地理信息系统概论重点讲义(四)

重点一空间数据库模型

1.空间数据库

空间数据库是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理

空间数据的总和，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的。

2.空间数据库模型

空间数据库模型是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，为描述空间

数据组织和设计空间数据库模式提供了基本的方法。

一般而言，GIS空间数据模库型由概念数据库模型、逻辑数据库模型和物理数据

库模型三个有机联系的层次所组成。

3.数据库概念模型：（conceptualmodel）概念模型为了把现实世界中的具体事物

抽象、组织为某一数据库管理系统支持的数据模型。

人们常常首先将现实世界抽象为信息世界，然后将信息世界转换为机器世界。也

就是说，首先把现实世界中的客观对象抽象为某一种信息结构，这种信息结构

并不依赖于具体的计算机系统,不是某一个数据库管理系统（DBMS）支持的数据模

型，而是概念级的模型，称为概念模型。

4.逻辑模型

逻辑模型，是指数据的逻辑结构。

在数据库中，逻辑模型有关系、网状、层次，可以清晰表示个个关系。

在管理信息系统中，逻辑模型：是着重用逻辑的过程或主要的业务来描述对象系

统，描述系统要“做什么”，或者说具有哪些功能。

1）关系数据模型是把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表格，每个二维

表格称为一个关系。

关系模型以记录组或数据表的形式组织数据，便于利用各种地理实体与属性之间

的关系进行存储和变换，不分层也无指针，是建立空间数据和属性数据之间关

系的一种非常有效的数据组织方法。

2）关系数据库：是建立在关系数据库模型基础上的数据库，借助于集合代数等概

念和方法来处理数据库中的数据。

目前主流的关系数据库有oracle、SQL、access、db2等。

3）对象一关系管理模式是指在关系型数据库中扩展，通过定义一系列操作空间对

象（如点、线、面）的API函数，来直接存储和管理非结构化的空间数据的空间

数据库管理模式。

5.物理模型，在管理信息系统中，物理模型：描述的是对象系统“如何做”、“如

何实现”系统的物理过程。在数据仓库中的含义总的来说，数据仓库的结构采

用了三级数据模型的方式，即概念模型、逻辑模型、物理模型。物理模型：构建

数据仓库的物理分布模型，主要包含数据仓库的软硬件配置，资源情况以及数据

仓库模式。

重点二空间索引

L间索引的戒念：它是依据空间实体的位置和形状或空间实体之间某种空间

关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间实体的概略信息，如标识

码、最小外接矩形及存储地址。

2.空间索引的作用：作为一种辅助性的空间数据结构，空间索引介于空间操作

算法和空间实体之间，它通过筛选把大量与特定空间操作无关的空间实体排除，

从而提高空间操作速度和效率。

3.常见的空间索引

1）范围索引

即在记录每个空间实体的坐标时，同时记录每个空间实体的最大和最小坐标。

范围索引并没有建立真正的空间索引结构，只是在空间实体的数据中增加了最大

和最小坐标项，主要依靠空间计算来进行判别，仍然要对整个数据库的空间实体

进行检索，需花费大量的查询时间。

2）格网空间索引

即将区域划分成大小相等的网格，记录每个网格内所包含的空间实体在数据库中

的地址。

3）四叉树空间索引

即将区域进行若干层次的划分，每个层次的划分是将上一层次划分得到的每个区

域分成四个相等的子区域，判定空间实体包含在哪一层次的哪一个子区域中，则

