GIS空间分析的数据模型.ppt

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1、GIS空间分析空间分析Spatial analysis第二章第二章 GIS空间分析的数据模型空间分析的数据模型v主要内容：主要内容：地学模型概述地学模型概述GIS模型化模型化空间数据及其表示空间数据及其表示场模型场模型要素模型要素模型网络结构模型网络结构模型时空模型时空模型三维模型三维模型v2.12.1地学模型概述地学模型概述v2.1.1.2.1.1.模型模型v对现实世界的抽象和模拟对现实世界的抽象和模拟。模型是现实世界。模型是现实世界的简化，但模型必须注重关键变量，忽略不的简化，但模型必须注重关键变量，忽略不重要的信息，以求得对现实世界的抽象化和重要的信息，以求得对现实世界的抽象化和数字化，

2、应该是为理解现实服务的。模型从数字化，应该是为理解现实服务的。模型从某一个建模观点出发，抓住事物最重要的方某一个建模观点出发，抓住事物最重要的方面而简化或忽略其他方面面而简化或忽略其他方面 。第二章第二章 GIS空间分析的数据模型空间分析的数据模型现实世界到比特世界（数字世界）现实世界到比特世界（数字世界）v模型模型对现实世界的实体或现象的抽象或简化对现实世界的实体或现象的抽象或简化v 抽象地模仿现实世界，有意的忽略某些特征。抽象地模仿现实世界，有意的忽略某些特征。现实世界和坐标空间的联系 第二章第二章 GIS空间分析的数据模型空间分析的数据模型v2.12.1地学模型概述地学模型概述2.1.2

3、.2.1.2.地学模型地学模型用语言的、数学的或其他方式描述地学（地理学、地用语言的、数学的或其他方式描述地学（地理学、地质学、大气科学、环境科学等质学、大气科学、环境科学等 ）要素之间的相互关）要素之间的相互关系和客观规律。系和客观规律。（人口）发展预测模型（一种定量预测模型）（一种数学模型）（人口）发展预测模型（一种定量预测模型）（一种数学模型）人口预测模型：人口预测模型：Pt=P0e（-u）式中：式中：Pt 表示第表示第t年的人口数年的人口数 P0 表示基年的人口数表示基年的人口数 表示人口出生率表示人口出生率 u 表示人口死亡率表示人口死亡率 t 表示年份表示年份设根据研究地区一组人口

4、统计数据分析，设根据研究地区一组人口统计数据分析，=12.5，u=6.5，1985年为基年，且年为基年，且1985年的年的 P0 =612.7万人，每年净迁到该地区的万人，每年净迁到该地区的人口数人口数W=5万人万人则则P1=P0e（-u）+W :规划期人口预测数年份198519861987198819891990增长速度人口数/万人612.7621.4630.1638.9647.7656.61.43解释为什么解释为什么解释为什么解释为什么GISGIS要模型化？要模型化？要模型化？要模型化？2.2 GIS2.2 GIS模型化模型化 GIS GIS模型化的一般方法：模型化的一般方法：X O Y

5、X O Y M MX X：某个体系，看作地理系统中被主观选取的一个局：某个体系，看作地理系统中被主观选取的一个局部部Y Y：某种介体，即某种模型化方法：某种介体，即某种模型化方法O O：代表：代表X X对对Y Y产生作用产生作用M M是体系是体系X X通过介体通过介体Y Y产生的作用产生的作用O O所建立的模型所建立的模型2.2 GIS2.2 GIS模型化模型化1 1）逻辑模型（概念模型）逻辑模型（概念模型）现实世界到数字世界的第一层抽象。现实世界到数字世界的第一层抽象。数据项或地理实体之间的一种联系或关联或逻辑数据项或地理实体之间的一种联系或关联或逻辑表达。表达。通过对研究对象或现象的观察，

6、抽象成有效的语言通过对研究对象或现象的观察，抽象成有效的语言描述、图片、文字、基本符号等描述、图片、文字、基本符号等，提炼而得到的文提炼而得到的文字描述或逻辑表达式，常由此构成专家系统的知识字描述或逻辑表达式，常由此构成专家系统的知识库库计算机流程图等上升上升13下沉下沉上升上升24下沉下沉上升上升实体联系模型实体联系模型“学生修课情况学生修课情况”E-R模型模型学生实体学生实体修课修课联系联系课程实体课程实体学学号号姓姓名名系系别别课课程程号号教教师师姓姓名名课课程程名名称称年年龄龄成成绩绩mn属性属性“教师论文情况教师论文情况”E-R模型模型期期 刊刊名名发发 表表 年年月月教师教师编号编

