气污染物在空间中的分布三维,Geographic Imformation Science,空间数据库,Geographic Imformation Science,空间数据库,G
11、eographic Imformation Science,场模型根据属性的表示方法空间框架场函数场操作局部操作聚焦操作区域操作,空间数据库,Geographic Imformation Science,举例,空间数据库,Geographic Imformation Science,场的特征空间结构特征和属性域空间结构：规则的或不规则的，分辨率和位置误 差十分重要。属性域：数值包括名称、序数、间隔和比率；支 持空值。连续的、可微的、离散的,空间数据库,Geographic Imformation Science,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 生变化空间场可以分为
12、各向同性场和各向异性场空间自相关空间场中数值聚集程度的度量。描述某一位置上的属性值与相邻位置上的属性 值之间的关系,空间数据库,Geographic Imformation Science,对象模型和场模型小结,不互相排斥，可以共存,在GIS数据结构设计和应用上 经常采用两者集合例如降雨区域范围在特征上是 场模型,降雨量数据的采集点在空 间上是分散的，无规律的 对象模型不同的思维方式不同的数据表示方法,对象模型矢量数据结构场模型栅格数据结构,现实世界,选择要素,选择一个位置,要素模型,场模型,它在哪里,那里怎么样,数据,空间数据库,Geographic Imformation Science,
13、空间数据库,Geographic Imformation Science,2.4 空间实体矢量表达,矢量方法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。矢量数据模型的表达通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、面等地理实体。点：由一对地理坐标定义线：用一连串有序的两个或多个坐标对集合表达对 于本身宽度在研究中可以忽略的线状空间对象。面：通过对边界线的定义来进行,空间数据库,Geographic Imformation Science
14、,矢量数据的特点,定位明显其定位是根据坐标直接存储的，无需任何推算属性隐含属性则一般存于文件头或数据结构中某些特定的位置上优缺点优点方便的表达空间实体之间的拓扑空间关系，图形精度 高、数据存储量小、容易定义和操作单个目标、方便 实现坐标变换和距离计算等缺点缺乏与遥感及数字地面模型直接结合的能力，难于处 理叠置操作,空间数据库,Geographic Imformation Science,矢量数据结构,利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来 表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。Spaghetti（面条）结构拓扑结构,空间数据库,Geographic Imformation Scienc
15、e,矢量数据结构-非拓扑结构,空间数据按照基本的空间对象为单元进行单独组织，用一系列坐标串表示地物，记录空间实体的形状信 息，不考虑空间实体间的关联关系等拓扑关系。拓扑关系需要经过大量的计算得出适用于制图系统,空间数据库,Geographic Imformation Science,矢量数据结构-非拓扑结构,Spaghetti结构面向多边形组织数据，将多边形看作是线的简单闭合，不 属于任何多边形的线和点，另外组织。采用坐标序列法进行编码,空间数据库,Geographic Imformation Science,空间数据库,Geographic Imformation Science,主要特点结
16、构简单，编码容易，直观，便于屏幕显 示缺点：数据冗余，可能导致公共边出现微 小间隙或重叠；缺乏多边形邻域信息，和 图形拓扑关系；一般在计算机制图中使用；,空间数据库,Geographic Imformation Science,实例ESRI Shapefile,ESRI Shapefile（shp）美国ESRI公司开发的空间数据开放格式。该文件格式已 经成为了地理信息软件界的一个开放标准ESRI shapefile基本文件,*.shp:主文件（图形文件）保存元素的几何实体，坐标文件*.dbf：DBASE表（属性文件）保存关于元素的属性信息*.shx：索引文件保存几何实体索引,空间数据库,Geo
17、graphic Imformation Science,Shp主文件是一个直接存取，变长度记录的文件，其中每个记 录描述构成一个地理实体（Feature）的所有vertices坐标值。索引文件每条记录包含对应主文件记录距离主文件头开始的偏移量dBASE表包含SHP文件中每一个Feature的特征属性，表中几何记录和属性数据之间的一一对应关系是基 于记录数目的ID。在dBASE文件中的属性记录必须和主文件中的记录顺序是 相同的。图形数据和属性数据通过索引号建立一一对应的关 系。,空间数据库,Geographic Imformation Science,空间数据库,Geographic Imfor
