第5章GIS数据库-空间数据模型

1、第第5章章 空间数据模型空间数据模型序序v空间数据表达：用矢量数据、栅格数据表达地理空间中的离散对象和连续场。v无论矢量数据还是栅格数据，都体现了数据内部的逻辑关系，把这种对数据进行逻辑描述、组织和编排的方式称为“数据结构”。包括：矢量数据结构、栅格数据结构、矢栅一体化数据结构等。v空间数据模型：把现实世界抽象为地理空间，把现象抽象为要素（实体），抽象的结果称为“空间数据模型”。根据抽象的层次，分为：概念模型、逻辑模型、物理模型。概念模型用E-R图或类图表示，逻辑模型用二维表表示，物理模型用户只需要做一些设置即可。内容：内容：v5.1 空间数据表达v5.2 空间数据结构v5.3 空间数据模型5

2、.1 空间数据的表达空间数据的表达v1 空间数据基本特征v2 地理实体描述v3 地理实体间的空间关系1. 空间数据基本特征空间数据基本特征v 空间特征 用以描述事物或现象的地理位置以及空间位置相互关系。一般以坐标数据表现。 空间特征数据又可再分为拓扑特征和几何特征（定位特征）。 属性特征属性特征 非定位数据。用以描述事物或现象的特性。 时间特征时间特征 用以描述事物或现象随时间的变化。Jack Dangermond1984空间数据的基本特征表达表达1表达表达2空间特征属性特征空间位置 几何特征 空间关系定性定量XYZ 形状大小分布拓扑方位度量名称类型特性数量等级点、线、面、体长度、面积、体积连

3、续、离散邻接、关联、包含前后、上下距离土地农用地适宜农作物10一级空间数据征特间时T3T2T12.地理实体地理实体v 表达什么？v 一棵树的表达：沙漠地区、平原地区v 一个城市的表达：大比例尺、小比例尺v 如何表达？v 离散对象和连续对象是空间表达的两种基本方式。v 离散对象：点、线、面、体v 连续场：污染变化，降雨量v 离散对象和连接场解决了地理现象的概念表达问题，但是没有解决计算机的数据化表达问题。v 矢量和栅格是两种用于地理现象简化编码的方法。1)矢量数据矢量数据v在地理空间世界中，空间对象一般按地形维数进行归类划分，地理现象被抽象为点、线、面、体。抽象后的地理现象称为地理实体（空间实体

4、）。 1、点（0维） 2、线（1维） 3、面（2维） 4、体（3维）v矢量数据中的点没有大小，线没有宽度。4 4）角点、节点角点、节点VertexVertex：表示线段和弧段上的连接点。表示线段和弧段上的连接点。 1）实体点实体点：用来代表一个实体：用来代表一个实体。2）注记点注记点：用于定位注记：用于定位注记。3）内点内点：用于记录多边形的：用于记录多边形的属性与位置，存在于多边形内。属性与位置，存在于多边形内。点实体点实体有位置，无宽度和长度有位置，无宽度和长度线实体线实体1）实体长度实体长度：从起点到终点的总长从起点到终点的总长2）弯曲度弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。用于表示像

5、道路拐弯时弯曲的程度。3）方向性方向性：如：水流方向，上游如：水流方向，上游下游，下游， 公路，单、双向之分。公路，单、双向之分。线状实体包括：线段，边界、链、线状实体包括：线段，边界、链、弧段、网络等弧段、网络等。有长度，但无宽度和高度有长度，但无宽度和高度用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多面状实体有如下特征面状实体有如下特征：1）面积范围）面积范围 2）周长）周长3）独立性或与其它地物相邻）独立性或与其它地物相邻如中国及其周边国家如中国及其周边国家4）内岛屿或锯齿状外形：）内岛屿或锯齿状外形：如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。如岛屿的海岸线封

6、闭所围成的区域。5）重叠性与非重叠性：）重叠性与非重叠性： 如学校的分区，菜市场的服务范围等都有如学校的分区，菜市场的服务范围等都有可能出现交叉重叠现象，而一个城市的各可能出现交叉重叠现象，而一个城市的各个城区一般说来不会出现重叠。个城区一般说来不会出现重叠。 面实体面实体具有长和宽的目标具有长和宽的目标通常用来表示自然或人工的封闭多边形通常用来表示自然或人工的封闭多边形空间对象：体空间对象：体有长、宽、高的目标有长、宽、高的目标通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标体等三维目标体状实体一般具有以下一些空间特体状实体一般具有以下一些

7、空间特征征：1）体积，如工程开控和填充的土方）体积，如工程开控和填充的土方量。量。2）每个二维平面的面积。）每个二维平面的面积。3）周长）周长4）厚度）厚度5）高度）高度 抽象成地理实体的空间现象抽象成地理实体的空间现象维度空间实体地理现象0点城镇、居民地、交通枢纽、车站、码头、工厂、学校、医院、商场、写字楼、机关、火山口、山峰、景点、基地等1线河流、海岸、铁路、公路、地下管网、行政边界等2面土壤、耕地、森林、草原、沙漠、行政区域、绿地、操场等3体云、水体、矿体、高层建筑等实体类型组合实体类型组合v现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成v例如根据某些空间单元或几种空间单元的组