7、号姓名姓名简历简历职称职称系别系别性别性别生日生日论文论文论论 文文 名名称称作者作者作作 者者 角角色色索索 引引名名收收 录录 时时间间发表发表收录收录照片照片索引索引收录收录索索 引引 简简介介1mpq“银行客户存款银行客户存款”E-R模型模型存存取取1m存取金存取金额额客户客户姓姓名名联系电联系电话话住址住址身份证身份证号号客户身客户身份份生生日日性性别别银行卡银行卡开户行开户行名名卡卡号号存取时存取时间间2.2 GIS2.2 GIS模型化模型化2 2）物理模型）物理模型 物理模拟过程的表达。物理模拟过程的表达。是对现实世界在尺寸上的缩小或放大构成的一些相是对现实世界在尺寸上的缩小或放

8、大构成的一些相似体。其基础是相似理论，特点是相似性。（几何、似体。其基础是相似理论，特点是相似性。（几何、时间、运动、动力上的相似等等）时间、运动、动力上的相似等等）例如：力学中的自由落体运动、匀速直线运动、简谐运动、例如：力学中的自由落体运动、匀速直线运动、简谐运动、弹性碰撞；电学中的稳恒电流、等幅振荡；热学中的等温变弹性碰撞；电学中的稳恒电流、等幅振荡；热学中的等温变化、等容变化、等压变化等等都是物理过程和物理状态的模化、等容变化、等压变化等等都是物理过程和物理状态的模型化。型化。v例如：例如：模拟风沙运动的风洞实验模型；模拟风沙运动的风洞实验模型；v 模拟水流和泥沙运动的水槽实验模型模拟

9、水流和泥沙运动的水槽实验模型v 模拟地表形态的沙盘模型模拟地表形态的沙盘模型v 建筑物的按比例缩小的建筑物模型建筑物的按比例缩小的建筑物模型v物理模型主要有：地形模型、战场环境模拟物理模型主要有：地形模型、战场环境模拟模型、土木建筑表示模型、船舶飞机动力实模型、土木建筑表示模型、船舶飞机动力实验室等验室等河北师大东校区电子沙盘一景2.2GIS2.2GIS模型化模型化3 3）数学模型）数学模型由常数、参数、变量和函数关系等组成的数学表达式。由常数、参数、变量和函数关系等组成的数学表达式。简单地说：数学模型就是对实际问题的一种数学表述。简单地说：数学模型就是对实际问题的一种数学表述。具体一点说：数

10、学模型是关于部分现实世界为某种目的的一个抽具体一点说：数学模型是关于部分现实世界为某种目的的一个抽象的简化的数学结构。象的简化的数学结构。更确切地说：数学模型就是对于一个特定的对象为了一个特定目更确切地说：数学模型就是对于一个特定的对象为了一个特定目标，根据特有的内在规律，做出一些必要的简化假设，运用适标，根据特有的内在规律，做出一些必要的简化假设，运用适当的数学工具，得到的一个数学结构。数学结构可以是数学公当的数学工具，得到的一个数学结构。数学结构可以是数学公式，算法、表格、图示等。式，算法、表格、图示等。（前面接触的（前面接触的人口预测模型人口预测模型就是一个数学模型的例子）就是一个数学模

11、型的例子）v是运用数学方程（通常是一些代数方程或微分方程的组合）是运用数学方程（通常是一些代数方程或微分方程的组合）来描述现实世界来描述现实世界结构和特征结构和特征的模型。的模型。v例如：例如：空间数据的表达：栅格数据模型空间数据的表达：栅格数据模型v 矢量数据模型矢量数据模型v 根据模型涉及的层次：根据模型涉及的层次：种群模型种群模型v 群落模型群落模型v 生态系统模型生态系统模型v 景观模型景观模型 v 全球模型全球模型v 根据与时间有无关系：根据与时间有无关系：静态模型静态模型v 动态模型动态模型v参考书目：地理建模原理与方法参考书目：地理建模原理与方法v 科学出版社科学出版社 韦玉春等

