地理信息系统 第四章地理空间数据结构和数据库

1、第二部分第二部分 主要内容主要内容第四章第四章 地理空间数据结构地理空间数据结构 和数据库和数据库第四章第四章 地理空间数据结构和数据库地理空间数据结构和数据库无拓扑矢量数据结构无拓扑矢量数据结构拓扑数据结构拓扑数据结构栅格数据结构栅格数据结构DEM结构结构四叉树和八叉树四叉树和八叉树其它数据结构其它数据结构4.1 4.1 无拓扑矢量数据结构无拓扑矢量数据结构点的矢量结构点的矢量结构链的矢量结构链的矢量结构面的矢量结构面的矢量结构点：节点点：节点 结点结点链：链：弧弧 边边 线线 线段线段面：多边形面：多边形 区域区域 面面体：体：简单结构拓扑数据结构矢量数据的获取方式矢量数据的获取方式1)

2、由外业测量获得由外业测量获得2)由栅格数据转换获得由栅格数据转换获得3)跟踪数字化跟踪数字化301学校编号名称班级性质301405279125城中小学上群中学中心小学实验中学24142228普通小学初中重点小学高中4052791251012031877778598746324519219320179.路段编号类型路面材料宽度101203187.主干道次干道支路沥青水泥沥青402416.地块编号土地使用建筑密度容积率77798746.住宅商业办公工业.0.40.80.70.3.1.52.13.00.8.属性数据与空间数据关联n使用关系型数据库DBMSn一个空间要素对应数据库的一条记录n使用多个字

3、段表达多重属性。点弧面的矢量表示点弧面的矢量表示点号点号XYH1237623426521235弧表弧表1链号链号坐标串坐标串1xyh xyh 2xyh xyh 弧表弧表2链号链号点号串点号串1点号点号 点号点号 2点号点号 点号点号 面表面表1面表面表2面表面表3面号面号坐标串坐标串1xyh xyh 2xyh xyh 面号面号点号串点号串1点号点号 点号点号 2点号点号 点号点号 面号面号弧号弧号串串1弧弧号号 弧弧号号 2弧弧号号 弧弧号号 点表点表各种表示法的比较各种表示法的比较点号点号弧、弧号弧、弧号面面l冗余小、维护方便、调用复杂冗余小、维护方便、调用复杂弧弧坐标、面坐标、面坐标坐标l

4、冗余大、维护不便、调用简单冗余大、维护不便、调用简单l易产生多重坐标易产生多重坐标简单矢量数据表示法特点：直接将地图翻译描述，只记录空间对象的位置坐标。不记录相互之间的关系。结构简单，但无法表达边界和多边形之间的关系。每条记录都有首末坐标，每条记录每条记录都是单独的实体都是单独的实体没有共享的公共边。矢量型多边形公共边界需重复输入。重复存储，存在数据冗余，难以确保数据独立性和一致性。不适合复杂的空间分析，在不以分析为目的CAD系统中广泛使用。ArcGIS的Shape文件：非拓扑的点、线、面。显示速度快，但是编辑不便。简单矢量数据表示法数数 据据 结结 构构拓扑结构在GIS中，为了真实地反映地理

5、实体，不仅要存储实体的位置、形状、大小和属性，还必须存储实体间的相互关系。由于描述空间实体的这种关系不需要考虑空间坐标和距离因素，所以，这种点、线、面之间的空间关系又称为拓扑关系。4.2 4.2 拓扑数据结构拓扑数据结构在在GIS中，为了真实地反映地理实体，中，为了真实地反映地理实体，不仅要存储实体的位置、形状、大不仅要存储实体的位置、形状、大小和属性，还必须存储实体间的相小和属性，还必须存储实体间的相互关系。互关系。拓扑元素拓扑元素 点、弧、面点、弧、面拓扑关系拓扑关系拓扑型数据结构Topological Data Structure 最广泛使用的矢量数据模型，借用了拓扑学（Topology

