第二讲(空间数据模型)学习教案

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1、会计学1第二第二(d r)讲讲(空间数据模型空间数据模型)第一页，共74页。2第二第二(d r)(d r)讲讲 空间数据模型空间数据模型第1页/共74页第二页，共74页。3 为了能够利用为了能够利用(lyng)(lyng)信息系统来描信息系统来描述现实世界，必须对现实世界进行建模。述现实世界，必须对现实世界进行建模。对于地理信息系统而言，其结果就是空间对于地理信息系统而言，其结果就是空间数据模型。数据模型。 空间数据模型是整个空间数据模型是整个GISGIS理论中最为理论中最为核心的内容。核心的内容。第2页/共74页第三页，共74页。4一、现实(xinsh)世界抽象第3页/共74页第四页，共74

2、页。5OpenGISOpenGIS： （Open Geodata Interoperation Open Geodata Interoperation SpecificationSpecification）开放）开放(kifng)(kifng)的地理数据互操作规范的地理数据互操作规范OGCOGC： （OpenGIS ConsortiumOpenGIS Consortium） 美国的美国的OpenGISOpenGIS协会。协会。 OGC OGC是一个非赢利性组织，目的是促进采用新的技术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标准化和互操作性。和商业方式来提高地理信

3、息处理的标准化和互操作性。OGCOGC会员主要包括会员主要包括GISGIS相关的计算机硬件和软件制造商（相关的计算机硬件和软件制造商（包括包括ESRI, Intergraph,MapInfoESRI, Intergraph,MapInfo等知名等知名GISGIS软件开发商）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，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员会负责具体(jt)(jt)标准的制定工作。标准的制定工作。第4页/共74页第五页，共74页。6 OpenGIS OpenGIS定义了从现实世界到地理要素集合定义了从现实世界到地理要素集合(jh)(jh

4、)世界的世界的转换模型，即将地理对象的抽象过程分为如下转换模型，即将地理对象的抽象过程分为如下9 9个层次：个层次：现实世界（现实世界（Real WorldReal World）概念世界（概念世界（Conceptual WorldConceptual World）地理空间世界（地理空间世界（Geospatial WorldGeospatial World）尺度世界（尺度世界（Dimensional WorldDimensional World）项目世界（项目世界（Project WorldProject World） 第5页/共74页第六页，共74页。7 点世界（点世界（Points Worl

5、dPoints World） 几何体世界（几何体世界（Geometry WorldGeometry World） 地理地理(dl)(dl)要素世界（要素世界（Feature WorldFeature World） 要素集合世界（要素集合世界（Feature Collection WorldFeature Collection World） 九层九层(ji cn)(ji cn)模型中，前五个模型是对现实世界的抽象模型中，前五个模型是对现实世界的抽象，并不在计算机软件中被实现；后四个模型是现实世界的数学，并不在计算机软件中被实现；后四个模型是现实世界的数学和符号化模型，将在软件中被实现。和符号化模

6、型，将在软件中被实现。第6页/共74页第七页，共74页。8第7页/共74页第八页，共74页。9现实世界（现实世界（Real WorldReal World） 现实世界是所有客观事物现实世界是所有客观事物(k un sh w)(k un sh w)（FactFact）的集合。的集合。 现实现实(xinsh)(xinsh)世世界界第8页/共74页第九页，共74页。10概念世界（概念世界（Conceptual WorldConceptual World） 概念世界是人类自然语言的世界，人类了解且认识其所概念世界是人类自然语言的世界，人类了解且认识其所命名命名(mng mng)(mng mng)的事物

7、，因此这些事物构成了的事物，因此这些事物构成了“语言的世界语言的世界”。 概念概念(ginin)(ginin)世界世界第9页/共74页第十页，共74页。11地理空间地理空间(kngjin)(kngjin)世界（世界（Geospatial WorldGeospatial World） 对于对于GISGIS来讲，自然语言的概念世界并不是充分抽象来讲，自然语言的概念世界并不是充分抽象的，在的，在GISGIS中只有概念世界中一个简化的子集才是兴趣所在。中只有概念世界中一个简化的子集才是兴趣所在。这个子集叫做地理空间这个子集叫做地理空间(kngjin)(kngjin)世界。世界。地理空间地理空间(kng

8、jin)(kngjin)世界世界第10页/共74页第十一页，共74页。12现实世界现实世界(shji)(shji)与地理空间世界与地理空间世界(shji)(shji)的联系的联系 在地理空间世界中，地理要素被抽象为点、线、面、体。如在地理空间世界中，地理要素被抽象为点、线、面、体。如河流被看作线，地形河流被看作线，地形(dxng)(dxng)被看作等高线多边形的简化，而森被看作等高线多边形的简化，而森林被看作多边形。林被看作多边形。第11页/共74页第十二页，共74页。13维度世界（维度世界（Dimensional WorldDimensional World） 维度世界是对地理空间维度世界是