12、编著韦玉春等编著v现实世界与数学模型的关系现实世界与数学模型的关系现实世界的消息数学模型翻译、归纳演绎 推断数学的分析、预报、决策或控制现实世界的分析预报、决策或控制检验解释2.2GIS2.2GIS模型化模型化4 4）图像模型）图像模型有某种图像或图像的运算的集合表达。有某种图像或图像的运算的集合表达。航片、地图、设计图（二维）航片、地图、设计图（二维）地球仪、模型地图、三维图形等等（三维）地球仪、模型地图、三维图形等等（三维）克拉玛伊地区三维生态景观 西气东输选线局部观察2.2 GIS2.2 GIS模型化模型化按建立的方法，地理分析模型类型按建立的方法，地理分析模型类型（1 1）概念模型）概

13、念模型（2 2）数学模型）数学模型（3 3）统计模型（包括经验模型）统计模型（包括经验模型）是通过数理统计方法和大量的观察实验得到的定量模型是通过数理统计方法和大量的观察实验得到的定量模型M=M=（0.19T+0.17D0.19T+0.17D）（森林地区）（森林地区）M M是融雪速度；是融雪速度；T T是空气温度；是空气温度；D D是露点温度。是露点温度。综合方法建立综合方法建立GISGIS的分析模型步骤的分析模型步骤（1 1）系统描述与数据分析（概念模型过程）系统描述与数据分析（概念模型过程）（2 2）理论推导）理论推导（3 3）简化表达）简化表达（4 4）参数确定）参数确定举例说明：举例说

14、明：利用利用GISGIS分析分析（风险型决策模型）不同的天气类型所（风险型决策模型）不同的天气类型所发生的概率及其农作物收益发生的概率及其农作物收益v总结：一个模型建立，先对数据或概念进行总结：一个模型建立，先对数据或概念进行描述，接着选取适合的数学方法进行分析，描述，接着选取适合的数学方法进行分析，再进行简化、修改。上例是一个简单的例子，再进行简化、修改。上例是一个简单的例子，不存在参数的确定、修改。现实中很多需要不存在参数的确定、修改。现实中很多需要逐步确定。逐步确定。2.3空间数据及其表示空间数据及其表示2.3.1空间数据概念空间数据概念 空间数据也称作地理数据。空间数据也称作地理数据。

15、地理数据是指以地球表面空间位置为参考。描述自地理数据是指以地球表面空间位置为参考。描述自然和经济要素的数据。可以是图形、图像、文字、然和经济要素的数据。可以是图形、图像、文字、数字和表格等等。地理数据是数字和表格等等。地理数据是GIS表达现实世界经表达现实世界经模型抽象的实质性内容。模型抽象的实质性内容。1.手工方式手工方式2.手扶跟踪化数字方式3.扫描方式4.影像处理和信息提取方式5.数据通讯方式通过手工在计算机终端上输入数据，主要是键盘输入。主要用于属性数据的输入。2.3.2空间数据的获取方式空间数据的获取方式1.手工方式2.手扶跟踪化数字方式手扶跟踪化数字方式3.扫描方式4.影像处理和信

16、息提取方式5.数据通讯方式手扶跟踪数字化仪是一种图形数字化设备，是目前常用的地图数字化方式生成矢量数据。数字化仪数字化仪数字化仪示意图 底座底座感应板感应板定标器定标器有效区域数数字字化化仪仪板板面面组组成成示示意意图图1.手工方式2.手扶跟踪化数字方式3.扫描方式扫描方式4.影像处理和信息提取方式5.数据通讯方式扫描仪是一种图形、图象输入设备，可以快速地将图形、图象输入计算机系统，是目前发展最快的数字化设备生成栅格数据。小小型型扫扫描描仪仪工程扫描仪工程扫描仪1.手工方式2.手扶跟踪化数字方式3.扫描方式4.影像处理和信息提取方式影像处理和信息提取方式5.数据通讯方式从遥感影像上直接提取专题

17、信息。1.手工方式2.手扶跟踪化数字方式3.扫描方式4.影像处理和信息提取方式5.数据通讯方式数据通讯方式联网方式下，信息系统内部各子系统之间以及与其它信息系统之间实现信息交流和信息共享的主要方式。2.3.3 2.3.3 空间数据的表示空间数据的表示空空间间数数据据有有两两种种基基本本的的表表示示模模型型：栅栅格格模模型型和和矢矢量量模模型。型。（一）栅格数据模型（一）栅格数据模型 1 1、概念、概念 栅格数据模型是一种简单直观的空间数据结构，又称网格栅格数据模型是一种简单直观的空间数据结构，又称网格结构或像元结构结构或像元结构 是将地球表面划分为大小相等的网格阵列，每个网格作为是将地球表面划