18、mation Science,shp文件实体类型（Shape Type）,0 Null Shape1 Point3 PolyLine5 Polygon8 MultiPoint11 PointZ13 PolyLineZ15 PolygonZ18 MultiPointZ21 PointM23 PolyLineM25 PolygonM28 MultiPointM31 MultiPatch,空间数据库,Geographic Imformation Science,shp文件记录组成,变长度空间数据有多条记录组成记录组成固定长度的记录头变长度记录内容（空间坐标对）,空间数据库,Geographic Im
19、formation Science,shp文件记录头的内容,记录头的内容记录号（Record Number），从1开始坐标记录长度（Content Length），16位字记录内容目标的几何类型（ShapeType）具体的坐标记录（X，Y），主要包括空Shape记录，点记 录，线记录和多边形记录。,空间数据库,Geographic Imformation Science,点记录PointDouble X Double Y,空间数据库,Geographic Imformation Science,线记录LineDouble4Box,Integer Integer,NumPans NumPoint
20、s,IntegerNumPansParts IntegerNumPointsPoints,空间数据库,Geographic Imformation Science,面记录,PolygonDouble4 Integer Integer,Box NumPans NumPoints,IntegerNumPansParts IntegerNumPointsPoints,空间数据库,Geographic Imformation Science,矢量数据结构-拓扑结构,从抽象概念来理解其中图形元素间的相互关系，不 考虑结点和线段坐标，只注意它们的相邻和连接关 系在拓扑模型中，空间目标的拓扑属性是在Spag
21、hetti 模型空间坐标基础上定义的，在地理信息系统中，拓扑生成意味着给Spaghetti文件增加拓扑结构在拓扑模型中，多边形的边界被分割成一系列的弧 和结点。弧、结点和多边形之间空间关系在属性表 中定义,空间数据库,Geographic Imformation Science,弧段是最基本的空间数据单元之一，每个弧段包含两个结点起结点和终结点，起结点和终结点定义了弧段的方向，从而也定义了该弧段的左右多边形；在结点之间有零个或多 个拐点，弧段的长度和形状由结点和拐点的坐标所决定；多边形由一系列的相互连结的弧段组成，并通过其内部的唯 一标识点来标识。标识点的标识码和该多边形属性表中的标 识码相一
22、致，由此建立的多边形空间信息和属性信息的关系。结点(Node)定义为弧段的起点、终点或几条线的交点。结点 和拐点的差别在于结点具有拓扑特征，用于表示弧段是否相连，而拐点没有拓扑特征，只是表示了弧段的位置和形状属 性。,空间数据库,Geographic Imformation Science,最基本的拓扑关系关联邻接包含,空间数据库,Geographic Imformation Science,拓扑关系的表示结点拓扑关系线拓扑关系多边形拓扑关系,Geographic Imformation Science,空间数据库,Geographic Imformation Science,e,b,c,4,
23、1,3,2,5,A,B,C,7,6,D,a,A:多边形号,da:结点号 1:弧段号,弧段数字化方向表中数字前负号为相反方向,弧-面拓扑,结点-弧拓扑,面-弧拓扑面号弧数弧号,弧-结点拓扑,空间数据库,Geographic Imformation Science,主要特点消除相邻多边形之间的重复线拓扑信息与空间坐标分开存储拓扑表必须在一开始就创建，需要花费一定的时间和空间一些简单操作处理比较慢,空间数据库,Geographic Imformation Science,优点描述点、线、面的空间关系不完全依赖于具体的坐标位置。空间关系信息丰富、简洁，数据冗余小。方便多边形和多边形的叠合。便于检查数据
24、输入过程中的错误。缺点拓扑关系建立过程比较复杂数据结构本身复杂,空间数据库,Geographic Imformation Science,2.5 空间实体栅格表达,栅格数据模型把空间看作像元(pixel)的划分，每个像元都与分类或者标 识所包含的现象的一个记录有关。像元具有固定的尺寸和位置像元的大小影响精度,特点每个栅格中的像元位置被预先确定方便重叠运算,空间数据库,Geographic Imformation Science,2.4.1 栅格格式及结构,栅格数据结构栅格数据结构实质规则像元阵列表示空间地物或现象分布的数据组织，用每个像元的行列号确定位置用每个像元的值表示地物或现象的非几何属性
25、特征。栅格结构表示的地表是不连续的，是量化和近似离散的 数据。每一个单元格对应一个相应的地块。,空间数据库,Geographic Imformation Science,六边形,Real world,网格,点,线,面,属性值=0=1=2=3,行,列,三角形,栅格数据,空间数据库,Geographic Imformation Science,空间实体的表示方法,点实体：表示为一个像元；线实体：表示为在一定方向上连接成串的相邻像元 的集合；面实体：表示为聚集在一起的相邻像元的集合。,空间数据库,Geographic Imformation Science,栅格数据举例,（a）点,（b）线,（c）面
