GIS空間數據模型.ppt

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2 5GIS空間數據模型 一 數據模型概述數據模型是對現(xiàn)實世界部分現(xiàn)象的抽象 它描述了數據的基本結構及其相互之間的關系和在數據上的各種操作 是數據庫系統(tǒng)中關于數據內容和數據間聯(lián)系的邏輯組織的形式表示 以抽象的形式描述和反映地理實體構成及其相互關系 選擇與建立數據模型的目的是用最佳的方式表達實體對象及其相互關系 并能以最佳的方式為用戶提供訪問數據庫的邏輯接口數據模型的三要素 數據結構 數據操作和數據的約束條件數據結構 指數據的組織形式 在計算機存儲 管理和處理的數據邏輯結構數據模型 是描述實體及其相互關系的數學描述 是空間數據庫建立的邏輯模型 兩者之間的關系 混合的交叉關系 并不一一對應 二 傳統(tǒng)的數據模型1 層次數據模型層次模型是一種樹結構模型 它把數據按自然的層次關系組織起來 以反映數據之間的隸屬關系 層次模型是數據庫技術中發(fā)展最早 技術上比較成熟的一種數據模型 層次模型的特點是地理數據組織成有向有序的樹結構 又稱樹形結構 結構中的結點代表數據記錄 連線描述位于不同結點數據間的從屬關系 一對多的關系 2 5GIS空間數據模型 二 傳統(tǒng)的數據模型1 層次數據模型由樹的定義知 一棵樹有且僅有一個無雙親結點的稱為根的結點 其余結點有且僅有一個雙親結點優(yōu)點 將數據組織成有向有序結構反映了現(xiàn)實世界中實體之間的層次關系缺點 不能表示多對多的關系難以顧及實體之間的拓撲關系導致數據冗余 2 5GIS空間數據模型 二 傳統(tǒng)的數據模型2 網狀數據模型網狀模型將數據組織成有向圖結構 圖中的結點代表數據記錄 連線描述不同結點數據間的聯(lián)系 基本特征是 結點數據之間沒有明確的從屬關系 一個結點可與其它多個結點建立聯(lián)系 即結點之間的聯(lián)系是任意的 任何兩個結點之間都能發(fā)生聯(lián)系 可表示多對多的關系 2 5GIS空間數據模型 二 傳統(tǒng)的數據模型2 網狀數據模型優(yōu)點 可以描述現(xiàn)實世界中極為常見的多對多的關系缺點 結構的復雜性限制了它在空間數據庫的使用 2 5GIS空間數據模型 二 傳統(tǒng)的數據模型3 關系數據模型在關系數據模型中 數據的邏輯結構為滿足一定條件的二維表 表具有固定的列數和任意行數 在數學上稱為 關系 二維表是同類實體的各種屬性的集合 每個實體對應表中的一行 在關系中稱為元組 相當于通常的一個記錄 表中的列表示屬性 稱為域 相當于通常的記錄中的數據項 滿足一定條件的規(guī)范化關系的集合 就構成了關系模型 使用SQL語言對其進行操作 2 5GIS空間數據模型 二 傳統(tǒng)的數據模型3 關系數據模型優(yōu)點 結構簡單靈活 容易維護和理解 表現(xiàn)在數據的修改和更新方便 有些系統(tǒng)甚至采用關系數據庫系統(tǒng)管理幾何圖形數據 缺點 效率不高 難以表達對象 尤其是復雜對象 2 5GIS空間數據模型 二 傳統(tǒng)的數據模型4 傳統(tǒng)數據模型的比較 2 5GIS空間數據模型 二 傳統(tǒng)數據模型存儲空間數據的局限性1 層次數據模型用于GIS地理數據庫的局限性1 很難描述復雜的地理實體之間的聯(lián)系 描述多對多的關系時導致物理存儲上的冗余2 對任何對象的查詢都必須從根結點開始 低層次對象的查詢效率很低 很難進行反向查詢3 數據獨立性較差 數據更新涉及許多指針 插入和刪除操作比較復雜 父結點的刪除意味著其下層所有子結點均被刪除 4 層次命令具有過程式性質 要求用戶了解數據的物理結構 并在數據操縱命令中顯式地給出數據的存取路徑 5 基本不具備演繹功能和操作代數基礎 2 5GIS空間數據模型 二 傳統(tǒng)數據模型存儲空間數據的局限性2 網狀數據模型用于GIS地理數據庫的局限性1 由于網狀結構的復雜性 增加了用戶查詢的定位困難 要求用戶熟悉數據的邏輯結構 知道自己所處的位置 2 網狀數據操作命令具有過程式性質 存在與層次模型相同的問題3 不直接支持對于層次結構的表達4 基本不具備演繹功能和操作代數基礎 2 5GIS空間數據模型 二 傳統(tǒng)數據模型存儲空間數據的局限性3 關系數據模型用于GIS地理數據庫的局限性在GIS分析中 需要綜合運用實體之間的空間關系和屬性數據 要求GIS數據庫能對實體的屬性數據和空間數據進行綜合管理 2 5GIS空間數據模型 二 傳統(tǒng)數據模型存儲空間數據的局限性3 