18、分为大小相等的网格阵列，每个网格作为一个像元或像素由行、列定义，并包含一个代码表示该像素的一个像元或像素由行、列定义，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。属性类型或量值，或仅仅包含指向其属性记录的指针。因此，栅格数据是以规则的阵列来表示空间地物或现象分因此，栅格数据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理要素的非几何属性布的数据组织，组织中的每个数据表示地理要素的非几何属性特征特征 2 2、栅格数据模型中常用的基本形式、栅格数据模型中常用的基本形式3 3、地物的表示方法、地物的表示方法（1 1）点状物体）点状物体 在栅格数

19、据中，借助于在其中心点处的单独在栅格数据中，借助于在其中心点处的单独像元来表示。像元来表示。（2 2）面状物体）面状物体 借助于为其所覆盖的像元的集合来表示（如借助于为其所覆盖的像元的集合来表示（如森林）。森林）。（3 3）线状物体）线状物体 借助于其中心轴线上的像元来表示。借助于其中心轴线上的像元来表示。8 8 8 88 8 8 88 8 8 88 8 8 888 8 88 8 8 88 8 88 8 888888888888 8 88811111111111111222222222223224.4.栅格数据结构获取方法栅格数据结构获取方法 栅栅格格结结构构是是以以规规则则的的阵阵列列来来表

20、表示示空空间间地地物物或或现现象象分分布布的的数数据据组组织织，组组织织中中的的每每个个数数据据表表示示地地理理要要素的非几何属性特征。素的非几何属性特征。特点：特点：属性明显，定位隐含。属性明显，定位隐含。获取方法：获取方法：(1)(1)手工网格法；手工网格法；(2)(2)扫描数字化法；扫描数字化法；(3)(3)分类影像输入法；分类影像输入法；(4)(4)数据结构转换法。数据结构转换法。常用的空间数据模型常用的空间数据模型XYijx1 y1x2 y2xi yixn yn（二）矢量数据模型（二）矢量数据模型 1 1、概念、概念 矢量数据模型的矢量结构是通过记录坐矢量数据模型的矢量结构是通过记录

21、坐标的形式来表示点、线、面标的形式来表示点、线、面(多边形多边形)等地理实体。等地理实体。特点：特点：定位明显，属性隐含。定位明显，属性隐含。获取方法：获取方法：(1)(1)手工数字化法；手工数字化法；(2)(2)手扶跟踪数字化法；手扶跟踪数字化法；(3)(3)数据结构转换法。数据结构转换法。比较内容比较内容矢矢 量量 结结 构构栅栅 格格 结结 构构数据结构数据结构复杂复杂简单简单数据量数据量小小大大图形精度图形精度高高低低图形运算、搜索图形运算、搜索复杂、高效复杂、高效简单、低效简单、低效软件与硬件技术软件与硬件技术不一致不一致一致或接近一致或接近遥感影像格式遥感影像格式要求比较高要求比较

22、高不高不高图形输出图形输出显示质量好、精度高，显示质量好、精度高，但但 成本比较高成本比较高输出方法快速，质量输出方法快速，质量低，成本比较低廉低，成本比较低廉数据共享数据共享不易实现不易实现容易实现容易实现拓扑和网络分析拓扑和网络分析容易实现容易实现不易实现不易实现（三）矢量结构与栅格结构的比较（三）矢量结构与栅格结构的比较 2.3.42.3.4空间数据模型的类型空间数据模型的类型u基基于于对对象象(要要素素)(Feature)(Feature)的的模模型型强强调调了了离离散散对对象象，根根据据它它们们的的边边界界线线以以及及它它们们的的组组成成或或者者与与它它们们相关的其它对象，可以详细地

23、描述离散对象。相关的其它对象，可以详细地描述离散对象。u网网络络模模型型(Network)(Network)表表示示了了特特殊殊对对象象之之间间的的交交互互，如水或者交通流。如水或者交通流。u场场模模型型(Field)(Field)表表示示了了在在二二维维或或者者三三维维空空间间中中，空间实体的属性信息被看作是连续变化的数据。空间实体的属性信息被看作是连续变化的数据。2.4 场模型场模型 对对于于模模拟拟具具有有一一定定空空间间内内连连续续分分布布特特点点的的现现象象来来说说，基基于于场的观点场的观点是合适的。是合适的。例例如如，空空气气中中污污染染物物的的集集中中程程度度、地地表表的的温温度