8、合将空间问题表达出来，复杂实体由简单实体组合表达。点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题：v如：线面、面面、 点面、点线（1）线）线面组合面组合 1、区域包含线：计算区域内线的密度，某省的水、区域包含线：计算区域内线的密度，某省的水系分布情况。系分布情况。 2、线通过区域：公路上否通过某县。、线通过区域：公路上否通过某县。 3、线环绕区域：区域边界，搜索左右区域名称，、线环绕区域：区域边界，搜索左右区域名称，中国与哪些国家接壤。中国与哪些国家接壤。 4、线与区域分离：距离。、线与区域分离：距离。（2）面）面面组合面组合 1、包含：岛、包含：岛,某省的湖泊分布。某省的湖泊分布。 2、 相交：重

9、叠，学校服务范相交：重叠，学校服务范围与菜场服务范围重叠区。围与菜场服务范围重叠区。 3、 相邻：计算相邻边界性质相邻：计算相邻边界性质和长度，公共连接边界。和长度，公共连接边界。 4、分离：计算距离。、分离：计算距离。学校学校菜场菜场2）栅格数据）栅格数据v若将地理空间分成许多单元格（称为像元），所有的地理变量由这些单元格所赋予的属性值来表达，称为栅格表示。v像元格的大小决定数据精度。3.地理实体间的空间关系地理实体间的空间关系v空间关系是地理实体之间由实体的几何特性（位置、形状）所决定的关系。v地理实体间的空间关系实际是研究实体间的拓扑关系。1)拓扑关系的定义拓扑关系的定义vTopolog

10、y一词来自希腊文，它的原意是“形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能保持不变的几何属性拓扑属性。v地理实体不仅具有空间位置、形状、大小等空间特征，而且不同实体间还存在邻接、关联、包含等空间相互关系特征，由于描述这种关系时不需要考虑空间坐标和距离因素，所以又称为拓扑关系。v是明确定义空间关系的一种数学方法。在GIS中，用来描述并确定空间的点线面之间的关系及属性，并可实现相关的查询和检索。2)对拓扑关系的理解对拓扑关系的理解v指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。 拓扑变换拓扑变换（橡皮变换（橡皮变换）几何形状不同的图形，几何形状不同的图形，结点和面的拓结点和面的拓

11、扑关系可以是相同的。扑关系可以是相同的。拓扑关系反映了空间拓扑关系反映了空间实体之间的逻辑关系，实体之间的逻辑关系，它不需要坐标、距离它不需要坐标、距离信息，不受比例尺限信息，不受比例尺限制，也不随投影关系制，也不随投影关系变化。变化。 3)拓扑属性和非拓扑属性拓扑属性和非拓扑属性两点之间的距离两点之间的距离一个点指向另一个点的方向一个点指向另一个点的方向弧段的长度弧段的长度一个区域的周长一个区域的周长一个区域的面积一个区域的面积一个点在一个弧段的端点一个点在一个弧段的端点一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的外部一个点在

12、一个区域的外部一个面是一个简单的面（一个面是一个简单的面（无岛无岛）非拓扑属性非拓扑属性拓扑属性拓扑属性 拓扑变换拓扑变换 （橡皮变换）（橡皮变换）4)拓扑元素拓扑元素v点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点v线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段v面：若干弧段组成的多边形起点终点中间点弧段1弧段3弧段2弧段4点:面:弧:拓扑元素拓扑元素5)拓扑关系分类拓扑关系分类v拓扑邻接：同类元素之间的拓扑关系。v拓扑关联：不同类元素之间的拓扑关系。v拓扑包含：同类不同级元素之间的拓扑关系。N1e1e2e5e6e4e7e3P1P3P2P4N4N3N5N2拓扑邻接：拓扑邻接：N N1 1/ /N

13、 N2 2 , ,N N1 1/ /N N3 3 , ,N N1 1/ /N N4 4 ; ;P P1 1/ /P P3 3 ; ;P P2 2/ /P P3 3拓扑关联：拓扑关联：N N1 1/1 1、3 3 、6 6 ；P P1 1/1 1、5 5 、6 6 拓扑包含：拓扑包含：P P3 3与与P P4 4邻接邻接相交相交相离相离包含包含点点点点点点线线点点面面线线面面面面面面线线线线6)研究拓扑关系的意义研究拓扑关系的意义v 对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义：v 1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。v 2）有助于空间要

14、素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。如某县的邻接县，-面面相邻问题。又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线（管道）与哪些点（阀门）关联。v 3）根据拓扑关系可重建地理实体。总结总结v栅格数据和矢量数据都可以表示拓扑关系。对于矢量图形的拓扑关系描述，主要有基于网络的拓扑模型 和基于点集理论的拓扑模型。内容：内容：v5.1 空间数据表达v5.2 空间数据结构v5.3 空间数据模型v 5.2 空间数据结构空间数据结构v 空间数据结构是指适合于计算机系统存储、管理和处理的空间图形的逻辑结构，是地理实的空间排列方式和相互关系的抽象描述。v 主要有：v 一.栅格数据结构v 二

15、.矢量数据结构 v 三.矢栅一体化的数据结构v 四.曲面数据结构v 五.三维数据结构一一.栅格数据结构栅格数据结构v1. 基本概念v2. 栅格数据属性取值v3. 栅格数据编码v4 栅格数据来源v5. 栅格数据组织1.基本概念基本概念v1)栅格结构v定义：栅格结构将地理空间划分成若干行、若干列，称为一个像元阵列，其最小单元称为像元或像素。每个像元的位置由行列号确定，其属性则以唯一属性值形式表示。列：列：Y行：行： X像元像元v2)像元阵列：反映某一空间分布的像元队列，网格的基本单位通常为正方形。 v3) 像元属性：栅格单元值v 通常用代码或数值表示，用来表现地理要素的属性特征（反射率、颜色、土地

