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2.1. 空间认知模型

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2.3. 栅格数据结构


2.2. 空间实体模型

2.2.1. 面向对象实体模型

空间实体是存在于自然世界中地理实体,与地理空间位置或特征相关联,在空间数据中不可再分的最小单元现象称为空间实体。 基本的空间实体有点(point)、线(1ine)、面(surface)和体(solid)四种类型。 空间数据适用于描述所有呈二维、三维甚至多维分布的关于区域的现象,空间数据不仅能够表示实体本身的空间位置及形态信息,而且还有表示实体属性和空间关系(如拓扑关系)的信息。 空间实体的空间关系比较复杂。根据几何坐标、空间位置以及实体间的相互关系,GIS中空间实体可以抽象为简单实体和复杂实体。简单实体是一个结构单一、性质相同的几何形体元素,在空间结构中不可再分。 复杂实体是相互独立的简单实体的集合,对外存在着一个封闭的边界。不同的软件系统中空间实体的定义与划分是不相同的。简单实体、复杂实体及其基本空间拓扑关系类型组成了空间概念的基本描述模型。

(1)点实体:表示O维空间实体,在空间数据库中表示对点状实体的抽象,可以具体指单独一个点位,如独立的地物,也可以表示小比例图中逻辑意义上不能再分的集中连片和分散状态,当从较大的空间规模上来观测这些地理现象时,就能把它们抽象成点状分布的空间实体,如村庄、城市等,但在大比例尺地图上同样的城市就可以描述十分详细的城市道路、建筑物分布等线状和面状实体。

(2)线实体:表示1维空间实体,有一定范围的点元素集合,表示相同专题点的连续轨迹。例如,可以把一条道路抽象为一条线,该线可以包含这条道路的长度、宽度、起点、终点以及道路等级等相关信息。道路、河流、地形线、区域边界等均属于线状实体。

(3)面实体:表示2维空间实体,表示平面区域大范围连续分布的特征,例如,土地利用中不同的地块、土壤不同的类型,大比例尺中的城市、农村等都可以认为是面状实体。有些面状目标有确切的边界,如建筑物、水塘等,有些面状目标在实地上没有明显的边界,如土壤。

(4)体实体:表示3维空间实体,体是3D空间中有界面的基本几何元素。在现实世界中,只有体才是真正的空间三维对象,现在对三维体空间的研究还处于初始阶段,以地质、大气、海洋污染等环境应用居多。

从地理现象到空间实体的抽象并不是一个可逆过程,同一个地理现象,它根据不同的抽象尺度(比例尺)、实际应用和视点被抽象成不同的空间实体。

对空间实体描述的有两种方法,一种是基于对象的描述,另一种是基于场的描述。基于对象的模型将研究的整个地理空间看成一个空域,地理实体和现象作为独立的对象分布在该空域中(崔铁军,2007)。 基于对象的空间模型强调个体现象,该现象以独立的方式或者以与其他现象之间的关系的方式来研究,主要描述不连续的地理现象。 任何现象,无论大小,都可以被确定为一个对象,假设它可以从概念上与其邻域现象相分离。实体可以由不同的对象所组成,而且它们可以与其他的相分离的对象有特殊的关系。 基于场模型是把地理空间的事物和现象作为连续的变量来看待。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流动速度和方向。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点上都有一个值,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。

对象模型在计算机中常用矢量(vector)数据结构表示。矢量数据结构用空间离散点坐标来描述地理空间实体。场模型在计算机中常用栅格(raster)数据结构表示。 栅格数据结构把地理空间划分成均匀的网格。由于场值在空间上是自相关的(它们是连续的),所以每个栅格的值一般采用位于这个格子内所有场点的平均值表示。 这样,就可以利用代表值的矩阵来表示场函数。地理空间上的任何一点都直接联系到某一个或某一类地物。 但对于某一个具体的空间实体又没有直接聚集所有信息,只能通过遍历栅格矩阵逐一寻找,它也不能完整地建立地物之间的拓扑关系。

2.2.2. MAPGIS空间实体模型

1.概述

MAPGIS7的空间数据模型将现实世界中的各种现象抽象为对象、关系和规则,各种行为(操作)基于对象、关系和规则,模型更接近人类面向实体的思维方式。 该模型还综合了面向图形的空间数据模型的特点,使得模型表达能力强,广泛适应GIS的各种应用。该模型具有以下特点:

(1)真正的面向地理实体,全面支持对象、类、子类、子类型、关系、有效性规则、数据集、地理数据库等概念;

(2)对象类型覆盖GIS和CAD对模型的双重要求,包括:要素类、对象类、关系类、注记类、修饰类、动态类、几何网络;