24、度、土土壤壤的的湿湿度以及空气与水的流动速度和方向等。度以及空气与水的流动速度和方向等。根据应用的不同，场可以表现为根据应用的不同，场可以表现为二维二维或或三维三维。一一个个二二维维场场就就是是在在二二维维空空间间中中任任何何已已知知的的地地点点上上，都都有有一一个表现这一现象的值；个表现这一现象的值；而而一一个个三三维维场场就就是是在在三三维维空空间间中中对对于于任任何何位位置置来来说说都都有有一一个值。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。场的特征：场的特征：场场经经常

25、常被被视视为为由由一一系系列列等等值值线线组组成成，一一个个等等值值线线就就是是地面上所有具有相同属性值的点的有序集合。地面上所有具有相同属性值的点的有序集合。（1 1）空间结构特征和属性域）空间结构特征和属性域 在在实实际际应应用用中中，“空空间间”经经常常是是指指可可以以进进行行长长度度和和角角度测量的欧几里德空间。度测量的欧几里德空间。空空间间结结构构可可以以是是规规则则的的或或不不规规则则的的，但但空空间间结结构构的的分分辨辨率率和和位位置置误误差差则则十十分分重重要要，它它们们应应当当与与空空间间结结构构设设计计所所支持的数据类型和分析相适应。支持的数据类型和分析相适应。（2 2）连

26、续的、可微的连续的、可微的 如如果果空空间间域域函函数数连连续续的的话话，空空间间域域也也就就是是连连续续的的，即即随随着着空空间间位位置置的的微微小小变变化化，其其属属性性值值也也将将发发生生微微小小变变化化，不不会会出出现现象象数数字字高高程程模模型型中中的的悬悬崖崖那那样样的的突变值。突变值。只只有有在在空空间间结结构构和和属属性性域域中中恰恰当当地地定定义义了了“微微小变化小变化”，“连续连续”的意义才确切。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 某点的坡度取决于位置所在区域的各方向上的

27、可微性（3 3）与与方方向向无无关关的的和和与与方方向向有有关关的的(各各向向同同性性和和各各向向异异性性)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

28、行一定时间所能到达的点必然是一个等时圆，定点出发，旅行一定时间所能到达的点必然是一个等时圆，如图如图2.6(a)所示。所示。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，这个场称为异性场(Anisotropic Field).(a)(b)（4 4）空间自相关）空间自相关空空间间自自相相关关是是空空间间场场中中的的数数值值聚聚集集程程度度的的一一种种量量度度。距距离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。近的事物之间的联系性强于距离远的事物之间的联系性。如如果果一一个个空空间间场场中中

29、的的类类似似的的数数值值有有聚聚集集的的倾倾向向，则则该该空空间间场就表现出很强的场就表现出很强的正空间自相关正空间自相关；如如果果类类似似的的属属性性值值在在空空间间上上有有相相互互排排斥斥的的倾倾向向，则则表表现现为为负空间自相关负空间自相关。因因此此空空间间自自相相关关描描述述了了某某一一位位置置上上的的属属性性值值与与相相邻邻位位置置上上的属性值之间的关系。的属性值之间的关系。2.5 要素要素模型模型2.5.1 2.5.1 欧氏（欧氏（Euclidean）空间和欧氏空间中的三类地）空间和欧氏空间中的三类地物要素物要素 将将地地理理要要素素嵌嵌入入到到欧欧氏氏空空间间中中，形形成成了了三

30、三类类地地物要素对象，即点对象、线对象和多边形对象。物要素对象，即点对象、线对象和多边形对象。点点是有特定的位置，维数为零的物体。是有特定的位置，维数为零的物体。线线对对象象是是GIS中中非非常常常常用用的的维维度度为为1的的空空间间组组分分，表表示对象和它们边界的空间属性，由一系列坐标表示。示对象和它们边界的空间属性，由一系列坐标表示。面面状状实实体体也也称称为为多多边边形形，是是对对湖湖泊泊、岛岛屿屿、地地块块等等一一类类现现象象的的描描述述。通通常常在在数数据据库库中中由由一一封封闭闭曲曲线线加加内点来表示。内点来表示。2.5.2 2.5.2 要素模型的基本概念要素模型的基本概念 基基于