9、对地理空间(kngjin)(kngjin)世界的抽象，它通世界的抽象，它通过在欧氏空间过在欧氏空间(kngjin)(kngjin)中进行工具测量获取要素的尺度。中进行工具测量获取要素的尺度。如距离、面积、方位等。如距离、面积、方位等。 维度世界维度世界(shji)(shji)指北针指北针第12页/共74页第十三页，共74页。14项目世界项目世界(shji)(shji)（Project WorldProject World） 项目世界项目世界(shji)(shji)是维度世界是维度世界(shji)(shji)的进一步抽象，的进一步抽象，它将地理世界它将地理世界(shji)(shji)抽象为针对特

10、殊应用领域的具体实现。抽象为针对特殊应用领域的具体实现。制图员、地籍管理员和道路制图员、地籍管理员和道路(dol)(dol)管理人员视角的项目世界管理人员视角的项目世界第13页/共74页第十四页，共74页。15 在项目世界中，空间参照系统（在项目世界中，空间参照系统（Spatial Reference Spatial Reference SystemSystem）的概念被引入，最常见的参照系统是环绕地球表面建）的概念被引入，最常见的参照系统是环绕地球表面建立的坐标系统（经纬度）；此外，还有其它的间接的参照系统立的坐标系统（经纬度）；此外，还有其它的间接的参照系统，例如线性参照系统可以用一个参数

11、标识出一条线（如高速公，例如线性参照系统可以用一个参数标识出一条线（如高速公路路(o s n l)(o s n l)）上的一个点位。）上的一个点位。 地理编码是项目世界中地理要素的另一重要特征。地理编码是项目世界中地理要素的另一重要特征。 第14页/共74页第十五页，共74页。16项目世界项目世界(shji)(shji)与地理空间世界与地理空间世界(shji)(shji)的关系的关系第15页/共74页第十六页，共74页。17 点世界（点世界（Points WorldPoints World） 几何体世界（几何体世界（Geometry WorldGeometry World） 地理地理(dl)(

12、dl)要素世界（要素世界（Feature WorldFeature World） 要素集合世界（要素集合世界（Feature Collection WorldFeature Collection World）地理要素在信息地理要素在信息(xnx)(xnx)世界的实现世界的实现第16页/共74页第十七页，共74页。18二、空间(kngjin)数据模型第17页/共74页第十八页，共74页。19 数据模型数据模型 以一定方式组织数据，通过足够的抽象性和概括性以一定方式组织数据，通过足够的抽象性和概括性，对客观事物及其联系的进行描述，对客观事物及其联系的进行描述, ,是连接是连接(linji)(lin

13、ji)现现实世界和计算机世界的桥梁。实世界和计算机世界的桥梁。 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联系是关于现实世界中空间实体及其相互联系(linx)(linx)的概念，它为空间数据的组织和空间数据库的设计提供的概念，它为空间数据的组织和空间数据库的设计提供基本方法。基本方法。第18页/共74页第十九页，共74页。20 基于基于(jy)(jy)计算机的地理信息系统不能直接作用于计算机的地理信息系统不能直接作用于现实世界，必须采用一定的空间数据模型对现实世界进现实世界，必须采用一定的空间数据模型对现实世界进行数据描述。行数据描述。 根据对地理实体从现实世界到计算机内部表示

14、的不断抽根据对地理实体从现实世界到计算机内部表示的不断抽象，象，GISGIS空间数据模型由概念数据模型、逻辑空间数据模型由概念数据模型、逻辑(lu j)(lu j)数据数据模型和物理数据模型模型和物理数据模型3 3个有机联系的层次组成。个有机联系的层次组成。 第19页/共74页第二十页，共74页。21 概念数据模型概念数据模型(mxng)(mxng) 是关于空间实体及实体间联系的抽象概念集。是关于空间实体及实体间联系的抽象概念集。 逻辑数据模型逻辑数据模型(mxng)(mxng) 根据概念数据模型根据概念数据模型(mxng)(mxng)确定的空间实体及确定的空间实体及相互关系，具体地表达数据项

