地理信息系统中常⽤的空间数据模型有哪些？
之前在百度知道上看到了这个问题——“地理信息系统中常⽤的空间数据模型有哪些？”今天就针对这个问题做了⼀些整理，看看能不能帮到⼤家。
空间数据模型是指利⽤特定的数据结构来表达空间对象的空间位置、空间关系和属性信息；是对空间对象的数据描述。空间数据模型是地理信息系统的基础，它不仅决定了系统数据管理的有效性，⽽且是系统灵活性的关键。
  ⽬前，与GIS设计有关的空间数据模型主要有⽮量模型，栅格模型，数字⾼程模型，⾯向对象模型，⽮量和栅格的混合数据模型等。前⾯四种模型属于定向性模型，在模型设计时只包括与应⽤⽬标有关的实体及其相互关系，⽽混合模型的设计则包括所有能够指出的实体及其相互关系。就⽬前的应⽤现状⽽⾔，⽮量模型、栅格模型、数字⾼程模型相当成熟（⽬前成熟的商业化GIS主要采⽤这三类模型），⽽其它模型，特别是混合模型则处于⼤⼒发展之中。
⼀、⽮量模型（vector model）
⽮量模型是利⽤边界或表⾯来表达空间⽬标对象的⾯或体要素，通过记录⽬标的边界，同时采⽤标识符(Identifier)表达它的属性来描述空间对象实体。⽮量模型能够⽅便地进⾏⽐例尺变换、投影变换以及图形
的输⼊和输出。⽮量模型处理的空间图形实体是点（point）、线（line）、⾯（area）。⽮量模型的基本类型起源于“Spaghetti”模型。在Spaghetti模型中，点⽤空间坐标对表⽰，线由⼀串坐标对表⽰，⾯是由线形成的闭合多边形。CAD等绘图系统⼤多采⽤Spaghetti模型。
GIS的⽮量数据模型与Spaghetti模型的主要区别是，前者通过拓扑结构数据来描述空间⽬标之间的空间关系，⽽后者则没有。在⽮量模型中，拓扑关系是进⾏空间分析的关键。
在GIS的拓扑数据模型中，与点、线、⾯相对应的空间图形实体主要有结点（node）、弧段（arc）、多边形（polygon），多边形的边界被分割成⼀系列的弧和结点，结点、弧、多边形间的空间关系在数据结构或属性表中加以定义。GIS的⽮量数据模型具有如下特点：
1. 通过对结点、弧、多边形拓扑关系的描述，相邻弧段的公⽤结点，相邻多边形的公⽤弧段在计算机中只需记录⼀次，⽽在Spaghetti模型中的记录次数则⼤于1。
2.空间图形实体的拓扑关系，如拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含不会随着诸如移动、缩放、旋转等变换⽽变化，⽽空间坐标及⼀些⼏何属性（如⾯积、周长、⽅向等）会受到影响。
3.⼀般情况下，通过⽮量模型所表达的空间图形实体数据⽂件占⽤的存储空间⽐栅格模型⼩。
4．能够精确地表达图形⽬标，精确地计算空间⽬标的参数（如周长、⾯积）。
⼆、栅格模型（raster model）
  栅格模型直接采⽤⾯域或空域枚举来直接描述空间⽬标对象）。在栅格模型中，点(点状符号)是由⼀个或多个像元，线是由⼀串彼此相连的像元构成。在栅格模型中，每⼀像元的⼤⼩是⼀致的（⼀般是正⽅形），⽽且每⼀个栅格像元层记录着不同的属性（如植被类型等）。像元的位置由纵横坐标（⾏列）决定。所以，每个像元的空间坐标不⼀定要直接记录，因为像元记录的顺序已经隐含了空间坐标。
栅格模型具有如下⼏个特点：
  1．栅格的空间分辨率指⼀个像元在地⾯所代表的实际⾯积⼤⼩（⼀个正⽅形的⾯积）；
2．对于同⼀幅图形或图象来说，随着分辨率的增⼤，存储空间也随之增⼤。例如，如果每⼀像元占⽤⼀个字节，⽽且分辨率为100m，那么，⼀个⾯积为10km*10km=100km 的区域就有1000*1000=1000000个像元，所占存储空间为1000000个字节；如果分辨率为10m，那么，同样⾯积的区域就有10000*10000=1亿个像元，所占存储空间近100MB；
  3．表达空间⽬标、计算空间实体相关参数的精度与分辨率密切相关，分辨率越⾼，精度越⾼；
  4．⾮常适合进⾏空间分析。例如，同⼀地区多幅遥感图象的叠加操作等；
  5．不适合进⾏⽐例尺变化，投影变换等。
对象模型是什么三、数字⾼程模型（DEM，Digital Elevation Model）
  数字⾼程模型是采⽤规则或不规则多边形拟合⾯状空间对象的表⾯，主要是对数字⾼程表⾯的描述。根据多边形的形状，我们可以把数字⾼程模型分为两种，即格⽹模型和不规则三⾓⽹模型。
1、格⽹模型(Grid model)
  与栅格模型相似，同样是直接采⽤⾯域或空域枚举来描述空间⽬标对象。⼀般情况下，栅格模型的每⼀像元或像元的中⼼点代表⼀定⾯积范围内空间对象或实体的各种空间⼏何特征和属性⼏何特征，⽽格⽹模型通常以⾏列的交点特征值代表交点附近空间对象或实体的各种空间⼏何特征和属性⼏何特征。栅格模型主要⽤于图象分析和处理，⽽格⽹模型主要进⾏等值线的⾃动⽣成，坡度、坡向的分析等。栅格模型处理的数据主要来源于航空、航天摄影以及视频图象等，⽽格⽹模型则主要来源于原始空间数据的插值。