31、于要要素素的的空空间间模模型型强强调调了了个个体体现现象象，该该现现象象以以独独立立的的方式或者以与其它现象之间的关系的方式来研究。方式或者以与其它现象之间的关系的方式来研究。要要素素可可以以由由不不同同的的对对象象所所组组成成，而而且且它它们们可可以以与与其其它它的的相分离的对象有特殊的关系。相分离的对象有特殊的关系。要要素素模模型型适适合合于于人人工工地地物物，例例如如，建建筑筑物物、道道路路、设设施施和管理区域。和管理区域。基基 于于 要要 素素 的的 空空 间间 信信 息息 模模 型型 把把 信信 息息 空空 间间 分分 解解 为为 对对 象象（Object）或实体（）或实体（Enti

32、ty）。一个实体必须符合三个条件：一个实体必须符合三个条件：(1)(1)可被识别；可被识别；(2)(2)重要（与问题相关）；重要（与问题相关）；(3)(3)可被描述（有特征）。可被描述（有特征）。有有关关实实体体的的特特征征，可可以以通通过过静静态态属属性性（如如城城市市名名）、动态的行为特征动态的行为特征和和结构特征结构特征来描述实体。来描述实体。与与基基于于场场的的模模型型不不同同，基基于于要要素素的的模模型型把把信信息息空空间间看看作作许许多多对对象象（城城市市、集集镇镇、村村庄庄、区区）的的集集合合，而而这这些些对对象象又又具具有有自自己己的的属属性性（如如人人口口密密度度、质质心心和

33、和边界等）。边界等）。基基于于要要素素模模型型中中的的实实体体可可采采用用多多种种维维度度来来定定义义属属性，包括：空间维、时间维、图形维和文本性，包括：空间维、时间维、图形维和文本/数字维。数字维。空间对象的定义取决于嵌入式空间的结构。空间对象的定义取决于嵌入式空间的结构。常用的常用的嵌入式空间类型嵌入式空间类型有：有：（1）欧欧氏氏空空间间，它它允允许许在在对对象象之之间间采采用用距距离离和和方方位位的的量量度度，欧欧氏氏空空间间中中的的对对象象可可以以用用坐坐标标组组的的集集合合来来表示；表示；（2）量量度度空空间间，它它允允许许在在对对象象之之间间采采用用距距离离量量度度（但不一定有方

34、向）；（但不一定有方向）；（3）拓拓扑扑空空间间，它它允允许许在在对对象象之之间间进进行行拓拓扑扑关关系系的描述（不一定有距离和方向）；的描述（不一定有距离和方向）；（4）面面向向集集合合的的空空间间，它它只只采采用用一一般般的的基基于于集集合合的关系，如包含、合并及相交等。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。对象行为对象行为是由一些操作定义的。是由一些操作定义的。这这些些操操作作用用于于一一个个或或多多个个对对象象（运运算算对对象象），并并产生一个新的对象（结果）。产生一个新的对象（结果）。可可将将作作用用

35、于于空空间间对对象象的的空空间间操操作作分分为为两两类类：静静态态的的和和动态的动态的。静静态态操操作作不不会会导导致致运运算算对对象象发发生生本本质质的的改改变变，而而动动态态操操作作会会改改变变（甚甚至至生生成成或或删删除除）一一个个或或多多个个运运算算对象。对象。2.6 网络结构模型网络结构模型 2.6.1 2.6.1 网络模型概述网络模型概述 网络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

36、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。2.6.2 2.6.2 网络的组成要素网络的组成要素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

37、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、转向点转向点(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。2.6.3 2.6.3 常用的网络模型常用的网络模型 1 1、网络跟踪、网络跟踪(Trace)(Trace)网网络络用用于于研研究究

38、网网络络中中资资源源和和信信息息的的流流向向，这这就就是是网网络络跟踪的过程。跟踪的过程。在在水水文文应应用用中中，网网络络跟跟踪踪可可用用于于跟跟踪踪污污染染物物从从污污染染源源开始，沿溪流向下游扩散的过程。开始，沿溪流向下游扩散的过程。在在电电网网应应用用中中，可可以以根根据据不不同同开开关关的的开开与与关关的的状状态态，确定电力的流向。确定电力的流向。网网 络络 跟跟 踪踪 中中 涉涉 及及 的的 一一 个个 重重 要要 概概 念念 是是“连连 通通 性性”(Connectivity)，这这定定义义了了网网络络中中弧弧段段与与弧弧段段的的连连接接方方式，也决定了资源与信息在网络中流动时的