關系數據模型用于GIS地理數據庫的局限性對屬性數據用通用RDBMS可以很好管理 但對于空間數據一般DBMS卻有局限 表現(xiàn)為 1 無法用遞歸和嵌套的方式來描述復雜關系的層次和網狀結構 模擬和操作復雜地理對象的能力較弱2 描述本身具有復雜結構和涵義的地理對象時 需對地理實體進行不自然的分解 導致存儲模式 查詢途徑及操作等方面均顯得語義不甚合理3 由于概念模式和存儲模式的相互獨立性 及實現(xiàn)關系之間的聯(lián)系需要執(zhí)行系統(tǒng)開銷較大的聯(lián)接操作 運行效率不夠高 2 5GIS空間數據模型 二 傳統(tǒng)數據模型存儲空間數據的局限性3 關系數據模型用于GIS地理數據庫的局限性對屬性數據用通用RDBMS可以很好管理 但對于空間數據一般DBMS卻有局限 表現(xiàn)為 4 一般RDBMS難于存儲和維護變長的空間數據及其拓撲關系5 一般RDBMS難以實現(xiàn)對空間數據的關聯(lián) 連通 包含 疊加基本操作 6 一般DBMS不能支持GIS需要的一些復雜圖形功能7 一般RDBMS難以支持復雜的地理信息8 一般RDBMS難以維護系統(tǒng)數據的完整性 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型1 面向對象的基本思想通過對問題領域進行自然的分割 用更接近人類通常思維的方式建立問題領域的模型 并進行結構模擬和行為模擬 從而使設計出的軟件能盡可能地直接表現(xiàn)出問題的求解過程 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型2 基本概念 對象 含有數據和操作方法的獨立模塊 可以認為是數據和行為的統(tǒng)一體 對于一個對象 應具有如下特征 A 具有一個唯一的標識 以表明其存在的獨立性 B 具有一組描述特征的屬性 以表明其在某一時刻的狀態(tài) 靜態(tài)屬性 數據 C 具有一組表示行為的操作方法 用以改變對象的狀態(tài) 作用 功能 函數 方法 劃分原則 找共同點 所有具有共性的系統(tǒng)成份就可為一種對象 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型2 基本概念 類 共享同一屬性和方法集的所有對象的集合構成類 從一組對象中抽象出公共的方法和屬性 并將它們保存在一類中 是面向對象的核心內容 如河流均具有共性 如名稱 長度 流域面積等 以及相同的操作方法 如查詢 計算長度 求流域面積等 因而可抽象為河流類 實例 被抽象的對象 類的一個具體對象類是抽象的對象 是實例的組合 類 實例是相對的 類和實例的關系為上下層關系 類 申請實例 成為具體對象 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型2 基本概念 消息 對對象進行操作的請求 是連接對象與外部世界的唯一通道 方法 對對象的所有操作 如對對象的數據進行操作的函數 指令等 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型3 面向對象的特性 抽象 是對現(xiàn)實世界的簡明表示 對象是抽象思維的結果 抽象思維是通過概念 判斷 推理來反映對象的本質 揭示對象內部聯(lián)系的過程 面向對象方法具有很強的抽象表達能力 可以將對象抽象成對象類 實現(xiàn)抽象的數據類型 允許用戶定義數據類型 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型3 面向對象的特性 封裝 指把對象的狀態(tài)及其操作集成化 使之不受外界影響 也即將方法與數據放于一對象中 以使對數據的操作只可通過該對象本身的方法來進行 一對象不能直接作用于另一對象的數據 對象間的通信只能通過消息來進行 封裝是一種信息隱蔽技術 封裝的目的在于將對象的使用者和對象的設計者分開 用戶只能見到對象封裝界面上的信息 對象內部對用戶是隱蔽的 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型3 面向對象的特性 多態(tài) 是指同一消息被不同對象接收時 可解釋為不同的含義 發(fā)送一般的消息 把實現(xiàn)的細節(jié)都留給接收消息的對象 即相同的操作可作用于多種類型的對象 并能獲得不同的結果 功能重載 多態(tài) 簡化消息 但功能不減 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型4 四種核心技術 分類 