第二章从现实世界到比特世界

第二章从现实世界到比特世界 地理信息系统——原理、方法和应用

课题：从现实世界到比特世界 目的要求：了解空间认知学对现实世界进行抽象的过程,理解地理认知模型和空间数据库模型的概念和作用，加深对空间数据和空间信息的理解。教学重点：地理认知模型、空间数据库模型教学难点：认知学对现实世界进行抽象的过程教学课时：1课时教学方法: 讲授本次课涉及的学术前沿：地理认知模型（面向对象场网络）

学习目标 • 了解空间认知学对现实世界进行抽象的过程 • 理解地理认知模型和空间数据库模型的概念和作用，加深对空间数据和空间信息的理解。

地理信息流与地理信息科学三个领域

1．对现实世界的地理认知 • 地理空间认知的含义 • 地图认知模型 • 地图是客观世界的形象——符号——概括模型 • 地理客体的科学认知

（1）地理空间认知 地理空间认知：研究人类如何认知自己赖以生存的地理环境（主要指地球的四大圈层 – 岩石圈、水圈、大气圈、生物圈），包括位置、分布、关系、变化和规律等。

（1）地理空间认知 地理空间认知过程：经过地理感知、表象再现、地理记忆和地理思维四个过程，借助图像或者地图（心像地图和认知制图）来实现的。心像地图是人类对地理空间多次感知的基础上（实地考察、地图参考、文献阅读）综合形成的一种印象或者心理表征；认知制图通常发生在人类使用地图的过程中，把新近获得的信息与地图信息综合起来进行决策，如：定位、定向、导航等。

（2）地图认知模型 地图编制者的认识模型制图活动过程地图使用者的认识模型

（3）地图是客观世界的形象——符号——概括模型（3）地图是客观世界的形象——符号——概括模型 • 地图具有形象性，能对实际对象做出完整的、清晰的、和直观的图形描述和说明 • 地图是采用专门设计和事先规定的符号来反映地物、现象和地理过程 • 地图是通过地图制图工作者通过对地物进行取舍、图形化简、数量和质量概括、抽象出来的模型。

（4）地理客体的科学认知 • 地理认知：制图过程，读图过程 • 地理认知是地理模型的基础，是制图概括的基础 • 地理认知贯穿于制图概括的整个过程（设计阶段，编绘阶段）

OGC 九层次抽象 地理点列 point 项目世界 Project world 尺度世界 Dimensional world 几何特征 geometry 地理空间世界 Geospatial world 感知世界工程世界概念世界 Conceptual world 地理要素 feature 现实世界 Real world 地理要素集合 Feature collections 2．现实世界的抽象

现实世界 概念世界

地理空间世界 维度世界

项目世界

现实世界 地里实体或现象认知、抽象与概念模型化概念模型概念世界（大脑）最高层设计逻辑数据模型中间层实现数据世界（机器）最低层物理数据模型 2．现实世界的抽象 • 三层次模式

3．比特世界 • 3.1 比特世界现实世界与数学模型的关系

3.2 GIS空间数据建模 数据建模相关的概念 (1)模型：是对现实世界的模拟和抽象，是将系统的各个要素通过适当的筛选，用一定的表现规则描写出来的简明映像 (2)数据模型： ◇也是一种模型，它是现实世界数据特征的抽象，表示实体以及实体间的联系。 ◇根据一定的方案建立的数据逻辑组织方式。 ◇对数据库而言，数据模型反映了数据的整体逻辑结构，或用户所看到的数据之间的逻辑结构，反应了实体之间的逻辑关系。

3.2 GIS空间数据建模 数据建模相关的概念 (3)数据建模：是指把现实世界的数据组织为有用且能反映真实信息的数据集的过程。数据建模过程第一步，选择一种数据模型来对现实世界的数据进行组织；第二步，选择一种数据结构来表达该数据模型；第三步，选择一种适合于记录该数据结构的文件格式。

3.2 GIS空间数据建模 GIS空间数据建模的基本任务: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，设计在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构等。空间数据模型的三个层次

3.3 GIS空间数据模型的概念与分类 一、空间数据模型的发展与数据库技术的发展密切相关。 • 第一代层次与网状数据库（以1969年IBM公司研制的IMS为标志）带动了GIS层次数据模型（Hierarchical Model）和网络数据模型（Network Data Model）的发展； • 第二代关系数据库（以Oracle, SQL Server, Sybase为代表）带动了GIS关系数据模型的发展； • 而面向对象的数据模型技术对数据库技术的发展产生了深远的影响，成为第三代数据库系统的主要标志，进而促进了GIS面向对象数据模型Object-oriented Data Model）的发展。第三代数据库系统的主要特点是数据库技术和其他技术相结合，表现为分布式数据库、工程数据库、演绎数据库、多媒体数据库、地理数据库等新技术层出不穷，进而带动了GIS超图数据模型的研究和发展。

