地理信息系统导论

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1、第二章第二章 从现实世界到比特世界从现实世界到比特世界1对现实世界的地理认知 地理环境是复杂多样的，要正确地认识、掌握与应用这种广泛而复杂的信息，需要进行去粗取精、去伪存真的加工，这就要求对地理环境进行科学的认识。对于复杂对象的认识是一个从感性认识到理性认识的一个抽象过程。对于同一客观世界，不同社会部门或学科领域的人群，往往在所关心的问题、研究的对象等方面存在着差异，这就会产生不同的环境映象。图图2-1：地理信息流与地理信息科学三个领域地理信息流与地理信息科学三个领域地理概念形式表达地理时空思考地理信息科学三个领域地理信息科学三个领域地理信息流地理信息流地理认知模型研究地理概念计算方法研究地理

2、信息与社会研究现实世界概念世界数字世界（GIS）应用领域信 息服 务与计算机实现1对现实世界的地理认知 11 认知的含义认知的含义 认知属于心理学的范畴心理学的范畴。根据空间信息分析以及空间信息可视化的需要，认知应该是知觉、注意、表象、记忆、学习、思维、语言、概念形成、问题求解、情绪、个性差异等有机联系的信息处理过程。图2-2描述了空间认知的框架。图图2-2：空间认知：空间认知 空间认知 在GIS中研究空间认知，可以指导建立更加符合人类思维的空间模型和信息表现方式。1对现实世界的地理认知 1）个体的空间认识的形成和发展）个体的空间认识的形成和发展 J.Piaget认为，空间认识空间认识具有四个

3、层次：感觉运动感觉运动（Sensorimotor）的层次 前运算期前运算期（Pre-operational）的层次 形象运算形象运算（Concrete Operational）的层次 形式运算形式运算（Formal Operational）的层次 图2-3表示了个体成长过程中空间认识的发展。1对现实世界的地理认知 图图2-3：空间意识的个体发育：空间意识的个体发育感觉运动期感觉运动空间映象的形成客体的稳定性前运算期具体运算期形式运算期前运算空间具体运算空间形式运算空间拓扑空间投影空间欧式空间或度量空间欧式空间参照系参照系和欧式度量标准的调整看法的调整以自我为中心的方位固定的参照系坐标参照系青

4、年 以 及以上期少年期学前期幼儿期1对现实世界的地理认知 2）意识中的空间信息编码）意识中的空间信息编码 关于个体意识中的空间信息的编码方式，主要有三种理论：命题理论命题理论（Propositional Theory）图像理论图像理论（Imagery Theory）双重编码理论双重编码理论（Dual-coding Theory）。1对现实世界的地理认知 12 环境映象与模型环境映象与模型 环境映象可以看作是被学习到的稳定的思维概念，它总结了个人对环境的认识、评价和选择能力，对任何人与环境相互作用的调查研究来说，理解大脑处理使用什么样的信息就显得至关重要。人与环境相互作用关系见图2-4所示。1对

5、现实世界的地理认知 图2-4：人与环境的相互作用关系图表 现 的 刺 激 信 息表 现 条 件输 入 控 制基 本 生 理 组 成基 本 生 理 构 造文 化 特 征现 状处 理 中 心指 定 反 映评 价 反 映规 定 反 映存 储 的 刺 激 信 息环 境感 应 者映 象1对现实世界的地理认知 13地图认知模型地图认知模型 分为地图编制与设计者的认知模型和地图使用者的认知模型图图2-5：编制者模型编制者模型 图图2-6：使用者模型：使用者模型思维客观现实世界感知系统制图综合与内容选取信息处理系统信息表达系统地图客观世界抽象地图所表达的客观世界地图使用者的知识背景形象思维与再现综合与分析被认

