2.1. 空间认知模型

2.1.1. 现实世界的认知过程

空间认知是一个信息加工过程。地理世界是非常复杂的，地理系统表现出来的各种各样的地理现象代表了现实世界。要正确认识和掌握现实世界这些复杂、海量的信息，需要进行去粗取精、去伪存真的加工，对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。通过对各种地理现象的观察、抽象、综合取舍，得到实体目标（有时也称为空间对象），然后对实体目标进行定义、编码结构化和模型化，以数据形式存入计算机内的过程。空间数据表示的基本任务就是将以图形模拟的空间物体表示成计算机能够接受的数字形式。这同时也是一个将客观世界的地理现象转化为抽象表达的数字世界相关信息的过程，这个过程涉及到三个层面：现实世界、概念世界和数字世界，如图2-l所示。

（1）现实世界是存在于人们头脑之外的客观世界，事物及其相互联系就处在这个世界之中。事物可分成“对象”与“性质”两大类，又分为“特殊事物”与“共同事物”两个重要级别。

（2）概念世界是现实世界在人们头脑中的反映。客观事物在概念世界中称为实体，反映事物联系的是实体模型。

（3）数字世界是概念世界中信息的数据化。现实世界中的事物及联系在这里用数据模型描述。

图2-1现实世界认知过程 （龚健雅，2001）

2.1.2. 空间认知三层模型

地理信息系统是以数字形式表达的现实世界，是对特定地理环境的抽象和综合性表达。在现实世界与数字世界转换过程中，数据模型起着极其重要的作用。对现实世界进行抽象和综合后，首先必须选择一数据模型来对其进行数据组织，然后选择相应的数据结构和相应的存储结构，将现实世界对应的信息映射为实际存储的比特数据。一般而言，GIS空间数据模型由概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型三个不同的层次组成。其中概念数据模型是关于实体和实体间联系的抽象概念集，逻辑数据模型表达概念模型中数据实体（或记录）及其间关系，而物理数据模型则描述数据在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构，三者间的相互关系如图2-2所示。

图2-2空间认知三层模型

1.空间概念数据模型

概念数据模型是人们对客观事实或现象的一种认识，有时也称为语义数据模型。不同的人，由于在所关心的问题、研究对象、期望的结果等方面存在着差异，对同一客观现象的抽象和描述会形成不同的用户视图，称为外模式。GIS概念数据模型是考虑用户需求的共性，用统一的语言描述、综合、集成的用户视图。目前存在的概念数据模型主要有矢量数据模型、栅格数据模型和矢量——栅格一体化数据模型，其中矢量数据模型和栅格数据模型应用最为广泛。

2.空间逻辑数据模型

逻辑数据模型将前面的概念数据模型确定的空间数据库信息内容（空间实体和空间关系），具体地表达为数据项、记录等之间的关系，这种表达有多种不同的实现方式。常用的数据模型包括层次模型、网络模型和关系模型。

层次模型和网络模型都能显式表达数据实体间的关系，层次模型能反映出实体间的隶属或层次关系，网络模型能反映出实体复杂的多对多关系，但这两种模型都存在结构复杂的缺点。关系数据模型使用二维表格来表达数据实体间的关系，通过关系操作来查询和提取数据实体间的关系，其优点是操作灵活，以关系代数和关系操作为基础，具有较好的描述的一致性，缺点是难以表达复杂对象关系，在效率、数据语义和模型扩展等方面还存在一些问题。

3.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，而计算机处理的只能是二进制数据，所以必须将逻辑数据模型转换为物理数据模型，即要求完成空间数据的物理组织、空间存取方法和数据库总体存储结构等的设计工作。①物理表示组织。层次模型的物理表示方法有物理邻接法、表结构法、目录法。网络模型的物理表示方法有变长指针法、位图法和目录法等。关系模型的物理表示通常用关系表来完成。物理组织主要是考虑如何在外存储器上以最优的形式存储数据，通常要考虑操作效率、响应时间、空间利用和总的开销等因素。②空间数据的存取。常用的空间数据存取方法主要有文件结构法、索引文件和点索引结构三种。文件结构法包括顺序结构、表结构和随机结构。