地理信息系統(tǒng)的空間特性課件

1、第二講 地理信息系統(tǒng)的空間特性,空間實(shí)體及其描述空間問題論述空間處理方法,XX大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土管理工程系,2.1 空間實(shí)體及其描述,.2.1.1 空間實(shí)體將空間地理現(xiàn)象進(jìn)行抽象得到空間對(duì)象或稱空間實(shí)體、空間目標(biāo)。研究目標(biāo)：研究空間實(shí)體的物理表示。實(shí)體類型：點(diǎn)、線、面、體等。實(shí)體屬性：對(duì)實(shí)體特性的描述，屬性有屬性值的概念并有等級(jí)之分。實(shí)體要素：實(shí)體要素是點(diǎn)、線、面、體多種要素的復(fù)雜組合。,2.1.2 空間實(shí)體的類型與關(guān)系,1

2、.1.2.1 空間實(shí)體的基本特征空間實(shí)體具有以下三個(gè)基本特征：（1）空間特征空間特征又分為空間位置和拓?fù)潢P(guān)系?？臻g特征也稱為幾何特征或定為特征，一般以坐標(biāo)數(shù)據(jù)表示。（2）屬性特征對(duì)空間實(shí)體特性的描述，例如實(shí)體名稱、分布、數(shù)量、等級(jí)等特性。（3）時(shí)間特征描述空間實(shí)體隨時(shí)間的變化。,圖2-1 空間實(shí)體的基本特征,2.1.2.2 空間實(shí)體的類型,空間實(shí)體根據(jù)空間特性可以進(jìn)行分類，所以空間實(shí)體常常被認(rèn)為由一些基本的空間單元（

3、指那些基本的、實(shí)際的、不可再分的元素）組合而成。組合方式說明空間實(shí)體的空間特征。圖2-2描述了空間單元的類型。,圖2-2 空間單元的類型,2.1.2.2 歐式（Euclidean）空間及歐式空間中的空間實(shí)體單元,地理模型建立的基礎(chǔ)就是嵌入到一個(gè)坐標(biāo)空間中，在這種坐標(biāo)空間中，可以測(cè)量和計(jì)算點(diǎn)之間的距離和方位，這個(gè)帶坐標(biāo)的空間模型叫做歐式空間。在歐式空間，空間實(shí)體單元可有零維、一維、二維、三維之分，即點(diǎn)、線、面。體?？臻g實(shí)體單元的二維和

4、三維情況表示如圖2-3。,圖2-3 實(shí)體單元二維和三維情況,點(diǎn)狀實(shí)體點(diǎn)（Point）：有特定位置，維數(shù)為0的實(shí)體。有如下幾種類型：實(shí)體點(diǎn)Entity point：用來代表一個(gè)實(shí)體； 注記點(diǎn)Text point：用于定位注記；內(nèi)點(diǎn)Test point：用于負(fù)載多邊形的屬性，存在于多邊形內(nèi)；結(jié)點(diǎn)Node：表示線的終點(diǎn)和起點(diǎn)；角點(diǎn)Vertex：表示線段和弧段的內(nèi)部點(diǎn)。,實(shí)體的類型（1）,線狀實(shí)體 由一列有序坐標(biāo)表示如下特性

5、，維數(shù)為0的實(shí)體；實(shí)體長(zhǎng)度：從起點(diǎn)到終點(diǎn)的總長(zhǎng)；彎曲度：用于表示像道路拐彎時(shí)彎曲的程度；方向性：水流方向是從上游到下游，公路則有單向與雙向之分。線狀實(shí)體包括線段、邊界、鏈、弧段、網(wǎng)絡(luò)等。線狀實(shí)體類型線狀實(shí)體類型如圖2-4所示。,實(shí)體的類型（2）,圖2-4 線狀實(shí)體類型,面狀實(shí)體面狀實(shí)體也稱為多邊形，是對(duì)湖泊、島嶼、地塊等一類現(xiàn)象的描述。在數(shù)據(jù)庫(kù)中由一封閉曲線加內(nèi)點(diǎn)來表示。面狀實(shí)體空間特性周長(zhǎng)、面積范圍；獨(dú)立性或與其它