15、、记录等之间的关系，因相互关系，具体地表达数据项、记录等之间的关系，因而可以有若干不同的实现方法。（如结构化模型而可以有若干不同的实现方法。（如结构化模型(mxng)(mxng)、关系模型、关系模型(mxng)(mxng)） 物理数据模型物理数据模型(mxng)(mxng) 描述数据在计算机中的物理组织、存储路径和数据描述数据在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构。库结构。 第20页/共74页第二十一页，共74页。22空间空间(kngjin)(kngjin)数据模型的三个数据模型的三个层次层次第21页/共74页第二十二页，共74页。23 目前目前GISGIS常用的空间数据模型（概念模型）有

16、场（常用的空间数据模型（概念模型）有场（FieldField）模型、）模型、要素（要素（FeatureFeature）模型和网络（）模型和网络（NetworkNetwork）模型。）模型。 场模型场模型 场模型用于描述在一定空间内具有连续分布特点的地理现象。场模型用于描述在一定空间内具有连续分布特点的地理现象。例如，空气中污染物指数、地表的温度、土壤的湿度、森林植被等。例如，空气中污染物指数、地表的温度、土壤的湿度、森林植被等。 一个二维场就是在二维空间中任何已知的地点一个二维场就是在二维空间中任何已知的地点(ddin)(ddin)上，都上，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

17、中对于任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。何位置来说都有一个值。 第22页/共74页第二十三页，共74页。24场模型可以表示为如下的数学公式：场模型可以表示为如下的数学公式： z(s) z(s)或或f(x,y)f(x,y) 上式表示了从空间上式表示了从空间(kngjin)(kngjin)域到某个值域的映射，其中域到某个值域的映射，其中z z为空间为空间(kngjin)(kngjin)位置可度量的函数，位置可度量的函数，s s表示空间表示空间(kngjin)(kngjin)中中的位置。的位置。 第23页/共74页第二十四页，共74页。25 栅格数据模

18、型栅格数据模型(mxng) (mxng) 栅格数据模型栅格数据模型(mxng)(mxng)是场模型是场模型(mxng)(mxng)在信息系统中的在信息系统中的具体实现。它将连续空间离散化，即用二维铺盖或划分覆盖整具体实现。它将连续空间离散化，即用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间。方格、三角形和六角形可完整地铺满一个平面，个连续空间。方格、三角形和六角形可完整地铺满一个平面，是栅格数据模型是栅格数据模型(mxng)(mxng)中最常用的规则覆盖。中最常用的规则覆盖。 第24页/共74页第二十五页，共74页。26 基于基于(jy)(jy)栅格的空间模型把空间看作像元（栅格的空间模型把空间看作像元（P

19、ixelPixel）的划分，每个像元的值表明了在已知类中现象的分类情况。的划分，每个像元的值表明了在已知类中现象的分类情况。栅格数据模型栅格数据模型(mxng) (mxng) 荒地荒地(hungd) 1湖泊湖泊 2湿地湿地 3树林树林 4第25页/共74页第二十六页，共74页。27栅格数据模型栅格数据模型(mxng) (mxng) 道路 1河流(hli) 2建筑 3空地 4 行行 列列 单元格大小单元格大小 分辨率分辨率第26页/共74页第二十七页，共74页。28 栅格数据模型中，每个像元具有固定的尺寸和位置，其栅格数据模型中，每个像元具有固定的尺寸和位置，其位置由像元所处的行号和列号决定。位

20、置由像元所处的行号和列号决定。 由于栅格模型是用规则的由于栅格模型是用规则的“栅格块栅格块”来表现连续的自然来表现连续的自然现象，且每个像元具有相同的值，因此分类之间的界限被迫现象，且每个像元具有相同的值，因此分类之间的界限被迫采用沿着栅格像元的边界线。这可能造成对现象的分布的误采用沿着栅格像元的边界线。这可能造成对现象的分布的误解，其程度则取决于像元的大小（分辨率）。分辨率的大小解，其程度则取决于像元的大小（分辨率）。分辨率的大小决定了栅格模型与现实世界的接近决定了栅格模型与现实世界的接近(jijn)(jijn)程度。程度。 栅格数据经常是来自卫星遥感、航空拍摄或扫描设备。栅格数据经常是来自

21、卫星遥感、航空拍摄或扫描设备。第27页/共74页第二十八页，共74页。29栅格数据栅格数据第28页/共74页第二十九页，共74页。30栅格数据栅格数据第29页/共74页第三十页，共74页。31栅格数据栅格数据第30页/共74页第三十一页，共74页。32栅格数据栅格数据第31页/共74页第三十二页，共74页。33 优点：栅格数据模型结构简单，空间数据的叠置与结合十分方优点：栅格数据模型结构简单，空间数据的叠置与结合十分方便，易于进行空间分析，数学模拟方便，真实感较强，可用于表示便，易于进行空间分析，数学模拟方便，真实感较强，可用于表示空间连续分布的地理现象。空间连续分布的地理现象。 缺点缺点(q