16、利用类型、降雨量、人口、高程等等） v4) 像元栅格单元v 网格基本单元的大小，对栅格图像的分辨率和计算精度起关键作用。遥感影像：遥感影像：影像分辨率一个像元代表的实地面积打印机：150DPI、300DPI、600DPI计算机屏幕分辨率：800600 1024768 12801024i栅格数据结构栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。矢量数据结构矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能是通过记录坐标的方式，尽可能 地将点、线、地将点、线、面地理实体表现得精确无误

17、面地理实体表现得精确无误XYx1 y1x2 y2xi yixn yn点点线线面面 对于栅格数据结构对于栅格数据结构点：为一个像元点：为一个像元线：在一定方向上线：在一定方向上连接成串的相邻像连接成串的相邻像元集合。元集合。面：聚集在一起的面：聚集在一起的相邻像元集合。相邻像元集合。2.栅格数据属性取值栅格数据属性取值问题：问题： 每个像元属性只能每个像元属性只能取一个值，实际上一个取一个值，实际上一个栅格可能对应几种不同栅格可能对应几种不同属性值，如何取值？属性值，如何取值？v1、中心点法v取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。 v2、面积占优法v栅格单元属性值为面积最大者。v3、重要性法v

18、取重要的属性值为栅格属性值。用于具有特殊意义的较小地物。v4、长度占优法v每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。ABBA2 2 1 11 12 2 3. 栅格数据编码栅格数据编码1、直接编码2、游程长度编码3、块式编码4、链式编码5、四叉树编码1）直接编码）直接编码n无压缩编码。将栅格数据看作是一个数据矩阵，逐行或逐列逐个记录代码。特点：最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理。5,5A,A,B,B,BA,C,C,C,AD,C,C,A,AD,D,C,A,AD,D,A,A,An数据压缩栅格数据量大，格网数多，由于地理数据往往有较强的相关性，即相邻象元的值往往是相同的

19、。所以，出现了各种栅格数据压缩方法。数据压缩是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术。分为：无损压缩无损压缩：在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复原有的信息原有的信息-信息信息 保持编码保持编码。有损压缩有损压缩：为最大限度压缩数据，在编码中损失一些认为为最大限度压缩数据，在编码中损失一些认为不太重要的信息，解码后，这部分信息无法恢复。不太重要的信息，解码后，这部分信息无法恢复。-信息信息不保持编码不保持编码。 2）游程长度编码）游程长度编码v游程是指按行的顺序连续且属性值相同的若干栅格。v游程长度编码是栅格数据压缩的重要编码方法。v游程长

20、度的记录方式有两种:v 记录每个游程始末列号v 记录每个游程象元数游程长度编码游程长度编码 逐行记录每个游程的末点列号5，5A，2，B，5A，1，C，4，A，5D，1，C，3，A，5D，2，C，3，A，5D，2，A，5游程长度编码游程长度编码记录每个游程象元数目5，5A，2，B，3A，1，C，3，A，1D，1，C，2，A，2D，2，C，1，A，2D，2，A，3v游程长度编码的特点在各行数据代码发生变化时候记录代码以及相同代码重复的个数，从而实现数据的压缩压缩方法有效便捷。压缩比和图的复杂程度成反比。变化多的部分游程数多，变化少的部分游程数少。因此，图越简单，压缩效率越高图越简单，压缩效率越高。

21、3）块式编码）块式编码将游程编码扩大到二维的情况。把多边形范围划分成若干具有同一属性值的正方形，然后对各个正方形进行编码。采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格。 1 2 3 4 5 6 7 8 1 0 4 4 7 7 7 7 72 4 4 4 4 4 7 7 73 4 4 4 4 8 8 7 7 4 0 0 4 8 8 8 7 75 0 0 8 8 8 8 7 86 0 0 0 8 8 8 8 87 0 0 0 0 8 8 8 88 0 0 0 0 0 8 8 8数据对组成数据对组成：（初始行、列，半径，属性值）：（初始行、列，半径，属性值）依次扫描，编过的不重复。依次扫描

22、，编过的不重复。 1 2 3 4 5 6 7 8 1 0 4 4 7 7 7 7 72 4 4 4 4 4 7 7 73 4 4 4 4 8 8 7 7 4 0 0 4 8 8 8 7 75 0 0 8 8 8 8 7 86 0 0 0 8 8 8 8 87 0 0 0 0 8 8 8 88 0 0 0 0 0 8 8 8如：（如：（1,1,1,0), (1,2,2,4), (1,4,1,7), (1,5,1,7)块式编码例：块式编码例：0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0

23、3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 3（1 1，1 1，1 1，0 0），（），（1 1，2 2，2 2，2 2），），（1 1，4 4，1 1，5 5），（），（1 1，5 5，1 1，5 5），），（1 1，6 6，2 2，5 5），（），（1 1，8 8，1 1，5 5）；）；（2 2，1 1，1 1，2 2），（），（2 2，4 4，1 1，2 2），），（2 2，5 5，1 1，2 2），（），（2 2，8 8，1 1，5 5）；）；（3 3，3 3，1 1，2 2），（），（3 3，4 4，1 1，2 2），），（3 3，5 5，2 2，

