地理信息系统3矢量数据模型

1、 原始数据（Primary data） 次生数据 (Secondary data) 原始数据经过GISs和RSIPS（遥感影像处理系统）处理后都可以转化为次生数据。原始数据主要包括各种地图数据、表格数据和影像数据。对于大多数地理信息系统的应用来说，它们常用的是各种类型的次生数据。 原始地球物理、地球化学和其它有关地球的技术数据，都是通过数字记录仪器来采集的。这些数据的样点观测方式，或者是在自然地理位置上的测量或者是在实验室对于采集样本的测量。在许多情况下，采样点的地理位置是根据地形图来确定的，而地形图上各点的位置坐标则能够以数字化表格的形式记录，或者直接利用卫星全球定位系统（GPS）进行测量。

2、 当原始数据经过解释、编辑和处理后，它们将转化为次生数据。常用的次生地球科学数据主要表现为诸如地图、表格以及空间信息的地学编码等形式。 地理空间的表达是地理数据组织、存储、运算、分析的基础。地理空间的表达方法包括矢量、栅格、三角形不规则网、Voronoi等几类。以此为基础，可以构造地理空间各种不同的数据模型和数据结构。)22() 1(),),.(,(),() 12() 1(),(),.,(),(2221112211nzyxzyxzyxnyxyxyxnnnnn (1)(1)坐标序列中的坐标序列中的（x1，y1）和）和（xn，yn）统称为统称为首结点和末结点）。位于首尾结点首结点和末结点）。位于首

3、尾结点间的点（间的点（x1，y1），（），（x2，y2），），（，（xn-1，yn-1）为拐点或中间点或角点（见图为拐点或中间点或角点（见图(a)）；）； (2)首尾结点可以重合，即弧段首尾相接。相应首尾结点可以重合，即弧段首尾相接。相应的数学表达式为的数学表达式为(图图(b)： x1 = xn，y1= yn （3）弧段不能与自身相交。弧段不能与自身相交。如果相交，需以交如果相交，需以交点为界把弧段分为点为界把弧段分为几个一维矢量（见图几个一维矢量（见图(c)(c)）。）。在图在图 (c)(c)中，弧段数为中，弧段数为3 3，而不是，而不是1 1。三个弧段分。三个弧段分别为别为AK,KBCDE

4、FGHK,KIJAK,KBCDEFGHK,KIJ。长度：从起点到终点的总长。长度：从起点到终点的总长。弯曲度：表示像道路拐弯时弯曲的程度弯曲度：表示像道路拐弯时弯曲的程度。方向性：开始于首结点，结束于末结点。方向性：开始于首结点，结束于末结点。如河流中的水流方向，高速公路允许的车如河流中的水流方向，高速公路允许的车流方向等等。流方向等等。 弧段在结点处的相互联接关系。每个弧段都有一个起始端弧段在结点处的相互联接关系。每个弧段都有一个起始端点和一个终止端点，从起始端点到终止端点表示了弧段的方向，点和一个终止端点，从起始端点到终止端点表示了弧段的方向，而所有弧段的端点序列则定义了弧段与结点的拓扑关

5、系，空间而所有弧段的端点序列则定义了弧段与结点的拓扑关系，空间拓扑关系分析就是通过在端点序列中寻找弧段之间的共同结点拓扑关系分析就是通过在端点序列中寻找弧段之间的共同结点来判断弧段与弧段之间是否存在连接性。来判断弧段与弧段之间是否存在连接性。 地理空间实体对象空间实体对象之间的空间相互作用关系空间相互作用关系。空间关系分为三大类：拓扑空间关系拓扑空间关系（Topological Spatial Relationship）：描述空间实体之间的相邻、包含和相交等空间关系。 度量空间关系度量空间关系(Metric Spatial Relationship)：描述空间实体的距离或远近等关系。距离是定量