6、）的原理来描述空间事物。通过拓扑关系，识别地图中的空间数据关系。不仅记录空间位置和几何特性，还记录空间关系全显式和半隐式全显式和半隐式全显式全显式半隐式半隐式拓扑关系的表示拓扑关系的表示拓扑关系表示实例拓扑关系表示实例面块面块ID弧段串弧段串A L6 B L7、-L8、L9、L10 C L1、-L11、-L7、-L5 D L11、L2、L12、L8 E L13、-L9、-L12、L3 F L4、L5、-L10、-L13 L1 P9、P2 L2 P2、P3 L3 P3、P6 L4 P6、P9 P1 L6 P2 L1、L11、L2 P3 L2、L12、L3 P4 L12、L8、L9 L1 O C

7、L2 O D L3 O E L4 O F L5 C F 弧段弧段ID起点，终点起点，终点结点结点ID弧段串弧段串弧段弧段ID左多边左多边形形右多边右多边形形拓扑数据结构在图中，有面A、B、C、D、E、F，有链L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10、L11、L12、L13，有结点P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9。则拓扑关系表示为（10分）其中O为制图区域外部的多边形，常称为包络多边形。其“”号表示边的方向与构成面的方向相反。链结点关系：L1 P9、P2 L2 P2、P3 L3 P3、P6 L4 P6、P9 结点链关系：P1 L6 P2 L1、L11、L2

8、 P3 L2、L12、L3 P4 L12、L8、L9 面链关系：A L6 B L7、-L8、L9、L10 C L1、-L11、-L7、-L5 D L11、L2、L12、L8 E L13、-L9、-L12、L3 F L4、L5、-L10、-L13 L1 O C L2 O D L3 O E L4 O F L5 C F 链面关系：矢量型数据结构的比较简单（环状）数据结构拓扑数据结构数据结构简单复杂简单查询快慢多边形的相邻、嵌套关系表达难表达易网络线段与结点的关系没有有数据编辑、更新公共边界、网络结点靠人工处理公共边界、网络结点由软件自动产生分析功能有限，或者先临时产生拓扑结构再作分析多重叠合、网络分

9、析容易 以规则的像元阵列来表示空间地物或现象的分布的数据结构，其阵列中的每个数据表示地物或现象的属性特征。4.3 4.3 栅格数据结构栅格数据结构栅格数据的获取来自于遥感数据来自于对图片的扫描由矢量数据转换而来由手工方法获取 基于像元基于像元 基于层基于层 基于多边形基于多边形 栅栅格格数数据据结结构构的的存存储储顺顺序序栅格数据单元值确定栅格数据单元值确定CAB长度占优法面积占优重要性中心点法A连续分布地理要素C具有特殊意义的较小地物A分类较细、地物斑块较小A长度占优法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。面积占优法每个栅格单元的值由该栅格中单元面积最大的实体的属性来确定。重

10、要性法根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物的类型作为栅格单元的属性值。这种方法适用于具有特殊意义而面积较小的实体要素中心归属法每个栅格单元的值由该栅格的中心点所在的面域的属性来确定。 （a）三角形（b）菱形（c) 六边形IKONOS卫星多光谱影像（4米）（排队参观毛主席纪念堂的队伍隐约可见，花坛信息没有，背景草坪不清晰）IKONOS卫星融合影像（1米）（排队参观毛主席纪念堂的队伍清晰可见，花坛和背景草坪显示出来，色调自然逼真，连纪念堂柱子的阴影都很清楚）栅格数据模型中，如何将属性数据赋予空间数据？ 方法一：每一个网格单元都赋予一个数值。（简单，但无法有多重属性）需要表达多重属性就必须建

11、立多个栅格图层土地产权土地产权地形地形土地使用土地使用建筑物建筑物ZYX栅格数据模型中，如何将属性数据赋予空间数据？方法二：网格单元与DBMS相连接，一个网格单元就可以有多重属性。111111111111112222222444444443333333333333Value Count1234147138栅格数据结构小结栅格数据结构小结基本概念基本概念像元及像元阵列像元及像元阵列 、像元属性及属性取值方法、像元属性及属性取值方法像元越小，分辨率越高，图斑越精细像元越小，分辨率越高，图斑越精细理解理解栅格编码栅格编码同样的数据可以有不同的编码方式，不影响结果同样的数据可以有不同的编码方式，不影响