6、的地物相鄰，如中國(guó)及其周邊國(guó)家；內(nèi)島或鋸齒狀外形；重疊性與非重疊性；面狀實(shí)體類型面狀實(shí)體類型如圖2-5所示。,實(shí)體的類型（3）,圖２-5 面狀實(shí)體類型,立體狀實(shí)體立體狀實(shí)體用于描述三維空間中的現(xiàn)象與物體。立體狀空間特性 它具有長(zhǎng)度、寬度及高度等屬性。 體積，如工程開掘和填充的土方量； 每個(gè)二維平面的面積、周長(zhǎng)等； 內(nèi)島或鋸齒狀外形； 含有孤立塊或相鄰塊； 斷面圖與剖面圖。,實(shí)體的類型（4）,2.1.3 實(shí)體類型組

7、合現(xiàn)實(shí)世界的各種現(xiàn)象比較復(fù)雜，往往由不同的空間單元組合而成，例如：1）根據(jù)某些空間單元，可以將空間問題表達(dá)出來一 個(gè)特殊任務(wù)有時(shí)需要幾種空間單元來描述； 2）復(fù)雜實(shí)體有可能由不同維數(shù)和類型的空間單元組 合而成；3）某一類型的空間單元組合形成一個(gè)新的類型或一 個(gè)復(fù)合實(shí)例；4）某一類型的空間實(shí)體或以轉(zhuǎn)換為另一類型；5）某些空間實(shí)體具有二重性，也就是說，由不同的 維數(shù)組合而成。圖2-6表示了不同

8、空間單元組合的現(xiàn)象。,圖2-6 實(shí)體類型組合,2.1.4 空間實(shí)體的時(shí)間維（亦稱空間實(shí)體的時(shí)間特征）的處理,對(duì)空間實(shí)體或者組合事件的時(shí)間維的描述可用以下方式：1）作為記錄事件或?qū)傩缘幕境煞荩?）作為沒有空間特性發(fā)生改變的實(shí)體的一個(gè)屬性；3）作為觀察空間實(shí)體變化的參考；圖2-7是空間實(shí)體的時(shí)間維處理實(shí)例。,圖2-7 不同時(shí)間的處理方法,2.1.5 空間實(shí)體在地理信息系統(tǒng)中的表示,2.1.5.1 單一特征的表示在地理信息系統(tǒng)

9、中，點(diǎn)特征用一組x、y坐標(biāo)表示，線特征用一維有序的x、y坐標(biāo)表示，面用一組首尾相同的坐標(biāo)表示.?？臻g實(shí)體在GIS中的單一特征表示如圖2-8所示。,圖2-8 空間實(shí)體在GIS中的單一特征表示,注：（3，3）可用于表示一個(gè)點(diǎn)的位置。（1，7）， （3，5）， （5，5）， （5，3）， （6，1），可用于表示一條線。（3，10）， （6，9）， （7，10）， （10，7）， （9，5）， （4，6），（3，8）， （3，10）可

10、用于表示 一個(gè)多邊形。 注意第一個(gè)坐標(biāo)和最后一個(gè)坐標(biāo)相同，因?yàn)槎噙呅慰偸欠忾]的。,如果具有多種特征，就需要對(duì)每一特征給定一個(gè)序號(hào)。每一特征的坐標(biāo)可以用與每一特征的坐標(biāo)列表有關(guān)的序號(hào)來描述?？臻g實(shí)體在GIS中的多種特征表示如圖2-9 所示。,2.1.5.2 多種特征的表示,圖2-9 空間實(shí)體在GIS中的多種特征表示,例如，表示道路的一組線特征的屬性包括：道路類型：1=分隔行駛的公路 2=干線公路

11、3=主要公路 4=住宅區(qū)街道 5=未鋪完的公路路面材料：混凝土、柏油、礫石路面寬度：以米計(jì)量道路名稱：計(jì)數(shù) 在GIS系統(tǒng)中可有如下的描述道路類型 長(zhǎng)度（M） 路面材料 寬度（M） 行人道路 道路名稱 2 2715.5 混凝土 52