(3)具备类视图概念,可通过属性条件、空间条件和子类型条件定义要素类视图、对象类视图、注记类视图和动态类视图。

(4)要素可描述任意几何复杂度的实体,如水系。

(5)完善的关系定义,可表达实体间的空间关系、拓扑关系和非空间关系。空间关系按照9交模型定义;拓扑关系支持结构表达方式和空间规则表达方式;完整地支持4类非空间关系,包括关联关系、继承关系(完全继承或部分继承)、组合关系(聚集关系或组成关系)、依赖关系。

(6)支持关系多重性,包括1-1、1-M、N-M。

(7)支持有效性规则的定义和维护,包括定义域规则、关系规则、拓扑规则、空间规则、网络连接规则。

(8)支持多层次数据组织,包括地理数据库、数据集、数据包、类、几何元素、几何实体、几何数据,如图2-3所示。

(9)几何数据支持向量表示法和解析表示法,包括折线、圆、椭圆、弧、矩形、样条、bezier曲线等形态。能够支持规划设计等应用领域。

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图2-3 MAPGIS7面向实体的空间数据模型

2.空间参照系

空间参照系(SpatiaI Reference System)是平面坐标系和高程系的统称,用于确定地理目标的平面位置和高程。这包含两方面的内容:一是在把大地水准面上的测量成果换算到椭球体面上的计算工作中,所采用的椭球的大小;二是椭球体与大地水准面的相关位置不同,对同一点的地理坐标所计算的结果将有不同的值。因此,选定了一个一定大小的椭球体,并确定了它与大地水准面的相关位置,就确定了一个坐标系。

一个要素要进行定位,必须嵌入到一个空间参照系中。地面上任一点的位置,通常用经度和纬度来决定。经线和纬线是地球表面上两组正交(相交为90度)的曲线,这两组正交的曲线构成的坐标,称为地理坐标系。因为GIS所描述是位于地球表面的信息,所以根据地球椭球体建立的地理坐标(经纬网)可以作为所有要素的参照系统。

地球表面是不可展开的曲面,地理坐标是一种球面坐标,也就是说曲面上的各点不能直接表示在平面上。为了能够将其表面的内容显示在平面的显示器或纸面上,因此必须运用地图投影的方法,建立地球表面和平面上点的函数关系,使地球表面上任一个由地理坐标确定的点,在平面上必有一个与它相对应的点,即建立地球表面上的点与投影平面上点之间的一一对应关系。地图投影的使用保证了空间信息在地域上的联系和完整性,在各类地理信息系统的建立过程中,选择适当的地图投影系统是首先要考虑的问题。MAPGIS7.0提供了不同类型的地图投影以及相互转换的功能。使用者可根据需要,方便的建立不同的坐标系并进行相互之间的转换。

3.实体表达及分类

(1)对象

在MAPGIS7.0中,对象是现实世界中实体的表示。诸如房子、湖泊或顾客之类的实体,均可用对象表示。对象有属性、行为和一定的规则,以记录的形式存储对象。对象是各种实体一般性的抽象,特殊性对象包括要素、关系、注记、修饰符、轨迹、连接边、连接点等。

(2)对象类型、子类型

根据对象的行为和属性可以将对象划分成不同的类型,具有相同行为和属性的对象构成对象类,特殊的对象类包括要素类、关系类、注记类、修饰类、动态类、几何网络。不特别声明的情况下,对象类指没有空间特征的同类对象集。

子类型是对象类的轻量级分类,以表达相似对象,如供水管网中区分钢管、塑料管、水泥管等。不同类或子类型的对象可以有不同的属性缺省值和属性域。

(3)对象类

对象类是具有相同行为和属性的对象的集合。在空间数据模型中,一般情况下,对象类是指没有几何特征的对象(如房屋所有者、表格记录等)的集合;在忽略对象特殊性的情况下,对象类可以指任意一种类型的对象集。

(4)要素类

要素是具有几何特征的对象,要素包括属性、几何元素和图示化信息,几何元素是点、线、多边形等几何实体的组合。要素类是具有相同属性的要素的集合,是一种特殊的对象类,往往用于表达某种类型的地理实体,如道路、学校等。

(5)关系类

现实世界中的各种现象是普遍联系的,而联系本身也是一种特殊现象,具有多种表现形式。在面向实体的空间数据模型中,对象之间的联系被称作关系,是一种特殊的对象。

房屋所有者和房屋之间的产权关系,具有公共边界的行政区之间的相邻关系,甲乙双方之间的合同关系,都是对象之间关系的实例。

在该模型中,关系被分为空间关系和非空间关系。其中:

①空间关系与对象的位置和形态等空间特性有关,包括距离关系和拓扑关系。拓扑关系如水管和阀门的连接关系、两条道路的相交关系;

②非空间关系是对象属性之间存在的关系,如甲乙方之间的合同关系。

关系类是关系的集合,一般在对象类、要素类、注记类、修饰类的任意两者之间建立关系类。

(6)注记类

注记是一种标识要素的描述性文本,分为静态注记、属性注记和维注记。其中:

①静态注记是一种内容和位置固定的注记,包括注记和版面。

②属性注记的内容来自要素的属性值,显示属性注记时,动态地将属性值填入注记模板。因此也称为动态注记,属性注记直接和它要标注的要素相关联,移动要素时,注记跟随移动,注记的生命期受该要素的生命期控制。

③维注记是一种特殊类型的地图注记,仅用来表示特定的长度和距离。维分为平行维和线性维,平行维与基线平行,表示真实距离;线性维可以是垂直、水平或旋转的,并不表示真实距离。

注记的集合构成注记类。

(7)修饰类

修饰类用于存储修饰地图或者辅助制图的要素,包括几何图形、接图表、图例、指北针、图框、比例尺、贴片和块。其中:

①几何图形包括点、线、多边形。线和多边形边界可以是下列类型之一:折线、弧线、圆、椭圆、弧、矩形、样条、bezier曲线。几何图形主要考虑图面的要求、对平面拓扑和形态没有严格要求,如多边形的端点不要求严格重合,线可以自相交。

②图框分为内图框和外图框。

③贴片是一种带图示化信息的矩形框,用于遮盖不需要显示的图形。

④块是修饰类要素的组合,可以自由组合或拆散。

(8)动态类

动态类是一种特殊的对象类,是空间位置随时间变化的动态对象的集合。动态对象的位置随时间变化形成轨迹,动态类中记录轨迹的信息,包括x、y、z、t和属性。

(9)几何网络

几何网络是边要素和点要素组成的集合,边要素和点要素相互联系,一条边连接两个点,一个点可以连接大量的边。边要素可以在二维空间交叉而不相交,如立交桥。几何网络中的要素表示网络地理实体,如道路、车站、航线等。

每一个几何网络都有一个逻辑网络与之对应,逻辑网络依附于几何网络,由边元素、结点元素、转角元素以及连通性元素组成。

逻辑网络中的元素没有空间特性,即没有坐标值。逻辑网络存储网络的连通信息,是网络分析的基础。

4.要素类的数据组织方式

要素类由要素组成,每个要素包含属性、几何元素和图示化信息这三部分内容。几何元素有两种数据组织方式:

(1)直接存储简单点、简单线、简单多边形。这种组织方式使得该模型与传统的简单要素模型兼容;

(2)按照几何元素-几何实体-几何数据三个层次组织和存储空间信息。这种组织方式使该模型与传统的拓扑数据模型兼容,但表达能力更强,可描述几何形态较为复杂的地理实体,如水系。在三个层次中:

几何数据包含点和弧段,弧段可以是折线、圆、椭圆、弧、矩形、样条、bezier曲线之一,是地理实体的特征点或边界线。

几何实体分为点状、线状、面状。点状几何实体由几何数据层的1个点或多个点组成;线状几何实体由1到多条弧段有序组成;面状几何实体由1到多条弧段有序构成的多边形表示。

几何元素由任意多个点状、线状和面状几何实体组成,共同表达要素的几何特征。

几何元素的这种组织方式使得用户能够在同一个要素类中存储空间重叠的不同要素,如“铁路”要素类中京汉线和京广线;使用户能够按照语义对要素进行分类和组织,而不是按照几何形态对要素进行分类和组织。

通过在要素类上施加空间规则,可以限制要素类中一条弧段是否只能有左右多边形各一个。

5.视图

视图展现给用户的是对应类中的部分空间数据,部分属性数据,或者两者之一。MAPGIS7.0视图具有以下特点:

(1)MAPGIS7.0提供要素类、对象类、注记类、动态类的视图;

(2)视图是根据给定的空间条件、属性条件在原始类中选择数据,但是这些数据本身并没有复制,仅仅是逻辑上的拷贝;

(3)视图本身仅存储创建这个视图的空间条件和属性条件。空间条件包括矩形范围、类和子类型,属性条件包括纵向条件和横向条件,纵向条件限制视图所包含的字段,横向条件通过条件表达式(如:“面积<500”)限制视图的记录范围;

(4)MAPGIS7.0将视图分为只读视图和可读写视图。

6.空间关系定义

根据空间相关性,可将关系划分为空间关系和非空间关系。关系可以仅仅表示对象之间的联系,除此之外,没有其它含义,即关系没有属性;关系也可以有特定的含义,有属性的,如合同关系中每一条关系都与一份合同对应。