6、识的客观世界感知系统1对现实世界的地理认知 图2-7：制图活动过程图2-7：制图活动过程1对现实世界的地理认知 14地理客体的科学认知地理客体的科学认知 地理认知是地理信息传输过程中一个子系统。它偏重于心理感知和分析，认知者既感知图上明显的信息也挖掘潜在的信息，不仅仅是探测、识别或区分信息，更要主动地解译信息，形成对客观世界的整体认识。1对现实世界的地理认知15 地图是客观世界的形象符号概括模型 地图是客观世界的形象模型地图是客观世界的形象模型 地图是客观世界的符号模型地图是客观世界的符号模型 地图是客观世界的概括模型地图是客观世界的概括模型1对现实世界的地理认知2现实世界的抽象 对地理对象的

7、抽象过程通常认为有9个层个层次次OGC，在这九个层次之间通过8个接口个接口与它们连接，定义了从现实世界到地理要素集合世界的转换模型。2现实世界的抽象 9个层次个层次依次为:现实世界（Real World）概念世界（Conceptual World）地理空间世界（Geospatial World）尺度世界（Dimensional World）项目世界（Project World）点世界（Points World）几何体世界（Geometry World）地理要素世界（Feature World）要素集合世界（Feature Collection World）（图2-8）。图图2-8：OpenGI

8、S的九层模型的九层模型维度世界：度量语言项目世界：信息团体地 理 空 间 世界：GIS 语言概念世界：自然语言现实世界：基本语言要 素 集 合 世界：要素集合要素世界：要素几何世界：WKT点世界：坐标几何2现实世界的抽象2现实世界的抽象 连接它们的8个接口个接口分别为:认识（Epistemic）接口 GIS学科（GIS Discipline）接口 局部测度（Local Metric）接口 信息团体（Community）接口 空间参照系（Spatial Reference）接口 几何体结构接口 要素结构接口 项目结构接口 其中前五个模型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

9、个模型后四个模型是关于真实世界的数学的和符号化的模型，将在软件中被实现在软件中被实现。21 现实世界现实世界 现实世界是所有事物（Fact）的集合，无论人们是否知道这些事物。根据事物的本质，人们可以认识理解现实世界中的事物 图图2-9:现实现实世界世界2现实世界的抽象 22 概念世界概念世界 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的事物，因此这些事物构成了“语言的世界”。图图2-10：概念：概念世界世界2现实世界的抽象 图图2-11：现实世界与地理空间世界的联系：现实世界与地理空间世界的联系现实世界地理空间世界概念世界精髓名字嵌入选择2现实世界的抽象 23 地理空间世界地理空间世

10、界 由于在概念层次的世界充满了复杂的形状、样式、细节。这些复杂性在地理空间世界中被消除，并用简单的、浅显的抽象来代替，这些抽象通常在时间以及空间上都是静态的。2现实世界的抽象 图图2-12：地理空间世界：地理空间世界 24 维度世界维度世界 维度世界是地理空间世界的一个抽象，其中包括一些测量工具，如卷尺测量和指南针，在这样的水平上所认识到的事实包括一元（Unary）关系（如一个弧段的长度）和二元（Binary）关系（如两点之间的距离），这些关系本身就是各种要素的抽象。图图2-13：维度世界：维度世界2现实世界的抽象 25 项目世界项目世界 有两种常用的方法来对地理空间要素建模。第一个模型定义了

11、点、线、多边形的一个要素的空间范围，以及来自于所熟知的一系列类型的几何基本单元（Primitive），在这种方式下的要素叫做“几何体要素（Features with Geometry）”。2-14中，分别反映了一个制图员、一个地籍管理人员和一个道路管理人员视角的项目世界项目世界。2现实世界的抽象反映了一个制图员、一个地籍管理人员和一个道路管理人员视角的项目世界项目世界。图图2-14：项目世界：项目世界2现实世界的抽象3比特世界 31 比特世界比特世界 地理信息系统以数字世界表示自然世界，现实世界与数学模型之间的关系见图2-15。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

