空间数据建摸与空间分析ppt培训课件

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1、2018/10/20,1,空间数据建摸与空间分析基础知识 西南交通大学、测量工程系、xxx,2018/10/20,2,参考资料 吴立新、史文中编著，地理信息系统原理与算法，科学出版社，2004 黄幼才，刘文宝等编著, GIS空间数据分析和处理, 中国地质大学出版社, 1995 黄幼才, GIS空间数据误差分析和处理, 中国地质大学出版社, 1995 李德仁、李清泉, 地球空间信息科学的兴起与跨学科发展, 中国科学技术出版社, 1998 陈军, 动态空间数据模型, 测绘出版社, 2002 承继成等, 国家空间信息基础设施与数字地球, 清华大学出版社, 1999 郭仁忠, 空间分析, 武汉测绘科技

2、大学出版社, 2000 崔伟宏, 空间数据结构研究, 中国科学技术出版社, 1995 史文中, 空间数据误差处理的理论与方法, 科学出版社, 1998 GIS相关书籍 GIS相关网站 GIS相关期刊：中国图像图形学报、3S世界、测绘学报、测绘通报、测绘工程、测绘软件学研究、地球科学进展、地球科学、中国科学（D缉）、美国国家地理杂志（英文）、地理、地理学报、地理研究、武汉测绘科技大学学报、地学前缘、地图、 GEO ASIA PACIFIC、GPS WORLD、GIS World、遥感技术与应用、遥感信息 、遥感学报、地球物理学报、地震、生态学报及地理信息世界等。,2018/10/20,3,模型、

3、数据模型、数据建模,模型：对现实世界的简化表达。一幅地质图是一个符号模型，因为它是通过地质学家处理后得到现实世界的简化描述；存储数字地质图的计算机文件也是一种符号模型，它以数字代码来表现图形符号。 数据模型：根据一点的方案建立的数据逻辑组织方式。 数据建模：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：1、选择一种数据模型来对现实世界的数据进行组织；2、选择一种数据结构来表达该数据模型；3、选择一种适合于记录该数据结构的文件格式。例如，表示地表高程的空间数据可以选用栅格模型进行组织，栅格模型选用游程编码这一数据结构进行表达，处理后的数据则以诸如后缀名为.COT的文件进

4、行存储。同样，地表也可用矢量模型来组织，即以等高线来表示。,2018/10/20,4,空间分析,空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。 空间分析源于60年代地理和区域科学的计量革命，随着数学概念和方法的引入，以及统计学、运筹学、拓扑学等方法的应用进一步促进了其定量分析的能力。 空间分析是GIS区别于一般空间数据库的关键所在，通过空间分析，不但可以知道数据库中的数据，而且可以通过这些数据去揭示更深刻、更内在的规律和特征，因此空间分析是GIS的核心。 GIS的成功应用依赖于空间分析的研究与设计。,2018/10/20,5,空间分析方法分类,空间分析

5、为GIS的一个核心功能模块。由于空间分析的各种模型和方法还没有形成一个统一的体系结构。可认为空间分析是分析空间数据有关技术的统称。 根据作业的数据性质不同，空间分析方法可分为： 基于空间图形数据的分析计算； 基于非空间属性的数据运算； 空间和非空间数据的联合运算。 这三种方法具体包括空间信息量算，空间信息分析（叠置分析、网络分析、拓扑分析、缓冲区分析和统计分析等）。 空间信息量算是空间信息分析的定量化基础，其量算方法分为质心量算，几何量算和形状量算。 叠置分析是将两层或多层地图要素进行叠加产生一个新要素层的操作； 网络分析是利用空间拓扑关系进行路径分析、资源分配、网流量的模拟分析等； 缓冲区分

6、析是针对点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度范围以内的缓冲区多边形； 空间统计分析包括常规统计分析、空间自相关分析、回归分析、趋势分析、专家打分模型等。,2018/10/20,6,GIS空间分析的功能,GIS空间分析的基本功能包括：空间查询与量算、缓冲区分析、叠加分析、路径分析、空间插值、统计分类分析等。 空间分析功能分为三个层次： 空间检索，包括从空间位置检索空间物体及其属性和从属性条件集检索空间物体。“空间索引”是空间检索的关键技术，如何有效地从大型的地理信息系统数据库中检索出所需信息，将影响地理信息系统的分析能力。另一方面，空间物体的图形表达也是空间检索的重要部分； 空间拓扑叠加分析，