把一組具有相同屬性結構和操作方法的對象歸納或映射為一個公共類的過程 對象和類的關系是 實例 instanceof 如城鎮(zhèn)建筑可分為行政區(qū) 商業(yè)區(qū) 住宅區(qū) 文化區(qū)等若干個類 以住宅區(qū)類而論 每棟住宅作為對象都有門牌號 地址 電話號碼等相同的屬性結構 但具體的門牌號 地址 電話號碼等是各不相同的 當然 對它們的操作方法如查詢等都是相同的 在面向對象的數據庫中 只需對每個類定義一組操作 供該類中的每個對象使用 而類中每一個對象的屬性值要分別存儲 因為每個對象的屬性值是不完全相同的 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型4 四種核心技術 概括 將相同特征和操作的類再抽象為一個更高層次 更具一般性的超類的過程 子類是超類的一個特例 繼承機制 子類與超類是 即是 的關系 is a 概括可能有任意多層次概括技術避免了說明和存儲上的大量冗余 如住宅地址 門牌號 電話號碼等是 住宅 類的實例 屬性 同時也是它的超類 建筑物 的實例 屬性 概括需要一種能自動地從超類的屬性和操作中獲取子類對象的屬性操作的機制 即繼承機制 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型4 四種核心技術 聚集 是把幾個不同性質類的對象組合成一個更高級的復合對象的過程 成分 與 復合對象 的關系是 部分 parts of 的關系 如醫(yī)院由醫(yī)護人員 病人 門診部 住院部 道路等聚集而成每個不同屬性的對象是復合對象的一個部分 有自己的屬性數據和操作方法 復合對象也有自己的屬性值和操作 復合對象的操作與其成分的操作是不兼容的 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型4 四種核心技術 聯(lián)合 將同一類對象中的幾個具有部分相同屬性值的對象組合起來 形成一個更高水平的集合對象的過程 成員 與 集合對象 的關系是 成員 member of 的關系 在聯(lián)合中 強調的是整個集合對象的特征 而忽略成員對象的具體細節(jié) 集合對象通過其成員對象產生集合數據結構 集合對象的操作由其成員對象的操作組成 如一個農場主有三個水塘 它們使用同樣的養(yǎng)殖方法 養(yǎng)殖同樣的水產品 由于農場主 養(yǎng)殖方法和養(yǎng)殖水產品等三個屬性都相同 故可以聯(lián)合成一個包含這三個屬性的集合對象 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型5 面向對象的核心工具 繼承 一類對象可繼承另一類對象的特性和能力 子類繼承父類的共性 繼承不僅可以把父類的特征傳給中間子類 還可以向下傳給中間子類的子類 繼承服務于概括 繼承機制減少代碼冗余 減少相互間的接口和界面 A 單重繼承 僅有一個直接父類的繼承 要求每一個類最多只能有一個中間父類 這種限制意味著一個子類只能屬于一個層次 而不能同時屬于幾個不同的層次 形成明顯的層次關系B 多重繼承 允許子類有多于一個的直接父類的繼承 多重繼承允許幾個父類的屬性和操作傳給一個子類 這就不是層次結構 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型5 面向對象的核心工具 傳播 用于描述復合對象對成員對象的依賴性并獲得成員對象的屬性的過程 它通過一種強制性的手段將成員對象的屬性信息傳播給復合對象 傳播是一種作用于聚集和聯(lián)合的工具復合對象的某些屬性值不單獨存于數據庫中 而由子對象派生或提取 將子 成員 對象的屬性信息強制地傳播給復合對象 這些操作包括 sum average min max 如一個國家最大城市的人口數是這個國家所有城市人口數的最大值 一個省的面積是這個省所有縣的面積之和 繼承與傳播的區(qū)別1 繼承服務于概括 傳播作用于聯(lián)合和聚集 2 繼承是從上層到下層 應用于類 而傳播是自下而上 直接作用于對象 3 繼承包括屬性和操作 而傳播一般僅涉及屬性 4 繼承是一種信息隱含機制 而傳播是一種強制性工具 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型6 面向對象數據模型的含義 含義 指在更高層次上綜合利用和管理多種數據結構和數據模型 并用面向對象的方法進行統(tǒng)一的抽象 從而可以有效地描述復雜的事物或現(xiàn)象 其具體實現(xiàn)就是面向對象的數據結構 特點A 面向對象模型最適合于空間數據的表達和管理 它不僅支持變長記錄 且支持對象的嵌套 