24、3 3），（），（3 3，7 7，2 2，5 5）；）；（4 4，1 1，2 2，0 0），（），（4 4，3 3，1 1，2 2），），（4 4，4 4，1 1，3 3）；（）；（5 5，3 3，1 1，3 3），），（5 5，4 4，2 2，3 3），（），（5 5，6 6，1 1，3 3），），（5 5，7 7，1 1，5 5），（），（5 5，8 8，1 1，3 3）；）；（6 6，1 1，3 3，0 0），（），（6 6，6 6，3 3，3 3）；）；（7 7，4 4，1 1，0 0），（），（7 7，5 5，1 1，3 3）；）；（8 8，4 4，1 1，0 0），（），（8 8，

25、5 5，1 1，0 0）。）。块状编码的特点：块状编码的特点： 一个多边形所包含的正方形越大，多边形的边界越简单，块式编码的效果就越好； 当属性变化小时图块大，对于大块图斑记录单元大，分辨率低，压缩比高。小块图斑记录单元小，分辨率高，压缩比低。 利于计算面积、合并插入等操作。 1 2 3 4 5 6 7 8 1 0 4 4 7 7 7 7 72 4 4 4 4 4 7 7 73 4 4 4 4 8 8 7 7 4 0 0 4 8 8 8 7 75 0 0 8 8 8 8 7 86 0 0 0 8 8 8 8 87 0 0 0 0 8 8 8 88 0 0 0 0 0 8 8 84）链式编码码）

26、链式编码码又称为弗里曼（Freeman） 链码、边界链。它是从某一起点开始用沿八个基本方向前进的单位矢量链来表示线状地物或多边形的边界。01234567方向E SE S SW W NW N NE 编号0 1 2 3 4 5 6 7将栅格数据（线状地物面域将栅格数据（线状地物面域边界）表示为矢量链的记录。边界）表示为矢量链的记录。步骤如下：步骤如下：（1 1）首先定义一个）首先定义一个3x33x3窗口，窗口，中间栅格的走向有中间栅格的走向有8 8种可能，种可能，并将这并将这8 8种可能种可能0-70-7进行编码。进行编码。 （2 2）记下地物属性码和起）记下地物属性码和起点行、列后，进行追踪，得

27、点行、列后，进行追踪，得到矢量链到矢量链. .01234567aaaaaaab链式编码表链式编码表属性码起点行起点列链码a14223323b3725332107065链式编码的特点：链式编码的特点： 对于线状和多边形的表示具有很对于线状和多边形的表示具有很强的数据压缩能力。强的数据压缩能力。 具有一定的运算功能，计算周长具有一定的运算功能，计算周长和面积。和面积。 探测边界急促弯曲和凹进部分比探测边界急促弯曲和凹进部分比较容易。较容易。 缺点是效率较低；局部改动对整缺点是效率较低；局部改动对整体影响大；由于以区域为单位存体影响大；由于以区域为单位存储边界，相邻区域边界容易被重储边界，相邻区域边

28、界容易被重复存储产生冗余。复存储产生冗余。aaaaaaab012345675）四叉树编码）四叉树编码 基本思想：把一幅图像或一幅栅格地图等分成4部分，逐块检查其栅格值，若每个子区都含有相同值，则该子区不再往下分割，否则将该区域再分割4个子区域，如此递归分割直到每个子块都含有相同的属性为止。120用四叉树表示一个多边形用四叉树表示一个多边形四叉树这种逐四叉树这种逐级级一分为四一分为四的的方法，一直分方法，一直分到预定的最高到预定的最高分辨率为止。分辨率为止。四叉树的树形表示：四叉树的树形表示： 用一倒立树表示这种分割和分割结用一倒立树表示这种分割和分割结果。果。根：整个区域根：整个区域高：深度、

29、分几级，几次分割高：深度、分几级，几次分割叶：不能再分割的块叶：不能再分割的块树叉：还需分割的块树叉：还需分割的块 每个树叉均有每个树叉均有4 4个分叉，叫四叉树。个分叉，叫四叉树。AAAAABBBAABBAABB0123树杈结点叶子结点1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8M M R M M M M MM M R R M R M MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM M R R R R R MM M M R R M M M四叉树编码方法（0）（1）（2）（3）0层1层2层3层记录每个

30、叶子结点的地址和属性01232021 2223200201202 203 230231 232233四叉树编码的优点：四叉树编码的优点： 高效、可变的分辨率，适应不同分辨率的数高效、可变的分辨率，适应不同分辨率的数据管理。据管理。 有效减少栅格数据的存储量。有效减少栅格数据的存储量。缺点缺点 复杂，难于修改和更新。复杂，难于修改和更新。 不存储拓扑关系。不存储拓扑关系。 如果数据种类不同，处理效率低如果数据种类不同，处理效率低。各种编码方式的特点各种编码方式的特点v 直接栅格编码：v 简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型；v 行程编码：v 在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编

31、码解码十分容易，十分适合于地理信息系统采用；v 链式编码：v 压缩效率较高，最为接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；v 块式编码和四叉树编码：v 具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，是很常用的编码方法。4. 栅格数据的获取栅格数据的获取v获取方式1、目读法目读法2、从扫描仪获取从扫描仪获取3、从摄像机获取、从摄像机获取4、从遥感中获取、从遥感中获取5、从矢量数据转换、从矢量数据转换v1、目读法将一张透明格网纸叠置于某图件上，根据某种占优将一张透明格网纸叠置于某图件上，根据某种占优法，直接用人工方法获取相应的栅格数据属性。法，直接用人工方法获取相应

