地理信息系統(tǒng)模型(數(shù)據(jù)庫)

時間：2022-12-16 20:30:01 | 來源：信息時代

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    地理信息系統(tǒng)模型 : 地理信息系統(tǒng)的核心,它給出了地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構、相關操作及與環(huán)境相關的約束等條件。
(1)坐標系統(tǒng)與投影: 空間實體要進行定位,必須嵌入到一個空間參照系(spatial reference system)中。空間參照系的兩個重要基礎是橢球體(ellipsoid)和基準面(datum)。橢球體是地球的近似模型,為繞自轉軸(短軸)的旋轉橢球體,通常用長半徑和短半徑或者一個半徑和扁率表示?；鶞拭媸抢锰囟E球體對特定地區(qū)地球表面的逼近。WGS84橢球體和基準面(1984年全球測地系統(tǒng))現(xiàn)在被廣泛接受,它屬于地心坐標系(geocentric coordinate system)。我國目前采用GRS(1975)參考橢球體和“1985國家高程基準”。
地面上任一點的位置,通常用經(jīng)度(longitude)和緯度(latitude)來決定。經(jīng)線和緯線是地球表面上兩組正交的曲線,它們構成的坐標系稱為地理坐標系(geographic coordinate system)。地理坐標是球面坐標系,地圖是平面坐標系。從地理坐標系到平面坐標系的轉換稱為地圖投影(projection),因此,地圖投影的基本問題是如何將地球表面(橢球面)表示到地圖平面上。地圖投影種類很多,按投影性質分為等角投影、等積投影和等距投影; 按構成方法分為幾何投影和非幾何投影,其中幾何投影按投影面展開形狀分為方位投影、圓柱投影和圓錐投影,按投影面與地理軸關系分為正軸投影、斜軸投影和橫軸投影,非幾何投影分為偽方位投影、偽圓柱投影、偽圓錐投影和多圓錐投影; 按投影面與地球面關系分為切投影和割投影。高斯—克呂格投影(GaussKrueger projection)是使用比較多的一種投影,又稱為橫軸墨卡托投影,是一種等角橫切橢圓柱投影,我國現(xiàn)行的大于等于1:50萬比例尺地形圖都采用該投影。
從一種投影轉換為另一種投影的過程稱為投影變換(projection transformation)。
(2)數(shù)據(jù)模型: 地理數(shù)據(jù)(geographic data)是各種地理特征和現(xiàn)象間關系的符號化表示,包括空間位置、屬性特征以及時態(tài)特征三個部分。其中標識空間位置的數(shù)據(jù)稱為空間數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)(spatial data)是與空間實體幾何特征相關的數(shù)據(jù),具有能夠確定空間位置的特性。
空間數(shù)據(jù)模型(spatial data model)是關于現(xiàn)實世界中空間實體及其相互關系的概念,它為描述空間數(shù)據(jù)的組織和設計空間數(shù)據(jù)庫模式提供了基本方法。目前,空間數(shù)據(jù)模型主要包括要素(feature)模型、場(field)模型和網(wǎng)絡(network)模型。要素模型也被稱為對象(object)模型,刻畫的是一個個離散對象,如點、線、面,根據(jù)它們的邊界以及組成它們或者與它們相關的其他對象,可以詳細地描述離散對象。場模型則表示二維或者三維空間中被看作是連續(xù)變化的現(xiàn)象。網(wǎng)絡模型也是描述離散的對象,通過目標之間的相關連接(如路徑)相互連接多個空間實體,可以看成是基于點對象和線對象及其拓撲關系的集合的描述。
GIS采用兩種基本的空間數(shù)據(jù)結構,即矢量(vector)和柵格(raster)。矢量數(shù)據(jù)結構是通過記錄坐標的方式來表示點、線、多邊形等空間實體。多邊形的邊界用線描述,線用坐標串描述,坐標串是一些有序的坐標點的集合。柵格數(shù)據(jù)結構是用大小均勻緊密相鄰的網(wǎng)格陣列表示實體的空間變化,每個網(wǎng)格作為一個像元或像素(pixel),由行、列定義,并包含一個代碼表示該像元的屬性類型或量值。矢量與柵格之間可以相互轉換,由矢量數(shù)據(jù)轉換為柵格數(shù)據(jù)稱為柵格化,從柵格數(shù)據(jù)轉換為矢量數(shù)據(jù)稱為矢量化。