用子区域的编码来记录空间实体，这样就形成一个四叉树的空间划分。四叉树

空间索引与格网空间索引相比，其结构灵活、效率更高。

重点三GIS应用模型

1.GIS应用模型分类

1）根据所表达的空间对象的不同，分为：

理论模型，经验模型，混合模型。

模型分类理论依据应用领域模型

理论物理或化学原理地表径流运动方程

经验数理统计+观测实验水土流失统计、回归

混合用理论原理确定的确定性变量+用经验确定的不确定性变量资源分

配运输方程

2）按照研究对象的瞬时状态和发展过程，分为：静态、半静态、动态模型

模型分类应用目的

静态分析地理现象及要素相互作用的格局

半静态评价应用目标的变化影响

动态预测研究目标的时间、空间动态演变及趋势

2.GIS应用模型

（1）土地分等定级模型

土地分等定级的对象是城镇建成区和近郊区范围内的所有土地，土地分等定级工

作以城镇整体为单位进行。城镇以外的独立工矿区、开发区、旅游区可以一同

参与评定。

（2）适宜性分析模型

在土地资源开发时，对开发活动的分析，这些开发活动包括农业应用、城市化选

址、作物类型布局、道路选线、选择重新造林的最适宜的土地等。

⑶发展预测模型

发展预测是运用已有的存储数据和系统提供的手段，对事物进行科学的数量分析,

探索某一事物在今后的可能发展趋势，并作出评价和估计，以调节、控制计划

或行动。

⑷位址选择模型

指按照规定的标准，通过空间分析的方法，确定厂址、电站、管线，或者交通路

线等的最佳位址或路径。

⑸交通规划模型

城市交通规划模型包括城市交通发生量预测、出行分布预测和交通量最优分配三

个部分。目前普遍采用交通调查方式了解城市交通的发生、分布和规划分析。

⑹地学模拟模型

地学模拟模型是应用计算机、数字模拟技术及综合分析的方法来模拟地理过程或

现象，使得受几个因素共同影响，要经过若干年才能完成的地理过程，采用计

算机模拟模型，只需几分钟就能得出类似结果，为资源开发、水土保持、工程

论证等提供依据。

（7）专家系统（扩展）

1）概念：

研究模拟人类专家的推理思维过程，将领域专家的知识和经验，以知识库的形式

存入计算机，系统可以根据这些知识，对输入的原始事实进行复杂的推理，并

作出判断和决策，从而起到专门领域专家的作用。

2）一般原理：

对某一领域具有深入研究和专门知识的专家，将其知识变为可供计算机使用的形

式，将获取的知识转换为一系列辨认或描述实体的规则，并存入系统存取的知

识库中，完成推理和生成结论，并可根据用户的要求给出相应的解

重点四地理信息标准化

地理信息标准化

统一的名词术语内涵

统一的数据采集原则

统一的空间（地理）定位控制

统一的数据分类标准（属性数据指标体系）

统一的数据编码系统（数据文件命名规则）

统一的数据组织结构（数据分层方案）

统一的数据记录格式

统一的数据质量含义。

1.统一的名词术语内涵

地理信息系统涵盖的学科领域广泛，对许多名词术语在使用和理解上可能存在很

大的差异，选出与GIS关系密切的名词术语，给出规范的释义和标名，是地理

信息标准化的一项基础工作。

2.统一的数据采集原则

GIS数据库涉及的数据种类多、数据最大，在数据采集时应遵循统一的数据采

集原则。在数据采集时，必须遵照已经颁布的规范标准，

3.统一的空间定位框架，统一的空间定位框架是为各种数据信息的输入、输

出和匹配处理提供共同的地理坐标基础。

这种坐标基础可以归化为地理坐标、网格坐标和投影坐标这三种坐标系统。当

数据信息的来源不同时，必须将它们统一到这三种坐标形式之一的基础上来。

4.统一的数据编码系统

地理信息系统存储的空间要素具有时、空、属性的杂特征，需要通过计算机能够

识别的代码体系来提供数据信息的地理分类和特征描述，同时需要制定统一的

编码标准，以实现地理要素的计算机输入、存储，以及系统间数据的交换和共