26、,空间数据库,Geographic Imformation Science,栅格的形状、尺寸及相关问题,栅格数据单元格经常是矩形（主要是正方形）的，但并不是必须如此。其单元格形状可以随应用的需 要进行具体设定，比如设置为三角形。栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大 小之比。栅格尺寸越小，其分辨率越高，数据量也越大。,空间数据库,Geographic Imformation Science,栅格的形状、尺寸及相关问题（续）,由于栅格结构对地表的离散，在计算面积、长度、距离、形状等空间指标时，若栅格尺寸较大，则造 成较大的误差。由于栅格单元中存在多种地物，而数据中常常只记 录一个属性值，这
27、会导致属性误差。注意：遥感数据中的“混合像元”问题。,空间数据库,Geographic Imformation Science,栅格数据：坐标系与描述参数,X：行,西南角格网坐标（XWS，YWS）,格网分辨率,Y：列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。,空间数据库,Geographic Imformation Science,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
28、很容易进行逻辑运算。,空间数据库,Geographic Imformation Science,空间数据库,Geographic Imformation Science,栅格数据的特点属性明显数据中直接记录了数据属性或指向数据属性的指针，因而我们可以直接得到地物的属性代码定位隐含所在位置则根据行列号转换为相应的坐标，也就是 说定位是根据数据在数据集中的位置得到的。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储结构中,空间数据库,Geographic Imformation Science,栅格数据的优缺点优点结构容易实现，算法简单，易于扩充，修改，直观易于同遥感影
29、像结合处理缺点像元大小限制精度属性方面的偏差形态方面的畸形,空间数据库,Geographic Imformation Science,2.5.2 栅格数据取值,原则尽量保持地表的真实性，保证最大的信息容量。注意每一个单元可能对应多个地物种类或多个属性值。比如 遥感图像中的“混合像元”。常用方法中心点法面积占优法重要性法百分比法,空间数据库,Geographic Imformation Science,确定方法1,中心点法处理方法用处于栅格中心处的地物类型或现象特性决定栅格代 码常用于具有连续分布特性的地理要素如降雨量分布、人口密度图等。例如：中心点O落在代码 为C的地物范围内，按中 心点法的规
30、则，该矩形 区域相应的栅格单元代 码为C,空间数据库,Geographic Imformation Science,确定方法2,面积占优法处理方法以占栅格区域面积比例最大的地物类型或现象特性决 定栅格单元的代码面积占优法常用于分类较细，地物类别斑块较小的情况例如：所示的例子中，显见B类地物所占面积最 大，故相应栅格代码定 为B,空间数据库,Geographic Imformation Science,确定方法3,重要性法处理方法根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物类 型决定相应的栅格单元代码常用于具有特殊意义而面积较小的地理要素，特别是点、线状地理要素如城镇、交通枢纽、交通线、河流水系
31、等，在栅格中 代码应尽量表示这些重要地物例如：假设A类最重要的 地物类型，即A比B和C类 更为重要，则栅格单元的 代码应为A,空间数据库,Geographic Imformation Science,确定方法4,百分比法处理方法根据栅格区域内各地理要素所占面积的百分比数确定 栅格单元的代码适用于地物面积具有重要意义的分类体系例如：可记面积最大的两 类BA，也可以根据B类和 A类所占面积百分比数在 代码中加入数字,空间数据库,Geographic Imformation Science,2.5.3 栅格数据存储（编码方法）,栅格数据编码方法分为两大类直接栅格编码压缩编码方法链码游程长度编码块码四
32、叉树,空间数据库,Geographic Imformation Science,直接栅格编码,将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行(或逐列)记录代码，可以每行都从左到右记录，也可以奇数行从左到右，偶数 行从右到左。这种记录栅格数据的文件常称为栅格文件，且常在文件头 中存有该栅格数据的长和宽，即行数和列数。这样，具体 的像元值就可连续存储了。特点：处理方便，但没有压缩,空间数据库,Geographic Imformation Science,常用的栅格排列顺序,空间数据库,Geographic Imformation Science,压缩编码方式,压缩编码的目的就是用尽可能少的数据量记录尽可 能多的
33、信息，其类型分为信息无损编码编码过程中没有任何信息损失，通过解码操作可以完 全恢复原来的信息信息有损编码为了提高编码效率，最大限度地压缩数据，在压缩过 程中损失一部分相对不太重要的信息，解码时这部分 难以恢复在地理信息系统中的压缩编码多采用信息无损编码，而 对原始遥感影像进行压缩时也可以采取有损压缩编码方 法。,空间数据库,Geographic Imformation Science,栅格数据压缩方法1,链码又称Freeman编码或边界编码该编码方法将数据表示为由某一原点开始并按某些基 本方向确定的单位矢量链。主要记录线状地物或面状地物的边界优点：很强的数据压缩能力，并具有运算能力缺点：叠置运算比较难实施,空间数据库,Geographic Imformation Science,栅格数据压缩方法2,游程长度编码 把具有相同属性值的邻近栅格单元合并在一起，合并一次称为一个 游程。游程用一对数