22、udin)(qudin)：图形数据量大（因为栅格数据是面向像元的）；：图形数据量大（因为栅格数据是面向像元的）；难于进行网络分析。由于像元是以行号和列号来标识，栅格数据本难于进行网络分析。由于像元是以行号和列号来标识，栅格数据本身无空间参考坐标，在使用中需进行影像配准。身无空间参考坐标，在使用中需进行影像配准。第32页/共74页第三十三页，共74页。34 要素模型要素模型要素模型用于描述在一定空间内具有离散连续分布特点的要素模型用于描述在一定空间内具有离散连续分布特点的地理现象。例如，建筑物、道路、城市等。地理现象。例如，建筑物、道路、城市等。 要素模型将地理要素嵌入到欧氏空间中，形成三类地理

23、要要素模型将地理要素嵌入到欧氏空间中，形成三类地理要素，即点对象、线对象和多边形对象。素，即点对象、线对象和多边形对象。 可以测量点之间的距离及方向的带坐标可以测量点之间的距离及方向的带坐标(zubio)(zubio)的几何空的几何空间叫做欧氏空间。欧氏空间中，最常使用的参照系统是笛卡尔坐间叫做欧氏空间。欧氏空间中，最常使用的参照系统是笛卡尔坐标标(zubio)(zubio)系（直角坐标系（直角坐标(zubio)(zubio)系）和极坐标系）和极坐标(zubio)(zubio)系。系。 第33页/共74页第三十四页，共74页。35 点对象（点对象（PointPoint） 指有特定的位置，维数为

24、零的地理要素，包括：指有特定的位置，维数为零的地理要素，包括： 点实体（点实体（Point EntityPoint Entity）：用来代表一个点状实体；）：用来代表一个点状实体； 注记点：用于定位注记；注记点：用于定位注记； 结点（节点）（结点（节点）（NodeNode）：表示线的终点和起点。）：表示线的终点和起点。 点对象通常由一对空间坐标（点对象通常由一对空间坐标（X,YX,Y）标识。小比例尺）标识。小比例尺地图地图(dt)(dt)中的城市、大比例尺地图中的城市、大比例尺地图(dt)(dt)中的建筑物、中的建筑物、道路起点和终点，是典型的点对象。道路起点和终点，是典型的点对象。第34页/

25、共74页第三十五页，共74页。36 线对象（线对象（LineLine） 线对象是维度为线对象是维度为1 1的地理要素，由一系列坐标表示。线的地理要素，由一系列坐标表示。线对象具有如下特征：对象具有如下特征： 实体长度实体长度(chngd)(chngd)：从起点到终点的总长；：从起点到终点的总长； 弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度；弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度； 方向性：水流方向是从上游到下游，公路则有单向与方向性：水流方向是从上游到下游，公路则有单向与 双向之分。双向之分。 线对象通常可表示线段、边界、链、弧段、网络等。道线对象通常可表示线段、边界、链、弧段、网络等。道路、地下

26、管线、河流、航线、边境线等是典型的线对象。路、地下管线、河流、航线、边境线等是典型的线对象。第35页/共74页第三十六页，共74页。37 面对象（面对象（PolygonPolygon） 面对象也称为多边形面对象也称为多边形, ,用于表现湖泊、岛屿、地块等一类地理现用于表现湖泊、岛屿、地块等一类地理现象，具有象，具有(jyu)(jyu)如下空间特性：如下空间特性： 面积面积 周长周长 相邻性相邻性 重叠性与非重叠性重叠性与非重叠性第36页/共74页第三十七页，共74页。38多边线多边线(bin xin)(bin xin)和和多边形多边形 第37页/共74页第三十八页，共74页。39面对面对象象(

27、du(duxinxing)g)线对线对象象(dux(duxing)ing)点对点对象象(dux(duxing)ing)第38页/共74页第三十九页，共74页。40 要素模型强调个体现象，把地理空间分解为点、线、面要素模型强调个体现象，把地理空间分解为点、线、面等离散对象（等离散对象（ObjectObject）的集合，这些对象必须满足三个条件：）的集合，这些对象必须满足三个条件： 可被识别可被识别(shbi)(shbi) 重要（与问题相关）重要（与问题相关） 可被描述（有特征）可被描述（有特征） 第39页/共74页第四十页，共74页。41面点线现实世界要素要素(yo (yo s)s)模型模型第4