39、走向。式，也决定了资源与信息在网络中流动时的走向。弧弧段段与与弧弧段段之之间间的的连连通通多多数数情情况况下下是是有有向向的的，网网络络的的流向是通过弧段的流向来决定的。流向是通过弧段的流向来决定的。在在弧弧段段被被数数字字化化时时，From结结点点与与To结结点点的的关关系系就就定定义义了弧段的流向。了弧段的流向。2 2、路径选择、路径选择(Path Finding)(Path Finding)在远距离送货、物资派发、急救服务和邮递等服务中，经常需要在一次行程中同时访问多个站点(收货方、邮件主人、物资储备站等)，如何寻找到一个最短和最经济的路径，保证访问到所有站点，同时最快最省地完成一次行程

40、，这是很多机构经常遇到的问题。在这类分析中，最经济的行车路线隐藏在道路网络中，道路网络的不同弧段(网络模型中的Link)有不同的影响物流通过的因素(网格模型中的Impedance:阻抗)，路径选择分析必须充分考虑到这些因素，在保证遍历需要访问的站点(在网络模型中的STOP)的同时，为用户寻找出一条最经济(时间或费用)的运行路径。3 3、资源分配、资源分配(ALLOCATE)(ALLOCATE)反映现实世界网络中资源的供需关系模型。反映现实世界网络中资源的供需关系模型。“供供(Supply)”代代表表一一定定数数据据的的资资源源或或货货物物，它它们们位于被称之为位于被称之为“CENTER”的设施

41、中。的设施中。“需需(Demand)”指对资源的利用。指对资源的利用。Allocate分分析析就就是是在在空空间间中中的的一一个个或或多多个个点点的的资资源源分配的过程。分配的过程。为为了了实实现现供供需需关关系系，在在网网络络中中必必然然存存在在资资源源的的运运输输和和流动。流动。资源要么由供方送到需方，要么由需方到供方处索取。资源要么由供方送到需方，要么由需方到供方处索取。4 4、地址编码与匹配、地址编码与匹配(GeoCoding)(GeoCoding)利利用用人人们们习习惯惯的的地地址址(街街道道门门牌牌号号)信信息息确确定定它它在在地图上的确切位置的技术，称为地址编码与匹配。地图上的确

42、切位置的技术，称为地址编码与匹配。客客户户名名单单、事事故故报报告告、报报警警中中所所使使用用的的定定位位信信息息多多数数是是按按人人们们习习惯惯的的街街道道门门牌牌号号等等文文字字形形式式提提供供的的，经常在地图上需要迅速定位，经常在地图上需要迅速定位，例例如如110接接警警后后，需需要要迅迅速速定定位位求求救救地地点点，然然后后才才可以采取进一步措施可以采取进一步措施(例如寻求最优路径前往救助例如寻求最优路径前往救助)。地址编码和地址匹配就是用于解决此类问题的。地址编码和地址匹配就是用于解决此类问题的。地址编码与匹配(GeoCoding)5 5、选址和分区、选址和分区(Location-A

43、llocation)(Location-Allocation)分析分析 Location-allocation分分析析是是决决定定一一个个或或多多个个服服务务设设施施的的最最优优位位置置的的过过程程，它它的的定定位位力力求求保保证证服服务务设设施施可可以以以以最最经济有效的方式为它所服务的人群提供服务。经济有效的方式为它所服务的人群提供服务。在此分析中，既有定位过程，也有资源分配过程。在此分析中，既有定位过程，也有资源分配过程。常用来解决的实际问题包括：常用来解决的实际问题包括：（1 1）加油站位置的选择；）加油站位置的选择；（2 2）急救服务站位置的选择：救火、医疗急救；）急救服务站位置的选

44、择：救火、医疗急救；（3 3）学校的选址。）学校的选址。6 6、空间相互作用和引力模型、空间相互作用和引力模型 用用于于理理解解和和预预测测某某点点发发生生的的活活动动和和人人、资资源源及及信信息息的的流动。流动。两两点点间间发发生生多多大大程程度度的的相相互互作作用用与与两两点点的的性性质质以以及及发发生相互作用的消耗或费用有关。生相互作用的消耗或费用有关。通通常常情情况况下下两两点点间间距距离离越越近近，发发生生相相互互作作用用的的可可能能性性越大。越大。解决的实际问题包括：解决的实际问题包括：(1)(1)为什么物资总是向沿海地区流动；为什么物资总是向沿海地区流动；(2)(2)为什么某一区