享。

5.统一的数据组织结构

数据结构是地理实体的数据组织形式及其相互关系的抽象描述。

描述地理实体的空间数据应包含空间位置、拓扑关系和属性三个方面的内容。

不说明数据结构或数据结构的内容不规范，不仅用户无法应用，计算机程序也

无法正确处理。对于影像栅格数据、地理名称数据、三角网数据、三维数据、

属性数据等，都应建立相应的数据模型和结

构标准以便不同系统的数据兼容和不同软件的计算机处理及应用。

6.统一的数据记录格式

数据记录格式是指地理信息系统的原始数据和输出数据在磁性介质内的记录方

式，对不同来源（地图、遥感、社会统计等）和不同形式（点、线、面等）的数据都

必须按照标准的记录格式记录，以保证系统对各种数据信息或资源的接纳、处

理和共享。

地理信息系统采用的数据记录格式包括矢量、影像和格网三种空间数据及其元数

据的记录格式。

1）影像数据的记录格式，原则上采用国际工业标准无压缩的TIFF或BMP格式,

但需将大地坐标及地面分辨率等信息添加到TIFF或BMP文件中。

2）格网数据记录文件，由文件头和数据体组成。文件头包含该空间数据交换格

式的版本号、坐标单位（米或经纬度）、左上角原点坐标、格网间距、行列数、

格网值的类型等；数据体包含该格网的地物类型编码或高程值等。元数据文件

应为纯文本文件，其记录格式包含元数据项和元数据值。

3）空间矢量数据记录文件由四部分组成：

第一部分为文件头。它包含了该文件的基本特征数据，如图幅范围、坐标维数、

比例尺等。

第二部分为地物类型参数及属性数据结构。地物类型参数包括地物类型代码、地

物类型名称、几何类型、属性表名等。属性数据结构包括属性表定义、属性项

个数、属性项名、字段描述等。

第三部分为几何图形数据及注记。图形数据包含了目标标识码、地物类型码、层

名、坐标数据等。注记包含了字体、颜色、字型、尺寸、间隔等，

第四部分为属性数据，它包含了属性表、属性项等。性表、属性项等。

7.统一的数据质量含义

地理信息系统数据质量是指该数据对特定用途的分析、操作和应用的适宜程度。

其具体的含义包括：

（1）数据完整性。指要素的完整性和属性的完整性，可用非定量的方法进行评

定；

（2）数据一致性。指逻辑的一致性和拓扑的一致性，可用非定量或定量的方法

进行评定；

⑶位置精度。包括绝对精度、相对精度、像元位置精度、形状的相似性等。

其中像元精度用分辨率表示，其他精度用非定量方法表示；

⑷时间精度。主要指数据的现势性，可用数据采集时间和数据更新的时间和

频度来表示

⑸属性精度。指连续值、有序值、标准值的精度等，包括要素分类与代码的正

确性、要素属性值的正确性及名称的正确性，通常用非定量的方法表示。

重点五地理信息系统的可视化与虚拟现实

1.空间信息可视化：是地理信息处理的窗口与处理结果的直观表达形式，因而

是决策的直观依

据。只有把空间数据库中的海量数据转换为直观的图形信息，地理信息处理结果

才能为规划、管理与决策提供有力的支撑。

2.虚拟现实：也称虚拟环境或人工现实，是一种由计算机生成的高级人机交互

系统，即构成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉、嗅觉的可感知环境，演

练者通过专门的设备可在这个环境中实现观察、触摸、操作、检测等试验，有

身临其境之感。

3.数字地球：是把浩瀚复杂的地球数据加以数字化、网络化，变成一个地球信

息模型计划。是一种可以嵌入海量地理数据、多种分辨率、三维的地球表达，是

对真实地球及其相关现象的统一性的数字化重现和认识。

其核心思想有两点：一是用数字化手段统一处理地球问题；二是最大限度地利用

信息资源。

注：智慧城市

4.虚拟地理环境，简称VGE,是基于地学分析模型、地学工程等的虚拟现实,

它是地学工作