32、的栅格数据属性。当区域范围较大，或要求栅格单元尺寸比较小时，当区域范围较大，或要求栅格单元尺寸比较小时，工作量大到使人很难忍受工作量大到使人很难忍受适用于所选区域范围小，栅格单元尺寸大的情况。适用于所选区域范围小，栅格单元尺寸大的情况。v2、从扫描仪获取是获取栅格数据的主要设备。是获取栅格数据的主要设备。高精度，快速度，数据格式标准化。高精度，快速度，数据格式标准化。v3、从摄像机获取用摄像机可以获取各种景物的视频数据。用摄像机可以获取各种景物的视频数据。从摄像机数字化输入的栅格元素数是相从摄像机数字化输入的栅格元素数是相对固定的，例如对固定的，例如512512，10241024等。等。v4、

33、从遥感获取遥感是利用航空，航天技术获取地球资遥感是利用航空，航天技术获取地球资源和环境信息的重要途径。源和环境信息的重要途径。能周期性，动态的获取丰富的信息，并能周期性，动态的获取丰富的信息，并可直接以数字方式记录和传送。可直接以数字方式记录和传送。5. 5. 栅格数据的组织栅格数据的组织总结：总结：v将栅格数据存储在数据库中，一个栅格单元就可以有多个属性。v栅格数据通常难以精确测量，且数据量大，不适合大量运算。v但是其优点十分明显，数据结构简单，另外，卫星数据可以原封不动转入GIS栅格数据，还是，叠加运算十分容。二二.矢量数据结构矢量数据结构v1. 基本概念v2. 实体型矢量数据结构v3.

34、拓扑型矢量数据结构v4. 矢量数据组织v5. 栅格、矢量数据 结构比较i栅格数据结构栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。矢量数据结构矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能是通过记录坐标的方式，尽可能 地将点、线、地将点、线、面地理实体表现得精确无误。面地理实体表现得精确无误。矢量数据结构矢量数据结构XYx1 y1x2 y2xi yixn yn矢量数据结构矢量数据结构 v定义：用一系列有序的x、y坐标对来表示点、线、面等地理实体的空间位置。v特点：属性隐含，定

35、位明显属性隐含，定位明显坐标空间假定为连续空间，能比栅格模型更精确地坐标空间假定为连续空间，能比栅格模型更精确地定义位置、长度和大小。定义位置、长度和大小。矢量数据矢量数据1. 基本概念基本概念矢量数据结构编码的基本内容矢量数据结构编码的基本内容 矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。点：空间的一个坐标点；线：多个点组成的弧段；面：多个弧段组成的封闭多边形；v 按矢量数据是否明确表示各地理实体的空间相互关系可分为两大类： 实体型 拓扑型 2.矢量数据分类矢量数据分类(X1,Y1)(X2,Y2)(X3,Y3)(X4,Y4)(X5,Y5)线线 L点点 P(X5,Y5)(

36、X1,Y1)(X2,Y2)(X4,Y4)(X3,Y3)多边形多边形 A(X,Y)P（x,y)L (x1,y1)(x5,y5)v实体是指地图的基本元素：点、线、面1）实体型矢量数据结构）实体型矢量数据结构A (x1,y1)(x1,y1)（1）SPAGHTETTI模型模型12345678910111213141516171819202122232425262728293031v仅记录空间对象位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。优点：编码容易，数字化简单，显示速度快。优点：编码容易，数字化简单，显示速度快。缺点：数据冗余，可能出现重叠或者裂缝，引起数缺点：数据冗余，可能出现重叠或者裂缝，引起数据不一

37、致。缺少拓扑关系，空间分析困难。据不一致。缺少拓扑关系，空间分析困难。arcGIS View 3.1 shapefile即采用这件数据结构。即采用这件数据结构。数据冗余和匹配误差。 ABA： 空白B： 重叠可能引起的问题：（2）点位字典法）点位字典法v记录空间对象每个点坐标。建立点、线、多边形的建立点、线、多边形的边界表。边界表。消除裂隙和存储冗余。消除裂隙和存储冗余。但仍然没有拓扑关系。但仍然没有拓扑关系。23456线线 L点点 P78910多边形多边形 A1点号坐标1x1,y12X2,y23X3,y3目标序号P1L2，3，4，5A7，8，9，10实体型数据结构的优点实体型数据结构的优点 结

38、构简单、直观，编码容易结构简单、直观，编码容易实体型数据结构的缺点实体型数据结构的缺点 数据冗余，相邻多边形的公共边易产生分歧；数据冗余，相邻多边形的公共边易产生分歧； 实体互相独立，缺乏联系；实体互相独立，缺乏联系； 岛弧处理比较困难岛弧处理比较困难实体型数据结构的优缺点实体型数据结构的优缺点空间信息空间信息属性信息属性信息各自位置各自位置相互关系相互关系v 拓扑结构是明确定义空间关系的一种数学方法。在地理数据库中，它不但用于空间数据的组织，而且在空间分析和应用中都具有非常重要的意义。v 表达拓扑的总思想是：点是独立的，点连成线，线连成面，线有起点、终点，并与左、右多边形邻接。构成多边形的线