6、描述，而远近则是定性描述。顺序空间关系顺序空间关系（Order Spatial Relationship）：描述空间实体之间在空间上的排列次序，如实体之间的前后、左右和东南西北等方位关系。 目前对前两者的研究较成熟，算法也较简单；后者的判别方法较复杂，尤其在三维欧氏空间中。 。 面面- -点空间关系的形式化表达：点空间关系的形式化表达： 例如，表示地表高程的空间数据可以：例如，表示地表高程的空间数据可以：选用进行组织，栅格模型选用游程编码数据结构进行表达，处理后的数据则以诸如后缀名为.COT的文件进行存储；可用来组织，即以等高线来表示，数据以POLYVRT的拓扑结构进行安排，以DLG(Digi

7、tal Line Graph)文件格式存储；模型也能很好地表达高程数据。 三维矢量示意图 不规则三角网的表达方法镶嵌模型示意图 TINTIN模型模型 数据点三角形边三角形图 TIN模型 图A 不规则三角网 图B 与TIN有关的特殊空间对象 1）Spaghetti结构 (a)多边形、弧段、结点（自上到下）多边形、弧段、结点（自上到下） 多边形多边形 弧段弧段 弧段弧段 结点结点 P1 a4 a5 a6 a1 N1 N2 P2 a1 a8 a5 a2 N2 N4 P3 a3 a6 a7 a3 N4 N5 P4 a2 a7 a8 a4 N1 N5 a5 N1 N3 a6 N3 N5 a7 N3 N4

8、 a8 N2 N3（b）结点、弧段、多边形）结点、弧段、多边形结点结点 弧段弧段N1 a1 a4 a5N2 a1 a2 a8N3 a5 a6 a7 a8N4 a2 a3 a7N5 a3 a4 a6 弧段弧段 左多边形左多边形 右多边形右多边形 a1 0 P2 a2 0 p4 a3 0 p3 a4 p1 0 a5 p2 p1 a6 p3 p1 a7 p4 p3 a8 p4 p2 弧段弧段 起结点起结点 终结点终结点 左多边形左多边形 右多边形右多边形 坐标坐标 a1 N1 N2 0 P2 a2 N2 N4 0 p4 a3 N4 N5 0 p3 a4 N1 N5 p1 0 a5 N1 N3 p2

9、p1 a6 N3 N6 p3 p1 a7 N3 N4 p4 p3 a8 N2 N3 p4 p2。 依据地理实体之间不同特征（如因公路和铁路的建造依据地理实体之间不同特征（如因公路和铁路的建造方式不同而将它们视为不同的类）、相似特征（如因公路方式不同而将它们视为不同的类）、相似特征（如因公路和铁路都具有运输功能而将它们视为一类）以及不同地理和铁路都具有运输功能而将它们视为一类）以及不同地理实体的组合特征（如飞机跑道、出租车道、建筑楼群和停实体的组合特征（如飞机跑道、出租车道、建筑楼群和停车场共同组成飞机场）来对地理特征进行分类，以实现空车场共同组成飞机场）来对地理特征进行分类，以实现空间数据的组

10、织。间数据的组织。 上表中每一条道路都有一组属性对其进行描述，这样上表中每一条道路都有一组属性对其进行描述，这样的表被称为属性表。属性表中每一行都是一个记录，它的表被称为属性表。属性表中每一行都是一个记录，它包含了针对某个空间实体的描述信息；表中每一列称为包含了针对某个空间实体的描述信息；表中每一列称为信息描述的一个项。信息描述的一个项。 空间特征数据的表达方式包括各种数据结构，并表现为点、空间特征数据的表达方式包括各种数据结构，并表现为点、线、面等各种图形符号信息；属性特征数据的表达方式包括基线、面等各种图形符号信息；属性特征数据的表达方式包括基于地理特征（包括空间特征和属性特征）的多种分类

