第2讲-空间数据组织与计算机表达技巧.ppt

第2讲 空间数据组织与计算机表达;第一节 从地理空间对象到计算机世界 一、从现实世界到计算机世界 本小节简介利用计算机模拟现实世界中事物或现象的一般概念，帮助读者理解GIS常用的“空间数据模型”和“空间数据结构”等概念。;1、模型与概念模型 客观世界无限丰富多彩，任何研究都必须将所关注的局部世界加以简化和抽象。对现实世界的抽象和简化表达，通常称为模型。模型的详尽程度不尽相同。 通常把对现实世界的第一层简化和抽象，为概念模型。概念模型给出所研究的主要事物的概念及其相互联系的框架。在计算机应用以前的自然科学中，人们在概念模型的基础上，建立数学模型，进行基于解析表达式或数学方程的计算。;a = 6378137mb = 6356752.3m或 a = 6378137m1/f = 298.257;2、数据模型 数据模型(data model)的概念主要来自于计算机科学的数据库系统理论。数据库是为现实世界的一部分(用户单位)服务的。为此，数据库技术首先借助概念模型，把握用户世界中的实体及其相互联系的概念框架。概念模型按平常人的思维方式建立，以方便用户理解和交流，不依赖于具体的计算机系统。为了具体地定义和操作数据库中数据，指导计算机运作，还要将概念模型转化为数据模型(图2—1)。;3、数据结构 数据结构具体指同一类数据元素中各元素之间的相互关系，包括三个组分：数据的逻辑结构，数据的存储结构和数据的运算。 数据的逻辑结构是对数据之间逻辑关系的描述，有时也简称为数据结构；数据的存储结构又称为物理结构，是数据的逻辑结构在计算机存储器中的实现；数据的运算是在数据的逻辑结构上定义的、物理结构上实现的操作算法。 例如，数据间的逻辑结构可能是线性结构(结点间是一对一的关系)、树形结构(一对多关系)和网状结构(多对多关系)等，可采用顺序、链接、索引或散列等存储方法，并定义和实施检索、插入、删除、更新、排序等操作算法。 数据结构和数据库系统做的都是计算机数据的组织工作。但是，数据结构的工作更“基层”一些，且不涉及具体的用户；而数据库系统涉及较大数据集合的组织和管理，其应用与具体用户有关，因而涉及到模拟、表达客观世界局部的问题。数据结构有时就称为数据组织，而数据库系统到达“数据管理”的层次。;4、文件格式 数据结构处理数据元素关系和操作的共性。在相同的数据结构下，不同软件厂商或数据生产者，还会采取不同的具体形式来组织、存储数据，即采取不同的文件格式。例如，图像结构的数据就有TIF、BMP和JEG等数十种文件格式。文件格式涉及到更具体、实际的数据组织问题，这也是地理信息系统在组织和运作地理空间数据时必须处理好的一个环节。;二、GIS中地理空间数据组织的主要对象 从地理空间现实到计算机世界，一般有概念模型、数据模型、数据结构和文件格式几个层次。这个过程也称地理空间数据建模。 本小节主要从概念模型的层次上，讨论地理空间数据建模的研究对象和表达对象。 注意，地理空间是人类生活的空间，现有的大量学科，包括地球科学各分支和地球科学以外的其他学科，绝大部分的研究对象实际上都是地球表层空间中的事物和现象，因此，不确切地说，地理信息科学的数据建模对象是地表空间现象或事物。地理信息科学只能从自己特定的视角对地理空间实体进行数据建模和研究。;1、数值计算领域的地理空间数据组织 地理信息科学的数据建模，主要是对非数值计算领域而言的。事实上，同一般数据一样，地理空间数据的组织和处理，在数值计算和非数值计算领域中也有明显不同。在地球科学中的一些领域，人们抽象出用方程表达的数学模型，设计解方程的计算机算法，编出程序，求得结果，从而得知物理量怎样因空间位置而异，怎样随时间而变化： 求解的物理量(即属性) = f(x,y,z,t) 这里，(x,y,z)表示地理空间位置，t表示时间。在数值计算领域，地理空间数据依据方程的要求而组织，结构相对简单。 地球科学中需要进行数值计算的，主要有两类方程。一类是数理统计方程，另一类是数学物理方程。 在地学实际研究工作中，还常常既采用数学物理方程，又采用数理统计方程，借助于计算机，各尽其用，达到解决问题的目的。利用计算机求解方程的数值计算，在很多涉及地理空间数据运作的地球科学和其他学科中，发挥着重要的作用。;2、GIS所抽象、表达的地理事物和现象 GIS怎样组织数据以模拟地理事物和现象呢? 地球表层物质和运动极其复杂，不难理解，为了用计算机研究没有方程表达的地理事物和现象的时空分布、组合和发展变化，地理信息科学首先必须把所关注的地物抽取出来，并加以简化、抽象，建立概念模型， 以便计算机表达各种地理事物或实体的空间位置、形状 和 属性，以及它们之间的空间相互关系