MAPGIS7.0提供了完整的关系支持,包括齐全的空间关系和非空间关系,如图2-4所示。

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图2-4 空间关系

(1)空间关系

①距离关系

距离关系是最常见的空间关系之一,一般采用欧式距离。

②拓扑关系

拓扑关系是另一类空间关系,这种关系不随距离、角度的变化而变化。如相邻多边形与公共弧段之间的关系,几何网络中边-边的连接关系。

MAPGIS7.0按照九交模型定义拓扑关系,其中有现实意义的拓扑关系包括:相交、相接、相等、分离、包含、包含于、覆盖、被覆盖、交叠等九种。

MAPGIS7.0完全支持基于数据结构和基于空间规则的拓扑关系表达方式。基于数据结构的拓扑关系表达方式只能表达要素类内部要素之间的平面拓扑关系,但比较适用于地藉管理等应用领域。基于空间规则的拓扑关系表达方式灵活,容易表达同类要素之间的关系,也容易表达不同要素类之间的拓扑关系,如县级行政区必须包含于省级行政区。

(2)非空间关系

非空间关系是对象属性之间存在的关系,与对象的语义有关,包括:关联关系、继承关系、组合关系、依赖关系。其中:

①关联关系是最一般的关系,关系两端的对象相互独立,不存在依赖;

②继承关系包括完全继承和部分继承,完全继承是指子类继承父类的所有属性,部分继承是指子类只继承父类的部分属性,实际应用中,子类往往是父类的特例,如某地区属于沉积岩,也属于砂岩,砂岩继承了沉积岩的属性。

③组合关系是部分与整体的关系,组合关系分为聚集和组成。聚集是指组合体与各部分具有不同的生命期;组成则是指组合体与各部分具有相同的生命期,也就是同生共死。聚集关系如:计算机和它的外围设备,一台计算机可能连接到零台或者多台打印机,即使没有所连接的计算机,那台打印机也可以生存;组成关系如:电线杆(原始对象)和变压器(目的对象)之间可以构成一对多的组成关系,一旦电线杆被删除,变压器也要被删除;

④依赖关系由对象的语义引起,如某段行政边界以河流中心线为准。依赖关系也称为引用关系。

关系多重性

非空间关系具有多重性,具体表现为1-1、1-M、N-M。

7.有效性规则

对象特性的一个特殊表现是某些属性的取值往往存在边界条件,对象之间的关系(包括空间关系)甚至关系本身存在某种约束条件。所有这些限制条件统称为有效性规则。MAPGIS7.0中,有效性规则分为4种类型:属性规则,空间规则,连接规则,关系规则。有效性规则可以作用在类上,也可以作用在子类型上。

(1)属性规则与定义域

属性规则用于约定某个字段的缺省值,限定取值范围,设置合并和拆分策略。属性规则通过“定义域”来表达,取值范围分连续型和离散型,相应地把定义域分为范围域和编码域。

范围域适用于数值型、日期型、时间型等可连续取值的字段类型,编码域除了可以适用于连续取值类型外,还可用于字符串等类型的字段。

合并和拆分策略定义要素合并和拆分时属性字段的变化规则,合并策略包括:缺省、累加、加权平均,拆分策略包括:缺省、复制、按比例。如地块合并,合并后的要素属性“地价”可定义为“累加”策略。

(2)空间规则

空间规则作用于要素类或要素类之间,用于限定要素在某个空间参照系中的相互关系。空间规则如:

①要素类中每条弧段只能作为两个多边形的边界;

②要素类中多边形之间不能重叠;

③要素类中多边形之间不能有缝隙;

④“城镇”要素必须落在“行政区”要素内部;

⑤不能有悬挂线;

⑥线不能自相交;

⑦“阀门”必须与“水管”的端点重合;

(3)关系规则

关系规则随着关系的产生而产生,用于限定对象之间关系映射的数目。例如:原始类和目的类之间建立了N-M的关系,则通过关系规则可以限定关系的原始对象数是1-3,目的对象数是*-5,即原始类中的每个对象与目的类中至少1个、最多3个对象建立关系;而目的类中的对象可以和原始对象没关系,但最多只能与5个原始对象有关系。

(4)连接规则

连接规则主要使用在几何网络中,用以约束可能和其它要素相连的网络要素的类型,以及可能和其他任何特殊类型相连的要素的数量。有两种类型的连接规则:边对边连接规则、点对边连接规则。

边对边规则约束了哪一种类型的边通过一组结点可以与另一种类型的边相连。点对边规则约束了哪一种边类型可以和哪一种结点类型相连。

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