12、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）。图图2-15：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信息数学的分析、预报、决策或控制现 实 世 界 的 分析、预报、决策或控制数学模型翻译、归纳解译检验演绎推断3比特世界 32 模型的作用模型的作用 由于模型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，因此能有效地帮助人们从各种因素之间找出其因果关系或者联系，有利于问题的解决。3比特世界 33 GIS空间数据建模空间数据建模 GIS是专门用于采集、存储、管理、分析和表达空间数据的信息系统，它既是表示、模拟现实空间世界和进行空间数据处理分析的工

13、具，也是一门关于空间信息处理分析的科学技术。3比特世界 空间数据建模的基本任务空间数据建模的基本任务是，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，这包括定义空间实体及其相互间关系，确定数据实体或目标及其关系，设计在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构等。3比特世界 图图2-16：空间数据模型的三个层次：空间数据模型的三个层次外模式物理数据模型逻辑数据模型空间概念数据模型外模式外模式现实空间世界3比特世界 34 GIS空间数据模型的概念与分类空间数据模型的概念与分类 341GIS空间概念数据模型空间概念数据模型 GIS空间数据模型的概念模型是考虑用户需求

14、的共性，用统一的语言描述和综合、集成各用户视图。目前广为采用的数据模型是基于平面图的矢量数据模型和基于连续铺盖的栅格数据模型。3比特世界 342空间逻辑数据模型空间逻辑数据模型 逻辑数据模型是根据前述的概念数据模型确定的空间数据库信息内容（空间实体及相互关系），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。一般来说，可将空间逻辑数据模型空间逻辑数据模型分为采用结结构化模型构化模型和面向操作的模型面向操作的模型两大类。3比特世界 1）结构化逻辑数据模型）结构化逻辑数据模型 结构化模型是显式表达数据实体之间关系的树形结构。其中的层次数据模型是按树型结构组织数据记录，以反映数据之

15、间的隶属或层次关系。网络数据模型是层次数据模型的一种广义形式，是若干层次结构的并，其优点是能反映现实世界中极为常见的多对多的联系，缺点是复杂。一般而言，结构化模型能直接地反映现实世界中空间实体之间的联系。3比特世界 2）面向操作的逻辑数据模型）面向操作的逻辑数据模型 关系数据模型关系数据模型是用二维表格表达数据实体之间的关系，用关系操作提取或查询数据实体之间的关系，因此称之为面向操作的逻辑数据模型。当前的一种发展趋势是将两者的优点集中将两者的优点集中起来，形成新的或改进的逻辑数据模型，如扩展的网络模型 3比特世界 343 物理数据模型物理数据模型 逻辑数据模型并不涉及最底层的物理实现细节，但计

16、算机处理的是二进制数据，必须将逻辑数据模型转换为物理数据模型，即要设计空间数据的物理组织、空间存取空间数据的物理组织、空间存取方法、数据库总体存储结构方法、数据库总体存储结构等。1）物理表示与组织）物理表示与组织 层次逻辑数据模型的物理表示方法主要有物理邻接法、表结构法、目录法。网络数据模型的物理表示方法主要有变长指针表、位图法、目录法等。3比特世界 2）空间数据存取）空间数据存取 数据库的“存”是指从内存写一块到外存，“取”指从外存写一段到内存。常用的存取方法有：第一种，文件结构法第一种，文件结构法：包括顺序结构（如二分查找，插值查找）、表结构（线性表，倒排表）和随机结构。第二种，索引文件第二种，索引文件：它是提高数据存取效率的基本方法。对索引的插入、删除等只涉及到索引记录本身，而对数据记录的操作要看具体的数据组织策略。3比特世界 第三种，点索引结构第三种，点索引结构：由于B树在进行基于次关键字的搜索时是不适合的，为此，将空间定位数据及其属性看作是多维空间中的点，采用栅格索引、KD树、四叉树、R树等多维点索引结构进行索引。目前空间存取方法及查询优化仍是GIS研究中的一个重要的课题。3比特世界