39、又称为弧段，弧段有交点。地理数据库中存储地理数据库中存储的地理信息包括的地理信息包括2）拓扑型矢量数据结构）拓扑型矢量数据结构v记录空间对象每个点坐标。v建立点与边（线）、线与多边形的索引文件。v用建索引的方法消除多边形数据的冗余和不一致，邻接信息可在多边形文件中通过是否公共弧段号的方式查询。v表达拓扑关系繁琐。1、点文件：、点文件：点号坐标1x1,y1索引文件索引文件：面号弧段号P1A,B,C3、面文件：、面文件：2、弧段文件、弧段文件:弧段号起点 终点点号A527,8,9,101234567891011 1213 1415P PP PP P（1）索引法）索引法索引式索引式B BC CD D

40、E Ea ab bc cf fg gh he ef fi ib bc ci ij j1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010111112121313141415151616171718181919202021212222232324242525262627272828292930303131线与多边形之间的树状索引线与多边形之间的树状索引 点与多边形之间的树状索引点与多边形之间的树状索引 索引式拓扑结构的典型应用：索引式拓扑结构的典型应用：在在ArcView中，每个图形文件包括三个数据文件：中，每个图形文件包括三个数据文件：1、.shp文件：存储各地图要素的坐标数据和几何

41、文件：存储各地图要素的坐标数据和几何数据；数据；2、.shx文件：存储地图要素间的隶属关系；文件：存储地图要素间的隶属关系；3、.dbf文件：存储地图要素的属性数据。文件：存储地图要素的属性数据。（2）链状双重独立式编码）链状双重独立式编码简称简称DIME(Dual Independent Map Encoding，又称对偶独立地图编码法又称对偶独立地图编码法)，是美国人口统计系统，是美国人口统计系统1980年开始采用的一种编码方式，是一种拓扑编年开始采用的一种编码方式，是一种拓扑编码结构。码结构。以弧段为单位记录。以弧段为单位记录。DIME文件提供了关于城市街道，住址范围以及文件提供了关于城

42、市街道，住址范围以及与人口普查局的列表统计数据相关的地理统计代与人口普查局的列表统计数据相关的地理统计代码的纲要图码的纲要图 v以弧段为单位记录。v记录（1）弧段坐标文件、（2）弧段文件：链面，链结点关系 、（3）面文件、（4）点拓扑文件： 结点链关系 v表达拓扑关系明确。v被一些成熟的商品化软件采用，如ARC/INFO软件。弧段号坐标系列（串)Ax2,y2,X10,y10弧段号 左多边形 右多边形 起点终点AP1P225面号弧段号 P1A,B,-C点号 弧段号 2A,B,Dv拓扑结构的基本元素：拓扑弧段（arc）结点(node）多边形（poly）拓扑链、拓扑线段拓扑弧段的两个端点，分别为首结

43、点、尾结点由数条拓扑弧段连接而成结点编码：弧段编码：1 2 3 4 5 6 7 8 9多边形编码：(1)(2)(3)(4)(5)(2)(3)(5)(4)(1)124567893v 拓扑关系表的建立表1：弧段坐标表弧段弧段坐标对坐标对(x3,y3)(x1,y1)(x1,y1)(x2,y2)124567893123表2：弧段多边形关系表弧段弧段左多边形左多边形1 (1) (2)2 (1) (3)3右多边形右多边形(2)(3)(5)(4)124567893(1)弧段弧段 首结点首结点尾结点尾结点表3：弧段结点关系表123124567893(2)(3)(5)(4)124567893表4：多边形弧段关系

44、表多边形多边形弧段弧段(1)(2)(3)1,2,31,4,7,9(1)a4a4a1a2a2a3N1N2N3N6N4N5a5a7a7拓扑型数据结构的特点拓扑型数据结构的特点v优点：v 数据结构紧凑，数据冗余小；v 拓扑关系明晰使得空间查询、空间分析效率高v v缺点：v 对单个地理实体操作的效率低；v 难以表达复杂的地理实体；v 局部更新困难v 实体型与拓扑型数据结构比较实体型与拓扑型数据结构比较v两者都是目前最常用的数据结构结构v 实体型代表软件为MapInfov 拓扑型代表软件为ARC/INFO易于编辑会产生数据冗余和歧异消除了数据的冗余和歧异操作复杂，甚至会产生新的数据冗余实体型拓扑型拓扑关

45、系建立的技术拓扑关系建立的技术1 拓扑关系的交互式生成（通过人机交互方式实现结点、弧段、多边形拓扑关系的建立）主要步骤：1).利用鼠标按顺序得到构成封闭多边形的弧段，最终建立多边形的拓扑结构；2).利用鼠标确定某一弧段两侧的左右多边形，以建立弧段的拓扑结构。3).利用鼠标确定包围结点的多边形，得到结点的拓扑结构。 2 拓扑关系的自动生成3.矢量数据组织矢量数据组织矢量数据表示时应考虑以下问题：矢量数据表示时应考虑以下问题： 矢量数据自身的存贮和处理。矢量数据自身的存贮和处理。 属性数据及几何数据与属性数据的联系。属性数据及几何数据与属性数据的联系。 矢量数据之间的空间关系矢量数据之间的空间关系

46、( (拓扑关系拓扑关系) )。关系表关系表几何位置坐标文件几何位置坐标文件连连接接识别符识别符点：坐标对（点：坐标对（x,y）线：坐标对系列线：坐标对系列(x1,y1).(xn,yn)面：首尾相同的坐标串面：首尾相同的坐标串+ 有关属性、其它属性有关属性、其它属性4.矢量数据结构中的属性表达矢量数据结构中的属性表达u属性特征类型属性特征类型 类别特征：是什么 说明信息：同类目标的不同特征u属性特征表达属性特征表达 类别特征：类型编码 说明信息：属性数据结构和表格u属性表的内容取决于用户属性表的内容取决于用户u图形数据和属性数据的连接通过图形数据和属性数据的连接通过目标识别符目标识别符或或内内部