28、0页/共74页第四十一页，共74页。42要素要素(yo s)(yo s)模型模型第41页/共74页第四十二页，共74页。43要素要素(yo s)(yo s)模型模型第42页/共74页第四十三页，共74页。44 要素模型中每一个对象与其它对象必须是不同的，必须要素模型中每一个对象与其它对象必须是不同的，必须有惟一的标识并可以单个测量。有惟一的标识并可以单个测量。 每个对象必须嵌入空间坐标系统每个对象必须嵌入空间坐标系统(xtng)(xtng)中，以确定其中，以确定其地理位置。地理位置。 有关对象的特征，可以通过静态属性（如城市名、人口有关对象的特征，可以通过静态属性（如城市名、人口等）来描述。等

29、）来描述。 第43页/共74页第四十四页，共74页。45 基于场的模型基于场的模型(mxng)(mxng)和基于要素的模型和基于要素的模型(mxng)(mxng)各有长处，各有长处，应该恰当地综合运用这两种方法来建模。应该恰当地综合运用这两种方法来建模。第44页/共74页第四十五页，共74页。46 矢量数据模型矢量数据模型 矢量数据模型是要素场模型在信息系统中的具体矢量数据模型是要素场模型在信息系统中的具体(jt)(jt)实现。实现。它强调了离散现象的存在，将地理空间抽象为一系列点、线、面离散它强调了离散现象的存在，将地理空间抽象为一系列点、线、面离散对象的集合，并将这些地理要素嵌入到欧氏空间

30、中。对象的集合，并将这些地理要素嵌入到欧氏空间中。 在矢量数据模型中，点、线、多边形等地理实体是通过记录坐在矢量数据模型中，点、线、多边形等地理实体是通过记录坐标的方式来描述的。标的方式来描述的。 第45页/共74页第四十六页，共74页。47矢量数据模型:地理要素类型Points (Example : Location of house)Lines (Example : Railway)Polygons (Examples : Forest area)地物的空间(kngjin)位置用x,y坐标来表示Point A Singly XY pairLine Series of XY pairPoly

31、gon A closed loop of XY co-ordinate pairs that define the boundary原始地图原始地图X 坐标坐标矢量表示矢量表示Y 坐标坐标222111第46页/共74页第四十七页，共74页。48矢量矢量(shling(shling) )数据数据第47页/共74页第四十八页，共74页。49 优点：存储数据量小，数据结构严密，可提供有效的优点：存储数据量小，数据结构严密，可提供有效的拓扑编码和网络分析，能完整地描述拓扑关系，图形输出拓扑编码和网络分析，能完整地描述拓扑关系，图形输出精确美观，速度精确美观，速度(sd)(sd)快，图形数据和属性数据易

32、于编辑、快，图形数据和属性数据易于编辑、显示。显示。 缺点：数据结构复杂，表达空间变化性能力差，叠加缺点：数据结构复杂，表达空间变化性能力差，叠加操作没有栅格有效，以点、线、面来表示的空间物体缺乏操作没有栅格有效，以点、线、面来表示的空间物体缺乏真实感，不如栅格图生动。真实感，不如栅格图生动。第48页/共74页第四十九页，共74页。50 矢栅混合模型矢栅混合模型 将矢量模型和栅格模型集成在同一个系统将矢量模型和栅格模型集成在同一个系统(xtng)(xtng)中，以分别表示相同的或不同的实体空间。中，以分别表示相同的或不同的实体空间。 矢量数据用于精确表示实体空间的位置和实体之间矢量数据用于精确

33、表示实体空间的位置和实体之间的拓扑关系，进行实体空间几何变换等；栅格数据则用于的拓扑关系，进行实体空间几何变换等；栅格数据则用于进行实体的空间分析和操作。进行实体的空间分析和操作。 矢量和栅格数据的结合通过数据转换来实现。因此矢矢量和栅格数据的结合通过数据转换来实现。因此矢栅混合模型可以在需要的时候利用到矢量模型或栅格模型栅混合模型可以在需要的时候利用到矢量模型或栅格模型的优点；但是需要同时维护两套模型，系统的优点；但是需要同时维护两套模型，系统(xtng)(xtng)负担负担重；在进行矢量到栅格或栅格到矢量的转换时可能出现信重；在进行矢量到栅格或栅格到矢量的转换时可能出现信息丢失或错误。息丢