11、关系的表于地理特征（包括空间特征和属性特征）的多种分类关系的表格。格。 GISs正是通过建立空间特征数据的图形符号表达与属性正是通过建立空间特征数据的图形符号表达与属性特征数据的表格表达之间的联系，才具备了强大的空间分析能特征数据的表格表达之间的联系，才具备了强大的空间分析能力。力。多边形拓扑关系表与多边形属性表之间的联系一个空间特征可以具有多个属性特征描述 GISs中对实体（对象）的描述一般包括三种基本中对实体（对象）的描述一般包括三种基本信息：语义信息、量度信息和关系结构信息。语义信息信息：语义信息、量度信息和关系结构信息。语义信息表明实体的类型，量度信息用于描述实体的形状和位置表明实体的

12、类型，量度信息用于描述实体的形状和位置等几何属性，关系结构信息用于描述一个实体与其它实等几何属性，关系结构信息用于描述一个实体与其它实体的联系。体的联系。 空间数据的编码则主要是指语义信息的数据化，它空间数据的编码则主要是指语义信息的数据化，它是建立在地理特征的分类及其等级组织基础之上的空间是建立在地理特征的分类及其等级组织基础之上的空间信息数据编码，用于表明实体元素在数据分类分级中的信息数据编码，用于表明实体元素在数据分类分级中的隶属关系和属性性质。隶属关系和属性性质。 编码方式：主码编码方式：主码+子码。其中，主码表示实体元素子码。其中，主码表示实体元素类别，子码则是对实体元素的标识和描述

13、。类别，子码则是对实体元素的标识和描述。 ESRI矢量数据格式简介矢量数据格式简介1. Coverage 基于拓扑的矢量基于拓扑的矢量数据格式数据格式Coverage是ArcInfo workstation的原生数据格式。称之为“基于文件夹的存储”。所有信息都以文件夹的形式来存储。空间信息以二进制文件的形式存储在独立的文件夹中，文件夹名称即为该coverage名称，属性信息和拓扑数据则以INFO表的形式存储。Coverage将空间信息与属性信息结合起来，并存储要素间的拓扑关系。 coverage二进制文件与存储属性信息的 INFO 文件夹中的 INFO表联合表达为 coverage，当使用 A

14、rcCatalog 对 coverage 进行创建、移动、删除或重命名等操作时，ArcCatalog 将自动维护他们的完整性，将 coverage和 INFO文件夹中的内容同步改变。所以对 coverage进行操作，一定要在 ArcCatalog 中进行。Coverage是一个集合，它可以包含一个或多个要素类。图3中简要介绍了一下常见的coverage类型及其要素类。 2. Shapefile非拓扑矢量非拓扑矢量数据格式数据格式Shapefile是ArcView GIS 3.x 的原生数据格式，属于简单要素类，用点、线、多边形存储要素的形状，却不能存储拓扑关系，具有简单、快速显示的优点。一个

15、shapefile是由若干个文件组成的，空间信息和属性信息分离存储，所以称之为“基于文件”。在 windows 资源管理器下，可以看见这个名为 actc 的 shapefile 是由 actc.shp、actc.shx、 actc.dbf三个文件组成。shapefile的三个基本文件，每个 shapefile，都至少有这三个文件组成，其中：*.shp：存储的是几何要素的的空间信息，也就是 XY坐标*.shx：存储的是有关*.shp 存储的索引信息。它记录了在*.shp 中，空间数据是如何存储的，XY 坐标的输入点在哪里，有多少XY坐标对等信息*.dbf：存储地理数据的属性信息的 dBase 表

16、 这三个文件是一个 shapefile 的基本文件。shapefile还可以有其他一些文件，但所有这些文件都与该 shapefile 同名，并且存储在同一路径下。下面简要介绍一下其他一些较为常见文件：*.prj：如果 shapefile 定义了坐标系统，那么它的空间参考信息将会存储在*.prj 文件中；*.shp.xml：这是对 shapefile 进行元数据浏览后生成的 xml 元数据文件*.sbn 和*.sbx：这两个存储的是 shapefile 的空间索引，它能加速空间数据的读取。这两个文件是在对数据进行操作、浏览或连接后才产生的，也可以通过 ArcToolbox Data Manage