3.3 GIS空间数据模型的概念与分类 地理空间认知模型（概念模型）、地理空间数据模型（逻辑模型）、地理空间数据结构（物理模型），构成了对地理实体、现象及其关系，从地理现实世界到计算机世界（数据世界）的三个表达层次。

3.3 GIS空间数据模型的概念与分类

3.3 GIS空间数据模型的概念与分类 • 二、GIS空间数据模型的概念与分类 • GIS空间概念数据模型（基于要素的模型，网络模型，场模型）（空间认知模型） • 空间逻辑数据模型（空间数据模型） • 传统数据模型 • 结构化逻辑数据模型（层次、网络） • 面向操作的逻辑数据模型（关系） • 矢量模型，栅格模型，数字高程模型，面向对象模型，混合数据模型（TIN与矢量的一体化模型，栅格与矢量一体化的多级格网模型） • 物理数据模型（空间数据结构）设计空间数据的物理组织、空间存取方法、数据库总体存储结构等。

代码映射与具体操作 空间数据模型空间数据结构抽象概括与概念集合 3.3 GIS空间数据模型的概念与分类三、空间数据模型与空间数据结构之间的区别与联系：空间数据模型：是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供着基本方法。空间数据结构：是指对空间数据进行合理的组织，以便于进行计算机处理。数据结构是数据模型和计算机文件格式之间的中间媒介。区别与联系：两者之间的区别很模糊，事实上，空间数据模型是空间数据表达的概念模型，数据结构是数据表达的物理实现，后者是前者的具体实现。

3.3 GIS空间数据模型的概念与分类 空间数据模型是人们对客观现实世界抽象表达的重要方式，处于对地理实体或现象抽象表达层次模式的中间层。它是由现实世界到计算机世界的必经之路，是定义空间数据结构、建立空间数据库的重要依据。

3.3 GIS空间数据模型的概念与分类 四、传统数据模型 1、层次模型空间图形空间图形的层次数据模型表示

四、传统数据模型 2、网络数据模型 3.3 GIS空间数据模型的概念与分类图形的网络数据模型表示

3.3 GIS空间数据模型的概念与分类 四、传统数据模型 3、关系数据模型关系4：节点坐标关系

3.3 GIS空间数据模型的概念与分类 四、传统数据模型 4、传统数据模型存在的主要问题传统的数据模型在描述空间信息方面还存在着一些问题。主要表现在：

3.3 GIS空间数据模型的概念与分类 (1) 层次模型用于GIS地理数据库的局限性层次模型反映了地理世界中实体之间的层次关系，在描述地理世界中自然的层次结构关系时简单、直观，易于理解，并在一定程度上支持数据的重构。它用于GIS地理数据库存在的主要问题是： 1°很难描述复杂的地理实体之间的联系，描述多对多的关系时导致物理存储上的冗余；

3.3 GIS空间数据模型的概念与分类 2°对任何对象的查询都必须从层次结构的根结点开始，低层次对象的查询效率很低，很难进行反向查询； 3°数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，插入和删除操作比较复杂，父结点的删除意味着其下层所有子结点均被删除； 4°层次命令具有过程式性质，要求用户了解数据的物理结构，并在数据操纵命令中显式地给出数据的存取路径； 5°基本不具备演绎功能和操作代数基础。

3.3 GIS空间数据模型的概念与分类 • (2)网状模型用于GIS地理数据库的局限性网状模型是层次模型的一般形式，反映了地理世界中常见的多对多关系，在一定程度上支持数据的重构，具有一定的数据独立和数据共享特性，且运行效率较高。用于GIS地理数据库的主要问题如下：

3.3 GIS空间数据模型的概念与分类 1°由于网状结构的复杂性，增加了用户查询的定位困难，要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自己所处的位置； 2°网状数据操作命令具有过程式性质，存在与层次模型相同的问题； 3°不直接支持对于层次结构的表达； 4°基本不具备演绎功能和操作代数基础。

3.3 GIS空间数据模型的概念与分类 • (3) 关系模型用于GIS地理数据库的局限性关系模型表示各种地理实体及其间的关系，方式简单、灵活，支持数据重构；具有严格的数学基础，并与一阶逻辑理论密切相关，具有一定的演绎功能；关系操作和关系演算具有非过程式特点。尽管如此，关系模型用于GIS地理数据库也还存在一些不足。主要问题是：