34、失或错误。 第49页/共74页第五十页，共74页。51 矢栅一体化模型矢栅一体化模型 矢栅一体化将矢量面向对象的方法和栅格像元覆盖矢栅一体化将矢量面向对象的方法和栅格像元覆盖的方法结合起来，采用填满线状目标路径和充填面状目标的方法结合起来，采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的方法作为一体化数据结构的基础。空间的方法作为一体化数据结构的基础。 该模型一方面保留了矢量的全部性质，以目标为单该模型一方面保留了矢量的全部性质，以目标为单元直接聚集所有的位置信息，并能建立拓扑关系；另一方元直接聚集所有的位置信息，并能建立拓扑关系；另一方面，它建立了栅格与地物的关系，即路径上的任一点都直面，它建立了栅

35、格与地物的关系，即路径上的任一点都直接与目标建立了联系接与目标建立了联系(linx)(linx)。 矢量一体化具有矢量和栅格模型的特性又避免了模矢量一体化具有矢量和栅格模型的特性又避免了模型的维护和转换工作；但是技术难度高，目前尚不成熟。型的维护和转换工作；但是技术难度高，目前尚不成熟。 第50页/共74页第五十一页，共74页。52 如何选择合适的空间数据模型，实现空间数据的高效组如何选择合适的空间数据模型，实现空间数据的高效组织和管理，是地理信息系统开发织和管理，是地理信息系统开发(kif)(kif)应用的关键，直应用的关键，直接关系到整个系统的算法实现和开发接关系到整个系统的算法实现和开发

36、(kif)(kif)效率。效率。 一个成熟的一个成熟的GISGIS系统支持系统支持(zhch)(zhch)栅格和矢量两种方法的综合使用栅格和矢量两种方法的综合使用 一个熟练的一个熟练的GISGIS用户要能够综合使用栅格和矢量两种方法用户要能够综合使用栅格和矢量两种方法第51页/共74页第五十二页，共74页。53 网络模型网络模型 网络关系普遍存在于自然界和人类社会中网络关系普遍存在于自然界和人类社会中, ,如水如水系网络、道路网络、通讯网络、地下管网等。系网络、道路网络、通讯网络、地下管网等。 在网络模型中，地物在网络模型中，地物(dw)(dw)被抽象为边、节点等被抽象为边、节点等对象，即网络

37、由一组边和节点按照一定的拓扑关系彼对象，即网络由一组边和节点按照一定的拓扑关系彼此连接而成。边是具有一定长度和物流（如交通流方此连接而成。边是具有一定长度和物流（如交通流方向、电力或水的流向等）的网络要素，节点是两条或向、电力或水的流向等）的网络要素，节点是两条或两条以上边的交汇处，实现两条边之间物流的转换。两条以上边的交汇处，实现两条边之间物流的转换。边与节点是网络的两类基本组成要素。边与节点是网络的两类基本组成要素。 网络模型将数据组织成有向图结构，可有效反映网络模型将数据组织成有向图结构，可有效反映现实世界中常见的多对多关系，如一个节点可与其它现实世界中常见的多对多关系，如一个节点可与其

38、它多个节点和边建立联系。多个节点和边建立联系。第52页/共74页第五十三页，共74页。54 网络模型与要素模型都是表达与处理离散的地理要素，所以可以网络模型与要素模型都是表达与处理离散的地理要素，所以可以(ky)(ky)将网络模型视为要素模型的特殊情况。将网络模型视为要素模型的特殊情况。 通过网络模型，通过网络模型，GISGIS可以可以(ky)(ky)分析网络要素的连通性、最短路分析网络要素的连通性、最短路径、上下游关系、源点与汇点等，这在自来水网络、电力和煤气管网径、上下游关系、源点与汇点等，这在自来水网络、电力和煤气管网的分析中十分重要。的分析中十分重要。第53页/共74页第五十四页，共7

39、4页。55网络分析网络分析第54页/共74页第五十五页，共74页。56上游追踪上游追踪(zhuzng)(zhuzng)分析分析下游下游(xiyu)(xiyu)追踪分析追踪分析节点节点(ji din)边边节点节点(ji din)第55页/共74页第五十六页，共74页。57最佳最佳(zu ji)(zu ji)路径分析路径分析第56页/共74页第五十七页，共74页。58四、空间(kngjin)关系第57页/共74页第五十八页，共74页。59 拓扑关系定义地物之间连通、邻接等拓扑属性拓扑关系定义地物之间连通、邻接等拓扑属性; ; 方位关系（或延伸关系）定义两个方位关系（或延伸关系）定义两个(lin )

