1、2.5 GIS空间数据模型 一、数据模型概述 数据模型是对现实世界部分现象的抽象，它描述了数据的基本结构及其相互之间 的关系和在数据上的各种操作。 是数据库系统中关于数据内容和数据间联系的逻辑组织的形式表示， 以抽象的形式描述和反映地理实体构成及其相互关系。 选择与建立数据模型的目的是用最佳的方式表达实体对象及其相互关系，并能以 最佳的方式为用户提供访问数据库的逻辑接口 数据模型的三要素：数据结构、数据操作和数据的约束条件 数据结构：指数据的组织形式，在计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构 数据模型：是描述实体及其相互关系的数学描述，是空间数据库建立的逻辑 模型。 两者之间的关系：混合的交叉关
2、系，并不一一对应。 二、传统的数据模型 1.层次数据模型u层次模型是一种树结构模型，它把数据按自然的层次关系组织起来，以反映数据之间的隶属关系。u层次模型是数据库技术中发展最早、技术上比较成熟的一种数据模型。u层次模型的特点是地理数据组织成有向有序的树结构(又称树形结构)。结构中的结点代表数据记录，连线描述位于不同结点数据间的从属关系(一对多的关系) 2.5 GIS空间数据模型 二、传统的数据模型 1.层次数据模型由树的定义知，一棵树有且仅有一个无双亲结点的称为根的结点；其余结点有且仅有一个双亲结点优点：将数据组织成有向有序结构 反映了现实世界中实体之间 的层次关系缺点：不能表示多对多的关系难
3、以 顾及实体之间的拓扑关系导 致数据冗余2.5 GIS空间数据模型 二、传统的数据模型 2.网状数据模型网状模型将数据组织成有向图结构，图中的结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的联系。基本特征是，结点数据之间没有明确的从属关系，一个结点可与其它多个结点建立联系，即结点之间的联系是任意的，任何两个结点之间都能发生联系，可表示多对多的关系。 2.5 GIS空间数据模型 二、传统的数据模型 2.网状数据模型优点：可以描述现实世界中极为常 见的多对多的关系缺点：结构的复杂性限制了它在空 间数据库的使用2.5 GIS空间数据模型 二、传统的数据模型 3.关系数据模型在关系数据模型中，数据的逻辑结构
4、为满足一定条件的二维表，表具有固定的列数和任意行数，在数学上称为“关系”。 二维表是同类实体的各种属性的集合，每个实体对应表中的一行，在关系中称为元组，相当于通常的一个记录； 表中的列表示属性，称为域，相当于通常的记录中的数据项。满足一定条件的规范化关系的集合，就构成了关系模型。使用SQL语言对其进行操作。 2.5 GIS空间数据模型 二、传统的数据模型 3.关系数据模型优点：结构简单灵活； 容易维护和理解，表现在数据的修改和更新方便； 有些系统甚至采用关系数据库系统管理几何图形数据。缺点：效率不高； 难以表达对象，尤其是复杂对象。2.5 GIS空间数据模型 二、传统的数据模型 4.传统数据模
5、型的比较2.5 GIS空间数据模型 二、传统数据模型存储空间数据的局限性 1.层次数据模型用于GIS地理数据库的局限性 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 2）对任何对象的查询都必须从根结点开始，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。2.5 GIS空间数据模型 二、传统数据模型存储空间数据的
6、局限性 2.网状数据模型用于GIS地理数据库的局限性 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。2.5 GIS空间数据模型 二、传统数据模型存储空间数据的局限性 3.关系数据模型用于GIS地理数据库的局限性 在GIS分析中，需要综合运用实体之间的空间关系和属性数据，要求GIS数据库能对实体的属性数据和空间数据进行综合管理。空间 数据库属性为火车站的点所有属性为汽车站的点空间 计算距离最近的汽车站检索检
7、索GIS分析找离火车站最近的汽车站？2.5 GIS空间数据模型 二、传统数据模型存储空间数据的局限性 3.关系数据模型用于GIS地理数据库的局限性 对属性数据用通用RDBMS可以很好管理，但对于空间数据一般DBMS却有局限，表现为： 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）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。2.5 GIS空间数据模型 二、