3.3 GIS空间数据模型的概念与分类 1°无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构，模拟和操作复杂地理对象的能力较弱； 2°用关系模型描述本身具有复杂结构和涵义的地理对象时，需对地理实体进行不自然的分解，导致存储模式、查询途径及操作等方面均显得语义不甚合理； 3°由于概念模式和存储模式的相互独立性，及实现关系之间的联系需要执行系统开销较大的联接操作，运行效率不够高。不难看出，关系模型的根本问题是不能有效地管理复杂地理对象。

作业及思考题 • 1、空间数据模型和空间数据结构概念的区别和联系是什么？ • 2、分析比较三种传统的数据模型存储空间图形数据的方法和特点，它们存在的问题是什么？ 3、给出下图的关系数据模型示意图。

第三章空间数据模型 地理信息系统——原理、方法和应用

课题：空间数据模型 目的要求：了解空间数据模型的类型及其特点，理解场模型和要素模型，重点掌握矢量数据模型和栅格数据模型以及在这两种模型下空间实体表达的方式。理解基于要素空间关系分析中九交模型的表达方式，理解网络模型的特点。教学重点：矢量数据模型和栅格数据模型及空间实体的表达、九交模型教学难点：空间关系的类型，空间关系分析中的九交模型表达教学课时：4课时教学方法: 讲授本次课涉及的学术前沿：时空模型三维模型

学习目标 • 了解空间数据模型的类型及其特点 • 理解场模型和要素模型 • 重点掌握矢量数据模型和栅格数据模型以及在这两种模型下空间实体表达的方式。 • 理解基于要素空间关系分析中九交模型的表达方式 • 理解网络模型的特点

1. 空间数据模型的基本问题 • 地理空间(Geo-spatial)的概念概念：是指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。我们通常所说的地理空间即地球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域。地理空间（Geo-spatial）一般分为：绝对空间：是具有属性描述的空间位置的集合，它由一些列不同位置的空间坐标值组成。相对空间：是具有空间属性特征的实体的集合，由不同实体间的空间关系构成。

1. 空间数据模型的基本问题 • 空间数据模型 • 概念：是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供着基本方法。 • 类型： • 基于对象（要素）（Feature）的模型：离散对象描述 • 网络（Network）模型：交通、水系等网络状对象描述 • 场（Field）模型：连续对象的描述（二维，三维）

1. 空间数据模型的基本问题 • GIS空间数据模型的学术前沿 • 时空数据模型：核心问题是研究如何有效地表达、记录和管理现实世界的实体及其相互关系随时间不断发生的变化。 • 三维空间数据模型：三维矢量模型和体模型 • 分布式空间数据模型：分布式空间数据库管理系统和联邦空间数据库 • CASE工具（计算机辅助软件工程工具）:发展GIS空间数据建模与系统设计的专用功能，提高GIS空间数据建模及其应用系统设计的自动化程度和技术水平

2. 场模型 场模型： • 适合用来描述具有一定空间内连续分布特点的对象 • 根据应用的不同场可以表现为二维或三维场 • 场的表现形式 • 通常由一系列等值线组成，等值线就是地面上所有具有相同属性值的点的有序集合 • 举例：覆盖Coverage，对现象建模如温度，土壤分布等等。

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。下表给出了地理研究中一些场模型的例子[A. Vckovski]。

2. 场模型 • 场的特征： • 空间结构特征和属性域(欧几里德空间，属性域) • 连续的、可微的、离散的 • 各向同性和各向异性（其场内性质与方向有关或无关） • 空间自相关（对场中的数值聚集程度的一种度量）强空间正负自相关模式在各向同性与各向异性场中的旅行时间面

2. 场模型 • 栅格数据模型 • 栅格数据模型是基于连续铺盖的，它是用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间；铺盖可以分为规则的和不规则的，后者可当做拓扑多边形处理三角形、方格和六角形划分栅格数据模型

3．要素模型 1. 基本概念 • 欧氏空间：带坐标的可测量点之间的距离和方向的空间模型 • 欧氏平面：把空间特性转换成实数的元组特性，而形成的二维模型即欧氏平面 • 地理实体：分布于地球表面的人文和自然现象的总称实体必须符合三个条件： • 可被识别 • 重要（与问题有关） • 可被描述（有特征）

3．要素模型 • 嵌入式空间：是指空间对象存在于“空间”之中。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： • 欧式空间（距离、方位） • 量度空间（距离） • 拓扑空间（拓扑关系） • 面向集合的空间（只采用一般的基于集合的关系）

3．要素模型 1）欧氏平面上的空间对象类型

3．要素模型 2）离散欧氏平面上的空间对象

第二章 从现实世界到比特世界