12、 4 八一路,2.1.5.3 帶有屬性的空間特征的表示,圖2-10 坐標(biāo)表示和屬性表示之間共享的是同一識(shí)別碼,2.2 空間問題論述,2.2.1 空間問題人類開發(fā)和利用地理信息系統(tǒng)是因?yàn)樗芴幚砼c空間實(shí)體之間的各類空間問題。空間問題的一些形式如圖2-11所示。,空間問題的一些形式,,,測(cè)量與空間關(guān)系的一些形式,,,圖2-11 空間問題的一些形式,1、條件定位：即根據(jù)一定的條件與規(guī)則確定物

13、體的位置或者路徑。例如；路徑選?。郝烦套疃?，時(shí)間最省，經(jīng)費(fèi)最少定位選?。焊鶕?jù)屬性查詢空間位置資源分配開銷安排,空間問題分類1,2、間接推理：即通過建立模型進(jìn)行的空間決策和預(yù)測(cè)。例如；項(xiàng)目選址災(zāi)害預(yù)測(cè)與預(yù)報(bào)環(huán)境分析長(zhǎng)度、體積、面積、坡度等量算,空間問題分類（續(xù)）,3、空間參考：特定的笛卡爾坐標(biāo)或極坐標(biāo)。鄰接性識(shí)別，也就是說，線狀實(shí)體或面狀實(shí)體與某特定實(shí)體相接觸。線性定位物。最小尺寸的封閉矩形。地名或數(shù)字代碼。地

14、塊、分區(qū)及其它外形規(guī)則或不規(guī)則的空間塊?？臻g參考的幾種形式如圖2-12所示。,空間問題分類（續(xù)）,圖2-12 空間參考的幾種形式,一般空間特性統(tǒng)計(jì)特性復(fù)雜特性,2.2.2 空間特性,長(zhǎng)度：河流長(zhǎng)度、湖泊邊界、公路長(zhǎng)度。表面積；湖泊、島嶼、某區(qū)域面積。體積：土方量、庫(kù)容量規(guī)則外表：圓形、方形不規(guī)則外形：鋸齒形海岸線、湖泊水涯線。方向：山丘的坡向坡度,2.2.2.1 一般空間特性,相同屬性的實(shí)體，可根據(jù)統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行區(qū)分最

15、大值和最小值的范圍平均值以及變化值,2.2.2.2 統(tǒng)計(jì)特性,不相連地物的分布模式居宅建筑發(fā)展的安排方式，或農(nóng)場(chǎng)劃分土地或地塊的路徑布局交通信號(hào)燈的距離，以及從不同位置到達(dá)城市中心的總計(jì)開銷時(shí)間。各個(gè)地區(qū)的相鄰地區(qū)數(shù)。航空交通系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)穿越某區(qū)域的候鳥主要走向現(xiàn)象的連續(xù)性。,2.2.2.3 復(fù)雜特性,2.3.1 空間關(guān)系的基本概念空間實(shí)體之間的空間區(qū)位關(guān)系可抽象為點(diǎn)、線、面之間的空間幾何關(guān)系。空間實(shí)體之間的部分拓?fù)潢P(guān)系

16、如圖2-13所示?？臻g實(shí)體空間關(guān)系包含三種基本類型：拓?fù)潢P(guān)系方向關(guān)系度量關(guān)系。,2.3 空間關(guān)系分析,圖2-13 空間實(shí)體之間的部分拓?fù)淇臻g關(guān)系,1 點(diǎn)-點(diǎn)關(guān)系相和；分離；一點(diǎn)為其它諸點(diǎn)的幾何中心；一點(diǎn)為其它諸點(diǎn)的重心。2 點(diǎn)-線關(guān)系點(diǎn)在線上：可以計(jì)算點(diǎn)的性質(zhì)，如拐點(diǎn)等；線的端點(diǎn)：起點(diǎn)與終點(diǎn)；線的交點(diǎn)；點(diǎn)與線分離：可以計(jì)算點(diǎn)到線的距離。,3 點(diǎn)-面關(guān)系點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)：可以計(jì)數(shù)和統(tǒng)計(jì)；點(diǎn)在區(qū)域的幾何中心