8、传统数据模型存储空间数据的局限性 3.关系数据模型用于GIS地理数据库的局限性 对属性数据用通用RDBMS可以很好管理，但对于空间数据一般DBMS却有局限，表现为： 4）一般RDBMS难于存储和维护变长的空间数据及其拓扑关系 5）一般RDBMS难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加基本操作。 6）一般DBMS不能支持GIS需要的一些复杂图形功能 7）一般RDBMS难以支持复杂的地理信息 8）一般RDBMS难以维护系统数据的完整性。2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 1.面向对象的基本思想 通过对问题领域进行自然的分割， 用更接近人类通常思维的方式建立问题领域的模型， 并进行结构模
9、拟和行为模拟， 从而使设计出的软件能尽可能地直接表现出问题的求解过程。 2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 2.基本概念 对象：含有数据和操作方法的独立模块，可以认为是数据和行为的统一体。 对于一个对象，应具有如下特征： A. 具有一个唯一的标识，以表明其存在的独立性； B. 具有一组描述特征的属性，以表明其在某一时刻的状态 (静态属性数据) C. 具有一组表示行为的操作方法，用以改变对象的状态(作用,功能函数,方法)地理对象属性 数据行为方法划分原则：找共同点，所有具有共性的系统成份就可为一种对象。2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 2.基本概念 类：共享同一属性和方法集
10、的所有对象的集合构成类。 从一组对象中抽象出公共的方法和属性，并将它们保存在一类中，是面向对象的 核心内容。如河流均具有共性，如名称、长度、流域面积等，以及相同的操作 方法，如查询、计算长度、求流域面积等，因而可抽象为河流类。 实例：被抽象的对象，类的一个具体对象 类是抽象的对象，是实例的组合，类、实例是相对的，类和实例的关系为上下 层关系。 类申请实例成为具体对象。 类实例A实例B2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 2.基本概念 消息：对对象进行操作的请求，是连接对象与外部世界的唯一通道。 方法：对对象的所有操作，如对对象的数据进行操作的函数、指令等。 对 象 A对 象 B请求和协
11、作消息2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 3.面向对象的特性 抽象：是对现实世界的简明表示。 对象是抽象思维的结果。 抽象思维是通过概念、判断、推理 来反映对象的本质，揭示对象内部 联系的过程。 面向对象方法具有很强的抽象表达能力，可以将对象抽象成对象类， 实现抽象的数据类型，允许用户定义数据类型。对 象 A对 象 C对 象 B现实世界抽象2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 3.面向对象的特性 封装：指把对象的状态及其操作集成化， 使之不受外界影响。 也即将方法与数据放于一对象中， 以使对数据的操作只可通过该对象本身的方法来进行。 一对象不能直接作用于另一对象的数据，对象间
12、的通信只能通过消 息来进行。 封装是一种信息隐蔽技术，封装的目的 在于将对象的使用者和对象的设计者分开， 用户只能见到对象封装界面上的信息， 对象内部对用户是隐蔽的。 属性|数据行为|方法地理对象封装2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 3.面向对象的特性 多态：是指同一消息被不同对象接收时，可解释为不同的含义。 发送一般的消息，把实现的细节都留给接收消息的对象。 即相同的操作可作用于多种类型的对象，并能获得不同的结果。 功能重载-多态，简化消息，但功能不减。 LineDraw()图元类CLineDraw(p1, p2)Draw(p1, r)CCircleCircle2.5 GIS空间
13、数据模型 三、面向对象模型 4.四种核心技术 分类：把一组具有相同属性结构和操作方法的对象归纳或映射为一个 公共类的过程。 对象和类的关系是“实例”(instance of ) 如城镇建筑可分为行政区、商业区、住宅区、文化区等若干个类。 以住宅区类而论，每栋住宅作为对象都有门牌号、地址、电话号码等相同的 属性结构，但具体的门牌号、地址、电话号码等是各不相同的。 当然，对它们的操作方法如查询等都是相同的。 在面向对象的数据库中，只需对每个类定义一组操作，供该类中的每个对象使用，而类中每一个对象的属性值要分别存储，因为每个对象的属性值是不完全相同的。 2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型
