GIS 地理信息系统 空间信息模型分析

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1、 Chapter4空间信息模型分析 空间信息模型的基本概念基于域的空间信息模型基于对象的空间信息模型DTM空间信息分析的基本方法地学模型分类叠加模型分析空间定位 配置信息模型空间决策信息模型 Section1空间信息模型的概念 空间信息 有关地球表面上具有地理坐标定位的空间实体之间的联系及其相互作用的表征 P1 2地理信息的概念对空间数据的解释空间信息模型 通过对存在于空间实体之间的信息及其变化机制的模拟和分析 来研究人类生存环境的发展规律 Section1空间信息模型的概念 模型和域模型 把一个域 源域 的组成部分表现在另一个域 目标域 中的一种结构 源域中可以是实体 关系 过程及现象 空间

2、信息 建立模型的目的是把源域抽象 简单化 如P96图4 1 建模的抽象过程 如P96图4 2m t om mot 成立 则建模成功 O表示函数的组织m 建模函数 Section1空间信息模型的概念 模型和域域模型 DomainModel 应用领域的各种现象 连续 行政管理区域供电领域全球环境领域 Section1空间信息模型的概念 模型和域域模型 DomainModel 建模步骤物理计算模型 由系统开发者构建 在特定计算机系统实现逻辑计算模型 不仅要考虑通用的计算任务 还要考虑特殊实例情况的分析 由信息系统的设计者负责建立概念计算模型 考虑计算环境 通常由计算机科学和实际应用领域的专家合作建立

3、应用领域模型应用域 Section1空间信息模型的概念 模型质量准确性 模型转换后源域和目标域的匹配 这方面误差可用定量 不可预测 或定性表示 精确性 和分辨率 域可被量测最小单位 有关 强调目标域中量测的精细程度 Section1空间信息模型的概念 模型质量 空间信息模型误差Chrisman1991位置误差 在一定准确性的水平下 模型中空间要素的位置和应用域中的位置是否一致属性值误差 在一定准确性水平下 模型中要素的非空间属性和其再应用域中的属性是否一致逻辑一致性 拓扑关系 模型中空间和非空间要素之间是否一致完整性 目标域是否处理了应用域中所要处理的全部要素 Section1空间信息模型的概

4、念 域VS对象基于RDB无法及时 实时 提供数据以及快速反应空间信息基于域 Field Based 的模型把空间存在的信息作为连续的空间分布信息的集合来处理 处理如 地形数据 降雨量 温度场 基于对象 Object Based 的模型把空间存在信息作为不连续的可被识别的 具有地理参照的实体来处理 Section1空间信息模型的概念 域VS对象解图4 5 4 6基于域和对象的模型是对立的基于域 空间结构 属性运算 栅格数据模型基于对象 实体 空间结构 矢量数据模型 Section2基于域的空间信息模型 空间结构特征可以是规则的 栅格数据结构 或不规则的 TIN 分辨率和量测误差很重要 Secti

5、on2基于域的空间信息模型 属性域特征名称 定性 不能进行数值运算序数 数字 体现顺序的概念 进行数值运算无意义 可比较大小间隔 数字 差值有意义比率 数字 比值计算 加减乘除均可 如年降雨量 人口自然增长率 可以为NULL值 表示未知或不确定 Section2基于域的空间信息模型 连续 可微 离散域如果空间域函数是 则空间域也是 的 可微一定连续 连续不一定可微 如图P1014 8 举例 连续 离线的现象冰川运动行政区划边界变化黄河的水位变化湖泊水面变化 Section2基于域的空间信息模型 各向同性域和各向异性域各向同性域 域中所有性质与方向无关各向异性域 域中的性质和方向相关示例 P10

6、2图4 10 Section2基于域的空间信息模型 空间自相关及其它空间模式描述参数CliffandOrd1981 空间自相关 空间域中值聚集程度的一种量度 任何事物之间都存在着联系 距离近的事物之间联系比距离远的事物之间联系性更强聚集 正相关 牛眼状 排斥 负相关 国际象棋棋盘 没什么关系 相关为0只是空间域模式描述参数之一 便于更好理解应用域 Section2基于域的空间信息模型 域操作 基于域的方法分析在域模型基础上需构建一个合适确定的空间结构 以便把特定区域内的空间目标镶嵌 用TIN或者格网 都无法完全表达应用域 采样误差在所难免 在一起而对区域进行的分配 各被分配的区域成为位置区域

7、Location 基于域模型可以计算多个域的比较和合并 如若干栅格图层的叠加分析 Section2基于域的空间信息模型 域操作 基于域的方法分析空间结构F fi i 1 n fi为任一空间域 Location 是F到有限属性域Ai的计算函数 F fi Ai必须数量有限 fi可计算一般F采用欧几里德平面 XY Ai的值则给出Z坐标 Section2基于域的空间信息模型 域操作 基于域的方法分析基于域的模型方法总结采用合适的空间模型建造空间结构F采用合适的属性域Ai i 1 n 对于i 1 n 在空间结构中进行采样 构建空间域函数fi通过fi进行分析如上所讲的为概念模型 独立于任何应用和数据的物理

8、表示 Section2基于域的空间信息模型 域操作 域操作的方法域操作 以一个多个域作为输入 得到一个结果域 局部型操作 LocalOperation 聚焦型操作 FocalOperation 区域型操作 ZoneOperation Section2基于域的空间信息模型 域操作 域操作的方法邻域 给定F 邻域函数n F p F 是求每一个位置x的相邻位置集合的函数p F 是F子集的集合 对于F中的任一x n x 是F的一个子集 成为x的邻域 如P105图4 13不同邻域可有交集 Section2基于域的空间信息模型 域操作 域操作的方法区域 Zone 互不相连 由F分割 如P105图4 14所