2、TIN模型（三⾓⽹数据模型）
  TIN模型是利⽤不规则三⾓形来描述数字⾼程表⾯。在TIN模型中，同样可以建⽴三⾓形顶点（数据点）、三⾓形边、三⾓形个体间的拓扑关系。如果建⽴了TIN模型图形实体（三⾓形顶点、三⾓形边、三⾓形）的拓扑关系，将⼤⼤加快处理三⾓形的速度。
归纳起来，数字⾼程模型的主要优点是能够⽅便地进⾏空间分析和计算，如对地表坡度、坡向的计算等。
四、⾯向对象的数据模型（Object-Oriented Data Model） 
⾯向对象表⽰⽅法的最⼤优点是便于表达复杂的⽬标。⾯向对象的⽅法为数据模型的建⽴提供了分类、概括、联合和聚集等四种数据处理技术，这些技术对复杂空间数据的表达较为理想。在概括、联合、聚集等技术的运⽤中，都要涉及到对象或类型的属性值或属性结构在不同级或层之间的传递或继承。为此，⾯向对象的⽅法提供了继承和传播两种⼯具。
  在类型的层次结构中，⼦类的属性结构或操作⽅法可以部分地从超类中获取，这就⽽继承。继承可以减少数据冗余，并有助于保持数据的完整性。
  ⽆论是联合还是聚集，它们都有⼀个共同之处，那就是将⼀组对象合并成为⼀个更加复杂的对象，这⼀类复杂对象的属性值来源于两个⽅⾯：
1.⼀部分属性值由该复杂对象本⾝定义，与构成它的成员对象（组件对象）⽆关；
2.另⼀部分属性值依赖于这些成员对象。
  为此，复杂对象必须具备获取成员对象属性值的能⼒。传播正是⼀种⽤来描述复杂对象的依赖性并获取成员对象属性值的⼯具，这种⼯
具所基于的最基本的原理就是成员对象的相关属性只能存储⼀次，然后再将这些属性值传给复杂对象，这样当成员对象的属性值被改变后，复杂对象的属性值⽆需修改。显然，这种⼯具的使⽤⼤⼤减少了数据冗余量并保证了数据的⼀致性。
  通过采⽤继承和传播两种⼯具，将使得原本⼗分复杂的描述变得⾃然和简单。例如，⼀个城市由若⼲个区组成，因此，城市的⼈⼝应为各区⼈⼝的总和。对于城市这样⼀个复杂对象，它的⼈⼝数由它的成员对象即各区的⼈⼝数求和派⽣⽽成。
  分类、概括、联合和聚集等四种数据处理技术和继承及传播⼯具为⾯向对象数据模型的建⽴奠定了坚实的基础。空间对象是指空间地物的超类，点（point）、线(line)、⾯(surface)、复杂地物类(comolex)，三⾓形表⽰ is-a关系（继承关系），⽽菱形表⽰member-of关系。
复杂地物与其它简单地物和复杂地物的关系可能是⼀对多的关系，即复杂地物可能是由点、线、⾯甚⾄其它复杂地物组成，⽽某个特定的点、线、⾯或复杂地物只能⽤于参与构造⼀个复杂地物。
五、混合数据模型（Hybrid Model）
  由于⽮量模型、栅格模型、数字⾼程模型在处理空间对象时都有各⾃的优缺点。所以，能否在⼀个统⼀模型的基础上充分利⽤相关模型的优点就是⽬前GIS界研究的⽅向之⼀。到⽬前为⽌，有代表性的研究成果主要有TIN与⽮量的⼀体化模型，栅格与⽮量⼀体化的多级格⽹模型。下⾯将介绍这⽅⾯的内容。
1、⽮量与TIN的⼀体化的数据模型
  发展⽮量与TIN⼀体化数据模型的主要原因为：它既能发挥TIN的空间分析和计算功能，⼜能⽅便地查询属性信息。因为TIN的三⾓形顶点和边（如测量点，河流⾛向线，陆上径流路径，封闭洼地边界线等）可能为⽮量图形的特征点和线的⼀部分，所以它们的系统代码或内部码是完全⼀致的。
  TIN与⽮量之间存在着部分(part of)或包含的关系，实际上也是通过这种关系实现⼀体化的。由于TIN是以⽮量系统的⽮量图形为基础⽣成的，所以，单个三⾓形顶点、边、三⾓形本⾝包含的空间区域可能是⽮量系统点、线、⾯状图形⽬标的⼀部分。如果在TIN和⽮量数据结构中保持点和顶点、线和边、⾯和三⾓形
有关标识号的统⼀，那么，就能实现TIN和⽮量的⼀体化。
2、多级格⽹模型
  多级格⽹模型的本质是在基本格⽹的基础上细分为256*256或16*16个格⽹，然后基本格⽹和细分格⽹都采⽤四叉树的编码⽅法去表达点、线、⾯的有关参数。具体地讲，就是要遵循如下三点约定：
  (1)点状地物是仅有空间位置没有形状和⾯积，在计算机内仅有⼀个位置数据；
  (2)线性地物是有形状，没有⾯积，在计算机内由⼀组原⼦填满路径；
  (3)⾯状地物是有形状和⾯积，在计算机内由⼀组填满路径的原⼦表达的边界线。
这样，就把⽮量转换为栅格的形式，实现了栅格和⽮量的统⼀。

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