14、4.四种核心技术 概括：将相同特征和操作的类再抽象为一个更高层次、更具一般性的 超类的过程。子类是超类的一个特例。(继承机制) 子类与超类是“即是”的关系(is-a) 概括可能有任意多层次 概括技术避免了说明和存储上的大量冗余。 如住宅地址、门牌号、电话号码等是“住宅”类的实例(属性)， 同时也是它的超类“建筑物”的实例(属性)。 概括需要一种能自动地从超类的属性和操作中获取子类对象的属性 操作的机制，即继承机制。 城市住宅农村住宅住 宅建筑城市住宅农村住宅住 宅2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 4.四种核心技术 聚集：是把几个不同性质类的对象组合成一个更高级的复合对象的过程。 “
15、成分”与“复合对象”的关系是“部分”(partsof)的关系, 如医院由医护人员、病人、门诊部、住院部、道路等聚集而成 每个不同属性的对象是复合对象的一个部分，有自己的属性数据和操作方法； 复合对象也有自己的属性值和操作，复合对象的操作与其成分的操作是不兼容的 2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 4.四种核心技术 联合：将同一类对象中的几个具有部分相同属性值的对象组合起来， 形成一个更高水平的集合对象的过程。 “成员”与“集合对象”的关系是“成员”(memberof)的关系。 在联合中，强调的是整个集合对象的特征，而忽略成员对象的具体细节。 集合对象通过其成员对象产生集合数据结构，
16、集合对象的操作由其成员对象的操作组成。 如一个农场主有三个水塘，它们使用同样的养殖方法，养殖同样的水产品， 由于农场主、养殖方法和养殖水产品等三个属性都相同， 故可以联合成一个包含这三个属性的集合对象。 2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 5.面向对象的核心工具 继承：一类对象可继承另一类对象的特性和能力，子类继承父类的共性，继承不仅一类对象可继承另一类对象的特性和能力，子类继承父类的共性，继承不仅 可以把父类的特征传给中间子类，还可以向下传给中间子类的子类。可以把父类的特征传给中间子类，还可以向下传给中间子类的子类。 继承服务于概括。继承机制减少代码冗余，减少相互间的接口和界面。继
17、承服务于概括。继承机制减少代码冗余，减少相互间的接口和界面。 A.单重继承，仅有一个直接父类的继承，要求每一个类最多只能有一个中间父类。 这种限制意味着一个子类只能属于这种限制意味着一个子类只能属于 一个层次，而不能同时属于几个不一个层次，而不能同时属于几个不 同的层次。形成明显的层次关系同的层次。形成明显的层次关系 B.多重继承，允许子类有多于一个的直接父 类的继承。 多重继承允许几个父类的属性和多重继承允许几个父类的属性和 操作传给一个子类，这就不是层操作传给一个子类，这就不是层 次结构。次结构。高速公路运河通航河流 不通航河流交通运输水 系人工交通运输线 自然交通运输线河流池塘城市住宅农
18、村住宅住 宅属性：住宅名操作：进入住宅2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 5.面向对象的核心工具 传播：用于描述复合对象对成员对象的依赖性并获得成员对象的属性的过程。 它通过一种强制性的手段将成员对象的属性信息传播给复合对象。 传播是一种作用于聚集和联合的工具 复合对象的某些属性值不单独存于数据库中，而由子对象派生或提取，将子(成员) 对象的属性信息强制地传播给复合对象。这些操作包括“sum, average, min, max” 如一个国家最大城市的人口数是这个国家所有城市人口数的最大值， 一个省的面积是这个省所有县的面积之和 继承与传播的区别 1）继承服务于概括，传播作用于联合和
19、聚集； 2）继承是从上层到下层，应用于类，而传播是自下而上，直接作用于对象； 3）继承包括属性和操作，而传播一般仅涉及属性； 4）继承是一种信息隐含机制，而传播是一种强制性工具。 2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 6.面向对象数据模型的含义 含义：指在更高层次上综合利用和管理多种数据结构和数据模型，并用面向 对象的方法进行统一的抽象，从而可以有效地描述复杂的事物或现象。 其具体实现就是面向对象的数据结构。 特点 A. 面向对象模型最适合于空间数据的表达和管理，它不仅支持变长记录，且 支持对象的嵌套，信息的继承和聚集。 B. 允许用户定义对象和对象的数据结构及它的操作，因而具有可扩充