47、记录号部记录号实现。实现。属性表达属性表达点状对象目标标识目标标识地物编码坐 标关联的线目标精度控制点等级测量单位测量年限线状对象目标标识目标标识地物编码坐 标串起点、终点、左面、右面路面材料等级修建时间宽度管养单位面状对象目标标识目标标识地物编码边界目标号建筑日期所有者建筑面积建筑单位结构空间对象地物编码地物名称制图颜色几何类型制图符号编码属性表明地物类型特征与制图属性1) 1) 由外业测量获得由外业测量获得 可利用测量仪器自动记录测量成果可利用测量仪器自动记录测量成果( (常称为电子手薄常称为电子手薄) )，然后转到地理数据库中。然后转到地理数据库中。2) 2) 由栅格数据转换获得由栅格数

48、据转换获得 利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。据。3) 3) 跟踪数字化跟踪数字化 用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。矢量数据获取方法矢量数据获取方法三三.矢栅一体化数据结构矢栅一体化数据结构 优点 缺点矢量 1、结构紧凑，冗余度低， 2、便于描述线或边界。 3、利于网络、检索分析，提供有效的拓扑编码，对需要拓扑信息的操作更有效。 4、 图形显示质量好，精度高。 1、数据结构复杂，各自定义，不便于数据标准化和规范化，数据交换困难。 2、多边形叠置分析困难 3、表达空间变化性能

49、力差。 4、软硬件技术要求高，显示与绘图成本较高。 栅 格 1、 结构简单，易数据交换。 2、叠置分析和地理现象模拟较易。 3、利于遥感数据的应用和分析，便于图像处理。 4、 输出快速，成本低廉。 1、难以表达拓扑。 2、图形数据量大，数据结构不严密不紧凑，需用压缩技术解决该问题。 3、投影转换困难。 4、图形质量转低，图形输出不美观，线条有锯齿，需用增加栅格数量来克服，但会增加数据文件。栅格和矢量数据模型的比较栅格和矢量数据模型的比较矢量数据结构的特点矢量数据结构的特点v用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含。v用拓扑关系描述空间对象之间的关系。v面向目标操作，精度高，数据冗余度小

50、。v与遥感等图象数据难以结合。v输出图形质量好，精度高。栅格数据结构的特点栅格数据结构的特点v用离散的栅格描述空间对象与特征，属性明显，定位隐含。v叠置分析和地理现象模拟较易。v难以建立拓扑关系。v数据结构简单，与遥感等图象数据容易结合。v输出图形质量低，数据量大。矢栅一体化数据结构矢栅一体化数据结构v根据矢量数据模型与栅格数据模型的特点，在现实应用中，常结合二者，使用矢栅一体化数据结构。如记录土地利用变化时，用栅格数据分析，得到图斑，再转化为矢量图层，生成土地利用变化专题图。而道路、电力网络分析中常用矢量数据进行网格分析。varcGIS 8.0推出的arcSDE 实现了矢栅数据一体化管理。例

51、如，在矢量化一个线状实体时，除了记录端点外，还记录经过的栅格。四四.其它数据结构其它数据结构v曲面数据结构v Voronoi数据结构 vTIN v Grid数据结构v 等高线v三维数据结构内容：内容：v5.1 空间数据表达v5.2 空间数据结构v5.3 空间数据模型5.3 空间数据模型空间数据模型v1. 基本概念v2. 常用空间数据模型v3. OGC的 Geometry对象模型v4. Oracle 定义的栅格数据模型v5. arcGIS数据模型分类1. 基本概念基本概念v通过对客观世界进行抽象，建立模型，是认识世界的基本方法。v根据抽象层次，分为：概念模型、逻辑模型、物理模型。现实世界现实世界

52、信息世界信息世界（概念数据模型）（概念数据模型）计算机世界计算机世界（逻辑数据模型）（逻辑数据模型）概念化形式化计算机世界计算机世界（物理数据模型）（物理数据模型）物理化1）概念模型）概念模型v面向用户的数据模型，与计算机无关。v工具：E-R图，UML图概念模型的建模方法概念模型的建模方法vE-R图：学号学号系别系别姓名姓名学生学生课程课程选修选修mn课程号课程号主讲教师主讲教师课程名课程名成绩成绩班级班级属于属于1班级名班级名班主任班主任班级号班级号m领导领导n1例：例：UML图图 课程课程+课程号课程号+课程名课程名+授课教师授课教师0.n0.m 学生学生+学号学号+姓名姓名+课程列表课程

53、列表选课选课( ) 班级班级+班级号班级号+班级名班级名+班主任班主任+学生列表学生列表0.n 班长班长+班长编号班长编号考勤考勤( )UML图：图： 类、属性、方法、封装、继承类、属性、方法、封装、继承 关联、聚合关联、聚合/组成、泛化、依赖组成、泛化、依赖2）逻辑模型）逻辑模型v逻辑模型要考虑如何用计算机表达概念模型中所含的信息。包含三方面意思：数据结构、定义在逻辑模型上的基本操作，和完整性约束。v其中，数据结构表达了实体及其关系的内容。v“关系模型”是经典的逻辑模型。在地理信息领域，对象-关系模型被广泛应用。v对象-关系模型支持扩展类型，如可以定义数组、向量、矩阵、集合等数据类型；支持复