信息的繼承和聚集 B 允許用戶定義對象和對象的數據結構及它的操作 因而具有可擴充性 C 面向對象的地理數據模型的核心是對復雜對象的模擬和操縱 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型6 面向對象數據模型的含義 復雜對象及特點 指具有復雜結構和操作的對象 復雜對象可以由多種關系聚合抽象而成 或由不同類型的對象構成 或具有復雜的嵌套關系等 復雜對象的特點可歸結為 A 一個復雜對象由多個成員對象構成 每個成員對象又可參與其它對象的構成 B 具有多種數據結構 如矢量 柵格 關系表等 C 一個復雜對象的不同部分可由不同的數據模型所支持 可以分布于不同的數據庫中 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型6 面向對象數據模型的含義 面向對象的幾何數據模型從幾何方面劃分 GIS的各種地物對象為點 線 面狀地物以及由它們混合組成的復雜地物 每一種幾何地物又可能由一些更簡單的幾何圖形元素構成 如圖 節(jié)點的坐標傳播給弧段 弧段聚集成線狀地物或面狀地物 簡單地物聚集或聯(lián)合組成復雜地物 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型6 面向對象數據模型的含義 拓撲關系與面向對象模型將每條弧段的兩個端點抽象出來 建立單獨的結點對象類型 而在弧段的數據文件中 設立兩個結點子對象標識號 可用 傳播 的工具提取結點文件的信息 這一模型既解決了數據共享問題 又建立了弧段與節(jié)點的拓撲關系 同樣 面狀地物對弧段的聚集方式與數據共享和幾何拓撲關系的建立也達到一致 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型6 面向對象數據模型的含義 面向對象的屬性數據模型面向對象數據模型是在包含RDBMS的功能基礎上 增加面向對象數據模型的封裝 繼承和信息傳播等功能 2 5GIS空間數據模型 三 面向對象模型6 面向對象數據模型的含義 面向對象地理數據模型的特點1 可充分利用現(xiàn)有數據模型的優(yōu)點 是一種基于抽象的模型 允許設計者在基本功能上選擇最為適用的技術 如可以把矢量和柵格數據結構統(tǒng)一為一種高層次的實體結構 這種結構可以具有矢量結構和柵格結構的特點 但實際的操作仍然是矢量數據用矢量運算 柵格數據用柵格算法 2 具有可擴充性 由于對象是相對獨立的 因此可以很自然和容易地增加新的對象 并且對不同類型的對象具有統(tǒng)一的管理機制 3 可以模擬和操縱復雜對象 傳統(tǒng)的數據模型是面向簡單對象的 無法直接模擬和操縱復雜實體 而面向對象的數據模型具備對復雜對象進行模擬和操縱的能力 2 5GIS空間數據模型 四 時空數據模型1研究概述傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)應用只涉及地理信息的兩個方面 空間維度和屬性維度 因此也叫SGIS StaticGIS 而能夠同時處理時間維度的GIS叫TGIS TemporalGIS 在GIS中 具有時間維度的數據可以分為兩類 一類是可以稱為結構化的數據 如一個測站歷史數據的積累 它可以通過在屬性數據表記錄中簡單地增加一個時間戳 TimeStamp 實現(xiàn)其管理 另一類是非結構化的 最典型的例子是土地利用狀況的變化 圖3 17 描述這種數據 是TGIS數據模型的重點要解決的問題 2 5GIS空間數據模型 四 時空數據模型2TGIS的研究思路TGIS海量數據的處理必然導致數學模型的根本變化 TGIS問題的最終解決在于 可與拓撲論相類比的 全新數學思路的出現(xiàn) 目前可以研究TGIS技術 以便在SGIS的框架中用TGIS技術實現(xiàn)TGIS功能 對TGIS模型的研究可以本著兩種思路進行平行探索 綜合模型和分解模型 先用分解模型思路針對典型應用領域 如土地利用動態(tài)監(jiān)測工作 進行全面研究 同時不斷豐富 充實綜合模型 最后得到一個比較完善的綜合模型 2 5GIS空間數據模型 四 時空數據模型2時空數據模型設計的基本思想 1 根據應用領域的特點和客觀現(xiàn)實變化規(guī)律 折中考慮時空數據的空間 屬性內聚性和時態(tài)內聚性的強度 選擇時間標記的對象 2 同時提供靜態(tài) 動態(tài)數據建模手段 3 數據結構里顯式表達兩種地理事件 地理實體進化事件和地理實體存亡事件 4 時空拓撲關系一般指地理實體空間拓撲關系的拓撲事件間的時態(tài)關系 2 5GIS空間數據模型