20、性。 C. 面向对象的地理数据模型的核心是对复杂对象的模拟和操纵。2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 6.面向对象数据模型的含义 复杂对象及特点： 指具有复杂结构和操作的对象。 复杂对象可以由多种关系聚合抽象而成，或由不同类型的对象构成， 或具有复杂的嵌套关系等。 复杂对象的特点可归结为： A)一个复杂对象由多个成员对象构成，每个成员对象又可参与其它对象的构成； B)具有多种数据结构，如矢量、栅格、关系表等； C)一个复杂对象的不同部分可由不同的数据模型所支持，可以分布于不同的 数据库中。2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 6.面向对象数据模型的含义 面向对象的几何数据模型
21、 从几何方面划分，GIS的各种地物对象为点、线、面状地物以及由它们混合组成 的复杂地物。每一种几何地物又可能由一些更简单的几何图形元素构成。 空间地物 复杂地物 线状地物 面状地物 点状地物 节 点 弧 段 面 域 简单地物如图，节点的坐标传播给弧段，弧段聚集成线状地物或面状地物，简单地物聚集或联合组成复杂地物2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 6.面向对象数据模型的含义 拓扑关系与面向对象模型 将每条弧段的两个端点抽象出来，建立单独的结点对象类型， 而在弧段的数据文件中，设立两个结点子对象标识号，可用“传播”的工具 提取结点文件的信息。 这一模型既解决了数据共享问题，又建立了弧段与
22、节点的拓扑关系。 同样，面状地物对弧段的聚集方式与数据共享和几何拓扑关系的建立也达到一致。面域文件面标识弧段标识 弧段文件弧段标识起结点终结点中间点串 结点文件结点标识XY 2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 6.面向对象数据模型的含义 面向对象的属性数据模型 面向对象数据模型是在包含RDBMS的功能 基础上，增加面向对象数据 模型的封装、继承和信息传 播等功能。 耕地耕地园地园地林地林地居民地居民地牧草地牧草地未用地未用地交通用地交通用地水域水域GISGIS城镇城镇农村居民点农村居民点工矿地工矿地控制点控制点电力设施电力设施公园公园 街道街道建筑物操作：查询插入删除属性：标识码区号
23、 街道号房主等建筑日期： 职员库操作属性职员编号工资姓名饭店设施库房间床位操作属性工厂工厂医院医院学校学校居民住宅居民住宅饭店饭店商店商店邮局邮局银行银行2.5 GIS空间数据模型 三、面向对象模型 6.面向对象数据模型的含义 面向对象地理数据模型的特点 1)可充分利用现有数据模型的优点。 是一种基于抽象的模型，允许设计者在基本功能上选择最为适用的技术。如可以把矢 量和栅格数据结构统一为一种高层次的实体结构，这种结构可以具有矢量结构和栅格 结构的特点，但实际的操作仍然是矢量数据用矢量运算，栅格数据用栅格算法。 2)具有可扩充性。 由于对象是相对独立的，因此可以很自然和容易地增加新的对象，并且对
24、不同类型的 对象具有统一的管理机制。 3)可以模拟和操纵复杂对象。 传统的数据模型是面向简单对象的，无法直接模拟和操纵复杂实体，而面向对象的 数据模型具备对复杂对象进行模拟和操纵的能力。2.5 GIS空间数据模型 四、时空数据模型 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)，而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，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
25、其管理；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3-17），描述这种数据，是TGIS数据模型的重点要解决的问题。 2.5 GIS空间数据模型 四、时空数据模型 2 TGIS的研究思路 TGIS海量数据的处理必然导致数学模型的根本变化。TGIS问题的最终解决在于“可与拓扑论相类比的”全新数学思路的出现。目前可以研究TGIS技术，以便在SGIS的框架中用TGIS技术实现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。 2.5 GIS空间数据模型