17、；點(diǎn)在區(qū)域的地理重心；點(diǎn)在區(qū)域的邊界上；點(diǎn)在區(qū)域的外部。4 線-線關(guān)系重合；相接：首尾環(huán)接或順序相接；相交；相切；平行。,5 線-面關(guān)系區(qū)域包含線：可計(jì)算區(qū)域內(nèi)線的密度；線穿過區(qū)域；線環(huán)繞區(qū)域：對(duì)區(qū)域邊界，可以搜索其左右區(qū)域名稱；線與區(qū)域分離；6 線-線關(guān)系相合；相交：可以劃分子區(qū)，并計(jì)算邏輯與、或、非和異或；相鄰：計(jì)算相鄰便捷的性質(zhì)和長(zhǎng)度；分離：計(jì)算距離、引力等。,1.2.3.2 拓?fù)淇臻g關(guān)系分

18、析,1 拓?fù)鋵傩浴巴負(fù)洹币辉~來自于希臘文，意思是“形狀的研究”。拓?fù)鋵W(xué)是幾何學(xué)的一個(gè)分支，它研究在拓?fù)渥儞Q下能夠保持不變的幾何屬性—拓?fù)鋵傩浴?表2-1歐式平面上空間實(shí)體所具有的拓?fù)浜头峭負(fù)鋵傩?從表中可以看出，拓?fù)鋵傩悦枋隽藘蓚€(gè)空間實(shí)體之間的關(guān)系，圖2-14為拓?fù)淇臻g關(guān)系的形式化表達(dá)。,圖2-14 拓?fù)淇臻g中的點(diǎn)與鄰域,2 拓?fù)涿枋龅臄?shù)學(xué)基礎(chǔ)—點(diǎn)集拓?fù)鋵W(xué)由于拓?fù)鋵W(xué)是研究圖形在拓?fù)渥儞Q下不變的性質(zhì)，拓?fù)鋵W(xué)已經(jīng)成為地理信息系統(tǒng)空間關(guān)系

19、的理論基礎(chǔ)，為點(diǎn)、線、面之間的包含、覆蓋、相離合相接等空間關(guān)系的描述提供直接的理論依據(jù)。,3 拓?fù)淇臻g關(guān)系描述—9交模型,9交模型形式化地描述了離散空間實(shí)體的拓?fù)潢P(guān)系，基于9交模型可以定義空間數(shù)據(jù)庫(kù)的一致性，并應(yīng)用于數(shù)據(jù)庫(kù)更新、維護(hù)中。此外， 9交模型也是進(jìn)一步研究空間關(guān)系的基礎(chǔ)。 9交模型一共可以表達(dá)512種可能的空間關(guān)系，但實(shí)際上有些關(guān)系不存在?？赡艿耐?fù)潢P(guān)系：面/面：6種，面/線：19種，面/點(diǎn)：3種，線/線：16種，線/點(diǎn)：3

20、，點(diǎn)/點(diǎn)：2種。圖2-15給除了這些可能關(guān)系的圖示。3 拓?fù)淇臻g關(guān)系識(shí)別,圖2-15 9交模型所描述拓?fù)鋱D示,1.2.3.3 方向空間關(guān)系分析1方向關(guān)系描述,2方向關(guān)系識(shí)別,1.2.3.4 度量空間關(guān)系分析,1 空間指標(biāo)量算,2 地理空間的距離度量1）大地測(cè)量距離：該距離即沿著地球大圓經(jīng)過兩個(gè)城市中心的距離。2）曼哈頓距離：緯度差加上經(jīng)度差。3）旅行時(shí)間距離：從一個(gè)城市到另一個(gè)城市的最短時(shí)間可以用一系列指定的航線來表示。