7、实现了输入特征的属性的合并以及特征属性在空间上的连接，空间拓扑叠加本质是空间意义上的布尔运算；,2018/10/20,7,空间模拟分析，其研究可分三类： 第一类是GIS外部的空间模型分析，将地理信息系统当作一个通用的空间数据库，而空间分析功能则借助于其它软件； 第二类是GIS内部空间模型分析，试图利用GIS软件来提供空间分析模块已经发展适用于问题解决模型的宏语言，这种方法一般基于空间分析的复杂性和多样性，易于理解和应用，但由于地理信息系统软件所能提供空间分析功能极为有限，这种紧密结合的空间模型在实际地理信息系统的设计中较少使用； 第三类是混和型的空间模型分析，其宗旨在尽可能地利用GIS所提供的

8、功能，同时也充分发挥GIS使用者的能动性。,2018/10/20,8,空间数据模型分类,现实世界是由事物或实体组成的，有着复杂的组成结构。 从系统的角度来看, 空间事物或实体的运动状态和运动方式的诸多组成要素之间存在着相互制约, 相互作用的依存关系, 表现为人口，物质，能量，信息，价值的流动和作用，反应出不同的空间现象和问题。 为了能够利用信息系统工具来描述现实世界，并解决其中的问题，必须对现实世界进行建模，对于地理信息系统而言，其结果就是空间数据模型。 地理空间：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。在地理信息系统中分为绝对空间和相对空间

9、。 绝对空间：具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位置的空间坐标值组成。 相对空间：具有空间属性特征的实体的集合，由不同实体的空间关系组成。 空间数据：就是以不同的方式和来源获得的数据，如地图、各种专题图、图像、统计数据等，这些数据都具有能够确定空间位置的特点。 空间数据模型：是关于现实世界中空间实体及其相互关系的概念，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。,2018/10/20,9,场模型： 场经常被视为一系列等直线组成，一个等直线就是地面上具有相同属性值的点的有序集合。 场模型描述了各种空间连续分布现象，它表示了二维或三维空间中被看作是连续变化的数据。二维场就是

10、二维空间中任何已知的地点上都有一个表现这一现象的值；三维场就是在三维空间中对任何位置来说都有一个值。 场具有如下的特征： 空间结构特征和属性域：空间结构可以是规则的和不规则的，但分辨率和位置误差很重要，属性域的数值可以包含以下类型：名称、序数、间隔和比率，它的另外一个特征支持空值，如果值未知或不确定，则赋予空值。 连续的、可微的、离散的：如果空间域函数是连续的，空间域也就是连续的，即随着空间位置的微小变化，其属性值也发生微小变化，不会象数字高程模型中的悬崖那样的突变值。如果空间域函数是可微分的，空间域也是可微分的。 与方向无关的和与方向有关的：空间场内部的各种性质是否随方向的变化而发生变化，是

11、空间场的一个重要特征，如果一个场中的所有性质都与方向无关，则为各向同性，否则为各向异性。,2018/10/20,10,空间自相关： 空间自相关是空间场中数值聚集程度的一种度量。 距离近的事物之间的联系性强于距离远的事物之间的联系性。 如果一个空间场中的类似的数值有聚集的倾向，则该空间场就表现出很强的正空间自相关；如果类似的属性值在空间上有相互排斥的倾向，则表现为负空间自相关。 因此空间自相关描述了某一位置上的属性值与相邻位置上的属性值之间的关系。,2018/10/20,11,要素模型： 基于对象（要素）模型描述各种空间地物，它强调离散对象，根据他们的边界线以及组成它们或者与它们相关的其它对象，