40、(lin )地物之间的地物之间的方位；方位； 度量关系定义两个度量关系定义两个(lin )(lin )地物之间的距离远近。地物之间的距离远近。 GISGIS中的数中的数据据空间数据空间数据属性数属性数据据空间位置空间位置空间关系空间关系拓扑关系拓扑关系度量关系度量关系方位关系方位关系第58页/共74页第五十九页，共74页。601、空间(kngjin)拓扑关系第59页/共74页第六十页，共74页。61 由于空间分析与空间查询的需要，由于空间分析与空间查询的需要，GISGIS中地理要素的空间拓扑中地理要素的空间拓扑关系显得尤为重要，它为地理信息系统数据库的有效建立、空间查关系显得尤为重要，它为地理

41、信息系统数据库的有效建立、空间查询、空间分析、辅助决策等提供了最基本询、空间分析、辅助决策等提供了最基本(jbn)(jbn)的关系，是的关系，是GISGIS空空间分析的基础。（例如空间叠置分析、缓冲区分析等）间分析的基础。（例如空间叠置分析、缓冲区分析等） 拓扑拓扑(tu p)(tu p)学学 是几何学的一个分支，它研究在拓扑是几何学的一个分支，它研究在拓扑(tu p)(tu p)变变换下能够保持不变的几何属性换下能够保持不变的几何属性拓扑拓扑(tu p)(tu p)属性。属性。 拓扑一词来自于希腊文，意思是拓扑一词来自于希腊文，意思是“形状形状(xngzhun)(xngzhun)的研的研究究

42、”。 第60页/共74页第六十一页，共74页。62 拓扑属性拓扑属性 假设欧氏平面是一张高质量无边界的橡皮，该橡皮能假设欧氏平面是一张高质量无边界的橡皮，该橡皮能够伸长和缩短到任何理想的程度。够伸长和缩短到任何理想的程度。 现基于这张橡皮绘制图形，允许这张纸伸长但是不能现基于这张橡皮绘制图形，允许这张纸伸长但是不能撕破或者重叠，这样原来图形的一些属性将保留，而有些撕破或者重叠，这样原来图形的一些属性将保留，而有些属性将会失去。属性将会失去。 例如，在橡皮表面有一个多边形，多边形内部有一个例如，在橡皮表面有一个多边形，多边形内部有一个点。无论对橡皮进行压缩或拉伸，点依然存在于多边形内点。无论对橡

43、皮进行压缩或拉伸，点依然存在于多边形内部，点和多边形之间的空间位置关系不改变，而多边形的部，点和多边形之间的空间位置关系不改变，而多边形的面积则会发生变化。前者面积则会发生变化。前者(qin zh)(qin zh)则是空间的拓扑属性则是空间的拓扑属性，后者则不是。，后者则不是。 第61页/共74页第六十二页，共74页。63拓扑属性拓扑属性 一个点在一个弧段的端点一个点在一个弧段的端点一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的外部一个点在一个区域的外部两条线相交两条线相交两个面相邻两个面相邻两个面重叠两个面重叠一个面包含另一个面

44、一个面包含另一个面非拓扑属性非拓扑属性 两点之间的距离两点之间的距离一个区域的周长一个区域的周长一个区域的面积一个区域的面积 拓扑属性描述了两个拓扑属性描述了两个(lin )(lin )对象之间的关系，对象之间的关系，因此又称为拓扑关系（因此又称为拓扑关系（Topological RelationTopological Relation）。）。 第62页/共74页第六十三页，共74页。64地理地理(dl)(dl)要素的常见拓扑关系要素的常见拓扑关系第63页/共74页第六十四页，共74页。65地理地理(dl)(dl)要素的常见拓扑关要素的常见拓扑关系系第64页/共74页第六十五页，共74页。66

45、 拓扑关系拓扑关系(gun x)(gun x)包括点线面各类要素的组合关系包括点线面各类要素的组合关系(gun (gun x)x)，如点，如点线关系线关系(gun x)(gun x)，点，点面关系面关系(gun x)(gun x)，线，线线线关系关系(gun x)(gun x)，线，线面关系面关系(gun x)(gun x)，面，面面关系面关系(gun x)(gun x)等。等。点点线关系线关系点在线上：可以计算点的性质，如拐点点在线上：可以计算点的性质，如拐点(ui din)(ui din)等；等；线的端点：起点和终点；线的端点：起点和终点；线的交点；线的交点；点与线分离：可计算点到线的距离