9、示把F分解为A B C三个区域对于任一x F 若f x 0 则x A若f x 0 5 则x B若f x 5 则x C对于每一个Zone 对应一个空间域函数f Zone 为F的一个子集 f Zone中的每一个元素都满足f Zone定义的条件由上可知 基于域模型的操作方法是以现有空间域函数为条件 以产生一个新的空间域函数作为结果 Section2基于域的空间信息模型 域操作 域操作分类 Tomlin 1990 局部型操作作用于域模型的一个或多个空间域函数 以产生一个新域特点 在任一位置上 新域函数的值只和输入域函数在该位置上的值相关 可以是n元如图P106图4 15给出二元组合图 Section2

10、基于域的空间信息模型 域操作 域操作分类 Tomlin 1990 聚焦型操作某一位置x上的衍生值不仅和输入域函数在该位置上的取值有关 还和输入域函数在x邻域n x 上的取值先关假设F 邻域函数n和输入域函数f 对于任一x计算n x 得到x邻域点集合计算f在n x 上各位置的取值由第二步得到一个新的域值 并且对f x 特别考虑 Section2基于域的空间信息模型 域操作 域操作分类 Tomlin 1990 区域型操作通过一个输入域函数f对某一区域中的所有值进行综合给定F 分割F为k个区域的集合 Zii 1 k 给定x 计算x所属区域Zi计算f在Zi每个位置上的取值从第二步得到新的域值f Zi

11、特别考虑f x 区域性操作可以看作一个图层和另一个区域性图层的Overlay Section3基于对象的空间信息模型 把信息空间分解为对象 object 或实体 Entity 实体具备三个条件可被识别 大比例尺下是面 小比例尺下是点 与问题相关可被描述 焦作 Section3基于对象的空间信息模型 实体可采用多种维度来定义属性空间维 点 线 面等形状 图形维 制图表现形式 点型 线型 面型 时间维 创建时间 文本 数字维 属性数据表示 基于对象的建模方法需允许多维混合 Section3基于对象的空间信息模型 空间对象 SpatialObject 存在于 嵌入式空间 Embeddingspace

12、 定义取决于嵌入空间的结构 欧式空间 Euclidean 坐标组量度空间 Metric 采用距离 可无方向 拓扑空间 Topological 拓扑关系描述 可无距离和方位 面向集合的空间 Set Oriented 集合关系描述定义对象需定义其状态和行为 关键是对象类型的确立 Section3基于对象的空间信息模型 空间对象 连续欧式平面上的类型最高级 Spatial类一级子级 Point类一级子级 Extent类1 Extent类Arc SimpleArc 弧不自相交 Loop SimpleLoop 环不自相交 2 Extent类Area类 Region类 连通Area Cell类 简单连通R

13、egion 没有岛 洞 Section3基于对象的空间信息模型 空间对象 欧式平面对象离散处理欧式空间平面因连续不可计算 必须离散化Linesegment 由若干直线段构成Polyline 首尾相连的LineBezier Hermite B spline曲线 用于模拟类似要求光滑的等高线 由控制点控制 Polygon 由一个或者多个Polyline及其围成的区域共同构成 Section3基于对象的空间信息模型 空间操作对象的行为由一些操作定义 不同操作之间涉及的操作对象个数不同 对操作对象的影响也会不同静态空间操作 不会改变对象本身动态空间操作 导致对象本身发生改变 Section3基于对象的

14、空间信息模型 空间操作 静态空间操作P111表4 1表达了静态连续空间对象的操作分类四种类别通用 Set Oriented Topological Euclidean操作分一元 二元 Section3基于对象的空间信息模型 空间操作 静态空间操作书本介绍操作Component 组分 拓扑类 一元 作用于AreaExtreme 极点 拓扑类 一元 作用于ArcIsWithin 位于 拓扑类 两元 作用于Point和SimpleLoopMeet 相遇 拓扑类 二元 作用于Area和AreaCover 覆盖 拓扑类 二元 作用于Area和Area 两个Area有公共边界IsInSide 位于内部 拓

15、扑类 二元 作用于Area和Area 两个Area没有公共边界 Section3基于对象的空间信息模型 空间操作 静态空间操作书本介绍操作Overlay 相叠 拓扑类 二元 作用于Area和Area 两个Area有共同区域拓扑空间的关系表达比集合空间的表达要复杂集合空间分不清Meet和Overlay IsInside和Cover表4 1没有穷尽拓扑空间的所有关系 如P113图4 24所示 Section3基于对象的空间信息模型 空间操作 静态空间操作表4 1给出的大部分Area间的操作可以使用边界 Boundary 界内 Interior 和相邻 Closure 中任意两个的组合来表达简便起见

16、 用欧式空间CellX Y来表达X Y的Boundary用 X Y表示X Y的Interior用Xo Yo表示解P113表4 2 四相交表 Egenhofer 1991 把四相交方法扩充到了 九相交 一般了解 Section3基于对象的空间信息模型 空间操作 动态空间操作三大类动态操作 Create Destroy UpdateCreate 独立 非独立 独立Create 新对象不需要参照其他对象非独立Create需要参照已有对象Reproduce 生成复制品Generate 参照某对象生成 可能只参照一部分Split 分割原对象对多个对象Merge 组合多个参照对象 生成一个新对象 Section3基于对象的空间信息模型 空间操作 动态空间操作Destroy 要有Reincarnate与之对应 用于恢复Update Transformation 转换 子类线性变换Translate 平移 x y x a y b Rotate 旋转 x y xcos ysin xsin ycos 如何推导 Scale 缩放 x y ax by Section3基于对象的空间信息模型 空间操作 空间对象