12、结果的显示的显示实地、栅格、矢量实地、栅格、矢量 矢量模型和栅格模型的比较矢量模型栅格模型数据量小大位置精度高低数据结构复杂简单点、线、面相互关系全面，缺乏多重属性方便成组分类 图形运算复杂、高效简单、低效数据更新图形和属性数据的恢复、更新、综合都能实现成片的分析功能对线状和网络状的事物分析方便，多种地图叠合分析较困难边界模糊的连续表面的分析、多层叠合分析方便投影变换容易复杂绘图输出精细、丰富概括的、简化的、反映连续表面的适用对象几何形态明确、边界确切几何形态不明确、边界模糊4.4 DEM4.4 DEM结构结构矩形格网结构矩形格网结构不规则三角网结构不规则三角网结构DEM DEM 的生成的生成

13、DEM DEM 的概念的概念数字高程模型（数字高程模型（DEM)DEM) ： DTMDTM中属性为高程的中属性为高程的要素称为数字高程模型要素称为数字高程模型, ,它是地表单元上的高它是地表单元上的高程集合程集合, ,通常用矩阵来表示。通常用矩阵来表示。 DEMDEM是建立是建立DTMDTM的的“基础数据基础数据”或称为单要素或称为单要素图图; ;其它要素均可以从其它要素均可以从DEMDEM数据直接或间接导出数据直接或间接导出, ,这些这些“派生数据派生数据”通常包括通常包括: :平均高程、坡度、平均高程、坡度、坡向等。坡向等。矩形格网结构矩形格网结构矩形格网矩形格网GRIDGRID是一个高程

14、矩阵是一个高程矩阵可以由高程点、等高线内插产生，也可以由全可以由高程点、等高线内插产生，也可以由全数字摄影测量模式产生，直接接收数字高程模数字摄影测量模式产生，直接接收数字高程模型和正射影像数据。同时，也接受解析测图仪型和正射影像数据。同时，也接受解析测图仪实测的随机采样数据和既有地形图数字化等高实测的随机采样数据和既有地形图数字化等高线数据线数据对于特殊地形，还存在地形地物特征点线数据。对于特殊地形，还存在地形地物特征点线数据。随机栅格转换的算法包括距离加权平均（又称随机栅格转换的算法包括距离加权平均（又称移动曲面法）和基于移动曲面法）和基于TINTIN的两种方法的两种方法内插矩形格网内插矩

15、形格网TIN TIN 结构结构点号点号X YH号号顶点顶点邻邻1231 12 23 31A1260B02B276CEA3C287DFB4D3380GC5E679BFH6F789CGE7G388JFD8H5690EI9I4590HJJ3490IGTIN TIN 的主要特征的主要特征TIN由一系列三角形组成由一系列三角形组成三角形顶点都是一些特征点三角形顶点都是一些特征点每个三角形的坡度、坡向均一每个三角形的坡度、坡向均一三角形大小随地形变化而变三角形大小随地形变化而变尽可能是等边三角形尽可能是等边三角形三角形外接圆内没有其它点三角形外接圆内没有其它点以拓扑方式存储以拓扑方式存储TIN TIN 的

16、生成的生成rTINTIN模型模型建模的基本要求建模的基本要求建立模型建立模型TIN基本要求基本要求l三角形之间互不相交三角形之间互不相交(唯一性唯一性)l三角形的外切圆内不含离散点三角形的外切圆内不含离散点(Delaunay)控制线及其约束作用控制线及其约束作用l三角形不能超过边界线范围三角形不能超过边界线范围TINTIN基本要求基本要求边界线的约束作用边界线的约束作用4.5 4.5 四叉树和八叉树四叉树和八叉树将栅格数据二维空间区域按照将栅格数据二维空间区域按照4个象限进行递个象限进行递归分割（归分割（2n2 n，且，且n1），直到子象限的数），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的

17、倒向树。值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。叶子结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面从上到下，从左到右为叶子结点编号，最

18、下面的一排数字表示各子区的代码。的一排数字表示各子区的代码。为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为图形必须为2n2 n的栅格阵列。的栅格阵列。n 为极限分为极限分割次数，割次数，n1是四叉树最大层数或最大高度是四叉树最大层数或最大高度四叉树编码四叉树编码 1112131415161718192021222324252627282930313233363738393435400 0 00 3 3 3 0 3 3 33 3 5 3 0 0 2 2 2 3 2 2 2 2 0 22 2 2 5 2 5 5 53 33 5 5西南西南东南东南西北西北

