GIS空间分析的数据模型.ppt

GIS空间分析 Spatial analysis,第二章 GIS空间分析的数据模型,主要内容： 地学模型概述 GIS模型化 空间数据及其表示 场模型 要素模型 网络结构模型 时空模型 三维模型,2.1地学模型概述 2.1.1.模型 对现实世界的抽象和模拟。模型是现实世界的简化，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面而简化或忽略其他方面 。,第二章 GIS空间分析的数据模型,现实世界到比特世界（数字世界）,模型对现实世界的实体或现象的抽象或简化 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 GIS空间分析的数据模型,2.1地学模型概述 2.1.2.地学模型 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 ）要素之间的相互关系和客观规律。,（人口）发展预测模型（一种定量预测模型）（一种数学模型） 人口预测模型：Pt=P0e（-u） 式中：Pt 表示第t年的人口数 P0 表示基年的人口数 表示人口出生率 u 表示人口死亡率 t 表示年份 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1985年的 P0 =612.7万人，每年净迁到该地区的人口数W=5万人 则P1=P0e（-u）+W :,解释为什么GIS要模型化？,2.2 GIS模型化 GIS模型化的一般方法： X O Y M X：某个体系，看作地理系统中被主观选取的一个局部 Y：某种介体，即某种模型化方法 O：代表X对Y产生作用 M是体系X通过介体Y产生的作用O所建立的模型,2.2 GIS模型化 1）逻辑模型（概念模型） 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表达。 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，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库,计算机流程图等,实体联系模型 “学生修课情况”E-R模型,属性,“教师论文情况”E-R模型,“银行客户存款”E-R模型,2.2 GIS模型化 2）物理模型 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） 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。,例如： 模拟风沙运动的风洞实验模型； 模拟水流和泥沙运动的水槽实验模型 模拟地表形态的沙盘模型 建筑物的按比例缩小的建筑物模型 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、船舶飞机动力实验室等,河北师大东校区电子沙盘一景,2.2GIS模型化 3）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。 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。 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。 （前面接触的人口预测模型就是一个数学模型的例子）,是运用数学方程（通常是一些代数方程或微分方程的组合）来描述现实世界结构和特征的模型。 例如： 空间数据的表达：栅格数据模型 矢量数据模型 根据模型涉及的层次： 种群模型 群落模型 生态系统模型 景观模型 全球模型 根据与时间有无关系： 静态模型 动态模型 参考书目：地理建模原理与方法 科学出版社 韦玉春等编著,现实世界与数学模型的关系,2.2GIS模型化 4）图像模型 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） 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 GIS模型化 按建立的方法，地理分析模型类型 （1）概念模型 （2）数学模型 （3）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 M=（0.19T+0.17D）（森林地区） M是融雪速度；T是空气温度；D是露点温度。,综合方法建立GIS的分析模型步骤 （1）系统描述与数据分析（概念模型过程） （2）理论推导 （3）简化表达 （4）参数确定 举例说明： 利用GIS分析（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,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，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。现实中很多需要逐步确定。,2.3空间数据及其表示 2.3.1空间数据概念 空间数据也称作地理数据。 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、数字和表格等等。地理数据是GIS表达现实世界经模型抽象的实质性内容。,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,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,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,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,数字化仪示意图,底座,感应板,定标器,有效区域,数字化仪板面组成示意图,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,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。,小型扫描仪,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 5. 数据通讯方式,从遥感影像上直接提取专题信息。,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,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 空间数据的表示 空间数据有两种基本的表示模型：栅格模型和矢量模型。 （一）栅格数据模型 1、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。 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特征,2、栅格数据模型中常用的基本形式 3、地物的表示方法 （1）点状物体 在栅格数据中，借助于在其中心点处的单独像元来表示。 （2）面状物体 借助于为其所覆盖的像元的集合来表示（如森林）。 （3）线状物体 借助于其中心轴线上的像元来表示。,4.栅格数据结构获取方法 栅格结构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特征。 特点：属性明显，定位隐含。 