12、可以详细地描述离散对象。 基于要素的空间模型强调了个体现象，该现象以独立的方式或者以与其它现象之间的关系的方式来研究。 要素可以由不同的对象组成，而且可以与其他的相分离的对象有特殊的关系。一个基于要素的观点是适合与已经组织好的边界现象的。 基于要素的空间信息模型把空间信息分解为对象或实体。一个实体必须符合三个条件：可被识别、重要（与问题相关）、可被描述（有特征）。 有关实体的特征，可以通过静态属性、动态的行为特征和结构特征来描述实体。与基于场的模型不同，基于要素的模型把信息空间看作许多对象（如城市、集镇、村庄）的集合。这些对象又具有自己的属性（如人口密度、质心和边界）。基于要素模型中的实体可采

13、用多种维度来定义属性，包括：空间维、时间维图形维和文本/数字维。,2018/10/20,12,空间对象之所以成为“空间的”，是因为他们存在与空间中，即所谓“嵌入式空间”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有： 欧氏空间：它允许对象之间采用距离和方位的量度，欧氏空间中的对象可以用坐标组的集合来表示； 量度空间：它允许在对象之间采用距离量度（但不一定有方向）； 拓扑空间：它允许在对象之间进行拓扑关系的描述（不一定有距离和方向）； 面向集合的空间：只采用一般的集合的关系，如包含，合并等。 需要说明的是，基于场的方法和基于要素的方法并不互相排斥，各有长处，应该恰当的运用着两种方法

14、来建模。,2018/10/20,13,网络模型： 网络模型模拟了现实世界中的各种网络，表示了特殊对象的交互，如水或者交通流。 在网络模型中，地物被抽象为链、节点等对象，同时还要关注其间的连通关系。 基于网络的空间模型与基于要素的空间模型在一些方面有共同点，因为他们经常处理离散的地物。但是网络模型最基本的特征就是需要多个要素之间的影响和交互而且通常沿着与它们相连接的通道。一些相关的现象的精确形状并不十分重要，重要的是具体现象之间距离或阻力的量度。 网络模型的基本特征是，节点数据之间没有明确的从属关系，一个节点可以与其他多个接点建立联系。网络模型将数据组织成有向图结构。结构中的接点代表数据记录，连

15、线描述不同节点间的关系。有向图（Digraph）的形式化定义为：Digraph=(Vertex,Relation) 其中Vertex为图中数据元的有限非空集合；Relation是两个顶点之间的关系的集合。,2018/10/20,14,有向图结构比树结构具有更大的灵活性和更强的数据建模能力网状模型可以 表示多对多的关系，数据存贮效率高于层次模型，但结构复杂。 网状模型反映了现实世界中常见的多对多的关系，在一定程度上支持数据的重构，具有一定的数据独立性和共享性，且运行效率高，但也存在以下的问题： 1) 网状结构的复杂增加了用户查询的困难。 2) 网状数据操作命令具有过程式性质。 3) 不直接支持对

16、于层次结构的表达。 4) 基本不具备演绎功能。 5) 基本不具备操作代数的功能。,2018/10/20,15,时空数据模型： 时空数据模型是一种有效组织和管理时态地理数据、属性、空间和时间语义更完整的地理数据模型。 一个合理的时空数据模型必须考虑以下几方面的因素：节省存贮空间、加快存取速度、表现时空语义。表现时空语义包括地理实体的空间结构、有效时间结构、空间关系、时态关系、地理事件、时空关系。 时空数据模型设计的基本思想： 根据应用领域的特点(如宏观变化观测与微观变化观测)和客观现实变化规律(同步变化与异步变化, 频繁变化与缓慢变化), 折中考虑时空数据的空间/属性内聚性和时态内聚性的强度,

17、选择时间标记的对象。对于属性，有属性数据项时间标记、实体时间标记、数据库时间标记；对于空间，有坐标点时间标记、弧段时间标记、实体时间标记、数据库时间标记。 同时提供静态、动态数据建模手段。当前、历史等不同使用频率的数据分别组织存放，以便存取。一般将当前数据存放在本地机磁盘，历史数据存放在远程服务器的光盘上。 数据结构里显示表达两种地理事件：地理实体进化事件和地理实体存亡事件。地理事件以事件发生的相关源状态和终止状态表达。构成地理实体存亡事件的源状态有参加事件的实体标识集合表示。时间的本质为事件发生的序列，地理事件序列直接表明地理时间语义。 时空拓扑关系一般指地理实体空间拓扑关系的拓扑事件间的时态关系，揭示了地理实体在时间和空间上的相关性。,