45、域的人们总是去特定的商场购物；为什么某一区域的人们总是去特定的商场购物；(3)(3)从从家家到到电电影影院院超超过过多多长长时时间间后后，就就不不会会选选择择去去这这个个电电影院看电影了。影院看电影了。6、空间相互作用和引力模型 类类似似于于Path Finding，只只是是除除了了考考虑虑相相互互作作用用的的两两个个对象的距离，还要考虑相互作用时发生的活动的性质。对象的距离，还要考虑相互作用时发生的活动的性质。例例如如，人人们们不不愿愿意意去去距距离离远远的的商商场场购购物物，但但可可能能愿愿意意去去较远地方的名医求医问药。较远地方的名医求医问药。2.7 2.7 时空模型时空模型2.7.1

46、2.7.1 时空数据模型概述时空数据模型概述1、研究概述 传统的地理信息系统应用只涉及地理信息的两个方面：空间维度和属性维度，因此也叫SGIS(Static GIS)，能够同时处理时间维度的GIS叫TGIS（Temporal GIS）。在GIS中，具有时间维度的数据可以分为两类:(1)一类是可以称为结构化的数据，如一个测站历史数据的积累，它可以通过在属性数据表记录中简单地增加一个时间戳（Time Stamp）实现其管理；(2)另一类是非结构化的，最典型的例子是土地利用状况的变化（图2.15），描述这种数据，是TGIS数据模型的重点要解决的问题 TGIS数数据据模模型型特特点点是是语语义义更更丰

47、丰富富、对对现现实实世世界界的的描描述述更更准准确确，其其物物理理实实现现的的最最大大困困难难在在于于海海量量数数据据的的组织和存取。组织和存取。TGIS技术的技术的本质特点本质特点是是“时空效率时空效率”。2 2、TGISTGIS的研究思路的研究思路 目目前前可可以以研研究究TGIS技技术术，以以便便在在SGIS的的框框架架中中用用TGIS技术来实现技术来实现TGIS功能。功能。对对TGIS模模型型的的研研究究可可以以本本着着两两种种思思路路进进行行平平行行探探索索：综合模型和分解模型综合模型和分解模型。先先用用分分解解模模型型思思路路针针对对典典型型应应用用领领域域（如如土土地地利利用用动

48、动态态监监测测工工作作）进进行行全全面面研研究究，同同时时不不断断丰丰富富、充充实实综综合合模模型，最后得到一个比较完善的综合模型。型，最后得到一个比较完善的综合模型。3、时空数据模型设计的原则、时空数据模型设计的原则 地地籍籍变变更更、海海岸岸线线变变化化、土土地地城城市市化化、道道路路改改线线、环环境境变变化化等等应应用用领领域域，需需要要保保存存并并有有效效地地管管理理历历史史变变化化数据，以便将来重建历史状态、跟踪变化、预测未来。数据，以便将来重建历史状态、跟踪变化、预测未来。这这就就要要求求有有一一个个组组织织、管管理理、操操作作时时空空数数据据的的高高效效时空数据模型。时空数据模型

49、。时时空空数数据据模模型型是是一一种种有有效效组组织织和和管管理理时时态态地地理理数数据据，属性、空间和时间语义更完整的地理数据模型。属性、空间和时间语义更完整的地理数据模型。一一个个合合理理的的时时空空数数据据模模型型必必须须考考虑虑以以下下几几方方面面的的因因素素：节省存储空间、加快存取速度、表现时空语义。节省存储空间、加快存取速度、表现时空语义。时时空空语语义义包包括括地地理理实实体体的的空空间间结结构构、有有效效时时间间结结构构、空间关系、时态关系、地理事件、时空关系等。空间关系、时态关系、地理事件、时空关系等。时空数据模型设计的基本指导思想：时空数据模型设计的基本指导思想：（1）根根

50、据据应应用用领领域域的的特特点点（如如宏宏观观变变化化观观测测与与微微观观变变化化观观测测）和和客客观观现现实实变变化化规规律律（同同步步变变化化与与异异步步变变化化、频频繁繁变变化化与与缓缓慢慢变变化化），折折衷衷考考虑虑时时空空数数据据的的空空间间/属属性性内内聚性和时态内聚性的强度，选择时间标记的对象。聚性和时态内聚性的强度，选择时间标记的对象。（2）同同时时提提供供静静态态（变变化化不不活活跃跃）、动动态态（变变化化活活跃跃）数据建模手段（静态、动态数据类型和操作数据建模手段（静态、动态数据类型和操作）。）。（3）数数据据结结构构中中显显式式表表达达两两种种地地理理事事件件：地地理理实