19、东北东北 八叉树八叉树V的长、宽、高均为的长、宽、高均为2n，用，用3个面将其分个面将其分为为8块块000 001 010 011 100 101 110 111002 003 012 013 102 103 112 113020 021 030 031 120 121 130 131022 023 032 033 122 123 132 133200 201 210 211 300 301 310 311202 203 212 213 302 303 312 313220 221 230 231 320 321 330 331222 223 232 233 322 323 332 33344

20、4454554 555541405505515400415 500510044054040 041 050 051 140 141 150 151004 005 014 015 104 105 004 0050 12 374 5012345671234567I（X）K（Z）J（Y）4.6 4.6 其它数据结构其它数据结构区域数据结构区域数据结构动态分段动态分段区域数据结构区域数据结构由线和面建立，由区域层和区域构成由线和面建立，由区域层和区域构成区域层内的区域具有相同属性区域层内的区域具有相同属性区域可以重叠区域可以重叠一个区域可以由分离的面构成一个区域可以由分离的面构成区域的数据表：区域的数

21、据表：区域号区域号多边形号多边形号区域号区域号圈号圈号弧段号弧段号动态分段动态分段动态分段(Dynamic Segmentation)思想是由美国威斯康星交通厅戴维.复莱特于1987年首先提出的。该思想解决了传统的GIS在处理线性特征时所遇到的问题，是一种新的线性特征的动态分析、现实和绘图技术。它是在传统GIS数据模型的基础上利用线性参考系统和相应算法，在需要分析、现实、查询及输出时，动态计算出属性数据的空间位置，即动态地完成各种属性数据集的显示、分析及绘图的一种方法。动动态态分分段段区段表区段表点事件表点事件表线事件表线事件表50100150200250红旗大街红旗大街东直路东直路XX路路里

22、程桩里程桩事件事件P-IDID路名路名距离距离属性属性事件号事件号红旗大街红旗大街180公交站公交站路径链号路径链号弧段链号弧段链号始测度始测度到测度到测度始位置始位置到位置到位置P#P-IDP-IDID路名路名始始至至属性属性习题根据下图，（根据下图，（1）列出点、线（链）、面（多边形）的简单）列出点、线（链）、面（多边形）的简单数据结构表数据结构表 ；（；（2）列出面）列出面-链、链链、链-结点、结点结点、结点-链、链链、链-面面 拓拓扑数据结构表扑数据结构表注：黑点为结点圆圈为节点第二部分第二部分 地理空间数据库地理空间数据库数据库概念数据库概念数据库系统结构数据库系统结构数据库管理系统

23、的功能与组成数据库管理系统的功能与组成空间数据库管理系统的管理模式空间数据库管理系统的管理模式地理数据库中的时间维地理数据库中的时间维数据库的定义：为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。数据库可以看作是与现实世界有一定相似性的模型，是认识世界的基础，是集中、统一地存储和管理某个领域信息的系统，它根据数据间的自然联系而构成，数据较少冗余，且具有较高的数据独立性，能为多种应用服务。4.7 4.7 数据库概念数据库概念空间数据和属性数据的联合体空间数据和属性数据的联合体Geographical Information System空间数据库：空间数据库：某一区

24、域内关于一定某一区域内关于一定地理要素地理要素特征的数据集合。特征的数据集合。 数据库三个基本部分数据库三个基本部分数据集数据集l一个结构化的相关数据的集合体，包括数据本身和数据间的一个结构化的相关数据的集合体，包括数据本身和数据间的联系。数据集独立于应用程序而存在，是数据库的核心和管联系。数据集独立于应用程序而存在，是数据库的核心和管理对象。理对象。物理存储介质物理存储介质l指计算机的外存储器和内存储器。前者存储数据；后者存储指计算机的外存储器和内存储器。前者存储数据；后者存储操作系统和数据库管理系统，并有一定数量的缓冲区，用于操作系统和数据库管理系统，并有一定数量的缓冲区，用于数据处理，以