54、杂对象 和继承的概念例：例：v在Oracle产品中，可以定义“学生”类型：vCreate type student as object(v public sNo Integer,v public Name Varcharv) Not null;v创建学生表：vCreate Table Stu(v Alias char(10)v GenInfo Student,v);3）物理模型）物理模型v物理模型描述了数据在存储介质上的组织结构、存取方法等。例如，是顺序存储还是哈希表，不同的存储结构，其查找方法不同。另外，还有建立什么样的索引的问题，是四叉树还是R树，等等。v说明：物理模型中的很多问题通常是系

55、统设计人员考虑的问题，不需要应用系统开发者考虑，但是需要数据库创建者做一些基本设置，如文件位置，大小限制，建立索引等。2. 常用的空间数据模型常用的空间数据模型v现有的空间数据库和GIS软件 对空间数据的处理 均是基于某种数据模型的。空空间间数数据据模模型型矢量模型矢量模型栅格模型栅格模型几何模型几何模型（关注地物形状）（关注地物形状）网络模型网络模型（关注地物连通）（关注地物连通）要素模型要素模型（无拓扑关系）（无拓扑关系）拓扑模型拓扑模型1) 要素模型要素模型v对象模型，也称要素模型，是将连续地理空间中的地理现象或事件抽象成不连续的、可被观测的、具有地理参考的空间要素（Feature）或空

56、间实体（Entity，即点、线、面、体），也可将这些基本对象组成复杂对象。v对象之间保持特定的关系，如拓扑关系、度量关系，简单对象和复杂对象之间的组成关系、继承关系等。2）栅格模型）栅格模型v栅格模型，又称场模型 或域（Field）模型，是把地理空间中的现象作为连续分布的空间信息的集合，如地形高度，土壤类型等。在实现时，要考虑样点精度。具体有下面6种模型：规则分布的点、不规则分布的点、规则矩形区、不规则多边形区、不规则三角网、等值线。3）网络模型）网络模型v网络模型，是把地理现象抽象为结点、链，同时表达对象间的连通关系。网络模型可以认为是对象模型的一个特例。说明：说明：v1。数据结构强调数据的

57、关联关系，数据模型强调数据的整体布局，和数据的组织方式。在数据库时代，逻辑模型均用“二维表格”存储。v2。在数据库时代，每一种模型在二维表中可以是基于“关系”型的，也可以是基于“对象-关系”型的，或者是“面向对象”的。3. OGC的的SIMPLE FEATURE ACESS即即SFA中的几何要素类关系图中的几何要素类关系图两种逻辑模型两种逻辑模型之一：基于预定义的数据类型的实现之一：基于预定义的数据类型的实现系统表预定义之一：预定义之一：预定义之二：预定义之二：物理实现细节物理实现细节两种逻辑模型两种逻辑模型之二：基于扩展之二：基于扩展GEOMETRY数据类数据类型的实现型的实现ARCINFO

58、中的几何对象模型中的几何对象模型其它矢量模型其它矢量模型v网络模型与 拓扑矢量模型 在OGC SFA规范中也有类似的 概念模型、逻辑模型 和物理模型表述4. Oracle 定义的栅格数据模型定义的栅格数据模型Oracle georaster 数据模型1元数据2坐标系统及其地理参照3栅格数据的分块和分级4GeoRaster数据类型及相关表5GeoRaster 数据模型数据模型 GeoRaster使用一个基于组件的、使用一个基于组件的、逻辑分层逻辑分层并且多维的通用栅格数据模型。栅格中的核心数并且多维的通用栅格数据模型。栅格中的核心数据是由栅格单元据是由栅格单元( 或象素或象素) 组成的多维矩阵组

59、成的多维矩阵, 并且并且这些核心的栅格数据集可以进行分块这些核心的栅格数据集可以进行分块, 用于优化存用于优化存储、检索和处理。储、检索和处理。 GeoRaster数据模型数据模型核心数据集二维像二维像素矩阵素矩阵二维像二维像素矩阵素矩阵二维像二维像素矩阵素矩阵逻辑上分层逻辑上分层遥感影像多波段多波段多时相多时相波段（波段（band）和图层（）和图层（layer）是两个不同的概念。）是两个不同的概念。 波段指的是多维栅格数据图像中的一个物理维度波段指的是多维栅格数据图像中的一个物理维度, , 一个一个波段对应一个频带。也就是说它是坐标空间中的一个坐标波段对应一个频带。也就是说它是坐标空间中的一

60、个坐标轴，这个坐标空间可以有行维、列维和坐标维。轴，这个坐标空间可以有行维、列维和坐标维。 若最大的层数是若最大的层数是n, n, 则波段和层的对应关系可以表示为则波段和层的对应关系可以表示为: :层号层号= =波段号波段号+1+1元数据元数据对象信息对象信息, 如描述和版本信息如描述和版本信息栅格信息栅格信息, 如单元深度、维数、分如单元深度、维数、分块、单元交替格式块、单元交替格式;空间参照系统信息空间参照系统信息, 如地理定位所如地理定位所需的仿射变换信息需的仿射变换信息;栅格数据本身是一种无栅格数据本身是一种无头无尾的数据头无尾的数据, 存储的时存储的时候一般是按照栅格单元候一般是按照