21、4）詞典距離：在一個(gè)固定的地名冊(cè)重一系列城市中他們位置之間的絕對(duì)差值。地球上各種形式距離如圖2-16 。,圖2-16 地球上各種形式的距離,1.3 空間處理方法,1.3.1 空間實(shí)體關(guān)系三類基本空間單元之間可能的6種關(guān)系；1、點(diǎn)——點(diǎn)關(guān)系2、點(diǎn)——線關(guān)系3、點(diǎn)——面關(guān)系4、線——線關(guān)系5、線——面關(guān)系6、面——面關(guān)系,1.3.2內(nèi)插法和外插法,1.3.2.1 內(nèi)插法1）最近值內(nèi)插：從最接近的數(shù)據(jù)點(diǎn)取值。 2）使用基

22、于兩點(diǎn)的簡(jiǎn)單直線內(nèi)插。3）基于三點(diǎn)或更多點(diǎn)的曲線內(nèi)插：可以采用樣條函數(shù)。4）隨機(jī)內(nèi)插：基于一定數(shù)目的已知點(diǎn)、參數(shù)和隨機(jī)點(diǎn) 來內(nèi)插。5）模型內(nèi)插：建立一定的模型來內(nèi)插。內(nèi)插法如圖2-15所示。1.3.2.2 外插法如果是討論數(shù)據(jù)點(diǎn)范圍外的情形，稱外插法，也有5種。外插法如圖2-16所示。,圖2-15 內(nèi)插法,圖2-16 外插法,1.3.2.3 對(duì)于復(fù)雜的模型有時(shí)根據(jù)情況選擇1、兩個(gè)或三個(gè)坐標(biāo)維；2、多種方法選

23、擇數(shù)據(jù)點(diǎn)；3、用內(nèi)插還是外插，或者同時(shí)使用；4、用何種處理模型，如線型、樣條、模型等。一般來說，要遵循以下幾個(gè)原則：1、確定一定數(shù)目的數(shù)據(jù)點(diǎn)來表示每個(gè)格網(wǎng)位置；2、確定偏離格網(wǎng)位置的距離；3、確定出偏離格網(wǎng)但在其方向范圍內(nèi)的位置；4、使用的內(nèi)插法或外插法過程。在幾何推理過程中，有兩點(diǎn)應(yīng)注意：1、采樣點(diǎn)數(shù)目可能不能完整表示空間分區(qū)；2、空間自相關(guān)情形。,,,1.3.3 線和點(diǎn)的基本操作,1、線交叉2、線段交叉1

24、）線性方程2）終點(diǎn)坐標(biāo)3）兩端點(diǎn)間的路徑計(jì)算兩條線交叉的同時(shí)，還須注意驗(yàn)證以下兩點(diǎn)：   A、算出交叉點(diǎn)后，應(yīng)檢測(cè)該點(diǎn)是否落在兩條線段內(nèi)； B、用參量方程，看參量t和s是否屬于0到1的范圍內(nèi)。3、點(diǎn)在多邊形內(nèi)的處理4、質(zhì)心的確定5、基于點(diǎn)數(shù)據(jù)的某些空間統(tǒng)計(jì),,,,1.3.4 多邊形操作——線與多邊形交叉,,多邊形操作——多邊形的合并與交叉,,,多邊形操作——面積計(jì)算,,面積內(nèi)插的條件：

25、1、均勻面積，即假設(shè)其密度均勻；2、或者數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)3、對(duì)某一屬性的連續(xù)表面描述。,多邊形操作——多邊形的外形量測(cè)及多邊形分割,,,,多邊形操作——緩沖區(qū)生成,,7 多邊形操作——多邊形覆蓋處理1）識(shí)別線段，最好是已有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的線段；2）建立多邊形最小的外圍矩形；3）根據(jù)點(diǎn)在多邊形內(nèi)的處理來判斷某多邊形的線段是否在覆蓋圖形的某多邊形內(nèi)；4）尋找表示邊界的線段的交叉點(diǎn)；5）為新線段建立記錄，并生成相應(yīng)的拓?fù)洌?）