获取方法： (1) 手工网格法； (2) 扫描数字化法； (3) 分类影像输入法； (4) 数据结构转换法。,常用的空间数据模型,X,Y,i,j,x1 y1,x2 y2,xi yi,xn yn,（二）矢量数据模型 1、概念 矢量数据模型的矢量结构是通过记录坐标的形式来表示点、线、面(多边形)等地理实体。,特点：定位明显，属性隐含。 获取方法： (1) 手工数字化法； (2) 手扶跟踪数字化法； (3) 数据结构转换法。,（三）矢量结构与栅格结构的比较,2.3.4 空间数据模型的类型 基于对象(要素)(Feature)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(Network)表示了特殊对象之间的交互，如水或者交通流。 场模型(Field)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。,2.4 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。,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，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。,（2）连续的、可微的 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。,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）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。,2.5 要素模型,2.5.1 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。,点是有特定的位置，维数为零的物体。,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。,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。,2.5.2 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。 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、设施和管理区域。,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：空间维、时间维、图形维和文本/数字维。,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。,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。,2.6 网络结构模型,2.6.1 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 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(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 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。 弧段与弧段之间的连通多数情况下是有向的，网络的流向是通过弧段的流向来决定的。 在弧段被数字化时，From结点与To结点的关系就定义了弧段的流向。,2、路径选择(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，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、资源分配(ALLOCATE) 反映现实世界网络中资源的供需关系模型。 “供(Supply)”代表一定数据的资源或货物，它们位于被称之为“CENTER”的设施中。 “需(Demand)”指对资源的利用。 Allocate分析就是在空间中的一个或多个点的资源分配的过程。 为了实现供需关系，在网络中必然存在资源的运输和流动。 资源要么由供方送到需方，要么由需方到供方处索取。,4、地址编码与匹配(GeoCoding) 利用人们习惯的地址(街道门牌号)信息确定它在地图上的确切位置的技术，称为地址编码与匹配。 客户名单、事故报告、报警中所使用的定位信息多数是按人们习惯的街道门牌号等文字形式提供的，经常在地图上需要迅速定位， 例如110接警后，需要迅速定位求救地点，然后才可以采取进一步措施(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。,地址编码与匹配(GeoCoding),5、选址和分区(Location-Allocation)分析 Location-allocation分析是决定一个或多个服务设施的最优位置的过程，它的定位力求保证服务设施可以以最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。 常用来解决的实际问题包括： （1）加油站位置的选择； （2）急救服务站位置的选择：救火、医疗急救； （3）学校的选址。,6、空间相互作用和引力模型,用于理解和预测某点发生的活动和人、资源及信息的流动。 两点间发生多大程度的相互作用与两点的性质以及发生相互作用的消耗或费用有关。 通常情况下两点间距离越近，发生相互作用的可能性越大。 解决的实际问题包括： (1)为什么物资总是向沿海地区流动； (2)为什么某一区域的人们总是去特定的商场购物； (3)从家到电影院超过多长时间后，就不会选择去这个电影院看电影了。,6、空间相互作用和引力模型,类似于Path Finding，只是除了考虑相互作用的两个对象的距离，还要考虑相互作用时发生的活动的性质。 例如，人们不愿意去距离远的商场购物，但可能愿意去较远地方的名医求医问药。,2.7 时空模型 2.7.1 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数据模型特点是语义更丰富、对现实世界的描述更准确，其物理实现的最大困难在于海量数据的组织和存取。 TGIS技术的本质特点是“时空效率”。,2、TGIS的研究思路 目前可以研究TGIS技术，以便在SGIS的框架中用TGIS技术来实现TGIS功能。 对TGIS模型的研究可以本着两种思路进行平行探索：综合模型和分解模型。 先用分解模型思路针对典型应用领域（如土地利用动态监测工作）进行全面研究，同时不断丰富、充实综合模型，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 地籍变更、海岸线变化、土地城市化、道路改线、环境变化等应用领域，需要保存并有效地管理历史变化数据，以便将来重建历史状态、跟踪变化、预测未来。 这就要求有一个组织、管理、操作时空数据的高效时空数据模型。 时空数据模型是一种有效组织和管理时态地理数据，属性、空间和时间语义更完整的地理数据模型。 一个合理的时空数据模型必须考虑以下几方面的因素： 节省存储空间、加快存取速度、表现时空语义。 时空语义包括地理实体的空间结构、有效时间结构、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： （1）根据应用领域的特点（如宏观变化观