25、减少内外存交换次数，提高数据存取效率。数据处理，以减少内外存交换次数，提高数据存取效率。数据库软件数据库软件l其核心是数据库管理系统其核心是数据库管理系统(DBMS)。主要任务是对数据库进行。主要任务是对数据库进行管理和维护。具有对数据进行定义、描述、操作和维护等功管理和维护。具有对数据进行定义、描述、操作和维护等功能，接受并完成用户程序和终端命令对数据库的请求，负责能，接受并完成用户程序和终端命令对数据库的请求，负责数据库的安全。数据库的安全。4.8 4.8 数据库系统结构数据库系统结构用户A1用户A2用户B1用户B2用户B3A/C映射外部模型A外部模型B概念模型 C物理数据内部模型C/D映

26、射数据库管理系统数据库管理系统概念模式概念模式亦称模式。是数据库的总框架。概念模式由概念模式描述语言DDL来进行描述。 通过对用户需求进行综合、归纳与抽象，形成一个独立于具体数据库管理系统（DBMS）的概念模型 。 映射现实世界映射现实世界 无间道无间道 概念模型概念模型1 无间道无间道 概念模型概念模型2 ER模型，即实体联系模型包括实体、联系和属性三个基本成分。市区要素市区要素空间实体空间实体空间实体属性空间实体属性空间实体关系空间实体关系边线边线走向走向街道街道路面质量路面质量所属路段所属路段所属街道所属街道组成组成长度等长度等m1模模型型E_RE_R概念设计空间实体l基站和商服设施的点

27、位、公交路线、道路中线、公园、小区、行政区空间实体属性l点：路名、门牌号、坐落、类别、电话、所属行政区、临近的公交路线l线：名、宽度、性质l面：名、性质、临近的公交路线空间实体关系l靠空间分析确定外模式外模式亦称子模式。是数据库用户的数据视图。它属于概念模式的一部分，描述用户数据的结构、类型、长度等。外模式由外模式描述语言SDDL进行具体描述。将概念结构转换为某个DBMS所支持的数据模型，对其进行优化。确定数据项：l完成点、公交线路、道路、目标面、行政面等数据表设计检查记录及记录间的联系：l安全性、完整性和一致性约束等道路类型道路类型 长度长度 路面材料路面材料 宽度宽度 行车道路行车道路 道

28、路名称道路名称 2 2715.5 混凝土混凝土 52 4 八一路八一路内模式内模式亦称存储模式。是对数据库在物理存储器上具体实现的描述。内模式由数据存储描述语言DSDL进行描述。为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构（包括存储结构和存取方法）一个好的物理存储结构必须满足两个一个好的物理存储结构必须满足两个条件：条件： 1 是地理数据占有较小的存储空间； 2 是对数据库的操作具有尽可能高的处理速度。确定记录存储格式，选择文件存储结构，决定存取路径，分配存储空间选用MapInfo本身的数据文件，或外挂商品数据库硬件可用某种数据服务器4.9 4.9 数据库管理系统的功能与组成数据库管理系统的

29、功能与组成数据库数据库定义定义功能功能l用数据库的数据描述语言用数据库的数据描述语言DDL来定义概念模来定义概念模式、外模式和内模式，即定义数据库框架。式、外模式和内模式，即定义数据库框架。数据库数据库管理管理功能功能l对数据进行更新、存取等的控制功能。通常对数据进行更新、存取等的控制功能。通常提供有数据操作语言来作为用户和数据库之提供有数据操作语言来作为用户和数据库之间的接口间的接口数据库数据库维护维护功能功能l改善系统的性能、受损后的复原、用户管理、改善系统的性能、受损后的复原、用户管理、拓宽数据库用户的要求拓宽数据库用户的要求数据库数据库通讯通讯功能功能l应具有与操作系统的接口、与各种语言的接应具有与操作系统的接口、与各种语言的接口、与其它数据库通讯等能力口、与其它数据库通讯等能力4.10 4.10 空间数据库管理系统的管理模式空间数据库管理系统的管理模式GIS应用软件空间及属性数属性数据据文件GIS应用软件空间及属性数据库扩展DBMS以容纳空间数据商业数据库GIS应用软件空间及属性数据库用户设计的数据库GIS应用软件空间数据库属性数据库管理空间数据的软件管理属性数据的DBMS文文件件