46、。点与线分离：可计算点到线的距离。第65页/共74页第六十六页，共74页。67点点面关系面关系点在区域内，可以记数和统计点在区域内，可以记数和统计(tngj)(tngj)；点在区域的边界上；点在区域的边界上；点在区域外部。点在区域外部。线线线关系线关系重合；重合；相接：首尾相接：首尾(shuwi)(shuwi)环接或顺序相接；环接或顺序相接；相交；相交；穿越；穿越；并行。并行。第66页/共74页第六十七页，共74页。68线线面关系面关系区域包含线：可计算区域内线的密度；区域包含线：可计算区域内线的密度；线穿过区域：线穿过区域：线环绕区域：对于区域边界，可以搜索其左右区域名称线环绕区域：对于区域

47、边界，可以搜索其左右区域名称(mngchng)(mngchng)；线与区域分离。线与区域分离。面面面关系面关系包含：如岛的情形包含：如岛的情形(qng xing)(qng xing)；重叠：可以划分子区，并计算逻辑与、或、非和异或；重叠：可以划分子区，并计算逻辑与、或、非和异或；相邻：计算相邻边界的性质和长度；相邻：计算相邻边界的性质和长度；分离：计算距离等。分离：计算距离等。第67页/共74页第六十八页，共74页。692、空间方位(fngwi)关系第68页/共74页第六十九页，共74页。70 方位方位(fngwi)(fngwi)关系又称为延伸关系，它定义了地理要素之间的关系又称为延伸关系，它

48、定义了地理要素之间的方位方位(fngwi)(fngwi)，如，如“河北省在河南省北部河北省在河南省北部”就描述了方位就描述了方位(fngwi)(fngwi)关系。关系。 在直角坐标系中，令在直角坐标系中，令P P和和Q Q表示两地理要素，表示两地理要素，X(P)X(P)与与Y(P)Y(P)为为P P的的X X、Y Y坐标，坐标， X(Q) X(Q)与与Y(Q)Y(Q)为为Q Q的的X X、Y Y坐标，则坐标，则P P与与Q Q在二维空间中具有以下在二维空间中具有以下8 8种可能的方位关系，并提供种可能的方位关系，并提供(tgng)(tgng)了一个完整的关系覆盖：了一个完整的关系覆盖：第69页

49、/共74页第七十页，共74页。71正 东 方 向正 东 方 向 ( P ， Q ) = X ( P ) X ( Q ) A n d Y(P)=Y(Q)正南方向正南方向 (P，Q)=X(P)=X(Q) And Y(P)Y(Q)正西方向正西方向 (P，Q)=X(P)X(Q) And Y(P)=Y(Q)正北方向正北方向 (P，Q)=X(P)=X(Q) And Y(P)Y(Q)西北方向西北方向 (P，Q)=X(P)X(Q) And Y(P)Y(Q)东北方向东北方向 (P，Q)=X(P)X(Q) And Y(P)Y(Q)西南西南(xnn)方向方向 (P，Q)=X(P)X(Q) And Y(P)Y(Q)东

50、南方向东南方向 (P，Q)=X(P)X(Q) And Y(P)Y(Q)第70页/共74页第七十一页，共74页。72 GIS GIS中地理要素方位关系的识别是通过中地理要素方位关系的识别是通过MBRMBR并根据一定并根据一定的算法实现的。的算法实现的。 MBR(Minimum Bounding Rectangle) MBR(Minimum Bounding Rectangle) 是空间目标的外是空间目标的外切矩形。切矩形。MBRMBR的表示非常简单的表示非常简单(jindn)(jindn)，只需利用两点，只需利用两点( (左左上、右下角点上、右下角点) )表示即可。由于表示即可。由于MBRMBR

51、的简单的简单(jindn)(jindn)、实用、实用性，性，MBRMBR广泛应用于空间目标数据结构表示以及空间数据查广泛应用于空间目标数据结构表示以及空间数据查询中。询中。第71页/共74页第七十二页，共74页。733、空间(kngjin)度量关系第72页/共74页第七十三页，共74页。74 基本空间度量关系包括点基本空间度量关系包括点/ /点、点点、点/ /线、点线、点/ /面、线面、线/ /线、线线、线/ /面、面、面面/ /面之间的距离。在基本目标之间关系的基础上，可构造出点群、面之间的距离。在基本目标之间关系的基础上，可构造出点群、线群、面群之间的度量关系。线群、面群之间的度量关系。例如例如(lr)(lr)： 在已知点在已知点/ /线拓扑关系与点线拓扑关系与点/ /点度量关系的基础上，可求出点点度量关系的基础上，可求出点/ /点间的点间的最短路径、最优路径、服务范围等；最短路径、最优路径、服务范围等； 已知点、线、面度量关系，进行距离量算、邻近分析、已知点、线、面度量关系，进行距离量算、邻近分析、 缓冲区分析缓冲区分析等。等。第73页/共74页第七十四页，共74页。