17、ment Tools Indexes Add spatial Index 工具生成。当使用ArcCatalog对shapefile进行创建、移动、删除或重命名等操作，或使用ArcMap对shapefile进行编辑时，ArcCatalog将自动维护数据的完整性，将所有文件同步改变。所以需要使用ArcCatalog管理shapefile。 虽然Shapefile无法存储拓扑关系，但它并不是普通用于显示的图形文件，作为地理数据，它自身有拓扑的。比如一个多边形要素类，shapefile会按顺时针方向为它的所有顶点排序，然后按顶点顺序两两连接成的边线向量，在向量右侧的为多边形的内部，在向量左侧的是多边形

18、的外部。 3.Geodatabase 基于对象的矢量数据格式基于对象的矢量数据格式Geodatabase体现了很多第三代地理数据模型的优势。带有空间信息的地理数据也利用成熟的数据库技术进行管理。ESRI推出了geodatabase数据模型，利用数据库技术高效安全地管理地理数据。 像shapefile一样，Geodatabase使用点、线和多边形表示基于矢量的空间要素。点要素可以是单一的一个点，也可以由多个点组成；聚合线由一系列线组成，线段之间可以相互连接或者不连接；多边形要素由一个或多个环组成。Geodatabase将矢量数据组织成要素类和要素数据集。要素类存储具有相同几何类型的空间要素；要素

19、数据集存储具有相同坐标系和区域范围的要素类。如果一个要素类属于Geodatabase，但不是要素集的一部分，称为独立要素类。此外，Geodatabase还能存储栅格数据、不规则三角网、网络数据、属性表格等。Geodatabase可以分为三种：一是基于 Microsoft Access的personal geodatabase，称为单用户数据库，以mdb为扩展名。受到access存储能力的限制，单个文件不能大于2GB。二是文件Geodatabase，以许多小文件的形式存储在文件夹中，以gdb为扩展名。没有数据库大小的限制，可以跨平台作业。多用户或者ArcSDE Geodatabase，在数据库管

20、理系统如 Oracle、SQL Server、Informix 或者DB2 中存储数据。它需要中间件 ArcSDE 进行连接，也被称为 enterprise geodatabase。虽然底层使用的数据库各不相同，但是 geodatabase 给用户提供的是一个一致的操作环境。Geodatabase将拓扑定义为关系规则，在要素数据集中执行。三种矢量数据模型的优点：Coverage： 基于拓扑关系的数据结构，有利于数据文件的组织，减少数据冗余。（如：相邻的多边形共享边界只存储一次，减少冗余，便于修改、维护）Shapefile：1 ）非拓扑数据结构比拓扑数据结构能更快速地显示；2 ）非拓扑数据具有非

21、专业性和互操作性，使其可以在不同软件间通用。Geodatabase：1）Geodatabase的等级结构对于数据组织和管理十分有利；2）Geodatabase是ArcObjects的一部分，具有面向对象的优势；3 ） Geodatabase提供了即时拓扑，适用于要素类内的要素或者两个、多个要素共同参与（如数据编辑、要素间关系等）；4）在ArcObjects中有许多对象、属性、方法可供GIS用户定制应用，减少大量工作的重复性（如数据集的投影等）；5 ） ArcObjects提供了一个可以按照各行各业需要定制对象的模型。可以将显示世界中各个对象的不同属性、行为定制到数据模型中（如交通对象等）。 2003年国际标准化组织(iso)制定和批准了ISO19115“地理信息-元数据”强制性因素：数据集标题、数据集参考日期、数据集语言、数据集主题分类、摘要、元数据联系方式和元数据日戳。条件性因素：数据集责任方、地理位置坐标、数据集特征集、空间分辨率、分布格式、空间表达类型、参照系统、谱系声明、在线资源、元数据文件识别、元数据标准名称、元数据标准版本、元数据