GIS在表示地表形態(tài)特征時,采用數(shù)字地形模型(digital terrain model,DTM)。它是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達,是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時稱為數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)。DEM最主要的三種表示模型是: 規(guī)則格網(wǎng)模型、等高線模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型。規(guī)則格網(wǎng)(regular grid)將區(qū)域空間劃分為規(guī)則的格網(wǎng)單元,每個格網(wǎng)單元對應一個高程值。等高線(contour line)模型中,高程值的集合已知,每一條等高線對應一個已知的高程值,這樣一系列等高線集合加上它們的高程值就構成了一種地面高程模型。不規(guī)則三角網(wǎng)(triangulated irregular network,TIN)是一組非疊置的三角網(wǎng)近似表示地形的矢量數(shù)據(jù)結構,它根據(jù)區(qū)域內有限個點的集合將空間劃分為彼此相連的三角面網(wǎng)絡,區(qū)域中任意一點都將落在三角面的頂點、邊或三角形內,若不在頂點上,該點的高程值通常用線性插值的方法得到。DEM的這三種表示模型可以相互轉換。
網(wǎng)絡模型(network model)是描述地理空間中由若干線形實體互聯(lián)而成的一個網(wǎng)絡系統(tǒng),資源經(jīng)由網(wǎng)絡傳輸,實體間的聯(lián)系也由網(wǎng)絡表達。網(wǎng)絡模型將數(shù)據(jù)組織成有向圖結構,由鏈(link)和結點(node)組成,其中結點又包括中心(center)、站點(stop)、拐點(turn)和障礙(barrier)等類型。網(wǎng)絡模型一般基于線性參照系(linear reference system)表達,主要用于支持網(wǎng)絡分析。
時空數(shù)據(jù)模型(spatio-temporal data model)是一種有效組織和管理時態(tài)地理數(shù)據(jù),其屬性、空間和時間語義更完整的地理數(shù)據(jù)模型。當前主要的時空數(shù)據(jù)模型包括: 空間時間立方體模型(space-time cube)、序列快照模型(sequent snapshots)、基態(tài)修正模型(base state with amendments)、空間時間組合體模型(space-time composite)。相應地,能夠同時處理時間維度的GIS稱為時態(tài)GIS(Temporal GIS,TGIS)。
三維數(shù)據(jù)模型(three dimensional data model,3D)是將三維空間坐標(x,y,z)作為獨立參數(shù)進行空間實體的幾何建模。
(3)空間關系(spatial relation):是指空間實體之間存在的與空間特性有關的關系,如度量關系、方向關系、順序關系、拓撲關系、相似關系、相關關系等。
空間拓撲關系(spatial topological relation)反映為在拓撲變換下能夠保持不變的幾何屬性——拓撲屬性,即不考慮度量和方向的空間對象之間的關系,包括相鄰(adjacent)、鄰接(connection)、連接(conjunction)和包含(inclusion)等。Egenhofer等人構造了一個由簡單幾何實體的邊界、內部和外部的點集組成的3×3矩陣來描述空間拓撲關系,稱為9-交空間關系模型(9-Intersection Model,9I Model)。該矩陣中的每一元素,都有“空”與“非空”兩種取值。在GIS中,作為基本數(shù)據(jù)類型的空間拓撲關系主要指點-點、點-線、點-面、線-線、線-面和面-面之間的相互關系。
空間方向關系又稱為方位關系、延伸關系,它定義了空間對象之間的方位。主要描述為北、東、南、西4個主方向,以及進一步細分東北、東南、西南和西北方向。
(4)空間數(shù)據(jù)質量與不確定性: 在GIS當中主要有如下幾個與空間數(shù)據(jù)質量相關的概念。準確性(accuracy)表示一個記錄值(測量或觀察值)與它的真實值之間的接近程度,空間數(shù)據(jù)的準確性經(jīng)常根據(jù)所指的位置、拓撲或非空間屬性來分類。精度(precision)即對現(xiàn)象描述的詳細程度?？臻g分辨率(spatial resolution)指在空間上可以分辨變化的最小距離。比例尺(scale)是地圖上一個記錄的距離與它所表現(xiàn)的“真實世界”的距離之間的一個比例。
地理信息系統(tǒng)的不確定性包括空間位置的不確定性、屬性不確定性、時域不確定性、邏輯上的不一致性及數(shù)據(jù)的不完整性?？臻g位置的不確定性指GIS中某一被描述物體與其地面上真實物體位置上的差別; 屬性不確定性是指某一物體在GIS中被描述的屬性與其真實的屬性之差別; 時域不確定性是指當描述地理現(xiàn)象時,時間描述上的差錯; 邏輯上的不一致性指數(shù)據(jù)結構內部的不一致性,尤指拓撲邏輯上的不一致性; 數(shù)據(jù)的不完整性指對于給定的對象,GIS未能充分完全地表達該物體。
(5)空間元數(shù)據(jù): 元數(shù)據(jù)(metadata)是描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)?？臻g元數(shù)據(jù)是用于描述空間數(shù)據(jù)的內容、定義、空間參照、質量以及空間數(shù)據(jù)集管理等方面的數(shù)據(jù)?？臻g元數(shù)據(jù)包含下述基本信息:標識信息、質量信息、空間數(shù)據(jù)組織信息、空間參照信息、實體和屬性信息、發(fā)行信息、元數(shù)據(jù)參照系信息。